渤南洼陷超壓系統(tǒng)劃分及結(jié)構(gòu)特征

羅勝元,何 生,金秋月,楊睿之,張君立

1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 4302052.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057

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渤南洼陷超壓系統(tǒng)劃分及結(jié)構(gòu)特征

羅勝元1,何 生2,金秋月3,楊睿之2,張君立2

1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205
2.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057

沾化凹陷的渤南洼陷為富油洼陷，實測超壓出現(xiàn)在沙三、四段，埋深為2 300～4 200 m。綜合大量的地壓測試、測井和地質(zhì)資料，研究了現(xiàn)今超壓分布和超壓的測井及地震響應(yīng)，對單井、剖面超壓發(fā)育特征和影響超壓結(jié)構(gòu)的地質(zhì)要素進行了深入分析。超壓帶內(nèi)泥巖聲波時差偏離正常趨勢線，而泥巖密度沒有明顯偏低的響應(yīng)。研究表明：渤南洼陷存在3個超壓系統(tǒng)，上超壓系統(tǒng)為淺層沙一段發(fā)育的弱超壓，沙三段中下部的強超壓構(gòu)成中超壓系統(tǒng)的主體，下超壓系統(tǒng)位于沙四段中；砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%的沙二段為常壓。超壓源層、低滲封隔層和斷裂構(gòu)造帶3類地質(zhì)要素控制著超壓幅度和超壓結(jié)構(gòu)。泥質(zhì)源巖產(chǎn)生的多相流體是形成超壓系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)；沙一段壓實泥巖、沙三中亞段的互層致密砂巖和泥巖、沙四上亞段的膏鹽層作為壓力系統(tǒng)封隔層，對超壓系統(tǒng)的形成和分布起到控制作用；斷裂具有泄壓和封堵雙重性，對地層壓力和油氣層橫向分布具有重要影響。利用地震層速度計算得到了渤南洼陷現(xiàn)今大規(guī)模超壓系統(tǒng)分布特征的整體認(rèn)識。

渤南洼陷；測井響應(yīng)；超壓系統(tǒng)；超壓結(jié)構(gòu)；濟陽坳陷

0 引言

含油氣盆地超壓的研究是探索成藏機理、預(yù)測油氣藏分布的重要基礎(chǔ)工作。理論上有效烴源巖、異常高壓、有利儲層和圈閉及油氣成藏等因素總是相伴出現(xiàn)[1]，對超壓的研究某種程度上就是對有利成藏條件及區(qū)帶的研究；實際勘探中超壓的存在使勘探的時間、成本和風(fēng)險急劇增加，預(yù)測超壓可有效降低勘探風(fēng)險。濟陽坳陷沾化凹陷油氣資源豐富，同時超壓極為發(fā)育，已發(fā)現(xiàn)的大部分構(gòu)造油氣藏分布在正常壓力區(qū)帶，而巖性油氣藏多分布在異常高壓區(qū)帶[2]，在以巖性油氣藏為主的隱蔽油氣藏勘探階段，具有巨大潛力的古近系沙三、四段已成為當(dāng)前油氣勘探的重點[3]。為了研究沾化凹陷渤南洼陷地層異常高壓的結(jié)構(gòu)特征、成藏流體動力的形成和演化，筆者在分析單井泥巖超壓測井響應(yīng)的基礎(chǔ)上，選用合適的數(shù)據(jù)處理步驟和恰當(dāng)?shù)膲毫︻A(yù)測方法，預(yù)測了單井和剖面超壓分布，劃分出上、中、下3個超壓系統(tǒng)，深入探討了影響超壓結(jié)構(gòu)的超壓泥巖層、低滲封隔層和斷裂構(gòu)造帶3類主控地質(zhì)因素，指出了渤南洼陷壓力系統(tǒng)的分布規(guī)模，以期為沉積盆地普遍發(fā)育的超壓研究和深層油氣勘探提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 渤南洼陷構(gòu)造特征、南北向構(gòu)造剖面和新生界綜合柱狀圖(據(jù)文獻[3]修改)Fig.1 Tectonic characteristics, geological schematic with south-north cross-section and generalized cenozoic stratigraphic column of Bonan sag (modified from reference[3])

2 實測壓力分布特征

實測壓力資料是研究超壓現(xiàn)象最為直接可靠的資料，筆者統(tǒng)計了渤南洼陷410口鉆井的660個鉆桿地層測試(DST)或電纜地層測試(MDT)的壓力數(shù)據(jù)，分屬于古近系沙河街組和東營組，部分為新近系館陶組。渤南洼陷深部儲層超壓發(fā)育，且不同深度段的壓力梯度變化明顯(圖2a)。深度小于2 300 m砂巖儲層的壓力梯度普遍小于1.2 MPa/hm，為常壓系統(tǒng)；大于1.2 MPa/hm的砂巖儲層壓力梯度發(fā)育在2 300～4 200 m深度，并且壓力梯度隨深度增加而顯著增大。目前的資料顯示,孔店組實測儲層壓力系數(shù)(Pc)為0.80～1.25，基本為常壓。由圖2b可見，渤南洼陷沙三段和沙四段砂巖儲層超壓發(fā)育，最大壓力系數(shù)分別為1.85(新義深9井Es3，深度3 228.5 m)和1.72(義171井Es4，深度3 514.5 m)，強超壓(Pc>1.50)主要起始深度為2 970 m，強超壓出現(xiàn)層位為沙三段和沙四段。埋藏較淺的沙二段和沙一段砂巖儲層有個別數(shù)據(jù)顯示出弱超壓，東營組及新近系儲層均表現(xiàn)為常壓。根據(jù)渤南洼陷新生界孔店組至館陶組砂巖1 162個礦化度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果(圖2c):在埋深2 900 m之上，平均地層水礦化度為0～20 g/L，且大小相差不大；在2 900 m之下，礦化度增大至0～60 g/L，基本趨于穩(wěn)定。水化學(xué)類型主要為重碳酸鈉型(NaHCO3)，其次為氯化鈣型(CaCl2)，礦化度大于20 g/L的地層水基本位于沙三段和沙四段，與強超壓出現(xiàn)的層位一致。

圖2 渤南洼陷儲層實測壓力(a)、壓力系數(shù)(b)和地層水礦化度(c)與深度關(guān)系圖Fig.2 Plots of measured pore pressure(a), pressure coefficients(b) and total dissolved solids(c) versus depth in Bonan sag

3 超壓測井預(yù)測與解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

渤南洼陷為典型的陸相沉積洼陷，相帶變化頻繁，第三系中泥巖層和砂巖層的界限比較模糊，巖心觀察表現(xiàn)出粉、細(xì)砂巖紋層與泥、頁巖紋層成不同比率相互成層。巖性的變化在縱、橫向上均可對聲波速度產(chǎn)生明顯影響，使砂、泥巖壓實趨勢發(fā)生變化，需要區(qū)分不同的巖性，選用合適的測井資料來預(yù)測超壓。筆者利用Eaton公式預(yù)測地層壓力[4]，使用的數(shù)據(jù)資料包括：① 完整測井序列數(shù)據(jù)，包括自然伽馬、聲波時差、密度、電阻率、中子和井徑測井等；② 實測壓力資料，包括DST、RFT和MDT，以及泥漿錄井壓力；③ 完井報告中的地質(zhì)分層和巖性資料。

圖3為以義283井為例闡述的壓力預(yù)測的處理流程圖。義283井位于渤南洼陷西側(cè)鼻狀構(gòu)造帶(井位見圖1)，井深4 300 m，鉆遇沙四下亞段，有完整資料記錄的深度為2 000～4 250 m。根據(jù)巖性構(gòu)成簡圖(圖3a)和伽馬測井曲線反映的巖性信息(圖3b)，首先通過自然伽馬測井確定泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%、地層厚度大于1 m的泥巖段，選取對應(yīng)深度的泥巖聲波時差、密度，并參考井徑曲線的變化，判斷是否有擴徑的影響，挑選出砂、泥巖的聲波時差測井曲線如圖3c所示。最后取縱向深度10 m為間隔，使用移動平均處理方法計算出測井曲線的平均值，以消除薄互層、尖峰值等分散數(shù)據(jù)資料造成的隨機誤差[5]，處理后的測井聲波時差、泥巖密度如圖3d、e所示。利用淺層常壓帶的泥巖聲波時差資料以及骨架時差，可給出泥巖聲波時差的正常壓實趨勢線。經(jīng)平均平滑后的泥巖聲波時差總體變化趨勢十分明顯：聲波時差隨深度增加而不斷減小，至某一深度偏離正常壓實趨勢而增大，在聲波時差變化的背景下，聲波時差曲線還有不同程度的次一級起伏。比較不同巖性的聲波時差發(fā)現(xiàn)，中層砂巖聲波時差明顯小于泥巖時差，深層兩者變化趨勢一致，數(shù)值相差很小。這種差異說明，在超壓發(fā)育的深度范圍內(nèi)，利用測井資料研究地層壓實過程和壓力估算時，巖性的區(qū)分是必要和有效的。

a.巖性構(gòu)成簡圖;b.自然伽馬曲線;c.自然伽馬區(qū)分的砂、泥巖聲波時差曲線;d.10 m深度間隔的移動平均聲波時差曲線;e.泥巖密度曲線;f.Eaton法預(yù)測壓力。GR.自然伽馬；AC.聲波時差；DEN.密度；H.深度。圖3 義283井壓力預(yù)測處理流程Fig.3 Date pre-processing prior to pore pressure analysis of well YI283

3.2 壓力預(yù)測方法

超壓發(fā)育層段可能具有以下一種或幾種地質(zhì)參數(shù)響應(yīng)特征：低密度、低地震速度、高孔隙度、低有效應(yīng)力、高地溫梯度等，大部分的超壓預(yù)測方法都是基于這些地質(zhì)特征。Eaton[4]提出了著名的伊頓法，在上覆負(fù)荷壓力和地層壓力隨深度變化的基礎(chǔ)上，利用泥巖電阻率、聲波時差和地層可鉆性指數(shù)來計算地層壓力。該公式是半經(jīng)驗半定量的壓力預(yù)測方法，其原理是在碎屑巖地層中，超壓帶內(nèi)的聲波速度、電阻率受超壓的影響而偏離正常趨勢線，偏離的比值或差值與超壓強弱為正相關(guān)關(guān)系，這種關(guān)系并不隨巖性或深度的變化而改變?？梢钥闯?，該方法是與正常壓力狀態(tài)相比較，利用超壓減小顆粒間的有效應(yīng)力使速度減小的原理而提出的。Eaton的原始公式利用的是孔隙壓力和其他幾個參數(shù)的冪指數(shù)關(guān)系：

其中：Pp為預(yù)測孔隙流體壓力，MPa；Po和Ph分別為上覆靜巖壓力和正常的靜水壓力，MPa；Δtn和Δto分別為聲波在正常壓實泥巖中的傳播時間和實測聲波在泥巖中的傳播時間，μs/m；N為經(jīng)驗系數(shù)。Eaton指數(shù)[4]決定著預(yù)測值的準(zhǔn)確程度，隨巖性、成巖程度等變化而改變，不同地區(qū)可以改變冪指數(shù)取值的大小來擬合實測壓力結(jié)果，以滿足預(yù)測結(jié)果的可靠性。對于渤南洼陷，古近系和新近系主要為砂泥巖層序地層，因而可考慮采用Eaton公式計算地層壓力。圖3f為義283井的壓力預(yù)測結(jié)果，分別選取經(jīng)驗系數(shù)N=2.0和N=3.0時對超壓進行預(yù)測。結(jié)果表明,選取冪指數(shù)N=3.0時，實測壓力值與預(yù)測壓力值吻合較好。

3.3 超壓測井響應(yīng)與解釋

前人對于超壓結(jié)構(gòu)的研究存在多種名稱，如“超壓倉”[6]、“超壓帶”[7]、“超壓系統(tǒng)(體系)”[2, 8]等。為便于描述，本文中使用的超壓帶指地層壓力明顯高于靜水壓力的流體流動單元；超壓系統(tǒng)概念不僅包括由泥頁巖、膏巖層等超壓源巖層，還包括泥頁巖、膏鹽層和經(jīng)歷強烈成巖作用的砂巖組成的非滲透封隔層，以及這些地質(zhì)要素在盆地演化過程中有機質(zhì)、無機礦物和孔隙流體伴生的物理-化學(xué)過程。本研究從渤南洼陷(包括四扣洼陷)選取了義283、義115、義深10和義160共4口典型鉆井進行泥巖超壓測井響應(yīng)特征分析，4口井的井位如圖1所示。

義283井 為發(fā)育單超壓帶的典型井(圖3f)。上段泥巖聲波時差曲線隨深度增加而減小，該井泥巖聲波時差偏離正常壓實趨勢線的地層為沙三段，實測砂巖壓力證實泥巖高時差段為超壓帶，超壓帶頂界深度約為2 800 m，鉆井已揭示的該帶厚度約800 m，平均泥質(zhì)巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)都大于85%；從密度測井曲線看，泥巖高聲波時差帶即超壓帶中的泥質(zhì)巖密度隨深度逐漸增加(圖3e)，沒有明顯的異常。從超壓帶泥巖高聲波時差變化特征看，該井沙一段為超壓過渡帶，厚度約400 m；超壓帶主體即中——強超壓范圍發(fā)育在沙三中、下亞段，其間沒有明顯的封隔層。沙四段砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%，儲層連通性好，泥巖聲波時差和密度均表現(xiàn)為正常值，地層為常壓。

義115井 位于沾化凹陷渤南斷裂帶上盤渤深3構(gòu)造低部位，東鄰孤西大斷層，正北受埕東大斷裂的控制，為小斷層分隔的局部巖性圈閉。該井鉆遇沙四下亞段，為發(fā)育上、中2個超壓帶的典型井(圖4)。利用相對淺層常壓帶的泥巖聲波時差資料以及骨架時差，可給出泥巖聲波時差的正常壓實趨勢線。該井泥巖聲波時差偏離正常壓實趨勢線的地層為沙一段、沙三段和沙四段，實測砂巖壓力證實泥巖高時差段為超壓帶，超壓帶頂界深度約為2 700 m。鉆井揭示超壓系統(tǒng)厚度約1 800 m，泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，也是主要的成熟烴源巖發(fā)育帶；從密度測井曲線看，泥巖高聲波時差帶即超壓帶中的泥質(zhì)巖密度隨深度逐漸增加，沒有明顯的異常。從超壓帶的泥巖高聲波時差變化特征看，該井區(qū)沙三中——上亞段為超壓過渡帶，厚度約500 m；超壓帶主體即中——強超壓范圍發(fā)育在沙三下亞段至沙四上亞段，其間沒有明顯的封隔層；資料顯示沙四下亞段也發(fā)育超壓帶，其超壓底界該井未揭示。

義深10井 位于鄰近渤南洼陷西側(cè)的四扣洼陷義東斷裂帶下降盤義深10斷塊高部位，井深4 200 m，鉆遇沙四下亞段(圖4)。結(jié)合泥巖聲波時差的正常壓實趨勢線分析，縱向上在沙三段和沙四下亞段，泥巖高聲波時差出現(xiàn)中、下兩個帶且幅度大，十分顯著的偏離正常壓實趨勢線，而泥巖密度沒有出現(xiàn)明顯偏低的現(xiàn)象。沙三下亞段底部至沙四上亞段約250 m厚的膏泥巖層段的泥巖聲波時差接近正常壓實趨勢線，縱向上由于該帶的分隔，推測該井區(qū)發(fā)育雙超壓帶，即出現(xiàn)中、下2個超壓帶:中超壓帶發(fā)育在沙三段，超壓頂界面深度為3 200 m，中超壓帶厚度約750 m，并在沙三下亞段底部超壓幅度明顯減小接近常壓；下超壓帶發(fā)育在沙四下亞段，超壓幅度在鉆井揭示的范圍可見顯著增加的趨勢。義深10井缺乏實測壓力資料，根據(jù)臨近義東25井實測壓力和泥漿壓力判斷，義深10井沙四段上部的膏巖層應(yīng)為常壓，與預(yù)測壓力值吻合。

義160井 位于渤南洼陷渤深4斷塊高部位，鉆遇沙四下亞段，為縱向發(fā)育3個超壓系統(tǒng)的典型井(圖4)。巖性質(zhì)量分?jǐn)?shù)及泥巖聲波時差隨深度變化表明，壓實作用很大程度上受巖性條件的控制，而不是沿著壓實趨勢線隨深度增加而遞進。該井2 200～2 400 m、2 730～3 150 m為常壓段，砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%，地層為正常壓實，泥巖深測向電阻率為1～10 Ω·m。在沙一段和沙三下亞段，隨著泥(灰)質(zhì)含量增高，地層輸導(dǎo)能力變低，偏離正常趨勢線越遠(yuǎn)，泥巖深測向電阻率為10～200 Ω·m。在沙四上亞段膏巖層下部，聲波時差同樣偏離了正常趨勢線。根據(jù)泥巖聲波時差和砂巖實測壓力判斷，超壓帶頂界深度約為2 425 m，位于東營組底部。

圖4 渤南洼陷典型井巖性構(gòu)成及泥巖段聲波時差、密度、電阻率(R4)和流體壓力隨深度變化關(guān)系Fig.4 Profiles of simplified stratigraphic column, sonic transit times, density, resistivity of mudstones and pore pressure versus depth for the representative wells in Bonan sag

3.4 剖面壓力結(jié)構(gòu)

單井解剖能夠了解井孔的壓力結(jié)構(gòu)，剖面分析可以了解橫向壓力結(jié)構(gòu)的變化。本研究選擇了橫切主要構(gòu)造單元的東西向剖面，根據(jù)三維地震資料建立地層構(gòu)造格架，利用單井聲波時差資料計算地層壓力和壓力系數(shù)后，對比相鄰井壓力曲線，綜合試油測壓數(shù)據(jù)和油氣層綜合解釋結(jié)果，獲得剖面地層壓力系數(shù)等值線圖。井位和剖面分布如圖1所示。

渤南洼陷東西向剖面的流體壓力和油藏分布如圖5所示，剖面BB′全長約20 km，自西向東依次過義和莊凸起、四扣洼陷、渤南洼陷、孤島凸起。從流體壓力系數(shù)等值線圖可以看出，渤南洼陷沙四段膏巖層將古近系超壓體系分為中、下2個超壓系統(tǒng)。沙三段超壓帶規(guī)模大、超壓幅度高；受高壓流體來源和保存條件的限制，沙一段的超壓帶分布范圍較小，只在盆地中心有局部分布，超壓幅度低，最大壓力系數(shù)不超過1.4。下超壓系統(tǒng)主要分布在沙四段中，分布范圍受到沙四段膏巖封閉層的控制，根據(jù)泥巖聲波時差、少量的實測壓力數(shù)據(jù)顯示，推測在沙四下亞段壓力逐漸過渡為常壓。

圖5 渤南洼陷東西向油藏剖面和壓力系數(shù)等值線圖(剖面位置見圖1中BB′)Fig.5 Selected cross-sections showing the oil reservoir and contour maps of predicted pressure coefficients using Eaton method of representative wells in Bonan sag (location of the cross-sections BB′ is shown in Fig.1)

平面上由西向東，沙三上、中亞段由深湖——半深湖相逐漸過渡為水下沖積扇——濁積扇沉積相，平均砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，沙三段超壓頂界面深度逐漸變深(表1)，為2 950～3 150 m，基本上與地層水礦化度突變(礦化度增大到20 g/L)出現(xiàn)的深度一致。在層位上超壓頂界面貫穿沙三上、中亞段。將沙三段超壓頂界面作為流體超壓影響的最大外邊界，統(tǒng)計超壓頂界面與沙三下亞段成熟烴源巖間的距離，結(jié)果表明,超壓源層離壓力輸導(dǎo)層，也就是泄壓層之間的垂向距離由西向東逐漸減小，這也是導(dǎo)致沙三段超壓頂界面深度逐漸變深的原因。從縱、橫向上看，渤南洼陷超壓系統(tǒng)的空間分布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在相當(dāng)程度上的差異性和分割性，超壓封存箱并未形成整體上統(tǒng)一的壓力結(jié)構(gòu)體，相鄰井間的壓力變化趨勢并不一致，存在一定差別。

表1 渤南洼陷西——東向剖面典型井沙三段超壓層特征

Table 1 Material properties of the overpressured reservoirs for the representative wells of W-E-trending sectional profile in Bonan sag

井位(自西向東)沙三上、中亞段砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%沙三段超壓頂界面深度/m超壓頂界面與沙三下烴源巖距離/m義東36<2.03137249.7新渤深1<2.02975211.1義1714.22952183.8義1713.42986156.6義17016.33080161.2義17212.83125140.7渤深428.0316199.9義16039.4318829.5

4 超壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征

4.1 超壓系統(tǒng)劃分

壓力預(yù)測分析表明，渤南洼陷超壓分布明顯受地層和巖性控制。隨深度增加，古近系自沙一段開始發(fā)育弱超壓，在沙二段至沙三上亞段壓力系數(shù)減小至1.2左右，進入沙三中亞段超壓再次逐漸積累，至沙三下亞段超壓幅度增至最大，沙四上亞段超壓開始減小，到沙四下亞段變?yōu)槌骸３瑝憾纹毡閷?yīng)泥巖集中發(fā)育層，統(tǒng)計表明,超壓層段巖性以泥包砂為主，砂泥巖比為0.1～0.3，主要集中在0.10～0.15，隨著泥質(zhì)含量的增加，異常壓力增加的幅度更為明顯。渤南洼陷在演化期間受構(gòu)造沉降、氣候、沉積物供給等因素變化的影響，湖泊、三角洲河流相沉積體系交替變化，形成了沙四上至沙三中亞段、沙一段的大套泥質(zhì)沉積，超壓體分布于深湖相、三角洲前緣相和前三角洲相的泥巖發(fā)育帶中。洼陷內(nèi)廣泛分布的兩類主要砂體是沙四下亞段的扇三角洲沉積相和沙二段濱淺湖辮狀河三角洲、扇三角洲沉積相[9]。沙四下亞段為大套紅層沉積，厚層塊狀砂礫巖厚度占該層段厚度的40%；沙二段表現(xiàn)出砂巖和泥巖的頻繁互層、砂層多但厚度薄的特點，平均砂質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%。這些相互連通的高滲透性砂巖是流體大規(guī)模有效排出的有利條件[10-11]，因此仍保持靜水壓力。

根據(jù)上述分析，可以將渤南洼陷劃分為上、中、下3個超壓系統(tǒng)(表2):上超壓系統(tǒng)頂封層為東營組下部淺湖相沉積的泥巖，沙一段湖相沉積的欠壓實泥巖構(gòu)成上超壓系統(tǒng)主體部分，底部為沙一段下部的洪泛面；中超壓系統(tǒng)以沙三中亞段頂部扇三角洲前緣相沉積的鈣質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖夾砂巖為封隔層，沙三中、下亞段成熟烴源巖分布區(qū)為中超壓系統(tǒng)的主體；下超壓系統(tǒng)以沙四上亞段干旱湖泊環(huán)境下沉積的膏鹽層為封隔層，主體部分為沙四上亞段局部分布的中——高成熟的烴源巖，沙四上亞段底部淺湖沉積的砂體組成下超壓系統(tǒng)的壓力過渡帶?？紤]到淺層和更深層分布著常壓，這種多超壓系統(tǒng)疊置型的結(jié)構(gòu)不同于我國乃至世界的大多數(shù)超壓盆地，目前在北海盆地[12]、鶯歌海盆地樂東30-1-1A井[13]清晰可見。值得注意的是，由于沉積、沉降速度和充填巖性的差異，在洼陷內(nèi)不同部位的壓力結(jié)構(gòu)也不同，不同壓力系統(tǒng)間的過渡關(guān)系十分復(fù)雜，如研究區(qū)下超壓系統(tǒng)的過渡帶和底部邊界難以區(qū)分,甚至不發(fā)育。

4.2 超壓結(jié)構(gòu)的主控因素

超壓系統(tǒng)的存在是增壓作用與超壓傳遞或泄壓散失的動態(tài)平衡過程，烴源巖的供烴能力、壓力封閉層和輸導(dǎo)層的滲透性、超壓強度及其持續(xù)時間等，是影響超壓結(jié)構(gòu)和現(xiàn)今超壓幅度的重要因素[14-15]。筆者將重點分析泥巖超壓源層、低滲封隔(蓋)層和斷裂構(gòu)造帶3類主要地質(zhì)要素對超壓結(jié)構(gòu)的影響。

1)渤南洼陷地層高壓中心出現(xiàn)層位為沙三段和沙四段，主要分布在洼陷2 900～3 700 m深度范圍內(nèi)，超壓源層以泥巖、泥灰?guī)r為主，在構(gòu)造背景和沉積體系控制下發(fā)育的泥質(zhì)巖是渤南洼陷超壓流體來源的物質(zhì)基礎(chǔ)條件。研究區(qū)沙三中——下、沙四上亞段油型泥質(zhì)源巖厚度為100～500 m，總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))平均值為3.1%，具有較高的氯仿瀝青“A”和生烴潛力；并且泥巖埋深一般大于2 700 m，從東營組沉積末期逐步進入生油窗，至今處于生烴高峰期。盆地模擬和沙四段天然氣藏分布表明，渤南深洼中心沙四上亞段烴源巖的成熟度已經(jīng)達到高熟階段，在地史時期有很強的生氣能力。

圖6 渤南洼陷羅3井不同壓力系統(tǒng)烴源巖地球化學(xué)特征(據(jù)文獻[16]修改)Fig.6 Geochemical characteristics of different pressure system of Luo 3 well (modified from reference[16])

超壓帶主體也是沙三段主要成熟烴源巖發(fā)育帶，與常壓系統(tǒng)比較，超壓系統(tǒng)具有更豐富的有機流體。以羅3井為例，該井位于渤南洼陷鼻狀構(gòu)造帶，自2 600 m開始發(fā)育超壓，沙三段壓力系數(shù)為1.2～1.5，沙四上亞段Pc最高可達1.7。超壓層段基本對應(yīng)著成熟烴源巖，圖6為該井烴源巖地球化學(xué)參數(shù)變化特征。IH為氫指數(shù)，S1為Rock-Eval分析中的解吸烴量，S2為熱解烴量，S1+S2反映了源巖的總生烴潛力，S0為原始生烴潛力；這些參數(shù)基本反映了有機質(zhì)生烴潛力和生烴轉(zhuǎn)化程度。從圖6中可以看出，超壓系統(tǒng)內(nèi)總有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氫指數(shù)、總生烴潛力和原始生烴潛力明顯高于常壓系統(tǒng)，顯示烴源巖層具有良好的生烴能力。超壓系統(tǒng)內(nèi)較高的有機質(zhì)熱演化產(chǎn)物使超壓系統(tǒng)出現(xiàn)油、氣、水的多相流體，而常壓系統(tǒng)通常僅存在水相，使得不同系統(tǒng)內(nèi)流體發(fā)育機制和流動特征存在明顯差異。

圖7 義115井地層壓力結(jié)構(gòu)分析Fig.7 Overpressure structure characteristic of YI 115 well

上超壓系統(tǒng)的封隔層Ⅰ為東營組底部至沙一段分布的壓實泥巖。沙一段的泥巖單層厚度大，橫向分布穩(wěn)定，由壓實不均衡產(chǎn)生的異常高壓分布在大段泥巖的中部，而其頂、底部位鄰近滲透性砂巖的泥巖屬于正常壓實，實現(xiàn)對中間超壓部分的封閉。由電阻率曲線劃分出的常壓泥巖封隔層Ⅰ的厚度為180 m，占沙一段總厚度的1/3～1/2。沙一段超壓系統(tǒng)內(nèi)滲透層孔隙相對被封閉，并不存在孔隙度偏低的致密封隔帶，互層的砂、泥巖間由于滲流不暢程度各不相同，當(dāng)泥巖通過鄰近的砂巖向外排水時，整個壓力系統(tǒng)內(nèi)部并不具有統(tǒng)一的壓力梯度，這種超壓封隔層實際上是一種半封閉層。從沉積層序上看(圖7)，義115井沙一段約400 m厚的泥巖沉積于水進(高水位)體系域，超壓頂界面位于密集沉積段(condensed section)附近，其下部為沉積的大套湖相泥巖。

渤南洼陷也存在致密砂巖封隔層Ⅱ。如義115井沙三中亞段可能就具有這種性質(zhì)，由于該層以上泥巖及致密砂巖單層厚度薄，不可能由獨立的單個巖層形成超壓封閉系統(tǒng)，只能由縱向上多層致密砂、泥巖疊合形成超壓封隔層。該井埋深3 740～3 900 m應(yīng)為中超壓系統(tǒng)的封隔層，表現(xiàn)出非常低的孔隙度(<5%);該段地層的測井曲線很典型，表現(xiàn)為異常高的電阻率、電極電位和聲波速度，電阻率值比上、下部地層高2～10倍多，其中所夾的砂質(zhì)巖石使電阻率曲線表現(xiàn)為鋸齒形狀的不規(guī)則變化，指示了高滲透層中的低滲帶，成巖封隔層這一測井特征與R. L. Freed等[18]，R.E. Swarbrick等[19]研究的結(jié)果一致。該深度段取心為灰質(zhì)砂巖，推測含鈣的砂巖中發(fā)生了碳酸鹽礦物的沉淀析出，導(dǎo)致了孔隙度和滲透率的明顯下降，形成了砂-泥的壓力封隔層。從沉積層序上看，封隔層位于密集沉積段附近，基本上與洪泛面平行。

沙四上亞段的膏鹽層是下超壓系統(tǒng)的封隔層Ⅲ。膏鹽層在渤南洼陷集中分布在洼陷中心部位，從洼陷中心向南逐漸變薄，東西方向連續(xù)性較好，膏鹽層集中分布在3 000～3 400 m、3 800～3 900 m的范圍內(nèi)，單層厚0.3～1 m，已鉆探渤深5井膏鹽層厚度達186 m。沙四上亞段膏鹽層發(fā)育段無明顯的過渡帶，超壓和常壓共存，在膏鹽層之下主要表現(xiàn)為異常高壓，這是由于膏鹽層具有較高的塑性和排替壓力，對下超壓系統(tǒng)產(chǎn)生了有效封閉。研究還表明，在膏鹽缺失和被斷層錯斷的地區(qū)超壓幅度降低或至常壓。

3)斷裂作用對超壓的保存和分布有重要的影響，斷層既可以作為流體運移通道、釋放壓力，又可以作為高壓流體的封閉體[20-22]。渤南洼陷發(fā)育的邊界斷裂和洼陷內(nèi)部眾多的斷層對超壓系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在2個方面：一是形成超壓封存箱的側(cè)向封閉，沙三——四段超壓系統(tǒng)的側(cè)向封閉主要取決于渤南洼陷發(fā)育的邊界斷裂系統(tǒng)和洼陷內(nèi)眾多的北東向斷裂帶的封閉與開啟性，控制著油氣和地層壓力橫向展布，有時可發(fā)現(xiàn)斷層兩側(cè)超壓幅度和油藏分布有明顯的差異。如圖5所示，橫向上超壓系統(tǒng)被斷層切斷而復(fù)雜化，義17井和義170井兩口相鄰井間的壓力變化趨勢存在差別，F(xiàn)1和F2斷層構(gòu)成斷塊型超壓封存箱，F(xiàn)1斷層封閉強超壓，F(xiàn)2斷層上盤釋放超壓，下盤封閉超壓。對于F2斷層，油氣聚集在壓力相對較低的斷層下降盤砂巖中，斷層兩側(cè)的壓力差達到3.8～7.6 MPa。另一方面，斷裂帶又是超壓垂向泄壓和流體大規(guī)模運移的通道，斷層連通深層超壓系統(tǒng)與淺層常壓區(qū)，控制本區(qū)廣泛分布的淺層油氣聚集，有時還可以發(fā)現(xiàn)斷層附近的流體壓力系數(shù)變小，伴隨著超壓頂界面變淺。

4.3 超壓系統(tǒng)規(guī)模

鑒于地震層速度與超壓的響應(yīng)關(guān)系，超壓帶主體與大套泥質(zhì)巖和成熟烴源巖發(fā)育帶一致，表現(xiàn)為低速特征，這也是利用地震速度預(yù)測超壓的前提條件。本次研究利用了約3 400個疊前時間偏移速度譜，通過改進的Fillippone公式預(yù)測了渤南洼陷三維超壓分布特征并實現(xiàn)了三維超壓體的可視化(圖8)。建立在地震速度資料之上的壓力系數(shù)等值線圖提供了本區(qū)壓力垂向分布的信息，利用地震速度預(yù)測的流體超壓范圍(洼陷邊界、凸起)清晰可見，渤南洼陷地層壓力在垂向上表現(xiàn)為“雙層結(jié)構(gòu)”：埋藏深度小于2 300 m時，地層壓力為正常壓力，壓力系數(shù)為1.0～1.2，地層層位基本上對應(yīng)于沙河街組二段及其以上地層，為淺層正常壓力系統(tǒng)；當(dāng)埋藏深度大于2 300 m時，地層壓力為中超壓或強超壓，壓力系數(shù)一般為1.2～1.6，基本上對應(yīng)于沙河街組三段、四段，為深層超壓系統(tǒng)。三維超壓體清楚地顯示超壓系統(tǒng)頂部比底部平坦，超壓系統(tǒng)頂部形態(tài)平緩似板狀，底部形態(tài)在整個洼陷變化明顯，在盆地南部緩坡處，超壓底部深度變淺，向北超壓體系底部深度增加，一直到深洼陷區(qū)增加至4 100 m左右。

實際盆地內(nèi)超壓系統(tǒng)的規(guī)模通常非常大，可以達數(shù)十千米，甚至幾百千米。如Anadarko盆地的巨型超壓封存箱(對應(yīng)盆地規(guī)模的一級超壓系統(tǒng)，受沉積和壓實作用控制)復(fù)合體長約241 km，寬113 km，最大厚度為4 877 m，天然氣儲量達5.66×108m3。其內(nèi)部發(fā)育的二級封存箱對應(yīng)區(qū)帶規(guī)模，受沉積層序控制；三級封存箱受沉積相的控制，與氣藏規(guī)模相對應(yīng)[23]。渤南洼陷儲層實測壓力和泥巖超壓測井預(yù)測表明：洼陷內(nèi)沙三段超壓帶東西長24.0 km，南北寬22.7 km，最大厚度約750.0 m；沙四段超壓帶平面分布與沙三段類似，但垂向上厚度一般小于350 m。渤南洼陷存在一個全盆地范圍的巨型超壓復(fù)合體——由3個完全獨立的、小型的超壓系統(tǒng)組成。但由于地震垂向分辨率的限制，地震速度估算超壓的識別精度有限。本研究從傳統(tǒng)疊加速度分析中計算出的層速度頻率一般小于4 Hz，獲得的垂直分辨率為200～400 ms，這使得所能識別的超壓層不小于190 m[24]。由于地震分辨率不足以達到區(qū)分單層巖性的精度，地震速度能預(yù)測盆地級別的大規(guī)模超壓體。

圖8 渤南洼陷利用地震速度預(yù)測的三維壓力系數(shù)體柵狀圖(a)及二維壓力剖面切片圖(b)(剖面位置見圖1中CC′)Fig.8 Fence diagram of three-dimensional pressure coefficient body using seismic velocity (a) and one profile of its slices (b) (location of the cross-sections CC′is shown in Fig.1)

5 結(jié)語

渤南洼陷實測資料揭示的超壓深度為2 300～4 200 m，證實洼陷深部超壓大規(guī)模分布，深洼區(qū)沙三——四段發(fā)育中——強超壓，最大壓力系數(shù)約達1.85。巖性的處理對預(yù)測超壓十分重要，渤南洼陷超壓帶的泥巖聲波時差明顯偏離了正常壓實趨勢線，出現(xiàn)低聲波速度異常，而超壓帶泥巖密度沒有明顯的減小。超壓封存箱并未形成整體上統(tǒng)一的壓力結(jié)構(gòu)體，現(xiàn)今存在上、中、下3個超壓系統(tǒng)。上超壓系統(tǒng)主要發(fā)育在沙一段，分布范圍??；中超壓帶主體位于沙三下亞段，隨著泥質(zhì)含量的增加，異常幅度增加的現(xiàn)象明顯；下超壓系統(tǒng)發(fā)育在沙四段。砂巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%的沙二段河流——三角洲相沉積砂體基本上屬于正常壓實，分隔開上、中超壓系統(tǒng)。由于充填巖性和沉積沉降速度的差異，平面上沙三段超壓頂界面深度為2 950～3 150 m，由西向東頂界面埋深逐漸加大。

泥巖超壓源層、低滲封隔(蓋)層和斷裂構(gòu)造帶3類地質(zhì)要素控制著超壓幅度和超壓結(jié)構(gòu)。沙三段下部和沙四段上部成熟烴源巖發(fā)育帶為超壓源層。沙一段的壓實泥巖、沙三中亞段的互層致密砂巖和泥巖、沙四上亞段的膏鹽層分別對3個超壓系統(tǒng)起封隔作用，不同壓力系統(tǒng)間的過渡關(guān)系十分復(fù)雜。斷裂作用既可泄壓，又可作為高壓封閉體，對地層壓力和油氣層橫向展布有重要影響。利用地震層速度計算、結(jié)合實測壓力校正得到了渤南洼陷現(xiàn)今大規(guī)模超壓系統(tǒng)分布特征的整體認(rèn)識，渤南洼陷超壓系統(tǒng)規(guī)模達24 km×22.7 km，是由3個完全獨立的、小型的超壓系統(tǒng)組成的全盆地范圍的巨型超壓復(fù)合體。

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Overpressure System Classification and Structure Characteristic in Bonan Sag

Luo Shengyuan1,He Sheng2, Jin Qiuyue3,Yang Ruizhi2,Zhang Junli2

1.WuhanCenter，ChinaGeologicalSurvey,Wuhan430205,China
2.KeyLaboratoryofTectonicsandPetroleumResourceofMinistryofEducation,
ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China
3.ZhanjiangBranch,CNOOC,Zhanjiang524057,Guangdong,China

Bonan sag is a typical overpressured sag with abundant hydrocarbon resources, and present-day overpressures commonly occur in the Eocene third and fourth members of Shahejie Formation (Es3and Es4) at depths between 2 300 m and 4 200 m. By assessing present-day pressure distribution and response from drilling stem test (DST), wire logging and geological date, the characteristics of overpressure and geological factors affecting abnormal pressure are discussed in detail. Sonic transit times of mudstones deviate from the normal compaction trend line to the overpressured area revealed by drilling, but density has no obvious response. On the whole, three overpressure systems have been identified, including an upper system distribution in Es1, a middle reservoir overpressure with main part in lower Es3,and a lower reservoir overpressure in the upper part of Es4. The second member in which sand contents are more than 20% generally shows normal pressure. This study indicates that sourced rocks, low permeability sealing rocks, and fault structure are the three major factors controlled the range of overpressure and its structure. Multiphase fluid from mud-rich sources rock composes material basis of an overpressured system. Compacted mudstone within Es1, and cemented sandstone interbeded with mudstone in Es3, as well as mudstone and gypsum beds distribution in the upper part of Es4, formed respectively barrier of each system, can also control the distribution and construction change of overpressures system. Fault structures, which has great influence on formation pressure and distribution of oil, show a complex and duality fault-fluid flow behavior. The optimized and calibrated seismic intervai-velocity data, in conjunction with measured pressure, have been used with considerable success in overall recognition of large-scale overpressured system in Bonan sag.

Bonan sag; well-log response; overpressure system; overpressure structure ; Jiyang depression

10.13278/j.cnki.jjuese.201501104.

2014-05-10

中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項目(12120114053701)；國家油氣重大專項項目(2011ZX05006-002)

羅勝元(1986——)，男，博士研究生，主要從事成油體系與成藏動力學(xué)方面的研究，E-mail:loshyv@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501104

P618.13

A

羅勝元，何生，金秋月，等. 渤南洼陷超壓系統(tǒng)劃分及結(jié)構(gòu)特征.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(1):37-51.

Luo Shengyuan, He Sheng, Jin Qiuyue, et al. Overpressure System Classification and Structure Characteristic in Bonan Sag.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):37-51.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501104.