東海西湖凹陷異常壓力機(jī)理及鉆后檢測方法研究

段飛飛，張海山，邱 康，王孝山，王宏民

（1. 中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030；2. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）

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東海西湖凹陷異常壓力機(jī)理及鉆后檢測方法研究

段飛飛1，張海山1，邱 康2，王孝山2，王宏民2

（1. 中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200030；2. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）

摘 要：針對東海西湖深部地層壓力解釋精度低的問題，從東海西湖凹陷構(gòu)造形成歷史入手，研究了東海西湖異常壓力機(jī)理，優(yōu)選了西湖凹陷地層壓力鉆后檢測方法。結(jié)果表明，鉆后檢測方法精度較高，滿足了鉆后評價(jià)要求。

關(guān)鍵詞：西湖凹陷；壓力分布；異常壓力機(jī)理；鉆后檢測

西湖凹陷處于東海陸架盆地東部坳陷中北部的第三系含油氣盆地，屬陸緣裂谷盆地，呈北北東向展布，水深范圍80～120 m。目前勘探開發(fā)區(qū)域主要集中在保俶構(gòu)造帶、三潭深凹和中央背斜帶，已經(jīng)投入開發(fā)的區(qū)塊包括平湖油氣田、天外天氣田、殘雪與殘雪北黃巖氣田群等，總體勘探開發(fā)程度較低。西湖凹陷從上往下鉆遇龍井組、玉泉組、花港組、平湖組、寶石組。目前，鉆遇異常高壓地層主要為花港組和平湖組，異常高壓分布規(guī)律性差，異常壓力高（壓力系數(shù)最高達(dá)到1.9），導(dǎo)致了西湖凹陷深部地層壓力解釋困難。本文從西湖凹陷異常壓力分布規(guī)律入手，結(jié)合西湖凹陷地質(zhì)演變史，研究了西湖凹陷異常壓力機(jī)理，并提出了異常壓力鉆后檢測方法。

1 西湖凹陷異常壓力分布規(guī)律

已鉆井實(shí)測地層壓力顯示，東海西湖凹陷異常壓力分布主要存在于東北方向，其中包括：保俶構(gòu)造帶、三潭深凹及中央背斜帶東北部；常壓主要分布在中央背斜帶的西南部，殘雪構(gòu)造以南。異常高壓區(qū)的構(gòu)造并非所有井均為異常高壓井，存在相當(dāng)數(shù)量的常壓井，以孔雀亭構(gòu)造為例，已鉆6口探井中，異常高壓井3口，正常壓力井3口，說明異常壓力區(qū)域地層壓力分布非常不規(guī)律。

從縱向來看，如圖1、圖2、圖3，保俶構(gòu)造帶從3 300 m開始出現(xiàn)異常壓力，三潭深凹從3 800 m開始出現(xiàn)異常壓力，中央背斜帶在4 000 m開始出現(xiàn)異常壓力；從層位來看，異常壓力廣泛分布在花港組下段及平湖組。落實(shí)到單井來看，地層壓力縱向分布同樣非常復(fù)雜，在花港組下段以下或?yàn)樯系拖赂?，或?yàn)樯细呦碌?，即使同一?gòu)造異常壓力層位也不一定相同。三個(gè)構(gòu)造對比，可以看出，保俶構(gòu)造帶壓力分布規(guī)律最為復(fù)雜，在花港組下段以下，異常壓力與正常壓力并存，且與深度無直接規(guī)律；中央背斜帶基本呈現(xiàn)隨地層深度增加壓力升高的規(guī)律。保俶構(gòu)造帶異常壓力主要分布在平湖組P6～P10層，其中平湖組P7層鉆遇異常高壓最為頻繁；三潭深凹異常壓力主要分布在花港組H5、H11層、平湖組P2～P4層；中央背斜帶異常壓力主要分布在花港組H5、H6、H11層，如圖4、圖5、圖6。

圖1 保俶構(gòu)造帶縱向壓力分布

圖2 三潭深凹縱向壓力分布

圖4 保俶構(gòu)造帶實(shí)測壓力分布

圖5 三潭深凹實(shí)測壓力分布

圖6 中央背斜帶實(shí)測壓力分布

總體而言，東海西湖凹陷異常壓力分布呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）異常壓力分布廣，異常壓力大小差異較大；（2）異常壓力總體呈現(xiàn)北強(qiáng)南弱、西高東低格局；（3）同一構(gòu)造異常壓力與正常壓力并存，異常壓力層位不固定；（4）異常壓力廣泛存在于花港組下段以下層位。

2 西湖凹陷異常壓力形成機(jī)理

傳統(tǒng)意義上，異常高壓指的是高于正常靜水壓力梯度的地層壓力；但隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，通常認(rèn)為壓力系數(shù)高于1.2，甚至更高，才會被稱為異常高壓。通常，異常高壓地層需要兩個(gè)必要條件，一個(gè)是異常高壓誘因，另一個(gè)是非滲透性封隔層。這些封隔層形成的原因可能是物理的、化學(xué)的或者兩者的共同作用產(chǎn)生的，封隔層的存在阻止了異常高壓向常壓帶的彌散。對異常高壓誘因有不同的認(rèn)識，主要包括：欠壓實(shí)作用、構(gòu)造擠壓、斷層作用、底辟作用、地溫異常、礦物轉(zhuǎn)化、油氣生成、烴類遷移、滲透作用等13類[1]。地層經(jīng)過幾百萬年的構(gòu)造、沉積作用，使得地層壓力的成因非常復(fù)雜，具體到某一地層的異常壓力可能是某一種機(jī)理引起了異常高壓，也可能是上述機(jī)理的任意幾種的組合作用形成的。通過對東海西湖凹陷形成歷史的研究，認(rèn)為主要是以下因素對異常高壓產(chǎn)生了影響：

（1）欠壓實(shí)。西湖凹陷鉆遇異常壓力的平湖組和花港組在沉積過程都曾出現(xiàn)快速沉積，其中平湖組沉積速率最高達(dá)到300 m/Ma，花港組沉積速率達(dá)到了100 m/Ma，均超過了能夠引起異常高壓的40 m/Ma沉積速率[2]。同時(shí)，在平湖組和花港組存在巨厚的泥巖層，這種泥巖有效封阻了流體的散失，這表明東海西湖凹陷具備存在欠壓實(shí)引起異常高壓的地質(zhì)條件。根據(jù)上海海洋油氣分公司研究院研究（圖7），從砂泥巖巖石曲線、殘余孔隙及地層壓力關(guān)系來看，壓力異常與欠壓實(shí)存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。

圖7 西湖凹陷地層壓實(shí)、地層壓力及孔隙描述

圖8 上覆巖層剝蝕允量

（2）構(gòu)造運(yùn)動。構(gòu)造抬升剝蝕和斷層形成會導(dǎo)致異常壓力層封隔體破壞，導(dǎo)致欠壓實(shí)形成的異常高壓壓裂地層逸散，如圖8所示。地層的剝蝕允量與地層原始壓力有很大的關(guān)系，地層壓力越高，允許的剝蝕厚度越小。西湖凹陷平湖組與花港組沉積后期，地層反轉(zhuǎn)抬升，剝蝕劇烈，平均剝蝕1 000 m，最大剝蝕厚度達(dá)到了2 000 m，導(dǎo)致壓力系數(shù)1.7以上地層壓力逸散，甚至壓力系數(shù)在1.2地層壓力都有逸散的可能，這種剝蝕與構(gòu)造運(yùn)動引起的斷層導(dǎo)致地層壓力分布不均勻，這也是西湖凹陷地層壓力分布不均的原因之一。

（3）生排烴作用。生、排烴對地層壓力的影響主要是提供了額外的流體，促使地層壓力升高。東海西湖凹陷區(qū)生烴歷史上對異常壓力存在較大影響的主要為平湖組（E2p）烴源巖和漸新統(tǒng)花港組（E3h）烴源巖，前者在早中新世進(jìn)入油窗，中中新世進(jìn)入生烴高峰期，于晚中新世進(jìn)入油窗，現(xiàn)今仍處于高成熟階段；漸新統(tǒng)花港組烴源巖于中中新世進(jìn)入油窗，現(xiàn)今仍處于生油窗范圍之內(nèi)[2]；排烴歷史上，單位時(shí)間排烴強(qiáng)度曲線表現(xiàn)為“多峰型”，烴類排出具有階段性、多期次幕式排烴的特點(diǎn)，不同烴源的排烴歷史有所差異，其中，平湖組烴源巖的重要排烴期為距今28～8 Ma，排烴高峰出現(xiàn)在18 Ma，漸新統(tǒng)花港組排烴始于距今18 Ma，并一直延續(xù)至今[3-4]。西湖凹陷烴源成熟度與異常高壓有比較明顯的對應(yīng)關(guān)系（圖9），這種對應(yīng)關(guān)系不僅表明了生排烴對異常高壓形成的影響，而且表明高壓促進(jìn)了烴源的成熟，兩者是相輔相成互相促進(jìn)的關(guān)系。

（4）地溫異常。地溫變化主要是改變了流體，特別是氣體狀態(tài)，增加孔隙壓力，西湖凹陷的地溫變化主要受到火山噴發(fā)的影響，該地區(qū)經(jīng)歷三次比較活躍的火山運(yùn)動，見表1，特別是后兩期，發(fā)生在花港組中期和柳浪組，此時(shí)對應(yīng)的平湖組和花港組下端構(gòu)造基本成型，火山噴發(fā)對地層壓力的影響主要有三個(gè)方面：一是深部攜帶而來的大量的CO2、SO2氣體補(bǔ)充了地層流體；二是溫度場變化對成巖作用的影響；三是地溫的升高加劇了氣體的膨脹。這三類現(xiàn)象都不同程度的改變了地層壓力。

圖9 東海西湖凹陷Ro曲線

表1 西湖凹陷構(gòu)造歷史

（5）成巖作用。成巖作用對地層壓力的影響主要是體現(xiàn)在孔隙度變化上，西湖凹陷存在兩類比較明顯的成巖作用，熱熔蝕和次生晶格加大。熱熔蝕會引起孔隙增加，降低地層壓力，但是熱熔蝕發(fā)生時(shí)，地層溫度大幅度提高，引起了孔隙壓力的升高，這種壓力變化遠(yuǎn)大于孔隙增加引起的降低幅度，同時(shí)，次生晶格加大降低了孔隙度，提高了地層壓力。另一方面蒙脫石開始向伊利石轉(zhuǎn)化排出達(dá)到原始孔隙體積的15%以上的結(jié)構(gòu)水[1]；西湖凹陷深層砂巖儲層中伊利石含量較高，如圖10，伊利石在空間分布上總體隨深度增加，在本區(qū)埋深大于3 700 m的樣品中蒙脫石已經(jīng)沒有單獨(dú)存在，黏土礦物主要為伊利石和伊蒙混層形式存在，這與異常壓力出現(xiàn)的起始點(diǎn)非常接近，說明該區(qū)異常壓力與伊蒙礦物轉(zhuǎn)化有一定的關(guān)系。

圖10 西湖凹陷伊利石含量隨深度變化

綜合上述分析，如圖11，東海西湖凹陷的異常高壓形成過程為：快速沉積導(dǎo)致欠壓實(shí)高壓生成，斷層發(fā)育與構(gòu)造抬升剝蝕導(dǎo)致了局部構(gòu)造壓力逸散，形成了西湖凹陷地層壓力的主要格局。構(gòu)造擠壓、生排烴、地?zé)岬仍驅(qū)е铝饲穳簩?shí)形成高壓區(qū)的壓力繼續(xù)上升，形成超高壓；補(bǔ)充逸散區(qū)的壓力形成了新的異常壓力區(qū)，這些因素對西湖凹陷地層壓力影響起到了補(bǔ)充作用；這些作用共同形成了目前東海西湖凹陷壓力場現(xiàn)有格局。

圖11 東海西湖凹陷壓力形成機(jī)理圖

3 西湖凹陷異常壓力鉆后檢測方法

目前，地層壓力鉆后解釋方法有很多種，大體可以分為兩類：一類為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式；一類是基于巖石力學(xué)理論[5]。針對東海西湖凹陷，本文采用了伊頓法獲得了良好的鉆后解釋效果，如表2所示，可以看出采用伊頓法進(jìn)行的鉆后解釋精度較高，精度基本大于95%，僅有K4井4 507.7 m測點(diǎn)誤差較大。

表2 西湖凹陷某構(gòu)造解釋結(jié)果

伊頓法需要建立合理的正常壓實(shí)曲線才能夠提供較好的解釋精度，針對東海西湖凹陷，正常曲線選取花港組以上地層較為合適，如圖12分別針對花港組以上地層和花港組上段地層建立的壓實(shí)曲線，可以看出選用花港組上段建立的壓實(shí)曲線解釋地層壓力（圖中地層壓力2）精度更高。

伊頓法趨勢線采用直線型，回歸公式為：

圖12 不同深度壓實(shí)曲線對測試壓差的影響

通過伊頓法計(jì)算的壓力為：

式中：Pp為地層壓力梯度；Go為上覆巖層壓力梯度；Gn為靜水壓力梯度；?tn為趨勢線上的聲波時(shí)差；?tc為實(shí)際聲波時(shí)差值；c為伊頓指數(shù)。

對于伊頓法中的伊頓指數(shù)，東海西湖凹陷伊頓指數(shù)較低，基本都在1左右，最高不超過1.5。地層壓力鉆后解釋實(shí)踐表明，西湖凹陷各構(gòu)造趨勢線系數(shù)、伊頓系數(shù)均差異較大，根據(jù)對西湖凹陷三個(gè)構(gòu)造帶40余口已鉆井鉆后解釋統(tǒng)計(jì)，各構(gòu)造帶系數(shù)選擇范圍可見表3。

表3 伊頓法系數(shù)范圍

4 結(jié)論

通過對東海西湖凹陷異常壓力分布規(guī)律研究，找出了西湖凹陷異常壓力形成機(jī)理及歷史，優(yōu)選了鉆后解釋模型，通過研究主要得到了以下結(jié)論：

（1）東海西湖凹陷地層壓力高，異常壓力分布規(guī)律性不強(qiáng)，廣泛分布在花港組下段以下地層，異常壓力總體呈現(xiàn)北強(qiáng)南弱、西高東低格局，給鉆后解釋帶來了很大的困難；

（2）東海西湖凹陷異常高壓主要因素是欠壓實(shí)作用，同時(shí)在構(gòu)造運(yùn)動、生排烴等多種因素聯(lián)合作用下，導(dǎo)致了目前復(fù)雜的壓力分布格局；

（3）采用伊頓法解釋東海地層壓力獲得了良好的解釋精度，建立趨勢線時(shí)，應(yīng)盡量選取花港組上段地層泥巖層作為正常壓實(shí)層段。

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Study on the Mechanism of Abnormal Pressure and Pressure Detection Method after Drilling for Xihu Depression in the East China Sea

DUAN Feifei1, ZHANG Haishan1, QIU Kang2, WANG Xiaoshan2, WANG Hongmin2
（1. Shanghai Branch of CNOOC China Limited, Shanghai 200030, China; 2. SINOPEC Offshore Petroleum Engineering Corporation Limited, Shanghai 200120, China）

Abstract：The interpretation accuracy on the formation pressure in the deep layers of Xihu Depression is low in the East China Sea. In order to solve this problem, beginning from tectonic evolution history, study about the mechanism of abnormal pressure has been conducted, and detection method of pressure after drilling has been optimized. The study results indicated that the optimized method of pressure is high in accuracy, and can meet the requirements for post drilling evaluation.

Keywords：Xihu Depression; pressure distribution; mechanism of abnormal pressure; post drilling detection

中圖分類號：P618.13

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.042

文章編號：1008-2336（2016）01-0042-06

收稿日期：2015-09-22；改回日期：2015-11-26

第一作者簡介：段飛飛，男，1986年生，碩士，主要從事海洋油氣鉆完井相關(guān)科研。E-mail：duanff@cnooc.com.cn。