饒陽凹陷洼槽區(qū)地層壓力特征及成因機制

劉 華, 張豐榮, 蔣有錄, 楊徳相, 趙 萌

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院,河北任丘 062550)

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饒陽凹陷洼槽區(qū)地層壓力特征及成因機制

劉 華1, 張豐榮1, 蔣有錄1, 楊徳相2, 趙 萌1

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院,河北任丘 062550)

根據(jù)地層壓力實測數(shù)據(jù)和地層壓力模擬計算,對饒陽凹陷洼槽區(qū)的地層壓力分布特征及其成因機制進行研究。結(jié)果表明:饒陽凹陷洼槽區(qū)古近系普遍發(fā)育超壓;縱向上,存在東營組、沙一段和沙三段三套超壓層系;可劃分為單超壓結(jié)構(gòu)和雙超壓結(jié)構(gòu),其中雙超壓結(jié)構(gòu)可細分為上強下弱、上弱下強和上下均勢3種類型;平面上,超壓中心與洼槽沉積中心相吻合,河間和留西洼槽超壓幅度最大;從沙三段到沙一段,南部洼槽區(qū)超壓規(guī)模明顯減小,北部洼槽區(qū)超壓規(guī)模略增,超壓中心具有從南到北的遷移性;東營組超壓成因機制主要為欠壓實作用,沙一段和沙三段的超壓成因機制為生烴作用與欠壓實作用的混合增壓機制;由于欠壓實與生烴兩者對超壓的貢獻比例差異,造就了研究區(qū)多種超壓結(jié)構(gòu)并存的現(xiàn)狀,并影響了油氣的空間分布。

地層壓力; 超壓結(jié)構(gòu); 超壓成因; 生烴增壓; 饒陽凹陷

據(jù)不完全統(tǒng)計,世界上近90%的超壓盆地富含油氣,油氣藏的形成、聚集和分布與異常高壓關(guān)系密切[1-5]。超壓的形成與發(fā)育機制復(fù)雜,對于非擠壓型含油氣盆地,欠壓實和生烴作用是獨立形成大規(guī)模超壓的兩種主要機制[5-9],并可以通過地質(zhì)、地球物理、地化等資料以及物理模擬實驗等方法進行成因證實[6,10-11]。然而,地質(zhì)背景下多因素超壓機制的分析及其相對貢獻度評價仍很薄弱,限制了超壓凹陷中油氣運移和聚集的剖析。筆者依據(jù)壓力測試資料和模擬計算,對饒陽凹陷洼槽區(qū)的壓力分布特征及其超壓成因機制進行分析。

1 地質(zhì)概況

饒陽凹陷位于渤海灣盆地的中西部,是一個東斷西超的箕狀凹陷,北接霸縣凹陷,南鄰新河凸起,東與獻縣凸起相鄰,西到高陽低凸起(圖1),勘探面積約5 300 km2,是冀中坳陷最大、油氣最富集、勘探成效最高的凹陷[12-15]。該區(qū)由老到新發(fā)育元古宇、古生界、中生界和新生界多套地層,其中新生界古近系以砂泥互層為主,又細分為孔店組、沙河街組和東營組[16](圖1),是重要的烴源巖、儲層和蓋層的發(fā)育層段。馬西、任西、河間、留西、饒南等洼槽伴生于凹陷中,形成了多洼共生的分布特色,油氣圍繞各洼槽呈“環(huán)狀”分布[12]。

圖1 饒陽凹陷構(gòu)造單元示意圖與地層綜合柱狀圖Fig.1 Sketch of tectonic units and comprehensive stratigraphic column of Raoyang Depression

2 地層壓力特征及演化規(guī)律

2.1 實測地層壓力特征

目前,饒陽凹陷有鉆桿測試(DST)的壓力資料探井334口,數(shù)據(jù)728個。從實測壓力與埋深的對應(yīng)關(guān)系可以看出,地下約2 250 m處的地層流體開始出現(xiàn)異常,隨著深度的加大超壓幅度逐漸增加,壓力系數(shù)最高達到1.58。超壓流體的分布層系主要集中在東營組和沙河街組,其中沙三段超壓幅度最大(圖2)。

平面上,任西、馬西、河間和留西洼槽均發(fā)育超壓,但各洼槽的超壓頂界面出現(xiàn)深度不同。規(guī)模最小的馬西洼槽出現(xiàn)超壓的界面深度約為2 250 m;任西、留西和河間洼槽超壓頂界面深度較大,約為3 000 m。洼槽區(qū)異常高壓幅度差異明顯,河間洼槽最大地層壓力系數(shù)高達1.58,居各洼槽之首;而任西洼槽的超壓幅度最小,壓力系數(shù)最高值僅為1.32。洼槽區(qū)超壓發(fā)育層段存在差異,任西洼槽以沙一段和沙二段為主,馬西洼槽的超壓層段為沙一和沙三段,留西洼槽則集中在沙二段和沙三段發(fā)育超壓,而河間洼槽發(fā)育東營組、沙一段與沙三段3個超壓層段,是饒陽凹陷超壓層段發(fā)育最全的洼槽(圖2)。

圖2 饒陽凹陷不同洼槽實測壓力特征對比Fig.2 Testing pressure-depth plot of different sags in Raoyang Depression

2.2 地層壓力計算方法選取

測井資料數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、縱向連續(xù)性好、分辨率高,是較理想的地層壓力計算資料[17-18],其中聲波時差測井受井眼、地層等條件影響較小,且資料較全,受到了廣大學(xué)者的青睞。

(1)平衡深度法(聲波時差法):指欠壓實地層中的孔隙度投影至正常壓實曲線上的深度,依據(jù)為有效應(yīng)力定理,即上覆地層壓力等于巖石骨架與孔隙流體壓力之和[18],僅適用于泥巖欠壓實作用導(dǎo)致的超壓計算,如研究區(qū)的東營組及其以上地層。公式為

p=ρwgHe+ρbwg(H-He).

(1)

式中,H為地層埋深,m;He為等效深度,m;ρw為地層水密度,g/cm3;ρbw為地層密度,g/cm3。

(2)伊頓法:由Eaton[19]提出,考慮了除欠壓實以外其他異常高壓成因機制的作用,如有機質(zhì)生烴或流體膨脹作用等,適用范圍廣泛[16，19],如研究區(qū)的沙一、沙三烴源巖層系,具體公式為

pp=pv-(pv-ph)(Δtn/Δti)x.

(2)

式中,pv為靜巖壓力,MPa;ph為靜水壓力,MPa;tn為正常壓實泥巖中的聲波時差,μs/m;ti為同一深度實際聲波時差值,μs/m;x為伊頓指數(shù),研究區(qū)取0.5。

2.3 地層壓力剖面特征

根據(jù)三維地震資料建立的東西向2個剖面,對各洼槽的地層壓力剖面特征進行分析。整體上異常壓力發(fā)育中心與洼槽區(qū)的沉積中心相對應(yīng),但在壓力和分布層系上存在差異。任西洼槽的超壓中心位于洼槽的北部地區(qū),由北向南超壓強度依次減弱;層系上,沙一段發(fā)育超壓,而沙三段壓力小于沙一段為弱超壓(圖3，A-A′剖面)。馬西洼槽與任西洼槽正好相反,超壓中心位于洼槽的南部,超壓強度由北向南依次增強,且沙一段發(fā)育弱超壓,沙三段底部發(fā)育超壓系統(tǒng)。

圖3 饒陽凹陷部分洼槽剖面壓力特征Fig.3 Sectional characteristics of pressure in the sags, Raoyang Depression

河間洼槽包括主洼槽和肅寧次洼,主洼槽為超壓中心,僅發(fā)育一套連續(xù)壓力系統(tǒng),從東營組底部到沙三段底部,壓力系數(shù)高達1.5;而肅寧次洼僅發(fā)育一套弱超壓系統(tǒng),分布在沙三段至沙一段,壓力系數(shù)最高為1.2。留西洼槽異常高壓分布于沙三段底部至沙一段,壓力系數(shù)高達1.39;橫向上,受斷層作用的影響,超壓分布范圍較小,集中分布于洼槽中心(圖3，B-B′剖面)。

2.4 地層壓力平面展布特征

結(jié)合實測地層壓力與模擬地層壓力,對超壓發(fā)育的沙一段和沙三段進行分析。平面上,超壓分布均與洼槽的沉降中心相吻合,從沉積中心向四周超壓幅度逐漸降低,不同層系的超壓中心存在一定的遷移性(圖4)。4個洼槽區(qū)在沙三段均發(fā)育面積相當(dāng)?shù)漠惓Ａ黧w壓力,壓力高值區(qū)分布于河間洼槽,其次為留西和馬西洼槽,任西洼槽超壓幅度最低。沙一段的地層超壓幅度具有北強南弱的分布特征,南部的留西洼槽超壓范圍相對于沙三段大大減小,壓力系數(shù)迅速降低;河間洼槽的超壓幅度略有降低,但是面積大幅減小;相反,北側(cè)的任西洼槽超壓范圍比沙三段有所擴大,壓力幅度略有上升?？傮w上,從沙三段到沙一段,饒陽凹陷的南部超壓規(guī)模明顯減小,北部超壓規(guī)模略增,超壓中心具有從南到北的遷移性(圖4)。

2.5 壓力結(jié)構(gòu)類型及分布

饒陽凹陷各洼槽區(qū)均發(fā)育異常壓力系統(tǒng),但是壓力系統(tǒng)的套數(shù)不同,分為單超壓結(jié)構(gòu)和雙超壓結(jié)構(gòu)。雙超壓結(jié)構(gòu)具有上下兩套分割的壓力系統(tǒng),依據(jù)相對大小可分為3小類:上強下弱型、上弱下強型以及上下均勢的雙超壓結(jié)構(gòu)。

單超壓結(jié)構(gòu)是指縱向上僅發(fā)育一個超壓體的壓力結(jié)構(gòu),以河間洼槽最為典型,如寧古5井,自東三段至沙三段發(fā)育一個連續(xù)的超壓系統(tǒng),多層系超壓但未分割。上強下弱型的雙超壓結(jié)構(gòu)以任西洼槽最為典型,如任97井,在東營組至沙一段發(fā)育超壓,壓力系數(shù)可達1.3以上,而沙三段超壓幅度較小,壓力系數(shù)約為1.2,具有上強下弱的特征。上弱下強型的雙超壓結(jié)構(gòu)最為普遍,廣泛分布于馬西、留西洼槽,如馬西洼槽的馬99井,沙一段顯示弱超壓特征,最大壓力系數(shù)為1.15,沙三段則發(fā)育超壓,壓力系數(shù)可達1.3。此外,河間、留西洼槽在某些地區(qū)顯示出上、下壓力大小相近的特征,如寧古3井(圖5)。

圖4 饒陽凹陷沙一段和沙三段地層壓力系數(shù)等值線圖Fig.4 Contour maps showing pressure coefficient in Es1 and Es3, Raoyang Depression

圖5 饒陽凹陷不同洼槽壓力結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Map showing pressure structures in different sags, Raoyang depression

研究區(qū)超壓層系往往與烴源巖層系、泥巖含量高的地層相匹配,超壓頂部往往為低孔滲性的泥巖組成封隔層,而上下雙超系統(tǒng)之間的低壓區(qū)主要為儲集性能良好的砂巖儲層,錄井顯示具有良好的含油性。由于河間洼槽的沙二段地層非常薄,導(dǎo)致流體快速向內(nèi)泄壓,也具有較高的壓力數(shù)值,形成了與沙一—沙三的連續(xù)超壓。

3 洼槽區(qū)超壓成因

超壓分布特征及結(jié)構(gòu)差異是多種超壓成因機制作用的結(jié)果。超壓發(fā)育機制可概括為3大類:與應(yīng)力有關(guān)的生壓過程,包括垂向欠壓實作用和側(cè)向構(gòu)造擠壓等;孔隙流體引起的增壓過程,包括生烴作用、黏土礦物脫水、原油裂解生氣等;以及流體流動和浮力引起的增壓[1，20-24]。結(jié)合饒陽凹陷自身特色,欠壓實和生烴作用在洼槽區(qū)的超壓成因中占有重要地位。

3.1 欠壓實作用對超壓形成的影響

欠壓實作用是指泥質(zhì)巖類在壓實過程中由于壓實流體未能及時排出或排出受阻,使流體承受了上覆地層的負荷。欠壓實地層通常具有較高的孔隙度和較低的巖石密度,可以利用聲波測井和密度測井資料識別。以河間洼槽寧303井為例,東營組以及沙一段均發(fā)育弱超壓,其中東營組弱超壓段的泥巖密度值低于正常幅度,而聲波時差值高于正常趨勢,具有欠壓實增壓的特征(圖6);沙一段的弱超壓段聲波時差值高于正常趨勢,但是泥巖密度值與正常幅度相近,欠壓實作用不如東營組典型。由于饒陽凹陷東營組未進入生烴門限,而沙一段在局部洼槽已進入了生低熟油階段,因此東營組的異常高壓成因機制主要為欠壓實作用,而沙一段相對較復(fù)雜。

圖6 饒陽凹陷寧303井超壓成因Fig.6 Genetic of overpressure in well Ning303, Raoyang Depression

厚層泥巖是欠壓實產(chǎn)生的因素之一。饒陽凹陷出現(xiàn)超壓的層段巖性較一致,均以砂泥互層為主,但是泥巖含量略有不同。整體上,泥質(zhì)含量最高的沙一段分布于馬西洼槽,達到了78.8%,留西、河間、任西洼槽的泥地比分別為69.4%、63.6%以及63.4%,而各個洼槽的沙三段的泥地比均約為60%。統(tǒng)計分析認為,各個洼槽超壓發(fā)育的幅度與巖性組合的相關(guān)性并不明顯。

根據(jù)前人研究,沉積速率大于200 m/Ma是產(chǎn)生欠壓實作用的基本條件[20-21]。據(jù)此對饒陽凹陷各洼槽區(qū)的沉積速率進行統(tǒng)計。結(jié)果表明,東營組、沙一段和沙三段作為饒陽凹陷的主力超壓層系均具有大于200 m/Ma的沉積速率,具備欠壓實增壓的地質(zhì)條件(表1)。其中任西洼槽東營組沉積速率最大,高達866.5 m/Ma,其次為河間洼槽東營組地層,沉積速率可達554 m/Ma,證明了東營組欠壓實作用產(chǎn)生的優(yōu)勢。

表1 饒陽凹陷各洼槽主力超壓層系的沉積速率統(tǒng)計

此外,基于東營組沉積速率和埋深的差異,欠壓實作用所產(chǎn)生的超壓幅度各不相同。以河間和留西洼槽區(qū)為例,當(dāng)沉積速率大于200 m/Ma小于500 m/Ma時,欠壓實作用產(chǎn)生的地層壓力系數(shù)較小;當(dāng)沉積速率大于500 m/Ma時,隨著沉積速率的增大,地層壓力迅速增高,超壓現(xiàn)象明顯,可以獨立作用形成規(guī)模分布的超壓流體。

3.2 生烴增壓作用

前人研究表明,生烴作用是富油沉積盆地中可以單獨形成大規(guī)模超壓的重要機制,在實驗室模擬和數(shù)值模擬中得到了證實[23-26]。為了檢驗生烴對饒陽凹陷超壓的貢獻,從以下幾點進行證實。

3.2.1 生烴區(qū)與非生烴區(qū)的超壓對比

基于欠壓實作用相似、生烴能力不同的兩口井,對比壓力進行驗證。以任西洼槽中心的淀27井與洼槽邊部的淀36井為例,兩者在沙一段泥巖聲波時差所顯示出的欠壓實程度相似,但是計算地層壓力值顯示淀27井壓力系數(shù)為1.23,淀36井為1.14,存在差異(圖7)。對比兩口井可知,淀27井的沙一段已經(jīng)進入生烴階段,而淀36井的沙一段未生烴,表明了生烴作用是兩者壓力差異的主要原因。

圖7 饒陽凹陷淀36、淀27井壓力特征對比Fig.7 Correlation of pressure-depth in wells Dian36 and Dian27, Raoyang Depression

3.2.2 超壓結(jié)構(gòu)與生烴層系的對比

饒陽凹陷沙一段與沙三段是主力烴源巖層段,與異常壓力發(fā)育層段正好相對應(yīng),而各洼槽區(qū)的超壓結(jié)構(gòu)與上下兩套烴源巖的生烴強度相一致,展示出生烴對洼槽區(qū)超壓形成的重要作用。例如,任西洼槽沙一段烴源巖的生烴強度高于沙三段烴源巖,而馬西、留西、河間洼槽的沙三段烴源巖生烴強度高于沙一段烴源巖,與這4個洼槽上下壓力的相對強弱相一致(圖8)。此外河間洼槽沙三段烴源巖的生烴資源量達18.6億t,生烴強度為饒陽凹陷各洼槽之首,與其壓力系數(shù)最高值相對應(yīng),表明了生烴對超壓形成的重要作用。

圖8 饒陽凹陷不同洼槽生烴強度與壓力結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.8 Pressure structure and hydrocarbon-generation quantity in different sags, Raoyang depression

3.2.3 烴源巖生烴能力與超壓幅度

當(dāng)生烴作用與超壓成因相關(guān)時,烴源巖生烴能力必然會影響超壓發(fā)育的規(guī)模。因此用成熟度指標(biāo)鏡質(zhì)體反射率(Ro)代表生烴能力,對饒陽凹陷沙三段壓力系數(shù)和剩余壓力與Ro關(guān)系進行量化分析(圖9)。結(jié)果表明,隨著Ro的不斷增高,地層壓力系數(shù)和剩余壓力都會不斷變大。當(dāng)Ro小于0.7時,地層壓力系數(shù)和剩余壓力隨Ro的變大增加緩慢,且壓力系數(shù)較低,均小于1.2;當(dāng)Ro大于0.7進入生成熟油階段時,隨著Ro的變化壓力系數(shù)呈指數(shù)增加,揭示出生烴作用對烴源層系異常高壓形成的重要性。

圖9 饒陽凹陷沙三段Ro與壓力系數(shù)和剩余壓力關(guān)系Fig.9 Relationship between Ro and pressure coefficient and residual pressure in Es3, Raoyang Depression

3.3 超壓成因的差異性

欠壓實作用和生烴作用作為饒陽凹陷兩種重要的超壓成因機制,受沉積速率和生烴強度等因素的影響,在不同洼槽以及不同層段的相對重要程度存在差異。

由于饒陽凹陷東營組沉積速率較大,且未達到成熟生烴,因此欠壓實作用是異常壓力形成的主要機制,但超壓規(guī)模較小,壓力系數(shù)多小于1.2。沙河街組的超壓成因機制復(fù)雜,且在各洼槽區(qū)存在差異。任西洼槽沙河街組沉積速率較低,欠壓實增壓的比例較小,超壓層系與烴源巖的生烴能力對應(yīng)較好,增壓機制以生烴作用為主。馬西和河間洼槽的沙河街組沉積速率均較大,由于沙一段生烴量較小,超壓成因以欠壓實作用為主、生烴作用為輔;而沙三段源巖熱演化程度較高,生烴增壓貢獻大,是以生烴作用為主、欠壓實作用為輔的混合增壓機制。留西洼槽沙一段同時具備欠壓實與生烴增壓的地質(zhì)條件,單一因素不占優(yōu)勢;沙三段由于生烴能力增加,欠壓實增壓在超壓貢獻中所占的比例逐漸降低,以生烴增壓為主導(dǎo)。

整體而言,饒陽凹陷各洼槽區(qū)由欠壓實作用單獨形成的增壓幅度較低,壓力系數(shù)較大的超壓區(qū)均對應(yīng)著有效生烴且生烴能力越大的烴源巖系,因此以生烴增壓為主要機制的超壓區(qū)及其周圍是尋找油氣的主要目標(biāo)區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)饒陽凹陷洼槽區(qū)異常流體壓力發(fā)育,分布不均?？v向上,沙三段超壓幅度最大,其次為沙一段和東營組;平面上,超壓中心與洼槽沉積中心相吻合,從沙三段到沙一段,南部洼槽區(qū)超壓規(guī)模明顯減小,北部洼槽區(qū)超壓規(guī)模略增,超壓中心具有從南到北的遷移性。

(2)饒陽凹陷各洼槽區(qū)超壓的縱向疊置關(guān)系不同,發(fā)育單超壓結(jié)構(gòu)和雙超壓結(jié)構(gòu),其中雙超壓結(jié)構(gòu)又細分為上強下弱型、上弱下強型和上下均勢型3類;河間洼槽發(fā)育單超壓結(jié)構(gòu),任西洼槽發(fā)育上強下弱型雙超壓結(jié)構(gòu),馬西、留西洼槽則主體發(fā)育上弱下強型雙超壓結(jié)構(gòu),局部地區(qū)的沙一和沙三超壓幅度相近,存在上下均勢雙超壓結(jié)構(gòu)。

(3)饒陽凹陷洼槽區(qū)東營組超壓是欠壓實作用的結(jié)果,超壓幅度普遍較小;沙河街組超壓為生烴和欠壓實共同作用的結(jié)果,生烴增壓的相對貢獻量決定了超壓幅度的大小,也影響了各洼槽的超壓結(jié)構(gòu)類型,并控制了油氣的空間分布。

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(編輯 徐會永)

Characteristics and genetic mechanism of formation pressure in sags of Raoyang Depression

LIU Hua1, ZHANG Fengrong1, JIANG Youlu1, YANG Dexiang2, ZHAO Meng1

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,HuabeiOilfieldCompany,PetroChina,Renqiu062550,China)

Using pressure data and simulation results of fluid pressure, this study analyzed the distribution of abnormal pressure and the contribution of disequilibrium compaction and hydrocarbon generation to overpressure in Raoyang Depression. The results show that overpressure is widely developed in Raoyang Depression, but the scale of overpressure varies significantly in different sags. Vertically, overpressure exists in Paleogene, including Ed, Es1and Es3. There are four types of overpressure structures in Paleogene, including the single pressure structure and three double overpressure structures: the upper pressure stronger than lower, lower pressure stronger than upper, and upper pressure equally close to the lower pressure. In plane, overpressure center is corresponding to the depositional center in four sags, of which Hejian and Liuxi sags developed the strongest overpressure. Overpressure centers migrate through time from Es3Formation to Es1Formation, and the overpressure scale is significantly reduced in the southern sags, while slightly increased in the northern sags. For Dongying Formation, disequilibrium compaction is the main mechanism generating overpressure, whereas for Es1and Es3Formations, both disequilibrium compaction and hydrocarbon generation are the main mechanisms. The different contribution ratio of the disequilibrium compaction and hydrocarbon generation to overpressure leads to various structures of overpressure that coexist and affect the distribution of hydrocarbons.

formation pressure; pressure structure; overpressure mechanism; hydrocarbon generating pressurization; Raoyang Depression

2016-01-25

國家自然科學(xué)基金項目(41502129);國家重大專項(2016ZX05006-003);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(14CX05015A)

劉華(1977-),女,副教授,博士,研究方向為油氣藏形成機理與分布規(guī)律。E-mail:liuhua_rjl@163.com。

1673-5005(2016)04-0037-10

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.04.005

TE 122.1

A

劉華,張豐榮,蔣有錄,等. 饒陽凹陷洼槽區(qū)地層壓力特征及成因機制[J]. 中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,40(4):37-46.

LIU Hua,ZHANG Fengrong,JIANG Youlu,et al. Characteristics and genetic mechanism of formation pressure in sags of Raoyang Depression [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(4):37-46.