阜康凹陷侏羅系壓力系統(tǒng)特征及對油氣分布的影響

曾治平

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院西部分院，山東 東營 257000）

阜康凹陷侏羅系壓力系統(tǒng)特征及對油氣分布的影響

曾治平

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院西部分院，山東 東營 257000）

準(zhǔn)噶爾盆地阜康凹陷及其周緣是盆內(nèi)油氣富集區(qū)之一，區(qū)內(nèi)含油層系普遍發(fā)育異常高壓。通過實測壓力標(biāo)定，結(jié)合有效應(yīng)力方程計算區(qū)內(nèi)砂巖和泥巖壓力值，劃分了4個超壓系統(tǒng)，即頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組超壓系統(tǒng)，不同超壓系統(tǒng)之間存在過渡帶。通過油源對比和斷裂活動演化研究，認(rèn)為超壓是斷層再次活化輸導(dǎo)的主要動力，它控制了含油層系的富集程度。

異常高壓；有效應(yīng)力方程；超壓系統(tǒng)；物性條件

0 引言

阜康凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣東側(cè)，北部為白家海凸起，南鄰北天山山前皺褶帶，東側(cè)為帳北斷褶帶，西側(cè)為莫南凸起，與沙灣凹陷相毗鄰。凹陷內(nèi)構(gòu)造相對穩(wěn)定，古生代以來長期處于沉降中心，因此地層沉積序列較全。區(qū)內(nèi)勘探歷史較短，從勘探成效來看，凹陷內(nèi)主要目的層在中生界侏羅系，目的層油氣顯示豐富，區(qū)內(nèi)多口井見到工業(yè)油流，顯示其較廣闊的勘探前景。而且試油結(jié)果表明侏羅系普遍發(fā)育異常高壓，從前人研究認(rèn)識來看，儲層發(fā)育異常高壓，其含油程度高，表明異常高壓與油氣分布關(guān)系密切。

針對準(zhǔn)噶爾盆地異常高壓成因機(jī)理、發(fā)育演化、超壓系統(tǒng)特征的研究成果較多［1-3］，但針對超壓系統(tǒng)與油氣輸導(dǎo)、運(yùn)移、聚集過程的研究，卻偏向于過程描述，缺乏精確的、定量的刻畫。筆者以實測壓力為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)有效應(yīng)力方程原理，分別建立砂巖和泥巖的地層壓力模型，精細(xì)劃分凹陷內(nèi)壓力系統(tǒng)；并通過剩余壓力的研究，提出超壓對早期封閉斷層的活化認(rèn)識，結(jié)合源儲壓差和儲層物性條件，提出了超壓環(huán)境油氣充注強(qiáng)度概念，解釋了超壓環(huán)境下不同儲層含油程度的差異性特征，可為油氣富集目標(biāo)的預(yù)測提供參考。

1 現(xiàn)今溫壓場特征

1.1 地溫場

地溫場作為油氣成藏過程中的重要地質(zhì)要素之一，反映的是地球內(nèi)部熱能通過熱導(dǎo)率不同的巖石在地殼上顯示的結(jié)果，對于油氣成藏期次、源巖生烴演化等具有重要的指示意義。

阜康凹陷地層序列全，埋深大，自古生代以來長期處于沉降中心，凹陷中心僅中生界地層厚度就超過了3 000 m，因此，前人依據(jù)磷灰石裂變徑跡等測試手段，結(jié)合地層現(xiàn)今溫度測試結(jié)果，一致認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地中生界以來屬于“冷盆”［4］。從阜康凹陷鉆遇侏羅系井位的試油資料來看，凹陷內(nèi)侏羅系地層溫度為104～137℃（見圖1），參考準(zhǔn)噶爾盆地年平均地表溫度，折算成地溫梯度的范圍為2.03～2.31℃/100 m，這與前人認(rèn)為的“冷盆”觀點一致。

圖1 阜康凹陷侏羅系深度與地層溫度、地層壓力、壓力系數(shù)的關(guān)系

1.2 壓力場

盆地內(nèi)壓力場與油氣分布關(guān)系一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點，特別是超壓盆地，很多學(xué)者認(rèn)為異常高壓與油氣分布有十分密切的關(guān)系［5-7］。而從阜康凹陷內(nèi)的部分鉆井試油數(shù)據(jù)來看（見表1），侏羅系地層壓力分布復(fù)雜。

表1 阜康凹陷部分探井實測地層溫度、壓力

首先，從層位上來看，不管是三工河組還是頭屯河組，既有常壓也有超壓甚至強(qiáng)超壓發(fā)育［3，5-6，8］。例如：董701井在5 252.3～5 265.8 m的三工河組測試地層壓力為53.18 MPa，壓力系數(shù)αp為1.03，屬于常壓范疇，而董6井在相近深度范圍內(nèi)測試地層壓力則高達(dá)109.50 MPa，壓力系數(shù)為2.10，明顯處于強(qiáng)超壓范疇；其次，從深度上來看，壓力分布也極為復(fù)雜。盡管工程上的試油主要是針對主要砂體目的層，但縱向上不同儲層內(nèi)的地層壓力變化依然非常大（見圖1）。就測試壓力與深度關(guān)系來看，除處于靜水壓力環(huán)境之外，不同儲層超壓還表現(xiàn)出另外一種特征，即阜康凹陷侏羅系異常高壓可劃分為3個壓力環(huán)境，壓力系數(shù)分別為1.67，1.92，2.17，這種壓力分布特征可能與阜康凹陷中生界斷裂發(fā)育的差異性有關(guān)［3，5，9］。同時，這種壓力特征通常表示不同儲層之間缺乏有效的連通，也就是說凹陷內(nèi)侏羅系儲層具有獨立成體系的基本條件，而這與目前阜康凹陷復(fù)雜的含油氣分布具有一定的相關(guān)性。

2 地層流體壓力系統(tǒng)特征

應(yīng)用地層測試等技術(shù)手段，對阜康凹陷侏羅系溫壓場特征有個初步的整體認(rèn)識。但是，阜康凹陷侏羅系不同儲層的壓力分布復(fù)雜，難以有效地劃分壓力系統(tǒng)，分析壓力系統(tǒng)與油氣分布的關(guān)系也難以實現(xiàn)。目前用于壓力的計算方法有：1）利用泥巖聲波計算泥巖壓力，并采用砂巖測試壓力進(jìn)行標(biāo)定。但這種方法并不具有代表性，誤差往往較大。2）利用盆模法計算砂巖壓力，利用試油實測壓力進(jìn)行校正。但這種方法主觀性又太強(qiáng)，往往每口井的校正系數(shù)都不一樣。因此，需要一種能同時針對砂巖和泥巖進(jìn)行計算的理論模型。

2.1 砂、泥巖地層流體壓力計算模型

現(xiàn)有的壓力計算模型都是統(tǒng)計性模型，主要是利用波速來預(yù)測地層壓力。方法有很多種，包括現(xiàn)行常用的等效深度法、正常壓實趨勢法、壓力梯度法、菲利普恩法以及斯通法等［10-11］，這些計算方法多以砂巖為目的層，但在實際計算當(dāng)中，往往受巖相、地震品質(zhì)、剝蝕等影響，精確度受限。而自特察（Terzaghi）于1923年提出飽和土有效應(yīng)力原理以來，因其實用性得到廣泛應(yīng)用，模型公式為

式中：pov為上覆地層壓力，MPa；σ為有效應(yīng)力，MPa；pf為孔隙流體壓力，MPa；α為有效應(yīng)力系數(shù)；ρ為不同巖性的地層密度函數(shù)（可就砂巖、細(xì)砂巖、泥巖分別構(gòu)建函數(shù)進(jìn)行計算），g/cm3；h為計算點深度，m；A為校正系數(shù)，依據(jù)孔滲與聲波得到；B為巖石骨架聲波時差值，s/ m；C為巖石骨架與流體骨架綜合計算值；Δt為聲波時差，s/m。

為了便于計算砂巖和泥巖地層壓力分布，依據(jù)式（2）構(gòu)建砂巖和泥巖函數(shù)關(guān)系，通過深度關(guān)系計算上覆地層壓力。有效應(yīng)力又與多項參數(shù)有關(guān)，依據(jù)砂巖和泥巖骨架聲波的差異性，求取各項參數(shù)，將式（3）變形得到：

式中：k為校正系數(shù)，依據(jù)孔滲與聲波得到；Cp為聲波時差校正系數(shù)；Δtm為巖石骨架的聲波時差，s/m；φ0為地表孔隙度。

結(jié)合阜康凹陷侏羅系地層沉積序列特征，分別對阜康凹陷侏羅系砂巖和泥巖有效應(yīng)力方程參數(shù)進(jìn)行取值（見表2）。

2.2 侏羅系縱向地層壓力系統(tǒng)

以實測壓力為依據(jù)，應(yīng)用特察理論模型，計算了阜康凹陷及鄰近地區(qū)侏羅系不同層段的砂巖和泥巖地層壓力。以砂巖地層壓力為代表，侏羅系劃分出了4個異常高壓系統(tǒng)和頂?shù)?個常壓系統(tǒng)，其中4個異常高壓系統(tǒng)依據(jù)壓力幅度自上而下可進(jìn)一步細(xì)分為J2t強(qiáng)超壓系統(tǒng)、J2x超壓系統(tǒng)、J1s強(qiáng)超壓系統(tǒng)和J1b強(qiáng)超壓系統(tǒng)，不同超壓系統(tǒng)之間由封隔層分隔（見圖2）。

表2 阜康凹陷侏羅系地層有效應(yīng)力方程參數(shù)取值

圖2 阜康凹陷壓力系統(tǒng)劃分

J2t強(qiáng)超壓系統(tǒng)為侏羅系頭屯河組內(nèi)部發(fā)育的超壓系統(tǒng)，其典型特征就是壓力幅度較大。例如：凹陷中心的董1和董3井，在頭屯河組測試壓力分別高達(dá)93.62，97.60 MPa，轉(zhuǎn)換成壓力系數(shù)分別為1.96，1.69；而在董1井鄰近地區(qū)的董101井，實測壓力為46.69 MPa，轉(zhuǎn)換成壓力系數(shù)為1.02，處于常壓范圍；在凹陷東北向和東南向的斜坡帶，頭屯河實測地層壓力均處于常壓范圍，壓力系數(shù)在1.06～1.08。結(jié)合沉積相與斷層研究認(rèn)識［3，5，12］，推測J2t強(qiáng)超壓系統(tǒng)的發(fā)育可能與沉積相展布和油源斷層發(fā)育有關(guān)：董3地區(qū)頭屯河組發(fā)育灘壩類孤立砂體［8-9，13］，且鄰近八道灣組的油源斷層，地層壓力的垂向傳遞，形成阜康凹陷J2t強(qiáng)超壓系統(tǒng)；而斜坡帶發(fā)育廣泛連通的三角洲砂體，來源于八道灣組的深層超壓通過斷層向高部位釋放，斜坡帶保留常壓環(huán)境。

J2x超壓系統(tǒng)指的是發(fā)育于西山窯組內(nèi)的異常壓力系統(tǒng)。依據(jù)計算與實測壓力對比結(jié)果，西山窯組異常高壓幅度明顯偏小，壓力系數(shù)在1.10～1.50。西山窯組發(fā)育煤線，砂巖含量少，砂泥比約為0.6，對于壓力的傳導(dǎo)不利，可能是其壓力幅度偏小的原因。

J1s強(qiáng)超壓系統(tǒng)指的是三工河組超壓系統(tǒng)。三工河組儲層發(fā)育，壓力測試數(shù)據(jù)較多，通過標(biāo)定計算模型，結(jié)果表明其壓力幅度明顯較J2x壓力系統(tǒng)高。如董7井在5 278.4 m測得地層壓力為101.96 MPa，壓力系數(shù)為1.97，董6井在相近層段測得壓力系數(shù)高達(dá)2.10的強(qiáng)超壓。從壓力系統(tǒng)縱向分布來看，J1s超壓系統(tǒng)與阜康凹陷中生界超壓源八道灣組相接觸，且三工河組砂巖體積分?jǐn)?shù)大，分布廣，在斷層或裂縫溝通作用下，比較容易形成強(qiáng)超壓，但在缺乏斷裂溝通層段時，壓力也可表現(xiàn)為常壓。如董701井，在5 252.3 m測得壓力系數(shù)為1.03的常壓。

J1b強(qiáng)超壓系統(tǒng)對應(yīng)的是八道灣組超壓系統(tǒng)。八道灣組為阜康凹陷有效的源巖層系之一，源巖的生烴演化為其上地層的超壓發(fā)育提供了超壓源［1-2，5］，因此，八道灣組內(nèi)部發(fā)育的砂巖極為容易表現(xiàn)為強(qiáng)超壓特征。另外，對比砂巖和泥巖地層壓力分布特征可以看出：整個侏羅系齊古組到三工河組不同程度地發(fā)育泥巖，但對于超壓的貢獻(xiàn)并不明顯，主要表現(xiàn)為封隔層的特征；而八道灣組泥巖的超壓幅度明顯高于其內(nèi)砂巖的超壓幅度，也進(jìn)一步說明了八道灣組源巖為侏羅系最為重要的超壓源。

2.3 壓力系統(tǒng)橫向分布

阜康凹陷的4個超壓系統(tǒng)在橫向上分布范圍不同（見圖3）。受沉積相展布影響，上部的頭屯河組超壓系統(tǒng)的分布與砂體展布密切相關(guān)，洼陷帶孤立砂體成為獨立的超壓系統(tǒng)，斜坡帶砂體連續(xù)展布，超壓幅度偏小，向東延伸到阜東斜坡帶；西山窯組超壓系統(tǒng)超壓幅度偏小，受巖相特征影響，分布范圍局限在洼陷帶附近；三工河組超壓系統(tǒng)分布較廣，且較為連續(xù)；八道灣組超壓系統(tǒng)橫向連續(xù)展布，但橫向具有穿時的特點。

圖3 阜康凹陷東西向壓力系統(tǒng)剖面

3 壓力系統(tǒng)與油氣分布的關(guān)系

3.1 超壓系統(tǒng)

油源地球化學(xué)測試對比結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)侏羅系原油主要來源于八道灣組烴源巖［2，14］，同時該套烴源巖也是阜康凹陷地層超壓的主要來源［2-3］。在超壓發(fā)育演化過程中，伴隨油氣的生成、運(yùn)移和聚集，對區(qū)內(nèi)油氣的分布具有十分重要的影響。從實際鉆探效果來看，油氣的分布與壓力系統(tǒng)關(guān)系密切，4個超壓系統(tǒng)均鉆遇油層，但是從超壓幅度來看，具有超壓幅度越大油氣顯示越豐富的規(guī)律。以洼陷帶試油層段較多的頭屯河組超壓系統(tǒng)為例：位于洼陷帶沉降中心的董6井，在頭屯河試油顯示為油花，壓力系數(shù)為1.10（見表1），表現(xiàn)為常壓-弱超壓特征；而在董1和董3井的頭屯河組，試油計算壓力系數(shù)分別為1.72和1.69，對應(yīng)的產(chǎn)量分別為21.3，3.8 t/d。

3.2 油源斷層與超壓系統(tǒng)的溝通

烴源巖熱演化研究與儲層包裹體均一溫度測試表明，該地區(qū)油氣主成藏期為新近紀(jì)—現(xiàn)今［8，13-15］，但構(gòu)造解釋證實，區(qū)內(nèi)主要斷層斷至侏羅紀(jì)晚期或白堊紀(jì)早期（見圖4），說明晚期構(gòu)造活動并不強(qiáng)烈。這種成藏期晚于斷層活動的矛盾，是超壓流體晚期活化斷層的典型案例，多見于超壓盆地［6，8，14］。綜合分析斷層發(fā)育特征與壓力系統(tǒng)分布，侏羅系頭屯河組孤立砂體要形成油氣聚集，則說明斷層晚期依然是油氣垂向溝通的通道；而超壓對早期閉合斷層的活化或重新開啟的作用，國內(nèi)外均有相關(guān)論述［7］。從阜康凹陷壓力分布規(guī)律及發(fā)育強(qiáng)度來看（見圖2，3），董3井頭屯河組孤立砂體內(nèi)的實測剩余壓力高達(dá)41.20 MPa，統(tǒng)計模型計算董3井八道灣組剩余壓力大概在42.40～51.20 MPa，具備垂向傳導(dǎo)的能量基礎(chǔ)。另外，鄰近的董1井在頭屯河組也測得剩余壓力為36.10～44.80 MPa，與董3井具有類似的特征，因此可以推測，阜康凹陷內(nèi)侏羅系八道灣組發(fā)育的強(qiáng)超壓對于斷層的晚期活化具有重要的促進(jìn)作用。

圖4 阜康凹陷東西向油藏地質(zhì)剖面

4 結(jié)論

1）阜康凹陷侏羅系現(xiàn)今溫壓場具低溫超壓特征。試油測溫顯示侏羅系地溫梯度在2.03～2.31℃/100 m，具低溫特征。壓力分布復(fù)雜，靜壓和超壓均有分布。除處于靜水壓力環(huán)境之外，不同儲層超壓還表現(xiàn)出另外一種特征，即阜康凹陷侏羅系異常高壓可劃分為3個壓力環(huán)境，壓力系數(shù)分別為1.67，1.92和2.17。

2）壓力系統(tǒng)縱向可劃分4個超壓系統(tǒng)，分別為頭屯河組、西山窯組、三工河組、八道灣組超壓系統(tǒng)，不同層間壓力系統(tǒng)存在強(qiáng)度的差異；橫向上壓力系統(tǒng)具穿時特點，上部超壓系統(tǒng)受巖相控制，發(fā)育多個不連通壓力系統(tǒng)，下部發(fā)育較強(qiáng)超壓系統(tǒng)。

3）超壓系統(tǒng)與油氣分布關(guān)系密切，同一超壓系統(tǒng)背景下，超壓幅度越大，能量越強(qiáng)，油氣顯示越豐富；斷層與超壓系統(tǒng)的溝通，造成油氣垂向運(yùn)移，形成縱向多層系含油特征。

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（編輯 史曉貞）

Characteristics of formation pressure system and its effect on petroleum distribution in Jurassic of Fukang Sag

ZENG Zhiping
(Western Branch of Research Institute of Exploration and Development,Shengli Oilfield Company,SINOPEC, Dongying 257000,China)

The Fukang Sag and its periphery in the Junggar Basin are the oil and gas enrichment areas in the basin,and the oil layer generally develops abnormally high pressure.Four overpressure systems are classified through the measured pressure calibration combined with the effective stress equation which is used to calculate sandstone and mudstone pressure of the area.The four systems are Toutunhe Formation,Xishanyao Formation,Sangonghe Formation,Badaowan Formation overpressure systems,and there is a transition zone between different overpressure systems.Based on the oil source contrast and the fault activity evolution,it is considered thatthe overpressure is the main driving force of the re-activation of the fault and the main controlling factor of the enrichment of the oilbearing layer.

abnormal pressure;effective stress equation;overpressure system;physical property

國家科技重大專項課題“準(zhǔn)噶爾盆地碎屑巖層系油氣富集規(guī)律與勘探評價”（2016ZX05002-002）

TE122

A

10.6056/dkyqt201703009

2016-11-01；改回日期：2017-03-12。

曾治平，男，1977年生，高級工程師，博士，主要從事石油地質(zhì)與油氣成藏研究工作。E-mail：zengzhi_ping@163.com。

曾治平.阜康凹陷侏羅系壓力系統(tǒng)特征及對油氣分布的影響［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：337-341.

ZENG Zhiping.Characteristics of formation pressure system and its effect on petroleum distribution in Jurassic of Fukang Sag［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：337-341.