利津洼陷沙四上亞段超壓成因及壓力預(yù)測(cè)

許浩天，惠長(zhǎng)松，曹麗萍，李姝麗，徐元?jiǎng)?/p>

(1. 桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541006； 2. 中石化 勝利油田分公司，山東 東營 257100)

隨著油氣勘探的逐步深入，利津洼陷帶沙四段及孔店組深層油氣藏在勘探中的地位不斷提高，而深部異常流體壓力場(chǎng)的特征與油氣運(yùn)移、成藏之間有著密切的關(guān)系，因此，開展利津洼陷沙四上亞段異常高壓的成因研究及壓力預(yù)測(cè)，對(duì)促進(jìn)下步油氣勘探有較大的意義。

超壓是含油氣盆地中存在的普遍現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)已知有180個(gè)沉積盆地發(fā)育超壓地層，其中超壓體與油氣分布有成因聯(lián)系的沉積盆地約160個(gè)[1-2]，因此壓力的研究在油氣藏勘探與開發(fā)中占據(jù)著舉足輕重的地位。20世紀(jì)90年代初Hunt異常高壓封存箱理論的提出[3]，引起了人們對(duì)異常高壓與油氣成藏關(guān)系問題的關(guān)注，針對(duì)超壓發(fā)育機(jī)制、超壓與成藏的關(guān)系、超壓預(yù)測(cè)等方面開展了比較系統(tǒng)的研究。本文在實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合利用地球物理測(cè)井、錄井和分層等資料，針對(duì)不同成因選取較合適的技術(shù)方法(等效深度法、生烴增壓擬合法)，對(duì)利津洼陷及其周邊的地層壓力進(jìn)行了精細(xì)預(yù)測(cè)，明確現(xiàn)今流體壓力的發(fā)育特征。

1 超壓分布特征

利津洼陷發(fā)育常壓帶、過渡帶及超壓帶3種壓力環(huán)境。從實(shí)鉆井壓力統(tǒng)計(jì)來看，利津洼陷壓力分布范圍比較廣泛，壓力系數(shù)介于0.68～2.03，2 200 m埋深之上不發(fā)育超壓，2 200～3 000 m埋深開始發(fā)育低幅超壓，3 000 m埋深以下廣泛發(fā)育超壓，部分發(fā)育強(qiáng)超壓(見圖1)。

圖1 利津洼陷沙四上壓力系數(shù)散點(diǎn)分布

縱向上流體壓力可分為3個(gè)系統(tǒng)：沙三上亞段及其以上的靜水壓力系統(tǒng)，沙三中—沙四上亞段超壓系統(tǒng)和沙四下亞段超壓系統(tǒng)，上部超壓系統(tǒng)過剩壓力顯著高于下部，兩套系統(tǒng)以沙四下亞段頂部發(fā)育的膏鹽層為封隔層。沙四段泥巖超壓廣泛發(fā)育，超壓中心位于利津洼陷內(nèi)，壓力系數(shù)最高可達(dá)2.03，由這些超壓中心向四周逐漸降低并過渡為常壓；儲(chǔ)層壓力分布則明顯受沉積環(huán)境的控制，利津洼陷西部陡坡帶發(fā)育垂向連通的近岸水下扇體，幾乎沒有形成超壓，而利津洼陷內(nèi)部存在孤立的灘壩砂體或濁積砂體，異常高壓極為顯著。

異常壓力演化史恢復(fù)表明：研究區(qū)沙四段壓力演化經(jīng)歷了3個(gè)旋回。超壓最早形成于沙三中亞段沉積時(shí)期，該時(shí)期厚層泥巖的快速堆積形成欠壓實(shí)作用是形成超壓的主要原因；沙二段沉積末期達(dá)到第1個(gè)壓力高峰期，此后至沙一段沉積末期，超壓因釋放而逐漸降低；東營期末超壓達(dá)第2個(gè)高峰，但隨著東營組末期的構(gòu)造抬升剝蝕作用，超壓幅度降低；新近紀(jì)以來受壓實(shí)和生烴作用的聯(lián)合控制，再次孕育超壓，達(dá)到現(xiàn)今值。

2 超壓成因分析

超壓發(fā)育機(jī)制總體上可以分為3大類：壓性力的增加(欠壓實(shí)和構(gòu)造擠壓)，流體體積的變化(水熱增壓、成巖作用、烴類生成和油的裂解)以及流體運(yùn)移(重力水頭、浮力和滲透作用)[4-6]。其中欠壓實(shí)、構(gòu)造擠壓和生烴作用是主要的超壓成因機(jī)制。

2.1 欠壓實(shí)

目前大多認(rèn)為欠壓實(shí)作用是在沉積過程中壓實(shí)與排水作用不平衡造成的。其機(jī)制是在快速沉積的泥質(zhì)巖地層中，隨著上覆巖層載荷的快速增加，當(dāng)泥質(zhì)巖滲透率降低到一定程度時(shí)，孔隙水的排出受到限制，泥巖壓實(shí)與排水不能維持平衡，部分孔隙水滯留在巖石中，導(dǎo)致沉積物不能被壓實(shí)，從而產(chǎn)生超壓體系。欠壓實(shí)引起的超壓主要發(fā)育于沉降/沉積速率較高的新生代盆地中，其中包括我國的鶯歌海盆地和渤海灣盆地[6]。同時(shí)，據(jù)Mello[4]等研究，沉積速率>200 m/Ma(相當(dāng)于0.2 mm/a)才可能產(chǎn)生異常壓力。在濟(jì)陽坳陷主要斷陷期(沙四段晚期—沙三段)沉積、沉降速率普遍較高，因此欠壓實(shí)可能是超壓形成的主要機(jī)制之一。

研究發(fā)現(xiàn)，利津洼陷帶壓實(shí)規(guī)律主要受構(gòu)造格局、沉積物沉積速率及沉積物巖石組合關(guān)系的影響，泥巖壓實(shí)曲線存在明顯的分段現(xiàn)象。洼陷和陡坡帶單井壓實(shí)曲線普遍表現(xiàn)為上部正常壓實(shí)、下部欠壓實(shí)的特點(diǎn)，欠壓實(shí)段主要位于沙三中亞段及以下地層，少數(shù)洼陷深部位的井在沙二段—沙三上亞段也發(fā)現(xiàn)了欠壓實(shí)現(xiàn)象。在沙四上亞段烴源巖開始生烴的深度(沙四段R0=0.45%，2 700 m左右)以前，壓力出現(xiàn)超壓的第1個(gè)臺(tái)階應(yīng)該是欠壓實(shí)增壓的結(jié)果。

欠壓實(shí)型超壓測(cè)井特征表現(xiàn)為，高孔隙度和高聲波時(shí)差，低密度和低視電阻率。

2.2 構(gòu)造擠壓

前人研究認(rèn)為喜馬拉雅晚期強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用是其異常高壓形成的主要因素，并定量評(píng)價(jià)得出構(gòu)造擠壓對(duì)超壓的最大貢獻(xiàn)率達(dá)到55%～80%[7-8]。羅曉容利用基于有限元法的盆地模型模擬證實(shí)構(gòu)造擠壓增壓作用可視為水平方向的地層壓實(shí)增壓作用，除力的方向不同外，其所產(chǎn)生異常壓力的機(jī)制與壓實(shí)作用機(jī)制完全一致，都是通過對(duì)沉積物顆粒的作用達(dá)到對(duì)地層的壓實(shí)作用[9]。所以側(cè)向擠壓同垂直應(yīng)力通過不均衡壓實(shí)引起超壓一樣，由于流體排放不暢，應(yīng)力增加引起孔隙體積縮小的過程受阻，從而使流體承受了部分?jǐn)D壓應(yīng)力，形成超壓。構(gòu)造擠壓作用形成的增壓與由欠壓實(shí)作用形成的增壓等效。

濟(jì)陽坳陷主要斷陷期(沙四段晚期—沙三段)以張扭應(yīng)力作用為主，斷裂通常具有上張下壓的力學(xué)性質(zhì)，斷層活動(dòng)期開啟程度變好，地層流體進(jìn)入上部地層，壓力不斷下降；斷層穩(wěn)定期開啟程度降低，地層流體處于滯流狀態(tài)，積累能量使壓力不斷上升，形成異常高壓。

構(gòu)造擠壓型超壓測(cè)井特征表現(xiàn)為，泥巖雙側(cè)向電阻率異常增大，聲波時(shí)差值則變化不大或偏小。通過單井測(cè)井特征研究表明，利津洼陷帶存在4個(gè)構(gòu)造擠壓作用的構(gòu)造單元，即利津斷裂帶、利津洼陷帶東坡、濱南斷裂帶、純化構(gòu)造，均為古近系張扭斷層活動(dòng)劇烈的地區(qū)，形成局部增壓作用。

2.3 生烴作用

烴源巖在生烴過程中，源巖中干酪根由(固態(tài))逐漸向液態(tài)或氣態(tài)的石油及天然氣轉(zhuǎn)化。在干酪根降解過程中流體體積會(huì)膨脹，而巖石的干酪根體積會(huì)有所減少，那么原來由干酪根支撐的部分上覆地層的有效壓力就會(huì)轉(zhuǎn)移到孔隙流體上，若流體不能及時(shí)排出，將導(dǎo)致流體超壓。根據(jù)文獻(xiàn)[5]計(jì)算，含10%干酪根體積的烴源巖在大量生烴過程中，當(dāng)干酪根消耗一半時(shí)可產(chǎn)生10 MPa的超壓(相當(dāng)于1 000 m的靜水壓力)。

沙四上亞段烴源巖開始生烴的深度(沙四段R0=0.45%，2 700 m左右)與壓力出現(xiàn)超壓的第2個(gè)臺(tái)階具有較好的吻合性，沙三下亞段烴源巖開始生烴的深度(沙三下亞段R0=0.5%，2 800 m左右)與壓力出現(xiàn)超壓的第2個(gè)臺(tái)階具有較好的吻合性，表明生烴作用也是利津洼陷超壓形成的主要機(jī)制之一。

流體包裹體熱動(dòng)力學(xué)模擬研究表明：沙四上亞段含油氣系統(tǒng)在距今34.8～25.1 Ma第1期成藏油氣充注則以常壓為主；第2期成藏12.5～4.8 Ma開始出現(xiàn)生排烴引起的低幅超壓；第3期成藏4.3～0 Ma出現(xiàn)生排烴引起的大規(guī)模超壓(見圖2)。增壓幅度受烴源巖厚度和排烴強(qiáng)度控制，增壓幅度0～0.4(壓力系數(shù))。在壓力預(yù)測(cè)過程中生烴增壓應(yīng)該予以重視。

圖2 利津洼陷沙四上亞段含烴流體壓力系數(shù)隨時(shí)間演化

3 壓力預(yù)測(cè)

目前地層壓力預(yù)測(cè)的主要方法，有正常壓實(shí)趨勢(shì)法(等效速度法、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法、Eaton法)、Bowers方法、地層應(yīng)力法、菲利普恩法，以及Fan簡(jiǎn)易法。由于欠壓實(shí)、構(gòu)造擠壓和生烴作用是利津洼陷主要的超壓成因機(jī)制，本文主要采用等效速度法，利用泥巖聲波時(shí)差定量計(jì)算欠壓實(shí)形成的超壓，在實(shí)鉆井校正的基礎(chǔ)上，再通過生烴作用形成的增壓校正，從而獲得更為準(zhǔn)確的現(xiàn)今壓力場(chǎng)。

首先，利用泥巖聲波時(shí)差定量計(jì)算(等效深度法)古壓力場(chǎng)。從預(yù)測(cè)結(jié)果來看(見圖3a)，等效深度法計(jì)算的壓力系數(shù)與沙四上實(shí)測(cè)壓力系數(shù)相比，前者壓力值要高，平均誤差可達(dá)到28%，最大誤差可達(dá)到52%。分析原因認(rèn)為，欠壓實(shí)作用和構(gòu)造活動(dòng)造成的增壓一般都表現(xiàn)為泥巖的聲波時(shí)差值增大，因此利用聲波時(shí)差(即等效深度法)計(jì)算得到的壓力是地層埋深最大時(shí)期的古壓力，因?yàn)橛锌赡艿厥窌r(shí)期曾出現(xiàn)欠壓實(shí)作用導(dǎo)致的超壓，后來隨著地層抬升剝蝕或者斷裂破壞作用，超壓逐漸削弱甚至消失，而孔隙度的異常仍然保存下來，造成現(xiàn)今欠壓實(shí)超壓的假象[10]。利津洼陷是古近系繼承性沉積、沉降中心，僅在坳陷期早期有過一次區(qū)域性的整體抬升，但剝蝕作用主要集中在盆地邊緣，對(duì)利津洼陷帶超壓破壞作用較小，因此可以近似認(rèn)為利用聲波時(shí)差計(jì)算得到的壓力是地層埋深最大時(shí)期的古壓力。

圖3 利津洼陷沙四上亞段壓力預(yù)測(cè)

其次，對(duì)沙四上亞段欠壓實(shí)(含構(gòu)造擠壓)壓力進(jìn)行實(shí)鉆井?dāng)?shù)據(jù)校正(見圖3b)，但用后續(xù)新鉆井壓力實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，實(shí)測(cè)壓力值偏高，最大可達(dá)19%，誤差還是比較大。分析原因，測(cè)井等效深度法主要計(jì)算的是欠壓實(shí)作用和構(gòu)造活動(dòng)的增壓，未能把由生烴作用形成的增壓計(jì)算在內(nèi)，因此造成井校正后的壓力值，只在井孔周圍一定范圍內(nèi)比較準(zhǔn)確，誤差較小，而在無井控的更大范圍內(nèi)誤差偏大。沙四上實(shí)測(cè)壓力系數(shù)減去等效深度法計(jì)算出的壓力系數(shù)(鉆井校正后)的差值，稱為剩余壓力差值，參與生烴增壓校正。

最后，我們選取利津洼陷有實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)井25口，并統(tǒng)計(jì)其沙四上暗色泥巖厚度(包括排烴強(qiáng)度)與剩余壓力差值進(jìn)行擬合，尋找生烴增壓值與暗色泥巖厚度和排烴強(qiáng)度之間的量化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)生烴增壓值的計(jì)算。利用擬合公式，可計(jì)算生烴壓力近似值，形成空間曲面后，可以去校正由測(cè)井等效深度法計(jì)算的壓力場(chǎng)(鉆井校正后)。通過生烴增壓值的計(jì)算，加上生烴增壓校正后，獲得的壓力場(chǎng)相對(duì)更為準(zhǔn)確，壓力值誤差控制在10%以內(nèi)，基本反映了現(xiàn)今壓力環(huán)境。

從最終壓力預(yù)測(cè)結(jié)果來看(見圖3c)：利津洼陷沙四上亞段異常超壓區(qū)主要分布在北部次洼，壓力系數(shù)超過1.7；南部次洼則有所減弱，壓力系數(shù)介于1.3～1.6之間；沿壓力脊線向陡坡帶(或緩坡帶)逐漸變?yōu)檫^渡帶(壓力系數(shù)介于1.1～1.3之間)和常壓帶(壓力系數(shù)<1.1)。

4 成藏意義

研究表明，異常高壓對(duì)油氣運(yùn)移和成藏有重要的控制作用。以往認(rèn)為二次運(yùn)移的主要?jiǎng)恿κ歉×退畡?dòng)力，但自從Bradley和Hunt提出壓力封存箱的概念以來[3]，人們逐漸認(rèn)識(shí)到初次運(yùn)移和二次運(yùn)移是一個(gè)連續(xù)的過程，異常高壓，尤其是烴類生成產(chǎn)生的異常高壓不僅是初次運(yùn)移和聚集成藏的動(dòng)力，而且與油氣的二次運(yùn)移和聚集成藏有密切的關(guān)系[11]。例如在超壓區(qū)，油氣成藏的動(dòng)力主要是烴源巖的生烴超壓，烴源巖中的油氣在此驅(qū)動(dòng)下直接進(jìn)入相鄰儲(chǔ)層，油氣成藏受有效儲(chǔ)層影響，油藏類型主要以巖性油氣藏為主，同時(shí)超壓強(qiáng)度越大，油氣的充滿程度越高[12]。利用壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，圈定灘壩砂巖巖性油藏發(fā)育區(qū)范圍，在利津洼陷超壓區(qū)先后部署L75等16口井，均獲成功，整體上報(bào)灘壩砂巖油藏探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量近9 000×104t，取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

通過對(duì)利津洼陷沙四上亞段超壓成因及壓力預(yù)測(cè)的分析，得出以下主要結(jié)論。

1)利津洼陷沙四上亞段的主要成因機(jī)制有：①欠壓實(shí)作用(欠壓實(shí)段主要位于沙三中亞段及以下地層，少數(shù)洼陷深部位的井在沙二段—沙三上亞段也發(fā)現(xiàn)了欠壓實(shí)現(xiàn)象)；②構(gòu)造擠壓作用(利津洼陷帶存在4個(gè)構(gòu)造擠壓作用的構(gòu)造單元，即利津斷裂帶、利津洼陷帶東坡、濱南斷裂帶、純化構(gòu)造，均為古近系張扭斷層活動(dòng)劇烈的地區(qū)，形成局部增壓作用)；③生烴增壓作用(沙四上—沙三下)。

2)采用等效速度法，利用泥巖聲波時(shí)差定量計(jì)算欠壓實(shí)形成的超壓，在實(shí)鉆井校正的基礎(chǔ)上，再通過生烴作用形成的增壓校正，可以獲得更為準(zhǔn)確的現(xiàn)今壓力場(chǎng)，明確盆地壓力結(jié)構(gòu)。

3)異常高壓對(duì)油氣運(yùn)移和成藏有重要的控制作用。初次運(yùn)移和二次運(yùn)移是一個(gè)連續(xù)的過程，異常高壓，尤其是烴類生成產(chǎn)生的異常高壓不僅是初次運(yùn)移和聚集成藏的動(dòng)力，而且與油氣的二次運(yùn)移和聚集成藏有密切的關(guān)系。