遼東灣拗陷JZ20油田古近系超壓發(fā)育特征及其對儲層物性的影響

王冰潔, 王德英, 吳 奎, 惠冠洲, 徐坤明

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300452)

當(dāng)埋深大于3 km時，陸源碎屑巖油氣勘探的一個核心內(nèi)容是如何在經(jīng)歷了強壓實和壓溶作用的致密砂巖儲層中尋找異常高的孔滲帶，即深層優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育帶。遼東灣拗陷JZ20油田的發(fā)現(xiàn)和成功測試突破了該區(qū)在深層勘探的商業(yè)門檻。JZ20油田獲得成功的重要原因是在深層發(fā)現(xiàn)了儲層物性較好孔滲帶，發(fā)育了中孔-中滲儲層；同時勘探實踐也表明，該油田在異常高孔滲帶超壓普遍存在，壓力系數(shù)主要在1.3～1.6。根據(jù)研究，超壓被認為在深層儲層物性改善的過程中具有積極的作用，但其起作用的機制包括物理作用和化學(xué)作用2種。物理作用主要指地層在埋藏過程中形成欠壓實超壓，從而使得超壓儲層具有抗壓實能力，對儲層原生孔隙的減小和顆粒的壓溶產(chǎn)生一定的阻礙作用[1,2]，其作用深度可以達到4～4.5 km的范圍[3]?；瘜W(xué)作用是指在地層埋藏后，由于超壓對烴源巖熱演化過程的抑制作用，導(dǎo)致有機酸產(chǎn)生的深度增加，引起溶蝕孔隙在埋藏深度上有所增加[4]，形成深層次生孔，該作用的深度也可以達到4 km。此外，超壓系統(tǒng)由于流體流動性差，還可以減緩成巖作用和膠結(jié)作用，從而使深層超壓層保持較高的孔隙度，這一作用的深度甚至可以達到5 km[5]。目前關(guān)于JZ20油田超壓特征及其對儲層物性的影響尚未開展研究，本文主要針對這一問題進行分析，探討該油田超壓與優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)系，為遼東灣拗陷深層油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

遼東灣拗陷位于渤海海域東北部，整體呈北東-南西向展布，古近系次級構(gòu)造單元自西向東依次為遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷，新生代經(jīng)歷了古近紀(jì)裂陷和新近紀(jì)-第四紀(jì)后裂陷2個階段[6]。研究區(qū)JZ20油田位于遼東灣拗陷的北部，遼西凸起的北傾沒端，古近系由深至淺發(fā)育沙河街組(Es)和東營組(Ed)，主要為多期扇三角洲、辮狀河三角洲和湖湘泥巖的旋回沉積；新近系館陶組(Ng)和明化鎮(zhèn)組(Nm)，主要為辮狀河、曲流河陸源粗碎屑的砂礫巖和砂泥巖互層沉積[7]。

根據(jù)三維地震資料構(gòu)造精細解釋和研究結(jié)果，JZ20油田構(gòu)造走向呈北東向展布，整體上受F1斷層控制。依附于F1斷層，還形成了一系列與其走向和傾向相同的派生斷層(F2～F5斷層)，進一步將構(gòu)造分割而復(fù)雜化，形成了一個典型的斷塊油田(圖1-A)。其中，F(xiàn)1斷層延伸長度超過15 km，為區(qū)域性的斷層，在油田范圍內(nèi)最大垂直斷距可以達到360 m；F2～F4斷層平面發(fā)育規(guī)模相對較大，延伸長度為6～10 km，最大垂直斷距為180～200 m；F5斷層規(guī)模相對較小，延伸長度為3 km左右，最大垂直斷距為120 m。區(qū)內(nèi)的斷層控制了上升盤圈閉高點的發(fā)育位置，圈閉面積為6～15 km2，閉合幅度可以達到300 m以上，是有利的油氣聚集圈閉?？碧綄嵺`表明，該油田主要含油層系為沙河街組，油藏埋藏較深，中部深度達到3.2 km，且每個斷塊均有原油分布(圖1-B)。

2 地層壓力與儲層特征

2.1 實測地層壓力

獲取實際地層壓力最可靠的方法包括電纜測試(如RFT、MDT、FMT等)和鉆桿測試(DST)所恢復(fù)的地層壓力[8]。本文共收集了JZ20油田6口探井106個有效的電纜測試數(shù)據(jù)(其中東營組23個、沙河街組83個)和3口探井的7個鉆桿測試數(shù)據(jù)(其中東營組1個、沙河街組6個)，進行實測地層壓力分析。從圖2中可看出，埋深集中在2 053～2 300 m的東營組砂巖實測壓力點均為正常壓力，壓力系數(shù)為1.0，說明東營組的砂巖并不發(fā)育超壓；埋深集中在 2 881～3 425 m，鉆遇沙河街組的5口探井砂巖實測壓力顯示均為異常高壓，說明沙河街組超壓普遍發(fā)育，且超壓發(fā)育程度較大，壓力系數(shù)可以達到1.5以上。

沙河街組砂巖實測壓力揭示的剩余壓力和壓力系數(shù)分別為10.6～14.5 MPa和1.32～1.52，且隨著埋深的增加呈現(xiàn)出減小的趨勢。該段內(nèi)砂巖實測獲得的最大幅度的超壓位于油田東側(cè)的JZ20-B井，剩余壓力和壓力系數(shù)分別為14.2～14.5 MPa和1.50～1.52，對應(yīng)的深度為 2 881～2 964 m；而最小幅度的超壓位于油田西側(cè)的JZ20-A和JZ20-D井(2口井為同一斷塊，油藏具有相同的壓力系統(tǒng))，剩余壓力和壓力系數(shù)分別為10.6～11.3 MPa和1.32～1.38；位于油田北部的JZ20-C和JZ20-E井，其所在的斷塊夾持于油田北部和南部斷塊之間，其超壓發(fā)育幅度也位于JZ20-B井和JZ20-A井之間：所以，從平面上來看，從油田的東南部斷塊往西北部斷塊，超壓發(fā)育的幅度呈現(xiàn)減小的趨勢。JZ20油田沙河街組砂體發(fā)育的位置來自于南側(cè)的遼西凸起[9]，砂體直接超覆于中生界火山巖之上[10]，側(cè)封條件較好；而北東-南西向的斷層受區(qū)域應(yīng)力作用的影響，整體上處于增壓型的轉(zhuǎn)換帶內(nèi)[11]，斷層也具有良好的封閉性，這2個因素，對超壓的發(fā)育具有良好的保存作用。

圖2 JZ20油田實測地層壓力與深度的關(guān)系Fig.2 Diagrams showing measured pore pressures versus depths in JZ20 oilfield

2.2 超壓測井地球物理響應(yīng)特征分析

對滲透率極低的泥巖和缺乏實測壓力的砂巖段，基于地球物理測井資料可以在垂向上對地層是否發(fā)育超壓及超壓的發(fā)育程度進行定性和定量的分析及計算，可以得到可信度較高的結(jié)果，這也是地層壓力研究最常用的方法之一。本文對JZ20油田常規(guī)測井系列齊全的4口探井(JZ20-A、JZ20-B、JZ20-C和JZ20-D)泥巖和砂巖的“三孔隙度曲線”(聲波時差、密度測井和中子孔隙度測井)進行了系統(tǒng)分析，同時參考井徑測井曲線用來控制“三孔隙度曲線”的質(zhì)量(圖3)。

從圖3中可以看出，4口探井的測井響應(yīng)特征相似，在超壓發(fā)育段內(nèi)，大套泥巖段對應(yīng)的聲波時差曲線整體均偏離了基于常壓段測井曲線確定的正常壓實趨勢，出現(xiàn)異常高的聲波時差帶，表現(xiàn)為增大的特征；但密度曲線和中子孔隙度曲線均為正常趨勢，對超壓沒有出現(xiàn)明顯的響應(yīng)。在砂巖發(fā)育段內(nèi)(即砂泥互層段)，泥巖的聲波時差具有向正常聲波時差“回歸”的趨勢，相對于大套泥巖段的聲波時差，均出現(xiàn)減小的特征，這一現(xiàn)象在4口探井中均可以觀測到。而且由于淺層超壓發(fā)育程度相對較小，地層壓力甚至可以恢復(fù)至常壓狀態(tài)，如JZ20-B井2 050～2 200 m深度砂巖發(fā)育段內(nèi)，與砂巖互層的泥巖的聲波時差與上覆和下伏厚層泥巖的聲波時差曲線相比，出現(xiàn)了明顯減小的特征；同時13個電纜實測壓力數(shù)據(jù)均顯示該段為常壓地層，壓力系數(shù)為1.00～1.01，所以聲波時差曲線與上覆的正常壓力段內(nèi)的聲波時差曲線趨勢相同，而其上覆及下伏的超壓段泥巖具有相同的趨勢(圖3-B)。筆者認為這是由于超壓傳遞出現(xiàn)的影響，即極低滲透性泥巖地層中的超壓，在剩余壓力的作用下[12]，通過流體的運移向高滲透性的砂巖地層中進行傳遞，引起砂巖地層發(fā)育超壓，并導(dǎo)致泥巖中地層壓力的降低。從圖中也可以明顯地看出該深度段內(nèi)泥巖的中子孔隙度曲線(CNL)出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。

圖3 JZ20油田超壓測井響應(yīng)特征Fig.3 Response characteristics of overpressure well-logging in JZ20 oilfield

2.3 儲層物性及薄片觀察分析

JZ20油田3口探井在深度3 100～3 300 m超壓段范圍內(nèi)巖心的孔隙度實測資料表明，儲層段孔隙度(q)為5.0%～21.3%。與正常壓實孔隙度演化趨勢相比，在實測超壓發(fā)育段具有孔隙度增加的特征(圖2-C)，說明超壓發(fā)育對深層孔隙度的增加具有明顯的影響。結(jié)合133塊巖石薄片顯微觀察結(jié)果和實測孔滲結(jié)果，研究區(qū)超壓段儲層溶蝕孔較發(fā)育(圖4-A)，當(dāng)原生孔、溶蝕孔及顆粒溶孔均發(fā)育時，其孔隙度值主要在9.3%～21.3%，滲透率(K)值主要為(0.1～2 212.5)×10-3μm2；當(dāng)顆粒間的原生孔發(fā)育時，其實測孔隙度和滲透率值的主要分布范圍分別為4.3%～14.7%和0.007×10-3～2.8×10-3μm2(圖5)，溶蝕作用增孔程度可以達到5%～10%，滲透率的增加甚至可以達到3個數(shù)量級，說明溶蝕作用對孔隙度及連通性的改善均具有較大的貢獻。如圖4-B所示砂巖樣品顆粒間以原生孔為主，填隙物的體積分?jǐn)?shù)總計10%，實測孔隙度為13.7%，滲透率為11.9×10-3μm2，發(fā)育低孔-低滲儲層；而圖4-C所示砂巖樣品溶蝕孔發(fā)育，填隙物的體積分?jǐn)?shù)總計9%，實測孔隙度為19.7%，滲透率為167.13×10-3μm2，達到中孔-中滲的儲層級別[13]。

圖4 JZ20油田沙河街組巖石薄片顯微照片F(xiàn)ig.4 Microphotographs showing thin sections from Shahejie Formation in JZ20 oilfield (A)溶蝕孔隙發(fā)育，可見顆粒內(nèi)溶蝕和顆粒間溶蝕作用強烈，JZ20-C井，深度3 086 m; (B)顆粒間原生孔隙發(fā)育，溶蝕作用相對較弱，JZ20-C井，深度3 157.13 m; (C)顆粒被溶蝕，形成粒內(nèi)溶孔，孔徑明顯大于周邊原生孔隙，JZ20-C井，深度3 160.29 m; (D)顆粒間褐色菱鐵礦膠結(jié)物，JZ20-A井，深度3 226 m; (E)顆粒間可見大量方解石膠結(jié)物，均勻充填在孔隙之間，JZ20-C井，深度3 161.96 m; (F)長石顆粒被溶蝕成蜂窩狀，部分顆粒僅剩殘余，JZ20-C井，深度3 140.65 m; (G) 長石顆粒被溶蝕成蜂窩狀，JZ20-D井，深度3 241.99 m; (H)顆粒間方解石膠結(jié)物被溶蝕，僅剩部分殘余，JZ20-C井，深度3 157.22 m; (I)顆粒間緊密接觸，孔隙不發(fā)育，JZ20-A井，深度3 368 m

圖5 超壓儲層孔滲關(guān)系散點圖Fig.5 Scatter plot of porosity-permeability relationship of the overpressure reservoir

上述分析表明超壓段內(nèi)儲層物性的改善與溶蝕作用有關(guān)。根據(jù)超壓段儲層185塊薄片統(tǒng)計結(jié)果，研究區(qū)巖石類型主要為長石砂巖和巖屑長石砂巖，其中石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wQ)主要為20%～51%，平均為35.6%；長石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wF)主要在30%～52%，平均為40.3%；巖屑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wR)主要為6%～49%，平均為24.1%：總體上成分成熟度偏低。填隙物主要由碳酸鹽膠結(jié)物組成，以菱鐵礦和方解石為主(圖4-D、E)，在巖石中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.1%，占膠結(jié)物總量的67.5%；而泥質(zhì)膠結(jié)物的含量相對較少。上述特征有利于儲層中次生孔隙的發(fā)育。鏡下觀察，被溶蝕的物質(zhì)以長石為主(圖4-F、G)，局部可見碳酸鹽溶蝕(圖4-H)。在酸性條件下，伴隨著長石的不斷溶解，會富集高嶺石；從薄片上統(tǒng)計的鉀長石與高嶺石的關(guān)系來看，二者呈現(xiàn)出負相關(guān)(圖6-A)；從高嶺石含量與孔隙度的統(tǒng)計關(guān)系(圖6-B)來看，二者又呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。

圖6 超壓段儲層鉀長石、孔隙度與高嶺石的關(guān)系Fig.6 Relationship among potassium feldspar, kaolinite and porosity in overpressure reservoirs

3 超壓發(fā)育對儲層物性的影響

3.1 超壓增強儲層溶蝕作用

JZ20油田巖石薄片觀察表明，深層高孔高滲帶發(fā)生了強烈的溶蝕，作者認為超壓對這一過程的進行具有非常重要的促進作用。儲層溶蝕作用與烴源巖演化程度具有密切的關(guān)系，伴隨著干酪根降解生烴，同時排出大量的有機酸和CO2，可以形成酸性熱流體，溶蝕儲層中的鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結(jié)物，從而產(chǎn)生次生孔隙[14]。從溶蝕作用發(fā)生的宏觀條件來看，烴源巖生烴能力越強，產(chǎn)生的有機酸的量也越大，對儲層的溶蝕作用也越容易發(fā)生，二者表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系[1]。根據(jù)渤海油田最新一輪的資源評價結(jié)果，作為有效烴源巖而為JZ20油田提供原油的遼西北洼生烴強度在(100～300)×104t/km2，是整個遼東灣拗陷生烴強度較高的洼陷之一，在其周圍勘探實踐已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超億噸的石油地質(zhì)儲量，具有“小而肥”的特點。

超壓在烴源巖演化過程即對油氣生成和石油裂解發(fā)揮的作用，目前還存在不同認識，包括壓力對油氣生成和成熟作用無明顯影響、壓力的增加促進油氣的生成、石油裂解及壓力增加延遲或抑制油氣生成和有機質(zhì)成熟3種觀點[15]，且均有實驗和地質(zhì)實例數(shù)據(jù)的支持[16]，這也充分說明超壓作用的多樣性。鏡質(zhì)體反射率(Ro)作為最重要的有機質(zhì)熱演化指標(biāo)，仍是反映超壓產(chǎn)生的影響及程度的重要參數(shù)[17]。從JZ20油田超壓段鏡質(zhì)體反射率與常壓油田(JZ9油田)的對比來看(圖7-A)，超壓段的鏡質(zhì)體反射率的演化趨勢與常壓段明顯不同，在超壓頂界面2.1 km深度附近，超壓段與常壓段開始出現(xiàn)分異；在2.1～2.5 km的深度范圍內(nèi)，分異的增加幅度最大，常壓段Ro的平均值從0.37%增加至0.44%，而超壓段則從0.37%增加至0.72%，整個生烴門限的埋深減小了近500 m；在埋深>2.5 km時，這種差異也越來越明顯。從實測的地層溫度數(shù)據(jù)來看，JZ20油田超壓段地層溫度并沒有出現(xiàn)異常，和JZ9油田具有相同的地溫梯度。此外，從地層天然氣的組分分析結(jié)果來看，在深度上，1.6～1.7 km和>2.1 km的2段地層內(nèi)，存在2個明顯的CO2含量相對高值區(qū)(圖7-B)，其體積分?jǐn)?shù)(φ)從0.1%增加至5%左右，其中在淺層(埋深1.6～1.7 km)的相對高CO2含量對應(yīng)著高的甲烷(CH4)含量(圖7-C)，這主要是由于地層中厭氧細菌對原油進行降解作用所導(dǎo)致。厭氧細菌的作用過程首先是產(chǎn)乙烷菌的作用，其次是產(chǎn)甲烷菌的作用，除合成細胞質(zhì)成分、產(chǎn)生部分殘渣外，主要產(chǎn)物是甲烷和CO2等氣體[18-19]。而埋深>2.1 km的CO2相對高值區(qū)與超壓段深度相對應(yīng)(圖7-B)，但甲烷并未出現(xiàn)異常高的特征(圖7-C)，所以JZ20油田發(fā)育的超壓明顯地提高了有機質(zhì)演化程度，同時增加了排出的CO2的含量，因此對次生溶蝕孔隙的發(fā)育具有明顯的促進作用。從地層中黏土礦物中伊利石的占比也可以看出(圖7-D)，由于超壓系統(tǒng)促進有機酸的生成，加強了對地層中硅鋁酸鹽等礦物的溶解作用，提供了大量的鉀和鋁等金屬陽離子，為黏土礦物的轉(zhuǎn)換提供了非常有利的條件，所以與常壓地層相比，超壓段具有更高的伊利石含量。此外，本文3.1節(jié)中對超壓的成因分析表明JZ20油田的超壓是由生烴作用所致，因此地層有效應(yīng)力的增加并未得到明顯的抑制。在鏡下觀察薄片可以看到超壓儲層的顆粒間仍具有緊密接觸的特征(圖4-I，壓力系數(shù)為1.33)。而在烴源巖段中，這種有效應(yīng)力的持續(xù)增大也增加了顆粒表面的接觸程度，使得有機質(zhì)破碎，增加了參與反應(yīng)的有機質(zhì)的表面積[20]，從而促進有機酸和CO2的生成。

3.2 超壓對地層壓實的抑制作用不明顯

儲層物性與超壓成因密切相關(guān)，但超壓成因類型多樣[21]，國內(nèi)外文獻報道中對大規(guī)模超壓的成因的描述主要歸于欠壓實和生烴作用[22-23]，這2種成因的超壓約占統(tǒng)計總數(shù)的92%；而中國不同類型的超壓盆地中，這2種超壓成因的比率也達到了約86%[24]。從這2種超壓成因的機制來看，欠壓實作用形成的超壓主要是由于地層孔隙中的流體在埋深增加的過程中不能快速排出，“多余”出來的流體承擔(dān)了部分上覆巖層壓力而形成超壓；而生烴增壓則是在地層正常壓實之后，由于干酪根轉(zhuǎn)化，引起地層中流體體積增加，從而導(dǎo)致超壓形成[25]。二者形成的超壓對儲層物性的影響最大的區(qū)別在于欠壓實作用在超壓形成之后孔隙度便不再隨著埋深的增加而減小，因此表現(xiàn)出增大的特征；而生烴增壓則由于地層壓實作用的不可逆性[26-27]，不會引起地層孔隙空間明顯的增加。因此，地層超壓是否對儲層孔隙空間的減小起到了抑制作用，可以通過成因分析來進行判斷。

圖7 不同壓力系統(tǒng)中鏡質(zhì)體反射率、天然氣組分和黏土礦物的分布特征Fig.7 Distribution characteristics of static reflectivity, natural gas composition and clay minerals in different pressure systems

關(guān)于超壓成因判別，最常用的方法是將測井曲線特征分析和鮑爾斯法相結(jié)合來進行綜合分析，這是一種依靠地層有效應(yīng)力(反映巖石顆粒間接觸程度)形成的“加載-卸載”特征進行超壓成因判別的方法，近年來得到了廣泛的應(yīng)用[28-32]。本文利用上述方法，基于Terzaghi公式計算了JZ20油田6口探井113個壓力實測點的有效應(yīng)力，并提取了測壓點對應(yīng)的聲波速度和密度測井?dāng)?shù)據(jù)，形成3種類型數(shù)據(jù)對，繪制了超壓成因判別圖版(圖8)。從圖中可以明顯看出，JZ20油田所有的常壓點形成了一條明顯的“加載”曲線，這主要是因為隨著地層埋深增加，巖石顆粒骨架接觸程度不斷加強，地層有效應(yīng)力也不斷增大；同時對有效應(yīng)力響應(yīng)敏感的聲波速度和地層密度也都伴隨著增加。當(dāng)發(fā)育欠壓實形成的超壓時，由于欠壓實作用會導(dǎo)致顆粒接觸程度保持在欠壓實發(fā)生之前的狀態(tài)，所以有效應(yīng)力及其對應(yīng)的速度及密度會保持不變，超壓點應(yīng)該與“加載”曲線在趨勢上一致；當(dāng)發(fā)育生烴作用形成的超壓時，由于生烴作用發(fā)生在地層壓實之后，巖石骨架顆粒已經(jīng)緊密接觸，雖然超壓的形成會減小有效應(yīng)力，引起聲波速度和地層密度的減小，但由于地層壓實作用的不可逆性，其減小的程度又不會恢復(fù)至常壓地層的狀態(tài)，因此形成一條“卸載”曲線。綜上分析，JZ20油田的所有超壓點趨勢相同，具有明顯的“卸載”曲線的特征，所以生烴作用對超壓的形成具有絕對貢獻；而在超壓發(fā)育段內(nèi)，生烴潛力的含量也具有明顯增加的特征。因此，超壓對地層壓實的抑制作用不明顯，儲層物性的改善與欠壓實導(dǎo)致孔隙的保存沒有必然聯(lián)系。

圖8 地層壓力實測點有效應(yīng)力、聲波速度和密度關(guān)系圖Fig.8 Relationship among effective stress, acoustic velocity and density

4 結(jié) 論

遼東灣拗陷JZ20油田古近系普遍發(fā)育超壓，超壓頂面在2 km深度左右，超壓段內(nèi)深層(埋深>3 km)砂巖儲層孔滲條件得到了明顯的改善，具有中孔-中滲的特征，超壓對深層優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育起到了非常重要的促進作用。超壓的形成受生烴作用的控制，對砂巖儲層中原生孔隙保存的貢獻不大，其發(fā)生作用的方式主要是由于超壓促進了烴源巖的熱演化程度，相對于常壓地層排出更多的有機酸，由此對地層中的大量長石和部分碳酸鹽膠結(jié)物產(chǎn)生溶蝕作用，形成了大量的溶蝕次生孔，從而在深層發(fā)育了優(yōu)質(zhì)儲層。所以對于研究區(qū)及相鄰地區(qū)深層砂巖儲層的勘探，應(yīng)將超壓是否發(fā)育及發(fā)育程度作為孔滲條件改善的重要指標(biāo)之一。