川西前陸盆地超壓分布及成因機制

王志宏，郝翠果，李建明，馮真芝，黃昌武

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油天然氣集團有限公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室，河北廊坊 065007；3.長江大學地球科學學院，武漢 430100；4.非常規(guī)油氣湖北省協同創(chuàng)新中心，武漢 430100）；5.中國石油華北油田分公司第三采油廠，河北滄州 062450

0 引言

世界上約三分之二的沉積盆地中都存在地層超壓［1］，而我國半數以上的油氣產出層均存在超壓［2］。超壓與油氣分布密切相關，因此其已成為油氣成藏動力學研究的核心問題［3-7］。超壓對油氣的作用是多方面的，例如有機質的生烴過程，油氣的賦存狀態(tài)，運移的動力及方向，對氣藏的保存、破壞作用以及油氣藏的空間分布規(guī)律等方面，超壓還可以造成油氣的高產［8］。此外，超壓還關系到鉆井和地質工程的安全以及油氣田開發(fā)方案的制定［9-10］。因此，超壓的分布及成因機制一直受到地質學家和勘探工作者的關注。

川西地區(qū)的陸相地層自20 世紀中葉開始勘探以來，已經在上三疊統(tǒng)以及中、上侏羅統(tǒng)中發(fā)現了油氣田和含油氣構造20 余個。鉆探結果顯示，川西地區(qū)侏羅系—上三疊統(tǒng)普遍存在地層超壓（壓力系數為1.1～2.1），超壓中心位于川西北地區(qū)。關于四川盆地地層超壓的成因機制，目前主要存在以下3 種觀點:①因川西地區(qū)發(fā)育良好的烴源巖，認為生烴作用主導了現今的流體壓力［11-14］；②著眼于地應力與流體壓力的分布關系，發(fā)現二者存在明顯的對應關系，從而主張水平應力是主要增壓機制［15，16］；③川西至今存在欠壓實現象，因此認為泥巖欠壓實也是一種重要的增壓機制［17，18］。這些研究觀點考慮到了超壓發(fā)展的階段性特征，即單一機制在不同時期獨立發(fā)揮增壓的功效，但對超壓發(fā)展的延變性特征（多種機制在地質歷史時期中交叉、疊置增壓）尚未做系統(tǒng)研究。筆者在系統(tǒng)梳理川西地區(qū)侏羅系—上三疊統(tǒng)地層超壓發(fā)育特征的基礎上，探討不同階段超壓的成因機制及研究方法，并進一步分析沉積超壓、構造擠壓增壓的延變性特征，以期確定川西地區(qū)前陸盆地超壓的分布和不同成因機制的增壓效應。

1 地質概況

川西陸相盆地具有前陸性質，形成于印支晚期，于燕山早期—中期得到進一步發(fā)展，最終在燕山晚期—喜山中期定型。沉積的主要地層包括上三疊統(tǒng)須家河組（T3x1-5）、下侏羅統(tǒng)自流井組（J1z）、中侏羅統(tǒng)千佛巖組（J2q）和沙溪廟組（J2s）、上侏羅統(tǒng)的遂寧組（J3s）和蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）以及出露地表的白堊系（K）和古近系（E）?，F今以綿竹低凸起帶為界可分為南、北2 個次級凹陷，與西北部的龍門山前緣沖斷帶均為川西地區(qū)油氣勘探的重點區(qū)域（圖1）。研究區(qū)的上三疊統(tǒng)須一段、須三段、須五段含煤泥巖為主力烴源巖，其間夾持的須二段、須四段及上覆的沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組是主要油氣產層，須家河組互層狀泥巖和遂寧組厚層泥巖為良好的蓋層。由此可見，川西地區(qū)既有自生自儲的組合也有下生上儲的組合，加之上覆白堊系為區(qū)域性蓋層，勘探前景較好。

圖1 川西地區(qū)現今構造分布簡圖Ⅰ.川西北凹陷帶；Ⅱ.綿竹低凸起區(qū)；Ⅲ.川西南凹陷帶Fig.1 Present structural map in western Sichuan Basin

2 超壓的分布

為了消除埋深的影響并直觀表述超壓的程度，本文使用剩余壓力（p剩余=p實測-p靜水）來反映地層超壓。川西地區(qū)實測數據計算出的地層流體剩余壓力數據顯示，異常壓力的發(fā)育層位和幅度在各區(qū)域均有所不同。按其垂向分布形態(tài)，可進一步劃分為4 種類型:鐘形、紡錘形、階梯形以及復合型。現以龍門山推覆體前緣區(qū)的中壩構造、川西南凹陷區(qū)的平落壩構造、川西北凹陷區(qū)的老關廟構造和綿竹低凸起區(qū)的新場構造為典型案例加以說明。

以中壩構造為代表的龍門山推覆體地區(qū)主要為鐘形低幅超壓（圖2）。這一地區(qū)的地層壓力異常低，剩余壓力普遍維持在5 MPa 之下。以上三疊統(tǒng)頂部的不整合面為界，侏羅系及其以上地層中保持靜水壓力，不整合面之下逐漸出現低幅的剩余壓力，在T3x2中達到頂峰。

紡錘形中、低幅高壓主要出現于川西南部地區(qū)凹陷區(qū)（圖2）。以平落壩構造為代表，剩余壓力在縱向上保持較平緩的變化趨勢，曲線整體呈紡錘形。自J3p 出現低幅剩余壓力（4 MPa）開始，異常幅度向下逐漸增加，在厚層泥巖段T3x5中達到峰值（13 MPa），其下伏地層（T3x2）中剩余壓力呈負增長趨勢，須家河組底部剩余壓力降低至5 MPa 之下。

圖2 川西地區(qū)現今地層的剩余壓力分布Fig.2 Distribution of present formation residual pressure in western Sichuan Basin

以老關廟構造為代表的川西北凹陷區(qū)的剩余壓力在深層部位（J1—T3x）為階梯形高、超高壓。該種類型剩余壓力曲線中出現明顯的“階躍”現象。下侏羅統(tǒng)以上剩余壓力曲線為鐘形中、低幅超壓（剩余壓力≤10 MPa），下侏羅統(tǒng)內剩余壓力激增至35～40 MPa，并延續(xù)至須四段產層內，其下伏的T3x2-3內的剩余壓力再次大幅度上漲，超壓幅度超過50 MPa。由此可見，J1—T3x 中剩余壓力曲線出現2 次明顯的跳躍，形成階梯形曲線。

以綿竹低凸起區(qū)的新場構造為代表的川中地區(qū)的剩余壓力曲線是上述幾種曲線的綜合，形態(tài)較為復雜。蓬萊鎮(zhèn)組出現鐘形中、低幅超壓。遂寧組底部和下侏羅統(tǒng)出現2 次“階躍”現象，呈明顯的階梯形，剩余壓力增至30 MPa，并延續(xù)至須五段。須四段內的剩余壓力再次增加，至較厚的泥巖段T3x3剩余壓力達到峰值（50 MPa），其后逐漸回落，表現為紡錘狀形態(tài)。

綜上所述，超壓在四川盆地的分布極不均衡。平面上，上三疊統(tǒng)的剩余壓力最大區(qū)域位于川西北地區(qū)（50 MPa），且波及到中部地區(qū)。越過中部的低凸起區(qū)后，剩余壓力向南快速降低，南部地區(qū)為中、低幅異常區(qū)（10 MPa）。剩余壓力自高壓中心向西北方向的推覆體部位降低得更加迅速，與上三疊統(tǒng)有所不同，中部低凸起區(qū)橫向隔斷了川西南和川西北，成為侏羅系剩余壓力中心（20 MPa）。川西北的異常幅度（±10 MPa）較川西南（5 MPa）高，而西北部的推覆體部位為常壓?？v向上，剩余壓力整體上具有向下遞增的趨勢，上三疊統(tǒng)的異常幅度高于侏羅系，異常壓力峰值集中于須家河組中、下部。北部階梯形超高壓發(fā)育區(qū)被良好的蓋層分隔成2 個壓力系統(tǒng)，即上三疊統(tǒng)和侏羅系，彼此難以連通。隨著封閉體系的破碎，中部地區(qū)出現鐘形、階梯形和紡錘形壓力曲線形態(tài)，并呈現“節(jié)節(jié)升高”的結構，且階梯形結構中，壓力“階躍”幅度也減小，壓力系統(tǒng)界限逐漸模糊。南部地區(qū)的紡錘形壓力結構區(qū)，壓力異常幅度降到中、低幅，以厚層泥巖為中心向上、下兩側遞減，難以起到有效的壓力封存作用。

3 成因機制

3.1 超壓階段劃分

異常壓力是地質固體體系和流體體系相互制約、相互影響的產物［19-20］。欠壓實作用、生烴作用和構造擠壓作用被認為是常見的3 種增壓機制［21-26］。地質歷史中，超壓可始終由單一因素主導，也可在不同時期由不同因素引發(fā)；而在沉積后構造變動強烈的盆地，盡管在某一段時期內由某一種增壓機制起主導作用，但其后的各增壓機制也可能對前期已經存在的超壓再次造成影響，形成相互交叉、疊置的延變性特征。明確增壓階段可減小非主控因素的干擾，便于選用適合的分析方法對主控因素進行分析。因此，準確地劃分各機制的增壓階段對異常壓力的研究具有重要意義。上述3 種增壓機制是在2 種不同背景下發(fā)生的:欠壓實作用和生烴作用均與地層沉積、地溫升高有關；構造擠壓作用則發(fā)生于強擠壓的構造背景下，通常伴隨著抬升、剝蝕活動。因此，可將異常壓力分為沉積超壓和構造超壓兩大類。沉積超壓發(fā)生于地層連續(xù)沉積時期，泥巖壓實曲線和地震層速度分析均是研究該類超壓的有效手段。隨著地層抬升時增壓過程的終止，地層壓力可能發(fā)生散失，前種研究方法的準確性受到質疑；當地層的水平擠壓應力大于上覆負荷時，地層再次開始增壓，該類增壓多作用于沉積超壓的殘余封閉體系上，通常表現為對殘余剩余壓力的加強。

通過利用PetroMod 盆地模擬軟件，恢復了川西地區(qū)埋藏熱演化史，并計算了上三疊統(tǒng)烴源巖不同時期的生排烴量，結果顯示川西地區(qū)上三疊統(tǒng)在晚白堊世之前長期處于沉降過程（圖3）。隨著地層深埋加大，地溫逐漸升高，生烴作用逐漸加強，該階段的地應力也較小（≤40 MPa）。晚白堊世中、后期，地層開始抬升，生烴中止，在此之后地層未發(fā)生大規(guī)模的沉降，而地應力卻在不斷增強，并在古近紀末期超過了上覆負荷。因此，可將川西地區(qū)的壓力發(fā)展階段劃分為沉積超壓發(fā)展階段（晚三疊世—始新世）和構造超壓發(fā)展階段（漸新世—現今）。其中，晚三疊世—早白堊世為沉積超壓增壓階段，晚白堊世—始新世為沉積超壓消散階段。

圖3 川西地區(qū)超壓控制因素及發(fā)展階段Fig.3 Skeleton of controlling factors and stages of overpressure in western Sichuan Basin

3.2 構造擠壓增壓原理

構造擠壓作用是地層超壓形成的主要機制。當地層具備一定的封閉流體的能力時，構造擠壓會造成巖石孔隙空間減小，從而進一步導致流體壓力升高。構造應力導致的超壓與地應力存在以下關系［27］:

式中:ptec為構造作用導致的壓力（超壓），MPa；σ為最大水平主應力，MPa；B為孔隙壓力轉化系數。

當超壓存在沉積和構造等成因機制時，現今剩余壓力則為多因素復合形成，可以用公式（2）表示:

式中:pe為剩余壓力，MPa；pdep為沉積期產生的超壓（如欠壓實和生烴作用），MPa。

式（1）和（2）可合并為:

由此可見，當使用構造擠壓應力與現今地層剩余壓力進行相關關系投點分析時，其趨勢線在橫坐標上的截距即為沉積期體系內封存的剩余壓力。

川西地區(qū)在喜山期的構造運動中遭受了強烈的構造擠壓作用，夏新宇等［28］通過實驗分析得出，上三疊統(tǒng)的水平應力梯度與地層壓力梯度存在明顯的對應關系。因此，可以推斷該地區(qū)流體壓力同構造擠壓作用關系密切。將川西地區(qū)各構造現今的構造應力與流體剩余壓力進行相關關系投點可以發(fā)現（圖4），二者存在一定的相關性，且川西北與川西南存在明顯的地域差異，川西北地區(qū)位于高應力、高剩余壓力區(qū)域，趨勢線截距為21 MPa，即須家河組在前期的殘留剩余壓力約為21 MPa；川西南地區(qū)主要位于低應力、低剩余壓力區(qū)域，趨勢線截距通過原點。上述2 條趨勢線的斜率均小于1，表明地質系統(tǒng)未完全封閉，存在流體壓力的泄漏現象。綜上所述，構造擠壓作用主導了川西北地區(qū)流體壓力的變化，北部尚存約21 MPa 的沉積型殘余剩余壓力，約占現今剩余壓力的40%～70%，即構造擠壓增壓占比約為30%～60%。南部在構造擠壓增壓之前基本保持靜水壓力，后期構造擠壓增壓幅度也較小。

圖4 川西地區(qū)構造擠壓應力與剩余壓力的相關關系Fig.4 Relationship between overpressure and tectonic compression in western Sichuan Basin

3.3 殘余沉積超壓

川西地區(qū)北部尚存約21 MPa 的殘余沉積超壓，主要為欠壓實作用和生烴作用綜合作用的結果。川西地區(qū)上三疊統(tǒng)完全具備產生欠壓實的地質條件:①川西地區(qū)屬龍門山前陸盆地沉積中心，上三疊統(tǒng)沉積厚度最大可達4 000 m；②上三疊統(tǒng)各段均發(fā)育厚層泥頁巖沉積，累計厚度可達500 m以上；③須家河組沉積速率高達408 m/Ma，易造成欠壓實。壓實曲線表明川西地區(qū)尚有部分地層存在欠壓實現象，具有欠壓實增壓的條件，但這些地質條件僅反映地層抬升之前的壓力狀態(tài)，地層的抬升會導致氣藏壓力降低，川西地區(qū)在喜山期發(fā)生大幅抬升，使用水力學方程計算［29］，須家河組的抬升至少導致了15 MPa 的剩余壓力的損失，由壓實曲線計算的欠壓實增壓難以彌補該損失。除此之外，川西地區(qū)上三疊統(tǒng)已普遍致密化［30-32］，實測孔隙度為3%～5%，基本已達孔隙壓實的極限（圖5），巖石平均密度約為2.6 g/cm3，機械壓實和化學膠結作用導致巖石接近骨架密度，不利于欠壓實增壓。因此，泥巖欠壓實增壓難以成為川西地區(qū)現今殘余沉積型超壓的主要原因。

圖5 川西地區(qū)實測孔隙度、巖石密度隨深度變化曲線Fig.5 Variation curves of measured porosity and rock density with depth in western Sichuan Basin

烴源巖的生烴作用也是殘余沉積型超壓的主要成因。有機質熱降解、熱裂解過程中的相態(tài)變化可導致體系內壓力增高，這常被用于解釋地層中產生超壓的重要原因［33-34］，特別是那些烴源發(fā)育的層位。川西地區(qū)主力烴源巖為以Ⅲ型干酪根為主的煤系地層，煤層累計厚度達200 m，晚侏羅世—早白堊世，該套地層曾深埋至6 000 m，現今實測Ro值為2.0%，須家河組底界處部分Ro值超過2.5%。盆地數值模擬結果顯示，在燕山中、晚期，須家河組致密巖石中含大量氣態(tài)烴，物質相態(tài)轉變可導致地層壓力大幅上升，并在流體封閉條件較好的地區(qū)得以保存，如川西地區(qū)的中、北部。

3.4 壓力成因與分布

地層的沉積速率和生烴強度控制了沉積型超壓的增壓幅度，地層體系的封閉-開放程度決定了壓力的保存程度，從而影響了構造型超壓在沉積型超壓上的疊加效果。川西地區(qū)不同構造部位的沉積速率、生烴強度以及構造破壞程度均存在顯著差異，這導致了不同地區(qū)縱向上不同層位壓力分布的差異。位于龍門山推覆體前緣部位的中壩等構造，其三疊系沉積速率較慢，須家河組的沉積厚度較其他地區(qū)明顯更薄，造成其較弱的欠壓實狀態(tài)，且隨后在印支晚期因構造作用遭受破壞，缺失了須五段的部分地層，造成上三疊統(tǒng)壓力封閉體系頂板被破壞。因此，該地區(qū)僅在上三疊統(tǒng)內部形成了低幅度的異常壓力。

川西南凹陷區(qū)為三疊紀的沉積-沉降中心之一?？焖俚某两?沉積導致其早期的欠壓實和生烴作用形成的超壓幅度較高。與推覆體前緣部位地層大規(guī)模剝蝕不同，該地區(qū)在僅發(fā)生小幅度的地層抬升，沉積型超壓得到了部分釋放。燕山運動期間，該地區(qū)主要通過形成斷裂體系釋放龍門山推覆作用的應力。斷層的垂向破裂使得上三疊統(tǒng)壓力封閉體系遭受部分破壞，流體壓力向上傳導至侏羅系，造成現今蓬萊鎮(zhèn)組—須家河組的壓力發(fā)生漸進變化，超壓最高部位為泥巖厚度最大的須五段。

川西地區(qū)北部凹陷也為三疊系的沉積-沉降中心之一，欠壓實與生烴作用在早期形成了較高幅度的超壓。燕山運動期間，該區(qū)既未形成大量的跨層斷裂，也未遭受抬升剝蝕，應力主要集中于上三疊統(tǒng)壓力封閉體系中，構造應力有效地疊加在沉積殘存超壓體系中，使得其內部形成了超高的壓力異常。

綿竹低凸起帶位于上述南、北2 個次級凹陷之間，兼具二者的特征，既發(fā)育溝通侏羅系和三疊系的斷層，又具有一定的應力集中現象，從而形成了現今復合的垂向壓力分布體系。

4 超壓與油氣藏分布

超壓與油氣藏的聚集和分布密切相關，超壓不僅為烴源巖的排烴提供了重要的動力，而且可為高壓泥巖層下伏油氣藏起到封閉和遮擋作用，在儲集層中形成壓力封閉體系，有利于油氣藏的富集和保存［4-8］。川西地區(qū)不同區(qū)帶在縱向上地層超壓峰值主要出現在須家河組中、下部（須二、三段），這有助于形成超壓封閉體系，利于天然氣的保存，如新場地區(qū)，須二段剩余壓力約為75 MPa，須三段剩余壓力平均為90 MPa，超高的壓力為下部須二氣藏的保存提供了良好的封蓋條件，鉆探的新851 井在須二段儲集層中獲得54 萬m3/d 的高產工業(yè)氣流?？碧綄嵺`證實，川西地區(qū)須家河組雖然具有普遍含氣的特征，但天然氣富集層段主要集中于須二段和須三段，這兩段的天然氣儲量占須家河組總儲量的97.4%，氣藏也主要圍繞超壓中心發(fā)育（圖6）。在盆地邊緣低壓區(qū)也發(fā)育油氣藏，主要是受超壓驅動或低壓吸拉作用控制，油氣沿著斷層或砂體等輸導體系運移，由盆地中部壓力高勢區(qū)向盆地邊緣低勢區(qū)運聚成藏［35］。盆地邊緣的這些氣藏，如中壩、平落壩等氣藏在其形成過程中均曾有異常高壓出現，中壩、平落壩等地區(qū)侏羅系地層壓力系數為1.4，烴源巖層發(fā)育8～15 MPa 的剩余壓力［36］，為油氣從烴源巖排出、運移提供了動力。綜上所述，川西地區(qū)現今的油氣分布格局主要受地層超壓控制，多圍繞超壓中心分布，在局部構造高部位富集。

圖6 川西地區(qū)須二段地層壓力系數與氣藏分布Fig.6 Distribution of present formation pressure coefficient and gas reservoirs of the second member of Xujiahe Formation in western Sichuan Basin

5 結論

（1）川西前陸盆地超壓發(fā)育在垂向上的分布形態(tài)可分為4 種類型:鐘形、紡錘形、階梯形和復合型。平面上，上三疊統(tǒng)超壓中心主要分布于川西地區(qū)的中北部，侏羅系超壓中心則位于中部，超壓幅度向南北兩側遞減。

（2）川西地區(qū)的壓力發(fā)展過程經歷了晚三疊世—早白堊世的沉積超壓增壓階段、晚白堊世—始新世的沉積超壓消散階段以及漸新世—現今的構造超壓發(fā)展階段?，F今的超壓由殘余沉積超壓和構造擠壓增壓疊加而成，中部和北部地區(qū)的超壓成因中，構造擠壓增壓的貢獻占比為30%～60%，而南部地區(qū)大多由構造擠壓增壓所致。殘余沉積超壓主要由燕山中、晚期的生烴作用形成。