白云凹陷超壓模擬及成藏研究

張力升,張向濤,彭光榮,柳保軍,師 展

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院/陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點實驗室,陜西 西安 710065;2.中海石油 深海開發(fā)有限公司,廣東 深圳 518054)

引 言

由于全球沉積盆地普遍具有異常高壓或超壓的地層顯示,其與油氣藏形成的關(guān)系以及對鉆井安全的影響一直是油氣地質(zhì)與勘探研究的熱點問題。由于海上鉆井成本高,往往存在無井少井區(qū),而壓力形成因素復(fù)雜,故其預(yù)測也一直是難點問題。從古生代(寒武紀(jì))開始到新生代(更新世),近海和陸上、深海和淺海以及巖石中都遇到異常壓力。異常壓力出現(xiàn)在頁巖、泥質(zhì)砂巖、蒸發(fā)巖、碳酸鹽巖等所有類型的巖石中。異常地層壓力定義為在任何給定深度偏離正常流體靜壓的壓力。石油工業(yè)的勘探開發(fā)決策、鉆井完井工作、生產(chǎn)作業(yè)和相關(guān)油藏工程等活動深受異常高壓環(huán)境的規(guī)模和發(fā)生率的影響[1]。在油氣成藏與壓力預(yù)測研究中,明確超壓成因研究是基礎(chǔ),超壓成因不同,所使用壓力預(yù)測的方法也相互有別[2-3]。盆地演化過程中,超壓形成與釋放往往與油氣的大規(guī)模生成與運移密切相關(guān)。了解地層壓力演化、平面分布特征及規(guī)律對了解油氣的運移至關(guān)重要[4],對于深海油氣有效開發(fā)有重要意義。

研究區(qū)為位于南海較有代表性的陸架坡折帶和深水沉積區(qū)域的白云凹陷,是珠江口盆地內(nèi)面積最大、沉積地層最厚、油氣資源潛力最大的凹陷[5]。

1 模型參數(shù)

1.1 地層格架及沉積相模型

本研究主要應(yīng)用美國斯倫貝謝軟件公司研發(fā)的 PetroMod 2014 盆地模擬軟件開展壓力數(shù)值模擬工作。研究中根據(jù)需要選取過凹陷主要構(gòu)造帶的9條組合剖面進(jìn)行二維壓力演化模擬(圖1),基本覆蓋了深水區(qū)所有次洼和重要構(gòu)造部位。

圖1 珠江口盆地白云凹陷構(gòu)造位置、地層柱狀圖及建模測線位置(改自文獻(xiàn)[6-8])Fig.1 Structural location,stratigraphic histogram and modeling line location of Baiyun Sag in Zhujiangkou Basin (modified from[6-8])

前人研究普遍認(rèn)為,白云凹陷主力烴源巖為文昌、恩平組,白云凹陷深水區(qū)儲層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,孔滲物性較差,幾乎達(dá)到致密級別[9]。在平面范圍較大尺度沉積相控下,通過地震沉積相剖面的精細(xì)解釋,對二維地質(zhì)模型賦予適當(dāng)巖性比例,可為數(shù)值模擬提供原始地層巖性,從而對少井、無實際鉆井地區(qū)巖性預(yù)測與壓力分布研究提供可能。針對白云凹陷少井無井區(qū)域,國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)展開過相關(guān)研究,多以單井測井沉積相與地震沉積相結(jié)合的手段識別沉積相,劃定沉積相展布范圍[10-11],郭帥等[12]針對始新統(tǒng)文昌組基于K-means進(jìn)行聚類分析,將地震相與沉積相對應(yīng),繪制了白云凹陷沉積相平面分布圖。

根據(jù)前人對白云凹陷沉積相的研究成果,結(jié)合工區(qū)內(nèi)沉積相分布范圍與相關(guān)地震反射特征,歸納了三角洲平原、三角洲前緣、半深湖、湖底扇等白云凹陷的主要地震沉積相反射特征(表1)。

表1 白云凹陷典型地震反射特征及其對應(yīng)相Tab.1 Typical seismic reflection characteristics and corresponding phases of Baiyun Sag

白云凹陷時間域剖面的深度轉(zhuǎn)化采用地震速度整體與局部單井時深人工干預(yù)的交互方式進(jìn)行,針對控凹剖面line 6得到圖2所示的解釋結(jié)果。

圖2 Line 6地震剖面及沉積相解釋Fig.2 Line 6 seismic profile and sedimentary facies interpretation

1.2 熱史模型及烴源巖參數(shù)

烴源巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)是成熟/生烴模擬的重要參數(shù),包括有機(jī)質(zhì)豐度(TOC含量)、類型(氫指數(shù)IH)。結(jié)合研究區(qū)鉆井資料及地化測試分析結(jié)果認(rèn)為,文昌組烴源巖以Ⅱ1、Ⅱ2為主,氫指數(shù)較高。恩平組烴源巖以Ⅱ2、Ⅲ為主,氫指數(shù)相對較低,珠海組烴源巖以Ⅱ2為主,恢復(fù)的不同層位不同類型沉積相的總有機(jī)碳(TOC)及氫指數(shù)(IH)見表2。

表2 二維盆地?zé)N源巖參數(shù)Tab.2 Parameters of source rock in 2D Basin

1.3 輸導(dǎo)參數(shù)

23.8 Ma的構(gòu)造運動導(dǎo)致珠江口盆地地殼減薄,地殼和沉積巖的熱流值增高。構(gòu)造熱演化事件影響著地層的熱狀態(tài)。珠江口盆地白云凹陷北部的地溫梯度普遍小于4.00 ℃/hm,而南部的地溫梯度為4.00～6.47 ℃/hm[5]。地溫梯度的高低不僅影響烴源巖熱演化成熟度,也影響著儲層孔隙的演化?；诟叩偷販靥荻确謪^(qū)的原則,選擇高低地溫梯度各多口井,根據(jù)實測儲層物性和部分測井?dāng)?shù)值計算得到孔隙度(圖3),利用Kozeny-Carman孔滲關(guān)系式[15],計算對應(yīng)滲透率,采用多點法約束不同比例巖性混合后的物性條件。

圖3 白云凹陷不同地溫梯度下砂-泥巖孔隙度趨勢Fig.3 Porosity trend of sand-mudstone under different geothermal gradient in Baiyun Sag

2 超壓演化及成因

2.1 1D實測與標(biāo)定

實測壓力及鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)主要來自珠江、珠海組。根據(jù)實測值與標(biāo)定值的關(guān)系(圖4)來看,模型所應(yīng)用的邊界參數(shù)(熱流值、熱導(dǎo)率)是有效的,壓力誤差在5%以內(nèi)。

圖4 白云凹陷部分單井實測值與標(biāo)定值耦合圖Fig.4 Coupling diagram of measured and calibrated values of some single wells in Baiyun Sag

2.2 2D剖面壓力演化

Line 6位于凹陷東南,穿過流花、荔灣、白云井區(qū),呈NE-SW走向,西南方向與云開低凸起相接。38 Ma時,文昌組地層沉積,主洼與荔灣井區(qū)開始產(chǎn)生超壓,荔灣超壓幅度10～20 MPa,主洼文昌組中下部超壓可至50～100 MPa,次洼與主洼間為兩個不連通壓力系統(tǒng)。32 Ma時,恩平組沉積結(jié)束,荔灣井區(qū)受珠瓊運動Ⅱ幕影響,斷裂開啟,壓力沿斷裂發(fā)生泄壓,23.8 Ma時珠海組沉積結(jié)束,主洼中下部超壓達(dá)到100 MPa以上,荔灣次洼超壓繼續(xù)累積,最大超壓達(dá)到50 MPa,主洼壓力不斷增加,至16.5 Ma,兩洼壓力系統(tǒng)連通,壓力界面統(tǒng)一,剖面主次洼壓力不斷增大,演化至5.3 Ma,底辟發(fā)生破裂,主洼與荔灣次洼構(gòu)造分帶處壓力由50 MPa降低至20 MPa,直至現(xiàn)今剖面壓力格局(圖5)。

圖5 line 6 38 Ma-現(xiàn)今白云凹陷壓力演化剖面Fig.5 Pressure evolution profile of Line 6 from 38 Ma to present

2.3 超壓成因

(1)形成不均衡壓實的可能性較小。國內(nèi)對于白云凹陷的超壓成因漸趨一致,由欠壓實+生烴的復(fù)合成因[16]到不具有欠壓實超壓,主要為流體膨脹/自源生烴的超壓成因[6,17]。本文試從盆模的角度討論欠壓實是否為超壓的成因。一般認(rèn)為,不均衡壓實產(chǎn)生的超壓主要發(fā)育在新生代巖性顆粒細(xì)、沉積速率高的沉積盆地中[18]。國內(nèi)外典型沉積盆地中具沉積型超壓的地層或其上覆地層均經(jīng)歷快速沉積/沉降(表3),沉積速率一般>100 m/Ma,甚者更高。分析選定的白云凹陷主洼及白云東單井盆地模擬結(jié)果認(rèn)為,始新統(tǒng)文昌組沉積速率為110 m/Ma、恩平組沉積速率356 m/Ma。表明白云凹陷經(jīng)歷了快速沉積、沉降演化。但國內(nèi)外針對欠壓實超壓的沉積速率門限存在有爭議。針對白云凹陷, 張向濤等[17]通過將今論古的方法,認(rèn)為珠江組底部富砂沉積層之上沉積厚度約2 000 m,沉積速率在300～500 m/Ma,本次模擬得沉積速率在800 m/Ma左右,但其上不管是經(jīng)過地層測壓還是模擬,均未發(fā)現(xiàn)超壓,表明具有不均衡壓實條件的地層并未產(chǎn)生超壓。

表3 國內(nèi)外典型沉積型超壓盆地的沉積速率(據(jù)[18]修改)Tab.3 Sedimentation rates of typical sedimentary overpressure basins at home and abroad (modified according to[18])

(2)烴源巖大量成熟,深度和超壓界面具有一致性,平面分布一致、超壓形成時間與烴源巖大量形成時間重疊且深部超壓的形成不依賴于孔隙度增大。

為了探究白云凹陷生烴與超壓的耦合關(guān)系,以主洼和白云東為例,荔灣部分單井超壓頂面在珠海組頂部,深度約3 800 m,此時Ro=0.7%,烴源巖處于早生油階段,該深度孔隙度總體趨勢為降低,表明超壓形成與烴源巖生烴有較好對應(yīng),與孔隙度是否反轉(zhuǎn)關(guān)系不大。從壓實程度和地溫來看,深度一般在2～3 km時易形成不均衡壓實超壓,此時地溫在70～80 ℃,該環(huán)境主要以上覆地層機(jī)械壓實作用為主;而超壓形成于埋藏較深(大于3 km)且地溫一般介于70～80 ℃的地層,超壓為流體膨脹和成巖作用單一作用或二者復(fù)合作用引起[19]。A井超壓頂面位于3 500 m,隨著孔隙度持續(xù)減小,進(jìn)入主生油階段(Ro=0.8%),文昌組地層壓力持續(xù)增大(圖6),表明深部超壓不因孔隙度增大而增大, 而是烴源巖的持續(xù)生烴作用形成的超壓,從而排除了超壓為欠壓實成因。

圖6 白云凹陷1 D壓力模擬結(jié)果Fig.6 1D pressure simulation results of Baiyun Sag

(3)深部孔隙度已小于機(jī)械壓實減孔下限,不具有不均衡壓實的基礎(chǔ)。據(jù)圖6可知,至深層孔隙度模擬值已經(jīng)低達(dá)5%甚至更小,張向濤等[17]以主洼及北坡地區(qū)為例,超壓界面以下的儲層面孔率降低至10%以下,原生孔面孔率低于2%,主要由次生溶蝕孔隙構(gòu)成,溶蝕孔面孔率普遍為原生孔面孔率的1～10倍,部分樣品點甚至達(dá)到100倍。Dewhurst[20-21]將兩個完整的倫敦黏土試樣(黏土組分體積分?jǐn)?shù)為40%和67%)壓實至33 MPa有效應(yīng)力。經(jīng)過33 MPa的較大應(yīng)力進(jìn)行壓實,最終壓實的極限孔隙度約為25%。模擬的孔隙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該下限,說明孔隙度的值與是否為欠壓實并無直接關(guān)系,深部孔隙度的反轉(zhuǎn)(偏離正常壓實趨勢)往往是由于碳酸鹽礦物或伴生的其他易溶礦物經(jīng)地下水淋濾溶解后形成。成巖作用時伴隨著礦物離子在液體環(huán)境中的混合交換,地下水的溶解作用往往在沉積過程中就已同步進(jìn)行,并延續(xù)到成巖作用結(jié)束。

2.4 成藏動力及成藏模式

從生烴和超壓的平面分布來看,超壓的分布和烴源巖成熟度分布具有一致性(圖7),選取6個控洼剖面,分析各個剖面單井模擬與實測的誤差,閉合剖面繪制現(xiàn)今平面壓力分布。結(jié)果表明,研究區(qū)超壓主要發(fā)育在白云東荔灣、主洼的恩平組和文昌組,主洼恩平組成熟度Ro>2.0%,主洼文昌組成熟度Ro>4.0%。白云東恩平組現(xiàn)今處于烴源巖大量成熟階段,Ro>0.7%,文昌組烴源巖成熟度Ro>2.0,白云東恩平組壓力系數(shù)大于1.5,文昌組現(xiàn)今壓力系數(shù)超過1.8,為油氣運移、壓力傳導(dǎo)提供大量的動力。根據(jù)烴源巖厚度-壓力系數(shù)-油氣藏分布疊合圖來看,油氣藏多數(shù)緊鄰常-超壓(壓力系數(shù)≥1.2)分界線分布。

圖7 白云凹陷文昌組壓力系數(shù)與烴源巖成熟度平面圖(左圖據(jù)中海油深圳;右圖改自[7,22])Fig.7 Plans of pressure coefficient and source rock maturity of Wenchang Formation in Baiyun Sag (The left image is based on CNOOC Shenzhen;the right image is modified from[7,22])

綜上,白云凹陷以“生烴超壓驅(qū)動、橫向砂體輸導(dǎo)、斷裂-底辟復(fù)合泄壓”的成藏模式(圖8)為主。應(yīng)按照成烴-成儲-成藏動態(tài)思路, 結(jié)合壓力及烴源巖油氣地球化學(xué)綜合研究,在白云凹陷已發(fā)現(xiàn)的底辟和斷裂附近找油氣。從圖8可知:文昌組和恩平組為白云凹陷生烴能力最強(qiáng)的兩套烴源巖。根據(jù)其生成壓力系數(shù)頂面和文昌組底部將剖面劃分為3種成藏組合,從上至下依次為常規(guī)-超壓過渡帶成藏組合,生烴增壓、中等超壓內(nèi)部驅(qū)動、底辟-斷裂泄壓成藏組合,中-強(qiáng)超壓驅(qū)動底部成藏類型。明確了超壓成因,則勘探時候采取數(shù)值模擬的方法對盆地進(jìn)行埋藏-熱演化、熱演化-超壓史、生烴強(qiáng)度-運移方向模擬,了解油氣運聚區(qū),為下一步選取有利區(qū)井位提供依據(jù)。

圖8 白云凹陷成藏模式Fig.8 Hydrocarbon accumulation mode of Baiyun Sag

3 結(jié) 論

(1)白云凹陷現(xiàn)階段壓力主要為生烴超壓成因,生烴與超壓分布特征與前人研究結(jié)果吻合。

(2)經(jīng)歷了底辟與斷層泄壓,現(xiàn)今超壓中心在白云東,最大壓力系數(shù)可達(dá)1.8以上。

(3)白云凹陷以“生烴超壓驅(qū)動、橫向砂體輸導(dǎo)、斷裂-底辟復(fù)合泄壓”的成藏模式為主,油氣藏大多沿著斷層與常-超壓界面分布。