金秋月,甘 軍,盧 梅,何 生,孫勝新,王 靜,高玉潔

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057; 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司中海油實(shí)驗(yàn)中心,廣東湛江 524057; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

渤海灣盆地車(chē)鎮(zhèn)凹陷地層超壓成因

金秋月1,甘 軍1,盧 梅2,何 生3,孫勝新1,王 靜1,高玉潔1

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057; 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司中海油實(shí)驗(yàn)中心,廣東湛江 524057; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北武漢 430074)

統(tǒng)計(jì)地層實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù),研究渤海灣盆地車(chē)鎮(zhèn)凹陷始新統(tǒng)地層流體異常壓力分布特征.結(jié)果表明:始新統(tǒng)沙河街組三段和沙四段地層流體發(fā)育異常高壓,超壓壓力因數(shù)在1.20～1.78之間;平面上超壓主要發(fā)育在凹陷中央部位;縱向上現(xiàn)今地層深度2 100 m以上基本為常壓,深度2 100 m以下出現(xiàn)明顯壓力異常,主要分布于沙三段和沙四段地層.單井泥巖測(cè)井曲線特征顯示,烴源巖生烴演化模擬和包裹體PVT模擬恢復(fù)最小,在超壓層段聲波時(shí)差偏離正常趨勢(shì)線,表現(xiàn)為較高的聲波時(shí)差值,密度測(cè)井曲線符合正常的壓實(shí)規(guī)律;在兩期油氣充注時(shí)期,烴源巖熱演化生成大量烴類(lèi)流體,并以第二期生排烴活動(dòng)為主,與地層流體超壓階段符合;第一期包裹體在常壓環(huán)境捕獲,第二期包裹體主要在超壓環(huán)境捕獲.始新統(tǒng)沙三段和沙四段地層流體超壓主要由生烴作用引起.

車(chē)鎮(zhèn)凹陷;超壓;成因;生烴;測(cè)井曲線;渤海灣盆地

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.004

0　引言

含油氣盆地廣泛存在超壓現(xiàn)象,地層壓力演化與油氣生成、運(yùn)移及聚集關(guān)系密切[1-5],主要受儲(chǔ)層物性、溫度場(chǎng)、斷裂活動(dòng)和流體活動(dòng)等地質(zhì)要素的影響[6-9].含油氣盆地發(fā)育超壓的成因機(jī)制,主要有欠壓實(shí)、烴類(lèi)生成作用、構(gòu)造擠壓、黏土礦物轉(zhuǎn)換、底辟作用、滲透作用和水熱增壓等,單一因素和多種因素疊加是形成超壓的原因[10-13].引起地層大規(guī)模超壓成因主要包括快速沉積導(dǎo)致的欠壓實(shí)、烴源巖生烴作用和構(gòu)造擠壓作用[14].構(gòu)造擠壓作用引起的超壓主要發(fā)生在構(gòu)造擠壓強(qiáng)烈的構(gòu)造帶[15].欠壓實(shí)引起超壓主要是由于沉積物快速沉積埋藏,孔隙水未及時(shí)排出而造成流體壓力增加,進(jìn)而形成高孔隙度、低巖石密度特征,并引起測(cè)井聲波速度降低、密度變小的現(xiàn)象[16-19].Hermanrud C等[9]認(rèn)為超壓層段聲波速度異常并不指示高孔隙度特征,可能為地層本身結(jié)構(gòu)變化引起;何生等[14]認(rèn)為流體超壓降低巖石骨架間有效應(yīng)力,并引起聲波速度的降低;在研究東營(yíng)凹陷超壓?jiǎn)栴}時(shí),查明[20]等將聲波速度異常處作為超壓頂界面深度; Magara K[21]認(rèn)為地層正常壓實(shí)后,孔隙度和密度不因生油作用而變化.在充分壓實(shí)地層,生烴作用引起孔隙流體超壓而導(dǎo)致通過(guò)巖石的速度降低,并不反映高孔隙度及指示密度測(cè)井密度數(shù)值降低.

車(chē)鎮(zhèn)凹陷超壓分布廣泛.曾治平等認(rèn)為單井上壓力系統(tǒng)可以分為上、下常壓系統(tǒng)和中部高壓系統(tǒng),剖面上為由內(nèi)環(huán)超壓到外環(huán)常壓系統(tǒng),車(chē)鎮(zhèn)存在兩期的壓力聚集和釋放過(guò)程[22];曾治平等根據(jù)欠壓實(shí)和生烴裂解結(jié)果分析套爾河超壓成因[23].范振峰等[24]研究超壓和油氣成藏關(guān)系,得出有機(jī)質(zhì)生烴和黏土礦物的轉(zhuǎn)化有利于形成超壓,超壓可以改善儲(chǔ)層的物性.針對(duì)車(chē)鎮(zhèn)凹陷的超壓體的分布特征缺乏精細(xì)刻畫(huà),超壓成因的解析缺乏有力的證據(jù).筆者結(jié)合鉆井、測(cè)井、錄井和分析測(cè)試等資料,統(tǒng)計(jì)車(chē)鎮(zhèn)凹陷砂巖實(shí)測(cè)溫壓資料,分析研究區(qū)實(shí)測(cè)溫壓分布特征;通過(guò)泥巖測(cè)井曲線特征分析、烴源巖生烴演化模擬和包裹體熱動(dòng)力模擬,分析車(chē)鎮(zhèn)凹陷超壓成因.

1　區(qū)域地質(zhì)概況

車(chē)鎮(zhèn)凹陷屬于濟(jì)陽(yáng)坳陷的二級(jí)構(gòu)造單元,地理位置與沾化凹陷毗鄰,在構(gòu)造上車(chē)鎮(zhèn)凹陷劃分為車(chē)西洼陷、套爾河洼陷、郭局子洼陷和大王北洼陷等4個(gè)次級(jí)洼陷帶.各洼陷中間被北西和北東走向的交換帶相互隔開(kāi),整體上車(chē)鎮(zhèn)凹陷呈現(xiàn)隆洼彼此相間的構(gòu)造格局,南面是義和莊凸起,北面是埕子口凸起,全區(qū)面積為2 390 km2(見(jiàn)圖1).

圖1　車(chē)鎮(zhèn)凹陷構(gòu)造位置、油氣分布與部分井位Fig.1 Tectonic location,hydrocarbon distribution and well location of Chezhen sag

車(chē)鎮(zhèn)凹陷是中國(guó)東部裂谷型盆地的一個(gè)次級(jí)單元,為地質(zhì)歷史時(shí)期的多期沉積、復(fù)合疊加的區(qū)域.盆地的演化特征總體上可以劃分為三個(gè)主要階段:早期為中生代裂陷時(shí)期的沉積階段;中期為侏羅紀(jì)晚期到白奎紀(jì)早期及白奎紀(jì)晚期到古近紀(jì)沉積的階段;后期是新近紀(jì)開(kāi)始的沉積階段[24-25].

2　實(shí)測(cè)壓力分布特征

根據(jù)渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷地層超壓的劃分結(jié)果[16],將壓力因數(shù)反映常壓與超壓的界限大致定為1.2,即當(dāng)壓力因數(shù)大于1.2時(shí),認(rèn)為地層流體處于超壓狀態(tài).

分析車(chē)鎮(zhèn)凹陷的153口井DST實(shí)測(cè)溫度資料,在1 004.5～4 541.0 m深度車(chē)鎮(zhèn)凹陷地層溫度在54～168℃之間變化,按照地表平均溫度15℃計(jì)算,地層的地溫梯度約為3.56℃/100m(見(jiàn)圖2).由圖2可以看出,車(chē)鎮(zhèn)凹陷普遍發(fā)育異常高壓,超壓發(fā)育的深度在2 100～4 200 m之間.按照不同層位對(duì)車(chē)鎮(zhèn)凹陷進(jìn)行細(xì)分,地層的異常壓力點(diǎn)主要集中于沙四段和沙三段地層,沙二段以上很少有壓力因數(shù)大于1.2的實(shí)測(cè)點(diǎn).

分析沙三段和沙四段的壓力狀況,沙四段的異常壓力發(fā)育深度在2 100～4 200 m之間,沙三段在2 300～4 100 m深度之間的壓力因數(shù)大于1.2.沙三段和沙四段局部發(fā)育異常低壓現(xiàn)象.沙四段的地溫梯度為3.65℃/100m,沙三段的地溫梯度為3.62℃/100m;沙四段超壓壓力因數(shù)在1.20～1.72之間,沙三段超壓壓力因數(shù)在1.20～1.78之間.車(chē)鎮(zhèn)凹陷沙三段地層上部的沙二段到明化鎮(zhèn)地層為正常的壓力系統(tǒng),實(shí)測(cè)壓力因數(shù)基本小于1.2,只有沙二段出現(xiàn)少量超壓點(diǎn),是壓力縱向疏導(dǎo)泄壓造成的傳導(dǎo)性超壓現(xiàn)象.

根據(jù)車(chē)鎮(zhèn)凹陷沙三段71個(gè)、沙四段50個(gè)實(shí)測(cè)壓力(DST)數(shù)據(jù),繪制不同層位流體壓力因數(shù)分布特征(見(jiàn)圖3).地層流體壓力主要表現(xiàn)為車(chē)西洼陷和套爾河洼陷的深部位高壓,以及大王北和郭局子洼陷邊界的常壓.沙三段實(shí)測(cè)壓力平面展布特征顯示在套兒河一車(chē)西洼陷形成超壓中心,超壓呈環(huán)帶狀向外遞減(見(jiàn)圖3(a));沙四段實(shí)測(cè)壓力顯示在套兒河洼陷形成超壓中心,超壓帶向周邊逐漸遞減(見(jiàn)圖3(b)).大王北和郭局子洼陷沙三段和沙四段超壓現(xiàn)象不發(fā)育.

圖2　車(chē)鎮(zhèn)凹陷實(shí)測(cè)地層流體壓力、壓力因數(shù)和地溫?cái)?shù)據(jù)Fig.2 Measured fluid pressure,pressure coefficient and ground temperature data of Chezhen sag

圖3　車(chē)鎮(zhèn)凹陷實(shí)測(cè)壓力因數(shù)等值線平面分布特征Fig.3 Measured pressure coefficient contour plane distribution in Chezhen sag

3　地層超壓成因

車(chē)鎮(zhèn)凹陷的超壓成因一直缺乏較充分的探討.分別從超壓層段泥巖超壓測(cè)井曲線響應(yīng)特征、烴源巖生烴演化模擬和鏡下包裹體測(cè)溫等方面,結(jié)合PVT包裹體古壓力恢復(fù)結(jié)果,綜合分析車(chē)鎮(zhèn)凹陷地層流體超壓主要成因.

3.1泥巖超壓測(cè)井曲線響應(yīng)特征

試油測(cè)試只能獲取滲透性地層壓力,數(shù)據(jù)點(diǎn)有限,無(wú)法得到非滲透性地層壓力數(shù)據(jù).相鄰的滲透性地層壓力和非滲透性地層壓力是處于平衡狀態(tài)的,滲透性地層壓力近似等于相鄰的非滲透性地層壓力[18-20].根據(jù)測(cè)井與地層的響應(yīng)關(guān)系,結(jié)合測(cè)試壓力綜合分析流體壓力特征.分別分析車(chē)鎮(zhèn)凹陷3口典型的超壓井(車(chē)66井、車(chē)251井和車(chē)662井)(見(jiàn)圖4-6).分別顯示不同層段的巖性特征、層位和聲波時(shí)差,與正常擬合趨勢(shì)線、密度測(cè)井、泥漿換算壓力與實(shí)測(cè)壓力的關(guān)系.根據(jù)鉆井泥漿密度隨深度變化和測(cè)試壓力數(shù)據(jù),分析地層的壓力狀態(tài),擬合聲波時(shí)差正常壓實(shí)趨勢(shì)線,對(duì)比超壓部位的測(cè)井響應(yīng)特征.

圖4　車(chē)鎮(zhèn)凹陷套爾河洼陷車(chē)66井測(cè)井響應(yīng)特征Fig.4 Logging response characteristics of well Che66 in Chezhen sag

圖5　車(chē)鎮(zhèn)凹陷車(chē)西洼陷車(chē)251井測(cè)井響應(yīng)特征Fig.5 Logging response characteristics of well Che251 in Chezhen sag,Chexi sag

圖6　車(chē)鎮(zhèn)凹陷套爾河洼陷車(chē)662井測(cè)井響應(yīng)特征Fig.6 Logging response characteristics of well Che662 in Chezhen sag,Taoerhe sag

車(chē)66井、車(chē)251井和車(chē)662井在淺層常壓部位時(shí),聲波時(shí)差表現(xiàn)正常的變化趨勢(shì).在3 350 m深度以下,車(chē)66井聲波時(shí)差逐漸偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線,與超壓層段具有良好響應(yīng)關(guān)系,縱向上表現(xiàn)為單超壓系統(tǒng),超壓頂界面在3 350 m深度左右(見(jiàn)圖4).從2 700 m深度開(kāi)始,車(chē)251井聲波時(shí)差逐漸偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線,表現(xiàn)為單超壓系統(tǒng),超壓頂界面位于2 700 m深度左右,其中在2 550～2 700 m深度范圍內(nèi),密度測(cè)井曲線出現(xiàn)密度降低,結(jié)合測(cè)井井徑資料分析,主要是受擴(kuò)徑作用的影響(見(jiàn)圖5).在3 000 m深度時(shí),車(chē)662井聲波時(shí)差逐漸偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線,表現(xiàn)為單超壓系統(tǒng),超壓頂界面位于3 000 m深度左右(見(jiàn)圖6).

車(chē)鎮(zhèn)凹陷鉆井泥漿密度換算壓力因數(shù)和測(cè)試壓力數(shù)據(jù)揭示,車(chē)66井、車(chē)251井和車(chē)662井超壓較發(fā)育,測(cè)井聲波時(shí)差在超壓層段具有高的時(shí)差值.密度測(cè)井曲線顯示巖石密度隨埋藏深度有規(guī)律增加,沒(méi)有出現(xiàn)異常低密度的特征,密度測(cè)井曲線對(duì)超壓沒(méi)有明顯的響應(yīng)關(guān)系.測(cè)井聲波速度降低可能是由高孔隙度造成的,也可能是由封閉體系生烴增壓后,孔隙異常流體壓力引起巖石骨架顆粒間有效應(yīng)力減小、聲波傳播速度降低造成的[14].超壓層段泥巖密度未出現(xiàn)異常低密度現(xiàn)象,說(shuō)明沙三段和沙四段泥巖超壓可能是由非壓實(shí)不平衡引起的,也可能是由生烴增壓引起泥巖骨架顆粒間有效應(yīng)力減小、超壓層段表現(xiàn)為高聲波時(shí)差異常導(dǎo)致的.

3.2烴源巖生烴演化模擬

車(chē)鎮(zhèn)凹陷烴源巖主要分布于沙三段的中、下亞段和沙四段的上亞段.應(yīng)用盆地模擬技術(shù),模擬車(chē)鎮(zhèn)凹陷的多口典型超壓?jiǎn)尉鸁N史,選取套爾河洼陷的車(chē)660井進(jìn)行分析(見(jiàn)表1和圖7-8).

表1　車(chē)660井烴源巖生烴評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Hydrocarbon source rock evaluation of well Che660

圖8　套爾河洼陷車(chē)660井剩余壓力演化史Fig.8 Excess pressure evolution history of well Che660 in Taoerhe sag

將車(chē)660井的主要烴源巖層劃分為沙四段上亞段、沙三段下亞段和沙三段中亞段.由表1和圖7可知,沙四段上亞段的烴源巖在生烴高峰期生油速率為87～116 mg·g-1·Ma-1,烴類(lèi)轉(zhuǎn)化率接近100%(見(jiàn)圖7(c));沙三段下亞段的烴源巖在生烴高峰期的生油速率為43～69 mg·g-1·Ma-1,烴類(lèi)轉(zhuǎn)化率為28%～80%(見(jiàn)圖7(b));沙四段上亞段和沙三段下亞段烴源巖生成的大量烴類(lèi)流體是研究區(qū)的主要供烴來(lái)源.沙三段中亞段的烴源巖在生烴高峰期生油速率為10～23 mg·g-1·Ma-1,烴類(lèi)轉(zhuǎn)化率為9%～22% (見(jiàn)圖7(a));烴源巖在熱演化過(guò)程中生成的烴類(lèi)流體有限,是研究區(qū)次要供烴來(lái)源.

分析車(chē)鎮(zhèn)凹陷主要層段烴源巖地球化學(xué)特征,沙四段上亞段烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.00%～8.00%,氯仿瀝青“A“質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%～1.38%,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ型,屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖;沙三段下亞段烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.15%～5.30%,氯仿瀝青“A“質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13%～0.83%,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ型,屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖;沙三段中亞段烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.97%～4.54%,氯仿瀝青“A“質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%～0.95%,有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅰ、Ⅱ1型,以Ⅰ型為主.車(chē)660井烴源巖層的生烴史和現(xiàn)今超壓主要分布于沙三段和沙四段,說(shuō)明存在兩期生排烴期,第二期(5～0 Ma)是該地區(qū)烴源巖的主要生排烴時(shí)期,烴源巖熱演化生成大量烴類(lèi)流體.地層剩余壓力存在兩期壓力過(guò)剩,地層超壓時(shí)期和大量生排烴期具有較好的響應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖8):第一期剩余壓力與古埋深的關(guān)系顯示壓力因數(shù)小于1.1的弱超壓;第二期剩余壓力與對(duì)應(yīng)古埋深的關(guān)系顯示壓力因數(shù)超過(guò)1.2.第二期(5～0 Ma)地層沉積埋藏速率并未出現(xiàn)明顯變化,烴源巖大量的生排烴活動(dòng)時(shí)期和地層超壓演化時(shí)間的匹配關(guān)系表明,生烴作用對(duì)地層流體增壓起重要作用.

3.3包裹體熱動(dòng)力學(xué)模擬

熱動(dòng)力學(xué)模擬采用PVT模擬軟件一一一VTFLINC、共生鹽水包裹體均一溫度與烴類(lèi)流體包裹體等容線交匯法,確定流體包裹體模擬最小捕獲壓力,作為包裹體充注時(shí)的最小捕獲壓力[26-29].對(duì)車(chē)鎮(zhèn)凹陷車(chē)251井、車(chē)252井、車(chē)254井和車(chē)25井樣品進(jìn)行包裹體測(cè)溫分析和熱動(dòng)力學(xué)模擬,結(jié)合同期共生鹽水包裹體的均一溫度與埋藏史、古地溫的投影作圖,確定油氣充注時(shí)間和充注的古深度(見(jiàn)圖9).由圖9可知,車(chē)鎮(zhèn)凹陷的沙三段和沙四段在地質(zhì)歷史時(shí)期共有兩期油氣充注進(jìn)入儲(chǔ)層,根據(jù)均一溫度與古地溫的交點(diǎn),第一期的油氣充注距今30～22 Ma,處于東營(yíng)組的沉積末期階段;第二期的油氣充注距今5～0 Ma,處于明化鎮(zhèn)組沉積末期階段.

通過(guò)鏡下油包裹體和共生鹽水包裹體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析,根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果得出最小捕獲壓力;根據(jù)均一溫度投影圖,得出古深度數(shù)據(jù)油氣充注時(shí)壓力因數(shù)的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表2).第一期烴類(lèi)流體進(jìn)入儲(chǔ)層主要壓力因數(shù)在1.05～1.09之間,呈現(xiàn)微弱的超壓狀態(tài),基本處于常壓水平;第二期烴類(lèi)進(jìn)入儲(chǔ)層壓力因數(shù)大于1.22,呈現(xiàn)明顯的超壓流體充注.車(chē)鎮(zhèn)凹陷的第二期油氣充注為研究區(qū)主要油氣充注期次,是影響現(xiàn)今油氣分布的主要充注期次.分析流體充注進(jìn)入儲(chǔ)層的古壓力及壓力因數(shù),結(jié)合烴源巖生烴演化史,可以看出在主生排烴期,大量流體以超壓狀態(tài)充注進(jìn)入儲(chǔ)層,影響儲(chǔ)層壓力布局.

圖9　車(chē)鎮(zhèn)凹陷熱動(dòng)力學(xué)模擬與沉積埋藏史Fig.9 The thermal dynamic simulation and sedimentary burial history of Chezhen sag

4　結(jié)論

(1)車(chē)鎮(zhèn)凹陷始新統(tǒng)沙四段至沙三段發(fā)育異常高壓,主要分布于車(chē)西洼陷和套爾河洼陷的中心部位,壓力因數(shù)從洼陷中心向邊緣逐漸遞減;超壓壓力因數(shù)在1.20～1.78之間,縱向上超壓主要發(fā)育在2 100～4 200 m深度之間.

(2)聲波測(cè)井曲線和超壓層段具有較好的響應(yīng)關(guān)系,在超壓層段,聲波時(shí)差曲線明顯偏離正常壓實(shí)趨勢(shì)線,顯示高的聲波時(shí)差值,密度測(cè)井曲線顯示正常的壓實(shí)規(guī)律,泥巖密度未出現(xiàn)異常低密度現(xiàn)象,沙三段和沙四段泥巖超壓是由非壓實(shí)不平衡引起的,也可能是由生烴增壓引起泥巖骨架顆粒間有效應(yīng)力減小,超壓層段表現(xiàn)為高聲波時(shí)差異常導(dǎo)致的.

(3)距今5～0 Ma是車(chē)鎮(zhèn)凹陷烴源巖的主要生排烴時(shí)期,地層超壓時(shí)期和大量生排烴期具有較好的響應(yīng)關(guān)系,烴源巖生排烴活動(dòng)時(shí)期和地層超壓演化時(shí)間的匹配關(guān)系表明,生烴作用對(duì)地層流體增壓起重要作用.在主生排烴期,大量流體以超壓狀態(tài)充注進(jìn)入儲(chǔ)層,影響儲(chǔ)層壓力布局.生烴增壓是車(chē)鎮(zhèn)凹陷地層流體超壓的主要形成機(jī)制.

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TE122.23

A

2095-4107(2015)05-0032-09

2014-07-14;編輯:劉麗麗

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05006-002)

金秋月(1988-),男,碩士,助理工程師,主要從事石油地質(zhì)和地化成藏方面的研究.