宋 鈺，張 莉，羅丁文，楊 爍，郝 芳，鄒華耀

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3.中國石油大學(xué)(華東)，山東 東營 257061)

超壓在全球沉積盆地廣泛分布[1-2]，超壓的發(fā)育主要與不均衡壓實、生烴作用、水熱增壓、黏土礦物脫水和構(gòu)造擠壓等有關(guān)[3-4]，其中壓實不均衡和生烴作用是產(chǎn)生大規(guī)模超壓的主要機(jī)制[3]。根據(jù)HUNT及郝芳的研究成果，地層壓力的保存與封閉層的發(fā)育密切相關(guān)[5-6]，以準(zhǔn)噶爾盆地為例，中部地區(qū)侏羅系封閉層因儲層致密化作用，具有很強的封閉能力，超壓得到了保存[7]。

根據(jù)超壓的發(fā)育機(jī)制及超壓系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化等，可將超壓系統(tǒng)分為動態(tài)型超壓系統(tǒng)和封隔型超壓系統(tǒng)[3-4]。動態(tài)型超壓系統(tǒng)超壓帶內(nèi)側(cè)向分隔性較弱，壓實不均衡是超壓發(fā)育的主要原因。封隔型超壓系統(tǒng)超壓帶內(nèi)分隔性明顯，內(nèi)部發(fā)育多尺度、多層次的封閉層，生烴作用和致密封閉層是超壓發(fā)育和保存的主要原因[8]。BRADLEY等最早使用“流體封存箱”術(shù)語，將超壓系統(tǒng)劃分為異常高壓、常壓和異常低壓封存箱[9]。前人研究中提出了封隔型超壓系統(tǒng)的概念模型[10]，但少見實際地質(zhì)剖面壓力結(jié)構(gòu)研究的報道。本文基于大量實測壓力數(shù)據(jù)，對四川盆地元壩—通南巴地區(qū)須家河組封隔型超壓系統(tǒng)進(jìn)行了刻畫，直觀地展示封隔型超壓系統(tǒng)的壓力結(jié)構(gòu)特征及其影響因素。

四川盆地須家河組普遍發(fā)育超壓，前人對超壓發(fā)育機(jī)制進(jìn)行了深入研究，儲層致密化與生烴增壓和構(gòu)造擠壓是超壓發(fā)育的主要原因[11-14]。應(yīng)用有限的實測壓力數(shù)據(jù)描述了須家河組超壓的發(fā)育趨勢，例如，川中—川南地區(qū)地層壓力平面上由北西向南東逐漸降低，縱向上由上至下呈常壓、超壓、強超壓三段式分布[15]；川西地區(qū)同一構(gòu)造帶上不同氣藏或者同一氣藏內(nèi)不同部位的超壓分布均有差異，川西南部發(fā)育常壓、超壓兩段式壓力結(jié)構(gòu)，北部則發(fā)育常壓、超壓和強超壓三段式壓力結(jié)構(gòu)[16]。本文基于研究區(qū)豐富的地質(zhì)、地球化學(xué)與實測壓力資料，選取研究區(qū)東西方向的2條剖面，闡述了封隔型超壓系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，分析了超壓發(fā)育分布的影響因素。

地層壓力發(fā)育演化與超壓系統(tǒng)壓力結(jié)構(gòu)研究對于油氣運移與聚集機(jī)理闡釋具有重要意義，研究區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育分布與生烴演化、砂巖儲層致密化與分布特征以及構(gòu)造演化與超壓發(fā)育分布有密切的成因聯(lián)系，天然氣富集也顯示出一定對應(yīng)關(guān)系，因此，超壓系統(tǒng)可以反映油氣成藏過程與富集規(guī)律。

1 地質(zhì)背景

元壩—通南巴地區(qū)位于四川盆地東北部，北鄰米倉山—大巴山前陸沖斷帶，西為龍門山前陸沖斷帶(圖1)。研究區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組主要為辮狀河三角洲—湖泊相沉積，地層厚度數(shù)百米至近千米，自下而上劃分為須一段至須五段(T3x1—T3x5)。其中，須一段、須三段和須五段以泥巖為主，為濱淺湖相沉積；須二段和須四段以砂礫巖為主(圖2)。

須家河組暗色泥巖的有機(jī)質(zhì)豐度普遍較高，528個樣品數(shù)據(jù)表明，有機(jī)碳含量在0.1%～14.0%之間，約96%的樣品高于0.5%，72%的樣品高于1.0%，10%的樣品高于5.0%，平均值達(dá)2.43%，此外，須三、須五段還發(fā)育煤線，煤巖TOC平均值達(dá)64.7%，具有較高的生氣能力。其中，須三、五段為主力生氣層段，泥巖的TOC平均值分別為3.43%和2.15%；須二中亞段在研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)育一套泥巖隔層，TOC平均值為2.11%(圖2)。

圖1 四川盆地元壩—通南巴地區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖2 四川盆地元壩—通南巴地區(qū)YB5井須家河組沉積地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column and organic carbon content of Xujiahe Formation in well YB5,Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

2 超壓系統(tǒng)發(fā)育分布特征

2.1 實測壓力分布特征

元壩—通南巴地區(qū)研究區(qū)33口鉆井須家河組的43個實測地層壓力數(shù)據(jù)表明，從2 800 m至5 000 m深度段發(fā)育不同程度的超壓，地層壓力介于34.04～101.44 MPa之間，壓力系數(shù)普遍超過1.73，最高達(dá)2.37，屬于超壓—強超壓系統(tǒng)[3]。

垂向上，壓力分布具有3個特征(圖3)：(1)同一層段內(nèi)地層壓力變化很大，其中須四段表現(xiàn)明顯，從弱超壓到強超壓均有分布；(2)同一深度地層壓力變化也很大，在埋深4 000～5 000 m表現(xiàn)明顯，從弱超壓到強超壓均有分布；(3)即使同一深度、同一層位，地層壓力也有一定的變化，如埋深約4 500 m的須四段，壓力從弱超壓到強超壓均有分布。

2.2 封隔型超壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征

選取元壩—通南巴地區(qū)研究區(qū)東西方向的2條過井剖面，充分利用鉆井壓力測試數(shù)據(jù)，表征了須家河組封隔型超壓系統(tǒng)的壓力結(jié)構(gòu)特征(圖4，5)。

研究區(qū)西部與中部，即元壩地區(qū)壓力系數(shù)較高，在1.42～2.23之間，屬于超壓—強超壓，大部分井壓力系數(shù)在1.75以上。其中，元壩西部地區(qū)壓力分布均勻；元壩東部地區(qū)壓力系數(shù)以YB171井為最高(圖5)；研究區(qū)東北部，即通南巴地區(qū)壓力系數(shù)較低，在1.13～1.58之間，屬于弱超壓—超壓，從馬路背地區(qū)向河壩場地區(qū)迅速降低(圖4)。

研究區(qū)主力烴源巖須三、五段的區(qū)域性泥巖將須家河組超壓系統(tǒng)分為須二段和須四段2個規(guī)模較大的壓力系統(tǒng)。主力烴源巖層須三段、五段內(nèi)部砂巖超壓程度最高，YB2井須三段的壓力系數(shù)達(dá)到2.37(圖5)；YB5與YL1井須四段壓力系數(shù)達(dá)到2.0(圖4)。須二、四段砂礫巖垂向與側(cè)向壓力系數(shù)呈現(xiàn)較大變化，反映砂礫巖儲層內(nèi)部具有較強的封隔性，須二段中部“腰帶子”烴源巖下部與上部砂巖儲層壓力存在較大差異，腰帶子上部與下部砂巖體內(nèi)部側(cè)向上壓力也呈現(xiàn)明顯的變化(圖4,5)。

圖3 四川盆地元壩—通南巴地區(qū)實測地層壓力、壓力系數(shù)與深度關(guān)系Fig.3 Measured pore pressure and pressure coefficients vs.depth in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖4 四川盆地元壩—通南巴實測壓力剖面Fig.4 Cross section of measured pressure in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖5 四川盆地元壩—巴中實測壓力剖面Fig.5 Cross section of measured pressure in Yuanba-Bazhong area,Sichuan Basin

3 封隔型超壓系統(tǒng)壓力結(jié)構(gòu)影響因素

前已述及，封隔型超壓系統(tǒng)屬于晚期超壓成因，烴源巖主生氣期對應(yīng)的中成巖階段砂礫巖儲層已經(jīng)致密化，天然氣的充注是超壓形成的主要機(jī)制。研究區(qū)須家河組封隔型超壓體系壓力結(jié)構(gòu)主要影響因素包括：(1)烴源巖的生氣強度，即增壓機(jī)制；(2)致密砂礫巖儲層的巖性、物性與發(fā)育分布；(3)構(gòu)造演化(構(gòu)造擠壓、抬升剝蝕與斷裂活動)的增壓與泄壓作用。

3.1 烴源巖生氣強度

研究區(qū)須家河組泥質(zhì)烴源巖主要發(fā)育于須三、須五段，其次是須二段，暗色泥巖占地層總厚度的50%以上，大部分都達(dá)到好的烴源巖標(biāo)準(zhǔn)；煤層烴源巖主要發(fā)育于須五段，其次為須二、須三段。本文根據(jù)烴源巖地球化學(xué)特征，利用有機(jī)碳法計算了須二段與須三段烴源巖的總體生氣強度。

圖6展示了須二段與須三段烴源巖的生氣強度，元壩西部地區(qū)生氣強度范圍為(10～32)×108m3/km2，中部與東部為(4～8)×108m3/km2，通南巴地區(qū)東北部為(4～12)×108m3/km2，按照致密砂巖大中型氣藏形成的生氣強度，即達(dá)到10×108m3/km2的生氣強度的標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)須二段與須三段烴源巖具備較高的生烴強度，尤其是在元壩西部地區(qū)，可以為須二段、須三段與須四段致密砂巖提供較強的天然氣充注強度，形成超壓致密砂巖氣系統(tǒng)。

超壓的發(fā)育強度與生氣強度成正比。垂向上，主力烴源巖須三段內(nèi)致密砂巖超壓最強，高于其上、下的須四段與須二段，YB2井須三段壓力系數(shù)達(dá)到2.37(圖5)；橫向上，元壩地區(qū)西部須二段與須三段砂巖的超壓比巴中和通南巴地區(qū)的強。一方面反映了天然氣充注是超壓發(fā)育的主要動力機(jī)制，另一方面反映了致密砂巖內(nèi)部連通性差，天然氣難以運移，形成了封隔型的超壓系統(tǒng)。

3.2 致密砂巖儲層的巖性、物性與分布

研究區(qū)砂巖類型主要為巖屑砂巖和長石巖屑砂巖，還含有少量巖屑石英砂巖、石英砂巖和鈣屑砂巖。成巖作用類型主要以壓實—壓溶作用、方解石膠結(jié)—交代作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用和綠泥石膜膠結(jié)作用為主。綜合考慮各類砂巖的成巖組合特征、物性特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征，可將研究區(qū)砂巖劃分成4種類型，分別為強壓實砂巖、強鈣質(zhì)膠結(jié)—交代砂巖、強硅質(zhì)膠結(jié)砂巖和綠泥石膜膠結(jié)砂巖[17]，前3種類型的巖石對研究區(qū)超壓的保存有關(guān)鍵作用。

強壓實砂巖主要包括巖屑砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑石英砂巖，是研究區(qū)分布最廣泛的砂巖。成巖作用以壓實—壓溶作用為主，常見千枚巖、泥巖等塑性巖屑強烈變形呈假雜基狀，云母壓彎變形甚至發(fā)生斷裂(圖7a，b)，石英等剛性顆粒普遍呈線—凹凸接觸(圖7a)，甚至縫合線接觸。該類砂巖通常致密無孔，偶爾可見孤立粒內(nèi)溶孔和黏土礦物晶間微孔，物性極差，孔隙度小于5%(圖8a)，滲透率主要分布在(0.01～0.05)×10-3μm2之間(圖8b)，屬于致密砂巖。

強鈣質(zhì)膠結(jié)—交代砂巖主要包括富鈣屑的巖屑砂巖、鈣屑砂巖和長石巖屑砂巖，是研究區(qū)最為致密的砂巖類型之一。成巖作用以強烈的方解石膠結(jié)—交代作用為主，普遍發(fā)育亮晶方解石膠結(jié)物充填砂巖孔隙(圖7c，d)，并交代長石、云屑等。該類砂巖中壓實作用相對較弱，顆粒普遍呈點—線接觸。該類砂巖孔隙度通常小于2%(圖8c)，滲透率基本上小于0.05×10-3μm2(圖8d)，屬于“超”致密砂巖，在須家河組層系中起著封隔層的作用。須三段砂巖主要由鈣屑砂巖組成，須二段與須四段該類砂巖主要由富鈣屑的巖屑砂巖和長石巖屑砂巖組成，約占地層總厚度的10%。

圖6 四川盆地元壩—通南巴須二段與須三段烴源巖總體生氣強度Fig.6 Distribution of gas generation intensity of T3x2 and T3x3 source rocks in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖7 四川盆地元壩—通南巴地區(qū)須家河組砂巖成巖作用特征a.元壩16井，4 624.6 m，須四下亞段，粗—中粒巖屑砂巖，正交光，×50，石英顆粒線—凹凸接觸，云母、泥巖巖屑壓彎變形(紅色箭頭指示凹凸接觸)；b.元壩6井，4 524.8 m，須二下亞段，中—細(xì)粒巖屑砂巖，單偏光，×100，泥巖巖屑壓實變形；c.元壩16井，4 631.58 m，須四下亞段，細(xì)粒長石巖屑砂巖，正交光，×100，連晶方解石膠結(jié)；d.元陸28井，4 768.67 m，須四上亞段，細(xì)—中粒長石巖屑砂巖，單偏光，×100，連晶方解石膠結(jié)；e.元壩271井，4 308.83 m，須二上亞段，中—細(xì)粒石英砂巖，正交光，×100，石英加大；f.元陸6井，4 464.8 m，須二下亞段，中粒長石巖屑砂巖，單偏光，×100，硅質(zhì)充填殘余孔隙Fig.7 Diagenetic characteristics of Xujiahe Formation sandstones in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖8 四川盆地元壩—通南巴地區(qū)須家河組4類砂巖孔隙度與滲透率統(tǒng)計直方圖Fig.8 Histogram showing porosity and permeability of four sandstone types of Xujiahe Formation in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

強硅質(zhì)膠結(jié)砂巖主要包括石英砂巖和巖屑石英砂巖，是研究區(qū)另一類“超”致密砂巖。成巖作用以硅質(zhì)膠結(jié)作用為主，常以石英加大邊的形式出現(xiàn)，通常加大級別可達(dá)Ⅱ級，偶爾可見Ⅲ級加大(圖7e)?？紫抖绕毡樾∮?%(圖8e)，滲透率基本小于0.05×10-3μm2(圖8f)，主要發(fā)育在研究區(qū)須二段砂巖中，厚度較薄，通常不超過2 m，但致密化程度極高，同樣起著封閉層的作用。

在同一套砂體內(nèi)部，封閉層發(fā)育情況與砂層超壓強弱有良好的正相關(guān)關(guān)系。圖4中元壩地區(qū)鈣屑砂巖由西向東逐漸減少，壓力系數(shù)也隨之呈降低趨勢，在橫向上顯示出差異性；通南巴地區(qū)馬101井須二段局部發(fā)育石英砂巖，此處超壓程度明顯高于石英砂巖不發(fā)育的相鄰地區(qū)，馬101處實測壓力系數(shù)為1.60，屬于超壓，相鄰的馬1井和馬2井實測壓力系數(shù)分別為1.10和1.17，均屬于弱超壓。圖5中元壩11井須二段同樣發(fā)育石英砂巖，壓力系數(shù)高達(dá)1.92，高于上覆和下伏的2套砂巖；元壩2井須三段局部發(fā)育鈣屑砂巖，壓力系數(shù)高達(dá)2.37，明顯高于相鄰地區(qū)。

上述分析表明，強壓實砂巖是該區(qū)須家河組最普遍的巖石類型，形成了全區(qū)致密砂巖系統(tǒng)；多層強鈣質(zhì)或強硅質(zhì)膠結(jié)超致密層又將砂巖封隔成了多尺度、多層次的致密砂巖封隔箱。封隔箱中的流體(主要為天然氣)難以發(fā)生運移，形成彼此獨立的壓力封隔體系。受砂巖整體致密與超致密封閉層的影響，須家河組砂巖整體超壓，除東部通南巴地區(qū)由于斷裂泄壓作用處于弱超壓—超壓外，其他地區(qū)均處于強超壓，壓力系數(shù)大于1.73；而且不同砂巖層以及同一層段砂巖的不同部位都表現(xiàn)出明顯的壓力封隔性(圖4，5)。

3.3 構(gòu)造擠壓、抬升剝蝕與斷裂活動

研究區(qū)須家河組無論試氣層段為氣層還是干層，均有不同程度的超壓。如元壩11井4 755～4 765 m層段試氣結(jié)果為干層，但壓力系數(shù)達(dá)1.92。因此，前述生烴增壓外，構(gòu)造擠壓也是重要的增壓機(jī)制。晚侏羅世至今，受中晚期燕山運動和喜馬拉雅構(gòu)造運動的影響，研究區(qū)構(gòu)造擠壓增壓在超壓的形成中具有重要貢獻(xiàn)[18]。

另一方面，由于通南巴地區(qū)更靠近大巴山推覆帶和米倉山隆起，受抬升剝蝕與斷裂的影響，泄壓作用遠(yuǎn)大于元壩地區(qū)[18-19]。在元壩—通南巴剖面(圖4)中，母家梁密集斷層使得壓力釋放，成為區(qū)域上壓力較低的區(qū)域；而元壩地區(qū)構(gòu)造活動相對較弱，仍保持較高的壓力。前人基于實例研究和理論計算表明，地層抬升剝蝕導(dǎo)致的溫度降低和孔隙回彈造成了地層流體壓力降低[20-22]。四川盆地自喜馬拉雅期以來發(fā)生了較大局部構(gòu)造抬升與剝蝕[23]，通南巴地區(qū)和元壩地區(qū)的剝蝕厚度分別為3 000 m左右和1 500 m左右[18]，通南巴地區(qū)的地層抬升和降溫幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于元壩地區(qū)，超壓強度明顯減弱。

4 結(jié)論

(1)四川盆地北部元壩—通南巴地區(qū)須家河組二段、三段與四段發(fā)育優(yōu)質(zhì)氣源巖，具有較高的生氣強度，具備形成超壓致密砂巖氣系統(tǒng)的生氣強度或充注強度；須家河組砂巖主要由強壓實致密砂巖組成，構(gòu)成了整體致密的砂巖層系，致密砂巖層系內(nèi)部普遍發(fā)育超致密的強鈣質(zhì)膠結(jié)—交代砂巖與強硅質(zhì)交代砂巖層段，與泥質(zhì)巖共同形成了多尺度、多層次的封隔層，由此構(gòu)成了須家河組封隔型超壓系統(tǒng)。

(2)須家河組致密砂巖封隔型超壓系統(tǒng)的壓力結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為，各砂巖層段以及同一砂巖層段縱橫向上壓力系統(tǒng)彼此封隔不連通，呈現(xiàn)了多尺度、多層次的封隔型超壓系統(tǒng)的特征。

(3)超壓系統(tǒng)的影響因素主要包括：烴源巖的生烴強度、致密砂巖的巖性、物性及其空間發(fā)育分布以及構(gòu)造擠壓、抬升剝蝕與斷裂活動。