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.非常規油氣湖北省協同創新中心，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，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。

川西地區的陸相地層自20 世紀中葉開始勘探以來，已經在上三疊統以及中、上侏羅統中發現了油氣田和含油氣構造20 余個。鉆探結果顯示，川西地區侏羅系—上三疊統普遍存在地層超壓（壓力系數為1.1～2.1），超壓中心位于川西北地區。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因川西地區發育良好的烴源巖，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展的階段性特征，即單一機制在不同時期獨立發揮增壓的功效，但對超壓發展的延變性特征（多種機制在地質歷史時期中交叉、疊置增壓）尚未做系統研究。筆者在系統梳理川西地區侏羅系—上三疊統地層超壓發育特征的基礎上，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須家河組（T3x1-5）、下侏羅統自流井組（J1z）、中侏羅統千佛巖組（J2q）和沙溪廟組（J2s）、上侏羅統的遂寧組（J3s）和蓬萊鎮組（J3p）以及出露地表的白堊系（K）和古近系（E）。現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油氣勘探的重點區域（圖1）。研究區的上三疊統須一段、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域性蓋層，勘探前景較好。

圖1 川西地區現今構造分布簡圖Ⅰ.川西北凹陷帶；Ⅱ.綿竹低凸起區；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，異常壓力的發育層位和幅度在各區域均有所不同。按其垂向分布形態，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的中壩構造、川西南凹陷區的平落壩構造、川西北凹陷區的老關廟構造和綿竹低凸起區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主要為鐘形低幅超壓（圖2）。這一地區的地層壓力異常低，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凹陷區（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），下侏羅統內剩余壓力激增至35～40 MPa，并延續至須四段產層內，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。

以綿竹低凸起區的新場構造為代表的川中地區的剩余壓力曲線是上述幾種曲線的綜合，形態較為復雜。蓬萊鎮組出現鐘形中、低幅超壓。遂寧組底部和下侏羅統出現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。

綜上所述，超壓在四川盆地的分布極不均衡。平面上，上三疊統的剩余壓力最大區域位于川西北地區（50 MPa），且波及到中部地區。越過中部的低凸起區后，剩余壓力向南快速降低，南部地區為中、低幅異常區（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，與上三疊統有所不同，中部低凸起區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。縱向上，剩余壓力整體上具有向下遞增的趨勢，上三疊統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育區被良好的蓋層分隔成2 個壓力系統，即上三疊統和侏羅系，彼此難以連通。隨著封閉體系的破碎，中部地區出現鐘形、階梯形和紡錘形壓力曲線形態，并呈現“節節升高”的結構，且階梯形結構中，壓力“階躍”幅度也減小，壓力系統界限逐漸模糊。南部地區的紡錘形壓力結構區，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；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。沉積超壓發生于地層連續沉積時期，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，恢復了川西地區埋藏熱演化史，并計算了上三疊統烴源巖不同時期的生排烴量，結果顯示川西地區上三疊統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，在此之后地層未發生大規模的沉降，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，可將川西地區的壓力發展階段劃分為沉積超壓發展階段（晚三疊世—始新世）和構造超壓發展階段（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 川西地區超壓控制因素及發展階段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，可以推斷該地區流體壓力同構造擠壓作用關系密切。將川西地區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，川西北地區位于高應力、高剩余壓力區域，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；川西南地區主要位于低應力、低剩余壓力區域，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。川西地區上三疊統完全具備產生欠壓實的地質條件:①川西地區屬龍門山前陸盆地沉積中心，上三疊統沉積厚度最大可達4 000 m；②上三疊統各段均發育厚層泥頁巖沉積，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，地層的抬升會導致氣藏壓力降低，川西地區在喜山期發生大幅抬升，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，川西地區上三疊統已普遍致密化［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現今殘余沉積型超壓的主要原因。

圖5 川西地區實測孔隙度、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］，特別是那些烴源發育的層位。川西地區主力烴源巖為以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烴，物質相態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得以保存，如川西地區的中、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明顯更薄，造成其較弱的欠壓實狀態，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，造成上三疊統壓力封閉體系頂板被破壞。因此，該地區僅在上三疊統內部形成了低幅度的異常壓力。

川西南凹陷區為三疊紀的沉積-沉降中心之一。快速的沉降-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模剝蝕不同，該地區在僅發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，造成現今蓬萊鎮組—須家河組的壓力發生漸進變化，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］。川西地區不同區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，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 的高產工業氣流。勘探實踐證實，川西地區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育（圖6）。在盆地邊緣低壓區也發育油氣藏，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向盆地邊緣低勢區運聚成藏［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、平落壩等地區侏羅系地層壓力系數為1.4，烴源巖層發育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育在垂向上的分布形態可分為4 種類型:鐘形、紡錘形、階梯形和復合型。平面上，上三疊統超壓中心主要分布于川西地區的中北部，侏羅系超壓中心則位于中部，超壓幅度向南北兩側遞減。

（2）川西地區的壓力發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—現今的構造超壓發展階段。現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。