高郵凹陷北斜坡阜寧組異常壓力成因機制研究

吳 峰，錢詩友，鄭元財

(中國石化江蘇油田分公司勘探開發研究院，江蘇 揚州 225009)

蘇北盆地高郵凹陷北部斜坡帶(簡稱北斜坡)油氣資源豐富。近年來隨著勘探逐漸深入，斜坡帶和深凹內多口探井在阜寧組鉆遇了異常高壓。據國內外成熟探區的勘探經驗，異常高壓與油氣藏關系密切，對于油氣運移、儲層改善、蓋層保存、油藏分布等方面均具有一定的控制作用[1]。本文以高郵凹陷北斜坡阜寧組地層壓力為研究對象，探討阜寧組異常高壓的成因機制，對阜寧組油氣成藏動力及富集規律的研究具有重要的意義。

1 研究區概況

高郵凹陷為南斷北超的箕狀凹陷，斜坡帶位于凹陷北部。北斜坡被一系列NE和近EW斷層切割而形成眾多斷鼻或斷塊，并已發現多個含油構造(圖1)。研究區阜寧組自下而上發育阜一段(E1f1)、阜二段(E1f2)、阜三段(E1f3)和阜四段(E1f4)四套地層：阜一段為三角洲前緣亞相沉積，頂部為灰色泥巖與粉砂巖互層，中下部為棕色泥巖與灰色粉砂巖互層；阜二段為半深湖-深湖亞相沉積，巖性為深灰-黑色泥巖、泥灰巖；阜三段為三角洲前緣亞相沉積，巖性為灰色泥巖與粉砂巖互層；阜四段為大套半深湖-深湖亞相的深灰色泥巖、泥灰巖。阜三段和阜一段發育三角洲沉積的砂泥互層，為主要富油層系，阜四段和阜二段為湖相泥巖沉積。

2 地層壓力特征

不同學者曾對超壓分類提出了多種方案[2-3]。

結合本區實際地層壓力特征，筆者采用壓力系數為0.9和1.2作為界限值，將地層壓力劃分為低壓(壓力系數小于0.9)、常壓(壓力系數為0.9～1.2)和超壓(壓力系數大于1.2)3種基本類型。

統計實測地層壓力數據結果：平面上，阜寧組異常高壓主要分布在北斜坡內坡以及深凹帶；縱向上，異常高壓主要發育在阜二段泥巖、阜三段底部砂巖儲集層和阜一段頂部砂巖儲層中。

研究區不同層系實測壓力數據與深度的關系圖可以看出(圖2)：阜寧組地層壓力以常壓為主，壓力系數為0.9～1.2。從深度約2 300 m開始，僅有少數異常高壓發育且幅度較小。相比于我國東部其他斷陷盆地發育的異常高壓，研究區阜寧組現今異常高壓值不是十分典型，發育幅度和范圍較小。

圖1 高郵凹陷北斜坡構造綱要(E1f2底地震反射界面即T33)

圖2 高郵凹陷阜寧組各層系實測壓力數據與深度的關系

3 異常高壓成因機制

高郵北斜坡阜寧組各亞段砂泥特征明顯，其中阜二段、阜四段為泥巖發育層段，而阜一段、阜三段為砂巖儲層發育層段。基于現今實測壓力特征以及解習農(2006)自源型和他源型異常高壓的認識[4]，本文針對泥巖和砂巖分別研究異常高壓的成因機制。

3.1 泥巖異常壓力成因機制

前人研究表明不均衡壓實、生烴作用、黏土礦物脫水是泥質巖層超壓的主要成因[3-4]。本文從各種成因作用的地質條件入手，結合實測數據共同分析。實測壓力數據顯示異常壓力主要分布在阜二段，因此以阜二段為主要研究對象。

3.1.1 不均衡壓實

正常壓實作用過程中，壓實與流體排出達到平衡，孔隙流體壓力保持靜水壓力；但在快速沉積過程中，流體的排出速度無法平衡孔隙容積的減少，滯留流體將承擔部分負荷壓力，從而流體壓力高于靜水壓力形成超壓。郝芳等(2005)指出：欠壓實引起的超壓主要發育于沉降/沉積速率較高、充填巖性較細的新生代沉積盆地[3]。

解習農(2006)構建了簡化地質模型，通過改變沉積速率分析異常壓力的變化，最終建立沉積速率與超壓幅度關系圖版(圖3)[4-5]。高郵凹陷北斜坡阜二段沉積速率為250 m/Ma左右，阜四段沉積速率為330 m/Ma左右。依據圖版得出：阜二段、阜四段地層壓力系數在1.00～1.15之間。然而，阜二段、阜四段實測地層壓力系數范圍為0.98～1.42，異常高壓地層的壓力系數為1.2～1.42。因此，不均衡壓實作用并不是阜二段、阜四段異常高壓的主要成因。

圖3 沉積速率與超壓幅度關系

Hunt等對美國灣岸(Gulf Coast)20口鉆井的泥頁巖密度、孔隙度資料進行了統計分析，發現在兩段式線性壓實狀態下，不均衡壓實形成的超壓段泥巖密度明顯低于正常壓實泥巖的密度，泥巖孔隙度則明顯較高(圖4a)[6]。

圖4 高郵凹陷HSX1-1井阜寧組異常高壓泥巖段密度和孔隙度特征對比

對比研究區HSX1-1井的實測壓力數據、密度及中子測井響應，發現阜寧組泥巖異常高壓段無明顯的密度降低和孔隙度增大特征(圖4b)。因此，欠壓實作用非研究區超壓成因。

3.1.2 生烴作用

近年來許多學者發現，超壓的分布與成熟源巖的分布密切相關。干酪根生烴過程實際上是一個有機質總體積增加的過程。Hunt等(1994)發現，一些壓實程度非常高的泥巖段地層發育較強超壓，認為生烴作用是超壓發育的主要機理[6]。北斜坡阜二段、阜四段也是烴源巖發育層段，本文運用地層壓力、烴源巖Ro、密度測井等多種數據，分析超壓與生烴作用的關系。

高郵凹陷北斜坡鹽城組(Ny)沉積前的古埋深大于現今埋深，因此扣除鹽城組和第四系地層厚度，擬合阜二段烴源巖Ro、壓力系數與深度關系(圖5)。烴源巖成熟門限Ro為0.65，對應門限深度為1 450 m(去掉鹽城組和第四系地層的厚度)。當深度大于1 450 m時，壓力也開始出現異常。因此，推斷異常壓力與生烴作用密切相關。

圖5 高郵凹陷阜二段烴源巖Ro-深度、壓力系數-深度關系(去Ny+Q地層厚度)

以HX28井為例，阜寧組泥巖異常高壓帶中無明顯的密度降低和孔隙度增大特征，與Hunt等建立的生烴超壓圖版特征相似(圖6)。進一步證實異常壓力與生烴作用相關。

圖6 高郵凹陷HX28井阜寧組異常高壓泥巖段密度和孔隙度特征對比

3.1.3 黏土礦物脫水

黏土礦物中含有大量的蒙脫石，當溫度達到門限時，蒙脫石將脫水而轉化為伊利石。如果這種排水在一個封閉的體系內，將形成異常高壓。但Magara(1993)認為黏土的脫水作用對沉積物中原始烴類的再分布起很大作用，但不一定是產生異常孔隙壓力的一種主要力量[7]。從異常壓力的多種成因綜合來看，黏土礦物脫水作用對異常高壓的形成可能主要起輔助作用。

蒙脫石向伊利石轉化的溫度一般在80～120 C°，與烴源巖成熟的地層溫度基本相當。烴源巖達到成熟門限時對應黏土礦物中蒙脫石向伊利石迅速轉化，同樣與阜二段出現超壓的深度界限一致(圖7)。因此推斷，黏土礦物脫水作用與超壓有一定關系。

圖7 高郵凹陷阜二段烴源巖Ro-深度、%S-深度關系(去Ny+Q)

綜上所述，生烴作用、黏土礦物脫水作用是高郵北斜坡阜二段、阜四段異常壓力的主要成因，其中黏土礦物脫水起輔助作用。

3.2 砂巖異常壓力成因機制

高郵凹陷北斜坡阜三段、阜一段發育砂巖儲層，是油氣富集的有利層系。解習農(2006)指出滲透性較好的儲層中超壓基本屬于它源型超壓作用。它源型超壓作用主要包括構造擠壓應力、流體傳導超壓等機制。構造擠壓應力超過巖石靜巖壓力的側向應力值時，巖石側向受到擠壓導致孔隙度降低。當孔隙空間處于封閉條件時，由于流體無法排除或排出受阻而形成異常高壓。這種機理引起的異常高壓主要出現于構造擠壓的地質環境中，而蘇北盆地屬于拉張型裂谷盆地，不存在大規模的構造擠壓作用[8]。然而，流體傳導超壓在中國東部松遼盆地、渤海灣盆地均是可見的，它是最常見于滲透性較好的地層和儲層中。因此，流體傳導超壓是高郵凹陷阜三段、阜一段砂巖儲層超壓的主要成因。

高郵北斜坡阜二段位于阜一段和阜三段中間，阜二段形成的超壓可以流體傳導在阜一段和阜三段中形成超壓。流體超壓傳導是通過烴源巖生產油氣的運移實現的，因此推斷流體超壓傳導存在兩種模式：一是阜二段超壓層產生的高壓流體(油氣)直接注入緊鄰的砂巖儲層中，導致砂巖孔隙流體壓力增大(圖8a)；二是阜二段超壓層產生的高壓流體通過斷裂輸導，注入斷裂兩側的砂巖儲層中形成超壓(圖8b)[9]。

圖8 高郵北斜坡流體超壓傳導模式

4 阜寧組異常高壓的演化過程

綜上所述，生烴作用、黏土礦物脫水是泥巖層異常壓力的成因，流體傳導超壓是砂巖儲層異常壓力的成因。結合本區構造演化的特征[10]，明確了北斜坡阜寧組超壓演化過程：主要包括常壓、生烴增壓、構造抬升泄壓、再次埋藏生烴等多個演化階段。高郵凹陷阜寧組早在戴南組沉積時期前已發育異常高壓，且其幅度大于現今，異常高壓形成后經歷了快速降壓和緩慢回升過程(圖9)。

圖9 高郵凹陷北斜坡阜二段地層壓力隨時間演化

①早期增壓過程：戴南組沉積末期阜二段烴源巖逐漸成熟，至三垛組沉積末期埋深達到最大，斜坡帶烴源巖大面積生烴，生烴增壓的強度也達到最大。此時，高郵凹陷深凹和斜坡大面積發育異常高壓，生烴增壓的同時伴隨著烴類流體的傳導，在阜一段、阜三段砂巖儲層中也會形成異常高壓。

②快速降壓過程：三垛運動時期，斷裂活動加強，伴隨著構造抬升，造成早期異常高壓的快速釋放，超壓快速減弱，阜寧組地層壓力大面積恢復到常壓。

③晚期回升過程：抬升剝蝕過后，晚期接受鹽城組沉積，地層壓力緩慢回升。當埋深大于古埋深時，黏土礦物脫水以及烴源巖再次生烴形成異常壓力，并再次隨著烴類流體的傳導在阜一段、阜三段砂巖儲層形成異常壓力。新形成的異常高壓遠小于地質歷史時期的異常高壓幅度。

5 結論

(1)高郵凹陷北斜坡阜寧組地層壓力以常壓為主，僅有局部地區現今存在異常高壓且幅度較小。異常高壓主要發育在阜二段泥巖、阜三段底部砂巖儲集層和阜一段頂部砂巖儲層中。

(2)生烴作用、黏土礦物脫水作用是高郵凹陷阜二段異常壓力的主要成因，其中黏土礦物脫水起輔助作用。流體傳導超壓是阜三段、阜一段砂巖儲層超壓的主要成因。

(3)高郵北斜坡阜寧組異常高壓的演化經歷了早期增壓、快速降壓和晚期回升3個過程。