李 斌,楊鵬程,蔣 彥,陳 現(xiàn),李 倩,李 喆
(1. 中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司,上海 201208;2. 中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,上海 200120)
異常高壓在全球的沉積盆地中廣泛存在,Hunt(1990)[1]統(tǒng)計(jì)顯示全球180個(gè)沉積盆地中有160個(gè)發(fā)育異常高壓。近30年來(lái),異常高壓的成因及與油氣成藏的關(guān)系一直是國(guó)內(nèi)外油氣地質(zhì)研究的熱點(diǎn)[2],期間取得的研究成果可概括為三個(gè)方面:一是由欠壓實(shí)為主的單一成因深化為欠壓實(shí)、流體膨脹、構(gòu)造擠壓及壓力傳遞等多成因;二是由間接的定性研究拓展到了鮑爾斯法[3]、密度-速度交會(huì)圖法等直接的實(shí)證方法;三是越來(lái)越多的關(guān)注到超壓與油氣分布及油氣成藏的關(guān)系,并提出了流體封存箱理論(hunt,1990)[1]、幕式成藏機(jī)理(hunt,1990;郝芳,2003)[1,4]、超壓對(duì)烴源巖熱演化以及成巖作用的影響機(jī)制[5-7]等。
前人對(duì)東海陸架盆地西湖凹陷的異常壓力形成機(jī)制及對(duì)油氣成藏的影響進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,楊彩虹(2013)[8]、張震(2014)[9]、徐志星(2015)[10]、仲曉(2018)[11]等對(duì)西湖凹陷不同構(gòu)造帶的超壓成因進(jìn)行了分析,認(rèn)為斜坡帶的超壓主要為欠壓實(shí)和生烴增壓成因,而構(gòu)造擠壓對(duì)中央背斜帶的超壓形成有較大貢獻(xiàn)。張國(guó)華(2013)[12]、劉金水(2015)[13]等初步分析了異常高壓對(duì)油氣分布及成藏的影響,基于超壓分布提出了四種耦合類(lèi)型,建立了“高壓控藏、塔式聚集”的油氣成藏模式。但這些研究并未涉及W構(gòu)造超壓封存箱的特征,且在異常高壓對(duì)油氣成藏的影響方面都不太深入,尤其是在對(duì)烴源巖演化及優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層發(fā)育的機(jī)理方面。本文利用鉆井、測(cè)井、測(cè)試及分析化驗(yàn)資料深入研究了W構(gòu)造異常壓力封存箱的分布以及異常高壓的成因,并明確了異常高壓對(duì)油氣成藏的具體影響。
W構(gòu)造位于西湖凹陷保俶斜坡的中北部,該構(gòu)造受古隆起的影響,發(fā)育一系列西傾的反向斷裂(F1、F2、F3),形成了多個(gè)反向斷塊,平面上可以分為中塊、北塊和南塊(圖1)。鉆井揭示平湖組是該區(qū)主要的目的層,也是區(qū)域上主要的烴源巖層。平湖組地層具有異常高壓發(fā)育的地質(zhì)背景,地層整體具有沉積厚度大(多大于2 000 m)、泥地比高(70%左右)、沉積速率快(150~300 m/Ma)[8]以及區(qū)域蓋層發(fā)育(海侵體系域厚層泥巖)的特點(diǎn),且分析化驗(yàn)資料揭示平湖組發(fā)育煤層、碳質(zhì)泥巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖(HI多大于200 mg/g·Toc),平湖組中下段(埋深大于4 000 m)已經(jīng)進(jìn)入排烴門(mén)限(Ro>0.7%),具備了欠壓實(shí)增壓和生烴增壓發(fā)育的地質(zhì)條件。

圖1 西湖凹陷W構(gòu)造位置及油氣層綜合柱狀圖Fig. 1 Structural location and comprehensive histogram of oil and gas layers of W structure in Xihu Sag
研究認(rèn)為[14]平湖組主要發(fā)育受潮汐影響的三角洲環(huán)境,平湖組沉積早期受古隆起的影響,具有斷槽控砂的機(jī)制,物源主要來(lái)自西南方向;平湖組沉積晚期地層填平補(bǔ)齊,具有斷坡控砂的機(jī)制,物源主要來(lái)自于西北方向。W構(gòu)造油氣富集程度較高,目前已有8口井,均已鉆遇油氣層,油氣在平湖組中上段和下段均能成藏。平下段主要發(fā)育砂巖上傾尖滅油氣藏,西南方向物源的砂體受坡折帶控制向上傾方向尖滅;平中上段主要發(fā)育斷層-巖性復(fù)合油氣藏,西北方向物源的砂體與NE-SW向斷層復(fù)合。其中,平下段的砂巖上傾尖滅油氣藏儲(chǔ)量規(guī)模較大,平面疊合連片,且普遍發(fā)育異常高壓,是該區(qū)最重要的油氣藏類(lèi)型。
關(guān)于異常壓力的劃分,前人提出了不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)[15-16],本文參考前人標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合西湖凹陷的異常壓力實(shí)際發(fā)育特征,將壓力系數(shù)在0.98~1.2劃分為常壓,壓力系數(shù)>1.2統(tǒng)稱(chēng)為異常高壓。
(1)儲(chǔ)層超壓
通過(guò)對(duì)W構(gòu)造6口井儲(chǔ)層的MDT及DST測(cè)壓資料統(tǒng)計(jì)(圖2),發(fā)現(xiàn)W構(gòu)造的地層壓力及壓力系數(shù)并非隨深度的增大而增大,而是在垂向上出現(xiàn)異常壓力封存箱,在封存箱之下具有明顯的壓力反轉(zhuǎn),地層壓力隨深度增大表現(xiàn)為常壓-超壓-常壓的變化特征。異常高壓開(kāi)始出現(xiàn)的深度約為3 800 m,但不同井有所差異;超壓封存箱內(nèi)的壓力系數(shù)主要分布在1.2~1.6之間。

圖2 西湖凹陷W構(gòu)造MDT實(shí)測(cè)壓力及壓力系數(shù)Fig. 2 MDT measured pressure and pressure coefficient of W structure in Xihu Sag
(2)泥巖超壓
由于泥巖無(wú)實(shí)際測(cè)壓值,需要借助地球物理資料進(jìn)行地層壓力的計(jì)算。泥巖地層壓力的預(yù)測(cè)方法可以概括為基于正常壓實(shí)趨勢(shì)的超壓預(yù)測(cè)方法和直接超壓計(jì)算方法[17],主要包括平衡深度法、Dc指數(shù)法、Bowers法、Eaton法、地震反演法等,其中Eaton法參數(shù)相對(duì)容易獲取,并且對(duì)欠壓實(shí)成因以及生烴成因的超壓均適用。
Eaton法[18]是以有效應(yīng)力方程為基礎(chǔ),利用泥巖聲波時(shí)差來(lái)進(jìn)行地層壓力的計(jì)算。地層孔隙壓力(Pp)計(jì)算公式如下:

式中:Pp為地層孔隙壓力,MPa;P0為上覆地層靜巖壓力,MPa;Ph為正常靜水壓力,MPa;Δtn為地震波在正常的泥巖中旅行時(shí)間,us/m;Δt0為實(shí)測(cè)的地震波在泥巖中旅行時(shí)間,us/m;N為Eaton指數(shù);D為與泥巖壓實(shí)有關(guān)的常數(shù);H為深度,m。
Eaton指數(shù)的確定是壓力計(jì)算的關(guān)鍵,該地區(qū)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試,當(dāng)Eaton指數(shù)取3時(shí),預(yù)測(cè)效果較好,該取值可能意味著欠壓實(shí)作用的貢獻(xiàn)較大[19]。通過(guò)計(jì)算,得到了該地區(qū)主要鉆井的泥巖地層壓力(圖3),結(jié)果表明超壓封存箱縱向上主要位于T33界面上下,W-2井、W-5井、W-7井主要分布在平下上段,W-6井分布在平下下段,W-3井分布在寶石組,均發(fā)育于泥巖集中段,封存箱厚度在250 m左右,封存箱之下發(fā)育正常壓力系統(tǒng)。

圖3 西湖凹陷W構(gòu)造地層壓力剖面分布Fig. 3 Formation pressure profile distribution of W structure in Xihu Sag
同時(shí),注意到不同井砂巖與泥巖的壓力系數(shù)并不一致,中塊及南塊鉆井基本表現(xiàn)為砂巖壓力系數(shù)與泥巖壓力系數(shù)相當(dāng),部分砂巖的壓力系數(shù)高于泥巖,而北塊表現(xiàn)為泥巖壓力系數(shù)高于砂巖,砂巖表現(xiàn)為常壓。
W構(gòu)造現(xiàn)今地層壓力平面分布(圖4)顯示砂巖地層壓力由低部位向高部位逐漸減小,W-2井和W-7井所在的洼陷中心部位壓力系數(shù)最大,達(dá)到1.5,至高部位的W-6井異常壓力逐漸消失,壓力系數(shù)小于1.2。泥巖的異常壓力范圍分布較廣,W構(gòu)造的北塊、中塊和南塊均發(fā)育超壓。從超壓封存箱厚度來(lái)看,中塊厚度較大,可以達(dá)到550 m,南塊和北塊厚度在200 m左右。因此,W構(gòu)造現(xiàn)今泥巖地層壓力系數(shù)較大,發(fā)育穩(wěn)定的異常壓力封存箱。

圖4 西湖凹陷W構(gòu)造地層壓力系數(shù)平面分布Fig. 4 Plane distribution of formation pressure coefficient in W structure of Xihu Sag
Bowers[20]研究顯示聲波測(cè)井和電阻率測(cè)井主要反映巖石的傳導(dǎo)屬性,密度測(cè)井和中子測(cè)井則反映的是巖石的體積屬性。不均衡壓實(shí)產(chǎn)生的超壓在傳導(dǎo)屬性和體積屬性均有反映,而流體膨脹產(chǎn)生的超壓僅在傳導(dǎo)屬性上反映最好。
W構(gòu)造W-2井的測(cè)井曲線(xiàn)組合(圖5)顯示異常壓力封存箱內(nèi)聲波測(cè)井、密度測(cè)井、中子測(cè)井均有較為明顯的異常,封存箱內(nèi)聲波時(shí)差和中子孔隙度明顯增大,密度曲線(xiàn)明顯減小,電阻率曲線(xiàn)無(wú)明顯增大或略有減小,體現(xiàn)了該井應(yīng)以欠壓實(shí)成因?yàn)橹鳌M瑫r(shí),各曲線(xiàn)發(fā)生同步反轉(zhuǎn),而B(niǎo)owers[21]認(rèn)為聲波速度、電阻率、密度測(cè)井發(fā)生同步反轉(zhuǎn),且密度、速度和電阻率在偏離其正常趨勢(shì)后繼續(xù)增加或保持恒定是不均衡壓實(shí)形成超壓的重要響應(yīng)特征。

圖5 西湖凹陷W-2井測(cè)井曲線(xiàn)組合與超壓特征Fig. 5 Logging curve combination and overpressure characteristics of well W-2 in Xihu Sag
21世紀(jì)以來(lái),根據(jù)聲波速度-密度關(guān)系區(qū)分超壓類(lèi)型已取得了良好的效果[2]。Hoesni等[22]研究認(rèn)為在密度-聲波速度交會(huì)圖上,欠壓實(shí)成因的超壓與正常壓力均落入加載曲線(xiàn)上,而流體膨脹產(chǎn)生的超壓,其聲波速度隨超壓增大而降低,但密度保持不變或變化較小。
從W構(gòu)造的W-2井以及W-5井聲波速度-密度交會(huì)圖(圖6,圖版引自文獻(xiàn)[2])可以看出,W-2井異常高壓泥巖的數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分位于正常壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn)上,還有個(gè)別點(diǎn)位于流體膨脹趨勢(shì)線(xiàn)上,基于此判斷該井超壓機(jī)制主要為欠壓實(shí)成因,也有生烴增壓的影響。W-5井異常高壓泥巖的數(shù)據(jù)點(diǎn)多數(shù)脫離正常的壓實(shí)趨勢(shì)線(xiàn),應(yīng)以生烴增壓為主,同時(shí)也有欠壓實(shí)的影響。

圖6 西湖凹陷W-2井及W-5井的聲波速度-密度交會(huì)圖Fig. 6 Cross plot of acoustic velocity and density of well W-2 and well w-5 in Xihu Sag
針對(duì)W構(gòu)造砂巖儲(chǔ)層的異常高壓形成機(jī)制,研究認(rèn)為主要為傳遞增壓。首先,從W構(gòu)造泥巖地層壓力計(jì)算值以及砂巖地層壓力實(shí)測(cè)值來(lái)看,泥巖的地層壓力通常與鄰近砂巖相當(dāng)或略大,推測(cè)砂巖中的超壓可能主要來(lái)自鄰近泥巖的超壓傳遞,而W-2井P11層砂巖地層的異常壓力高于鄰近泥巖,且W-2井超壓封存箱內(nèi)天然氣成熟度計(jì)算值Rc為1.6%,遠(yuǎn)高于鄰近烴源巖的成熟度,推測(cè)油氣應(yīng)該來(lái)自成熟度更高的三潭深凹。由于W構(gòu)造低部位發(fā)育大型導(dǎo)油斷裂(F0斷層),高成熟油氣通過(guò)導(dǎo)油斷裂和滲透層充注到W-2井儲(chǔ)層中,同時(shí)伴隨著異常高壓的傳遞。
因此,針對(duì)W構(gòu)造的異常高壓形成機(jī)制,綜合多種判別方法認(rèn)為泥巖主要為欠壓實(shí)成因,也有生烴作用的影響;砂巖主要為傳遞增壓機(jī)制,并且有來(lái)自三潭深凹的超壓傳遞。
前人研究[23]顯示超壓對(duì)油氣的形成、運(yùn)移、聚集、封蓋、成藏和分布都有積極影響,本次研究證實(shí)了超壓可以抑制有機(jī)質(zhì)的成熟、異常壓力的發(fā)育,為孔隙保存提供了條件,以及超壓封存箱內(nèi)可以形成規(guī)模的油氣富集。
從W構(gòu)造W-4井烴源巖熱演化剖面(圖7)來(lái)看,在超壓封存箱內(nèi)烴源巖的熱演化受到明顯的抑制作用,封存箱內(nèi)最大熱解峰溫Tmax明顯減小,抑制率可達(dá)4.5%;鏡質(zhì)體反射率Ro在封存箱內(nèi)也偏離了正常的演化趨勢(shì),抑制率達(dá)3%;同時(shí)在超壓封存箱內(nèi)S1/S1+S2具有明顯增大的趨勢(shì),表明烴源巖已生成的吸附烴含量較高,吸附烴的賦存反過(guò)來(lái)也證明了生烴增壓的存在。郝芳(2004)[5]針對(duì)超壓對(duì)生烴的影響進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究,提出了超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)演化和生烴抑制的4個(gè)層次,并認(rèn)為富氫干酪根由于體積膨脹效應(yīng)明顯更容易受到超壓的抑制,西湖凹陷煤及碳質(zhì)泥巖為富氫干酪根、富含樹(shù)脂體等殼質(zhì)組分以及富氫鏡質(zhì)體,因此封存箱內(nèi)受到較為明顯的抑制作用。基于烴源巖熱演化的抑制作用,使得生油窗得以拓寬,液態(tài)烴賦存的深度得以增加。

圖7 西湖凹陷W-4井烴源巖熱演化參數(shù)隨深度變化Fig. 7 Variation of thermal evolution parameters of source rock with depth in well W-4 of Xihu Sag
在沉積物的快速沉積過(guò)程中,由于孔隙流體受阻不能完全驅(qū)散,地層流體會(huì)承擔(dān)一部分負(fù)荷,引起異常高壓,同時(shí)減緩了上覆巖體對(duì)巖石骨架的壓實(shí)作用,使得已形成的孔隙免受壓實(shí)破壞[24]。圖8a中巖石顆粒以線(xiàn)接觸為主,孔隙式膠結(jié),表明已遭受了中度-較強(qiáng)的壓實(shí),壓實(shí)作用是儲(chǔ)層物性變差的主要原因。壓實(shí)減孔率可以定量表征壓實(shí)強(qiáng)度,是指砂巖由壓實(shí)作用引起的孔隙度減少值與砂巖初始孔隙度的百分比[25],W構(gòu)造W-4井在異常壓力封存箱內(nèi)發(fā)育高孔隙帶,計(jì)算的壓實(shí)減孔率(圖9)小于30%,而在封存箱上下的常壓帶壓實(shí)減孔率均大于50%,超壓帶內(nèi)砂巖的壓實(shí)作用受到了明顯的抑制。

圖8 W-4井超壓儲(chǔ)層部分巖石薄片及掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 8 Thin sections and SEM photos of some rocks in overpressure reservoir of well W-4

圖9 西湖凹陷W-4井儲(chǔ)層成巖相關(guān)參數(shù)隨深度變化Fig. 9 Variation of diagenetic parameters with depth in well W-4 of Xihu Depression
W構(gòu)造的膠結(jié)物類(lèi)型主要為碳酸鹽膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié),自生石英膠結(jié)物含量較低。
碳酸鹽礦物主要為含鐵方解石及含鐵白云石(圖8a~圖8d),黏土礦物主要為伊利石,其次為伊蒙混層以及高嶺石,不含蒙脫石(圖8c~圖8e)。從伊蒙混層中蒙脫石含量(S%)及伊利石相對(duì)含量可以初步判斷成巖期為中成巖A末期—中成巖B早期(圖10)。利用膠結(jié)減孔率可以對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行表征,膠結(jié)減孔率為儲(chǔ)層中現(xiàn)今殘余膠結(jié)物體積率與膠結(jié)物溶蝕孔體積率之和占初始孔隙度的百分比值[6],圖9可以看出W-4井在壓力封存箱內(nèi)膠結(jié)強(qiáng)烈,膠結(jié)減孔率>50%。其中,碳酸巖膠結(jié)物體積率(圖10)較大,從超壓帶向淺部常壓帶有降低的趨勢(shì),黏土礦物也有類(lèi)似的趨勢(shì),但自生黏土礦物膠結(jié)帶的厚度要大于碳酸鹽的厚度,其在常壓帶仍保持較高的含量。石良(2015)[6]研究認(rèn)為超壓帶泥巖排水并釋放

圖10 西湖凹陷W-4井儲(chǔ)層膠結(jié)物相關(guān)參數(shù)隨深度變化Fig. 10 Variation of related parameters of reservoir cement with depth in well W-4 of Xihu Sag
K+、Ca2+、Mg2+、CO32-等離子,孔隙水在壓差下向常壓帶泄流導(dǎo)致膠結(jié)物沉淀,隨著距離變大水中離子變少導(dǎo)致膠結(jié)作用減弱,同時(shí)黏土礦物由于對(duì)泥巖排出流體的依賴(lài)性較小導(dǎo)致了更大厚度的膠結(jié)。
異常高壓對(duì)溶蝕作用的影響主要通過(guò)控制從泥巖層釋放的富含有機(jī)酸的流體來(lái)實(shí)現(xiàn)[26]。W構(gòu)造異常高壓封存箱內(nèi)烴源巖已成熟,烴源巖排出帶有機(jī)酸和CO2的酸性水,然后與長(zhǎng)石、巖屑等顆粒發(fā)生溶蝕,產(chǎn)生溶蝕增孔。薄片統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造儲(chǔ)層溶蝕作用較為強(qiáng)烈,溶蝕孔類(lèi)型主要包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔以及鑄模孔(圖8f)。儲(chǔ)層溶蝕作用可以用溶蝕增孔率[7]來(lái)定量表征。溶蝕增孔率是指溶蝕作用增加的孔隙體積率占初始孔隙度的百分比。計(jì)算發(fā)現(xiàn)超壓封存箱內(nèi)溶蝕增孔率較高(10%~20%)(圖9),且溶蝕增孔的變化趨勢(shì)與總孔隙度的變化相同,在常壓帶也有較高的溶蝕增孔,體現(xiàn)了富有機(jī)酸的流體向上泄流的現(xiàn)象。
研究發(fā)現(xiàn)W構(gòu)造本地?zé)N源巖已經(jīng)進(jìn)入大量生油階段,已發(fā)現(xiàn)油藏的原油成熟度Rc約為1.0%,與鄰近泥巖的熱演化程度相近。超壓封存箱內(nèi)生成的油氣在異常壓力的驅(qū)動(dòng)下可以向上、下的輸導(dǎo)層排烴,完成初次排放[4]。而W構(gòu)造超壓封存箱內(nèi)儲(chǔ)層天然氣成熟度遠(yuǎn)高于鄰近泥巖,天然氣主要是在超壓的驅(qū)動(dòng)下從三潭深凹運(yùn)移而來(lái),斷層和連續(xù)性砂體構(gòu)成了壓力傳遞的介質(zhì),這種超壓的排放機(jī)制稱(chēng)為二次排放[4],通過(guò)初次排放和二次排放可以使低超壓系統(tǒng)的有效圈閉通過(guò)幕式充注而成藏,超壓是油氣運(yùn)移成藏的主要?jiǎng)恿Α?/p>
另外,由于超壓封存箱具有良好的頂部封蓋條件,只要滿(mǎn)足儲(chǔ)層向上傾方向尖滅就能形成有效圈閉,而封存箱內(nèi)的P11層氣藏為典型的砂巖上傾尖滅型油氣藏,并且砂體分布范圍相對(duì)較廣,儲(chǔ)層伴隨著三潭深凹高成熟外源氣充注而形成高壓,而超壓形成了良好的儲(chǔ)層物性,成為了該地區(qū)油氣最富集的油氣藏(圖11)。而對(duì)于封存箱之下的泄壓帶和封存箱之上的常壓帶,缺乏廣泛的封存條件,可以沿著油氣運(yùn)移路徑,尋找與構(gòu)造背景復(fù)合的構(gòu)造-巖性復(fù)合油氣藏。

圖11 W構(gòu)造超壓封存箱油氣成藏模式Fig. 11 Hydrocarbon accumulation model of overpressure compartment in W structure
(1)W構(gòu)造發(fā)育超壓,儲(chǔ)層壓力系數(shù)最高1.5,向斜坡高部位逐漸降低,儲(chǔ)層超壓縱向上主要分布在平下段,平面上主要分布在中塊和南塊;根據(jù)Eaton法對(duì)泥巖的地層壓力進(jìn)行了計(jì)算,并在此基礎(chǔ)上刻畫(huà)了超壓封存箱分布,認(rèn)為W構(gòu)造超壓封存箱全區(qū)分布,厚度主要分布在200~550 m。
(2)通過(guò)測(cè)井曲線(xiàn)綜合分析法和聲波速度-密度交會(huì)圖法綜合確定W構(gòu)造泥巖異常高壓的成因主要為欠壓實(shí),也有生烴增壓的貢獻(xiàn)。儲(chǔ)層超壓主要是傳遞增壓,存在三潭深凹超壓傳遞的現(xiàn)象。
(3)通過(guò)超壓封存箱內(nèi)烴源巖熱演化、儲(chǔ)層成巖作用、油氣運(yùn)聚的深入研究,認(rèn)為超壓對(duì)該構(gòu)造的成藏有積極影響:抑制烴源巖干酪根熱降解,拓寬生油窗;超壓抑制儲(chǔ)層壓實(shí),促進(jìn)膠結(jié)作用及溶蝕作用,形成高孔帶;超壓提供運(yùn)移動(dòng)力,超壓封存箱內(nèi)可以形成大型巖性油氣藏。