車鎮(zhèn)凹陷套爾河洼陷超壓成因機(jī)理研究

車鎮(zhèn)凹陷套爾河洼陷超壓成因機(jī)理研究

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上有180多個(gè)超壓盆地，其中160多個(gè)是富含油的盆地。異常高壓氣田約占世界氣田的30%左右。例如，在中國的渤海盆地和柴達(dá)木盆地中發(fā)現(xiàn)了異常高壓的油氣藏。含油氣盆地的壓力異常是一種極為普遍的現(xiàn)象,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)超壓現(xiàn)象,特別是對(duì)超壓成因機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。研究結(jié)果表明,異常高地層壓力的成因多種多樣,盆地內(nèi)異常高壓現(xiàn)象可能是多種因素共同作用所致,其中包括地質(zhì)、物理、地球化學(xué)和動(dòng)力學(xué)的因素。Osborne等將超壓形成機(jī)制劃分為3類:①與應(yīng)力有關(guān)的增壓過程,包括不均衡壓實(shí)作用(垂向負(fù)載應(yīng)力)和構(gòu)造應(yīng)力(側(cè)向擠壓應(yīng)力)作用;②由流體體積增大引起的生壓過程,包括水熱增壓、黏土礦物脫水、生烴作用和原油裂解成氣等;③流體運(yùn)動(dòng)和浮力產(chǎn)生的增壓作用,包括重力水頭、浮力等。對(duì)于新生代沉積盆地,快速沉積造成的壓實(shí)不均衡作用往往是形成異常高壓的主要成因機(jī)理;而對(duì)生烴中心范圍內(nèi)形成的異常高壓,考慮生烴作用及油氣裂解成氣產(chǎn)生的增壓作用也是一種必然。車鎮(zhèn)凹陷位于渤海灣盆地內(nèi)濟(jì)陽坳陷的次級(jí)構(gòu)造單元,是中生代發(fā)育的一個(gè)以古近系沉積為主的斷陷單元。而套爾河洼陷則位于車鎮(zhèn)凹陷的中部,洼陷內(nèi)沉積了一套巨厚的新生界陸相地層。洼陷受埕南斷層的影響,形成葺狀沉積單元,北部為陡坡帶,南部為斜坡帶(圖1),洼陷面積為150km2。洼陷內(nèi)主要發(fā)育3套主力成烴層:沙一段、沙三中下亞段以及沙四上亞段,其中,沙三中下亞段的各項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)均顯示其為最好的成烴層。1車66井、沙東南角帶明確一個(gè)壓力分類方案對(duì)于描述超壓分布特征非常重要。目前國內(nèi)外學(xué)者提出的超壓幅度的分類方案存在多種,其中郝芳在杜翔等和?？松凸痉诸惖幕A(chǔ)上提出了一種更具合理性的分類方案(表1),筆者采用了該分類方案。表2為車鎮(zhèn)凹陷車古20塊-車66塊-大80塊地區(qū)部分井位的實(shí)測壓力數(shù)值。從實(shí)測壓力資料看,車66塊地區(qū)沙河街組地層的超壓非常明顯,位于車66塊地區(qū)沉降中心的車66井在沙四上亞段的4301.03～4462.64m處測得了73.32MPa的地層壓力,其壓力系數(shù)在1.64～1.70之間;位于車66井南端的車660井在沙三下亞段的4184.0～4253.8m之間測得了70.17～71.83MPa的地層壓力,其壓力系數(shù)在1.67～1.70之間,可見車660井與車66井的地層壓力位于同一超壓系統(tǒng)內(nèi),均屬于超壓范疇;而位于南部斜坡帶的車662井在沙三下亞段的3605.13～3734.93m之間測得了72.77MPa的地層壓力,其壓力系數(shù)高達(dá)1.95～2.02,屬于強(qiáng)超壓范疇。車古20塊地區(qū)主力勘探層位為中生界-古生界,其地層壓力為靜水壓力系統(tǒng),上部的新生界實(shí)測顯示為常壓-弱超壓系統(tǒng)。2超壓原因的分析2.1泥巖聲波時(shí)差隨深度的變化規(guī)律壓實(shí)不均衡引起的超壓主要發(fā)育于沉降或沉積速率較高、充填巖性較細(xì)的新生代沉積盆地,我國東部的鶯歌海盆地、渤海灣盆地渤中凹陷中的超壓均主要由壓實(shí)不均衡產(chǎn)生。表3為車鎮(zhèn)凹陷及凹陷內(nèi)套爾河洼陷主要沉積時(shí)期的沉積速率。從表3中可以看出,套爾河洼陷沙三下亞段的沉積速率達(dá)到300～450m/Ma,上部沙二段及其以上地層的沉積速率在150m/Ma以下,盡管套爾河洼陷沙四段鉆穿井位較少,很難判斷沙四上亞段的沉積速率,但根據(jù)車鎮(zhèn)凹陷沙四上亞段地層的沉積速率范圍(20～50m/Ma),推斷套爾河洼陷沙四段的沉積速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沙三段。為了量化沉積速率對(duì)非均衡壓實(shí)增壓的貢獻(xiàn),解習(xí)農(nóng)等構(gòu)建了簡化的地質(zhì)模型,假定盆地上部為砂巖層,下部為泥巖層,泥巖的初始孔隙度為60%,其中可壓縮部分的孔隙度為55%,不可壓縮部分的孔隙度為5%,通過改變沉積速率可以分析異常壓力的變化。如圖2所示,模擬結(jié)果表明,當(dāng)泥巖的沉積速率小于150m/Ma時(shí),地層幾乎不形成超壓,但當(dāng)沉積速率逐漸增大時(shí),超壓幅度會(huì)越來越大。根據(jù)該地質(zhì)模型的結(jié)論,套爾河洼陷東營組—沙二段地層的沉積速率均小于150m/Ma,因此很難形成異常高壓,而整個(gè)車鎮(zhèn)凹陷沙四上亞段的沉積速率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100m/Ma,同樣很難形成異常高壓,而沙三下亞段地層的沉積速率則高達(dá)300～450m/Ma,很明顯能夠形成超壓幅度較大的異常高壓系統(tǒng)。非均衡壓實(shí)的形成過程可以反映在對(duì)應(yīng)層段泥巖聲波時(shí)差以及泥巖密度隨深度變化的趨勢上。隨著深度的變化,泥巖聲波時(shí)差以及對(duì)應(yīng)層段的泥巖密度曲線在深度剖面上出現(xiàn)偏離正常趨勢線的層段即為欠壓實(shí)帶或超壓層段。圖3為套爾河洼陷車66塊地區(qū)車66與車661井的泥巖聲波時(shí)差與泥巖密度曲線。在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上,2口井的泥巖聲波時(shí)差隨深度的增大而逐漸減小,屬于上部正常壓實(shí)層段;在3250m附近出現(xiàn)異常,泥巖聲波時(shí)差曲線偏離上部正常壓實(shí)曲線,聲波時(shí)差逐漸增大,在沙三中、下亞段達(dá)到最大值;隨后泥巖聲波時(shí)差值又逐漸減小,在沙四上亞段附近轉(zhuǎn)為正常壓實(shí),屬于下部常壓系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)的泥巖密度曲線也表現(xiàn)出類似的特征。隨著壓實(shí)過程的進(jìn)行,上部泥巖密度隨著深度的增大而逐漸增大,在3250m附近,泥巖密度曲線保持不變,車661井泥巖密度保持在2.5～2.6g/cm3間,車66井泥巖密度保持在2.4～2.5g/cm3間。鉆井測試、試油資料顯示,車66井獲得了日產(chǎn)100t的高產(chǎn)油流,主要與該井沙三段儲(chǔ)層物性較好有關(guān),而鄰近的車661井在相同層位則未能獲得工業(yè)油流,巖心資料以及測試資料表明車661井位于另一個(gè)滑塌濁積扇體上,其巖性主要為粗粒礫巖體,因此對(duì)應(yīng)層位的壓實(shí)系數(shù)略有不同,反映泥巖密度值隨著深度不同的差異性。綜上所述,根據(jù)套爾河洼陷新生代各個(gè)時(shí)期沉降速率的對(duì)比以及對(duì)應(yīng)層位的泥巖聲波時(shí)差與泥巖密度曲線的劃分,說明非均衡壓實(shí)是套爾河洼陷地層超壓形成的成因之一。2.2套爾河洼陷地層超壓帶的分布及特征Momper提出干酪根成烴作用可以引起超壓作用,即有機(jī)質(zhì)生成烴類后導(dǎo)致其體積增大,可以大幅度地提高已壓實(shí)巖層中的壓力。有機(jī)質(zhì)生成液態(tài)烴和氣態(tài)烴的動(dòng)力學(xué)機(jī)制,同時(shí)取決于時(shí)間和溫度的共同作用。烴源巖生成油氣的過程包括兩種反應(yīng),即干酪根成熟生成油和氣;油和瀝青裂解成氣。干酪根熱解反應(yīng)一般發(fā)生在2～4km深處及70～120℃溫度范圍,而油裂解成氣則發(fā)生在3.0～5.5km深處和90～150℃溫度范圍。這兩種反應(yīng)均會(huì)導(dǎo)致體積的變化。熱裂解開始溫度一般為120～140℃,當(dāng)溫度超過180℃時(shí),液態(tài)烴可完全裂解成氣。液態(tài)烴在高溫條件下因受催化反應(yīng)、放射性衰變及生物降解作用而熱解為氣態(tài)烴,其體積可增大到原來的2～3倍甚至更大,從而導(dǎo)致地層壓力增大。Barker認(rèn)為在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力條件下,1個(gè)體積的標(biāo)準(zhǔn)原油可裂解成534.3個(gè)體積的氣,外加少量石墨和殘?jiān)ｏ@然,在理想封閉層內(nèi),石油裂解成氣時(shí),壓力會(huì)大幅上升。所以,在一些盆地超壓的分布常與油氣裂解的深度相吻合,例如墨西哥灣觀測到的超壓帶的頂部與生氣高峰帶明顯吻合。如前所述,套爾河洼陷沉積中心超壓帶的形成可能主要受控于沙三段快速沉積作用造成的欠壓實(shí)增壓機(jī)理,但從超壓幅度看,僅靠單一的欠壓實(shí)作用形成的超壓幅度還達(dá)不到目前的超壓范圍,而且早期形成的超壓在后期保存過程中也會(huì)因?yàn)椴煌蛩囟a(chǎn)生不同程度的逸漏,因此目前測試的地層壓力要小于地層超壓形成時(shí)的壓力,說明還可能存在其他的增壓機(jī)理。而套爾河洼陷超壓帶的分布與該地區(qū)的沉積中心完全吻合,并處于生烴中心,因此研究套爾河洼陷生烴作用及裂解成氣對(duì)于套爾河洼陷地層超壓的研究也有一定的意義和必要性。套爾河洼陷屬于車鎮(zhèn)凹陷的次級(jí)構(gòu)造,是車鎮(zhèn)凹陷主要成烴洼陷中心之一。洼陷內(nèi)主要沉積3套主力烴源巖,分別為沙一段、沙三中下亞段及沙四上亞段。巖心資料表明沙四上亞段生油層系以深灰色油頁巖和泥巖為主。沙三段以深灰色泥巖、暗色油頁巖為主,自上而下深灰色泥巖增多,泥巖的顏色由深變淺。沙三下亞段主要為暗色油頁巖、油泥巖、泥巖,厚度為500～600m,沉積中心位于車66井附近;沙三中亞段生油巖以深灰色泥巖為主;沙三上亞段以淺灰色泥巖為主。沙一段主要為暗色油頁巖、油泥巖和泥巖,厚度為250～420m。如表2所示,車66井在4301.03～4462.64m層段測得的地溫為148℃;車660井在4231.10～4253.8m層段測得的地溫為151℃;車662井在3605.13～3734.93m層段測得的地溫為129℃?，F(xiàn)今地溫梯度在3.10～3.25℃/hm之間,屬于常溫系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)代成烴理論,當(dāng)?shù)販剡_(dá)到90℃時(shí),有機(jī)質(zhì)開始成烴演化,進(jìn)入成熟門限;達(dá)到120℃時(shí),烴類開始裂解成氣。車66塊地區(qū)的地溫梯度屬于常溫系統(tǒng),但由于沙三段-沙四段在沉積中心埋藏較深,地溫較高,沙三下亞段-沙四段生油巖基本進(jìn)入了裂解成氣階段,這為孔隙流體體積的膨脹提供了有利條件。對(duì)生油巖有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析可進(jìn)一步明確干酪根成烴的演化階段。表4為車660井沙三下亞段-沙四上亞段巖石熱解參數(shù)。表4顯示沙四上亞段的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(TOC)為0.97%～3.80%,屬于中等-較好生油巖,生烴潛量(S1+S2)為0.66～5.54mg/g,熱解峰溫Tmax在456～460℃之間,而當(dāng)熱解峰溫>455℃時(shí)烴類基本進(jìn)入了裂解成氣階段。沙三下亞段的w(TOC)在1.15%～2.32%之間,屬于較好生油巖,生烴潛量為1.08～4.00mg/g,熱解峰溫為450～460℃,從巖石熱解參數(shù)看,沙三中下亞段生油巖處于烴類裂解初期階段,但測得沙三中下亞段-沙四上亞段生油巖的鏡質(zhì)體反射率Ro為1.00%～1.04%,說明沙三中下亞段生油巖處于中高成熟階段(Ro在0.8%～1.2%之間)。另外,利用EasyRo模型,在車66塊地區(qū)埋藏史、熱史基礎(chǔ)上對(duì)車66地區(qū)單井成烴史的模擬結(jié)果表明(圖4),沙二中晚期,干酪根進(jìn)入成熟門限,對(duì)應(yīng)深度在2600m左右,沙三段-沙四上亞段沉積時(shí)期為成熟期,從模擬結(jié)果看,沙四段中晚期Ro為1.05%左右,與實(shí)測結(jié)果相吻合,說明該地區(qū)干酪根的演化基本處于成熟期-高成熟早期,還沒完全進(jìn)入烴類裂解成氣階段。對(duì)比國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該區(qū)還處于成熟期的干酪根生成的液態(tài)烴類以及少量的濕氣和干氣對(duì)于孔隙流體壓力的增幅存在影響,但貢獻(xiàn)不會(huì)很大。對(duì)車66地區(qū)成烴史的模擬結(jié)果和區(qū)內(nèi)3套烴源巖干酪根的分析結(jié)果表明,套爾河洼陷3套主要生油巖的有機(jī)質(zhì)類型指數(shù)均較高,以沙三段為最好,沙四上亞段次之,其有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型。在有機(jī)質(zhì)熱演化過程中,烴類生成過程以及裂解反應(yīng)能增加孔隙流體壓力,但套爾河洼陷生烴中心沙三中下亞段-沙四上亞段生油巖不論從生烴潛量、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熱解峰溫指數(shù),還是從鏡質(zhì)體反射率指標(biāo)看,有機(jī)質(zhì)熱演化基本處于中-高成熟階段,而烴類裂解成氣過程則處于初期,對(duì)于孔隙流體壓力有一定的增幅作用,但其貢獻(xiàn)相對(duì)于欠壓實(shí)增壓作用可能要小。3層位與超壓關(guān)系(1)沙三早期快速沉積作用造成的欠壓實(shí)作用是導(dǎo)致套爾河洼陷沉積中心沙河街組地層超壓的主要成因之一。對(duì)比新生界各個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積速率表明,沙三中下亞段-沙四上亞段的沉積速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其上覆地層以及下伏中生界地層的沉積速率,而對(duì)應(yīng)