渤海湾盆地东营凹陷异常压力分布和演化特征及与油气成藏关系

刘士林，郑和荣，林 舸，王 毅，云金表，高山林，许 雷

(1.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国地质大学 能源学院，北京 100083；3.中国科学院 广州地球化学研究所，广州 510640； 4.中国京冶工程技术有限公司，北京 100088)

渤海湾盆地异常压力广泛发育，纵向上自上而下大致可分为静水压力带和超压带2个水动力系统，并且普遍认为异常压力主要是由欠压实、烃类生成及粘土矿物脱水等作用所致[1-11]。总体上学者们对于异常压力的发育特征和成因机制研究较多，但却较少关注其形成时代和演化历史。研究表明异常高压的形成时间与油气运聚成藏的时间紧密相连[12-13]，并且油气都是由高势区向低势区运移和聚集[14-17]。运用盆地模拟技术，以地质时间为序列，综合地质地球物理、岩石力学和渗流力学等多种因素，对盆地异常压力场及流体势场演化进行模拟，可以从动态、定量的角度研究盆地异常压力的发育特征和演化历史[18]。

济阳坳陷东营凹陷作为渤海湾盆地的一个三级负向构造单元，油气资源丰富。凹陷内广泛存在欠压实现象，尤其是在主力烃源岩层系中普遍发育超压[1,19]，这些发育程度不同的超压体系控制了油气的成藏[2-3]。因此，深刻认识东营凹陷异常压力的形成和演化特征，既有理论意义，也有现实的勘探实践价值。本文旨在运用盆地模拟技术探讨东营凹陷异常压力的发育特征及演化历史，并分析其与盆地油气成藏的时空匹配关系。

1 地质背景

东营凹陷位于济阳坳陷南部，西以青城凸起、滨县凸起为界，北以陈家庄凸起为界与沾化凹陷为邻，南与鲁西隆起、广饶凸起相邻，东与青东凹陷沟通(图1a)。剖面上具有北断南超的开阔型箕状凹陷特征(图1b)。该凹陷是在前古生界基岩古地形背景上、经构造运动发育起来的断陷—坳陷盆地，中生代是凹陷的雏形发育期，新生代是主要成盆期；自中生代以来先后经历了印支、燕山和喜山3期构造运动[20]。新生代东营凹陷先后沉积充填了古近系孔店组(Ek)、沙河街组(Es)、东营组(Ed)和新近系馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)以及第四系地层。古近纪是断陷的发育期，主要发育(扇)三角洲、滨浅湖、半深—深湖相沉积；新近纪是坳陷阶段，主要发育冲积扇—辫状河、曲流河沉积环境。沙河街组沙四上亚段和沙三中下亚段的厚层暗色泥岩及油页岩是东营凹陷的2套主力烃源岩[21-22]。

图1 渤海湾盆地东营凹陷构造简图(a)及典型剖面特征(b)

2 技术方法及参数选取

本次对东营凹陷异常压力场和流体势场的模拟采用Basin2.0盆模软件，其理论基础主要包括介质连续性定理、流体流动方程和热传导方程等。该软件可以模拟盆地演化中岩石孔隙度、渗透率、古地温、古压力、流体势和热成熟度的变化过程等很多方面[23]。模拟中选取的参数如下;

地质参数;1)地层年代。采用的济阳坳陷各组地层底界年龄分别为第四系(Q) 2.0 Ma，明化镇组(Nm) 5.1 Ma，馆陶组(Ng) 24.6 Ma，东营组(Ed)32.6 Ma，沙一段(Es1)36 Ma，沙二段(Es2) 38 Ma，沙三段(Es3) 43 Ma，沙四段(Es4) 50.5 Ma，孔店组(Ek) 65 Ma[24]；2)地层厚度、岩性及源岩百分比。依据钻井和地震资料统计获得；3)古水深、古地表温度和古热流。东营凹陷新生代发育河流、三角洲和湖泊等多种环境，最大水深不过百米[25]，故模拟中古水深取值一般为0～50 m，古地表温度为14 ℃，古热流资料参照研究区的地层热导率数据[26]和古地温梯度资料[27]换算获得；4)地质事件。模拟中对印支、燕山和喜山运动在研究区造成的地层剥蚀均以地层厚度变化体现，喜山运动Ⅱ幕和印支—燕山运动时期地层的剥蚀量分别采用刘士林[28]和肖焕钦[29]研究资料。

岩石物理参数;包括岩石密度、孔隙度和渗透率，采用Xie 等[30]资料。

流体力学参数;包括流体密度、粘度等，因缺少资料，采用默认值。

3 异常压力形成分布与演化特征

本次模拟选取的剖面是过东营凹陷主体生油洼陷和油气田的616地震测线，具有很好的代表性(图1b)。

3.1 异常压力形成和演化特征

异常压力的发育过程具有阶段性和增强性(图2,3);1) 经历了印支—燕山运动之后，凹陷前新生代地层接受了孔店组地层的沉积埋藏增温作用，在牛庄洼陷深处的石炭—二叠系(C—P)地层中出现小规模超压区，最大值达2.0 MPa；2)沙河街组沉积时期，对应于盆地断陷的主要发育阶段，断裂伸展活动强烈，物源充沛，沉积充填巨厚，尤其是沙三—沙四段沉积时期充填了厚层暗色泥(页)岩，模拟表明异常压力高值区主要分布在Es4(上)和Es3地层中，其值普遍较低，一般为0.2～1.2 MPa，但到沙一段沉积末期超压值逐步增大，最高值大于2.0 MPa；3)东营组沉积时期超压范围明显增大，并且核心部位主要分布在沙四段地层中，超压值高达6.0 MPa；4)渐新世末的喜山运动Ⅱ幕造成地层抬升剥蚀，剩余压力得到释放和减弱，导致凹陷古近系地层异常压力变为负压系统，值达-1.2 MPa。同时石炭—二叠系地层中也存在一个明显的负压系统，值达-1.4 MPa；5)喜山运动Ⅱ幕之后，渤海湾盆地进入整体热沉降阶段，接受馆陶组沉积，沙河街组烃源岩再次进入埋藏增温阶段，但该时期沙河街组地层的超压范围较小，值也低，在0.2～1.6 MPa之间；6)明化镇组—第四系沉积时期，凹陷沙三—沙四段地层中超压现象明显，达到历史时期最大规模和最高值(12 MPa)，异常压力区起始深度在2 200 m左右(图3)，该深度之上为正常压力系统，之下发育超压系统。该深度大致对应于凹陷沙三中亚段的上部，形态变化大致与东营三角洲前积层的底界面起伏变化相吻合[4]，这与钻孔实测压力资料以及前人研究成果相一致[5]。

古超压区在剖面上的分布规模随时间发生明显变化，但其核部未发生重要迁移，主体一直位于凹陷中心部位的沙河街组三段和四段地层中。只是随着沉积充填埋深的增加，核部略有从沙四段向上迁移到沙三段地层中的趋势，并且古超压区主体埋深范围总体上随时间逐步加深(图3)。

图2 渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷616地震测线异常压力场和流体势场演化图中井位自左向右依次为;草702、草38、通40、通52、牛6、牛125、河125、河63、东风1、营6、东风2、坨8、坨105、剖面位置见图1。

图3 渤海湾盆地东营凹陷新生代异常压力最大值和主体埋深演化

流体势的指向比较单一，都是从压力高值区指向低值区，流动方向除喜山运动Ⅱ幕时期外均为由凹陷中心向两侧流动，并在断层附近有沿断层流动的趋势。

3.2 超压成因浅析

模拟结果中沙河街组沉积时期的超压很可能是由不均衡压实造成的。该时期凹陷内沉积的泥岩地层厚度大，沉积速率高。如在沙三中亚段沉积期，东营三角洲自东向西部的牛庄洼陷快速进积，沉积速率高达700 m/Ma[11]。岩石颗粒沉积如此快速，缺少足够时间来定向排列，随埋深加大，地层中的孔隙水一旦受到较强封堵，就很难排出，从而形成超压[31]。其余东营组末期、馆陶组末期及明化镇组—第四系沉积时期的超压更可能与粘土矿物脱水和烃类生成有关。热力作用下蒙脱石向伊利石转化释放的晶格水和干酪根降解生成的烃类产物，都会使得地层中孔隙水体积和压力增加，引起超压，这也得到了诸多研究资料的证实[2-3,5-6]。

4 异常压力与油气成藏的匹配关系

异常高压一直被认为是油气运移的重要动力[32]，在很多情况下油气生成、运移和聚集的同时也是异常压力发生、发展的过程[33]。因此，东营凹陷不同时期地层中的异常压力分布特征，在一定程度上反映了凹陷内油气的生成、运移和聚集过程。

济阳坳陷具有晚期成藏特征，沙四上亚段烃源岩开始成藏的时间基本在东营组沉积末期[34]。轻烃色谱法、包裹体均一温度法结合凹陷埋藏史分析研究表明，东营凹陷沙河街组烃源岩经历有渐新世东营组沉积末期、中新世馆陶组沉积末期以及上新世明化镇组沉积期—第四纪等3期生烃过程[25]，这与本次模拟表明的超压波动性具有很好的对应关系。渐新世东营组沉积末期，凹陷中心区域的沙四上亚段烃源岩开始进入生油门限并开始生烃，主要在沙四上亚段中出现小范围超压，超压驱使油气向邻近的圈闭运移聚集。但由于随后发生了喜山Ⅱ幕构造运动，地层抬升剥蚀，烃源岩埋深变浅，温度降低，生烃过程受到抑制，超压区变为泄压区，成为负压系统，生烃作用停止，造成该阶段生成的油气较少，且不易保存。到中新世馆陶组沉积期，伴随着凹陷整体下沉，烃源岩进一步被埋藏升温，成熟范围进一步扩大，再次生烃，再次形成超压系统，并且超压主体相比东营组沉积末期的超压有从沙四段向沙三段地层中迁移的特点，表明该时期沙三段烃源岩也开始成熟生烃。上新世—第四纪，厚层的明化镇组和第四系沉积使沙三段及沙四上亚段烃源岩进一步埋藏，生烃作用继续增强，成熟范围不断扩大，烃源岩整体进入生、排烃高峰期，出现最大范围和强度的超压，表明有大量油气生成，此时微弱的构造活动和馆陶组—明化镇组厚层的泥岩盖层等条件十分有利于油气聚集成藏和保存。目前，东营凹陷发现的油气成藏时期大多与该期超压有密切关系。因此，东营凹陷沙河街组烃源岩的3期幕式生烃过程中均有超压出现，且具有很好的匹配关系。

在超压区内，烃类和水等流体可在压力差作用下从高压泥岩向与其相邻的砂岩运移，形成区域“离心式”流体势场[5]。在“离心式”流体势场的作用下，油气从凹陷内的生油中心沿断层、不整合面以及连通砂体等“网毯式”疏导通道，向凹陷边缘地区进行侧向、垂向运移并聚集成藏[35](图4a)，最终形成东营凹陷内油气藏围绕主要生烃中心呈“环带状”分布的格局(图4b)[36]。

5 结论

东营凹陷古近系沙河街组三段和四段烃源岩地层中普遍发育异常压力，并且以超压为主。现今2 200 m之上为正常压力系统，之下为超压系统。

数值模拟结果表明，东营凹陷异常压力系统演化具有波动性。自沙河街组沉积以来，凹陷发育有沙河街组末、东营组末、馆陶组末及明化镇组—第四系沉积期等4期超压系统和喜山运动Ⅱ幕1期负压系统。其中，沙河街组沉积末期的超压很可能是由于泥岩欠压实所致，而后3期超压可能是由生烃作用和粘土矿物脱水作用引起的。

图4 渤海湾盆地东营凹陷异常压力分布与油气成藏特征[36]

东营组末、馆陶组末及明化镇组—第四系沉积时期的3期超压系统的发育，分别与东营凹陷沙四段—沙三段烃源岩在渐新世末、中新世末以及上新世—第四纪的3期油气成藏具有良好的匹配关系。烃源岩的生烃作用在一定程度上引起了超压现象，同时超压作为动力又促使油气沿断裂、不整合及疏导砂体做侧向和垂向运移，形成油气藏围绕凹陷中心呈环状分布的局面。

致谢;与胜利油田肖焕钦、周建国、鲁国明等高级工程师的讨论使作者受益匪浅，在此表示感谢！

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