利用声波速度计算南阳凹陷古近纪末地层抬升量

王忠楠，柳广弟，陈 婉，杨雨然，郭飞飞，唐 惠

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石油大庆油田有限责任公司采油三厂，黑龙江大庆163458；3.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都629000；4.中国石化河南油田分公司博士后工作站，河南南阳473132；5.中国石油勘探开发研究院，北京100083）

利用声波速度计算南阳凹陷古近纪末地层抬升量

王忠楠1，柳广弟1，陈 婉2，杨雨然3，郭飞飞4，唐 惠5

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石油大庆油田有限责任公司采油三厂，黑龙江大庆163458；3.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都629000；4.中国石化河南油田分公司博士后工作站，河南南阳473132；5.中国石油勘探开发研究院，北京100083）

南阳凹陷廖庄组和核一段异常压力均不发育，声波速度主要受最大历史埋深影响。选取凹陷中心和凹陷边缘的典型井，利用廖庄组和核一段泥岩声波速度资料建立正常泥岩声波速度与深度的相关关系，并计算南阳凹陷古近纪末地层抬升量。结果表明：古近纪末地层抬升量为400～1 000 m；凹陷西部和南部地层抬升量较小，向凹陷北东方向地层抬升量逐渐增大，最大可达1 000 m。通过对抬升量平面分布的分析，认为魏岗—北马庄构造带地层的大规模抬升导致了异常低压的形成，地层抬升引起的减压增容效应和油气泵吸作用均可增大储层内油气的储存空间，形成低势区，从而促进油气在该区成藏。

古近纪；油气成藏；声波速度；抬升量；南阳凹陷

0 引言

不整合面广泛存在于沉积盆地中［1-3］，不整合面的形成涉及地层抬升与剥蚀2个地质过程。地层抬升由造山运动引起，并伴随断层、褶皱和逆冲构造等的形成［4］。地层剥蚀则是地层抬升或海平面相对下降导致地层位于侵蚀基准面之上而遭受剥蚀的现象。地层被抬升但不一定高于基准面而遭受剥蚀，即使高于基准面也不一定会被完全剥蚀掉。因此，通常情况下地层抬升量大于地层剥蚀量［5］。

目前，针对地层剥蚀量的研究很多［6］，而针对地层抬升量的研究却很少。地层抬升量的研究主要集中于盆/山转换与区域构造抬升等地区，对盆地内部地层的局部抬升量研究很少，但其对油气藏的形成与保存均具有重要意义［7］。南襄盆地属燕山运动末期形成的山间断陷盆地，经历了多期构造抬升，其中南阳凹陷油气主要分布于古近纪地层中，古近纪末地层大规模抬升对凹陷构造演化、油气生成与运移等成藏事件影响均很大。南阳凹陷勘探程度较高，声波时差资料容易获取且计算精度相对较高。本次研究取声波时差倒数得到声波速度，利用声波速度数据求取古近纪末地层抬升量，并分析其对油气成藏的控制作用，为下一步油气勘探提供新思路。

国内外学者［8-14］对声波速度影响因素进行了大量研究。章成广等［8］和王振峰等［9］通过实验研究均认为，岩石声波速度主要受压力影响，且在一定范围内与施加压力呈正相关关系。地层压力主要受埋藏深度的控制，因此，排除异常压实作用影响后，可以建立地层声波速度与埋藏深度的相关关系。实际建立声波速度与深度的相关关系时要对声波速度数据按岩性进行取舍，因为砂岩声波速度受砂岩自身性质（泥质含量、颗粒粒度、分选性和孔隙结构［10-14］等）的影响较大，而泥岩声波速度受泥岩自身性质的影响较小，所以选用泥岩建立声波速度与深度的相关关系可以消除岩石内部特征差异对计算结果的影响。根据上述分析，可以在研究区选取某一组/段未遭受抬升影响的泥岩不同深度的声波速度数据，建立正常泥岩声波速度与深度的相关关系，并利用现今该组/段遭受抬升影响的泥岩声波速度和埋藏深度计算地层抬升量。

1 地质背景

南阳凹陷为南襄盆地内1个相对独立的次级构造单元，呈南深北浅的箕状，面积约3 600 km2，具有“南北分带、东西分块”的构造格局。由北向南依次发育北部斜坡带、中部凹陷带和南部断超带，东西向发育3个油气聚集区（图1）。南阳凹陷的构造演化阶段与南襄盆地一致，经历了白垩纪基底差异裂陷、白垩纪末期基底差异反转、古近纪基底差异裂陷、古近纪末期基底差异反转及新近纪基底整体坳陷等5个构造演化阶段［15］。

图1 南阳凹陷构造纲要图①东庄一东赵庄油气聚集区；②魏岗一北马庄油气聚集区；③张店一白秋油气聚集区Fig.1 Structure outline map of Nanyang Sag

南阳凹陷的基底除西部为古生界海相碳酸盐岩外，其他地区主要为元古界变质岩。沉积盖层最大厚度>5 500 m，自下而上发育古近系玉皇顶组一大仓房组、核桃园组和廖庄组，新近系上寺组及第四系平原组（图2）。核桃园组沉积了1套暗色泥岩和灰白色砂岩与粉砂岩，最大厚度约2 500 m，是南阳凹陷的主要生油与含油层系。廖庄组为棕黄、紫红色泥岩及灰绿色砾岩、含砾砂岩、粗砂岩及泥质粉砂岩互层的“粗红”沉积。盆地古近纪末基底差异反转导致古近系挤压抬升，廖庄组大面积遭受剥蚀。

图2 南阳凹陷地层综合柱状图Fig.2 Generalized stratigraphic column of Nanyang Sag

2 声波速度影响因素分析

廖庄组紧邻古近系顶部不整合面，核一段发育于廖庄组之下，这2套地层的抬升量代表古近纪末地层的抬升量。核一段和廖庄组泥岩均较发育，单层泥岩沉积时间短，厚度小，可以认为其矿物成分与结构等特征均大致相同，泥岩内部差异小。

张启明等［16］通过对中国含油气盆地压力特征的研究，认为南阳凹陷属于正常压力。本次研究选取了南阳凹陷238口井的声波时差数据和115口井220个地层压力数据，基本覆盖了整个凹陷。核一段和廖庄组并非油田勘探开发的目的层，实测压力数据很少，压实情况可以利用声波时差数据进行分析。南80井、金8井、南74井与焦1井位于凹陷边缘，南48井、南82井与南43井位于凹陷中心。从南阳凹陷声波时差与深度的相关关系图（图3）可以看出，凹陷边缘廖庄组在4口井中均为正常压实；焦1井核一段声波时差偏离正常压实曲线，其余3口井均为正常压实，说明凹陷边缘廖庄组都为正常压力，核一段仅在焦1井区发育异常压力，压力测试资料也证明焦1井区存在高压异常。凹陷中心核一段和廖庄组泥岩声波时差均为正常压实曲线，说明泥岩都为正常压实，不发育异常压力。

图3 南阳凹陷声波时差与深度的相关关系Fig.3 Relationship between interval transit time and depth in Nanyang Sag

根据上述分析可知，廖庄组和核一段泥岩除焦1井区外，其他大部分地区都为正常压实。因此，没有异常压力对声波速度的影响，泥岩声波速度主要受埋藏深度影响，可以利用声波速度与深度的相关关系计算地层抬升量。焦1井区抬升量则根据附近地区计算结果外推得到。

3 正常泥岩声波速度与深度的相关关系

Japsen［17］和Hillis［18］研究北海盆地的正常声波速度与深度的相关关系时近似地使用了线性关系模型，并对北海盆地的地层抬升量及超压均进行了研究，取得了很好的结果。基于前人的研究方法，本次研究也采用线性关系模型。

3.1 核一段声波速度与深度的相关关系

核一段在凹陷中心埋深较大，未遭受剥蚀，向凹陷边缘方向地层遭受剥蚀程度逐渐增大。具体建立正常泥岩声波速度与深度的相关关系过程中，采用分深度段分别建立声波速度与深度的相关关系。针对深度较大部分，首先在凹陷中心选取出抬升之后再沉降量比较大、现今为最大埋深的井，从东庄次凹中选取了4口井，从牛三门次凹中选取了8口井（参见图1）；然后，利用这12口井中筛选出的核一段泥岩声波速度数据在深度轴上投点。因为现今为最大埋深期，投点所代表的声波速度与深度的相关关系即为正常相关关系［图4（a）］，可代表在没有受到构造抬升影响的核一段泥岩声波速度与深度的相关关系。建立的深度>750 m的核一段正常泥岩声波速度与深度的相关关系式为

式中：v为地层声波速度，m/s；D为地层埋藏深度，m。

图4 南阳凹陷核一段（a）和廖庄组（b）声波速度与深度的相关关系Fig.4 Relationship between acoustic velocity and depth of the first member of Hetaoyuan Formation（a）and Liaozhuang Formation（b）in Nanyang Sag

建立深度≤750 m的核一段正常泥岩声波速度与深度的相关关系时，首先选取了古近纪末地层抬升量大而抬升后再沉降量比较小的5口井；然后，利用这些井中筛选出的声波速度和深度数据投点。建立正常泥岩声波速度与深度的相关关系应从深部（深度在750 m以下）开始，沿着相同深度处声波速度最小值一线向上延伸，同时在地表处利用统计的泥岩声波速度（1 539.4～1 612.7 m/s）加以限制。采用上述方法主要考虑到核一段异常压力不发育，声波速度受构造抬升影响较小。相同深度处声波速度值越大，代表其受构造抬升影响越大。建立的深度≤750 m的核一段正常泥岩声波速度与深度的相关关系式为

式（1）～（4）即为建立的核一段正常泥岩声波速度与深度的相关关系式。

3.2 廖庄组声波速度与深度的相关关系

建立廖庄组正常泥岩声波速度与深度的相关关系［参见图4（b）］时，采取与核一段相同的方法。在东庄次凹内选取8口典型井（参见图1），这些井不整合面之上的沉积地层总厚度在整个凹陷内较大，平均为750～950 m，并且现今为最大埋深时期。利用这8口井建立的深度>736 m的廖庄组正常泥岩声波速度与深度的相关关系式为

建立浅部声波速度与深度的相关关系时，在凹陷边缘选取了7口典型井。这7口井不整合面之上沉积的地层总厚度在整个凹陷内较小，平均为450～550 m，并且廖庄组在古近纪末抬升量大于后期沉降量。廖庄组浅部正常趋势为相同深度处对应的最小声波速度值，并且结合了地表声波速度范围。建立的深度≤736 m的廖庄组正常泥岩声波速度与深度的相关关系式为

式（5）～（6）即为建立的廖庄组正常泥岩声波速度与深度的相关关系式。

4 计算结果

4.1 地层埋藏深度异常值计算

基于声波速度与深度的相关关系，存在如下关系式：

式中：k为正常声波速度随深度线性变化的斜率，s-1；v0为地表声波速度，m/s。

深度异常值（ΔD）是指地层现今深度与最大埋藏深度的差值。在建立了核一段与廖庄组正常泥岩声波速度与深度的相关关系后，利用式（7）可以求出各井核一段与廖庄组最大埋藏深度值（D最大），结合各井核一段与廖庄组现今深度就可以计算出地层深度异常值，即

4.2 抬升量计算

因为受不整合面之上新沉积地层影响，计算的深度异常值大小只是地层抬升量的一部分，所以深度异常值减去新沉积地层厚度即为地层抬升量。因此，综合核一段与廖庄组深度异常值、新近纪和第四纪地层厚度即可求出古近纪末核一段与廖庄组的抬升量。即

式中：DU为抬升量，m；DN+Q为新近纪与第四纪地层厚度之和，m。

计算结果显示古近纪末构造抬升作用在南阳凹陷内较发育（图5），牛三门次凹和东庄次凹抬升量均为400～600 m，为研究区内抬升量较小的区域；沿次凹向东西两侧及次凹南部抬升量略有增加，可达到500～700 m；抬升量最大区为凹陷北部斜坡带，可达1 000 m。

图5 南阳凹陷古近纪末地层抬升量等值线图Fig.5 Isogram of uplift magnitude during the late Paleogene in Nanyang Sag

5 讨论

5.1 声波速度与深度相关关系分析

沉积物在沉积之后，随着埋藏深度与温度的增加要经历压实作用与成岩作用等。关于泥质沉积物的压实作用阶段，国外已进行过大量的研究。国外学者根据泥岩孔隙度、泥质沉积物的脱水和矿物的变化将其划分为3～4个阶段［19］。国内学者［19-20］则根据孔隙度和脱水情况将我国东部中新生代含油气盆地压实作用划分为4个阶段。如陈发景等［19］将与南阳凹陷具有相似构造背景和沉积地层的泌阳凹陷的泥岩压实作用划分为4个阶段：早期快速压实阶段、早期缓慢压实阶段、晚期快速压实阶段与晚期缓慢压实阶段。

此次研究借鉴了泌阳凹陷泥岩压实阶段划分的研究成果［19］。从南阳凹陷核一段与廖庄组泥岩的声波速度与深度相关关系图（参见图4）可以看出，当深度为0～600 m时，声波速度随深度增大而增大较快；当深度>600 m时，声波速度随深度增大而增大的趋势变缓。通过与泌阳凹陷泥岩压实阶段划分研究成果对比可知，这一声波速度增大较快段对应早期快速压实段，此段内孔隙水快速排出，孔隙度迅速减小。Athy［21］提出过多种统计的压实模型，在浅层同样具有孔隙度急剧降低的特征。据文献［22］报道，由威利公式可知，由于孔隙流体声波速度小于基岩声波速度，泥岩快速压实段内的声波速度应迅速增加。2个凹陷快速压实段所对应的深度不同，则可能是由于上覆地层岩性及密度不同所致。

南阳凹陷核一段泥岩厚度为600～1 800 m，廖庄组泥岩厚度为700～1 400 m，其声波速度随深度增大而增大的趋势变小。此阶段对应泥岩的稳定压实段，孔隙度缓慢降低，声波速度随深度增大而增大较缓慢。同时，此深度范围内地层温度较低，没有出现化学压实作用。

核一段埋深为1 800～2 000 m，此深度范围内成岩作用以泥岩固结硬化为主，首先是蒙脱石开始向伊利石转化。蒙脱石为书页状结构，内部的结构水相对较多，具有很高的比表面积，很难被压实［10］。蒙脱石转化为伊利石后，声波速度快速增加。同时，在该深度范围内，地层温度为80～85℃，处于蒙脱石向伊利石转化过程中，泥岩中会出现石英胶结物沉淀［23］。正是由于这些化学作用导致泥岩压实程度增大，内部的结构水减少，比表面积降低与易被压实，从而使核一段泥岩声波速度出现随深度增大而快速增大的现象。

5.2 抬升量结果分析

古近纪末构造反转导致整个南襄盆地区域抬升，同一凹陷内表现为西部与北部反转隆升幅度很大，地层剥蚀严重，主控断层处以反转褶皱为主，剥蚀程度小［15］。利用地层构造趋势外推法恢复南阳凹陷古近纪末地层剥蚀量为200～800 m。整体趋势为南部剥蚀量小，北部剥蚀量大，西部剥蚀量小，东部剥蚀量大（图6），符合区域构造抬升特征，说明计算结果合理。

图6 南阳凹陷N/E界面剥蚀厚度等值线图Fig.6 Isogram of denuded thickness for N/E unconformity in Nanyang Sag

5.3 地层抬升对成藏的控制作用

通过对实测压力数据分析，可知南阳凹陷总体为正常压力，但在埋深为1 400～2 500 m段存在部分低压异常，压力系数最小为0.7。层位上，低压异常主要分布于核二3亚段，核二2亚段和核三1亚段分布均次之，核二1亚段分布最少。

低压异常是受多种因素综合作用与影响的结果。金博等［24］认为形成低压异常的作用主要包括地层抬升、剥蚀卸载后的弹性回返、轻烃的释放、断裂和不整合面的压力释放及流体的供排不平衡等。其中弹性回返是学者普遍接受的形成低压异常的主要作用，如百色盆地西部凹陷［25］和松辽盆地北部扶余油层与东南缘的十屋凹陷［26］。综合分析研究区抬升量计算结果与异常压力的分布（图7）可以看出，在魏岗构造带及以北区域地层抬升量较大，也是低压异常主要发育的区域。研究区北部抬升量也很大，但由于地层埋藏变浅，岩性以砂岩为主且断层发育等原因，导致异常压力不发育。

图7 南阳凹陷异常压力与抬升量平面叠合图Fig.7 The abnormal pressure and uplift magnitude in Nanyang Sag

地层抬升期为主要的油气成藏时期。地层抬升后砂体回弹引起的减压增容效应，可以增大储层内油气的储存空间，提高储层物性，而且易形成流体低势区，成为油气聚集的有利场所［27］。南阳凹陷中心与凹陷边缘的差异抬升，可使源岩与圈闭之间产生油气泵吸作用［28］，使油气沿砂体向圈闭大规模充注。南阳凹陷中部的魏岗—北马庄油气构造带油气最富集，其次为东部的张店—黑龙庙构造带，这与构造带后期大规模抬升，临近南部生烃凹陷且具有良好的圈闭条件有关。研究区北部也发生了大规模的构造抬升，但因其异常压力不发育，距离南部凹陷烃源岩较远，构造上向南倾斜而缺少圈闭，导致没有油气聚集。魏岗—北马庄和张店—黑龙庙构造带油藏平面上均分布于异常低压发育区，说明构造大规模抬升引起的减压增容效应及可能的油气泵吸作用为油气向该构造带聚集提供了有利的条件。纵向上，已发现的油气储量主要分布于核二3亚段内，占总储量的60%以上；其次分布于核二2亚段和核三1亚段内，分别占总储量的20%和11%；核二1亚段内分布最少，仅为9%。已发现储量与异常低压在纵向上的分布情况完全一致，同样是不同层段内的低压异常控制该层段内油气成藏的结果。

6 结论

（1）在0～2 000 m深度范围内，南阳凹陷核一段泥岩声波速度与深度的相关关系呈“三段式”，浅部声波速度随深度增大而增大较快，中部增大趋势变慢，深部增大趋势又变快；在0～1 400 m深度范围内，廖庄组泥岩声波速度与深度的相关关系呈“二段式”，浅部声波速度随深度增大而增大较快，深部增大趋势变缓。

（2）古近纪末核一段与廖庄组的抬升与剥蚀作用在整个南阳凹陷均较发育。在牛三门和东庄次凹附近抬升量均为400～600 m，为研究区抬升量最小区域；沿次凹向东西两侧及次凹南部抬升量略有增加，达到500～700 m；抬升量最大区为凹陷北部斜坡带，可达1 000 m。

（3）古近纪末，地层大规模抬升导致魏岗—北马庄构造带核二段异常低压发育。受减压增容效应和油气泵吸作用控制，魏岗—北马庄构造带核二段油藏中油气更富集。

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（本文编辑：李在光）

Quantification of late Paleogene uplift in Nanyang Sag using acoustic velocity

WANG Zhongnan1，LIU Guangdi1，CHEN Wan2，YANG Yuran3，GUO Feifei4，TANG Hui5
（1.College of Geosciences，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.No.3 Oil Production Plant，PetroChina Daqing Oilfield Company，Daqing 163458，Heilongjiang，China；3.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company，Chengdu 629000，China；4.Postdoctoral Research Institute，Henan Oilfield Company，Sinopec，Nanyang 473132，Henan，China；5.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China）

The abnormal pressure is not common in Liaozhuang Formation and the first member of Hetaoyuan Formation in Nanyang Sag,and acoustic velocity is mainly controlled by maximal historical burial depth.Typical wells that located in the center and the margin of the sag were selected to investigate the relationship between acoustic velocity and depth of mudstone of Liaozhuang Formation and the first member of Hetaoyuan Formation,and then the uplift of the late Paleogene was qualified based on velocity-depth trend and velocity data.The result shows that the uplift ranges from 400 m to 1 000 m,the uplift in the western and southern part is relatively low and it increased gradually toward the northeast to about 1 000 m.Based on the analysis of horizontal distribution of uplift,it is considered that the large scale uplift near Weigang-Beimazhuang structural belt caused the occurrence of subnormal pressure.Decompression, increasing in volume and petroleum pumping function during uplift increase reservoirs space,forming lower potential area,thus contributes to oil and gas accumulation.

Paleogene；oil and gas accumulation；acoustic velocity；uplift；NanyangSag

P512.2

A

1673-8926（2014）06-0069-06

2013-12-07；

2014-04-22

国家自然科学基金项目“低渗透砂岩中的天然气分子扩散研究”（编号：41102086）资助

王忠楠（1987-），男，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为油气成藏机理。地址：（102249）北京市昌平区府学路18号中国石油大学地球科学学院。电话：（010）89734480。E-mail：Wang-zhongnan@hotmail.com。