饶阳凹陷洼槽区地层压力特征及成因机制

刘 华, 张丰荣, 蒋有录, 杨徳相, 赵 萌

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 2.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院,河北任丘 062550)



饶阳凹陷洼槽区地层压力特征及成因机制

刘 华1, 张丰荣1, 蒋有录1, 杨徳相2, 赵 萌1

(1.中国石油大学地球科学与技术学院,山东青岛 266580; 2.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院,河北任丘 062550)

根据地层压力实测数据和地层压力模拟计算,对饶阳凹陷洼槽区的地层压力分布特征及其成因机制进行研究。结果表明:饶阳凹陷洼槽区古近系普遍发育超压;纵向上,存在东营组、沙一段和沙三段三套超压层系;可划分为单超压结构和双超压结构,其中双超压结构可细分为上强下弱、上弱下强和上下均势3种类型;平面上,超压中心与洼槽沉积中心相吻合,河间和留西洼槽超压幅度最大;从沙三段到沙一段,南部洼槽区超压规模明显减小,北部洼槽区超压规模略增,超压中心具有从南到北的迁移性;东营组超压成因机制主要为欠压实作用,沙一段和沙三段的超压成因机制为生烃作用与欠压实作用的混合增压机制;由于欠压实与生烃两者对超压的贡献比例差异,造就了研究区多种超压结构并存的现状,并影响了油气的空间分布。

地层压力; 超压结构; 超压成因; 生烃增压; 饶阳凹陷

据不完全统计,世界上近90%的超压盆地富含油气,油气藏的形成、聚集和分布与异常高压关系密切[1-5]。超压的形成与发育机制复杂,对于非挤压型含油气盆地,欠压实和生烃作用是独立形成大规模超压的两种主要机制[5-9],并可以通过地质、地球物理、地化等资料以及物理模拟实验等方法进行成因证实[6,10-11]。然而,地质背景下多因素超压机制的分析及其相对贡献度评价仍很薄弱,限制了超压凹陷中油气运移和聚集的剖析。笔者依据压力测试资料和模拟计算,对饶阳凹陷洼槽区的压力分布特征及其超压成因机制进行分析。

1 地质概况

饶阳凹陷位于渤海湾盆地的中西部,是一个东断西超的箕状凹陷,北接霸县凹陷,南邻新河凸起,东与献县凸起相邻,西到高阳低凸起(图1),勘探面积约5 300 km2,是冀中坳陷最大、油气最富集、勘探成效最高的凹陷[12-15]。该区由老到新发育元古宇、古生界、中生界和新生界多套地层,其中新生界古近系以砂泥互层为主,又细分为孔店组、沙河街组和东营组[16](图1),是重要的烃源岩、储层和盖层的发育层段。马西、任西、河间、留西、饶南等洼槽伴生于凹陷中,形成了多洼共生的分布特色,油气围绕各洼槽呈“环状”分布[12]。

图1 饶阳凹陷构造单元示意图与地层综合柱状图Fig.1 Sketch of tectonic units and comprehensive stratigraphic column of Raoyang Depression

2 地层压力特征及演化规律

2.1 实测地层压力特征

目前,饶阳凹陷有钻杆测试(DST)的压力资料探井334口,数据728个。从实测压力与埋深的对应关系可以看出,地下约2 250 m处的地层流体开始出现异常,随着深度的加大超压幅度逐渐增加,压力系数最高达到1.58。超压流体的分布层系主要集中在东营组和沙河街组,其中沙三段超压幅度最大(图2)。

平面上,任西、马西、河间和留西洼槽均发育超压,但各洼槽的超压顶界面出现深度不同。规模最小的马西洼槽出现超压的界面深度约为2 250 m;任西、留西和河间洼槽超压顶界面深度较大,约为3 000 m。洼槽区异常高压幅度差异明显,河间洼槽最大地层压力系数高达1.58,居各洼槽之首;而任西洼槽的超压幅度最小,压力系数最高值仅为1.32。洼槽区超压发育层段存在差异,任西洼槽以沙一段和沙二段为主,马西洼槽的超压层段为沙一和沙三段,留西洼槽则集中在沙二段和沙三段发育超压,而河间洼槽发育东营组、沙一段与沙三段3个超压层段,是饶阳凹陷超压层段发育最全的洼槽(图2)。

图2 饶阳凹陷不同洼槽实测压力特征对比Fig.2 Testing pressure-depth plot of different sags in Raoyang Depression

2.2 地层压力计算方法选取

测井资料数据准确性高、纵向连续性好、分辨率高,是较理想的地层压力计算资料[17-18],其中声波时差测井受井眼、地层等条件影响较小,且资料较全,受到了广大学者的青睐。

(1)平衡深度法(声波时差法):指欠压实地层中的孔隙度投影至正常压实曲线上的深度,依据为有效应力定理,即上覆地层压力等于岩石骨架与孔隙流体压力之和[18],仅适用于泥岩欠压实作用导致的超压计算,如研究区的东营组及其以上地层。公式为

p=ρwgHe+ρbwg(H-He).

(1)

式中,H为地层埋深,m;He为等效深度,m;ρw为地层水密度,g/cm3;ρbw为地层密度,g/cm3。

(2)伊顿法:由Eaton[19]提出,考虑了除欠压实以外其他异常高压成因机制的作用,如有机质生烃或流体膨胀作用等,适用范围广泛[16，19],如研究区的沙一、沙三烃源岩层系,具体公式为

pp=pv-(pv-ph)(Δtn/Δti)x.

(2)

式中,pv为静岩压力,MPa;ph为静水压力,MPa;tn为正常压实泥岩中的声波时差,μs/m;ti为同一深度实际声波时差值,μs/m;x为伊顿指数,研究区取0.5。

2.3 地层压力剖面特征

根据三维地震资料建立的东西向2个剖面,对各洼槽的地层压力剖面特征进行分析。整体上异常压力发育中心与洼槽区的沉积中心相对应,但在压力和分布层系上存在差异。任西洼槽的超压中心位于洼槽的北部地区,由北向南超压强度依次减弱;层系上,沙一段发育超压,而沙三段压力小于沙一段为弱超压(图3，A-A′剖面)。马西洼槽与任西洼槽正好相反,超压中心位于洼槽的南部,超压强度由北向南依次增强,且沙一段发育弱超压,沙三段底部发育超压系统。

图3 饶阳凹陷部分洼槽剖面压力特征Fig.3 Sectional characteristics of pressure in the sags, Raoyang Depression

河间洼槽包括主洼槽和肃宁次洼,主洼槽为超压中心,仅发育一套连续压力系统,从东营组底部到沙三段底部,压力系数高达1.5;而肃宁次洼仅发育一套弱超压系统,分布在沙三段至沙一段,压力系数最高为1.2。留西洼槽异常高压分布于沙三段底部至沙一段,压力系数高达1.39;横向上,受断层作用的影响,超压分布范围较小,集中分布于洼槽中心(图3，B-B′剖面)。

2.4 地层压力平面展布特征

结合实测地层压力与模拟地层压力,对超压发育的沙一段和沙三段进行分析。平面上,超压分布均与洼槽的沉降中心相吻合,从沉积中心向四周超压幅度逐渐降低,不同层系的超压中心存在一定的迁移性(图4)。4个洼槽区在沙三段均发育面积相当的异常流体压力,压力高值区分布于河间洼槽,其次为留西和马西洼槽,任西洼槽超压幅度最低。沙一段的地层超压幅度具有北强南弱的分布特征,南部的留西洼槽超压范围相对于沙三段大大减小,压力系数迅速降低;河间洼槽的超压幅度略有降低,但是面积大幅减小;相反,北侧的任西洼槽超压范围比沙三段有所扩大,压力幅度略有上升。总体上,从沙三段到沙一段,饶阳凹陷的南部超压规模明显减小,北部超压规模略增,超压中心具有从南到北的迁移性(图4)。

2.5 压力结构类型及分布

饶阳凹陷各洼槽区均发育异常压力系统,但是压力系统的套数不同,分为单超压结构和双超压结构。双超压结构具有上下两套分割的压力系统,依据相对大小可分为3小类:上强下弱型、上弱下强型以及上下均势的双超压结构。

单超压结构是指纵向上仅发育一个超压体的压力结构,以河间洼槽最为典型,如宁古5井,自东三段至沙三段发育一个连续的超压系统,多层系超压但未分割。上强下弱型的双超压结构以任西洼槽最为典型,如任97井,在东营组至沙一段发育超压,压力系数可达1.3以上,而沙三段超压幅度较小,压力系数约为1.2,具有上强下弱的特征。上弱下强型的双超压结构最为普遍,广泛分布于马西、留西洼槽,如马西洼槽的马99井,沙一段显示弱超压特征,最大压力系数为1.15,沙三段则发育超压,压力系数可达1.3。此外,河间、留西洼槽在某些地区显示出上、下压力大小相近的特征,如宁古3井(图5)。

图4 饶阳凹陷沙一段和沙三段地层压力系数等值线图Fig.4 Contour maps showing pressure coefficient in Es1 and Es3, Raoyang Depression

图5 饶阳凹陷不同洼槽压力结构示意图Fig.5 Map showing pressure structures in different sags, Raoyang depression

研究区超压层系往往与烃源岩层系、泥岩含量高的地层相匹配,超压顶部往往为低孔渗性的泥岩组成封隔层,而上下双超系统之间的低压区主要为储集性能良好的砂岩储层,录井显示具有良好的含油性。由于河间洼槽的沙二段地层非常薄,导致流体快速向内泄压,也具有较高的压力数值,形成了与沙一—沙三的连续超压。

3 洼槽区超压成因

超压分布特征及结构差异是多种超压成因机制作用的结果。超压发育机制可概括为3大类:与应力有关的生压过程,包括垂向欠压实作用和侧向构造挤压等;孔隙流体引起的增压过程,包括生烃作用、黏土矿物脱水、原油裂解生气等;以及流体流动和浮力引起的增压[1，20-24]。结合饶阳凹陷自身特色,欠压实和生烃作用在洼槽区的超压成因中占有重要地位。

3.1 欠压实作用对超压形成的影响

欠压实作用是指泥质岩类在压实过程中由于压实流体未能及时排出或排出受阻,使流体承受了上覆地层的负荷。欠压实地层通常具有较高的孔隙度和较低的岩石密度,可以利用声波测井和密度测井资料识别。以河间洼槽宁303井为例,东营组以及沙一段均发育弱超压,其中东营组弱超压段的泥岩密度值低于正常幅度,而声波时差值高于正常趋势,具有欠压实增压的特征(图6);沙一段的弱超压段声波时差值高于正常趋势,但是泥岩密度值与正常幅度相近,欠压实作用不如东营组典型。由于饶阳凹陷东营组未进入生烃门限,而沙一段在局部洼槽已进入了生低熟油阶段,因此东营组的异常高压成因机制主要为欠压实作用,而沙一段相对较复杂。

图6 饶阳凹陷宁303井超压成因Fig.6 Genetic of overpressure in well Ning303, Raoyang Depression

厚层泥岩是欠压实产生的因素之一。饶阳凹陷出现超压的层段岩性较一致,均以砂泥互层为主,但是泥岩含量略有不同。整体上,泥质含量最高的沙一段分布于马西洼槽,达到了78.8%,留西、河间、任西洼槽的泥地比分别为69.4%、63.6%以及63.4%,而各个洼槽的沙三段的泥地比均约为60%。统计分析认为,各个洼槽超压发育的幅度与岩性组合的相关性并不明显。

根据前人研究,沉积速率大于200 m/Ma是产生欠压实作用的基本条件[20-21]。据此对饶阳凹陷各洼槽区的沉积速率进行统计。结果表明,东营组、沙一段和沙三段作为饶阳凹陷的主力超压层系均具有大于200 m/Ma的沉积速率,具备欠压实增压的地质条件(表1)。其中任西洼槽东营组沉积速率最大,高达866.5 m/Ma,其次为河间洼槽东营组地层,沉积速率可达554 m/Ma,证明了东营组欠压实作用产生的优势。

表1 饶阳凹陷各洼槽主力超压层系的沉积速率统计

此外,基于东营组沉积速率和埋深的差异,欠压实作用所产生的超压幅度各不相同。以河间和留西洼槽区为例,当沉积速率大于200 m/Ma小于500 m/Ma时,欠压实作用产生的地层压力系数较小;当沉积速率大于500 m/Ma时,随着沉积速率的增大,地层压力迅速增高,超压现象明显,可以独立作用形成规模分布的超压流体。

3.2 生烃增压作用

前人研究表明,生烃作用是富油沉积盆地中可以单独形成大规模超压的重要机制,在实验室模拟和数值模拟中得到了证实[23-26]。为了检验生烃对饶阳凹陷超压的贡献,从以下几点进行证实。

3.2.1 生烃区与非生烃区的超压对比

基于欠压实作用相似、生烃能力不同的两口井,对比压力进行验证。以任西洼槽中心的淀27井与洼槽边部的淀36井为例,两者在沙一段泥岩声波时差所显示出的欠压实程度相似,但是计算地层压力值显示淀27井压力系数为1.23,淀36井为1.14,存在差异(图7)。对比两口井可知,淀27井的沙一段已经进入生烃阶段,而淀36井的沙一段未生烃,表明了生烃作用是两者压力差异的主要原因。

图7 饶阳凹陷淀36、淀27井压力特征对比Fig.7 Correlation of pressure-depth in wells Dian36 and Dian27, Raoyang Depression

3.2.2 超压结构与生烃层系的对比

饶阳凹陷沙一段与沙三段是主力烃源岩层段,与异常压力发育层段正好相对应,而各洼槽区的超压结构与上下两套烃源岩的生烃强度相一致,展示出生烃对洼槽区超压形成的重要作用。例如,任西洼槽沙一段烃源岩的生烃强度高于沙三段烃源岩,而马西、留西、河间洼槽的沙三段烃源岩生烃强度高于沙一段烃源岩,与这4个洼槽上下压力的相对强弱相一致(图8)。此外河间洼槽沙三段烃源岩的生烃资源量达18.6亿t,生烃强度为饶阳凹陷各洼槽之首,与其压力系数最高值相对应,表明了生烃对超压形成的重要作用。

图8 饶阳凹陷不同洼槽生烃强度与压力结构关系Fig.8 Pressure structure and hydrocarbon-generation quantity in different sags, Raoyang depression

3.2.3 烃源岩生烃能力与超压幅度

当生烃作用与超压成因相关时,烃源岩生烃能力必然会影响超压发育的规模。因此用成熟度指标镜质体反射率(Ro)代表生烃能力,对饶阳凹陷沙三段压力系数和剩余压力与Ro关系进行量化分析(图9)。结果表明,随着Ro的不断增高,地层压力系数和剩余压力都会不断变大。当Ro小于0.7时,地层压力系数和剩余压力随Ro的变大增加缓慢,且压力系数较低,均小于1.2;当Ro大于0.7进入生成熟油阶段时,随着Ro的变化压力系数呈指数增加,揭示出生烃作用对烃源层系异常高压形成的重要性。

图9 饶阳凹陷沙三段Ro与压力系数和剩余压力关系Fig.9 Relationship between Ro and pressure coefficient and residual pressure in Es3, Raoyang Depression

3.3 超压成因的差异性

欠压实作用和生烃作用作为饶阳凹陷两种重要的超压成因机制,受沉积速率和生烃强度等因素的影响,在不同洼槽以及不同层段的相对重要程度存在差异。

由于饶阳凹陷东营组沉积速率较大,且未达到成熟生烃,因此欠压实作用是异常压力形成的主要机制,但超压规模较小,压力系数多小于1.2。沙河街组的超压成因机制复杂,且在各洼槽区存在差异。任西洼槽沙河街组沉积速率较低,欠压实增压的比例较小,超压层系与烃源岩的生烃能力对应较好,增压机制以生烃作用为主。马西和河间洼槽的沙河街组沉积速率均较大,由于沙一段生烃量较小,超压成因以欠压实作用为主、生烃作用为辅;而沙三段源岩热演化程度较高,生烃增压贡献大,是以生烃作用为主、欠压实作用为辅的混合增压机制。留西洼槽沙一段同时具备欠压实与生烃增压的地质条件,单一因素不占优势;沙三段由于生烃能力增加,欠压实增压在超压贡献中所占的比例逐渐降低,以生烃增压为主导。

整体而言,饶阳凹陷各洼槽区由欠压实作用单独形成的增压幅度较低,压力系数较大的超压区均对应着有效生烃且生烃能力越大的烃源岩系,因此以生烃增压为主要机制的超压区及其周围是寻找油气的主要目标区。

4 结 论

(1)饶阳凹陷洼槽区异常流体压力发育,分布不均。纵向上,沙三段超压幅度最大,其次为沙一段和东营组;平面上,超压中心与洼槽沉积中心相吻合,从沙三段到沙一段,南部洼槽区超压规模明显减小,北部洼槽区超压规模略增,超压中心具有从南到北的迁移性。

(2)饶阳凹陷各洼槽区超压的纵向叠置关系不同,发育单超压结构和双超压结构,其中双超压结构又细分为上强下弱型、上弱下强型和上下均势型3类;河间洼槽发育单超压结构,任西洼槽发育上强下弱型双超压结构,马西、留西洼槽则主体发育上弱下强型双超压结构,局部地区的沙一和沙三超压幅度相近,存在上下均势双超压结构。

(3)饶阳凹陷洼槽区东营组超压是欠压实作用的结果,超压幅度普遍较小;沙河街组超压为生烃和欠压实共同作用的结果,生烃增压的相对贡献量决定了超压幅度的大小,也影响了各洼槽的超压结构类型,并控制了油气的空间分布。

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(编辑 徐会永)

Characteristics and genetic mechanism of formation pressure in sags of Raoyang Depression

LIU Hua1, ZHANG Fengrong1, JIANG Youlu1, YANG Dexiang2, ZHAO Meng1

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,HuabeiOilfieldCompany,PetroChina,Renqiu062550,China)

Using pressure data and simulation results of fluid pressure, this study analyzed the distribution of abnormal pressure and the contribution of disequilibrium compaction and hydrocarbon generation to overpressure in Raoyang Depression. The results show that overpressure is widely developed in Raoyang Depression, but the scale of overpressure varies significantly in different sags. Vertically, overpressure exists in Paleogene, including Ed, Es1and Es3. There are four types of overpressure structures in Paleogene, including the single pressure structure and three double overpressure structures: the upper pressure stronger than lower, lower pressure stronger than upper, and upper pressure equally close to the lower pressure. In plane, overpressure center is corresponding to the depositional center in four sags, of which Hejian and Liuxi sags developed the strongest overpressure. Overpressure centers migrate through time from Es3Formation to Es1Formation, and the overpressure scale is significantly reduced in the southern sags, while slightly increased in the northern sags. For Dongying Formation, disequilibrium compaction is the main mechanism generating overpressure, whereas for Es1and Es3Formations, both disequilibrium compaction and hydrocarbon generation are the main mechanisms. The different contribution ratio of the disequilibrium compaction and hydrocarbon generation to overpressure leads to various structures of overpressure that coexist and affect the distribution of hydrocarbons.

formation pressure; pressure structure; overpressure mechanism; hydrocarbon generating pressurization; Raoyang Depression

2016-01-25

国家自然科学基金项目(41502129);国家重大专项(2016ZX05006-003);中央高校基本科研业务费专项(14CX05015A)

刘华(1977-),女,副教授,博士,研究方向为油气藏形成机理与分布规律。E-mail:liuhua_rjl@163.com。

1673-5005(2016)04-0037-10

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.04.005

TE 122.1

A

刘华,张丰荣,蒋有录,等. 饶阳凹陷洼槽区地层压力特征及成因机制[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(4):37-46.

LIU Hua,ZHANG Fengrong,JIANG Youlu,et al. Characteristics and genetic mechanism of formation pressure in sags of Raoyang Depression [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2016,40(4):37-46.