阜康凹陷侏罗系压力系统特征及对油气分布的影响

曾治平

（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院西部分院，山东 东营 257000）

阜康凹陷侏罗系压力系统特征及对油气分布的影响

曾治平

（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院西部分院，山东 东营 257000）

准噶尔盆地阜康凹陷及其周缘是盆内油气富集区之一，区内含油层系普遍发育异常高压。通过实测压力标定，结合有效应力方程计算区内砂岩和泥岩压力值，划分了4个超压系统，即头屯河组、西山窑组、三工河组、八道湾组超压系统，不同超压系统之间存在过渡带。通过油源对比和断裂活动演化研究，认为超压是断层再次活化输导的主要动力，它控制了含油层系的富集程度。

异常高压；有效应力方程；超压系统；物性条件

0 引言

阜康凹陷位于准噶尔盆地南缘东侧，北部为白家海凸起，南邻北天山山前皱褶带，东侧为帐北断褶带，西侧为莫南凸起，与沙湾凹陷相毗邻。凹陷内构造相对稳定，古生代以来长期处于沉降中心，因此地层沉积序列较全。区内勘探历史较短，从勘探成效来看，凹陷内主要目的层在中生界侏罗系，目的层油气显示丰富，区内多口井见到工业油流，显示其较广阔的勘探前景。而且试油结果表明侏罗系普遍发育异常高压，从前人研究认识来看，储层发育异常高压，其含油程度高，表明异常高压与油气分布关系密切。

针对准噶尔盆地异常高压成因机理、发育演化、超压系统特征的研究成果较多［1-3］，但针对超压系统与油气输导、运移、聚集过程的研究，却偏向于过程描述，缺乏精确的、定量的刻画。笔者以实测压力为标准，根据有效应力方程原理，分别建立砂岩和泥岩的地层压力模型，精细划分凹陷内压力系统；并通过剩余压力的研究，提出超压对早期封闭断层的活化认识，结合源储压差和储层物性条件，提出了超压环境油气充注强度概念，解释了超压环境下不同储层含油程度的差异性特征，可为油气富集目标的预测提供参考。

1 现今温压场特征

1.1 地温场

地温场作为油气成藏过程中的重要地质要素之一，反映的是地球内部热能通过热导率不同的岩石在地壳上显示的结果，对于油气成藏期次、源岩生烃演化等具有重要的指示意义。

阜康凹陷地层序列全，埋深大，自古生代以来长期处于沉降中心，凹陷中心仅中生界地层厚度就超过了3 000 m，因此，前人依据磷灰石裂变径迹等测试手段，结合地层现今温度测试结果，一致认为准噶尔盆地中生界以来属于“冷盆”［4］。从阜康凹陷钻遇侏罗系井位的试油资料来看，凹陷内侏罗系地层温度为104～137℃（见图1），参考准噶尔盆地年平均地表温度，折算成地温梯度的范围为2.03～2.31℃/100 m，这与前人认为的“冷盆”观点一致。

图1 阜康凹陷侏罗系深度与地层温度、地层压力、压力系数的关系

1.2 压力场

盆地内压力场与油气分布关系一直是国内外学者研究的重点，特别是超压盆地，很多学者认为异常高压与油气分布有十分密切的关系［5-7］。而从阜康凹陷内的部分钻井试油数据来看（见表1），侏罗系地层压力分布复杂。

表1 阜康凹陷部分探井实测地层温度、压力

首先，从层位上来看，不管是三工河组还是头屯河组，既有常压也有超压甚至强超压发育［3，5-6，8］。例如：董701井在5 252.3～5 265.8 m的三工河组测试地层压力为53.18 MPa，压力系数αp为1.03，属于常压范畴，而董6井在相近深度范围内测试地层压力则高达109.50 MPa，压力系数为2.10，明显处于强超压范畴；其次，从深度上来看，压力分布也极为复杂。尽管工程上的试油主要是针对主要砂体目的层，但纵向上不同储层内的地层压力变化依然非常大（见图1）。就测试压力与深度关系来看，除处于静水压力环境之外，不同储层超压还表现出另外一种特征，即阜康凹陷侏罗系异常高压可划分为3个压力环境，压力系数分别为1.67，1.92，2.17，这种压力分布特征可能与阜康凹陷中生界断裂发育的差异性有关［3，5，9］。同时，这种压力特征通常表示不同储层之间缺乏有效的连通，也就是说凹陷内侏罗系储层具有独立成体系的基本条件，而这与目前阜康凹陷复杂的含油气分布具有一定的相关性。

2 地层流体压力系统特征

应用地层测试等技术手段，对阜康凹陷侏罗系温压场特征有个初步的整体认识。但是，阜康凹陷侏罗系不同储层的压力分布复杂，难以有效地划分压力系统，分析压力系统与油气分布的关系也难以实现。目前用于压力的计算方法有：1）利用泥岩声波计算泥岩压力，并采用砂岩测试压力进行标定。但这种方法并不具有代表性，误差往往较大。2）利用盆模法计算砂岩压力，利用试油实测压力进行校正。但这种方法主观性又太强，往往每口井的校正系数都不一样。因此，需要一种能同时针对砂岩和泥岩进行计算的理论模型。

2.1 砂、泥岩地层流体压力计算模型

现有的压力计算模型都是统计性模型，主要是利用波速来预测地层压力。方法有很多种，包括现行常用的等效深度法、正常压实趋势法、压力梯度法、菲利普恩法以及斯通法等［10-11］，这些计算方法多以砂岩为目的层，但在实际计算当中，往往受岩相、地震品质、剥蚀等影响，精确度受限。而自特察（Terzaghi）于1923年提出饱和土有效应力原理以来，因其实用性得到广泛应用，模型公式为

式中：pov为上覆地层压力，MPa；σ为有效应力，MPa；pf为孔隙流体压力，MPa；α为有效应力系数；ρ为不同岩性的地层密度函数（可就砂岩、细砂岩、泥岩分别构建函数进行计算），g/cm3；h为计算点深度，m；A为校正系数，依据孔渗与声波得到；B为岩石骨架声波时差值，s/ m；C为岩石骨架与流体骨架综合计算值；Δt为声波时差，s/m。

为了便于计算砂岩和泥岩地层压力分布，依据式（2）构建砂岩和泥岩函数关系，通过深度关系计算上覆地层压力。有效应力又与多项参数有关，依据砂岩和泥岩骨架声波的差异性，求取各项参数，将式（3）变形得到：

式中：k为校正系数，依据孔渗与声波得到；Cp为声波时差校正系数；Δtm为岩石骨架的声波时差，s/m；φ0为地表孔隙度。

结合阜康凹陷侏罗系地层沉积序列特征，分别对阜康凹陷侏罗系砂岩和泥岩有效应力方程参数进行取值（见表2）。

2.2 侏罗系纵向地层压力系统

以实测压力为依据，应用特察理论模型，计算了阜康凹陷及邻近地区侏罗系不同层段的砂岩和泥岩地层压力。以砂岩地层压力为代表，侏罗系划分出了4个异常高压系统和顶底2个常压系统，其中4个异常高压系统依据压力幅度自上而下可进一步细分为J2t强超压系统、J2x超压系统、J1s强超压系统和J1b强超压系统，不同超压系统之间由封隔层分隔（见图2）。

表2 阜康凹陷侏罗系地层有效应力方程参数取值

图2 阜康凹陷压力系统划分

J2t强超压系统为侏罗系头屯河组内部发育的超压系统，其典型特征就是压力幅度较大。例如：凹陷中心的董1和董3井，在头屯河组测试压力分别高达93.62，97.60 MPa，转换成压力系数分别为1.96，1.69；而在董1井邻近地区的董101井，实测压力为46.69 MPa，转换成压力系数为1.02，处于常压范围；在凹陷东北向和东南向的斜坡带，头屯河实测地层压力均处于常压范围，压力系数在1.06～1.08。结合沉积相与断层研究认识［3，5，12］，推测J2t强超压系统的发育可能与沉积相展布和油源断层发育有关：董3地区头屯河组发育滩坝类孤立砂体［8-9，13］，且邻近八道湾组的油源断层，地层压力的垂向传递，形成阜康凹陷J2t强超压系统；而斜坡带发育广泛连通的三角洲砂体，来源于八道湾组的深层超压通过断层向高部位释放，斜坡带保留常压环境。

J2x超压系统指的是发育于西山窑组内的异常压力系统。依据计算与实测压力对比结果，西山窑组异常高压幅度明显偏小，压力系数在1.10～1.50。西山窑组发育煤线，砂岩含量少，砂泥比约为0.6，对于压力的传导不利，可能是其压力幅度偏小的原因。

J1s强超压系统指的是三工河组超压系统。三工河组储层发育，压力测试数据较多，通过标定计算模型，结果表明其压力幅度明显较J2x压力系统高。如董7井在5 278.4 m测得地层压力为101.96 MPa，压力系数为1.97，董6井在相近层段测得压力系数高达2.10的强超压。从压力系统纵向分布来看，J1s超压系统与阜康凹陷中生界超压源八道湾组相接触，且三工河组砂岩体积分数大，分布广，在断层或裂缝沟通作用下，比较容易形成强超压，但在缺乏断裂沟通层段时，压力也可表现为常压。如董701井，在5 252.3 m测得压力系数为1.03的常压。

J1b强超压系统对应的是八道湾组超压系统。八道湾组为阜康凹陷有效的源岩层系之一，源岩的生烃演化为其上地层的超压发育提供了超压源［1-2，5］，因此，八道湾组内部发育的砂岩极为容易表现为强超压特征。另外，对比砂岩和泥岩地层压力分布特征可以看出：整个侏罗系齐古组到三工河组不同程度地发育泥岩，但对于超压的贡献并不明显，主要表现为封隔层的特征；而八道湾组泥岩的超压幅度明显高于其内砂岩的超压幅度，也进一步说明了八道湾组源岩为侏罗系最为重要的超压源。

2.3 压力系统横向分布

阜康凹陷的4个超压系统在横向上分布范围不同（见图3）。受沉积相展布影响，上部的头屯河组超压系统的分布与砂体展布密切相关，洼陷带孤立砂体成为独立的超压系统，斜坡带砂体连续展布，超压幅度偏小，向东延伸到阜东斜坡带；西山窑组超压系统超压幅度偏小，受岩相特征影响，分布范围局限在洼陷带附近；三工河组超压系统分布较广，且较为连续；八道湾组超压系统横向连续展布，但横向具有穿时的特点。

图3 阜康凹陷东西向压力系统剖面

3 压力系统与油气分布的关系

3.1 超压系统

油源地球化学测试对比结果表明，区内侏罗系原油主要来源于八道湾组烃源岩［2，14］，同时该套烃源岩也是阜康凹陷地层超压的主要来源［2-3］。在超压发育演化过程中，伴随油气的生成、运移和聚集，对区内油气的分布具有十分重要的影响。从实际钻探效果来看，油气的分布与压力系统关系密切，4个超压系统均钻遇油层，但是从超压幅度来看，具有超压幅度越大油气显示越丰富的规律。以洼陷带试油层段较多的头屯河组超压系统为例：位于洼陷带沉降中心的董6井，在头屯河试油显示为油花，压力系数为1.10（见表1），表现为常压-弱超压特征；而在董1和董3井的头屯河组，试油计算压力系数分别为1.72和1.69，对应的产量分别为21.3，3.8 t/d。

3.2 油源断层与超压系统的沟通

烃源岩热演化研究与储层包裹体均一温度测试表明，该地区油气主成藏期为新近纪—现今［8，13-15］，但构造解释证实，区内主要断层断至侏罗纪晚期或白垩纪早期（见图4），说明晚期构造活动并不强烈。这种成藏期晚于断层活动的矛盾，是超压流体晚期活化断层的典型案例，多见于超压盆地［6，8，14］。综合分析断层发育特征与压力系统分布，侏罗系头屯河组孤立砂体要形成油气聚集，则说明断层晚期依然是油气垂向沟通的通道；而超压对早期闭合断层的活化或重新开启的作用，国内外均有相关论述［7］。从阜康凹陷压力分布规律及发育强度来看（见图2，3），董3井头屯河组孤立砂体内的实测剩余压力高达41.20 MPa，统计模型计算董3井八道湾组剩余压力大概在42.40～51.20 MPa，具备垂向传导的能量基础。另外，邻近的董1井在头屯河组也测得剩余压力为36.10～44.80 MPa，与董3井具有类似的特征，因此可以推测，阜康凹陷内侏罗系八道湾组发育的强超压对于断层的晚期活化具有重要的促进作用。

图4 阜康凹陷东西向油藏地质剖面

4 结论

1）阜康凹陷侏罗系现今温压场具低温超压特征。试油测温显示侏罗系地温梯度在2.03～2.31℃/100 m，具低温特征。压力分布复杂，静压和超压均有分布。除处于静水压力环境之外，不同储层超压还表现出另外一种特征，即阜康凹陷侏罗系异常高压可划分为3个压力环境，压力系数分别为1.67，1.92和2.17。

2）压力系统纵向可划分4个超压系统，分别为头屯河组、西山窑组、三工河组、八道湾组超压系统，不同层间压力系统存在强度的差异；横向上压力系统具穿时特点，上部超压系统受岩相控制，发育多个不连通压力系统，下部发育较强超压系统。

3）超压系统与油气分布关系密切，同一超压系统背景下，超压幅度越大，能量越强，油气显示越丰富；断层与超压系统的沟通，造成油气垂向运移，形成纵向多层系含油特征。

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（编辑 史晓贞）

Characteristics of formation pressure system and its effect on petroleum distribution in Jurassic of Fukang Sag

ZENG Zhiping
(Western Branch of Research Institute of Exploration and Development,Shengli Oilfield Company,SINOPEC, Dongying 257000,China)

The Fukang Sag and its periphery in the Junggar Basin are the oil and gas enrichment areas in the basin,and the oil layer generally develops abnormally high pressure.Four overpressure systems are classified through the measured pressure calibration combined with the effective stress equation which is used to calculate sandstone and mudstone pressure of the area.The four systems are Toutunhe Formation,Xishanyao Formation,Sangonghe Formation,Badaowan Formation overpressure systems,and there is a transition zone between different overpressure systems.Based on the oil source contrast and the fault activity evolution,it is considered thatthe overpressure is the main driving force of the re-activation of the fault and the main controlling factor of the enrichment of the oilbearing layer.

abnormal pressure;effective stress equation;overpressure system;physical property

国家科技重大专项课题“准噶尔盆地碎屑岩层系油气富集规律与勘探评价”（2016ZX05002-002）

TE122

A

10.6056/dkyqt201703009

2016-11-01；改回日期：2017-03-12。

曾治平，男，1977年生，高级工程师，博士，主要从事石油地质与油气成藏研究工作。E-mail：zengzhi_ping@163.com。

曾治平.阜康凹陷侏罗系压力系统特征及对油气分布的影响［J］.断块油气田，2017，24（3）：337-341.

ZENG Zhiping.Characteristics of formation pressure system and its effect on petroleum distribution in Jurassic of Fukang Sag［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：337-341.