东濮凹陷北部地区温压系统与油气分布的关系

2019-04-29信凤龙蒋有录刘景东

石油化工高等学校学报 2019年2期

信凤龙，蒋有录，刘景东，孙波，景琛

（中国石油大学（华东）地球科学与技术学院,山东青岛266580）

地层温度和地层压力作为油气成藏环境的两个重要物理参数，直接或者间接地影响油气生成、运移、聚集和保存等一系列地质历史事件，并最终与油气分布关系密切。地层温度对有效烃源区的分布和油气生成具有明显的控制作用[1]，同时影响着孔隙流体压力的变化，进而会控制油气的运移和分布[2⁃3]。冯昌格等[4]在研究塔里木盆地中央隆起区现今地温场分布特征与油气的关系中认为，现今地温场特征与油气田分布具有良好的对应关系，已探明的油气田往往位于相对高温区。张功成等[5⁃6]提出源热共控油田、气田和油气田在空间上的有序分布。Z.Chen 等[7]发现加拿大 Beaufort⁃Mackenzie盆地中已探明的油气田与盆内高温区域有很好的对应关系。

地层压力是地下流体动力场最直接的表达，控制着成藏过程和油气的分布。蒋有录等[8]通过研究渤海湾盆地压力场与油气分布的关系发现，平面上，油气往往与超压中心相伴生，围绕着超压中心四周富集，纵向上，主力含油层系往往分布于紧邻超压层段的常压层系或过渡层系。周东红等[9]研究辽西和辽中地区，发现天然气藏主要分布于异常高压带的内部，油藏主要分布于异常高压带内部或异常高压带边缘。谭绍泉等[10]研究表明，准噶尔盆地超压顶界面附近是研究区油气主要富集层段。刘金水等[11]通过研究西湖凹陷平湖构造带压力场特征与油气分布的关系，发现研究区油气日产量的70%～80%集中在压力过渡带和正常压力带内。此外，国内外学者从压力结构方面对油气分布进行研究，根据压力结构特征将沉积盆地的压力结构划分为3种：突变型、渐变型和叠置型，不同类型压力结构中油气的分布特征不同[12⁃15]。对于具有突变型压力结构的盆地，油气一般富集于封闭层底部，也可在浅部常压系统聚集；对于具有渐变型压力结构的盆地，压力过渡带内部和上部是最有利的油气富集区带；对于叠合型压力结构，一般上部超压系统油气最为富集。

地温⁃地压系统以整体的、耦合的观点将地层温度和地层压力放入一个系统内进行综合分析。刘震等[16⁃17]通过对中国含油气盆地地温⁃地压系统研究认为，高压型复式温压系统和低压型复式温压系统内油气聚集效率高，油藏规模和油气储量也较大，单一型温压系统内一般不易聚集大规模油气。付鑫等[18]利用地温⁃地压系统原理剖析了潜江凹陷潜江组温压场与油气分布的关系，认为已发现的油气主要富集在常温常压区。

前人对于东濮凹陷的相关研究多为单一的温度或压力[19⁃22]，并没有将温度和压力作为一个系统与其油气分布规律进行研究。为此，本文在地温场、地压场研究的基础上，明确了东濮凹陷温⁃压系统特征及其与油气分布规律的关系。同时，东濮凹陷作为渤海湾盆地中膏盐岩特别发育的富油气凹陷[23]，其油气分布是否符合传统的温⁃压场与油气分布，也值得进一步探讨。

1 地质背景

东濮凹陷位于中国东部渤海湾盆地临清坳陷东南部，呈北北东走向，面积为5 300 km2。白庙⁃桥口⁃高平集为界以北为东濮凹陷北部地区，其构造演化经历了上隆（前古近纪）、初期裂陷（古近系沙河街组沙四段沉积期）、强烈裂陷（沙三段沉积期）、萎缩（沙二段沉积期）、稳定下沉（沙一段沉积期）、收缩（古近系东营组沉积期）和消亡⁃坳陷（新近系馆陶组沉积期至今）等多个发展阶段[24]。古近系作为研究的主要层系，厚约6 km，为一套湖泊相的含盐碎屑岩沉积体系[25]，其中沙三段是东濮凹陷北部主力供烃和储油气层系，以发育暗色泥岩、油页岩和粉砂岩薄夹层为主，可细分为沙三上、沙三中和沙三下3个亚段。沙三下亚段沉积时期盐湖中心处于文留地区，盐岩最为发育；沙三中亚段盐岩厚度中心向北迁移，呈现出向文留北部、卫城和马寨地区扩张的趋势；沙三上亚段沉积期盐湖面积缩小，以灰色、灰绿色砂泥岩沉积为主。受兰聊、黄河及长垣3条基地大断裂差异活动的影响，由东向西分别为兰聊断裂带（东部陡坡带）、前梨园洼陷带、中央隆起带、海通集洼陷带和西部斜坡带，具有“东西分带、南北分块”的构造特征[26]，已发现的油气主要分布在凹陷北部的中央隆起带和西部斜坡带（见图1）。

图1 东濮凹陷构造单元划分及油气分布Fig.1 Division of tectonic units and hydr ocar bon distribution in Dongpu depression

2 地温⁃地压系统特征

2.1 地温场特征

东濮凹陷北部地温梯度值为26.1～36.2℃/km，地温梯度等值线与盆地构造走向一致，为北东⁃北北东方位分布。受断层活动、膏盐发育特征的影响，热流体在不同构造带的热传导作用不同，中央隆起带地温梯度高，最高可达35.0℃/km，其次为西部斜坡带，地温梯度为32.0～34.0℃/km，而前梨园洼陷及海通集洼陷地区地温梯度较低，基本在30.0℃/km左右，前梨园⁃文东地区的平均地温梯度为29.5℃/km[27]。

由于沉降及构造演化特征各异，同一构造界面在不同构造单元具有不同的埋藏深度，加之地温梯度演化特征也不尽相同，共同导致东濮北部不同构造单元同一构造界面的现今地温特征差异较大。东濮凹陷北部地区古近系底界等温线呈北东向展布，呈现出前梨园及海通集洼陷中心附近温度高，中央隆起带及西部斜坡带温度低的特点[19]。

2.2 压力场特征

对于地压场，为消除深度对压力影响，采用压力系数来描述地压场平面变化。目前，学界对于压力划分方案有不同的标准[28⁃29]，本文将 0.9、1.2和 1.7作为压力系数分界值。

通过统计试油测试资料和利用声波时差法计算古近系现今地层压力发现，东濮凹陷北部地区实测地层压力分布与构造格局、沉降中心相对应，具有东南部高西北部低、东西分异的特点。平面上，压力场的变化较大，高压、超高压主要分布在深洼部位和构造高部位的翼部，如文东、前梨园、海通集等地区；常压⁃弱超压主要分布于控洼断层附近及构造抬升区，如濮城、卫城地区；西斜坡地区基本为常压区[25]。纵向上，地层压力随深度增加而逐渐增大，并存在明显的分带性，沙一段及以上地层基本上为常压，超压主要分布于沙一段及沙三段盐岩以下地层，部分无盐区也在沙一段以下存在不同程度的超压现象，超压出现的深度在3 000 m左右，部分地区在深层存在超压减弱现象。

2.3 温压系统特征

2.3.1 温压系统纵向分布特征基于东濮凹陷北部地区温度和压力的实测数据，对其温⁃压系统进行划分和厘定。

图2为东濮凹陷北部地区不同构造单元温压系统类型。由图2可知，东濮凹陷北部地区主要存在两种类型的温⁃压系统，一种是常压型温⁃压系统，另一种是高压型复式温压系统。常压型温⁃压系统主要分布于胡庆⁃马寨地区，在整个埋深范围内，地层温度和地层压力呈单一的线性关系，不存在转折和错开现象，地层压力为静水压力。高压型复式温压系统主要分布于濮卫地区、文留地区和桥白地区，其浅部均为静压型温⁃压系统，深部为超压型温⁃压系统，两个系统的界限十分清楚，温⁃压直线的斜率差别较大，濮卫地区分界大约在3 000 m深度，文留地区和桥白地区分界大约在3 200 m深度，由图2还可以看出，深部温⁃压关系斜率更大，说明超压现象更强烈。

图2 东濮凹陷北部地区不同构造单元温压系统类型Fig.2 Types of geothermal⁃geopressure systems of dif⁃fer ent tectonic units in north par t of Dongpu sag

2.3.2 温压系统平面分区划分方案为了更好地反映地温场和地压场的相对变化，采用地温异常值和压力系数来对各含油层系的温压系统平面分区图进行表征[18,30]。其中，地温异常是指某深度处的实际地温与全区相同深度根据平均地温梯度折算的地温的差值，在研究中，将地温异常大于4℃的地区称为高温区，小于-4℃的地区称为低温区，-4～4℃的地区称为常温区；将地层压力系数大于1.1的地区称为高压区，小于0.9的地区称为低压区，压力系数为0.9～1.1的地区称为常压区。据此，理论上可将地温⁃地压系统在平面上划分为9种类型，即:高温高压区、常温高压区、低温高压区、高温常压区、常温常压区、低温常压区、高温低压区、常温低压区、低温低压区，各个分区的流体能量依次递减。

2.3.3 温压系统平面分布特征东濮凹陷北部地区古近系的地层压力系数大于0.9，低压不发育，以常压和高压为主，地温发育高温、常温和低温，结合主要含油层系的地温异常和地层压力系数特征，沙三上亚段温压系统可以分为4种类型：高温高压区、高温常压区、常温常压区和低温常压区（见图3（a））。沙三下亚段可以分为5种类型：高温高压区、常温高压区、高温常压区、常温常压区和低温常压区（见图3（b））。沙三上亚段和沙三下亚段温压系统特征相似，海通集洼陷和前梨园洼陷为高温高压区，西部斜坡带和中央隆起带以低温常压区和常温常压区为主。沙三下亚段高温高压区的展布范围更大，并且在文留与前梨园洼陷过渡带发育常温高压区，在桥白地区和濮城地区分别发育常温高压区和高温常压区，沙三上亚段在桥白地区和濮城地区为常温常压区。

图3 东濮凹陷北部地区温压系统平面分布Fig.3 Plane distribution of geothermal⁃geopressure system in north part of Dongpu sag

3 温压系统与油气分布的关系

温压系统的内部结构和能量特征决定了系统内部流体的运动样式，通过温压系统的研究可以从剖面上和平面上分析地温场、地压场的联合作用对油气运移聚集的影响。

3.1 纵向温压系统与油气分布的关系

温压系统的纵向特征对油气纵向上的运聚和分布具有重要的控制作用。西部斜坡带主要发育单一型温压系统，从现今油气垂向分布状况分析，单一型温压系统内油气藏主要分布于层位较老的沙三中和沙三下亚段，与该区的主要生烃层系相对应，胡庆二台阶沙三上亚段和长垣断裂下降盘沙三上亚段、沙二段等发现油气较少，且已发现油气藏类型主要为断层油气藏（见图4）。

图4 东濮凹陷北部地区单一型温压系统与油气分布关系Fig.4 Relationship between static pressure geothermal⁃geopressure system and hydrocarbon distribution in nor th of Dongpu depression

这些特点表明，单一型温压系统动力较弱，虽然断裂向上延伸距离长，但不一定引发重要的垂向运移。该系统内的流体只有在静水压力(或弱高压条件)下克服通道内的毛细管阻力,才能上浮到上部地层，在西部斜坡带由海通集洼陷向西部高部位砂体厚度变大，物性变好，油气运移的阻力减小，所以西部斜坡带油气主要是在浮力或弱高压条件下沿断⁃砂阶梯式输导体系侧向运移的结果。

中央隆起带主要发育高压复合型温压系统，从现今油气垂向分布状况分析，油气主要位于下部高压温压系统和上部静压温压系统的分界面附近，其中位于下部高压温压系统顶部的沙三中亚段油气储量最大，位于上部温压系统中下部的沙二下亚段油气储量次之，高压温压系统的中下部和静压温压系统的上部油气储量最小。在下部高压温压系统内油气藏类型以断层油气藏和构造⁃岩性油气藏为主，而上部静压温压系统油气藏类型以断层油气藏为主（见图5）。

图5 东濮凹陷北部地区高压复合型温压系统与油气分布关系Fig.5 Relationship between over pr essure complex geothermal⁃geopr essur e system and hydrocar bon distribution in nor th of Dongpu depression

这些特点表明，高压复合型温压系统内的上下两套温压系统流体能量差大，一方面下部高压型温压系统内沙三中、下亚段生成的油气在深部强大能量的作用下，易于沿砂体、断层进行侧向和垂向运移，由于沙三中上盐岩或含盐地层的封闭性较好，所以很多油气在下部系统顶部封闭性较好的圈闭内聚集成藏，形成断层油气藏或构造⁃岩性油气藏；另一方面在地质历史时期由于构造运动造成上下两套温压系统之间具有一定输导性能的断层，使油气由下部高压型温压系统运移至上部静压型温压系统，而上部温压系统内部流体能量较弱，即使能形成一些成熟或低成熟的油气，运移的距离也不会很远，只能在附近的圈闭内聚集成藏，上部静压温压系统内的油气主要是由下部高压温压系统沿断层运移而来，从而在上部静压温压系统内多形成断层油气藏。

3.2 平面温压系统与油气分布的关系

温压系统的平面特征对油气在平面上的运聚和分布具有重要的控制作用。图6为东濮凹陷北部地区沙三上亚段、沙三下亚段温压系统与油气分布关系。由图6可以看出，油气主要分布于常温常压、低温常压的低能量区和高温高压与常温常压的过渡区，在海通集洼陷和前梨园洼陷附近的高温高压区油气分布较少，说明油气由生烃洼陷的高能量区向洼陷边缘低能量区运移的趋势，这与渤海湾盆地其他凹陷油气富集区都是压力低值、能量低值区的分布特征相同[30⁃31]。然而，图 6（b）显示，在东濮凹陷文留与前梨园洼陷过渡带的压力高值、能量高值区也聚集了大量油气，分析认为，这主要是由东濮凹陷北部地区构造特征和地层岩性特征决定。具体来看，东濮凹陷具有古近纪东营组沉积后期至抬升初期和新近纪明化镇组沉积末期两期成藏的特征，在第一个成藏期（距今约31～23 Ma），高能量洼陷生成的大量油气伴随地层水沿断层运移充注至储层，由于烃源岩条件优越，大规模的油气充注导致异常高压的产生，同时该区域盐岩十分发育，盐岩良好的封盖性能对超高压的保存和油气的保存均起到极其重要的作用。在第二个成藏期（约7～0 Ma），前梨园洼陷二次生烃，由于17 Ma以来所有断层活动性弱或均已封闭[32]，且盐岩类盖层封盖作用强，导致该层系温压条件的升高。该时期的温压环境表现为洼陷区为高能量，构造主体为相对低能量的特点，因此该期洼陷带生成的油气同样具有由洼陷区向边缘区运移的趋势，但由于该期断层均已封闭，油气在运移过程中遇到断层即发生聚集，运移距离短，造成了洼陷边缘区的部分油气分布于常温高压的高能量区。