平面压降梯度计算原则及其应用

冯月琳，刘 华，2，宋国奇，3，袁飞飞

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.海洋矿产资源评价与探测技术国家功能实验室，山东 青岛 266071； 3.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257001)

超压作为含油气盆地中油气运移主要动力来源[1]，影响着含油气盆地中油气的运移指向和空间分布[2-5]。目前用来表征油气运移动力强弱的参数主要有压力系数、剩余压力和压力梯度[6-9]，压力系数和剩余压力均表征的是某一点相对于静水压力的大小，是判别地层压力异常程度的一个主要参数，提供了认识超压盆地油气富集规律的思路。随着研究的深入，人们逐渐发现油气在超压盆地中的运移过程是一个极不均匀的过程，即便是均一介质，油气一般也只沿有限路径发生运移，这一认识，为超压控制下油气优势运移研究提出了新的挑战，地层压力梯度也应运而生。“地层压力梯度”是指单位深度或某一方向单位距离内地层流体压力的变化幅度，即把大尺度流体势、剩余压力研究微分化。压降梯度则是指以超压中心为起点，压力在某一方向减小的速率，可以反映超压流体的流动方向及运移过程中流速变化，并对油气分布最终规律进行定量的动力解释。传统压降梯度计算公式为沿流体流动方向单位路程长度上压力的变化[9]，该计算方法仅考虑初始点压力和终点压力，计算出的结果也为起始点和终点间平均压降梯度，忽视了油气运移介质不同导致的不均一现象[10-12]。因此对于压降梯度的计算尺度选择极为重要，不同的计算尺度可能会得出截然不同的结果。针对这一问题，本文试图在压力梯度定义的基础上，充分考虑平面上压力降低的多种影响因素，建立复杂地质介质条件下的压降梯度计算原则，为油气运移方式解释提供理论依据。

1 压降梯度计算原则

合理的计算井位和计算尺度选择是压降梯度计算的关键。实际地质体中油气运移是一个极不均一的过程，油气运移通道的宏观非均质性导致在不同方向压力分配的不均一，尤其在沉积相边界以及断层附近，砂体物性及油气运移方式改变的临界点，常出现压力的快速递变即压降梯度的变化区。但是沉积相边界和断层对于压降梯度的影响范围在边界很难直接确定，压力等值线的疏密变化恰好可以较为直观地反映压力的变化速率：等间距的压力等值线表示在一定范围内油气输导通道物性较为均匀，该区域范围内压力均匀降低；非等间距的压力等值线则反映在该区域内油气输导通道存在一定的非均质性，该区域内压力非均匀降低。压力等值线越密，压降梯度越高；而等值线分布越疏，压降梯度越低。因此可以根据等值线分布的特征，分情况进行压降梯度的计算。

1.1 压力均匀降低区带

压力均匀降低区内，压力一直以同一速率降低，因此沿着压力降低方向或垂直于压力系数等值线的方向，任意两点的压降梯度可以代表该区域内的压降梯度。沿压力降低方向，垂直于压力等值线分别在超压中心和边部选择计算点(图1a)计算压降梯度，具体公式如下：

(1)

式中：P1、P2为井1、井2计算深度处油气藏流体压力，MPa；L12为井1、井2计算点间的空间距离，km；X12为井1、井2计算点间的水平距离，km；H12为井1、井2计算点间的垂直距离，km。

1.2 压力非均匀降低区带

沉积相的变化导致砂体物性的变化以及断层的分割会造成压力的非均匀降低，顺沿压力降低方向可以将不均匀压力等值线分为多个均匀降低的等值线，分段进行压降梯度计算。

图1 压降梯度计算参数示意Fig.1 Calculation parameters of pressure decrease gradient

1.2.1 沉积相变区

沉积相变化必然会引起沉积砂体物性的改变，因此常常在沉积相变化的边界附近，会出现压降梯度的改变。在计算压降梯度时，在紧邻沉积相边界处，分别在两沉积相内补充点P3′和P3对具有相同压降梯度的区域(图1b)进行计算：

(2)

(3)

式中：G13′、G32为井1和井3′、井2和井3计算点间压降梯度，MPa/km；P1、P3′、P3、P2为井1、井3、井3′和井2计算深度处油气藏流体压力，MPa；L13′、L32为井1和井3′、井3和井2计算点间的空间距离，km；X13′、X32为井1和井3′，井3和井2计算点间的水平距离，km；H13′、H32为井1和井3′、井3和井2计算点间的垂直距离，km。

1.2.2 断层分割区

断层两侧压力系数存在明显差异，计算压降梯度时，需加密断层两侧压力预测井位，沿着压力降低方向，分别计算断层上盘、断层下盘以及沿断层的压降梯度。图1c为断层附近平面压降梯度计算方法示意，断层控制下，计算井1、井2间的压降梯度时，沿着压降方向，在断层上盘补充压力预测井3、下盘补充压力预测井4，分别计算断层上盘(井1、井3)、断层下盘(井2、井4)以及沿断层(井3、井4)的压降梯度，分段表征压降梯度变化特征，具体公式为(4)和(5)。

(4)

(5)

断层两侧压降梯度计算可以按照沉积相边界两侧压降梯度计算方法进行处理，而沿断层的压降梯度计算要根据断层的断距、侧向封堵性和断层的活动性进行讨论。

断层对压力降低的影响分为2种：一种是未切断砂体(图1d的断层1)；另一种是切断连通砂体(图1d的断层2)。断层1情况较为简单，断层断距较小，断层两侧仍存在砂体对接，对于油气侧向运移影响不大，超压流体主要通过断层两侧对接砂体进行运移，因此沿断层压降梯度可以忽略不计。在计算断层2 压降梯度时，首先考虑断层侧向封闭性，评价参数主要为断层泥比(SGR)，当SGR小于研究区断层封闭临界值时，断层两侧对接砂体侧向连通，断层与沉积相边界作用类似，在断层的影响下断层两侧压降梯度会有所改变，因此在计算压降梯度时，以断层为分割点，在断层两侧压降梯度依据公式(1)～(3)进行分段计算。

SGR大于断层封闭临界值时，断层侧向连通性降低，通过断层进行垂向压力输导的超压流体占绝大部分。若此时断层在油气运移期活动，活动的断层为超压流体提供了一个高渗透的通道[13]，则沿断层压降梯度计算公式为：

(6)

若断层在油气运移期不活动时，由于无法判断沿断层压力降低是否均匀，可通过超压流体能量守恒来计算沿断层压降梯度[14-16]。通过公式(3)算出的压降梯度为所有能量分配完之后的平均压降梯度(图 1d )，能量分配公式遵从公式(7)：

G总=G压力+G浮力-G重力-G毛细管力

(7)

式中：G总为断层中流体总压降梯度，MPa/km；G压力为沿断层实际压降梯度，MPa/km；G重力为重力梯度，MPa/km；G毛细管力为毛细管力梯度，MPa/km；G浮力为浮力梯度，MPa/km。

因此实际压降梯度为：

G总=G压力-G浮力+G重力+G毛细管力

(8)

实际运移过程中油滴的浮力和重力可忽略不计，因此根据图4模型中各参数意义，公式(8)具体为：

(9)

式中：σ为油、水界面张力，N/m；θ为断层倾角，(°)。

2 地质应用

2.1 地质概况

渤南洼陷作为沾化凹陷内埋深最大的次级负向构造单元，从南向北依次发育缓坡带、断阶带、深洼带以及陡坡带4个构造带，具有北陡南缓、东陡西缓的断陷湖盆特征(图2a)[17-19]。研究区共发育沙一、沙三和沙四3套主力烃源岩[20]，从已发现油气分布来看，油气分布范围、油气富集程度在缓坡带、洼陷带、陡坡带存在一定差异[21]。同时，渤南洼陷广泛发育超压，超压的分布格局与研究区的构造沉降中心相匹配[22-23]。靠近洼陷沉降中心位置，地层压力明显增高，随地势向周围变缓，地层压力也逐渐降低，但压力向四周降低的幅度并不相同，即使沿同一方向，超压也并不是以同一速率进行降低。因此，本文以渤南洼陷沙三中亚段为例，开展压降梯度的计算，从而为渤南洼陷油气不同运移方式下油气的分布规律进行定量解释。

渤南洼陷古近系沙三沉积时期主要发育3类沉积相，即三角洲、湖泊及近岸水下扇[24-26]。Es3中沉积时期湖平面较低，物源方向来自于孤北凸起的三角洲沉积相大面积发育，顺延物源方向，由于沉积相演变，压力等值线出现非均匀变化，压降梯度不均匀降低(图3)，尤其在两类沉积相边界，井点加密按照公式(2)、(3)进行压降梯度的计算。

渤南洼陷主要发育四级断层[27]。一级断层为控凹断层，渤南洼陷仅有一条，即北部埕南断层。二级断层为控洼断层，同时也是主要的油源断层，断距可在1 km以上，自南向北为孤南断层、孤北断层、渤深4断层和义东断层，二级断层的侧向封堵性、垂向封堵性以及在成藏期的活动性，会影响深部超压流体的分布，进而影响研究区超压的分布。三、四级断层为一、二级断层的派生和次生断层，在渤南洼陷约有110条。三级断层延伸不长，断距为十米到几十米不等，对压力分布具有一定调节作用。从以上分析来看，主要考虑二级断层对于压降梯度的影响作用。根据罗文生[28]等对于渤南洼陷断裂活动与油气成藏关系研究可知，孤南、孤北等断层Es3沉积期的SGR以及断层在成藏期活动性见表1。

图2 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷区域概况Fig.2 Comprehensive geological setting of Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

图3 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷沙三中压降梯度计算井位及压降梯度平面分布规律Fig.3 Well locations in different pressure decrease gradient regions and plane distribution of pressure decrease gradient in the middle section of the third member of Shahejie Formation in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

表1 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷成藏期断层封堵性及活动性统计Table 1 Fault sealing and activity during hydrocarbon accumulation, Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

当SGR大于0.4时，断层具有良好的封闭性，渤南洼陷除孤南、孤北断层外，其他断层均侧向封堵；并且侧向封堵的断层在东营期活动性大于3.4 m/Ma，馆陶期活动性大于1.9 m/Ma，断层垂向开启，可以作为油气运移通道。两期成藏中，渤深4断层东侧、孤南断层和孤北断层在成藏期活动性较强，渤深4断层中段和西段活动较弱。因此渤深4断层东段附近压降梯度按照公式(3)计算，渤深4断层中段按照公式(4)～(6)进行压降梯度计算，渤深4断层西段、孤南断层以及孤北断层可按照公式(2)进行计算。

2.2 压降梯度计算结果

在不同压降梯度区利用公式(1)～(6)进行压降梯度计算，由于数据井数量及分布限制，不能完全覆盖研究区求取压降梯度，考虑到实际操作可行性，不能无限密集地求取压降梯度，因此一般计算疏密相等压力系数等值线降低速率，且代表一定范围内压降梯度范围。图3为计算压降梯度值所代表的范围，颜色越深代表压降梯度越高, 深蓝色多位于深洼带和断阶带的断层附近，并且越靠近超压中心，断层侧向封堵性越好，断层在成藏期活动速率越大，压降梯度越高。例如虽然渤深4断层东段和孤西断层均紧邻深洼中心且侧向封堵，但由于渤深4断层东段活动性(14.8 m/Ma)低于孤西断层活动性(64.7 m/Ma)，孤西断层附近压降梯度(渤深5向渤深3方向压降梯度为11.25 MPa/km)远高于渤深4断层东段附近压降梯度。

计算结果共48组数据(表2)。深洼带压降梯度最高，平均压降梯度为7.46MPa/km；其次为断阶带，平均压降梯度为5.30 MPa/km；陡坡带平均压降梯度为3.18 MPa/km(图4a)。同时，深洼带和断阶带压降梯度最大值和最小值间差值最大，分别为7.64 MPa/km和7.49 MPa/km，其次为陡坡带5.41 MPa/km，缓坡带数值较为平均，最大值和最小值间差值为2.72 MPa/km(图4a)。

表2 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷压降梯度计算结果Table 2 Calculation results of pressure decrease gradient in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

3 油气地质意义

选择距超压中心具有相似距离的沉积相边界及断层附近压降梯度进行统计(图4b)，统计结果表明：断层分割影响下的压降梯度要远大于沉积相边界附近的压降梯度，并且断层下盘的压降梯度要高于断层上盘的压降梯度。在洼陷区高压降梯度指示油气运移过程中具有较大动力，因此通过压降梯度的计算可以明确油气从超压中心排出后的优势运移方向。渤南洼陷压降梯度最高值(12.12 MPa/km)位于孤西断层附近，该方向上油气生成后直接通过孤西断层运移至浅部，但由于孤西断层断面呈凹型，油气发散式运移至洼陷北部义34井附近成藏，通过对于油气藏含油高度统计发现，该油气藏含油高度最高为125 m。而在洼陷区围绕的断阶带，压降梯度可以反映油气藏的充注特征，压降梯度越大的位置油气充注受阻力越大，而压降梯度越小的位置油气藏充满度越高，因此可以通过压降梯度大小明确油气的主要富集区。

图4 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷压降梯度特征Fig.4 Characteristics of pressure decrease gradient in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

图5 渤海湾盆地沾化凹陷渤南洼陷不同油气藏最大含油气高度及其对应的压降梯度Fig.5 Maximum hydrocarbon-bearing height and corresponding pressure decrease gradient in different reservoirs in Bonan Subsag, Zhanhua Sag, Bohai Bay Basin

4 结论

(1)均匀压力降低区压降梯度计算可利用传统公式进行直接结算；非均匀降低区则需要在沉积相边界及断层附近进行分段计算。其中，过断层压降梯度计算需要考虑断层侧向封堵及断层的活动性，分情况进行计算。

(2)压降梯度计算结果发现，渤南洼陷中心深洼带压降梯度最高，其次为断阶带和陡坡带，缓坡带压降梯度最低，高压降梯度一般在断层附近发育。

(3)断层附近平面压降梯度要高于沉积相边界附近平面压降梯度。洼陷高压降梯度方向指示油气优势运移方向，断阶带低压降梯度位置反映油气富集位置。

致谢：审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见。胜利油田勘探开发研究院的刘雅利首席专家、林红梅主任以及刘鹏高级工程师等对本项研究提供了很多的指导和帮助，在此表示衷心的感谢。