高邮凹陷北斜坡阜宁组异常压力成因机制研究

吴 峰，钱诗友，郑元财

(中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院，江苏 扬州 225009)

苏北盆地高邮凹陷北部斜坡带(简称北斜坡)油气资源丰富。近年来随着勘探逐渐深入，斜坡带和深凹内多口探井在阜宁组钻遇了异常高压。据国内外成熟探区的勘探经验，异常高压与油气藏关系密切，对于油气运移、储层改善、盖层保存、油藏分布等方面均具有一定的控制作用[1]。本文以高邮凹陷北斜坡阜宁组地层压力为研究对象，探讨阜宁组异常高压的成因机制，对阜宁组油气成藏动力及富集规律的研究具有重要的意义。

1 研究区概况

高邮凹陷为南断北超的箕状凹陷，斜坡带位于凹陷北部。北斜坡被一系列NE和近EW断层切割而形成众多断鼻或断块，并已发现多个含油构造(图1)。研究区阜宁组自下而上发育阜一段(E1f1)、阜二段(E1f2)、阜三段(E1f3)和阜四段(E1f4)四套地层：阜一段为三角洲前缘亚相沉积，顶部为灰色泥岩与粉砂岩互层，中下部为棕色泥岩与灰色粉砂岩互层；阜二段为半深湖-深湖亚相沉积，岩性为深灰-黑色泥岩、泥灰岩；阜三段为三角洲前缘亚相沉积，岩性为灰色泥岩与粉砂岩互层；阜四段为大套半深湖-深湖亚相的深灰色泥岩、泥灰岩。阜三段和阜一段发育三角洲沉积的砂泥互层，为主要富油层系，阜四段和阜二段为湖相泥岩沉积。

2 地层压力特征

不同学者曾对超压分类提出了多种方案[2-3]。

结合本区实际地层压力特征，笔者采用压力系数为0.9和1.2作为界限值，将地层压力划分为低压(压力系数小于0.9)、常压(压力系数为0.9～1.2)和超压(压力系数大于1.2)3种基本类型。

统计实测地层压力数据结果：平面上，阜宁组异常高压主要分布在北斜坡内坡以及深凹带；纵向上，异常高压主要发育在阜二段泥岩、阜三段底部砂岩储集层和阜一段顶部砂岩储层中。

研究区不同层系实测压力数据与深度的关系图可以看出(图2)：阜宁组地层压力以常压为主，压力系数为0.9～1.2。从深度约2 300 m开始，仅有少数异常高压发育且幅度较小。相比于我国东部其他断陷盆地发育的异常高压，研究区阜宁组现今异常高压值不是十分典型，发育幅度和范围较小。

图1 高邮凹陷北斜坡构造纲要(E1f2底地震反射界面即T33)

图2 高邮凹陷阜宁组各层系实测压力数据与深度的关系

3 异常高压成因机制

高邮北斜坡阜宁组各亚段砂泥特征明显，其中阜二段、阜四段为泥岩发育层段，而阜一段、阜三段为砂岩储层发育层段。基于现今实测压力特征以及解习农(2006)自源型和他源型异常高压的认识[4]，本文针对泥岩和砂岩分别研究异常高压的成因机制。

3.1 泥岩异常压力成因机制

前人研究表明不均衡压实、生烃作用、黏土矿物脱水是泥质岩层超压的主要成因[3-4]。本文从各种成因作用的地质条件入手，结合实测数据共同分析。实测压力数据显示异常压力主要分布在阜二段，因此以阜二段为主要研究对象。

3.1.1 不均衡压实

正常压实作用过程中，压实与流体排出达到平衡，孔隙流体压力保持静水压力；但在快速沉积过程中，流体的排出速度无法平衡孔隙容积的减少，滞留流体将承担部分负荷压力，从而流体压力高于静水压力形成超压。郝芳等(2005)指出：欠压实引起的超压主要发育于沉降/沉积速率较高、充填岩性较细的新生代沉积盆地[3]。

解习农(2006)构建了简化地质模型，通过改变沉积速率分析异常压力的变化，最终建立沉积速率与超压幅度关系图版(图3)[4-5]。高邮凹陷北斜坡阜二段沉积速率为250 m/Ma左右，阜四段沉积速率为330 m/Ma左右。依据图版得出：阜二段、阜四段地层压力系数在1.00～1.15之间。然而，阜二段、阜四段实测地层压力系数范围为0.98～1.42，异常高压地层的压力系数为1.2～1.42。因此，不均衡压实作用并不是阜二段、阜四段异常高压的主要成因。

图3 沉积速率与超压幅度关系

Hunt等对美国湾岸(Gulf Coast)20口钻井的泥页岩密度、孔隙度资料进行了统计分析，发现在两段式线性压实状态下，不均衡压实形成的超压段泥岩密度明显低于正常压实泥岩的密度，泥岩孔隙度则明显较高(图4a)[6]。

图4 高邮凹陷HSX1-1井阜宁组异常高压泥岩段密度和孔隙度特征对比

对比研究区HSX1-1井的实测压力数据、密度及中子测井响应，发现阜宁组泥岩异常高压段无明显的密度降低和孔隙度增大特征(图4b)。因此，欠压实作用非研究区超压成因。

3.1.2 生烃作用

近年来许多学者发现，超压的分布与成熟源岩的分布密切相关。干酪根生烃过程实际上是一个有机质总体积增加的过程。Hunt等(1994)发现，一些压实程度非常高的泥岩段地层发育较强超压，认为生烃作用是超压发育的主要机理[6]。北斜坡阜二段、阜四段也是烃源岩发育层段，本文运用地层压力、烃源岩Ro、密度测井等多种数据，分析超压与生烃作用的关系。

高邮凹陷北斜坡盐城组(Ny)沉积前的古埋深大于现今埋深，因此扣除盐城组和第四系地层厚度，拟合阜二段烃源岩Ro、压力系数与深度关系(图5)。烃源岩成熟门限Ro为0.65，对应门限深度为1 450 m(去掉盐城组和第四系地层的厚度)。当深度大于1 450 m时，压力也开始出现异常。因此，推断异常压力与生烃作用密切相关。

图5 高邮凹陷阜二段烃源岩Ro-深度、压力系数-深度关系(去Ny+Q地层厚度)

以HX28井为例，阜宁组泥岩异常高压带中无明显的密度降低和孔隙度增大特征，与Hunt等建立的生烃超压图版特征相似(图6)。进一步证实异常压力与生烃作用相关。

图6 高邮凹陷HX28井阜宁组异常高压泥岩段密度和孔隙度特征对比

3.1.3 黏土矿物脱水

黏土矿物中含有大量的蒙脱石，当温度达到门限时，蒙脱石将脱水而转化为伊利石。如果这种排水在一个封闭的体系内，将形成异常高压。但Magara(1993)认为黏土的脱水作用对沉积物中原始烃类的再分布起很大作用，但不一定是产生异常孔隙压力的一种主要力量[7]。从异常压力的多种成因综合来看，黏土矿物脱水作用对异常高压的形成可能主要起辅助作用。

蒙脱石向伊利石转化的温度一般在80～120 C°，与烃源岩成熟的地层温度基本相当。烃源岩达到成熟门限时对应黏土矿物中蒙脱石向伊利石迅速转化，同样与阜二段出现超压的深度界限一致(图7)。因此推断，黏土矿物脱水作用与超压有一定关系。

图7 高邮凹陷阜二段烃源岩Ro-深度、%S-深度关系(去Ny+Q)

综上所述，生烃作用、黏土矿物脱水作用是高邮北斜坡阜二段、阜四段异常压力的主要成因，其中黏土矿物脱水起辅助作用。

3.2 砂岩异常压力成因机制

高邮凹陷北斜坡阜三段、阜一段发育砂岩储层，是油气富集的有利层系。解习农(2006)指出渗透性较好的储层中超压基本属于它源型超压作用。它源型超压作用主要包括构造挤压应力、流体传导超压等机制。构造挤压应力超过岩石静岩压力的侧向应力值时，岩石侧向受到挤压导致孔隙度降低。当孔隙空间处于封闭条件时，由于流体无法排除或排出受阻而形成异常高压。这种机理引起的异常高压主要出现于构造挤压的地质环境中，而苏北盆地属于拉张型裂谷盆地，不存在大规模的构造挤压作用[8]。然而，流体传导超压在中国东部松辽盆地、渤海湾盆地均是可见的，它是最常见于渗透性较好的地层和储层中。因此，流体传导超压是高邮凹陷阜三段、阜一段砂岩储层超压的主要成因。

高邮北斜坡阜二段位于阜一段和阜三段中间，阜二段形成的超压可以流体传导在阜一段和阜三段中形成超压。流体超压传导是通过烃源岩生产油气的运移实现的，因此推断流体超压传导存在两种模式：一是阜二段超压层产生的高压流体(油气)直接注入紧邻的砂岩储层中，导致砂岩孔隙流体压力增大(图8a)；二是阜二段超压层产生的高压流体通过断裂输导，注入断裂两侧的砂岩储层中形成超压(图8b)[9]。

图8 高邮北斜坡流体超压传导模式

4 阜宁组异常高压的演化过程

综上所述，生烃作用、黏土矿物脱水是泥岩层异常压力的成因，流体传导超压是砂岩储层异常压力的成因。结合本区构造演化的特征[10]，明确了北斜坡阜宁组超压演化过程：主要包括常压、生烃增压、构造抬升泄压、再次埋藏生烃等多个演化阶段。高邮凹陷阜宁组早在戴南组沉积时期前已发育异常高压，且其幅度大于现今，异常高压形成后经历了快速降压和缓慢回升过程(图9)。

图9 高邮凹陷北斜坡阜二段地层压力随时间演化

①早期增压过程：戴南组沉积末期阜二段烃源岩逐渐成熟，至三垛组沉积末期埋深达到最大，斜坡带烃源岩大面积生烃，生烃增压的强度也达到最大。此时，高邮凹陷深凹和斜坡大面积发育异常高压，生烃增压的同时伴随着烃类流体的传导，在阜一段、阜三段砂岩储层中也会形成异常高压。

②快速降压过程：三垛运动时期，断裂活动加强，伴随着构造抬升，造成早期异常高压的快速释放，超压快速减弱，阜宁组地层压力大面积恢复到常压。

③晚期回升过程：抬升剥蚀过后，晚期接受盐城组沉积，地层压力缓慢回升。当埋深大于古埋深时，黏土矿物脱水以及烃源岩再次生烃形成异常压力，并再次随着烃类流体的传导在阜一段、阜三段砂岩储层形成异常压力。新形成的异常高压远小于地质历史时期的异常高压幅度。

5 结论

(1)高邮凹陷北斜坡阜宁组地层压力以常压为主，仅有局部地区现今存在异常高压且幅度较小。异常高压主要发育在阜二段泥岩、阜三段底部砂岩储集层和阜一段顶部砂岩储层中。

(2)生烃作用、黏土矿物脱水作用是高邮凹陷阜二段异常压力的主要成因，其中黏土矿物脱水起辅助作用。流体传导超压是阜三段、阜一段砂岩储层超压的主要成因。

(3)高邮北斜坡阜宁组异常高压的演化经历了早期增压、快速降压和晚期回升3个过程。