白云凹陷中深层超压发育特征及油气勘探新启示*

田立新 张忠涛 庞 雄 吴 哲 王卓超何 敏 陈红汉 舒梁峰 冯 轩

(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司 广东深圳 518054； 2. 中海石油深海开发有限公司 广东深圳 518054;3. 中国地质大学(武汉)资源学院 湖北武汉 430074)

南海北部陆缘珠江口盆地白云凹陷深水区是已被勘探实践证实的富生烃凹陷[1-8]，具有油气兼生、以气为主的油气资源特征。截至2019年底，累计发现三级地质储量天然气近3 000×108m3、原油近8 000×108m3。“十三五”之前，白云凹陷油气勘探主要集中在中浅层，近90%的探明油气储量集中在中新统珠江组下段，晚期活动断裂或底辟与构造脊—砂体复合输导控制了中浅层油气优势聚集，而渐新统珠海组及以下的中深层油气发现较少[7]。

近几年在珠海组及之下的中深层钻遇规模储层，逐渐揭示白云凹陷中深层的油气勘探潜力。如：发现了流花34f井恩平组油藏和白云5b井中深层连续气藏等。但是，在珠海组及之下的中深层也钻遇了超压，而对于深水区地层超压的分布和演化史还不清楚，尤其在高、变地温背景下，超压对油气运聚过程及不同区块间成藏差异的影响等方面还缺乏深入研究。因此，本文针对白云凹陷深水区中深层勘探所面临的超压成藏问题，综合利用已钻井和地震速度资料，预测了现今地层压力分布特征，分析了超压形成控制因素，探索了超压对油气运移、聚集的影响，为白云深水区中深层有利勘探方向选择提供了参考。

1 地质背景

白云凹陷位于珠江口盆地珠二坳陷，是该盆地新生界地层发育最完整的深大凹陷，白云深水区勘探面积近30 000 km2，主要包括白云主洼、白云西洼、白云东洼、白云南洼等4个次一级洼陷，水深300～2 000 m，最大沉积地层厚度超过10 000 m。自下而上发育文昌组(Tg—T80)和恩平组(T80—T70)两套裂陷期地层，以及珠海组(T70—T60)、珠江组(T60—T40)、韩江组(T40—T32)、粤海组(T32—T30)和万山组(T30—T20)等5套裂后期地层[5-6,9]。勘探实践中往往将珠海组及以下地层归属为中深层，即下组合地层。白云凹陷介于陆架-陆坡地壳减薄过渡带，多幕拉张、裂陷使得其地壳厚度向洋盆方向递减。现今陆架区地壳厚度22～30 km，至陆坡区地壳厚度迅速减小到20 km之下，而在凹陷中心部分地壳厚度减小至10 km之下(图1a、2)。现今地温场分析结果表明，白云凹陷平均地温梯度一般在4.5 ℃/100 m以上，部分实测温度数据甚至超过了6.0 ℃/100 m(图1b)，表现为“热盆”，具有高变地温特征。

图1 珠江口盆地地壳厚度与地温梯度平面分布图

图2 南海北部陆缘珠江口盆地岩石圈结构地质剖面(测线位置见图1a)

2 超压分布特征

“十三五”期间，白云凹陷多口井钻至中深层，取得了实测温度和压力数据。基于钻井实测数据，结合地震速度资料，对白云凹陷地层超压分布特征开展了系统研究。本次研究采用常用的地层压力分类方案[10-11]，将1.2作为常压和超压的界限。

2.1 实测地层压力分布特征

本次研究数据来源于白云凹陷39口井的MDT、DST等实测温度、压力数据，实测压力数据875个，数据点集中在1 500～4 700 m深度范围内。根据钻井实测数据点的平面分布，将白云凹陷划分为白云井区、流花井区、番禺井区、荔湾井区(图3、4)。整体上看，白云凹陷浅层和凹陷周缘钻井实测压力主要为常压，压力系数主要分布在0.9～1.0，而白云主洼中深层有超压显示，压力系数大于1.3。其中，番禺井区全部为正常压力，表现为常温-常压特征；白云井区3 800 m以下中深部的珠海—恩平组地层压力系数普遍大于1.3，最高可达到1.55，表现为高温-高压特征；流花井区压力系数全部在1.0左右，表现为高温-常压特征；荔湾井区4 000 m以下的珠海—文昌组地层出现明显超压，最高压力系数可达到1.5，表现为高温-高压特征。

图3 白云凹陷实测温压井分区及现今压力预测剖面位置图

图4 白云凹陷实测温度、压力数据随深度变化分布图

2.2 剖面地层压力分布特征

地层压力预测的方法有多种[11-14]，包括Eaton法、Bowers法等，其中超压层低速特点是基于速度资料进行压力预测的前提。本次研究结合地震和钻井、测井资料，首先拟定35口井，在虚拟井压力计算结果与实际井测量数据计算误差不超过5%的情况下，建立全区现今地层压力数据体。基于这一预测数据体，分析了白云主洼地层压力的空间分布特征。

Line1从北部番禺低隆起过白云主洼中心向南延伸至云荔低隆起边缘(图5a)。在这条剖面上，北部白云北坡在珠海组及以下地层存在异常高压，压力系数最高达到1.5；白云主洼中部，超压顶界面位于珠江组，深度在3 500～5 000 m，至文昌组压力系数最高可达1.7以上；白云主洼南部超压顶界面基本位于恩平组顶面(T70)之下，向南逐渐降低。因此，白云主洼北坡和南部被断层切割部位的超压顶界面较低，而主洼中部断层发育较少，超压顶界面埋深较浅，最高至下珠江组。

Line2从白云西南部延伸至主洼，再到白云东北部(图5b)。在这条剖面上，西南部超压分布范围有限，且压力系数较低，普遍在1.6以下；至东北方向深部超压逐渐增大，文昌组压力系数最高超过1.9，恩平组基本在1.6～1.8。因此，与南北向剖面特征相似，超压在主洼中部最明显，超压顶界面浅，而主洼南部断层密集，超压主要分布在深层文昌组，主洼东北部受到断层影响超压顶界面也明显下降。

2.3 平面地层压力分布特征

平面上，白云东洼、白云西洼和白云主洼周缘基本表现为常压，地层超压主要分布在白云主洼东北部，且超压中心分布自文昌组向上至珠海组具有继承性。文昌组顶界面(T80)超压中心位于白云主洼东北部(图6a)，压力系数大部分在1.7以上，最大可达1.9以上，超压中心平面分布呈现东北高、西南低形态，东北部和西南部地层压力呈缓慢降低趋势，南、北两侧压力系数降低较快；恩平组顶界面(T70)压力系数分布特征与文昌组具有继承性，超压中心略向南迁移(图6b)，白云主洼压力系数基本在1.3～1.8，东部荔湾构造附近以常压为主，西南部压力系数1.2～1.3；珠海组顶界面(T60)超压平面分布形态与恩平组相似，超压范围明显减小，压力系数在1.2～1.6(图6c)，白云主洼北坡B5b井以北压力系数在1.4以下，与钻井实测值基本吻合。

图6 白云凹陷压力系数平面分布

3 超压成因机制及控制因素

岩石压实过程中的应力作用和流体膨胀是目前广泛认可的2种超压形成机制[14-18]，而导致超压形成的地质因素通常包括：构造挤压、欠压实、生烃作用、原油裂解、水热作用、黏土矿物脱水等。综合地质条件和地球物理参数特征分析认为，白云凹陷中深层超压不具有欠压实特征，流体膨胀是超压形成主要原因。

欠压实超压的形成通常需要较高的沉积速率和大套泥岩沉积，但是白云主洼北坡B5b井区珠海组沉积环境为陆架三角洲前缘，恩平组上段沉积环境为辫状河三角洲平原，缺乏大套泥岩的发育背景，不具备欠压实超压形成的地质条件。另外，岩石孔隙度及孔隙结构是反映欠压实超压的关键参数，白云凹陷超压段砂岩地层中未见孔隙度明显增大，超压段储层岩石薄片鉴定显示颗粒间以线接触和锯齿状接触为主，达到中成岩阶段B期，砂岩不具备欠压实特征。

Bowers等(1995)[12]总结了欠压实与流体膨胀成因下超压段在有效应力-速度、有效应力-密度的关系，指出欠压实引起的超压位于应力加载曲线上，而流体膨胀造成的超压则位于应力卸载曲线的上部。本区速度-有效应力判识图版指示，超压段总体表现出偏离正常压实趋势的特征(图7a)，为流体膨胀成因。Lahann等(2001)[19]提出密度-速度交会图可以区分黏土矿物脱水和生烃作用造成的超压，黏土矿物脱水的超压泥岩表现为声波速度明显减小而密度略有增大，而流体膨胀引起的超压泥岩密度基本不变或略有减小。在速度-密度图版上，B5b井超压段速度变化大，密度基本不变，也可以判断该区超压形成主要原因为流体膨胀 (图7b)。

图7 白云凹陷超压成因机制判识图(图版据BOWERS G L[12])

综合各类地质条件分析认为，白云凹陷超压形成与分布的控制因素如下。

1) 烃源岩大规模生烃是超压形成的前提条件。

始新统文昌组和恩平组是白云凹陷发育的两套主力烃源岩[20-21]。文昌组为半深湖相烃源岩，TOC含量0.9%～1.8%；恩平组以海侵/海相烃源岩为主，TOC含量0.7%～5.4%。根据烃源岩热演化模拟结果，文昌组37 Ma进入生油阶段，晚期高热流事件导致16 Ma以来进入快速生气阶段；恩平组在16 Ma以来也进入大规模生气阶段。另外，原油裂解实验指示，Ro达1.8%～3.5%(约200～260 ℃)，进入原油裂解生气阶段，白云主洼文昌组埋深大、地温梯度高，存在原油规模裂解生气潜力。大规模和长期的烃源岩生排烃形成的流体膨胀为白云主洼超压的形成提供了条件。

2) 深部致密储层控制了超压顶界面。

白云凹陷具有高变地温特征，随着地温梯度升高，砂岩孔隙度和渗透率明显降低[22]。综合储层成岩—孔隙演化—烃类充注历史分析(图8)，认为白云凹陷中—高地温梯度区珠海组砂岩在13.8 Ma主要烃类充注之前，普遍成岩致密化，剩余孔隙度已由22.8%减少至11.9%，对于下伏地层压力系统形成相对封闭的条件，不利于文昌组—恩平组烃源岩生成的油气向外排出。深部文昌组、恩平组砂岩在主成藏期更是普遍致密化，导致油气向外排出不畅。白云主洼北坡的B5b井，近千米井段砂岩均含气，从珠海组开始地层普遍出现超压，砂岩储层存在致密化特征，而超压顶界面与储层致密的深度具有良好的一致性，证实深层紧邻烃源岩的致密砂岩的封盖作用。

图8 白云凹陷油气成藏系统综合分析模式图

3) 构造演化与沉积中心控制超压平面分布范围。

白云凹陷内主要发育NWW、EW、NE—NEE向断裂，T80界面近东西向断层控制了凹陷的沉降中心，随着沉积中心向北迁移，主洼东北部的超压保存较好。总体而言，大断层控制洼陷的沉积中心，进而控制超压的分布范围。主要表现为：①受沉积中心迁移影响，超压中心主要分布在白云主洼中部至东北部；②整体上白云主洼超压区域呈NE—SW向展布，越往上超压分布范围越小；③压力向南北方向急剧减小，东西向缓慢减小，白云主洼东部荔湾构造区受底辟影响的泄压作用明显。

4 超压背景下油气成藏模式及勘探方向

4.1 超压对油气成藏的影响

1) 超压提供了油气运移动力，促进形成断裂或底辟油气运移通道。

生烃超压是白云主洼超压主要成因，烃源岩分布控制了超压体分布，超压为油气运移提供了动力。白云主洼现今发育多种与油气运移相关的泄压通道类型(通源断裂、晚期底辟、伸入源岩的指状砂体)，近底辟带和断裂带可见亮点、含气砂质侵入体、沸腾包裹体等，指示烃类运移与深层泄压作用关系密切，而底辟区和断裂带是主要泄压区。约16 Ma以来白云主洼出现明显增压，洼陷中心恩平—文昌组基本都处于超压封存箱内，压力系数最大可达1.8～1.9，与超压中心紧邻的底辟和断裂泄压区是天然气聚集的有利部位。油气主充注期断裂活动东北强、西南弱，底辟活动在洼陷中部和东南部活跃。因此，白云北坡和东南部荔湾构造带为优势泄压方向，形成上组合油气藏，也是目前白云凹陷天然气藏的主要发现区。

2) 超压作用控制形成“双层”天然气成藏系统。

近期钻探的B5b井揭示白云凹陷存在上下两套不同的天然气成藏系统(图9)，具有不同的流体来源和压力系统。第1套为浅层常压成藏系统，即ZJ490—ZH420气藏(3 910～4 790 m)，处于上部正常压力系统，气源来自斜坡带文昌组烃源岩干酪根裂解气；第2套为中深层超压成藏系统，即ZH440—EP210气藏(4 790～5 113 m)，处于超压面之下的超压系统，气源主要为原油裂解气贡献。下部超压系统的储层沥青分析表明，该区曾发生过早期原油充注，中深层超压带天然气为原油裂解气。另外，白云凹陷外围探井多为失利井，也表明凹陷中部深层烃类向外运移不畅。因此，在晚期高地温梯度背景下，封闭在洼陷深层原油高温裂解气，使得洼陷深部具有大面积赋存天然气的潜力。

图9 B5b井干酪根裂解气(ZJ490—ZH420)和原油裂解气(ZH440—EP210)判识

4.2 油气成藏模式及有利勘探方向

综合分析认为，白云凹陷存在“双层”油气成藏模式(图10)。上部成藏体系主要处于常压环境，下生上储，浮力驱动，晚期断裂/底辟带和继承性构造脊控制了油气成藏；下部成藏体系具有自生自储、超压驱动、连续运移、连片成藏特征，明显区别于上组合浮力运移成藏，并且存在箱内、箱外2种成藏条件。因此，白云凹陷深层油气在超压动力作用下，主要向近源物性好的“甜点”储层中充注，只有部分油气通过晚期活动的断裂、底辟，突破压力封存箱，调整至中浅层成藏。由此推测，白云凹陷大量油气还富集在深层。而近期通过成因法预测白云凹陷总地质资源量约27.7×108t，其中天然气资源量超过16.0×108t油当量，石油资源量超过11.7×108t，勘探潜力巨大。在上述油气成藏模式指导下，提出白云凹陷中深层3个有利勘探方向。

图10 白云凹陷“双层”油气成藏模式图

1) 下组合地层超覆领域。

下组合指的是珠江组区域厚层海相泥岩盖层之下的珠海组至文昌组储盖组合。受白云凹陷拆离断层活动影响，北部物源持续加强、东西两翼物源持续萎缩，控制了下组合储盖层及圈闭的发育。东西两翼文昌组五段和四段发育大规模辫状河三角洲，文昌组上段及恩平组下段则演化为湖相富泥沉积，在空间上形成了良好的储盖组合。同时受白云凹陷外缘隆起区和凹陷中心差异沉降的影响，在东、西两翼更易形成大规模的地层超覆圈闭。在东西两翼发育两套储盖组合，第1套为下文昌组辫状河三角洲储层与上文昌组—下恩平组湖相泥岩盖层组合；第2套为珠海组陆架三角洲储层与珠江组海相泥岩盖层组合。

2) 古潜山领域。

白云凹陷晚中生代位于太平洋板块俯冲作用控制下的岛弧区域，发育以花岗岩为主的岩浆岩，NE—NEE向和NWW向两组先存断裂密集发育[23]。自晚中生代以来经历了主动陆缘向被动陆缘的转化、岩石圈强烈的伸展拆离、晚期构造活化等，一直处于应力集中区。白云凹陷已有多口井钻遇基底，基岩岩心薄片可见构造裂缝和溶孔现象，并且基岩具有低速低密的地球物理特征，地震切片见到两组明显的微小断裂系。研究认为白云西南断阶带和白云东流花34地区是古潜山勘探有利区带，在主洼超压作用驱动下，具有近源、油气充注强度大、花岗岩储层风化溶蚀和构造裂缝发育、区域泥岩盖层保护等优越成藏条件。

3) 下组合高温超压“甜点”储层区。

白云主洼周缘中深层超压体系内，珠海组下段—恩平组发育大规模辫状河三角洲砂岩，具有近源成藏或自生自储成藏优势。不同于传统的浮力成藏，在超压驱动成藏模式下，超压箱内油气聚集只受控于有效储层的分布。白云主洼洼陷带埋深大，珠海组之前位于陆架坡折之上，发育大型辫状河三角洲体系，砂岩分选好、粒度粗、纯净度高，具有优质储层发育的物质基础。通过地震砂体扫描及波形分析等技术，在下组合预测了“甜点”储层可能的发育范围，北侧相对浅埋藏条件下，具有超压规模“甜点”天然气成藏的可能。

5 结论

1) 最新钻井揭示白云凹陷深水区中深层超压普遍发育，白云主洼超压分布呈现东北高、西南低的特征，断裂和底辟是压力释放的主要通道。

2) 指出生烃超压和致密储层封闭是白云凹陷超压形成的主要原因，烃源岩大规模生烃是超压形成的前提条件，深部致密储层控制了超压顶界面，构造演化与沉积中心控制了超压平面分布范围。

3) 白云凹陷中深层超压对油气成藏的影响主要表现在提供油气运移动力，促进形成断裂和底辟泄压通道，并控制形成“双层”天然气成藏系统。指出白云凹陷下组合地层超覆领域、古潜山领域以及高温超压“甜点”储层区3个有利勘探方向。