强挤压型盆地最大埋深期泥岩压实重建及其油气地质意义以库车前陆盆地为例

2021-11-20范昌育李子龙张随随

天然气工业 2021年10期

王刚范昌育李子龙吴双张随随

1.西北大学地质学系 2.大陆动力学国家重点实验室 3.中国石油塔里木油田公司英买油气开发部英潜采油作业区

0 引言

泥岩压实规律研究不仅具有很高的学术价值，而且对石油、天然气工业来说也是至关重要的，对盆地建模、地震解释、钻孔稳定性以及盖层封闭性确定等都具有重要的意义[1-4]。压实是受压力控制的一种现象，压实时，通常将使构成沉积物的颗粒在垂向上更紧密地聚集在一起。沉积盆地内，应力是由经受压实岩石上覆沉积物的有效重量产生的[5]。当上覆沉积物产生的应力到达最大值，即岩石处于最大埋深时，压实强度最大，称之为最大埋深期泥岩压实规律。由于压实的不可逆性，现今泥岩压实与最大埋深期泥岩压实保持一致。强挤压盆地内，在上覆应力和侧向应力共同控制下，泥岩既发生垂向压实又存在侧向压实。较之于垂向压实，构造挤压引起的侧向压实使泥岩孔隙和声波时差进一步减小，泥岩体积密度和垂向有效应力相应增大。因此，强挤压盆地内现今泥岩压实是在最大埋深期泥岩压实的基础上，被构造挤压作用改造的最终结果。然而，国内外对最大埋深期泥岩压实规律的研究多“将今论古”，使用现今的测井或物性数据进行研究[1,3,6-10]。这给后期强挤压改造盆地的泥岩压实规律认识带来较大的误差。但是，这类盆地中往往存在着一些弱挤压区与弱剥蚀区，沉积了与强挤压区相似类型的泥岩，其泥岩压实规律可以被认为与强挤压区最大埋深期泥岩压实规律近似，因而可用于建立强挤压区最大埋深期泥岩压实规律模型，进而揭示强挤压区的压实规律。

2017年，库车前陆盆地累计探明天然气地质储量为1.13 1012m3，三级地质储量为1.92 1012m3，建成了我国第一个超万亿立方米级的大气区[11]，该气区天然气的富集与超压的分布具有密切的联系[6]。前人在研究现今泥岩压实规律对超压成因、流体压力定量评价的意义等方面做了大量工作[6-7,12-13]，然而，库车前陆盆地作为典型的强挤压型盆地，最大埋深期泥岩压实规律的研究及其对超压的影响一直是研究的薄弱点。为此，笔者在分析库车前陆盆地中的克拉苏冲断带和南部斜坡带构造挤压特征和地层沉积特征的基础上，重建了克拉苏冲断带最大埋深期泥岩压实模型，揭示了该盆地最大埋深期泥岩压实规律，探讨了最大埋深期泥岩压实规律对压力成因判定、最大埋深期流体压力定量评价的影响。

1 地质背景

库车前陆盆地位于塔里木盆地北部，其北抵南天山山脉，南临塔北隆起；北东东向延伸，南北宽介于30～80 km，东西长约550 km，面积约为3.7 104km2[14-15]。其内部构造单元可分为北部单斜带、克拉苏冲断带、依齐克里克冲断带、秋里塔格构造带、南部斜坡带及乌什凹陷、拜城凹陷、阳霞凹陷[16]，如图1-a所示。

1.1 构造挤压特征

库车前陆盆地经历了晚二叠世—三叠纪的前陆盆地、侏罗纪—古近纪的伸展坳陷盆地和新近纪—第四纪内陆前陆盆地演化阶段[18-20]。在内陆前陆盆地演化阶段，由于北部南天山山脉的隆起，强烈的构造挤压形成现今库车前陆盆地强挤压构造变形格局，由北向南变形强度逐渐减弱，变形层次逐渐变浅，在剖面上形成一个向南逐渐变薄的推覆构造楔[13]（图1-b）。以北部克拉苏冲断带为例，地层褶皱、逆冲断裂发育，岩石变形程度大，喜马拉雅晚期剥蚀厚度可达1 000～3 000 m[12]，受构造挤压影响大，为典型的强挤压区[21]。南部斜坡带是由紧邻库车前陆盆地的隐伏古隆起发育而来，进入库车再生前陆盆地演化阶段之后，区域进入稳定沉积阶段，晚期受印度板块与欧亚板块碰撞的远程构造影响成为再生前陆盆地北倾斜坡带的一部分[22-24]。其地层平缓，褶皱、断裂少，喜马拉雅晚期剥蚀厚度小于1 000 m[12]，大部分地区剥蚀厚度介于0～500 m，后期改造弱，并于北部局部地区发育伸展背景下的张扭性断裂系统[25]，为区域典型的弱挤压区[20]。

图1 库车前陆盆地构造图

1.2 地层和沉积特征

新近纪以来，库车前陆盆地受到强烈的由北向南的挤压作用，接受南天山山脉的物源，沉积了较厚的新生代，包括中新统吉迪克组、康村组和上新统库车组。吉迪克组—康村组沉积时期，来自南天山山脉的物源在盆地边缘直接入湖，在中西部南天山山前一带形成扇三角洲沉积，逐渐向盆地方向发展为面宽而水浅的湖泊相沉积（图2-a）；库车组沉积时期，气候干旱，前陆盆地边缘的剥蚀区风化强烈，物源充足，在南天山山脉山前一带发育冲积扇—曲流河沉积，之后逐渐变为冲积平原相沉积，在南东方向上发育广阔的氧化环境下面宽而水浅的湖泊沉积[26]（图2-b）。由新近纪沉积相分布特征可知，克拉苏冲断带和南部斜坡带具有相同的物源，处于同一沉积体系，但沉积相略有差异。吉迪克组—康村组沉积时期，克拉苏冲断带以湖泊相为主，局部地区发育扇三角洲相，南部斜坡带主要发育湖泊相，在东南部存在膏盐湖相，但其发育范围有限；库车组沉积时期，克拉苏冲断带发育冲积平原相，局部发育冲积扇相，南部斜坡带为湖泊相。对于同物源、同沉积体系的泥岩而言，其矿物组成近似，矿物颗粒形态差异小，沉积类型近似（图2）。因此，南部斜坡带泥岩可用于建立强挤压区克拉苏冲断带最大埋深期压实规律模型。

图2 库车前陆盆地新近纪时期沉积相图

2 最大埋深期泥岩压实模型

2.1 泥岩压实表征模型

2.1.1 压实曲线

压实曲线和加载曲线被广泛用于描述泥岩正常压实地层（流体压力为静水压力）的压实，压实曲线即声波时差—深度曲线，目前普遍使用经验公式表征[27-28]，即

式中Δt表示深度z处的声波时差，μs/m；Δt0表示地表声波时差，一般取值650 μs/m；c'表示压实系数或压实斜率，m－1；z表示埋藏深度，m。

2.1.2 加载曲线

加载曲线即声波速度—垂向有效应力曲线，声波速度为声波时差的倒数，其函数表达式为：

式中v表示岩石声波速度，m/s；v0表示岩石地表声波速度，m/s。

岩石垂向有效应力是岩石骨架所承担的上覆负荷。特察方程[29-30]被广泛用于计算岩石垂向有效应力，其描述了岩石压实过程中上覆负荷、流体压力和垂向有效应力之间的关系，此函数关系式涵盖泥岩压实的全过程，其表达式为：

式中δ表示岩石垂向有效应力，MPa；S表示岩石上覆负荷，MPa，一般通过岩石平均密度求取，即S=ρagz；p表示岩石内流体压力，MPa，当岩石处于正常压实时，p=ρwgz。

由此，式（3）可进一步表示为：

式中ρa表示岩石上覆负荷平均密度，g/cm3；g表示重力加速度，取值9.8 m/s2；ρw表示地层流体的密度，一般取值1.02 g/cm3。

对式（4）进一步变形，得到：

将式（5）代入式（2）中，得到加载曲线的函数表达式：

由式（6）可知，在自变量δ的范围内，加载曲线的几何形态呈现为指数函数形式。在泥岩正常压实地层中，以压实曲线即式（1）和加载曲线即式（6）作为泥岩压实的表征模型。

2.2 库车前陆盆地康村组泥岩压实模型

由式（1）、（6）可知，压实系数c'是表征泥岩压实的关键参数。研究结果发现，压实系数受控于正常压实地层的沉积速率[28,31-33]，沉积速率越快，压实系数越小，泥岩压实越弱。库车前陆盆地南部斜坡带和克拉苏冲断带正常压实地层主要包括康村组和库车组，由于库车组遭受局部或完全剥蚀，致使库车组沉积速率无法求取。考虑到康村组地层层序完整，且与库车组为连续沉积，沉积背景也相同，因此，使用康村组沉积速率表征正常压实地层的沉积速率。利用分层去压实校正法[34]，恢复了南部斜坡带和克拉苏冲断带康村组原始厚度，结合康村组沉积时间，得到康村组的沉积速率（图3）。南部斜坡带19口井的沉积速率与泥岩压实系数呈负相关，随沉积速率增大，压实系数变小（图4-a），其函数关系为：

图3 库车前陆盆地正常压实地层沉积速率图

式中c'表示压实系数，m－1；Dr表示地层的沉积速率，m/Ma。

除此之外，上覆负荷平均密度是影响压实系数的另一因素，两者呈正相关关系。同一埋深，上覆岩石平均密度越大即上覆负荷越大，其对地层压实越强，泥岩压实系数越大。南部斜坡带泥岩压实系数与上覆岩层的平均密度呈正相关，随上覆岩层平均密度增大，压实系数随之增大（图4-b），其函数关系为：

式中ρmb表示岩石上覆负荷平均密度，g/cm3。

为了减少拟合公式的计算误差，综合考虑多因素的影响，提高相关性，将压实系数与上覆岩层平均密度/沉积速率（ρmb/Dr）进行拟合，拟合关系呈正相关，可以看出考虑多个因素要比单个因素具有更好的相关性（图4-c）。其函数关系为：

研究结果发现，上覆岩层的平均密度与地层的沉积速率具有一定的相关性。对一定厚度的岩石而言，沉积速率越快，矿物排列杂乱且疏松，上覆岩层的平均密度越小；反之，沉积速率越慢，矿物有足够的时间去排列，结构有序且致密，上覆岩层平均密度越大。沉积速率与上覆地层平均密度呈负相关（图4-d），其函数关系为：

图4 库车前陆盆地南部斜坡带泥岩压实规律分析图

联立式（9）和式（10），得到库车前陆盆地康村组最大埋深期泥岩压实的数学模型，函数表达式为：

3 库车前陆盆地最大埋深期泥岩压实规律

3.1 最大埋深期压实曲线

将库车前陆盆地克拉苏冲断带正常压实地层的沉积速率带入式（11）中，得到克拉苏冲断带康村组最大埋深期泥岩正常压实地层的压实系数（表1）。

表1 克拉苏冲断带康村组最大埋深期不同沉积速率下的压实系数和平均体积密度表

将最大埋深期泥岩正常压实地层的压实系数和地表声波时差（取650 μs/m）带入式（1）中，得到克拉苏冲断带最大埋深期正常段泥岩压实曲线（图5）。如图所示，沉积速率越大，压实系数越小，泥岩压实越弱，反之，沉积速率越小，压实系数越大，泥岩压实越强。

图5 库车前陆盆地克拉苏冲断带最大埋深期正常段压实曲线图

3.2 最大埋深期加载曲线

克拉苏冲断带构造挤压强度大，在泥岩正常压实地层中，强烈的构造挤压会增大岩石的体积密度。因此，在强挤压盆地中需要重建最大埋深期的体积密度。由以上分析可知，泥岩平均体积密度与沉积速率有关，将康村组沉积速率代入式（10），得到地层的平均体积密度（表1），进而代入式（4）中，得到垂向有效应力。将最大埋深期压实系数、垂向有效应力以及地层的平均体积密度代入式（6）中，得到克拉苏冲断带最大埋深期加载曲线（图6）。

图6 库车前陆盆地克拉苏冲断带最大埋深期加载曲线图

不同沉积速率形成的泥岩具有不同的压实过程，因此具有不同的加载曲线。沉积速率不同，其加载曲线的斜率变化也不同，沉积速率越大，加载曲线的斜率变化越小，曲线越“平直”；反之，沉积速率越小，加载曲线的斜率变化越大，曲线越“陡”。由此可见，沉积背景相同的研究区域，其内部压实过程也不尽相同，加载曲线也形态各异，沉积速率越相近，其加载曲线越相似，反之，其差异性越明显。

4 油气地质意义

4.1 对最大埋深期流体压力定量评价的影响

地层压力是成藏动力学研究的核心内容，其形成、发展、演化与整个油气成藏过程密切相关[35]。最大埋深期往往是油气大规模排烃期，如西湖凹陷，冀中饶阳凹陷等。因此，恢复最大埋深期流体压力至关重要。前人利用流体包裹体模拟压力、黏土矿物形成压力、改进的Fillippone公式和泥岩压实曲线来恢复最大埋深期流体压力。目前，应用较广泛的方法为泥岩压实曲线法，然而，欠压实地层压实曲线不同于正常压实地层，其压实曲线复杂多变，没有固定的曲线斜率。为得到强挤压盆地中最大埋深期欠压实地层的泥岩压实曲线，假设在构造挤压过程中发育超压的地层保持不变，且最大埋深期与现今欠压实地层的压实曲线形态近似一致。在此假设的基础上，恢复最大埋深期欠压实地层压实曲线，并结合重建的正常段泥岩压实曲线，利用等效深度法计算欠压实地层的流体压力。

以克拉2气田KL201井为例，古、今压实曲线正常压实地层结束点声波时差差值为117 μs/m，依照以上假设，将现今欠压实地层压实曲线统一向右平移117 μs/m，得到最大埋深期欠压实地层压实曲线（图7-a）。进而，以现今和最大埋深期压实曲线分别计算欠压实地层的流体压力（图7-b）。最大埋深期泥岩压实曲线得到的流体压力普遍小于现今泥岩压实曲线计算的流体压力，与古埋深6 016 m处最大埋深期流体包裹体模拟压力相比[17]，最大埋深期泥岩压实曲线计算的流体压力与其误差为1.1 MPa，采用现今泥岩压实曲线计算的流体压力与其误差为10.8 MPa（图7-b），说明重建的泥岩压实曲线能够更准确地描述岩石最大埋深期泥岩压实规律，进而减小流体压力计算误差。除此之外，两者较小的误差也说明假设最大埋深期和现今超压地层保持不变的合理性。

图7 克拉2气田KL201井最大埋深期和现今泥岩压实曲线对比及最大埋深期流体压力图

4.2 对压力成因判别的影响

4.2.1 大北气田超压成因的判别

超压成因研究是油气成藏研究与压力预测研究的基础，不同成因的超压，其与油气藏形成与分布的关系不同，压力预测所使用的方法也相互有别[36]。加载曲线被广泛用于识别超压来源[8,37-39]，欠压实成因超压一般位于加载曲线上，其他超压源位于加载曲线之外。以大北气田DB2井为例，现今实测压力位于现今加载曲线上和最大埋深期加载曲线左侧，据此可得出两种完全不同的成因机制，欠压实成因机制和卸载机制（图8）。目前这两种成因机制都已经得到大多数学者的认同[6-7,12-13]，卸载成因机制具体可分为构造挤压增压、抬升剥蚀降压、传递增压等。然而，通过对大北气田地质综合分析和流体包裹体模拟的压力演化过程[40]，发现大北气田超压为复合成因，是构造挤压增压、抬升剥蚀降压、传递增压及欠压实增压共同演化的结果，与DB2井最大埋深期加载曲线超压判别结果基本一致。由此可见，相对现今加载曲线，最大埋深期加载曲线能够更准确地识别压力成因。

图8 大北气田DB2井最大埋深期和现今超压成因判别对比及超压演化与成藏过程图

4.2.2 大北气田超压演化与成藏过程

相对于现今加载曲线超压成因判定结果，最大埋深期加载曲线反映了真实的超压演化过程和天然气成藏过程。由于古近系库姆格列木群厚层膏盐岩的存在，下伏地层超压及油气能够很好地保存[41]。因此，在强挤压、强剥蚀以及发育大量新生断裂的克拉苏冲断带地区，必然存在构造挤压增压作用、抬升剥蚀降压作用和断裂传递增压作用。

南天山山脉南缘逆冲断裂带构造活动导致了库车前陆盆地地层快速沉积、逆冲断层活化、圈闭及新生断裂的形成，控制了储层性质，超压演化，油气生成、运移、聚集和保存[41]。南天山山脉在距今5 Ma发生强烈的隆起抬升，致使库车前陆盆地地层快速沉积，在距今3 Ma到达最大埋深期[40]。此阶段，最大主应力为垂向负荷，超压主要是欠压实形成的。如图8所示，地层内的超压点A保持在加载曲线上。最大埋深期之后，侧向挤压开始，岩石最大主应力的方向逐渐变为水平方向。由于岩石处于半封闭体系内，且上覆负荷保持不变，强烈的水平构造挤压使流体压力增大，垂向有效应力减小，声波速度增加，岩石在应力—压力耦合作用下发生侧向缩短，其演化路径为A B。随着构造挤压作用进一步增强，岩石露出地表遭受剥蚀，流体压力即受到构造挤压增压作用又受到抬升剥蚀降压作用。当抬升剥蚀厚度较小，岩石以构造挤压增压作用为主时，欠压实地层的流体压力将继续增大，但由于存在抬升剥蚀降压作用，超压增加速度将变慢，但岩石变形程度将持续增大，最终形成地层圈闭，其路径为BC。当以抬升剥蚀作用为主时，超压开始从最大值下降，当抬升幅度、剥蚀厚度最大时，超压具有最小值，形成气势低势区。垂向有效应力也相应减小，声波速度也由于孔隙回弹而下降，其路径为C D。随后，在距今2 Ma时，由于逆冲断层的活化和新生断裂的形成，构造压应力释放，构造压实作用结束。天然气通过没有切穿膏盐岩的逆冲断层运移，在圈闭中聚集成藏[40]，导致盐下储层超压增加，垂向有效应力减小和声波速度下降，其路径为DE。由此可见，在强挤压盆地中，最大埋深期加载曲线能够准确地识别超压成因，结合地质背景信息能反映真实的超压演化与油气成藏过程。