莺歌海盆地压力封存箱的形成、演化及与成藏关系

周 文, 谢玉洪, 李绪深, 曹 茜, 童传新, 宋荣彩

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059;2.中海石油有限公司 湛江分公司,广东 湛江 524057)

异常压力流体封存箱(abnormally pressured fluid compartment)最早由Hunt(1990)提出，一般简称“压力封存箱”[1]，并广泛应用于异常地层压力盆地的油气成藏领域。对于超压盆地，压力封存箱是描述压力与成藏之间最好的技术方法之一。

早在1978年莺歌海盆地莺2 井就钻遇了异常高压地层，后又相继在LD30-1-1A、DF1-1-1和LD8-1-1等井钻遇异常高温高压地层。莺歌海盆地是一个典型的高温高压盆地[2]。已有的研究成果表明，在盆地中有机质的热演化、油气运移和聚集都与温压场密切相关[3]。

莺歌海盆地属于超压盆地，在盆地的油气成藏研究中，开展压力封存箱的研究是十分重要的。前人在研究“压力封存箱”时均以目前盆地中超压的分布特征为基础[4-7]划分出“压力封存箱”的分布，并研究“压力封存箱”与发现的油气藏之间关系，从而总结出“压力封存箱”如何控制油气藏的成藏规律。这类研究的“压力封存箱”是以目前的超压现状为结果，即相对“静态”的；实际上，对于超压盆地，超压的形成和演化是历史的过程，因此，研究“压力封存箱”的“动态”过程才是研究的重点，即从历史演化的角度去分析“压力封存箱”的形成及演化和对油气成藏的控制。

本文根据莺歌海盆地钻井资料及压力测试结果，对莺歌海盆地古近系至第四系的超压层的分布、压力封存箱的划分及形成、演化进行了分析，进而分析压力封存箱的演化与油气成藏的关系。该成果已应用于莺歌海盆地的油气勘探。

1 莺歌海盆地超压特征

莺歌海盆地属于新生代转换—伸展型盆地，目前为止仍是一个快速沉降的年轻盆地[8]。早渐新世以前，至少10 Ma时间内，莺歌海盆地快速、连续地沉积了巨厚的、以泥岩为主的沉积物。自中始新世至第四纪的40 Ma间，莺歌海盆地沉积速率一般在0.5 mm/a，最大可达1.4 mm/a，平均为0.78 mm/a，第三—第四系的最大厚度超过17 km[9]。莺歌海盆地快速沉降沉积是造成古近系-新近系厚层泥岩形成超压的关键因素。

超压区大面积分布于盆地中部地区，压力系数整体具有南高北低的分布格局，不同地区压力变化较大，从1.2变化到2.0左右。

由于泥岩欠压实，塑性强，在不均衡重力条件下，加上深部断裂活动，使得泥岩产生泥辟作用，在盆地内超高压地区形成泥底辟构造(图1)。这些泥底辟构造向上影响的层位最浅可以达到新近系上新统黄流组，成为盆地中影响油气聚集的重要地质构造[13,14]。

莺歌海盆地底辟带的发育，改变了莺歌海盆地中深部地层压力的分布格局，主要表现在：底辟的形成伴随着大量的底辟断裂和裂缝形成，流体沿断裂的垂向输导使深部超压传递至浅部，从而使浅部储层发育超压。莺歌海盆地底辟构造带埋藏深度<1.5～2 km的储层发育超压[10]，主要是深部的强超压通过底辟向上传递的结果。深部高温高压热流体沿破碎带向浅部运移，导致其超压顶面埋藏浅，层位新[11]，如LD14-1(超压顶板埋藏深度1.4 km)、LD22-1(1.3 km)及DF1-1(2.3 km)等井区泥底辟，有的底辟活动引起的杂乱反射带距海底仅0.5 km左右。中浅层超压带的展布受底辟构造影响，表现在相同层位底辟发育区具有较高的压力系数，非底辟区压力系数略低。

在泥底辟带活动的同时，深部地幔热活动引起的热动力作用，进一步促使盆地在快速沉降期充填的欠压实泥岩沿压力释放带发生流体底辟活动[9]。另一方面，由于泥底辟带经常处于深部断裂带，深部热液活动同样促进了超压过程，“水热增压”作用在盆地内是存在的。

非底辟区，在盆地南部超压界面一般很深，且超压明显受地层、岩性和盆地边界断裂的控制[12]。如LD30-1-1A井，其高压顶面深度大约在3.2 km，DF1-1N井区超压顶板埋深也超过2.3 km。

从压力剖面特征看，盆地内存在2类压力剖面(图2)：①缓慢增压型压力剖面，主要分布在盆地内的非底辟带，不受泥底辟带的影响，主要表现为快速沉降欠压实作用引起的超压，属于自源型超压，例如DF1-1-11井是典型的该类曲线。②S增压型曲线，主要位于泥底辟作用带内，因泥底辟断裂(裂缝)的作用，使得泥底辟在不断向上发展过程中，流体向上运移，超压也向上传导;同时,深部热流体向上侵入，产生水热增压作用，使得超压出现的层位变新，深度也变浅。这类曲线主要分布在底辟断裂作用带。

2 压力封存箱的划分及演化

2.1 压力封存箱的划分

图1 莺-琼盆地构造格架图Fig.1 The tectonic framework of Yinggehai Basin(据朱伟林等(2004)[13]；钟志洪，李绪宣等(2006)[14])

盆地中“封存箱”的确定主要是封闭的边界，包括岩性边界、成岩(致密)边界，其中最主要的箱体顶板：一般是以盆地中稳定的泥岩封盖层作为顶板。

图2 莺歌海盆地不同地带压力系数剖面Fig.2 The pressure coefficient profile of different areas in Yinggehai Basin(据黄志龙等，2013)

纵向上，盆地存在多套成藏系统，浅层、中-浅层、中深层、深层均存在(图3)。①上部成藏系统：区域性盖层是莺歌海组及黄流组上部的厚层泥岩，烃源以黄流组富有机质泥岩为主，储层主要为莺歌海中上部及黄流组中下部砂岩，构成了盆地上部下生上储顶盖型的成藏组合，形成了在该成藏组合控制下的成藏系统，目前在两组地层中均探明有油气藏。对于泥底辟带及断裂带因断裂带纵向活动，流体可以从深部运移而来，因此，混源作用存在与两个盆地的泥底辟带或深大断裂带。莺-琼盆地大部分气藏主要分布在深部超压体系之上的莺-黄组上部及第四系当中，大部分属于常压气藏。②中部成藏系统：区域性盖层是梅山组及三亚组中上部的厚层泥岩，烃源是这两组中的富有机质泥岩，储层主要为梅山组上部及三亚组中下部的砂岩。构成了盆地中部源内的成藏组合及在该成藏组合控制下的成藏系统。同样，在盆地的泥底辟及深断裂作用带，下部流体可以运移到本系统内形成混源。③下部成藏系统：区域性盖层是陵水组及崖城组中上部的厚层泥岩，烃源是这两组中的富有机质泥岩，储层主要为这两组下部的砂岩，构成了盆地中部源内的成藏组合及在该成藏组合控制下的成藏系统。

图3 莺歌海盆地泥底辟活动与压力封存箱演化之间关系图Fig.3 The relationship between the mud diapiric activity and the pressure compartment in Yinggehai Basin

对于压力封存箱的划分，最主要的是确定盆地中稳定分布的封盖层。一般情况下，区域性盖层是可以作为压力封存箱的顶板层。就莺-琼盆地而言，盆地中3套区域性盖层可以构成3个压力封存箱的顶板层，即,①陵水组及崖城组中上部的厚层泥岩层构成的下部压力封存箱；②梅山组及三亚组中上部的厚层泥岩层构成的盆地中部压力封存箱；③莺歌海组及黄流组上部的厚层泥岩层构成的盆地上部压力封存箱。

从泥岩的压实曲线可以看出，莺-琼盆地中厚层的泥岩“欠压实”特征清晰，且厚层泥岩普遍存在泥岩欠压实，一般的起始深度在700～900 m左右。对应到压力封存箱，3套区域性泥岩盖层正处于箱盖部位，是泥岩“欠压实”发育带，如DF1-1-11井(图4)，上部压力封存箱的泥岩盖层“欠压实”带明显，欠压实带从850 m开始到1.4 km；中部压力封存箱的泥岩“欠压实”带从该井3 km左右深度开始到井底。对应测压资料表明，该井深度>2.3 km的深度为超压地层，砂岩在1.3～2 km的深度有一个“次生孔隙”发育带(常压区)；在2.6～2.8 km及>3.2 km的深度有2个“欠压实”及溶蚀形成的高孔隙带(图5)。

图4 DF1-1-11井泥岩压实曲线Fig.4 Compaction curve of the mudstone from Well DF1-1-11

图5 DF1-1-11井砂岩压实曲线及地层压力系数剖面Fig.5 Sandstone compaction curve and the formation pressure coefficient profile of Well DF1-1-11

实际上，两个盆地中泥岩盖层发育层位多，形成封闭体系也多;但宏观上看，上述3个主要封存箱应该是主要压力封存箱系统，与纵向上3套成藏系统划分基本一致，每个箱体中可以细分出多个次级箱体。

2.2 压力封存箱的演化

莺歌海盆地中压力封存箱的形成与箱体“顶板”欠压实带的形成有关，从区域性泥岩盖层压实曲线看出，在连续沉积条件下一般在埋深800 m左右存在欠压实带。因此，可以理解为盆地中的3个压力封存箱，在地质历史中埋深达到800 m左右时压力封存箱就形成，并进入了地质历史演化。所以，压力封存箱形成于地质历史中，并演化至今，压力封存箱是“动态”的，目前是“动态”演化的结果。

从盆地压力演化地质历史看，在构造稳定的一些地区，主要是非泥底辟作用带，构造演化过程相对稳定，盆地地层压力演化也相对稳定，主要呈逐渐增加趋势。而在泥底辟带，构造活动强度增加，对压力的影响增加，也对压力封存箱的演化存在重大影响，同时还对油气的运聚存在重大影响。莺-琼盆地有3期构造活动，包括陵水组顶部喜马拉雅第Ⅰ幕构造活动、梅山组顶部喜马拉雅第Ⅱ幕构造；莺歌海组顶部喜马拉雅第Ⅲ幕构造活动，下面结合构造过程讨论各个压力封存箱的形成及演化。

2.2.1 压力封存箱早期演化(图3-A)

崖城组中上部泥岩按埋深估计，在陵水组沉积中期前后埋深达到800 m以上，形成欠压实带。这一时期下部压力封存箱就开始形成；到陵水组沉积末期，陵水组中上部厚层泥岩也处于欠压实带，该压力封存箱基本形成。

陵水组顶部开始的喜马拉雅第Ⅰ幕构造活动使得下部压力封存箱产生第一次重大变化。在莺歌海盆地中，由于该期构造活动诱导处于不均衡重力作用下泥底辟活动再次发生，泥岩发生“流动”形成初期泥底辟构造，造成下部压力封存箱的顶板层的破坏。这一时期构造活动也可能将盆地基底断裂复活，断裂向上发展的同时也可以诱导产生泥底辟作用。造成压力封存箱体内超压流体向上溢出箱外，构成盆地第一次流体运聚事件。如果崖城组中部的泥岩烃源岩达到成熟阶段，生成有天然气，就可能在这一时期形成第一次大规模运移，在封存箱体上部边缘外形成大规模成藏。这样的成藏，无疑是高压流体溢出箱外常压带的降压成藏过程。如果这一过程伴随高温流体活动，箱体内高温流体也是向箱体外的溢流过程，温度事件与压力事件耦合在一起。

对于琼东南盆地，由于该期构造活动，深大断裂的活动及伴随断裂带热流体活动，使得压力封存箱体上部破裂，流体溢出箱外，同样形成一次高温、高压流体从箱内向箱外的运聚事件。如果深部泥岩烃源岩达到成熟期，也是盆地的天然气的重要成藏事件期。

上述时期后，沉积过程再次发生，压力封存箱又变“稳定”，持续演化，进入两个盆地中部压力封存箱的形成阶段。

2.2.2 压力封存箱中期演化(图3-B)

梅山组顶部开始的喜马拉雅第Ⅱ幕构造活动使得中部及下部压力封存箱产生又一次重大变化。莺歌海盆地内，同样由于该期构造活动诱导处于不均衡重力作用下泥底活动再次发生，造成下部压力封存箱再次破坏和改造，对中部压力封存箱顶板层的破坏，中部封存箱以下的高压流体向箱外溢出，形成了第二次流体运聚事件。这一时期崖城组及陵水组中泥岩烃源岩达到成熟阶段，生成的天然气必然在流体向箱外溢出过程中同时发生运移，可以呈溶解相或以混相流动，在箱体外降温、降压过程中成藏，集聚的主要层位是梅山组上部及黄流组下部砂岩储层。

这一时期后，沉积过程又再次发生，下部、中部压力封存箱又变“稳定”，持续演化，进入两个盆地上部压力封存箱的形成阶段。

2.2.3 压力封存箱晚期演化(图3-C)

影响两个盆地压力封存箱较晚的构造活动是莺歌海组顶部喜马拉雅第Ⅲ幕构造活动，也是盆地中浅层大规模的油气运聚成藏时期。该期构造运动使得上部、中部及下部压力封存箱又一次产生重大变化。

莺歌海盆地内，同样由于该期构造活动诱导泥底辟活动再次发生并向上发展，造成下部及中部的压力封存箱再次破坏和改造，向上对上部压力封存箱顶板层造成破坏，压力封存箱以下的高温、高压流体向箱外溢出，形成了第三次流体运聚事件。这一时期深部崖城组、陵水组、三亚组、梅山组及部分黄流组中泥岩烃源岩达到成熟-高成熟阶段，生成的天然气以溶解相或混相向上及上部压力封存箱体外溢出的过程中同时发生运移，在箱体外莺歌海上部及第四系砂岩储层中降温、降压过程中成藏。

通过上述活动后，逐渐形成了目前压力封存箱的分布格局。

3 油气成藏与封存箱的关系

从目前的超压与成藏关系研究成果看，主要的观点有：①超压箱体内，基本无大规模的流体运移，因此，箱内成藏十分困难[15,16]，主要的成藏系统分布在箱体外部；②超压箱内，可以成藏，流体封存箱外不具有封盖作用(或封盖条件不好)，因此不具备形成油气藏的条件[1]；③盆地中存在“箱内成藏”和“箱外成藏”两类[6]，但没有说明两类成藏的动力学过程；④在常压或低压盆地演化历史中存在超压过程，超压是流体运移的主要动力，成藏主要在超压区指向的地区或地带(即指明是超压箱体外部)[17]，超压箱内有局部集聚，形成的油气藏规模小。

作者认为，目前处于超压封存箱内的油气藏并不一定是在箱内形成的油气藏，因超压封存箱是动态演化的。油气藏的主成藏期，其是处在压力封存箱内还是箱外才是判断箱内成藏或箱外成藏的关键。就莺歌海盆地而言，盆地中3个主要的压力封存箱经历了3期主要的演化阶段与盆地经历的3期主要构造活动相对应。

在非泥底辟区，盆地构造相对稳定，超压封存箱也处于相对稳定的持续演化状态。在这些地区，压力封存箱形成略早于主要烃源岩成熟期，在压力封存箱内存在流体势差(或压差)的情况下，流体可以发生流动。总的看，这类势能差不应该比压力封存箱的箱体破裂后产生的势能差大，所产生的“箱内”局部运聚，形成的油气藏规模也可能不大。

对于泥底辟带则显著不同。在构造活动期，构造活动诱导的泥底辟造成压力封存箱破坏，从而导致大规模的箱内超压流体向箱外运移。该时期一般与烃源岩演化成熟期基本相当，成为重要的成藏运聚事件期。在这一时期，构造活动、压力箱体破裂、高温及高压流体运聚与成藏期及事件在泥底辟带高度地耦合在一起，泥底辟作用带是多种地质事件过程(如破裂作用、降压及降温事件、流体运移事件、油气成藏事件等)时空耦合地带，这些地带及其影响带也是流体向上运聚的重要地带。因此，历史地看，在莺歌海高温、高压盆地中油气的聚集成藏，主要与构造事件相关的泥底辟带的压力封存箱破坏、流体运聚关系密切。目前找到的油气藏主要分布在泥底辟带地区[18,19]即是佐证。因此，这类盆地主要油气藏集聚是在压力封存箱的箱外，在降温、降压过程中的成藏。

根据莺歌海盆地压力封存箱演化历史，3个超压封存箱对应有3期破裂，油气运聚与成藏期继承发展，晚期的箱体破裂及油气运聚，对前期具有强烈的改造作用，3期活动结束后，形成了目前的状态。因此，在泥底辟带及四周的斜坡地带可以构成一个从下部含油气系统到上部含油气系统的“立体”成藏系统，这些地带成为油气勘探的主要目标地带(图6)。

图6 莺歌海盆地东方1-1油气区黄流组泥底辟构造井位图Fig.6 The well locations of the mud diapiric structure belt in the DF1-1 oil-gas field in Yinggehai Basin

4 结 论

a.莺歌海盆地压力封存箱的形成是“动态”演化的，盆地中有3个主要的压力封存箱，同时经历了3期主要的演化阶段与盆地经历的3期主要构造活动相对应。

b.盆地中的泥底辟带，构造活动诱导的泥底辟活动是造成压力封存箱破坏，从而产生流体运移的主要因素。这些地带及其影响带也是流体向上运聚的重要地带，构造活动-压力箱体破裂-高温、高压超压流体运聚与成藏期及事件高度地耦合在一起。

c.历史地看，莺歌海高温、高压盆地中油气的聚集成藏，主要发生在泥底辟带，主要与构造事件相关的泥底辟活动造成的压力封存箱破坏有关。该时期是油气的重要运聚时期，也是油气的主要成藏期。从压力封存箱的演化历史看，属于箱外的降温、降压过程中的成藏。这些泥底辟区及周围的斜坡地区成藏是油气勘探的重要目标区。

d.非泥底辟带，构造相对稳定，超压封存箱演化也平稳，没有发生因箱体破裂产生的大规模流体运聚过程。压力封存箱内流体势差(或压差)小，产生的流体流动规模相对小，如形成油气藏，规模也可能不大。

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