阜东斜坡中侏罗统头屯河组异常高压形成机理

于景维，任伟，王武学，王泽胜，柳妮，欧阳雪琪

（1.克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依834000；2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610059；3.中国石油吉林油田分公司勘探开发研究院，吉林松原138000；4.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000）

阜东斜坡中侏罗统头屯河组异常高压形成机理

于景维1，任伟2，王武学3，王泽胜4，柳妮2，欧阳雪琪2

（1.克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依834000；2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都610059；3.中国石油吉林油田分公司勘探开发研究院，吉林松原138000；4.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依834000）

准噶尔盆地阜康凹陷东部斜坡区中侏罗统头屯河组是区域性重要的勘探目标层。依据研究区重点探井实测地层压力数据，分析异常高压在头屯河组中的纵向及平面分布，根据压力系数将研究区分为超强压区、超压过渡区—超压区和常压区。结合钻井、地震、测井以及薄片资料探讨了研究区异常高压的形成机理，认为沉积作用和构造作用是形成研究区异常高压的主要因素。区域性的异常高压是多个影响因素共同作用的结果，其中构造运动是研究区普遍存在异常高压的关键因素。

准噶尔盆地；阜东斜坡区；中侏罗统；头屯河组；异常高压

异常高压与油气成藏有着十分密切的关系，据不完全统计，大约30%的富含油气沉积盆地中油气分布与异常高压有关[1]。因此，通过对含油气区异常高压分布特征及形成机制进行探讨，总结其与油气成藏的内在联系，可以指导区带油气勘探研究[2-3]。

2012年在准噶尔盆地阜东斜坡区中侏罗统头屯河组钻遇异常高压层，并在头屯河组二段试获商业油气流，为进一步在该区带寻找新的油气藏拓宽了研究思路。研究发现[4]，准噶尔盆地发育的异常高压不仅有自身的特殊性，而且对油气的形成、运聚、成藏、保存和分布起着控制作用。本文在前人研究成果的基础上，对研究区头屯河组异常高压的分布特征及成因进行重点分析，以期对该区块油气勘探工作有所裨益。

1　研究区概况

研究区位于准噶尔盆地阜康凹陷东部（图1），面积约600 km2，地层整体东高西低，呈鼻状构造。头屯河组（J2t）自下而上分别为头一段、头二段和头三段，埋深为2 800~4 300m，由于侏罗纪晚期的燕山运动，头三段部分被剥蚀。研究区早在20世纪50年代就开始了油气地质工作，是准噶尔盆地内勘探程度较高的区域，目前共有40余口井钻遇头屯河组，多口井见到油气显示，是阜东斜坡岩性地层油气藏勘探的有利区带。

图1　研究区构造位置

2　异常高压分布特征

利用研究区20余口钻井头屯河组所对应的DST实测压力同静水压力曲线进行比较（图2），发现头屯河组中异常高压现象较普遍，实测压力系数多为1.2~ 1.7，属于超压过渡区—超压区[5]。

图2　研究区DST实测压力与深度关系

对研究区头屯河组地层压力系数分布（图3）分析认为，研究区大部分区域为超强压区（地层压力系数大于1.7），其中阜东13井压力系数可达2.0；其次为超压过渡区（地层压力系数为1.2~1.5）和超压区（地层压力系数为1.5~1.7）；常压区（地层压力系数小于1.2，面积最小，仅限于阜东021井、阜东17井和阜东052井之间，压力系数普遍为1.1）。从图3可看出，压力系数平面分布与埋深的关系并不是很明显，超强压区在1 900m以上也有分布。同时压力系数等值线延伸趋势基本同剥蚀线一致，南北两侧压力系数等值线向中间靠拢，从侧面反映出主要受断裂以及构造运动（燕山运动）影响。

图3　研究区头屯河组地层压力系数分布

3　异常高压形成机理探讨

前人对包括研究区在内的准噶尔盆地异常高压形成机理从构造挤压作用、快速沉积引起的欠压实作用、烃类的生成、流体热增压和矿物转化脱水作用、他源超压传导作用等诸方面进行了研究。文献［6］对研究区烃源岩有机质演化成熟度进行分析，认为其基本上处于低成熟阶段（镜质体反射率小于0.8%），此阶段有机质基本不能裂解成气；文献［7］和文献［8］曾利用数值模型定量讨论过泥质岩中水热增压机制的效率，认为在上部地壳的绝大多数地质条件下这种超压生成机制的效率非常微弱；文献［9］也曾定量分析过蒙脱石向伊利石转化过程中的脱水作用对地层压力的作用效率，认为这种增压作用与压实作用比起来，基本上可忽略不计；前人认为侏罗纪末期到白垩纪初期发生的燕山运动使得天山造山带以及博格达山楔状体继续隆升向北挤压，准噶尔盆地东部发生差异升降、块断隆升作用造成欠压实是研究区产生异常高压的关键因素；文献［10］利用古地磁测量资料，提出包括研究区在内的准噶尔盆地南缘构造应力场最大主应力为水平方向，从而证明构造运动是造成研究区异常高压形成的最重要因素。

文献［11］利用有限元法分析认为，构造应力随深度的变化可按p=a+bh的关系估算，在研究区a为16.5，b为0.011.按照此算法，构造应力在研究区头屯河组形成的压力系数应是2.2以上。但从图2可以看出，多数井地层压力系数为1.2~1.7，处于超压过渡区—超压区的范围，极少数井地层压力系数大于1.7.这反映出虽然研究区异常高压总体受构造应力影响，但并不是唯一因素，异超高压的形成因素较多，各种因素在不同的地质环境及介质条件下可能会相互制约，形成“压力分割”的局面。

因此，将研究区按照压力系数的变化划分为超强压区、超压过渡区—超压区以及常压区。利用钻井、地震、测井以及薄片资料对3个压力区进行压力成因机制研究。

3.1超强压区

研究区超强压区的欠压实主要是由构造运动引起，孔隙中流体排出不畅，产生异常高压。侏罗纪晚期的燕山运动造成研究区南部博格达山隆起，使得研究区受到向北的强烈挤压，中上侏罗统出现欠压实。除了构造挤压外，垂向压实作用也对异常高压的形成有影响。但是压实作用要产生异常高压需要具有一定厚度的泥岩层或非渗透层以及快速负荷沉积。以阜东14井为例，头屯河组压力系数为1.9，纯泥地比（纯泥岩厚度与地层厚度之比）为50%，头屯河组底界埋深将近4 000m，较多的塑性泥岩易受压实作用影响，从而增大地层压力。另一方面，燕山运动使研究区地层整体抬升，在一定程度上使地层压力有所卸载[12-13]，最终造成现今超强压区的分布。

3.2超压过渡区—超压区

以阜东5井和阜东7井为例，阜东5井头屯河组压力系数为1.38，阜东7井压力系数为1.54，分析2口井所在区域异常高压除了受到上述水平方向构造应力挤压之外，在一定程度上亦受压实作用影响。阜东5井纯泥地比为46%，阜东7井纯泥地比为37%，同时根据阜东5井沉降史曲线可看出，三叠—侏罗系沉降速率最大（图4），经计算达到41.4m/106a，因此2口井附近区域欠压实也有垂向压实作用的贡献。考虑到2口井黏土矿物在纵向分布上并无差异，伊利石含量并未有大幅度增长，同时准噶尔盆地地温梯度非常低，因此异常高压没有黏土矿物转化和水热增压作用的贡献。

阜东5井和阜东7井头屯河组压力系数未超过1.7，因而需要考虑泄压机制。首先从构造方面分析，燕山运动使研究区地层整体抬升，地层被不同程度地剥蚀，剥蚀卸载引起的应力、地温下降[12-13]造成头屯河组砂岩地层压力降低。其次阜东5井附近断裂十分发育，燕山运动使研究区二叠—三叠纪形成的断裂再次复活，形成生长断层。阜东5井头屯河组压力系统的封盖层深度在2 400~2 500m，而断裂对压力封盖层的穿透使得不平衡的地层压力向平衡发展，但由于阜东5井前三角洲泥岩塑性较强且厚度较大（单层最厚可达18m），促使断裂封闭，缩短了压力释放时间，最终保存了异常高压。

图4　阜东5井沉降史曲线（a）和压实曲线（b）

3.3常压区

常压区主要分布在阜东021井、阜东17井和阜东054井区，这3口井附近断裂非常发育，阜东021井及阜东17井纯泥地比不到20%，即使断裂深度不大，只要断穿压力封盖层，没有足够的塑性泥岩及时封堵，异常压力短时间很容易恢复到常压状态；阜东054井纯泥地比为45%，但断裂的深度及数量较大，造成泥岩不足以完全封堵，导致异常高压的释放。同时通过剖面可见阜东054井位于褶皱的轴部区域，头屯河组上部遭受严重剥蚀，导致地层压力快速降低，异常地层压力流体沿着渗透性地层释放，轴部区域砂岩层内因压力的侧向传递先形成高压，然后向相邻的泥岩层内传递[14-15]。

研究区阜东082井和阜东19井距离很近，两口井纯泥岩含量相近，阜东082井纯泥地比为46%，阜东19井纯泥地比为51%.但其压力系数差别较大（阜东082井为1.64，阜东19井只有1.38）。研究发现，黏土矿物中伊利石并未出现规律性的变化，黏土矿物转化程度相似。同时两口井附近断裂并不发育，且受成岩压实作用引起的压力增加亦相似。二者都处于构造剥蚀的翼部，靠近较为严重的剥蚀区域，异常高压的降低可能同渗透性地层在侧向上连通有关，异常高压沿着倾斜的渗透性地层侧向传递，在翼部泥岩层内先形成高压，并不断向砂岩层内传递，由于两口井中地层的砂泥配置不同，造成上倾方向对水动力的封闭条件不一致，因此异常高压会有所差别。

3.4异常高压形成机理

沉积作用和构造作用是造成研究区异常高压的2大主要因素。

3.4.1沉积作用

（1）泥岩含量头屯河组泥岩含量，尤其是纯泥岩含量对于超压的形成非常关键。泥岩本身不仅是塑性岩体，易被压缩，同时大规模纯泥岩可增加构造断裂封闭性能，防止压力过多释放。笔者对研究区20余口重点井头屯河组纯泥岩含量进行统计，发现泥岩含量大于40%的井，其目的层压力系数92%都大于1.2，而泥岩含量小于40%的井，其目的层压力系数90%在1.2以下。虽然纯泥岩含量和超压存在一定关系，但超压地层中纯泥岩和砂体的叠置关系、单层纯泥岩厚度及非纯泥岩（如砂质泥岩）中泥质含量等对超压形成的影响，是重点要解决的问题。

（2）沉积速率快速沉积决定着上覆地层负荷应力的增大和地层孔渗变差[16]，对于产生异常高压也十分重要。对研究区重点井的沉降史曲线（图4）与地层剩余压力演化进行比较表明，侏罗系地层抬升前后，沉积速率与剩余压力相关性并不是很好，表明快速沉积对于超压形成贡献有限。

（3）黏土矿物的转化蒙脱石脱水形成伊利石，进而使体积增加，虽然并不一定一次性脱水，但总体是通过密度的变化而产生超压。研究发现，凝灰岩岩屑极易蚀变为蒙脱石、伊蒙混层等黏土矿物。重点井中2 700m以下伊蒙混层含量减少，而伊利石增加（图5），但总含量并不大，仅对于界面致密有影响，对于超压形成贡献甚微。究其原因可能是伊蒙混层包裹在碎屑颗粒周围，形成早期的黏土矿物包壳，有益于保存原生孔隙，增强岩石抗压性。

图5　阜东081井头屯河组黏土矿物含量纵向变化

3.4.2构造作用

（1）构造运动前人研究认为，发生于侏罗—白垩纪的燕山运动对于研究区异常高压形成具有决定性作用，燕山运动期的水平挤压造成研究区地层的侧向压实，同时，水平挤压作用造成地层发生褶皱甚至断裂，对于异常高压的形成也产生一定影响。

（2）断裂构造断裂构造发育的数量及程度对于异常高压的重新分布和破坏亦十分重要。研究区断裂构造多在中部地区沿“鼻隆”发育。对于浅部地层而言，压力自深部以流体形式通过断裂传输，其保持压力所需条件只需砂体周围存在非渗透或低渗透岩层；一旦断裂穿越顶部封闭层，则压力迅速释放，使地层恢复静水压力。泥岩如能及时封堵断裂，则会阻碍异常高压的释放。

（3）褶皱构造研究区是前期受到挤压而形成的较大鼻状凹陷，褶皱现象在地震剖面上普遍存在，其一方面造成上覆地层水平方向厚度不均衡，地层内部存在流体压力不均匀分配，形成地层压力在水平方向分布不一致；另一方面如果褶皱伴随抬升剥蚀，造成不同地层的接触，流体压力则会通过渗透性地层发生转移，使不平衡压力系统趋于平衡。

4　勘探有利区带预测

超压演化具多期性和阶段性，导致地层纵向上发育多套超压系统[4]。不同的超压系统结合不同的沉积、成岩、生烃环境，引起的成藏响应也不同。例如超压作为油气运移的动力，影响油气的分布，纵向上油气多集中在压力封存箱的顶部成藏，且具有幕式成藏的特点，平面上不同时期的油气运移方向和分布规律随着压力的演化变迁都不尽相同。因此随着盆地油气勘探的深入，会发现超压的存在与油气的分布关系比较密切[4]。结合试油资料，根据异常高压的特征以及对油气运移的控制，即可对研究区勘探有利区带进行预测。

研究区头屯河组共有7口出油井，7口井均位于超压过渡区—超压区，其中4口井压力系数为1.2~1.5（超压过渡区），3口井压力系数为1.5~1.7（超压区）。研究区油气主要以2种方式运移：一种是通过断裂由高压区运移至低压区和相对低压区；另一种是通过连通砂体之间运移。油气成藏时需要足够厚度及规模的非（低）渗透性岩层来封盖。

依据前述分析，结合已被认定为有利勘探层系的头屯河组二段的沉积相研究成果[17]，划分研究区勘探有利区带。有利沉积微相主要为水下分流河道和分流河道，叠合压力系数为1.2~1.5以及稍高于1.5的区域，特别是中部断裂发育区和靠近分流间湾以及前三角洲大套泥岩的区域，对于成藏提供了油气运移通道以及重要的保存条件，是最有利勘探区域（图6）。

图6　研究区头屯河组二段有利勘探区带预测

5　结论与认识

（1）研究区头屯河组普遍存在异常高压现象。平面上异常高压分布主要受燕山运动影响，其中压力系数大于1.7的区域分布面积最广，其次为压力系数为1.2~1.5的区域。

（2）研究区依据地层压力划分为超强压区、超压过渡区—超压区以及常压区。超强压区异常高压为构造挤压、成岩压实作用以及地层构造抬升共同作用而形成；超压过渡—超压区异常高压除了构造挤压、成岩压实作用以及地层构造抬升共同作用外，还受到断裂及泥岩含量的影响；常压区主要是由于断裂规模及数量较大，泥岩含量较低，异常高压全部被释放。

（3）研究区异常高压形成的根本原因是构造运动，次要原因是沉积作用和成岩作用。

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Formation M echanism ofToutunhe AbnormalPressure ofM idd le Jurassic in Fudong Slope Area,Junggar Basin

YU Jingwei1,RENWei2,WANGWuxue3,WANG Zesheng4,LIUNi2,OUYANGXueqi2
(1.Karamay Vocational&TechnicalCollege,Karamay,Xinjiang 834000,China;2.State Key Laboratory ofOil&GasReservoirGeology and Exploitation,Chengdu University ofTechnology,Chengdu,Sichuan 601159,China;

3.Research Institute ofExploration and Development,Jilin Oilfield Company,PetroChina,Songyuan,Jilin 138000,China;

4.Research Institute ofExploration and Development,XinjiangOilfield Company,PetroChina,Karamay,Xinjiang 834000,China) Abstract：Toutunhe formation ofthe Middle Jurassic in slope area ofeastern Fukang sag(Fudong slope area)in Junggarbasin is a signifi⁃cantexploration targetzone in this region.Based on themeasured formation pressure data from keywells in this study area,thispaperana⁃lyzed the verticaland horizontal distributions ofabnormalhigh pressure in Toutunhe formation,presented three zones such asultra⁃intense pressure zone,transition to overpressure zone and normal pressure zone in terms ofthe pressure coefficients,and discussed the formation mechanisms ofthese abnormalpressure zonesbymeans ofdrilling,seismic,logging and thin⁃section data.The influencing factorsforform⁃ing the abnormalpressure in thisarea are sedimentary faciesand diagenesisaswellas tectonicmovement.The formation ofthe regionalab⁃normalpressure is the resultofmultifactorcombined actions,amongwhich the tectonicmovementis the key factor.

Junggarbasin;Fudong slope area;Middle Jurassic;Toutunhe formation;abnormalpressure

TE112.23

A

1001-3873（2015）05-0521-05

10.7657/XJPG20150504

2015-04-02

2015-05-14

国家科技重大专项（2011ZX05001-005-01）

于景维（1985-），男，河北石家庄人，博士研究生，储层沉积学，（Tel）17709909857（E-mail）yyjjww-1985@163.com.