渤海湾盆地车镇凹陷地层超压成因

金秋月,甘 军,卢 梅,何 生,孙胜新,王 静,高玉洁

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江 524057; 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司中海油实验中心,广东湛江 524057; 3.中国地质大学资源学院,湖北武汉 430074)

渤海湾盆地车镇凹陷地层超压成因

金秋月1,甘 军1,卢 梅2,何 生3,孙胜新1,王 静1,高玉洁1

(1.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江 524057; 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司中海油实验中心,广东湛江 524057; 3.中国地质大学资源学院,湖北武汉 430074)

统计地层实测压力数据,研究渤海湾盆地车镇凹陷始新统地层流体异常压力分布特征.结果表明:始新统沙河街组三段和沙四段地层流体发育异常高压,超压压力因数在1.20～1.78之间;平面上超压主要发育在凹陷中央部位;纵向上现今地层深度2 100 m以上基本为常压,深度2 100 m以下出现明显压力异常,主要分布于沙三段和沙四段地层.单井泥岩测井曲线特征显示,烃源岩生烃演化模拟和包裹体PVT模拟恢复最小,在超压层段声波时差偏离正常趋势线,表现为较高的声波时差值,密度测井曲线符合正常的压实规律;在两期油气充注时期,烃源岩热演化生成大量烃类流体,并以第二期生排烃活动为主,与地层流体超压阶段符合;第一期包裹体在常压环境捕获,第二期包裹体主要在超压环境捕获.始新统沙三段和沙四段地层流体超压主要由生烃作用引起.

车镇凹陷;超压;成因;生烃;测井曲线;渤海湾盆地

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.004

0　引言

含油气盆地广泛存在超压现象,地层压力演化与油气生成、运移及聚集关系密切[1-5],主要受储层物性、温度场、断裂活动和流体活动等地质要素的影响[6-9].含油气盆地发育超压的成因机制,主要有欠压实、烃类生成作用、构造挤压、黏土矿物转换、底辟作用、渗透作用和水热增压等,单一因素和多种因素叠加是形成超压的原因[10-13].引起地层大规模超压成因主要包括快速沉积导致的欠压实、烃源岩生烃作用和构造挤压作用[14].构造挤压作用引起的超压主要发生在构造挤压强烈的构造带[15].欠压实引起超压主要是由于沉积物快速沉积埋藏,孔隙水未及时排出而造成流体压力增加,进而形成高孔隙度、低岩石密度特征,并引起测井声波速度降低、密度变小的现象[16-19].Hermanrud C等[9]认为超压层段声波速度异常并不指示高孔隙度特征,可能为地层本身结构变化引起;何生等[14]认为流体超压降低岩石骨架间有效应力,并引起声波速度的降低;在研究东营凹陷超压问题时,查明[20]等将声波速度异常处作为超压顶界面深度; Magara K[21]认为地层正常压实后,孔隙度和密度不因生油作用而变化.在充分压实地层,生烃作用引起孔隙流体超压而导致通过岩石的速度降低,并不反映高孔隙度及指示密度测井密度数值降低.

车镇凹陷超压分布广泛.曾治平等认为单井上压力系统可以分为上、下常压系统和中部高压系统,剖面上为由内环超压到外环常压系统,车镇存在两期的压力聚集和释放过程[22];曾治平等根据欠压实和生烃裂解结果分析套尔河超压成因[23].范振峰等[24]研究超压和油气成藏关系,得出有机质生烃和黏土矿物的转化有利于形成超压,超压可以改善储层的物性.针对车镇凹陷的超压体的分布特征缺乏精细刻画,超压成因的解析缺乏有力的证据.笔者结合钻井、测井、录井和分析测试等资料,统计车镇凹陷砂岩实测温压资料,分析研究区实测温压分布特征;通过泥岩测井曲线特征分析、烃源岩生烃演化模拟和包裹体热动力模拟,分析车镇凹陷超压成因.

1　区域地质概况

车镇凹陷属于济阳坳陷的二级构造单元,地理位置与沾化凹陷毗邻,在构造上车镇凹陷划分为车西洼陷、套尔河洼陷、郭局子洼陷和大王北洼陷等4个次级洼陷带.各洼陷中间被北西和北东走向的交换带相互隔开,整体上车镇凹陷呈现隆洼彼此相间的构造格局,南面是义和庄凸起,北面是埕子口凸起,全区面积为2 390 km2(见图1).

图1　车镇凹陷构造位置、油气分布与部分井位Fig.1 Tectonic location,hydrocarbon distribution and well location of Chezhen sag

车镇凹陷是中国东部裂谷型盆地的一个次级单元,为地质历史时期的多期沉积、复合叠加的区域.盆地的演化特征总体上可以划分为三个主要阶段:早期为中生代裂陷时期的沉积阶段;中期为侏罗纪晚期到白奎纪早期及白奎纪晚期到古近纪沉积的阶段;后期是新近纪开始的沉积阶段[24-25].

2　实测压力分布特征

根据渤海湾盆地济阳坳陷地层超压的划分结果[16],将压力因数反映常压与超压的界限大致定为1.2,即当压力因数大于1.2时,认为地层流体处于超压状态.

分析车镇凹陷的153口井DST实测温度资料,在1 004.5～4 541.0 m深度车镇凹陷地层温度在54～168℃之间变化,按照地表平均温度15℃计算,地层的地温梯度约为3.56℃/100m(见图2).由图2可以看出,车镇凹陷普遍发育异常高压,超压发育的深度在2 100～4 200 m之间.按照不同层位对车镇凹陷进行细分,地层的异常压力点主要集中于沙四段和沙三段地层,沙二段以上很少有压力因数大于1.2的实测点.

分析沙三段和沙四段的压力状况,沙四段的异常压力发育深度在2 100～4 200 m之间,沙三段在2 300～4 100 m深度之间的压力因数大于1.2.沙三段和沙四段局部发育异常低压现象.沙四段的地温梯度为3.65℃/100m,沙三段的地温梯度为3.62℃/100m;沙四段超压压力因数在1.20～1.72之间,沙三段超压压力因数在1.20～1.78之间.车镇凹陷沙三段地层上部的沙二段到明化镇地层为正常的压力系统,实测压力因数基本小于1.2,只有沙二段出现少量超压点,是压力纵向疏导泄压造成的传导性超压现象.

根据车镇凹陷沙三段71个、沙四段50个实测压力(DST)数据,绘制不同层位流体压力因数分布特征(见图3).地层流体压力主要表现为车西洼陷和套尔河洼陷的深部位高压,以及大王北和郭局子洼陷边界的常压.沙三段实测压力平面展布特征显示在套儿河一车西洼陷形成超压中心,超压呈环带状向外递减(见图3(a));沙四段实测压力显示在套儿河洼陷形成超压中心,超压带向周边逐渐递减(见图3(b)).大王北和郭局子洼陷沙三段和沙四段超压现象不发育.

图2　车镇凹陷实测地层流体压力、压力因数和地温数据Fig.2 Measured fluid pressure,pressure coefficient and ground temperature data of Chezhen sag

图3　车镇凹陷实测压力因数等值线平面分布特征Fig.3 Measured pressure coefficient contour plane distribution in Chezhen sag

3　地层超压成因

车镇凹陷的超压成因一直缺乏较充分的探讨.分别从超压层段泥岩超压测井曲线响应特征、烃源岩生烃演化模拟和镜下包裹体测温等方面,结合PVT包裹体古压力恢复结果,综合分析车镇凹陷地层流体超压主要成因.

3.1泥岩超压测井曲线响应特征

试油测试只能获取渗透性地层压力,数据点有限,无法得到非渗透性地层压力数据.相邻的渗透性地层压力和非渗透性地层压力是处于平衡状态的,渗透性地层压力近似等于相邻的非渗透性地层压力[18-20].根据测井与地层的响应关系,结合测试压力综合分析流体压力特征.分别分析车镇凹陷3口典型的超压井(车66井、车251井和车662井)(见图4-6).分别显示不同层段的岩性特征、层位和声波时差,与正常拟合趋势线、密度测井、泥浆换算压力与实测压力的关系.根据钻井泥浆密度随深度变化和测试压力数据,分析地层的压力状态,拟合声波时差正常压实趋势线,对比超压部位的测井响应特征.

图4　车镇凹陷套尔河洼陷车66井测井响应特征Fig.4 Logging response characteristics of well Che66 in Chezhen sag

图5　车镇凹陷车西洼陷车251井测井响应特征Fig.5 Logging response characteristics of well Che251 in Chezhen sag,Chexi sag

图6　车镇凹陷套尔河洼陷车662井测井响应特征Fig.6 Logging response characteristics of well Che662 in Chezhen sag,Taoerhe sag

车66井、车251井和车662井在浅层常压部位时,声波时差表现正常的变化趋势.在3 350 m深度以下,车66井声波时差逐渐偏离正常压实趋势线,与超压层段具有良好响应关系,纵向上表现为单超压系统,超压顶界面在3 350 m深度左右(见图4).从2 700 m深度开始,车251井声波时差逐渐偏离正常压实趋势线,表现为单超压系统,超压顶界面位于2 700 m深度左右,其中在2 550～2 700 m深度范围内,密度测井曲线出现密度降低,结合测井井径资料分析,主要是受扩径作用的影响(见图5).在3 000 m深度时,车662井声波时差逐渐偏离正常压实趋势线,表现为单超压系统,超压顶界面位于3 000 m深度左右(见图6).

车镇凹陷钻井泥浆密度换算压力因数和测试压力数据揭示,车66井、车251井和车662井超压较发育,测井声波时差在超压层段具有高的时差值.密度测井曲线显示岩石密度随埋藏深度有规律增加,没有出现异常低密度的特征,密度测井曲线对超压没有明显的响应关系.测井声波速度降低可能是由高孔隙度造成的,也可能是由封闭体系生烃增压后,孔隙异常流体压力引起岩石骨架颗粒间有效应力减小、声波传播速度降低造成的[14].超压层段泥岩密度未出现异常低密度现象,说明沙三段和沙四段泥岩超压可能是由非压实不平衡引起的,也可能是由生烃增压引起泥岩骨架颗粒间有效应力减小、超压层段表现为高声波时差异常导致的.

3.2烃源岩生烃演化模拟

车镇凹陷烃源岩主要分布于沙三段的中、下亚段和沙四段的上亚段.应用盆地模拟技术,模拟车镇凹陷的多口典型超压单井生烃史,选取套尔河洼陷的车660井进行分析(见表1和图7-8).

表1　车660井烃源岩生烃评价结果Table 1 Hydrocarbon source rock evaluation of well Che660

图8　套尔河洼陷车660井剩余压力演化史Fig.8 Excess pressure evolution history of well Che660 in Taoerhe sag

将车660井的主要烃源岩层划分为沙四段上亚段、沙三段下亚段和沙三段中亚段.由表1和图7可知,沙四段上亚段的烃源岩在生烃高峰期生油速率为87～116 mg·g-1·Ma-1,烃类转化率接近100%(见图7(c));沙三段下亚段的烃源岩在生烃高峰期的生油速率为43～69 mg·g-1·Ma-1,烃类转化率为28%～80%(见图7(b));沙四段上亚段和沙三段下亚段烃源岩生成的大量烃类流体是研究区的主要供烃来源.沙三段中亚段的烃源岩在生烃高峰期生油速率为10～23 mg·g-1·Ma-1,烃类转化率为9%～22% (见图7(a));烃源岩在热演化过程中生成的烃类流体有限,是研究区次要供烃来源.

分析车镇凹陷主要层段烃源岩地球化学特征,沙四段上亚段烃源岩有机碳质量分数为1.00%～8.00%,氯仿沥青“A“质量分数为0.10%～1.38%,有机质类型为Ⅰ型,属于优质烃源岩;沙三段下亚段烃源岩有机碳质量分数为1.15%～5.30%,氯仿沥青“A“质量分数为0.13%～0.83%,有机质类型为Ⅰ型,属于优质烃源岩;沙三段中亚段烃源岩有机碳质量分数为0.97%～4.54%,氯仿沥青“A“质量分数为0.11%～0.95%,有机质类型为Ⅰ、Ⅱ1型,以Ⅰ型为主.车660井烃源岩层的生烃史和现今超压主要分布于沙三段和沙四段,说明存在两期生排烃期,第二期(5～0 Ma)是该地区烃源岩的主要生排烃时期,烃源岩热演化生成大量烃类流体.地层剩余压力存在两期压力过剩,地层超压时期和大量生排烃期具有较好的响应关系(见图8):第一期剩余压力与古埋深的关系显示压力因数小于1.1的弱超压;第二期剩余压力与对应古埋深的关系显示压力因数超过1.2.第二期(5～0 Ma)地层沉积埋藏速率并未出现明显变化,烃源岩大量的生排烃活动时期和地层超压演化时间的匹配关系表明,生烃作用对地层流体增压起重要作用.

3.3包裹体热动力学模拟

热动力学模拟采用PVT模拟软件一一一VTFLINC、共生盐水包裹体均一温度与烃类流体包裹体等容线交汇法,确定流体包裹体模拟最小捕获压力,作为包裹体充注时的最小捕获压力[26-29].对车镇凹陷车251井、车252井、车254井和车25井样品进行包裹体测温分析和热动力学模拟,结合同期共生盐水包裹体的均一温度与埋藏史、古地温的投影作图,确定油气充注时间和充注的古深度(见图9).由图9可知,车镇凹陷的沙三段和沙四段在地质历史时期共有两期油气充注进入储层,根据均一温度与古地温的交点,第一期的油气充注距今30～22 Ma,处于东营组的沉积末期阶段;第二期的油气充注距今5～0 Ma,处于明化镇组沉积末期阶段.

通过镜下油包裹体和共生盐水包裹体测温数据分析,根据热动力学模拟结果得出最小捕获压力;根据均一温度投影图,得出古深度数据油气充注时压力因数的计算结果(见表2).第一期烃类流体进入储层主要压力因数在1.05～1.09之间,呈现微弱的超压状态,基本处于常压水平;第二期烃类进入储层压力因数大于1.22,呈现明显的超压流体充注.车镇凹陷的第二期油气充注为研究区主要油气充注期次,是影响现今油气分布的主要充注期次.分析流体充注进入储层的古压力及压力因数,结合烃源岩生烃演化史,可以看出在主生排烃期,大量流体以超压状态充注进入储层,影响储层压力布局.

图9　车镇凹陷热动力学模拟与沉积埋藏史Fig.9 The thermal dynamic simulation and sedimentary burial history of Chezhen sag

4　结论

(1)车镇凹陷始新统沙四段至沙三段发育异常高压,主要分布于车西洼陷和套尔河洼陷的中心部位,压力因数从洼陷中心向边缘逐渐递减;超压压力因数在1.20～1.78之间,纵向上超压主要发育在2 100～4 200 m深度之间.

(2)声波测井曲线和超压层段具有较好的响应关系,在超压层段,声波时差曲线明显偏离正常压实趋势线,显示高的声波时差值,密度测井曲线显示正常的压实规律,泥岩密度未出现异常低密度现象,沙三段和沙四段泥岩超压是由非压实不平衡引起的,也可能是由生烃增压引起泥岩骨架颗粒间有效应力减小,超压层段表现为高声波时差异常导致的.

(3)距今5～0 Ma是车镇凹陷烃源岩的主要生排烃时期,地层超压时期和大量生排烃期具有较好的响应关系,烃源岩生排烃活动时期和地层超压演化时间的匹配关系表明,生烃作用对地层流体增压起重要作用.在主生排烃期,大量流体以超压状态充注进入储层,影响储层压力布局.生烃增压是车镇凹陷地层流体超压的主要形成机制.

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TE122.23

A

2095-4107(2015)05-0032-09

2014-07-14;编辑:刘丽丽

国家科技重大专项(2011ZX05006-002)

金秋月(1988-),男,硕士,助理工程师,主要从事石油地质和地化成藏方面的研究.