东海西湖凹陷异常压力机理及钻后检测方法研究

段飞飞，张海山，邱 康，王孝山，王宏民

（1. 中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030；2. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）



东海西湖凹陷异常压力机理及钻后检测方法研究

段飞飞1，张海山1，邱 康2，王孝山2，王宏民2

（1. 中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030；2. 中石化海洋石油工程有限公司，上海 200120）

摘 要：针对东海西湖深部地层压力解释精度低的问题，从东海西湖凹陷构造形成历史入手，研究了东海西湖异常压力机理，优选了西湖凹陷地层压力钻后检测方法。结果表明，钻后检测方法精度较高，满足了钻后评价要求。

关键词：西湖凹陷；压力分布；异常压力机理；钻后检测

西湖凹陷处于东海陆架盆地东部坳陷中北部的第三系含油气盆地，属陆缘裂谷盆地，呈北北东向展布，水深范围80～120 m。目前勘探开发区域主要集中在保俶构造带、三潭深凹和中央背斜带，已经投入开发的区块包括平湖油气田、天外天气田、残雪与残雪北黄岩气田群等，总体勘探开发程度较低。西湖凹陷从上往下钻遇龙井组、玉泉组、花港组、平湖组、宝石组。目前，钻遇异常高压地层主要为花港组和平湖组，异常高压分布规律性差，异常压力高（压力系数最高达到1.9），导致了西湖凹陷深部地层压力解释困难。本文从西湖凹陷异常压力分布规律入手，结合西湖凹陷地质演变史，研究了西湖凹陷异常压力机理，并提出了异常压力钻后检测方法。

1 西湖凹陷异常压力分布规律

已钻井实测地层压力显示，东海西湖凹陷异常压力分布主要存在于东北方向，其中包括：保俶构造带、三潭深凹及中央背斜带东北部；常压主要分布在中央背斜带的西南部，残雪构造以南。异常高压区的构造并非所有井均为异常高压井，存在相当数量的常压井，以孔雀亭构造为例，已钻6口探井中，异常高压井3口，正常压力井3口，说明异常压力区域地层压力分布非常不规律。

从纵向来看，如图1、图2、图3，保俶构造带从3 300 m开始出现异常压力，三潭深凹从3 800 m开始出现异常压力，中央背斜带在4 000 m开始出现异常压力；从层位来看，异常压力广泛分布在花港组下段及平湖组。落实到单井来看，地层压力纵向分布同样非常复杂，在花港组下段以下或为上低下高，或为上高下低，即使同一构造异常压力层位也不一定相同。三个构造对比，可以看出，保俶构造带压力分布规律最为复杂，在花港组下段以下，异常压力与正常压力并存，且与深度无直接规律；中央背斜带基本呈现随地层深度增加压力升高的规律。保俶构造带异常压力主要分布在平湖组P6～P10层，其中平湖组P7层钻遇异常高压最为频繁；三潭深凹异常压力主要分布在花港组H5、H11层、平湖组P2～P4层；中央背斜带异常压力主要分布在花港组H5、H6、H11层，如图4、图5、图6。

图1 保俶构造带纵向压力分布

图2 三潭深凹纵向压力分布

图4 保俶构造带实测压力分布

图5 三潭深凹实测压力分布

图6 中央背斜带实测压力分布

总体而言，东海西湖凹陷异常压力分布呈现以下特点：（1）异常压力分布广，异常压力大小差异较大；（2）异常压力总体呈现北强南弱、西高东低格局；（3）同一构造异常压力与正常压力并存，异常压力层位不固定；（4）异常压力广泛存在于花港组下段以下层位。

2 西湖凹陷异常压力形成机理

传统意义上，异常高压指的是高于正常静水压力梯度的地层压力；但随着钻井技术的发展，通常认为压力系数高于1.2，甚至更高，才会被称为异常高压。通常，异常高压地层需要两个必要条件，一个是异常高压诱因，另一个是非渗透性封隔层。这些封隔层形成的原因可能是物理的、化学的或者两者的共同作用产生的，封隔层的存在阻止了异常高压向常压带的弥散。对异常高压诱因有不同的认识，主要包括：欠压实作用、构造挤压、断层作用、底辟作用、地温异常、矿物转化、油气生成、烃类迁移、渗透作用等13类[1]。地层经过几百万年的构造、沉积作用，使得地层压力的成因非常复杂，具体到某一地层的异常压力可能是某一种机理引起了异常高压，也可能是上述机理的任意几种的组合作用形成的。通过对东海西湖凹陷形成历史的研究，认为主要是以下因素对异常高压产生了影响：

（1）欠压实。西湖凹陷钻遇异常压力的平湖组和花港组在沉积过程都曾出现快速沉积，其中平湖组沉积速率最高达到300 m/Ma，花港组沉积速率达到了100 m/Ma，均超过了能够引起异常高压的40 m/Ma沉积速率[2]。同时，在平湖组和花港组存在巨厚的泥岩层，这种泥岩有效封阻了流体的散失，这表明东海西湖凹陷具备存在欠压实引起异常高压的地质条件。根据上海海洋油气分公司研究院研究（图7），从砂泥岩岩石曲线、残余孔隙及地层压力关系来看，压力异常与欠压实存在明显的对应关系。

图7 西湖凹陷地层压实、地层压力及孔隙描述

图8 上覆岩层剥蚀允量

（2）构造运动。构造抬升剥蚀和断层形成会导致异常压力层封隔体破坏，导致欠压实形成的异常高压压裂地层逸散，如图8所示。地层的剥蚀允量与地层原始压力有很大的关系，地层压力越高，允许的剥蚀厚度越小。西湖凹陷平湖组与花港组沉积后期，地层反转抬升，剥蚀剧烈，平均剥蚀1 000 m，最大剥蚀厚度达到了2 000 m，导致压力系数1.7以上地层压力逸散，甚至压力系数在1.2地层压力都有逸散的可能，这种剥蚀与构造运动引起的断层导致地层压力分布不均匀，这也是西湖凹陷地层压力分布不均的原因之一。

（3）生排烃作用。生、排烃对地层压力的影响主要是提供了额外的流体，促使地层压力升高。东海西湖凹陷区生烃历史上对异常压力存在较大影响的主要为平湖组（E2p）烃源岩和渐新统花港组（E3h）烃源岩，前者在早中新世进入油窗，中中新世进入生烃高峰期，于晚中新世进入油窗，现今仍处于高成熟阶段；渐新统花港组烃源岩于中中新世进入油窗，现今仍处于生油窗范围之内[2]；排烃历史上，单位时间排烃强度曲线表现为“多峰型”，烃类排出具有阶段性、多期次幕式排烃的特点，不同烃源的排烃历史有所差异，其中，平湖组烃源岩的重要排烃期为距今28～8 Ma，排烃高峰出现在18 Ma，渐新统花港组排烃始于距今18 Ma，并一直延续至今[3-4]。西湖凹陷烃源成熟度与异常高压有比较明显的对应关系（图9），这种对应关系不仅表明了生排烃对异常高压形成的影响，而且表明高压促进了烃源的成熟，两者是相辅相成互相促进的关系。

（4）地温异常。地温变化主要是改变了流体，特别是气体状态，增加孔隙压力，西湖凹陷的地温变化主要受到火山喷发的影响，该地区经历三次比较活跃的火山运动，见表1，特别是后两期，发生在花港组中期和柳浪组，此时对应的平湖组和花港组下端构造基本成型，火山喷发对地层压力的影响主要有三个方面：一是深部携带而来的大量的CO2、SO2气体补充了地层流体；二是温度场变化对成岩作用的影响；三是地温的升高加剧了气体的膨胀。这三类现象都不同程度的改变了地层压力。

图9 东海西湖凹陷Ro曲线

表1 西湖凹陷构造历史

（5）成岩作用。成岩作用对地层压力的影响主要是体现在孔隙度变化上，西湖凹陷存在两类比较明显的成岩作用，热熔蚀和次生晶格加大。热熔蚀会引起孔隙增加，降低地层压力，但是热熔蚀发生时，地层温度大幅度提高，引起了孔隙压力的升高，这种压力变化远大于孔隙增加引起的降低幅度，同时，次生晶格加大降低了孔隙度，提高了地层压力。另一方面蒙脱石开始向伊利石转化排出达到原始孔隙体积的15%以上的结构水[1]；西湖凹陷深层砂岩储层中伊利石含量较高，如图10，伊利石在空间分布上总体随深度增加，在本区埋深大于3 700 m的样品中蒙脱石已经没有单独存在，黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层形式存在，这与异常压力出现的起始点非常接近，说明该区异常压力与伊蒙矿物转化有一定的关系。

图10 西湖凹陷伊利石含量随深度变化

综合上述分析，如图11，东海西湖凹陷的异常高压形成过程为：快速沉积导致欠压实高压生成，断层发育与构造抬升剥蚀导致了局部构造压力逸散，形成了西湖凹陷地层压力的主要格局。构造挤压、生排烃、地热等原因导致了欠压实形成高压区的压力继续上升，形成超高压；补充逸散区的压力形成了新的异常压力区，这些因素对西湖凹陷地层压力影响起到了补充作用；这些作用共同形成了目前东海西湖凹陷压力场现有格局。

图11 东海西湖凹陷压力形成机理图

3 西湖凹陷异常压力钻后检测方法

目前，地层压力钻后解释方法有很多种，大体可以分为两类：一类为经验或半经验公式；一类是基于岩石力学理论[5]。针对东海西湖凹陷，本文采用了伊顿法获得了良好的钻后解释效果，如表2所示，可以看出采用伊顿法进行的钻后解释精度较高，精度基本大于95%，仅有K4井4 507.7 m测点误差较大。

表2 西湖凹陷某构造解释结果

伊顿法需要建立合理的正常压实曲线才能够提供较好的解释精度，针对东海西湖凹陷，正常曲线选取花港组以上地层较为合适，如图12分别针对花港组以上地层和花港组上段地层建立的压实曲线，可以看出选用花港组上段建立的压实曲线解释地层压力（图中地层压力2）精度更高。

伊顿法趋势线采用直线型，回归公式为：

图12 不同深度压实曲线对测试压差的影响

通过伊顿法计算的压力为：

式中：Pp为地层压力梯度；Go为上覆岩层压力梯度；Gn为静水压力梯度；∆tn为趋势线上的声波时差；∆tc为实际声波时差值；c为伊顿指数。

对于伊顿法中的伊顿指数，东海西湖凹陷伊顿指数较低，基本都在1左右，最高不超过1.5。地层压力钻后解释实践表明，西湖凹陷各构造趋势线系数、伊顿系数均差异较大，根据对西湖凹陷三个构造带40余口已钻井钻后解释统计，各构造带系数选择范围可见表3。

表3 伊顿法系数范围

4 结论

通过对东海西湖凹陷异常压力分布规律研究，找出了西湖凹陷异常压力形成机理及历史，优选了钻后解释模型，通过研究主要得到了以下结论：

（1）东海西湖凹陷地层压力高，异常压力分布规律性不强，广泛分布在花港组下段以下地层，异常压力总体呈现北强南弱、西高东低格局，给钻后解释带来了很大的困难；

（2）东海西湖凹陷异常高压主要因素是欠压实作用，同时在构造运动、生排烃等多种因素联合作用下，导致了目前复杂的压力分布格局；

（3）采用伊顿法解释东海地层压力获得了良好的解释精度，建立趋势线时，应尽量选取花港组上段地层泥岩层作为正常压实层段。

参考文献：

[1]奇林格G V，谢列布里亚科夫 V A，罗伯逊J O．异常地层压力成因与预测[M]．赵文智，柳广弟，译．北京：石油工业出版社，2004．

[2]张远兴，叶加仁，苏克露，等．东海西湖凹陷沉降史与构造演化[J]．大地构造与成矿学，2009，5（2）：215-223．

[3]叶加仁，陈海红，陈景阳，等．东海西湖凹陷成藏流体历史分析[J]．天然气工业，2006，26（9）：39-43．

[4]杨彩虹，孙鹏，田超，等．东海盆地西湖凹陷平湖组异常高压分布及形成机制探讨[J]．海洋石油，2013，33（3）：8-12.

[5]樊洪海．利用声速检测欠压实泥岩异常高压的简易方法与应用[J]．石油钻探技术，2001，29（5）：9-11．

Study on the Mechanism of Abnormal Pressure and Pressure Detection Method after Drilling for Xihu Depression in the East China Sea

DUAN Feifei1, ZHANG Haishan1, QIU Kang2, WANG Xiaoshan2, WANG Hongmin2
（1. Shanghai Branch of CNOOC China Limited, Shanghai 200030, China; 2. SINOPEC Offshore Petroleum Engineering Corporation Limited, Shanghai 200120, China）

Abstract：The interpretation accuracy on the formation pressure in the deep layers of Xihu Depression is low in the East China Sea. In order to solve this problem, beginning from tectonic evolution history, study about the mechanism of abnormal pressure has been conducted, and detection method of pressure after drilling has been optimized. The study results indicated that the optimized method of pressure is high in accuracy, and can meet the requirements for post drilling evaluation.

Keywords：Xihu Depression; pressure distribution; mechanism of abnormal pressure; post drilling detection

中图分类号：P618.13

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2016.01.042

文章编号：1008-2336（2016）01-0042-06

收稿日期：2015-09-22；改回日期：2015-11-26

第一作者简介：段飞飞，男，1986年生，硕士，主要从事海洋油气钻完井相关科研。E-mail：duanff@cnooc.com.cn。