利津洼陷沙四上亚段超压成因及压力预测

许浩天，惠长松，曹丽萍，李姝丽，徐元刚

(1. 桂林理工大学，广西 桂林 541006； 2. 中石化 胜利油田分公司，山东 东营 257100)

随着油气勘探的逐步深入，利津洼陷带沙四段及孔店组深层油气藏在勘探中的地位不断提高，而深部异常流体压力场的特征与油气运移、成藏之间有着密切的关系，因此，开展利津洼陷沙四上亚段异常高压的成因研究及压力预测，对促进下步油气勘探有较大的意义。

超压是含油气盆地中存在的普遍现象。据统计，在世界范围内已知有180个沉积盆地发育超压地层，其中超压体与油气分布有成因联系的沉积盆地约160个[1-2]，因此压力的研究在油气藏勘探与开发中占据着举足轻重的地位。20世纪90年代初Hunt异常高压封存箱理论的提出[3]，引起了人们对异常高压与油气成藏关系问题的关注，针对超压发育机制、超压与成藏的关系、超压预测等方面开展了比较系统的研究。本文在实测压力数据的基础上，综合利用地球物理测井、录井和分层等资料，针对不同成因选取较合适的技术方法(等效深度法、生烃增压拟合法)，对利津洼陷及其周边的地层压力进行了精细预测，明确现今流体压力的发育特征。

1 超压分布特征

利津洼陷发育常压带、过渡带及超压带3种压力环境。从实钻井压力统计来看，利津洼陷压力分布范围比较广泛，压力系数介于0.68～2.03，2 200 m埋深之上不发育超压，2 200～3 000 m埋深开始发育低幅超压，3 000 m埋深以下广泛发育超压，部分发育强超压(见图1)。

图1 利津洼陷沙四上压力系数散点分布

纵向上流体压力可分为3个系统：沙三上亚段及其以上的静水压力系统，沙三中—沙四上亚段超压系统和沙四下亚段超压系统，上部超压系统过剩压力显著高于下部，两套系统以沙四下亚段顶部发育的膏盐层为封隔层。沙四段泥岩超压广泛发育，超压中心位于利津洼陷内，压力系数最高可达2.03，由这些超压中心向四周逐渐降低并过渡为常压；储层压力分布则明显受沉积环境的控制，利津洼陷西部陡坡带发育垂向连通的近岸水下扇体，几乎没有形成超压，而利津洼陷内部存在孤立的滩坝砂体或浊积砂体，异常高压极为显著。

异常压力演化史恢复表明：研究区沙四段压力演化经历了3个旋回。超压最早形成于沙三中亚段沉积时期，该时期厚层泥岩的快速堆积形成欠压实作用是形成超压的主要原因；沙二段沉积末期达到第1个压力高峰期，此后至沙一段沉积末期，超压因释放而逐渐降低；东营期末超压达第2个高峰，但随着东营组末期的构造抬升剥蚀作用，超压幅度降低；新近纪以来受压实和生烃作用的联合控制，再次孕育超压，达到现今值。

2 超压成因分析

超压发育机制总体上可以分为3大类：压性力的增加(欠压实和构造挤压)，流体体积的变化(水热增压、成岩作用、烃类生成和油的裂解)以及流体运移(重力水头、浮力和渗透作用)[4-6]。其中欠压实、构造挤压和生烃作用是主要的超压成因机制。

2.1 欠压实

目前大多认为欠压实作用是在沉积过程中压实与排水作用不平衡造成的。其机制是在快速沉积的泥质岩地层中，随着上覆岩层载荷的快速增加，当泥质岩渗透率降低到一定程度时，孔隙水的排出受到限制，泥岩压实与排水不能维持平衡，部分孔隙水滞留在岩石中，导致沉积物不能被压实，从而产生超压体系。欠压实引起的超压主要发育于沉降/沉积速率较高的新生代盆地中，其中包括我国的莺歌海盆地和渤海湾盆地[6]。同时，据Mello[4]等研究，沉积速率>200 m/Ma(相当于0.2 mm/a)才可能产生异常压力。在济阳坳陷主要断陷期(沙四段晚期—沙三段)沉积、沉降速率普遍较高，因此欠压实可能是超压形成的主要机制之一。

研究发现，利津洼陷带压实规律主要受构造格局、沉积物沉积速率及沉积物岩石组合关系的影响，泥岩压实曲线存在明显的分段现象。洼陷和陡坡带单井压实曲线普遍表现为上部正常压实、下部欠压实的特点，欠压实段主要位于沙三中亚段及以下地层，少数洼陷深部位的井在沙二段—沙三上亚段也发现了欠压实现象。在沙四上亚段烃源岩开始生烃的深度(沙四段R0=0.45%，2 700 m左右)以前，压力出现超压的第1个台阶应该是欠压实增压的结果。

欠压实型超压测井特征表现为，高孔隙度和高声波时差，低密度和低视电阻率。

2.2 构造挤压

前人研究认为喜马拉雅晚期强烈的构造挤压作用是其异常高压形成的主要因素，并定量评价得出构造挤压对超压的最大贡献率达到55%～80%[7-8]。罗晓容利用基于有限元法的盆地模型模拟证实构造挤压增压作用可视为水平方向的地层压实增压作用，除力的方向不同外，其所产生异常压力的机制与压实作用机制完全一致，都是通过对沉积物颗粒的作用达到对地层的压实作用[9]。所以侧向挤压同垂直应力通过不均衡压实引起超压一样，由于流体排放不畅，应力增加引起孔隙体积缩小的过程受阻，从而使流体承受了部分挤压应力，形成超压。构造挤压作用形成的增压与由欠压实作用形成的增压等效。

济阳坳陷主要断陷期(沙四段晚期—沙三段)以张扭应力作用为主，断裂通常具有上张下压的力学性质，断层活动期开启程度变好，地层流体进入上部地层，压力不断下降；断层稳定期开启程度降低，地层流体处于滞流状态，积累能量使压力不断上升，形成异常高压。

构造挤压型超压测井特征表现为，泥岩双侧向电阻率异常增大，声波时差值则变化不大或偏小。通过单井测井特征研究表明，利津洼陷带存在4个构造挤压作用的构造单元，即利津断裂带、利津洼陷带东坡、滨南断裂带、纯化构造，均为古近系张扭断层活动剧烈的地区，形成局部增压作用。

2.3 生烃作用

烃源岩在生烃过程中，源岩中干酪根由(固态)逐渐向液态或气态的石油及天然气转化。在干酪根降解过程中流体体积会膨胀，而岩石的干酪根体积会有所减少，那么原来由干酪根支撑的部分上覆地层的有效压力就会转移到孔隙流体上，若流体不能及时排出，将导致流体超压。根据文献[5]计算，含10%干酪根体积的烃源岩在大量生烃过程中，当干酪根消耗一半时可产生10 MPa的超压(相当于1 000 m的静水压力)。

沙四上亚段烃源岩开始生烃的深度(沙四段R0=0.45%，2 700 m左右)与压力出现超压的第2个台阶具有较好的吻合性，沙三下亚段烃源岩开始生烃的深度(沙三下亚段R0=0.5%，2 800 m左右)与压力出现超压的第2个台阶具有较好的吻合性，表明生烃作用也是利津洼陷超压形成的主要机制之一。

流体包裹体热动力学模拟研究表明：沙四上亚段含油气系统在距今34.8～25.1 Ma第1期成藏油气充注则以常压为主；第2期成藏12.5～4.8 Ma开始出现生排烃引起的低幅超压；第3期成藏4.3～0 Ma出现生排烃引起的大规模超压(见图2)。增压幅度受烃源岩厚度和排烃强度控制，增压幅度0～0.4(压力系数)。在压力预测过程中生烃增压应该予以重视。

图2 利津洼陷沙四上亚段含烃流体压力系数随时间演化

3 压力预测

目前地层压力预测的主要方法，有正常压实趋势法(等效速度法、经验系数法、Eaton法)、Bowers方法、地层应力法、菲利普恩法，以及Fan简易法。由于欠压实、构造挤压和生烃作用是利津洼陷主要的超压成因机制，本文主要采用等效速度法，利用泥岩声波时差定量计算欠压实形成的超压，在实钻井校正的基础上，再通过生烃作用形成的增压校正，从而获得更为准确的现今压力场。

首先，利用泥岩声波时差定量计算(等效深度法)古压力场。从预测结果来看(见图3a)，等效深度法计算的压力系数与沙四上实测压力系数相比，前者压力值要高，平均误差可达到28%，最大误差可达到52%。分析原因认为，欠压实作用和构造活动造成的增压一般都表现为泥岩的声波时差值增大，因此利用声波时差(即等效深度法)计算得到的压力是地层埋深最大时期的古压力，因为有可能地史时期曾出现欠压实作用导致的超压，后来随着地层抬升剥蚀或者断裂破坏作用，超压逐渐削弱甚至消失，而孔隙度的异常仍然保存下来，造成现今欠压实超压的假象[10]。利津洼陷是古近系继承性沉积、沉降中心，仅在坳陷期早期有过一次区域性的整体抬升，但剥蚀作用主要集中在盆地边缘，对利津洼陷带超压破坏作用较小，因此可以近似认为利用声波时差计算得到的压力是地层埋深最大时期的古压力。

图3 利津洼陷沙四上亚段压力预测

其次，对沙四上亚段欠压实(含构造挤压)压力进行实钻井数据校正(见图3b)，但用后续新钻井压力实测结果验证，实测压力值偏高，最大可达19%，误差还是比较大。分析原因，测井等效深度法主要计算的是欠压实作用和构造活动的增压，未能把由生烃作用形成的增压计算在内，因此造成井校正后的压力值，只在井孔周围一定范围内比较准确，误差较小，而在无井控的更大范围内误差偏大。沙四上实测压力系数减去等效深度法计算出的压力系数(钻井校正后)的差值，称为剩余压力差值，参与生烃增压校正。

最后，我们选取利津洼陷有实测压力数据井25口，并统计其沙四上暗色泥岩厚度(包括排烃强度)与剩余压力差值进行拟合，寻找生烃增压值与暗色泥岩厚度和排烃强度之间的量化关系，从而实现生烃增压值的计算。利用拟合公式，可计算生烃压力近似值，形成空间曲面后，可以去校正由测井等效深度法计算的压力场(钻井校正后)。通过生烃增压值的计算，加上生烃增压校正后，获得的压力场相对更为准确，压力值误差控制在10%以内，基本反映了现今压力环境。

从最终压力预测结果来看(见图3c)：利津洼陷沙四上亚段异常超压区主要分布在北部次洼，压力系数超过1.7；南部次洼则有所减弱，压力系数介于1.3～1.6之间；沿压力脊线向陡坡带(或缓坡带)逐渐变为过渡带(压力系数介于1.1～1.3之间)和常压带(压力系数<1.1)。

4 成藏意义

研究表明，异常高压对油气运移和成藏有重要的控制作用。以往认为二次运移的主要动力是浮力和水动力，但自从Bradley和Hunt提出压力封存箱的概念以来[3]，人们逐渐认识到初次运移和二次运移是一个连续的过程，异常高压，尤其是烃类生成产生的异常高压不仅是初次运移和聚集成藏的动力，而且与油气的二次运移和聚集成藏有密切的关系[11]。例如在超压区，油气成藏的动力主要是烃源岩的生烃超压，烃源岩中的油气在此驱动下直接进入相邻储层，油气成藏受有效储层影响，油藏类型主要以岩性油气藏为主，同时超压强度越大，油气的充满程度越高[12]。利用压力预测结果，圈定滩坝砂岩岩性油藏发育区范围，在利津洼陷超压区先后部署L75等16口井，均获成功，整体上报滩坝砂岩油藏探明石油地质储量近9 000×104t，取得了较好的应用效果。

5 结 论

通过对利津洼陷沙四上亚段超压成因及压力预测的分析，得出以下主要结论。

1)利津洼陷沙四上亚段的主要成因机制有：①欠压实作用(欠压实段主要位于沙三中亚段及以下地层，少数洼陷深部位的井在沙二段—沙三上亚段也发现了欠压实现象)；②构造挤压作用(利津洼陷带存在4个构造挤压作用的构造单元，即利津断裂带、利津洼陷带东坡、滨南断裂带、纯化构造，均为古近系张扭断层活动剧烈的地区，形成局部增压作用)；③生烃增压作用(沙四上—沙三下)。

2)采用等效速度法，利用泥岩声波时差定量计算欠压实形成的超压，在实钻井校正的基础上，再通过生烃作用形成的增压校正，可以获得更为准确的现今压力场，明确盆地压力结构。

3)异常高压对油气运移和成藏有重要的控制作用。初次运移和二次运移是一个连续的过程，异常高压，尤其是烃类生成产生的异常高压不仅是初次运移和聚集成藏的动力，而且与油气的二次运移和聚集成藏有密切的关系。