泌阳凹陷地层压力成因机制与预测方法

张永华，陈 祥，张 悦，杜 伟，赵雨晴*

(1.中国石化河南油田分公司，河南 郑州 450000；2.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

地层压力是地层内部能量的反映，是推动油气在储层中流动的动力。因此，地层压力与油气的生成、运移和聚集有密切的关系，特别是由于构造运动与沉积环境的变化，造成局部地区目的层异常高压是油气勘探开发过程中必须关注的问题[1-3]。研究地层压力特别是异常压力的成因与分布，对于深入研究含油气盆地油气的生成、运移、成藏过程具有重要的指导作用。目前，针对地层压力预测的主要方法有依据井筒的测井数据进行预测以及利用地震速度数据进行预测[4-5]。由于测井资料是对地层的直接测量，因此，使用测井资料比使用地震速度数据预测地层压力精度高，但由于受钻井资料限制，在没有测井资料的井段和地区无法进行地层压力预测；虽然地震资料分布均匀，但用地震速度谱求取层速度等参数受多种因素影响，预测精度较低。

泌阳凹陷是南襄盆地的次级构造单元，地层压力的分布趋势是中部深凹区相对较高，凹陷四周相对较低，总体上异常高压欠发育，但在富含油气的岩性圈闭区域存在异常高压。因此，开展地层压力研究有利于发现新的岩性油气藏。在分析凹陷压力形成机制的基础上，利用单井的测井信息与高精度三维地震的速度信息，通过地震波形指示反演方法，将纵向分辨率高的测井资料和空间数据丰富的高精度三维地震资料有机结合起来，既提高了反演数据体垂向分辨能力，又提高了空间的数据预测能力，获得精度较高的地层层速度信息，根据层速度与地层孔隙压力关系计算地层压力，对深凹区的地层压力进行预测。

1 异常压力形成机制

泌阳凹陷深凹区目的层核三段地层以泥岩、泥质粉砂岩为主，流体储集层处于一种封闭的环境中。异常地层压力的成因是沉积、生烃、构造作用的综合结果。

1.1 沉积作用

泌阳凹陷在目的层核三段为快速沉降、快速充填期，形成了大套泥页岩及砂泥薄互层[6-9]。凹陷中南部核三上段沉降、沉积速度快，沉积了较厚的泥质岩层和砂泥岩薄互层。沉积速率过快，会导致排水能力减弱。为了维持压力平衡，核三段上段沉积的70～160 m厚层泥岩、3～6 m的砂泥岩薄互层，与来自北部三角洲厚度为20 m左右的砂层相接触，受地层载荷作用，厚层泥岩、砂泥岩薄互层的孔隙水通过与其接触且渗透性好的厚砂层排出。孔隙水排出造成与其接触的厚砂层的孔隙度和渗透率迅速降低而形成致密带，阻滞了厚层泥岩层与砂泥岩互层内部孔隙流体的顺利排出，从而造成厚层泥岩与砂泥岩互层的局部地区呈现欠压实状态，产生局部异常高压。

1.2 生烃作用

泌阳凹陷主力烃源岩主要集中在核桃园组，发育典型褐色油页岩、褐色—褐灰色泥岩、黑色泥岩、页岩、含砂夹层的页岩等。在核三3段沉积时期发育一套较厚的泥页岩，厚度为40～340 m。有机质以Ⅰ、Ⅱ型为主，地温梯度高(0.041 ℃/m)，烃源岩成熟门限浅，约为1 500 m左右，大量生烃阶段的顶界埋深为1 700 m[10-11]。在沉积地层进入生油门限后，烃源岩开始生油，随着油气大量的生成，孔隙流体发生膨胀，在横向上受断层及非渗透性岩性阻挡，造成局部地层压力增加。

1.3 构造作用

受凹陷南部边界断裂活动的影响，在凹陷内部产生拉张或局部水平挤压应力，造成差异沉降，形成断裂、微幅度、滑脱等构造。在差异沉降过程中，局部地区由于保持前期地层的封闭系统，当垂向有效应力增大或减小时，对应地层孔隙压力仍为前期深度的压力，变化后所在深度的压力与正常压力不一致，形成压力异常。

2 地层压力预测原理

由弹性波动力学可知，地震波在地层中传播的速度(地震层速度)是地层有效应力和孔隙度的函数[12-13]，与地层结构、孔隙间流体性质、物性特征有关。在正常沉积地层中，随着埋藏深度加大，地层的压实程度不断增加，造成地层孔隙度逐渐减小，地震层速度随着深度的增加而不断增大。若某一深度地层为异常高压，则该处孔隙度比相同深度处正常沉积的孔隙度高，地震层速度表现为相对低值。根据层速度的变化即可以预测地层压力分布。

Fillippone等[14]提出了不依赖正常压实趋势线的计算公式，在墨西哥湾和北海等地的实际应用中取得了良好的效果。依据井筒资料与地震资料，求得层速度，根据地震波层速度与地层孔隙压力关系计算地层压力[15-19]，其公式如下：

(1)

vmax=1.4v0+3Kt

(2)

vmin=0.7v0+0.5Kt

(3)

v0=vr-Kt0

(4)

K=(vr-vr0)/(t-t0)

(5)

D=0.23vi0.25

(6)

式中：pA为地层压力，MPa；vi为第i层的层速度，m/s；vmax为最大层速度，是岩层有效孔隙度近于零时的纵波速度，m/s；vmin为最小层速度，是地层孔隙流体的速度，m/s；D为地层平均密度，kg/m3；H为地层埋藏深度，m；g为重力加速度，m/s2；t0、t分别为地层顶、底界面双程旅行时间，ms；vr0、vr分别为地层顶、底界面均方根速度，m/s。

3 异常压力预测实例

3.1 研究区概况

泌阳凹陷属于南襄盆地的次级构造单元，为一南深北浅的箕状凹陷。泌阳凹陷自北向南可分为北部斜坡带、中部深凹区和南部陡坡带3个构造单元。深凹区构造简单，断裂不发育，局部构造受基底起伏的控制，以发育向斜为主。泌阳凹陷成盆史经历了晚白垩世初始断陷期、古近纪主断陷期、新近纪坳陷期3个发展期。古近纪主断陷期是泌阳断陷的主要成盆期，古近纪玉皇顶组、大仓房组沉积时期为强烈断陷阶段，古近纪核桃园组三段、二段沉积时期为稳定断陷阶段，为一套暗色泥岩夹薄层粉砂岩、细砂岩为主的湖相沉积，分布范围广，是断陷内主要生、储油层段。核三段是最主要勘探目的层系，核三段又细分为8个亚段，由下至上分别为核三8段—核三1段，其中，核三8段—核三5段称为核三下段，核三4段—核三1段称为核三上段。泌阳凹陷物源丰富，砂体发育，具有典型陆相伸展断陷盆地的多物源、快速堆积的特征。其中，核桃园组核三段为主要勘探目的层系，经过四十余年勘探开发，资源发现率达到68.3%。下一步的勘探目标主要是深凹区及其周缘的岩性、断层-岩性油藏[20-27]。

深凹区既是凹陷的沉降、沉积中心，同时也是凹陷的生油中心，有机质丰度高、生油母质类型好，生油岩热演化程度适中，且生油开始早，具有供油时期长、油源充足的优越条件。同时深凹区为多物源交汇部位，为大套泥岩与砂泥岩薄互层发育区，北部三角洲砂体与南部扇三角洲砂体配置易形成岩性、断层-岩性及砂泥岩薄互层油藏。为了进一步指导岩性油藏勘探工作，利用高精度三维地震速度信息、钻井的声波测井曲线，通过波形指示反演获得研究区的速度体，采用基于Fillippone 法预测地层压力，对深凹区主要目的层段的压力进行预测，寻找油气富集区，分析评价岩性圈闭。

3.2 层速度的求取

应用Fillippone法进行压力预测时，精细的层速度预测是提高压力预测精度的关键。为了准确获得层速度，采用波形指示反演的方法进行速度预测。以高精度三维地震数据为基础，对主要目的层段的主频进行分析，提取准确的时变子波，并在VSP测井速度标定，制作合成记录，准确获得单井的地层速度。用精细的构造解释建立多井初始阻抗模型，采用波形指示反演得到波阻抗。获得波阻抗数据体后，利用Garden公式分离得到层速度体，其结果与测井速度吻合。图1为利用三维地震速度谱资料求得的层速度与井震反演技术求得的层速度剖面对比图(图中T52、T53分别为核三段的顶部反射层和底部反射层)。由图1可知，由于应用了泌阳深凹区测井的速度信息，通过井震反演得到层速度数据体更能精细地反映地下速度的变化。

3.3 地层压力预测

求取泌阳凹陷深凹区层速度数据体后，利用式(1)获得地层压力数据体，再以高精度三维地震资料解释的主要目的层反射层位为基础，制作地层切片，预测研究区目的层段地层压力的空间分布。将井点处预测的地层压力与实测地层压力对比可知：B354井点预测地层压力为37.00 MPa，压力系数为1.28，实测地层压力为35.65 MPa，压力系数为1.31，二者误差在3%以内，表明该预测方法具有较好的适用性。同时，预测的地层异常压力分布与油气分布也有一定的联系，结合研究区的地质、层速度、构造等资料，可以较好地指示出油气运移通道和聚集的有利分布区。

图2为预测的地层压力剖面图，由图2可知，地层压力随深度增加而增大。由核三3段中部地层压力平面图(图3)可以看出，地层压力较大的地区分布在深凹区的中南部B163—B100—B96井区，该区是生油岩主要发育区，也是沉积、沉降中心，地层高压与生烃+负载复合增压因素有关，预测的压力变化趋势与凹陷的沉积环境及构造背景具有一致性。

图1 三维地震速度谱与井震反演层速度剖面对比

图2 东西向地层压力预测剖面

图3 核三3段中部地层压力

图4为地层压力系数与构造叠合图。由图4可知，核三3段预测的地层压力系数总体表现为南高北低、东高西低。地层压力分布并非严格受深度的控制，同时还受到沉积物性、地层结构及构造背景的影响。在凹陷南部边界断裂附近、B114、B1及B354井区出现局部较高压区。因为在南部边界断裂附近地层埋深大，烃源岩厚度大，为压力较大地区。而在边界断裂带附近的B403井区为一常压区，因为在该井附近发育了一个北西向的逆断层，造成压力系统的泄压。

图4 核三3段中部地层压力系数与构造叠合

总体来说，泌阳凹陷深凹区是相对高流体势中心，有利于油气向凹陷四周高部位运移，形成环状油气分布。

在凹陷斜坡带与深凹区的过渡带发育砂岩透镜体、砂岩薄互层等岩性油藏。B354井在核三3段中部2 761.4～2 777.9 m为异常高压区，发育砂岩透镜体油藏，钻井在该层段获得自喷原油127.5 t/d。B114井在核三3段中部2 573.0～2 584.8 m为一异常高压区，发育砂岩薄互层油藏，钻井在该层段获得自喷原油45.1 t/d、气2 463 m3/d。预测在B100与B96井南部与边界断裂之间是岩性圈闭富含油气地区。

4 结 论

(1)对泌阳凹陷地层压力形成机理进行研究，明确产生异常压力的主控因素，认为泌阳凹陷异常压力主要与泥岩快速沉降作用及有机质生烃裂解、构造作用有关。

(2)分析目的层段的异常压力的分布区与油气藏的关系，预测在B100井与B96井南部与边界断裂之间是岩性圈闭富含油气地区有利目标区。