渤海湾盆地渤中凹陷古近系地层超压成因及测井响应特征

何 玉，周 星，李少轩，丁洪波

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引言

全球主要含油气盆地普遍存在超压现象，在中国的一些含油气盆地中，已发现29 个具有超压发育，其中海域8 个，渤海是其中之一［1］。渤海湾盆地渤中凹陷古近系不仅是渤海海域主要油气勘探层系之一［2］，也是地层超压主要发育区域之一［3］。由于海上钻井资料少，超压成因分类不明确，测井响应特征不清楚，导致该区钻前超压预测精度较低，钻探实践中时有发生与地层超压有关的钻井事故，不仅影响勘探成效，也造成相当大的经济损失。对于渤中凹陷地层超压的研究多集中在地层超压对油气成藏的影响。石良等［4］根据岩心和薄片资料，定量分析渤海湾盆地渤中凹陷西北次凹异常高压对古近系东营组储集层压实和胶结作用的影响；郝芳等［5］认为超压对有机质热演化的抑制作用使沙河街组源岩生、排烃滞后，从而使沙河街组和东营组在晚期同时保持在较有利的生、排油阶段，这是渤中坳陷油气资源丰富和油气晚期快速成藏的物质基础。Peter 等［6］认为超压成因是地层压力研究过程中最基本也是最复杂的问题；Tang 等［7］认为不同成因超压测井响应特征是钻前超压预测模型选取及精确预测的前提。Webster［8］，Luo 等［9］认为沉积盆地超压成因主要有不均衡压实作用，流体膨胀作用，矿物成岩作用和构造挤压作用。Ⅴernik 等［10］认为不均衡压实及流体膨胀是可以独立形成大规模超压的主要增压机制，其中不均衡压实作用所引起的低速度异常是该类型超压钻前预测的基础。对于该区不同层段超压成因分类，特别是不同成因超压测井响应特征研究较少。

以渤海湾盆地渤中凹陷典型超压井为目标，基于测压、测井、地球化学等资料，开展超压成因分类及其测井响应特征分析，应用和完善基于三级筛选识别超压成因的方法，梳理不同成因超压的测井响应特征，以期总结区域超压成因垂横向分布特征，为该区钻前超压预测提供宏观地质指导。

1 地质概况

渤中凹陷位于渤海湾盆地中部，面积约9 000 km2（图1），主要发育新生界地层，沉积厚度大，自下而上依次为古近系孔店组、沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组，本文研究层段为古近系东营组东二上段、东二下段、东三段以及沙河街组沙一二段和沙三段。

通过对该区36 口钻遇古近系地层已钻井测压点进行统计分析可知，东二上段测压系数1.07，东二下段为1.65，东三段为1.70，沙一二段为1.79，沙三段为1.60（表1）。各层段主要为多期扇三角洲—辫状河三角洲砂体和湖相泥岩的旋回沉积［11-12］，以杜栩等［13］提出的地层压力划分标准，东二下段至沙三段均发育有异常超压。结合渤中凹陷实测地层压力统计，定义压力系数1.00～1.20为压力过渡带，压力系数1.20～1.40 为弱超压，大于1.40 为强超压。

表1 渤海湾盆地渤中凹陷古近系典型井地层超压统计Table 1 Measured overpressure of Paleogene strata of typical wells in Bozhong Sag，Bohai Bay Basin

2 地层压力特征

根据渤海湾盆地渤中凹陷36口钻遇古近系探井546 个实测压力点分布特征统计，该区以3 200 m 为分界面，纵向上为典型的2 层结构（图2），其上为正常压力带，其下为超压带，超压带内部超压幅度差异较大且与深度无明显对应关系，反映渤中凹陷不同区域受沉积体系及构造运动等多重因素的影响，超压非均质性强［5］。就各层段实测压力而言，东二上段全部为正常地层压力，东二下段可划分为2 个压力带，3 200 m以上发育正常压力，3 200 m以下发育超压，证实渤中凹陷超压起始于东二下段，且超压幅度随深度增加而增大。东三段整体上以正常压力为主，这主要是由于钻遇东三段有测压点的探井多位于凸起边界断层下降盘，远离深部凹陷带，且少数凹陷带探井以厚层泥岩分布为主，缺乏实测压力数据，故该数据并不能反映渤中凹陷东三段地层压力发育特征。沙一二段整体上以超压为主，测压系数最大可达1.79，最小仅为1.11，反映不同区域沙一二段超压幅度存在较大差异。沙三段以超压为主，测压系数最大1.60，最小1.34，平均1.50，是研究区古近系平均实测超压幅度最大的一个层段，但超压幅度差异小于沙一二段。

3 超压成因及分布特征

沉积盆地的超压形成机制有很多种，其中欠压实作用及流体膨胀是可以独立形成大规模强幅度超压的2 种主要机制［14-16］。欠压实成因超压一般是由于低渗透细粒沉积物的快速沉积，导致孔隙中的流体未能及时排出，从而阻止岩石被压实。流体膨胀成因的超压主要包括烃类生成、超压流体的充注传导、黏土矿物脱水、水热增压等［17-19］。欠压实及有机质生烃成因超压多发育在富含泥质沉积的厚层泥岩中，均属于自源型超压［20］。

垂直有效应力反映的是构成岩石骨架的颗粒所承受的垂向载荷，基于一维压实模型的Terzaghi有效应力定理认为，上覆岩层压力等于地层孔隙压力加上垂直有效应力［21］。在无较强构造挤压背景下，压实作用与垂直有效应力有着紧密的联系［22-23］。正常地层压力状况下，随着地层埋藏深度的增加，骨架所受垂直有效应力及速度均随之有规律地增大，称之为加载过程，但在泥岩段出现欠压实的情况下，由于地层孔隙度不发生变化，其垂直有效应力也不会发生变化。因此，在速度-垂直有效应力交会图中（图3），不论是正常压力点还是欠压实形成的超压点均符合加载曲线，而流体膨胀成因超压会导致骨架所受垂直有效应力的减小，称其为卸载过程，可以利用该方法识别超压成因。

本文应用和完善了沈章洪［3］提出的渤海古近系超压成因分类的方法。具体步骤为：①基于典型超压井测井、测压数据建立全井段地层压力曲线，划分垂向超压带。②利用正常压力点的速度及垂直有效应力作交会图，把超压点的数据投在图中，欠压实超压成因的点分布在加载曲线上，有机质生烃及流体传导等流体膨胀成因超压点则偏离加载曲线。③结合烃源岩发育层段及镜质体反射率指标，筛选出有机质生烃成因超压，并将不具备欠压实、有机质生烃等自源型超压形成条件的超压流体封存箱归入流体传导成因超压。

3.1 欠压实

以渤中凹陷QHD36-A-1 井为例，该井井深为3 970 m，钻至沙四段。由泥岩声波速度结合实测地层压力、岩性、镜质体反射率（Ro）等资料建立地层压力综合剖面图（图4）可知，其超压段起始于东二下段3 300 m，压力过渡带范围较窄，东三段及沙河街组广泛发育超压，最大压力系数达到1.50。超压带内部又可划分为3 个强超压带（东三段中下部、沙一段下部及沙三段）和3 个弱超压带（东三段上部、沙一段上部及沙二段）。强超压带声波速度明显小于正常压实速度，对应于纯质厚层泥岩，沙一二段弱超压带声波速度略小于正常压实速度，储集层压力系数为1.20～1.23。

东三段是该井超压发育幅度最大的层段，超压段纯质厚层泥岩无论是声波速度还是密度，在近360 m 的厚度范围内基本保持不变，欠压实特征非常明显。因为声波速度基本不变，其垂直有效应力也不发生变化，东三段压力曲线表现为平行于上覆岩层压力线，同时镜质体反射率小于0.70%，未达到大量生烃阶段也是该井东三段地层超压为欠压实成因的有力佐证。

从QHD36-A-1 井速度-垂直有效应力交会图（图5）可知，沙河街组实测超压点与正常压实加载曲线重合，为典型欠压实成因超压。

3.2 有机质生烃

研究区CFD23-A-1 井深度为3 781.5 m，钻至中生界潜山，从地层压力综合剖面图（图6）可以看出，超压起始于东二下段3 014 m，压力过渡带范围较窄，东三段及沙河街组广泛发育超压，最大压力系数达到1.95。超压带内部又可划分为1 个强超压带（东三段至潜山顶面）及1 个弱超压带（东二下段下部），压力结构较为单一，表现为东二下段异常幅度逐渐增加，至沙三中段中部达到最大，至潜山顶面开始回落。沙一二段地层岩性为厚层泥岩夹薄层白云岩，下伏沙三中段镜质体反射率大于1.00%，达到大量生烃阶段。因生烃造成超压幅度进一步增加，导致垂直有效应力减小，其孔隙压力曲线表现出随深度增加逐渐和上覆岩层压力线相交的趋势。东三段镜质体反射率小于0.70%，超压成因主要为欠压实。

从该井速度-垂直有效应力交会图（图7）可看出，沙一二段实测超压点偏离正常压实加载曲线，超压成因为非欠压实。因沙一二段已具备大量生烃的条件，综合分析认为其超压类型为有机质生烃成因。

3.3 流体传导

研究区BZ19-A-1 井深度为4 180 m，钻至太古界潜山，从该井地层压力综合剖面图（图8）可看出，超压起始于东二下段3 170 m，压力过渡带范围较窄，东三段、沙河街组及孔店组广泛发育超压，最大压力系数达到1.65。超压带内部又可划分为1 个强超压带（东三段及沙河街组）和2 个弱超压带（东二下段下部及孔店组），地层压力纵向表现为东二下段异常幅度逐渐增加，至沙河街组底部达到最大，至孔店组开始回落。沙河街组岩性为厚层泥岩夹薄层砂岩，镜质体反射率大于0.70%，热解分析为极好烃源岩，已达到大量生烃阶段。孔店组为大套厚层砂砾岩，测井解释为凝析气层。因为大套厚层砂砾岩不具备欠压实和有机质生烃等自源型超压生成的条件，且在超压流体封存箱内符合同一压力系统的特征，其超压为邻近烃源岩生成油气传导至储集体所形成。

从该井速度-垂直有效应力交会图（图9）可知，无论是沙河街组还是孔店组实测超压点均偏离正常压实加载曲线，为典型非欠压实成因超压，其中沙河街组为有机质生烃成因，孔店组为流体传导成因。

3.4 超压成因垂横向分布特征

结合渤中凹陷36口典型井的超压成因分析，总结区域超压成因垂向分布特征（图10），东二下段下部及东三段超压主要为欠压实成因，沙河街组是区内主力烃源岩发育层［24-27］，超压主要为有机质生烃成因，而直接与烃源岩接触的储集体（多为湖底扇等受重力流控制的沉积体）超压为邻近超压源传递形成的流体传导成因超压。整体上随地层年代变老，超压成因由欠压实向有机质生烃、流体传导等非欠压实成因变化［28-29］。

结合典型井不同层段超压成因分析及前人对于该区湖底扇及成熟烃源岩平面分布特征研究［30-33］，总结渤中凹陷东二下段至沙三段有机质生烃、流体传导等非欠压实成因超压平面分布特征（图11）：东二下段不发育有机质生烃成因超压，仅有部分零星分布的湖底扇为流体传导成因超压；东三段主要在凹陷中部及东北部发育有机质生烃成因超压；沙一二段及沙三段有机质生烃成因超压平面分布范围进一步扩大，整体上表现为随地层年代变老，有机质生烃、流体传导成因超压平面分布范围逐渐变大的趋势。

4 测井响应特征

根据上述典型超压井成因的分析，结合其地层压力综合剖面，总结了渤海湾盆地渤中凹陷3 种成因超压的测井响应特征。

欠压实成因超压：典型段如QHD36-A-1 井东二下段下部及东三段，该段深度为3 250～3 600 m，发育厚层欠压实纯质泥岩，声波速度为3 17 0 m/s，密度为2.48 g/cm3，小于正常压实密度2.61 g/cm3，地层孔隙压力为45.3～53.3 MPa，上覆岩层压力为69.2～77.2 MPa，垂直有效应力（上覆岩层压力减去地层孔隙压力）为23.9 MPa（参见图4）。整体而言具有如下特征：①一般对应较厚的纯质泥岩段，声波速度变化小或基本不变；②密度小于同一深度正常压实情况下的密度，且基本保持不变；③垂直有效应力不发生变化，地层压力变化趋势线基本平行于上覆岩层压力线；④镜质体反射率一般小于0.70%，未达到大量生烃指标（图12）。

有机质生烃成因超压：典型段如CFD23-A-1 井沙河街组3 300～3 500 m 厚层泥岩，声波速度由2 500m/s增大至2 800 m/s，小于正常压实速度3 850 m/s，密度由2.38 g/cm3增大至2.46 g/cm3，小于正常压实密度2.59 g/cm3，地层孔隙压力为53.0～66.2 MPa，上覆岩层压力为69.4～73.1 MPa，垂直有效应力由16.4 MPa 降低至6.9 MPa，在3 500 m 处压力系数最大为1.92，镜质体反射率最大为0.97%（参见图6）。整体而言具有如下特征：①一般对应于较厚的纯质泥岩段，声波速度低于正常压实速度，但随深度增加略有增大；②密度变化与速度变化趋势基本相同；③垂直有效应力变小，地层压力曲线随着深度增加逐渐逼近上覆岩层压力线；④镜质体反射率大于0.70%，已达到大量生烃指标，超压极大值与镜质体反射率极大值具有较好对应关系（图13）。

流体传导超压：典型段有BZ19-A-1 井孔店组3 570～3 900 m 砂砾岩，不具备欠压实及生烃等自源型超压形成条件，声波速度为4 280～5 200 m/s，大于正常压实速度4 250 m/s，密度为2.58～2.63 g/cm3，大于正常压实密度2.57 g/cm3，地层孔隙压力由46.0 MPa 随深度增加线性增加至47.1 MPa，上覆沙河街组3 430～3 570 m 厚层泥岩镜质体反射率为0.73%～0.80%，已具备大量生烃并向下伏孔店组砂砾岩传递超压的条件（参见图8）。整体而言具有如下特征：①一般对应于不具备欠压实、有机质生烃等自源型超压生成条件的超压流体封存箱；②测井声波速度及密度均表现为正常压实或过压实特征；③实测压力纵向上随深度增大线性增加，表现为同一压力系统的特征；④上覆地层为生烃成因的超压泥岩，镜质体反射率大于0.70%，既是烃源岩，也是超压供给源（图14）。

5 结论

（1）渤海湾盆地渤中凹陷古近系实测超压起始于东二下段，起始深度为3 200 m，超压发育带内部超压幅度差异较大且与深度无明显对应关系，沙三段是该区古近系平均实测超压幅度最大的层段。

（2）渤海湾盆地渤中凹陷超压成因有3 种：欠压实、有机质生烃及流体传导。东二下段下部及东三段超压主要为欠压实成因，沙河街组超压主要为有机质生烃成因，不具备欠压实、有机质生烃等自源型超压生成条件的超压流体封存箱为邻近烃源岩生成油气传导形成。垂向上随地层年代变老，超压成因由欠压实向有机质生烃、流体传导成因变化，平面上随地层年代变老，有机质生烃、流体传导成因超压平面分布范围变大。

（3）渤中凹陷欠压实、有机质生烃、流体传导3种成因超压具有不同的测井响应特征：欠压实成因超压地层声波速度变化小或基本不变，密度小于同一深度正常压实情况下的密度，基本保持不变；有机质生烃超压地层的声波速度低于正常压实速度，随深度增加略有增大，密度变化与速度变化趋势基本相同；流体传导成因超压地层的声波速度及密度均表现为正常压实趋势。可直接依据测井响应特征实现超压成因的快速识别，指导钻前超压预测。