東海盆地西湖凹陷平湖構造帶超壓系統與油氣成藏

蘇 奧，杜江民，賀 聰，余 雁，王存武，羅金洋

(1.中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢，430074；2.河北地質大學資源學院，河北石家莊，050031; 3.甘肅省油氣資源研究重點實驗室，中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅蘭州，730000; 4.中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘，062552; 5.中海油研究總院，北京，100027 6.中國石油華北油田公司科技信息處，河北任丘，062552)

東海盆地西湖凹陷平湖構造帶超壓系統與油氣成藏

蘇 奧1，杜江民2，賀 聰3，余 雁4，王存武5，羅金洋6

(1.中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢，430074；2.河北地質大學資源學院，河北石家莊，050031; 3.甘肅省油氣資源研究重點實驗室，中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅蘭州，730000; 4.中國石油華北油田公司地球物理勘探研究院，河北任丘，062552; 5.中海油研究總院，北京，100027 6.中國石油華北油田公司科技信息處，河北任丘，062552)

應用流體包裹體分析、盆地模擬和有機地球化學等手段，研究東海西湖凹陷平湖構造帶超壓系統與油氣成藏的相互關系。研究結果表明：平湖構造帶油氣主要來源于平湖組煤系源巖，而且油氣主成藏期為晚期，與生烴增壓的形成期大致相同，另外油氣藏多分布在超壓頂界面附近，這些均指示超壓與油氣成藏存在密切關系；鏡質體反射率、地溫梯度及包裹體均一溫度反映的熱異常，儲層物性、非均一捕獲的包裹體、“氣煙囪”反映的流體壓力異常、凝析油輕烴組分反映的組分異常證實研究區流體在超壓主導下晚期高效率快速流體；高壓流體的泄壓排放誘發斷裂開啟，并為流體運移提供動力，從而控制油氣在超壓界面附近高效成藏。

油氣成藏；超壓；流體流動；西湖凹陷；流體包裹體

最近幾十年的勘探實踐表明，中國近海盆地都普遍呈現出油氣晚期快速成藏的特征。渤海灣盆地渤中凹陷PL19-3油田借助地震泵作用實現油氣快速幕式成藏，屬于構造主導型控藏[1?2]。鶯歌海盆地則是構造和超壓共同為油氣幕式成藏提供能量，屬于兩者聯控成藏[3?5]。東海盆地西湖凹陷中深地層(＞3.5 km)普遍發育強超壓[6]，超壓可提供重要的油氣成藏動力。此外，西湖凹陷中淺層龍井組、花港組氣苗和“亮點”型地震異常頻繁被發現[7]，可能指示快速充注型油氣藏廣闊的發育前景。然而，目前西湖凹陷的超壓分布、成因以及與油氣成藏的關系尚不明確。為此，本文作者以東海西湖凹陷平湖構造帶為例，結合該區實際地質背景，利用流體包裹體定年、盆地數值模擬、有機地球化學和流體包裹體熱動力學，系統研究超壓在成藏動力方面控制油氣成藏，以期為今后西湖凹陷勘探提供理論依據。

1 地質背景

東海陸架盆地是中國近海面積最大的含油氣盆地[8]。西湖凹陷(見圖1)位于東海盆地東北部，面積約5.9×104km2；迄今為止凹陷陸續發現了平湖、寶云亭、武云亭、春曉、殘雪、斷橋、天外天和八角亭共8個油氣田及孔雀亭、玉泉、秋月、龍二、龍一和孤山共6個含油氣構造[9]。凹陷探明儲量巨大，而探明率僅為4.5%。西湖凹陷發育新生代沉積，厚度逾1萬m，發育了古新統、始新統平湖組、漸新世花港組、中新世龍井組、玉泉組和柳浪組以及上新世—第四紀三潭組和東海群。西湖凹陷總體經歷了先裂后坳的構造轉化[10]，凹陷基本結構呈東西分帶的特征，由西向東可劃分為西部斜坡帶、中央洼陷?反轉構造帶和東部陡坡斷隆帶3個次級構造單元；平湖構造帶是1個三級構造單元，位于西部斜坡帶中段，是凹陷油氣勘探與開發的重點區域之一；構造帶總體呈北東向狹長狀展布，自北往南可劃分為平北區、平中區及平南區(圖1)。平湖組發育的煤系地層為凹陷主要烴源巖。

2 實驗方法

圖1 西湖凹陷平湖構造帶構造位置及地層圖Fig.1 Distribution graph of Pinghu structuralbeltand strata in Xihu depression

對所采平湖構造帶巖樣制成流體包裹體雙面拋光薄片進行測試分析，選取的樣品主要分布在花港組和平湖組。其中實驗測試儀器為：Nikon 80I雙通道熒光顯微鏡，紫外線激發波長為330～380 nm；Maya 2000 Pro光譜儀記錄顯微熒光光譜以及英國生產的Linkam THMS600液氮型冷熱臺。測定誤差為0.1℃。流體包裹體測溫方法見文獻[11]。選用包裹體形態較好、體積稍大和熒光強度適中的油包裹體估算氣液比，結合烴類包裹體和同期鹽水包裹體的均一溫度，利用美國CALSEP開發的VTFLINC模擬軟件恢復古流體壓力。

使用BasinMod軟件，結合該區測井、鉆井、試驗分析和實際地質背景等，恢復平湖構造帶代表性單井埋藏史、熱史以及地層壓力史。

3 油氣成藏特征

3.1 油氣來源

平湖組是西湖凹陷平湖構造帶的主力烴源層。目前，油氣主要儲存在花港組和平湖組。對比花港組原油和平湖組煤系源巖的飽和烴和芳烴碳同位素以及輕烴，發現研究區產出原油同源，且主要來源于中深層平湖組煤系源巖[12?13]。為了排除成熟度差異影響，平湖組源巖巖樣和油樣的C27-C28-C29甾烷等生物標記化合物相對豐度顯示原油為陸源母質生成，且與平湖組煤系源巖具有較好的對比性(圖2)，因此，生標組合進一步證實該區花港組原油也均來源于平湖組煤系源巖。

圖2 平湖構造帶花港組原油和平湖組煤系源巖C27-C28-C29甾烷的三角圖Fig.2 Triangular plotof C27-C28-C29steraneof oiland coal measuressource rocks in Pinghu structuralbelt

3.2 成藏時間

流體包裹體顯微測溫測試結果結合埋藏史?熱史圖能確定油氣充注歷史[14]。在透射光下觀測流體包裹體薄片，發現流體包裹體主要分布于穿石英顆粒裂紋和石英顆粒內裂紋中，有機包裹體主要類型有氣?液兩相油包裹體、純氣相包裹體、純油相包裹體。包裹體形態多為橢圓形、方形、三角形和不規則形，以橢圓形為主。在熒光下油包裹體具有多種熒光顏色，如黃色、藍綠色和藍白色。

平湖油氣田檢測到烴類的13塊巖樣的流體包裹體均一溫度顯示，中深層平湖組中下段3塊巖樣的流體包裹體均一溫度能夠正常確定充注時期。而中淺層花港組和平湖組上段10塊巖樣流體包裹體發育的油氣包裹體數量不僅少，而且油包裹體及同期鹽水包裹體的均一溫度也大多高于現今地溫(最高地溫)，表現出高溫流體快速充注淺層的特征。只能利用油包裹體同期鹽水均一溫度中最小的溫度近似代表流體包裹體被捕獲的均一溫度，結合埋藏史?熱史來確定花港組和平湖組上段油氣成藏時期。結果表明中深層平湖組中下段儲層有2期油氣：第1期充注小規模黃色熒光低熟油，第2期充注天然氣、藍白色熒光和藍綠色熒光油。結合現今油田產出天然氣和原油的品質可知后者為主成藏期。中淺層花港組和平湖組上段油氣充注時期很晚而且晚于中深層，主成藏期為晚期，即具有晚期成藏的特點(圖3)。

圖3 平湖油氣田地溫與流體包裹體均一溫度對比及其充注歷史Fig.3 Contrastofgeo-temperatureand homogenization temperature of fluid inclusionsand filling history in pinghu oil and gas field

圖4 西湖凹陷平湖構造帶部分井儲層顯微薄片照片Fig.4 Micro-photos of reservoir sandstoneof in Pinghu structuralbelt in Xihu sag

砂巖顆粒表面及顆粒間孔隙中油浸熒光相結合含油包裹體顆粒指數(IGO)能夠在一定程度上提供油氣充注成藏的信息[15]。所采樣品的熒光相顯示中淺層油氣藏儲層較少發育油包裹體，而大部分樣品砂巖的顆粒邊緣孔隙發較強藍白熒光，表明油氣充注時間較晚，成巖作用趨近于停止，油包裹體被較少捕獲。如W 1井所采3.594 1 km的油浸染砂巖發現極少量藍白色油包裹體(IGO遠小于1%)，而顆粒邊緣孔隙熒光強烈(圖4(a))。

4 超壓與油氣成藏

西湖凹陷平湖構造帶超壓頂界面存在一定起伏，平中區超壓頂界面發育深度較淺，主要在花港組下段，而平北區超壓頂界面發育較深，主要在平湖組中上段(圖5)，而且油氣多在超壓頂界面附近聚集成藏[6]，超壓面以上多為油藏，超壓面以下多為氣藏，呈現“上油下氣”的垂向分布特征[16]。

4.1 超壓系統

按照壓力界線劃分標準[17]，西湖凹陷平湖構造帶具有2個壓力系統：中淺地層壓力系數多小于1.2，為常壓系統；而中深地層則普遍發育超壓，目前實測最大壓力系數達1.8，而且具有有效的超壓封閉層。超壓頂界面深度小于儲層致密化深度，且頂界面上下多有含氣層(圖5，其中，φ為孔隙度，C為泥漿壓力系數)，這表明超壓封閉層主要封閉機理并非是致密儲層的物性封閉而是流體封閉，即由富含天然氣的粗細粒沉積巖互層形成的毛細管力構成一個無形動態分隔層，這與Anadarko盆地奧陶系靜態超壓長期保存的成巖封閉層有明顯差異[18]。中深超壓地層在有效的氣毛細管封閉作用下，形成了1個壓力封閉箱。

4.2 壓力演化

盆地模擬和流體包裹體熱動力學模擬是目前重建地層古壓力有效手段[19]。據油包裹體與同期鹽水包裹體均一溫度以及油包裹體氣液比，可利用包裹體熱動力學模擬法恢復古壓力。同期鹽水包裹體均一溫度線與等容線的交點即為捕獲的最小壓力。結合古埋藏深度便可得到對應的剩余壓力。綜合盆地模擬、包裹體熱動力學模擬以及實測DST壓力相互約束分析得到研究區不同歷史時期地層剩余壓力演化規律。圖6所示為平湖組中段地層壓力演化特征。從圖6可見：35.4Ma后地層逐漸發育超壓，到花港運動期間(26.0Ma)發生小幅度降壓，之后地層逐漸平緩增壓；到龍井運動期間(7.0Ma)地層發生大規模抬升，地層之前積累的超壓被釋放形成常壓—弱超壓系統，之后又開始逐漸增壓直至現在，形成中—強超壓系統。

圖5 平湖構造帶7口井的超壓頂界面、致密儲層頂界面以及油氣層深度Fig.5 Interface of overpressureand dense,depth of oiland gas reservoir of 7Wells in Pinghu structuralbelt

圖6 西湖凹陷平湖構造帶平湖組中段壓力隨時間的演化關系Fig.6 Evolution relationship between pressureand time in themiddle of Pinghu group in Pinghu structuralbelt

4.3 超壓成因

西湖凹陷平湖組和花港組沉積速率快，相對早期超壓為壓實不均衡形成。隨后中新世末(距今7.0～5.2 Ma)龍井運動造成構造抬升而泄壓。新構造運動期間(距今0～5.2Ma)又迅速沉降，沉降速率大于200m/Ma，導致地層迅速增溫加快平湖組煤系源巖熟化(鏡質體反射率Ro凈增大0.3%)，進入中等成熟—高成熟階段大量生油氣，可能是地層增壓的主要機制。研究區代表性單井的測井曲線表明：泥巖聲波時差隨著深度增加逐漸偏離正常的演化趨勢線，而密度隨深度則順著趨勢線到逐漸增加極限值，之后基本保持不變，表現出烴類增壓的特征(圖7(a)和圖7(b))。此外，源巖的地球化學指標如w(氯仿瀝青“A”)、奇偶優勢比、碳優勢指數和tmax均指示烴類生排高峰的深度段與超壓頂界面吻合(圖7(c)～(f))，表明油氣生成對該區超壓形成有重要貢獻。

圖7 西湖凹陷平湖構造帶P1井泥巖聲波時差、密度和地球化學參數與深度關系圖Fig.7 Relationship betw een AC,density,geochem ical parameters ofmudstone and depth in Pinghu structuralbelt

4.4 超壓控制下的流體流動

上述油源對比顯示平湖構造帶油氣主要來源于平湖組煤系源巖，流體包裹體顯示油氣主成藏期對應生烴增壓的形成期，且目前油氣藏多分布在超壓頂界面附近，這些均表明超壓與油氣成藏存在密切關系。與欠壓實帶來的高風險勘探不同，生烴作為超壓來源既提供了油氣來源，又提供了油氣運移動力，是勘探的有利因素。平湖構造帶在古新世—始新世斷陷期發育了眾多NE?NNE向正斷層，構成了“階梯式”同生斷裂群，溝通了下部古新統與始新統源巖，形成垂向輸導通道，如平湖主斷裂、放一和放二斷裂[20]。漸新世—中新世坳陷期形成的NNE向壓性逆斷層構成了油氣垂向運移至龍井組、花港組的通道。晚期在新構造運動作用下，在一定程度上活化了前期斷裂，不僅降低了斷裂開啟的壓力門限，而且形成了正逆組合的復式斷裂輸導體系，使得下部油氣能夠憑此優勢通道運移至上部聚集成藏，這大大提高了油氣運移效率，使得晚期成藏存在可能。如SM ITH[21]的研究表明流體沿活動斷裂的運移效率是穩態流體的3 000～5 000倍，使得儲層短期內也能聚集成藏。

油氣能夠在超壓頂界面附近快速成藏(主要是花港組和平湖組上段油氣藏)，原因在于油氣能夠沿破裂帶發生高效穿層運移。從圖4(b)可看出在超壓頂界面附近且靠近斷裂的砂巖石英顆粒發育了眾多縱橫交錯的裂紋，并且發育較多油包裹體。研究區有眾多溝通深部源巖與中淺層的斷裂，同時天然氣碳同位素、甲烷含量和Vm(iC4)/Vm(nC4)(Vm為氣體摩爾體積)的垂向變化規律指示了天然氣垂向運移特征[22]，這些都從側面證明了油氣沿斷裂垂向運移，而超壓封閉箱開啟則為其提供能量基礎。以超壓為主導的流體流動往往也具有快速充注的特點，可引起熱異常、壓力異常和組分異常等響應。

4.4.1 熱異常

超壓深層熱流體快速充注淺層，流體溫度要高于周圍地層溫度，往往造成地層某些受溫度影響較大的指標出現熱異常。

1)鏡質體反射率和地溫梯度異常。隨著深度增加，該區各井在3.5～4.2 km的深度段內其鏡質體反射率Ro變化普遍接近于0，但在4.2 km后又恢復正常的變化趨勢(圖8(b))，這并非超壓的抑制作用導致，而是地溫變化率接近于0引起(圖8(c))。這可能是在超壓和構造應力作用下，地層流體破裂或斷裂系統頻繁開啟，超壓流體周期性排放、垂向運移的結果[23]。不穩定的超壓環境和有機質熱演化產物的排出也證明超壓對有機質熱演化未產生明顯抑制作用。

2)包裹體均一溫度。深部熱流體快速充注于中淺層，流體包裹體被捕獲時的溫度時往往要高于當時的地層溫度，因此，油包裹體以及鹽水包裹體的均一溫度表現出異常高的特征。平湖油氣田中淺層花港組和平湖組上段流體包裹體均一溫度明顯高于最高地溫，明顯是熱流體穿層充注所致。

圖8 平湖構造帶壓力系數、鏡質體反射率、地溫、孔隙度和滲透率與深度的關系Fig.8 Relationship among depth and pressure coefficient,Ro,formation tem perature,porosity and permeability in Pinghu structural belt

4.4.2 壓力特征異常

壓力封閉箱周期排放泄壓，導致地層某些受壓力條件變化而影響較大的指標出現異常。

1)儲層物性異常。從圖8(d)和圖8(e)可看出：隨著深度增加，壓力逐漸變大。高壓有效地降低了骨架顆粒所承受的壓力和抑制膠結作用的發生，導致孔隙度與滲透率減小的趨勢被減緩。穩定的壓力封閉箱內儲層處于封閉的環境中，流體無法活動則難以溶蝕儲層。但該區儲層物性逐漸出現明顯改善的現象，原因可能在于存在頻繁的超壓積累與排放，引起流體反復流動淋濾儲層。

2)非均一捕獲的包裹體。在超壓環境中由于附近斷裂開啟，壓力突然改變，原本單一液相流體分離為兩相甚至三相性質不同的流體，此時被成巖礦物捕獲便形成非均一捕獲的包裹體群。觀察斷層附近巖樣的流體包裹體巖相發現，穿石英顆粒裂紋中油包裹體呈同一產狀，但氣液比(即包裹體的氣泡與液體的面積比)變化較大(圖4(c)和4(d))。圖4(a)所示包裹體幾乎全為純氣相包裹體，而圖4(b)和圖4(c)所示包裹體屬于富氣相包裹體。圖4(d)所示包裹體的氣泡則較小，因此，屬于非均一捕獲的烴類包裹體，經推測可能是斷裂開啟導致壓力突降造成的組分不均勻分餾，反映了泄壓時流體活動特征。

3)“氣煙囪”現象。地震剖面有著明顯的“氣煙囪”構造，而且存在地震振幅較弱、相位下拉和頂部呈“穹頂狀”的現象(圖9)。這些都較符合氣體泄流通道的特征[24]，反映了該區超壓沿著斷裂破碎帶泄壓，氣體或流體沿著斷裂通道垂向上涌的過程。這是超壓作用下流體通過斷裂帶發生快速充注的有利證據。

圖9 西湖凹陷某地震剖面的“氣煙囪”構造Fig.9“Gaschimney”structure in Xihu depression

4.4.3 凝析油輕烴組分異常

THOMPSON[25]通過在密閉容器中的原油注入天然氣然后減壓除去氣相，提出了凝析油形成的“蒸發分餾”模式，并發現實驗次數越多，原油的甲苯與正庚烷(nC7)質量比即m(甲苯)/m(nC7)會越大(圖10)。研究區油樣輕烴組分測試結果表明：凝析油的(m(甲苯)/m(nC7))具有較大的變化范圍(0.04～7.15)，這反映了實際地質情況下氣侵原油并運移聚集時其溫壓條件頻繁變化，體現了該區流體不連續流動的特征，而且也指示該區存在多次油氣分異，表現出非穩態的油氣幕式充注特點。

圖10 平湖構造帶凝析油的m(甲苯)/m(nC7)與m(nC7)/m(MMC6)的關系Fig.10 Relationship of toluene/n-heptane and n-heptane/methyl cyclohexane of condensates in Pinghu structuralbelt

綜上可見：超壓成因決定了西湖凹陷平湖構造帶油氣晚期快速成藏模式；龍井運動之后，上新世和第四紀時期地層快速沉降，平湖組源巖快速熟化，烴類大量生成，流體封閉和壓力積累形成了超壓封閉箱；對于在超壓頂面以下處于高壓強的能量系統，其箱內高壓積累到一定值后便可能沿著斷裂泄壓，“箱內外”周期變化的壓差導致油氣充注通道幕式開啟，并為流體順斷層或破裂面運移提供動力，導致油氣在晚期快速充注在超壓頂面之上龍井組、花港組和平湖組上段成藏。因此，勘探時應了解關鍵成藏期時地層古壓力以及其演化特征，尋找超壓頂面隆起點和斷裂附近具有良好保存條件的油氣有利聚集區(背斜、斷塊)，重點在于斷層封閉性和蓋層質量評價。今后西湖凹陷的油氣勘探主要對象除中深層領域非常規低滲致密氣藏外，還可兼找超壓為成藏動力的泄壓充注型油氣藏。

5 結論

1)平湖構造帶油氣主要來源于平湖組煤系源巖，而且油氣主成藏期對應生烴增壓的形成期。油氣藏多分布在超壓頂界面附近。這些均表明超壓與油氣成藏存在密切關系。

2)平中區超壓頂界面多發育在花港組，平北區超壓頂界面相對較深，多發育在平湖組中上段，中深地層普遍發育超壓，并且有良好的氣毛細管封閉壓力分隔層。恢復的平湖組中段地層古壓力演化史表明0～38 Ma期間發育了2期超壓：第1期超壓成因主要為欠壓實，第2期超壓成因主要為生烴。

3)鏡質體反射率和地溫梯度及包裹體均一溫度反映了流體熱異常，儲層物性、非均一捕獲的包裹體、“氣煙囪”反映了壓力異常，凝析油輕烴組分反映了組分異常，這些均證明以超壓為主導的流體快速充注。晚期超壓成因控制了平湖構造帶油氣晚期快速成藏。超壓誘發斷裂開啟，并提供運移動力，使得深部流體快速充注于中淺層。因此，斷裂和超壓頂界面隆起點附近具有良好保存條件的圈閉是該類油氣勘探的有利目標。

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(編輯 陳燦華)

Overp ressure and hydrocarbon accumulation in Pinghu structural belt in Xihu Depression,East China Sea

SUAo1,DU Jiangm in2,HECong3,YUYan4,WANGCunwu5,LUO Jinyang6

(1.Key Lab of Tectonicsand Petroleum Resource of EducationalM inistry,China University of Geosciences, Wuhan 430074,China; 2.College of Resources,HebeiGEO University,Shijiazhuang 050031,China; 3.Key Laboratory of Petroleum Resources,Gansu Province/Key Laboratory of Petroleum Resources Research, Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academ y of Sciences,Lanzhou 730000,China; 4.Geophysical Exploration Research Instituteof PetroChina HuabeiOilfield Company,Renqiu 062552,China; 5.CNOOCResearch Institute,Beijing 100027,China; 6.Technological Information Division of PetroChina HuabeiOilfield Company,Renqiu 062552,China)

The relationship between overpressure and hydrocarbon accumulation was investigated using fluid inclusions, basin simulation and organic geochem istry.The results show thatoil-gas in Pinghu structural belt ismainly derived from coal-measure source rocks in Pinghu formation.Themain oil-gas accumulation occurred in late stage which is approximately consistentwith the form ing time of overpressure resulted by hydrocarbon generation.Besides,oil-gas pools are distributed near top overpressured surface.Overpressure is closely linked to hydrocarbon accumulation.Thethermal anomaly from vitrinite reflectance,geotemperature gradient and homogenization temperatures of fluid inclusion, abnormal fluid pressure from physical property of reservoir,fluid inclusion w ith non-homogeneous capture and gas chimney,and abnormal components from light hydrocarbon indicate that efficient rapid fluid flow is controlled by overpressure.The discharging of high-pressure fluids induces opening of faults and provides powerof fluidmigration.

hydrocarbon accumulation;overpressure;fluid flow;Xihu depression;fluid inclusion

TE122.2

A

1672?7207(2017)03?0742?09

2016?03?10；

2016?05?21

國家重大科技專項(2011ZX05023-004-010)(Project(2011ZX05023-004-010)supported by the National M ajor Project of Science and Technology)

賀聰，博士研究生，從事油氣地質與地球化學研究；E-mail:hecong2007.ok@163.com