臨南洼陷沙河街組三段異常低壓分布特征及成因機制

王翹楚， 陳冬霞， 宋國奇， 王永詩， 張碧璇， 王福偉， 王梓頤

( 1. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2. 中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000 )

0 引言

目前，已發現的油氣田油藏壓力主要集中于常壓至超壓地層，但在部分低壓地層中也存在油氣富集[1]。加拿大Alberta盆地上白堊系地層、北美Denver盆地上古生界地層，以及美國San Juan盆地白堊系地層呈現典型的地層低壓特征[2-3]。中國的鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系[4]、松遼盆地十屋斷陷登婁庫組[5]、百色盆地東部凹陷那讀組[6]、東營凹陷的邊緣淺部館陶組、東營組，以及惠民凹陷的臨南洼陷沙三段等地層也呈現異常低壓特征[7]。有關異常低壓形成機制的研究較異常高壓的少。Belitz K等[3]進行三維數學模擬，認為Denver盆地上古生界地層存在區域性地下水流動，導致地層異常低壓；謝習農等[6]認為，松遼盆地地溫梯度的降低是登婁庫組地層低壓的主要因素；Peterson R、Matheton D S和Neuzil C E等[8-10]認為，Alberta盆地上白堊系地層存在強烈剝蝕反彈，引起異常低壓；劉曉峰等、張曉慶等[7,11]認為輕烴的逸散作用引起東營凹陷館陶組地層異常低壓。這些研究多集中于推測或定性判斷，缺少與定量計算結合的實例分析。

臨南洼陷是濟陽坳陷惠民凹陷的主要油氣富集區，地層壓力因素復雜[12-13]。一般認為，2 800.0～3 700.0 m深度的深層負壓幅度較大，且多為油藏，與全球其他地區以淺層氣藏為主的低壓分布存在較大差異[14-16]。有關該區地層低壓成因的研究較少，已有研究多歸因于斷層和裂縫的泄壓及輕烴逸散[7,17]，并不能很好地解釋低壓的特殊性。

筆者利用地層實測數據，結合統計學原理，在臨南洼陷整體構造背景下分析其壓力特征及成因；對比各地質因素對研究區壓力異常的影響程度，結合巖石力學和物理學性質，分析臨南洼陷沙三段異常低壓的分布特征和成因機制，為該區油氣勘探、中深層異常低壓油藏成因機制研究提供指導。

1 地質背景

臨南洼陷位于惠民凹陷西南部，洼陷主體受臨商斷層和夏口斷層控制[18]，內部分為中央隆起帶、洼陷中心帶和南部斜坡帶3個主要構造帶(見圖1)。累計探明和控制含油面積為240.5 km2，石油地質儲量為3.441 6×108t。

圖1 臨南洼陷構造位置Fig.1 The structural location of Linnan subsag

臨南洼陷大致經歷中生代斷陷、孔店組—沙四段沉積時期斜坡、沙三段—東營組沉積時期斷陷，以及晚第三紀坳陷4個構造演化階段[22]。中生代時，臨南洼陷為北厚南薄的不對稱地塹，東西向為較對稱的地塹結構?？椎杲M—沙四段時期，主要表現為臨南—滋鎮大洼陷的斜坡性質，地層厚度自滋鎮向臨南地區減薄。沙三段—東營組時期，臨南地區逐步從大洼陷中分離為獨立的洼陷，形成臨南洼陷西端“北深南淺”與東端“南深北淺”的不對稱地塹構造格局。晚第三紀—第四紀時期，渤海灣盆地在東營組末期整體抬升并遭受剝蝕，后整體拗陷，表現為洼陷中心厚、向四周減薄的坳陷型沉積。

在惠民凹陷的構造沉積背景下，臨南洼陷地層序列與濟陽坳陷的基本一致，包括孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮組及第四系地層?？椎杲M有少數井鉆遇，巖性以紫紅色泥巖為主，厚度小于50.0 m。沙四段巖性主要為泥巖及少數的泥砂互層，厚度小于100.0 m，局部厚度較大。沙三段巖性主要為灰色及深灰色泥巖夾砂巖、油頁巖及碳質泥巖，厚度為400.0～1 200.0 m；暗色泥巖及頁巖主要分布于下亞段和中亞段，厚度為60.0～220.0 m，有機碳質量分數為2.2%～3.8%，具有較強的生烴能力[19]；儲層埋深為2 700.0～4 200.0 m，單層厚度為1.2～10.5 m，主要發育三角洲、滑塌濁積扇和湖泊相等沉積相[20-21]。上覆沙二段巖性主要為灰色、灰綠色泥巖與砂巖互層，其中下亞段以泥巖為主，厚度為100.0～200.0 m。沙一段與沙二段為連續沉積，巖性以泥巖為主，厚度為130.0～200.0 m。東營組巖性為灰綠色泥巖與砂巖、含礫砂巖的不等厚互層，厚度為80.0～800.0 m。上第三系館陶組、明化鎮組和第四系平原組、東營組不整合接觸，巖性以砂巖為主。巖性組合方面，沙三段下伏的沙四段地層和上覆的沙二段地層以較為連續、具有一定厚度的泥巖為主，封閉性較好；沙三段內部存在砂泥互層，展布穩定，為沙三段的油氣成藏和保存提供有利條件。

2 異常低壓分布特征

圖2 臨南洼陷沙三段深度與實測地層壓力、壓力因數交會圖Fig.2 Relations of currently tested formation pressures and pressure coefficients to the depth in Es3, Linnan subsag

根據臨南洼陷沙三段37口探井、99個地層壓力實測數據，該區較少出現超壓現象，常壓和低壓現象較為普遍?？v向分布上，異常低壓在2 500.0 m深度以下開始出現，至3 000.0 m深度以下普遍發育，且負壓幅度較大。根據壓力因數與深度交會圖(見圖2)，壓力因數小于0.95的點在2 500.0 m深度以下開始逐漸增多，壓力因數最低為0.41；至4 000.0 m深度左右有較明顯的負壓出現。由壓力因數剖面分布(見圖3)可知，低壓點主要出現于中央隆起帶的沙三中亞段及沙三下亞段，洼陷中心帶以超壓為主，南部斜坡帶以常壓為主。

平面分布上，在洼陷中心區，沙三段以夏38—夏508和街202井為兩個超壓中心存在小范圍的超壓分布，壓力因數為1.10～1.20，局部可達1.30。超壓區外圍為常壓區，以街202井為中心小范圍分布，延伸至臨斜961和街斜2井附近；在以夏508井為中心的超壓區外圍，西側至街403井附近，北側至洼陷中心帶北部邊緣的商92和夏40井，南側至夏口斷裂帶，東側延伸覆蓋洼陷中心帶的主體區域為常壓區。低壓區包括中央隆起帶的大部分區域(自唐1井附近沿臨商斷裂帶至商105井附近)、洼陷中心帶的西側邊緣區域(夏70至夏33井)，以及南部斜坡帶的大部分區域(包括錢斜14、曲35和曲32井等)；3個區域相互連片構成一個環繞洼陷邊緣的半環帶狀低壓區，壓力因數為0.90～0.95，局部地區壓力因數為0.80左右(見圖4)。整體上，沙三段低壓區域位于洼陷北部的中央隆起帶，以及西側和西南側的洼陷邊緣區域。

圖3 臨南洼陷沙三段商32-商69-夏13-夏510-曲10井壓力因數剖面分布(剖面位置見圖1)Fig.3 S32-S69-X13-X510-Q10 pressure coefficient distribution cross section of Es3, Linnan subsag(location of cross section was sited in fig.1)

圖4 臨南洼陷沙三段壓力因數平面分布Fig.4 Pressure coefficient distribution of Es3, Linnan subsag

3 異常低壓形成機制

由于臨南洼陷發生過較強的地層抬升剝蝕，地層抬升剝蝕和溫度降低對異常低壓有重要作用。另外，該區以渤海灣盆地濟陽坳陷為構造背景，區域斷層廣泛發育，對壓力的輸導和傳遞也有重要作用，已發現油氣藏主要為中深層油藏，天然氣含量較低，輕烴逸散等作用不明顯。因此，主要從剝蝕卸載、地層降溫和斷層控制作用方面討論臨南洼陷異常低壓的形成原因。

3.1 剝蝕卸載作用

剝蝕卸載作用是指在相對密閉的壓力系統中，地層抬升剝蝕導致上覆巖層壓力減小，巖石骨架及骨架內儲層流體體積的回彈現象。砂巖壓縮系數為1×10-9Pa-1，水壓縮系數為3×10-10Pa-1[23]，在地層抬升過程中，地層水體積回彈的體積小于巖石骨架膨脹體積增量。因此，剝蝕卸載作用通常在地層抬升剝蝕較強、剝蝕量較大的地區降壓較為明顯[24-29]。

研究區在東營組末期發生整體抬升剝蝕[30-31]，不同構造帶的抬升剝蝕程度差別較大(見表1)。由表1可知，中央隆起帶的剝蝕量超過800.0 m，遠大于洼陷中心帶和南部斜坡帶的，地層平均降壓受剝蝕卸載作用影響較大，最大為8.43 MPa；南部斜坡帶的剝蝕量達到200.0 m左右，地層平均降壓2.99 MPa；洼陷中心帶的剝蝕量相對較小，約為100.0 m[32-35]，地層平均降壓1.58 MPa(見圖5)。

3.2 地層降溫作用

溫度的變化對地層壓力也有影響。隨地層抬升與剝蝕，地層溫度降低，地層流體遇冷收縮，體積減小，地層壓力也隨之下降。巖石膨脹系數為9×10-6K-1，地層鹵水膨脹系數為400×10-6K-1[36]，相同的降溫幅度導致孔隙流體體積相對于孔隙容積縮小的幅度更大，在封閉的地層環境中導致地層壓力下降。

根據惠民凹陷地溫梯度，臨南洼陷在新生代的地溫梯度隨盆地演化而逐漸降低(見圖6[35])。由圖6可以看出，沙河街組沉積末期，地層地溫梯度約為3.7 ℃/100m；之后，地溫梯度緩緩下降，目前約為3.2 ℃/100m。臨南洼陷中央隆起帶地層降溫幅度最大，為34.12 ℃，平均降溫23.25 ℃；南部斜坡帶地層平均降溫9.53 ℃；洼陷中心帶地層平均降溫8.39 ℃。

表1臨南洼陷沙三段地層剝蝕卸載作用參數

Table1Parametersofdecreasingpressurecausedbyupliftanderosionofstrata，inEs3,Linnansubsag

所屬區帶井名剝蝕量/m巖石密度/(g·cm-3)降壓/MPa商543639.72.316.58商548574.72.275.91商69359.12.303.69中央隆起帶商741503.82.325.18唐7361.42.283.72田22528.02.335.43盤9812.42.368.35盤斜5831.12.328.43夏斜352142.52.351.47夏326139.82.281.44洼陷中心帶夏33147.02.261.51夏35172.42.321.77夏70163.22.341.68夏701-斜1157.42.241.62錢斜14193.62.282.91南部斜坡帶曲35232.22.293.22曲32189.32.322.84

圖5 臨南洼陷沙三段地層剝蝕卸載作用引起降壓分布

臨南洼陷主力油層沙三段儲層的孔隙度數據統計(見表2)顯示，中央隆起帶的地層平均孔隙度為22.40%；洼陷中心帶地層平均孔隙度為16.40%，南部斜坡帶地層平均孔隙度為15.80%。以主力油層的孔隙度數據作為參數，研究區中央隆起帶、南部斜坡帶和洼陷中心帶由溫度降低引起的平均孔隙體積增量分別為2.07%、0.99%和0.65%。

由溫度下降引起的中央隆起帶、南部斜坡帶和洼陷中心帶的降壓平均分別為3.37、1.37和1.24 MPa(見表2)。3個地區溫度下降引起儲層流體體積收縮并引發降壓作用，對異常低壓形成的貢獻小于地層剝蝕卸載作用的。

圖6 臨南洼陷地溫梯度演化Fig.6 The evolution of geothermal gradients in Linnan subsag

3.3 斷層控制作用

斷層將原生高壓油氣藏和外界環境連通，壓力差促使油氣運移，可以形成異常低壓[6-8]。斷層對壓力的控制作用需要存在必要條件：一是存在原生高壓油氣藏；二是斷層主要活動時間在油氣主成藏期后；三是被斷層連通的原生高壓油氣藏與外界靜水壓力環境連通。該類低壓油氣藏多為埋深較淺、輕烴含量較多、易與外界靜水壓力環境連通的淺層氣藏。在臨南洼陷中，高壓油藏數量較少，高壓區域較為局限，各主體斷層的主要活動時期在沙一段至東營組時期[36](見圖8)，油氣主成藏期為館陶組至明化鎮時期[37]，因此斷層主要活動時期基本在主成藏期之前。臨南洼陷的異常低壓區多存在于2 500.0 m以下的沙三段低壓油藏，斷層的壓力釋放作用并不是臨南洼陷異常低壓形成的原因。

表2 臨南洼陷地層降溫作用參數

研究區在東營組末期發生沉積間斷和地層抬升剝蝕，地層剝蝕卸載和降溫作用導致的降壓作用開始形成。主體斷層進入活動性較弱時期，斷層對低壓區域的控制作用取決于活動后斷層的開啟及封閉性。采用斷層兩側砂體對接關系和泥巖涂抹因子(SGR)判斷斷層封閉性。油藏剖面(見圖9)和SGR顯示，斷層F1和斷層F3兩盤砂體對接關系較差，封閉性較強；斷層F2兩盤砂體對接關系較好，封閉性較差。中央隆起帶盤深1井區域形成的異常低壓因斷層F1的封堵被保存，洼陷中心帶街202井區域形成的超壓因斷層F3的封堵也同樣被保存，斷層F2北側本應形成低壓的區域因F2較差的封堵性而被破壞，顯示常壓特征。因此，斷層對于研究區異常低壓既有保存作用，也有破壞作用。

圖7 臨南洼陷沙三段地層降溫作用引起降壓分布

圖8 臨南洼陷主要斷層活動性演化(斷層位置見圖1)Fig.8 Evolution of activity of main faults in Linnan subsag(location of faults were in fig.1)

4 結論

(1)臨南洼陷沙三段地層異常低壓普遍發育，在2 500.0 m深度開始出現，在3 000.0 m深度以下普遍發育，壓力因數為0.82～0.95。平面分布上，異常低壓區域主要位于中央隆起帶之上的臨盤和商河地區，壓力因數為0.82～0.90；洼陷西部和西南部邊緣區域的臨南油田地區也有部分低壓發育，壓力因數為0.90～0.96。整體上，低壓區域較為連片。

(2)臨南洼陷沙三段地層壓力降低主要源于地層抬升引起的剝蝕卸載及地層降溫作用，斷層對壓力降低也具有一定的控制作用。剝蝕卸載作用可使地層降壓1.00～8.43 MPa，地層降溫作用引起的降壓幅度為0.50～3.00 MPa，兩者共同作用引起研究區異常低壓。臨南洼陷廣泛發育的斷層對異常低壓既有保存作用，也有破壞作用。

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