西湖凹陷西斜坡W構造異常高壓特征及對油氣成藏的影響

李 斌，楊鵬程，蔣 彥，陳 現，李 倩，李 喆

（1. 中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司，上海 201208；2. 中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發研究院，上海 200120）

異常高壓在全球的沉積盆地中廣泛存在，Hunt（1990）[1]統計顯示全球180個沉積盆地中有160個發育異常高壓。近30年來，異常高壓的成因及與油氣成藏的關系一直是國內外油氣地質研究的熱點[2]，期間取得的研究成果可概括為三個方面：一是由欠壓實為主的單一成因深化為欠壓實、流體膨脹、構造擠壓及壓力傳遞等多成因；二是由間接的定性研究拓展到了鮑爾斯法[3]、密度-速度交會圖法等直接的實證方法；三是越來越多的關注到超壓與油氣分布及油氣成藏的關系，并提出了流體封存箱理論（hunt，1990）[1]、幕式成藏機理（hunt，1990；郝芳，2003）[1,4]、超壓對烴源巖熱演化以及成巖作用的影響機制[5-7]等。

前人對東海陸架盆地西湖凹陷的異常壓力形成機制及對油氣成藏的影響進行了較為系統的研究，楊彩虹（2013）[8]、張震（2014）[9]、徐志星（2015）[10]、仲曉（2018）[11]等對西湖凹陷不同構造帶的超壓成因進行了分析，認為斜坡帶的超壓主要為欠壓實和生烴增壓成因，而構造擠壓對中央背斜帶的超壓形成有較大貢獻。張國華（2013）[12]、劉金水（2015）[13]等初步分析了異常高壓對油氣分布及成藏的影響，基于超壓分布提出了四種耦合類型，建立了“高壓控藏、塔式聚集”的油氣成藏模式。但這些研究并未涉及W構造超壓封存箱的特征，且在異常高壓對油氣成藏的影響方面都不太深入，尤其是在對烴源巖演化及優勢儲層發育的機理方面。本文利用鉆井、測井、測試及分析化驗資料深入研究了W構造異常壓力封存箱的分布以及異常高壓的成因，并明確了異常高壓對油氣成藏的具體影響。

1 地質背景

W構造位于西湖凹陷保俶斜坡的中北部，該構造受古隆起的影響，發育一系列西傾的反向斷裂（F1、F2、F3），形成了多個反向斷塊，平面上可以分為中塊、北塊和南塊（圖1）。鉆井揭示平湖組是該區主要的目的層，也是區域上主要的烴源巖層。平湖組地層具有異常高壓發育的地質背景，地層整體具有沉積厚度大（多大于2 000 m）、泥地比高（70%左右）、沉積速率快（150～300 m/Ma）[8]以及區域蓋層發育（海侵體系域厚層泥巖）的特點，且分析化驗資料揭示平湖組發育煤層、碳質泥巖等優質烴源巖（HI多大于200 mg/g·Toc），平湖組中下段（埋深大于4 000 m）已經進入排烴門限（Ro＞0.7%），具備了欠壓實增壓和生烴增壓發育的地質條件。

圖1 西湖凹陷W構造位置及油氣層綜合柱狀圖Fig. 1 Structural location and comprehensive histogram of oil and gas layers of W structure in Xihu Sag

研究認為[14]平湖組主要發育受潮汐影響的三角洲環境，平湖組沉積早期受古隆起的影響，具有斷槽控砂的機制，物源主要來自西南方向；平湖組沉積晚期地層填平補齊，具有斷坡控砂的機制，物源主要來自于西北方向。W構造油氣富集程度較高，目前已有8口井，均已鉆遇油氣層，油氣在平湖組中上段和下段均能成藏。平下段主要發育砂巖上傾尖滅油氣藏，西南方向物源的砂體受坡折帶控制向上傾方向尖滅；平中上段主要發育斷層-巖性復合油氣藏，西北方向物源的砂體與NE-SW向斷層復合。其中，平下段的砂巖上傾尖滅油氣藏儲量規模較大，平面疊合連片，且普遍發育異常高壓，是該區最重要的油氣藏類型。

2 異常高壓發育特征

關于異常壓力的劃分，前人提出了不同的劃分標準[15-16]，本文參考前人標準，并結合西湖凹陷的異常壓力實際發育特征，將壓力系數在0.98～1.2劃分為常壓，壓力系數＞1.2統稱為異常高壓。

2.1 剖面分布特征

（1）儲層超壓

通過對W構造6口井儲層的MDT及DST測壓資料統計（圖2），發現W構造的地層壓力及壓力系數并非隨深度的增大而增大，而是在垂向上出現異常壓力封存箱，在封存箱之下具有明顯的壓力反轉，地層壓力隨深度增大表現為常壓-超壓-常壓的變化特征。異常高壓開始出現的深度約為3 800 m，但不同井有所差異；超壓封存箱內的壓力系數主要分布在1.2～1.6之間。

圖2 西湖凹陷W構造MDT實測壓力及壓力系數Fig. 2 MDT measured pressure and pressure coefficient of W structure in Xihu Sag

（2）泥巖超壓

由于泥巖無實際測壓值，需要借助地球物理資料進行地層壓力的計算。泥巖地層壓力的預測方法可以概括為基于正常壓實趨勢的超壓預測方法和直接超壓計算方法[17]，主要包括平衡深度法、Dc指數法、Bowers法、Eaton法、地震反演法等，其中Eaton法參數相對容易獲取，并且對欠壓實成因以及生烴成因的超壓均適用。

Eaton法[18]是以有效應力方程為基礎，利用泥巖聲波時差來進行地層壓力的計算。地層孔隙壓力（Pp）計算公式如下：

式中：Pp為地層孔隙壓力，MPa；P0為上覆地層靜巖壓力，MPa；Ph為正常靜水壓力，MPa；Δtn為地震波在正常的泥巖中旅行時間，us/m；Δt0為實測的地震波在泥巖中旅行時間，us/m；N為Eaton指數；D為與泥巖壓實有關的常數；H為深度，m。

Eaton指數的確定是壓力計算的關鍵，該地區經過反復測試，當Eaton指數取3時，預測效果較好，該取值可能意味著欠壓實作用的貢獻較大[19]。通過計算，得到了該地區主要鉆井的泥巖地層壓力（圖3），結果表明超壓封存箱縱向上主要位于T33界面上下，W-2井、W-5井、W-7井主要分布在平下上段，W-6井分布在平下下段，W-3井分布在寶石組，均發育于泥巖集中段，封存箱厚度在250 m左右，封存箱之下發育正常壓力系統。

圖3 西湖凹陷W構造地層壓力剖面分布Fig. 3 Formation pressure profile distribution of W structure in Xihu Sag

同時，注意到不同井砂巖與泥巖的壓力系數并不一致，中塊及南塊鉆井基本表現為砂巖壓力系數與泥巖壓力系數相當，部分砂巖的壓力系數高于泥巖，而北塊表現為泥巖壓力系數高于砂巖，砂巖表現為常壓。

2.2 平面分布特征

W構造現今地層壓力平面分布（圖4）顯示砂巖地層壓力由低部位向高部位逐漸減小，W-2井和W-7井所在的洼陷中心部位壓力系數最大，達到1.5，至高部位的W-6井異常壓力逐漸消失，壓力系數小于1.2。泥巖的異常壓力范圍分布較廣，W構造的北塊、中塊和南塊均發育超壓。從超壓封存箱厚度來看，中塊厚度較大，可以達到550 m，南塊和北塊厚度在200 m左右。因此，W構造現今泥巖地層壓力系數較大，發育穩定的異常壓力封存箱。

圖4 西湖凹陷W構造地層壓力系數平面分布Fig. 4 Plane distribution of formation pressure coefficient in W structure of Xihu Sag

3 異常高壓成因

3.1 測井曲線組合分析法

Bowers[20]研究顯示聲波測井和電阻率測井主要反映巖石的傳導屬性，密度測井和中子測井則反映的是巖石的體積屬性。不均衡壓實產生的超壓在傳導屬性和體積屬性均有反映，而流體膨脹產生的超壓僅在傳導屬性上反映最好。

W構造W-2井的測井曲線組合（圖5）顯示異常壓力封存箱內聲波測井、密度測井、中子測井均有較為明顯的異常，封存箱內聲波時差和中子孔隙度明顯增大，密度曲線明顯減小，電阻率曲線無明顯增大或略有減小，體現了該井應以欠壓實成因為主。同時，各曲線發生同步反轉，而Bowers[21]認為聲波速度、電阻率、密度測井發生同步反轉，且密度、速度和電阻率在偏離其正常趨勢后繼續增加或保持恒定是不均衡壓實形成超壓的重要響應特征。

圖5 西湖凹陷W-2井測井曲線組合與超壓特征Fig. 5 Logging curve combination and overpressure characteristics of well W-2 in Xihu Sag

3.2 聲波速度-密度交會圖法

21世紀以來，根據聲波速度-密度關系區分超壓類型已取得了良好的效果[2]。Hoesni等[22]研究認為在密度-聲波速度交會圖上，欠壓實成因的超壓與正常壓力均落入加載曲線上，而流體膨脹產生的超壓，其聲波速度隨超壓增大而降低，但密度保持不變或變化較小。

從W構造的W-2井以及W-5井聲波速度-密度交會圖（圖6，圖版引自文獻[2]）可以看出，W-2井異常高壓泥巖的數據點大部分位于正常壓實趨勢線上，還有個別點位于流體膨脹趨勢線上，基于此判斷該井超壓機制主要為欠壓實成因，也有生烴增壓的影響。W-5井異常高壓泥巖的數據點多數脫離正常的壓實趨勢線，應以生烴增壓為主，同時也有欠壓實的影響。

圖6 西湖凹陷W-2井及W-5井的聲波速度-密度交會圖Fig. 6 Cross plot of acoustic velocity and density of well W-2 and well w-5 in Xihu Sag

針對W構造砂巖儲層的異常高壓形成機制，研究認為主要為傳遞增壓。首先，從W構造泥巖地層壓力計算值以及砂巖地層壓力實測值來看，泥巖的地層壓力通常與鄰近砂巖相當或略大，推測砂巖中的超壓可能主要來自鄰近泥巖的超壓傳遞，而W-2井P11層砂巖地層的異常壓力高于鄰近泥巖，且W-2井超壓封存箱內天然氣成熟度計算值Rc為1.6%，遠高于鄰近烴源巖的成熟度，推測油氣應該來自成熟度更高的三潭深凹。由于W構造低部位發育大型導油斷裂（F0斷層），高成熟油氣通過導油斷裂和滲透層充注到W-2井儲層中，同時伴隨著異常高壓的傳遞。

因此，針對W構造的異常高壓形成機制，綜合多種判別方法認為泥巖主要為欠壓實成因，也有生烴作用的影響；砂巖主要為傳遞增壓機制，并且有來自三潭深凹的超壓傳遞。

4 異常高壓對油氣成藏的影響

前人研究[23]顯示超壓對油氣的形成、運移、聚集、封蓋、成藏和分布都有積極影響，本次研究證實了超壓可以抑制有機質的成熟、異常壓力的發育，為孔隙保存提供了條件，以及超壓封存箱內可以形成規模的油氣富集。

4.1 超 壓 抑制 烴源 巖 干酪 根熱 降 解，拓寬 生油窗

從W構造W-4井烴源巖熱演化剖面（圖7）來看，在超壓封存箱內烴源巖的熱演化受到明顯的抑制作用，封存箱內最大熱解峰溫Tmax明顯減小，抑制率可達4.5%；鏡質體反射率Ro在封存箱內也偏離了正常的演化趨勢，抑制率達3%；同時在超壓封存箱內S1/S1+S2具有明顯增大的趨勢，表明烴源巖已生成的吸附烴含量較高，吸附烴的賦存反過來也證明了生烴增壓的存在。郝芳（2004）[5]針對超壓對生烴的影響進行過系統研究，提出了超壓對有機質演化和生烴抑制的4個層次，并認為富氫干酪根由于體積膨脹效應明顯更容易受到超壓的抑制，西湖凹陷煤及碳質泥巖為富氫干酪根、富含樹脂體等殼質組分以及富氫鏡質體，因此封存箱內受到較為明顯的抑制作用。基于烴源巖熱演化的抑制作用，使得生油窗得以拓寬，液態烴賦存的深度得以增加。

圖7 西湖凹陷W-4井烴源巖熱演化參數隨深度變化Fig. 7 Variation of thermal evolution parameters of source rock with depth in well W-4 of Xihu Sag

4.2 超壓抑制儲層壓實，促進膠結作用和溶蝕作用

在沉積物的快速沉積過程中，由于孔隙流體受阻不能完全驅散，地層流體會承擔一部分負荷，引起異常高壓，同時減緩了上覆巖體對巖石骨架的壓實作用，使得已形成的孔隙免受壓實破壞[24]。圖8a中巖石顆粒以線接觸為主，孔隙式膠結，表明已遭受了中度-較強的壓實，壓實作用是儲層物性變差的主要原因。壓實減孔率可以定量表征壓實強度，是指砂巖由壓實作用引起的孔隙度減少值與砂巖初始孔隙度的百分比[25]，W構造W-4井在異常壓力封存箱內發育高孔隙帶，計算的壓實減孔率（圖9）小于30%，而在封存箱上下的常壓帶壓實減孔率均大于50%，超壓帶內砂巖的壓實作用受到了明顯的抑制。

圖8 W-4井超壓儲層部分巖石薄片及掃描電鏡照片Fig. 8 Thin sections and SEM photos of some rocks in overpressure reservoir of well W-4

圖9 西湖凹陷W-4井儲層成巖相關參數隨深度變化Fig. 9 Variation of diagenetic parameters with depth in well W-4 of Xihu Depression

W構造的膠結物類型主要為碳酸鹽膠結和黏土礦物膠結，自生石英膠結物含量較低。

碳酸鹽礦物主要為含鐵方解石及含鐵白云石（圖8a～圖8d），黏土礦物主要為伊利石，其次為伊蒙混層以及高嶺石，不含蒙脫石（圖8c～圖8e）。從伊蒙混層中蒙脫石含量（S%）及伊利石相對含量可以初步判斷成巖期為中成巖A末期—中成巖B早期（圖10）。利用膠結減孔率可以對膠結強度進行表征，膠結減孔率為儲層中現今殘余膠結物體積率與膠結物溶蝕孔體積率之和占初始孔隙度的百分比值[6]，圖9可以看出W-4井在壓力封存箱內膠結強烈，膠結減孔率＞50%。其中，碳酸巖膠結物體積率（圖10）較大，從超壓帶向淺部常壓帶有降低的趨勢，黏土礦物也有類似的趨勢，但自生黏土礦物膠結帶的厚度要大于碳酸鹽的厚度，其在常壓帶仍保持較高的含量。石良（2015）[6]研究認為超壓帶泥巖排水并釋放

圖10 西湖凹陷W-4井儲層膠結物相關參數隨深度變化Fig. 10 Variation of related parameters of reservoir cement with depth in well W-4 of Xihu Sag

K+、Ca2+、Mg2+、CO32-等離子，孔隙水在壓差下向常壓帶泄流導致膠結物沉淀，隨著距離變大水中離子變少導致膠結作用減弱，同時黏土礦物由于對泥巖排出流體的依賴性較小導致了更大厚度的膠結。

異常高壓對溶蝕作用的影響主要通過控制從泥巖層釋放的富含有機酸的流體來實現[26]。W構造異常高壓封存箱內烴源巖已成熟，烴源巖排出帶有機酸和CO2的酸性水，然后與長石、巖屑等顆粒發生溶蝕，產生溶蝕增孔。薄片統計發現該構造儲層溶蝕作用較為強烈，溶蝕孔類型主要包括粒間溶孔、粒內溶孔以及鑄模孔（圖8f）。儲層溶蝕作用可以用溶蝕增孔率[7]來定量表征。溶蝕增孔率是指溶蝕作用增加的孔隙體積率占初始孔隙度的百分比。計算發現超壓封存箱內溶蝕增孔率較高（10%～20%）（圖9），且溶蝕增孔的變化趨勢與總孔隙度的變化相同，在常壓帶也有較高的溶蝕增孔，體現了富有機酸的流體向上泄流的現象。

4.3 超壓提供運移動力，超壓封存箱內可以形成大型巖性油氣藏

研究發現W構造本地烴源巖已經進入大量生油階段，已發現油藏的原油成熟度Rc約為1.0%，與鄰近泥巖的熱演化程度相近。超壓封存箱內生成的油氣在異常壓力的驅動下可以向上、下的輸導層排烴，完成初次排放[4]。而W構造超壓封存箱內儲層天然氣成熟度遠高于鄰近泥巖，天然氣主要是在超壓的驅動下從三潭深凹運移而來，斷層和連續性砂體構成了壓力傳遞的介質，這種超壓的排放機制稱為二次排放[4]，通過初次排放和二次排放可以使低超壓系統的有效圈閉通過幕式充注而成藏，超壓是油氣運移成藏的主要動力。

另外，由于超壓封存箱具有良好的頂部封蓋條件，只要滿足儲層向上傾方向尖滅就能形成有效圈閉，而封存箱內的P11層氣藏為典型的砂巖上傾尖滅型油氣藏，并且砂體分布范圍相對較廣，儲層伴隨著三潭深凹高成熟外源氣充注而形成高壓，而超壓形成了良好的儲層物性，成為了該地區油氣最富集的油氣藏（圖11）。而對于封存箱之下的泄壓帶和封存箱之上的常壓帶，缺乏廣泛的封存條件，可以沿著油氣運移路徑，尋找與構造背景復合的構造-巖性復合油氣藏。

圖11 W構造超壓封存箱油氣成藏模式Fig. 11 Hydrocarbon accumulation model of overpressure compartment in W structure

5 結論

（1）W構造發育超壓，儲層壓力系數最高1.5，向斜坡高部位逐漸降低，儲層超壓縱向上主要分布在平下段，平面上主要分布在中塊和南塊；根據Eaton法對泥巖的地層壓力進行了計算，并在此基礎上刻畫了超壓封存箱分布，認為W構造超壓封存箱全區分布，厚度主要分布在200～550 m。

（2）通過測井曲線綜合分析法和聲波速度-密度交會圖法綜合確定W構造泥巖異常高壓的成因主要為欠壓實，也有生烴增壓的貢獻。儲層超壓主要是傳遞增壓，存在三潭深凹超壓傳遞的現象。

（3）通過超壓封存箱內烴源巖熱演化、儲層成巖作用、油氣運聚的深入研究，認為超壓對該構造的成藏有積極影響：抑制烴源巖干酪根熱降解，拓寬生油窗；超壓抑制儲層壓實，促進膠結作用及溶蝕作用，形成高孔帶；超壓提供運移動力，超壓封存箱內可以形成大型巖性油氣藏。