渤海灣盆地渤中凹陷古近系地層超壓成因及測井響應特征

何 玉，周 星，李少軒，丁洪波

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

0 引言

全球主要含油氣盆地普遍存在超壓現象，在中國的一些含油氣盆地中，已發現29 個具有超壓發育，其中海域8 個，渤海是其中之一［1］。渤海灣盆地渤中凹陷古近系不僅是渤海海域主要油氣勘探層系之一［2］，也是地層超壓主要發育區域之一［3］。由于海上鉆井資料少，超壓成因分類不明確，測井響應特征不清楚，導致該區鉆前超壓預測精度較低，鉆探實踐中時有發生與地層超壓有關的鉆井事故，不僅影響勘探成效，也造成相當大的經濟損失。對于渤中凹陷地層超壓的研究多集中在地層超壓對油氣成藏的影響。石良等［4］根據巖心和薄片資料，定量分析渤海灣盆地渤中凹陷西北次凹異常高壓對古近系東營組儲集層壓實和膠結作用的影響；郝芳等［5］認為超壓對有機質熱演化的抑制作用使沙河街組源巖生、排烴滯后，從而使沙河街組和東營組在晚期同時保持在較有利的生、排油階段，這是渤中坳陷油氣資源豐富和油氣晚期快速成藏的物質基礎。Peter 等［6］認為超壓成因是地層壓力研究過程中最基本也是最復雜的問題；Tang 等［7］認為不同成因超壓測井響應特征是鉆前超壓預測模型選取及精確預測的前提。Webster［8］，Luo 等［9］認為沉積盆地超壓成因主要有不均衡壓實作用，流體膨脹作用，礦物成巖作用和構造擠壓作用。Ⅴernik 等［10］認為不均衡壓實及流體膨脹是可以獨立形成大規模超壓的主要增壓機制，其中不均衡壓實作用所引起的低速度異常是該類型超壓鉆前預測的基礎。對于該區不同層段超壓成因分類，特別是不同成因超壓測井響應特征研究較少。

以渤海灣盆地渤中凹陷典型超壓井為目標，基于測壓、測井、地球化學等資料，開展超壓成因分類及其測井響應特征分析，應用和完善基于三級篩選識別超壓成因的方法，梳理不同成因超壓的測井響應特征，以期總結區域超壓成因垂橫向分布特征，為該區鉆前超壓預測提供宏觀地質指導。

1 地質概況

渤中凹陷位于渤海灣盆地中部，面積約9 000 km2（圖1），主要發育新生界地層，沉積厚度大，自下而上依次為古近系孔店組、沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組及第四系平原組，本文研究層段為古近系東營組東二上段、東二下段、東三段以及沙河街組沙一二段和沙三段。

通過對該區36 口鉆遇古近系地層已鉆井測壓點進行統計分析可知，東二上段測壓系數1.07，東二下段為1.65，東三段為1.70，沙一二段為1.79，沙三段為1.60（表1）。各層段主要為多期扇三角洲—辮狀河三角洲砂體和湖相泥巖的旋回沉積［11-12］，以杜栩等［13］提出的地層壓力劃分標準，東二下段至沙三段均發育有異常超壓。結合渤中凹陷實測地層壓力統計，定義壓力系數1.00～1.20為壓力過渡帶，壓力系數1.20～1.40 為弱超壓，大于1.40 為強超壓。

表1 渤海灣盆地渤中凹陷古近系典型井地層超壓統計Table 1 Measured overpressure of Paleogene strata of typical wells in Bozhong Sag，Bohai Bay Basin

2 地層壓力特征

根據渤海灣盆地渤中凹陷36口鉆遇古近系探井546 個實測壓力點分布特征統計，該區以3 200 m 為分界面，縱向上為典型的2 層結構（圖2），其上為正常壓力帶，其下為超壓帶，超壓帶內部超壓幅度差異較大且與深度無明顯對應關系，反映渤中凹陷不同區域受沉積體系及構造運動等多重因素的影響，超壓非均質性強［5］。就各層段實測壓力而言，東二上段全部為正常地層壓力，東二下段可劃分為2 個壓力帶，3 200 m以上發育正常壓力，3 200 m以下發育超壓，證實渤中凹陷超壓起始于東二下段，且超壓幅度隨深度增加而增大。東三段整體上以正常壓力為主，這主要是由于鉆遇東三段有測壓點的探井多位于凸起邊界斷層下降盤，遠離深部凹陷帶，且少數凹陷帶探井以厚層泥巖分布為主，缺乏實測壓力數據，故該數據并不能反映渤中凹陷東三段地層壓力發育特征。沙一二段整體上以超壓為主，測壓系數最大可達1.79，最小僅為1.11，反映不同區域沙一二段超壓幅度存在較大差異。沙三段以超壓為主，測壓系數最大1.60，最小1.34，平均1.50，是研究區古近系平均實測超壓幅度最大的一個層段，但超壓幅度差異小于沙一二段。

3 超壓成因及分布特征

沉積盆地的超壓形成機制有很多種，其中欠壓實作用及流體膨脹是可以獨立形成大規模強幅度超壓的2 種主要機制［14-16］。欠壓實成因超壓一般是由于低滲透細粒沉積物的快速沉積，導致孔隙中的流體未能及時排出，從而阻止巖石被壓實。流體膨脹成因的超壓主要包括烴類生成、超壓流體的充注傳導、黏土礦物脫水、水熱增壓等［17-19］。欠壓實及有機質生烴成因超壓多發育在富含泥質沉積的厚層泥巖中，均屬于自源型超壓［20］。

垂直有效應力反映的是構成巖石骨架的顆粒所承受的垂向載荷，基于一維壓實模型的Terzaghi有效應力定理認為，上覆巖層壓力等于地層孔隙壓力加上垂直有效應力［21］。在無較強構造擠壓背景下，壓實作用與垂直有效應力有著緊密的聯系［22-23］。正常地層壓力狀況下，隨著地層埋藏深度的增加，骨架所受垂直有效應力及速度均隨之有規律地增大，稱之為加載過程，但在泥巖段出現欠壓實的情況下，由于地層孔隙度不發生變化，其垂直有效應力也不會發生變化。因此，在速度-垂直有效應力交會圖中（圖3），不論是正常壓力點還是欠壓實形成的超壓點均符合加載曲線，而流體膨脹成因超壓會導致骨架所受垂直有效應力的減小，稱其為卸載過程，可以利用該方法識別超壓成因。

本文應用和完善了沈章洪［3］提出的渤海古近系超壓成因分類的方法。具體步驟為：①基于典型超壓井測井、測壓數據建立全井段地層壓力曲線，劃分垂向超壓帶。②利用正常壓力點的速度及垂直有效應力作交會圖，把超壓點的數據投在圖中，欠壓實超壓成因的點分布在加載曲線上，有機質生烴及流體傳導等流體膨脹成因超壓點則偏離加載曲線。③結合烴源巖發育層段及鏡質體反射率指標，篩選出有機質生烴成因超壓，并將不具備欠壓實、有機質生烴等自源型超壓形成條件的超壓流體封存箱歸入流體傳導成因超壓。

3.1 欠壓實

以渤中凹陷QHD36-A-1 井為例，該井井深為3 970 m，鉆至沙四段。由泥巖聲波速度結合實測地層壓力、巖性、鏡質體反射率（Ro）等資料建立地層壓力綜合剖面圖（圖4）可知，其超壓段起始于東二下段3 300 m，壓力過渡帶范圍較窄，東三段及沙河街組廣泛發育超壓，最大壓力系數達到1.50。超壓帶內部又可劃分為3 個強超壓帶（東三段中下部、沙一段下部及沙三段）和3 個弱超壓帶（東三段上部、沙一段上部及沙二段）。強超壓帶聲波速度明顯小于正常壓實速度，對應于純質厚層泥巖，沙一二段弱超壓帶聲波速度略小于正常壓實速度，儲集層壓力系數為1.20～1.23。

東三段是該井超壓發育幅度最大的層段，超壓段純質厚層泥巖無論是聲波速度還是密度，在近360 m 的厚度范圍內基本保持不變，欠壓實特征非常明顯。因為聲波速度基本不變，其垂直有效應力也不發生變化，東三段壓力曲線表現為平行于上覆巖層壓力線，同時鏡質體反射率小于0.70%，未達到大量生烴階段也是該井東三段地層超壓為欠壓實成因的有力佐證。

從QHD36-A-1 井速度-垂直有效應力交會圖（圖5）可知，沙河街組實測超壓點與正常壓實加載曲線重合，為典型欠壓實成因超壓。

3.2 有機質生烴

研究區CFD23-A-1 井深度為3 781.5 m，鉆至中生界潛山，從地層壓力綜合剖面圖（圖6）可以看出，超壓起始于東二下段3 014 m，壓力過渡帶范圍較窄，東三段及沙河街組廣泛發育超壓，最大壓力系數達到1.95。超壓帶內部又可劃分為1 個強超壓帶（東三段至潛山頂面）及1 個弱超壓帶（東二下段下部），壓力結構較為單一，表現為東二下段異常幅度逐漸增加，至沙三中段中部達到最大，至潛山頂面開始回落。沙一二段地層巖性為厚層泥巖夾薄層白云巖，下伏沙三中段鏡質體反射率大于1.00%，達到大量生烴階段。因生烴造成超壓幅度進一步增加，導致垂直有效應力減小，其孔隙壓力曲線表現出隨深度增加逐漸和上覆巖層壓力線相交的趨勢。東三段鏡質體反射率小于0.70%，超壓成因主要為欠壓實。

從該井速度-垂直有效應力交會圖（圖7）可看出，沙一二段實測超壓點偏離正常壓實加載曲線，超壓成因為非欠壓實。因沙一二段已具備大量生烴的條件，綜合分析認為其超壓類型為有機質生烴成因。

3.3 流體傳導

研究區BZ19-A-1 井深度為4 180 m，鉆至太古界潛山，從該井地層壓力綜合剖面圖（圖8）可看出，超壓起始于東二下段3 170 m，壓力過渡帶范圍較窄，東三段、沙河街組及孔店組廣泛發育超壓，最大壓力系數達到1.65。超壓帶內部又可劃分為1 個強超壓帶（東三段及沙河街組）和2 個弱超壓帶（東二下段下部及孔店組），地層壓力縱向表現為東二下段異常幅度逐漸增加，至沙河街組底部達到最大，至孔店組開始回落。沙河街組巖性為厚層泥巖夾薄層砂巖，鏡質體反射率大于0.70%，熱解分析為極好烴源巖，已達到大量生烴階段。孔店組為大套厚層砂礫巖，測井解釋為凝析氣層。因為大套厚層砂礫巖不具備欠壓實和有機質生烴等自源型超壓生成的條件，且在超壓流體封存箱內符合同一壓力系統的特征，其超壓為鄰近烴源巖生成油氣傳導至儲集體所形成。

從該井速度-垂直有效應力交會圖（圖9）可知，無論是沙河街組還是孔店組實測超壓點均偏離正常壓實加載曲線，為典型非欠壓實成因超壓，其中沙河街組為有機質生烴成因，孔店組為流體傳導成因。

3.4 超壓成因垂橫向分布特征

結合渤中凹陷36口典型井的超壓成因分析，總結區域超壓成因垂向分布特征（圖10），東二下段下部及東三段超壓主要為欠壓實成因，沙河街組是區內主力烴源巖發育層［24-27］，超壓主要為有機質生烴成因，而直接與烴源巖接觸的儲集體（多為湖底扇等受重力流控制的沉積體）超壓為鄰近超壓源傳遞形成的流體傳導成因超壓。整體上隨地層年代變老，超壓成因由欠壓實向有機質生烴、流體傳導等非欠壓實成因變化［28-29］。

結合典型井不同層段超壓成因分析及前人對于該區湖底扇及成熟烴源巖平面分布特征研究［30-33］，總結渤中凹陷東二下段至沙三段有機質生烴、流體傳導等非欠壓實成因超壓平面分布特征（圖11）：東二下段不發育有機質生烴成因超壓，僅有部分零星分布的湖底扇為流體傳導成因超壓；東三段主要在凹陷中部及東北部發育有機質生烴成因超壓；沙一二段及沙三段有機質生烴成因超壓平面分布范圍進一步擴大，整體上表現為隨地層年代變老，有機質生烴、流體傳導成因超壓平面分布范圍逐漸變大的趨勢。

4 測井響應特征

根據上述典型超壓井成因的分析，結合其地層壓力綜合剖面，總結了渤海灣盆地渤中凹陷3 種成因超壓的測井響應特征。

欠壓實成因超壓：典型段如QHD36-A-1 井東二下段下部及東三段，該段深度為3 250～3 600 m，發育厚層欠壓實純質泥巖，聲波速度為3 17 0 m/s，密度為2.48 g/cm3，小于正常壓實密度2.61 g/cm3，地層孔隙壓力為45.3～53.3 MPa，上覆巖層壓力為69.2～77.2 MPa，垂直有效應力（上覆巖層壓力減去地層孔隙壓力）為23.9 MPa（參見圖4）。整體而言具有如下特征：①一般對應較厚的純質泥巖段，聲波速度變化小或基本不變；②密度小于同一深度正常壓實情況下的密度，且基本保持不變；③垂直有效應力不發生變化，地層壓力變化趨勢線基本平行于上覆巖層壓力線；④鏡質體反射率一般小于0.70%，未達到大量生烴指標（圖12）。

有機質生烴成因超壓：典型段如CFD23-A-1 井沙河街組3 300～3 500 m 厚層泥巖，聲波速度由2 500m/s增大至2 800 m/s，小于正常壓實速度3 850 m/s，密度由2.38 g/cm3增大至2.46 g/cm3，小于正常壓實密度2.59 g/cm3，地層孔隙壓力為53.0～66.2 MPa，上覆巖層壓力為69.4～73.1 MPa，垂直有效應力由16.4 MPa 降低至6.9 MPa，在3 500 m 處壓力系數最大為1.92，鏡質體反射率最大為0.97%（參見圖6）。整體而言具有如下特征：①一般對應于較厚的純質泥巖段，聲波速度低于正常壓實速度，但隨深度增加略有增大；②密度變化與速度變化趨勢基本相同；③垂直有效應力變小，地層壓力曲線隨著深度增加逐漸逼近上覆巖層壓力線；④鏡質體反射率大于0.70%，已達到大量生烴指標，超壓極大值與鏡質體反射率極大值具有較好對應關系（圖13）。

流體傳導超壓：典型段有BZ19-A-1 井孔店組3 570～3 900 m 砂礫巖，不具備欠壓實及生烴等自源型超壓形成條件，聲波速度為4 280～5 200 m/s，大于正常壓實速度4 250 m/s，密度為2.58～2.63 g/cm3，大于正常壓實密度2.57 g/cm3，地層孔隙壓力由46.0 MPa 隨深度增加線性增加至47.1 MPa，上覆沙河街組3 430～3 570 m 厚層泥巖鏡質體反射率為0.73%～0.80%，已具備大量生烴并向下伏孔店組砂礫巖傳遞超壓的條件（參見圖8）。整體而言具有如下特征：①一般對應于不具備欠壓實、有機質生烴等自源型超壓生成條件的超壓流體封存箱；②測井聲波速度及密度均表現為正常壓實或過壓實特征；③實測壓力縱向上隨深度增大線性增加，表現為同一壓力系統的特征；④上覆地層為生烴成因的超壓泥巖，鏡質體反射率大于0.70%，既是烴源巖，也是超壓供給源（圖14）。

5 結論

（1）渤海灣盆地渤中凹陷古近系實測超壓起始于東二下段，起始深度為3 200 m，超壓發育帶內部超壓幅度差異較大且與深度無明顯對應關系，沙三段是該區古近系平均實測超壓幅度最大的層段。

（2）渤海灣盆地渤中凹陷超壓成因有3 種：欠壓實、有機質生烴及流體傳導。東二下段下部及東三段超壓主要為欠壓實成因，沙河街組超壓主要為有機質生烴成因，不具備欠壓實、有機質生烴等自源型超壓生成條件的超壓流體封存箱為鄰近烴源巖生成油氣傳導形成。垂向上隨地層年代變老，超壓成因由欠壓實向有機質生烴、流體傳導成因變化，平面上隨地層年代變老，有機質生烴、流體傳導成因超壓平面分布范圍變大。

（3）渤中凹陷欠壓實、有機質生烴、流體傳導3種成因超壓具有不同的測井響應特征：欠壓實成因超壓地層聲波速度變化小或基本不變，密度小于同一深度正常壓實情況下的密度，基本保持不變；有機質生烴超壓地層的聲波速度低于正常壓實速度，隨深度增加略有增大，密度變化與速度變化趨勢基本相同；流體傳導成因超壓地層的聲波速度及密度均表現為正常壓實趨勢。可直接依據測井響應特征實現超壓成因的快速識別，指導鉆前超壓預測。