東濮凹陷濮衛(wèi)地區(qū)古近系古地層壓力恢復(fù)

據(jù)統(tǒng)計，世界上已有180個沉積物盆地，其中勵磁體與油氣分布有關(guān)，約160個沉積物盆地是壓力場，這是控制油氣形成的重要因素之一。前人對異常高壓與油氣運(yùn)聚關(guān)系做了大量的研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]。杜栩等首次提出了5種與超壓有關(guān)的油氣成藏模式。J.M.Hunt探討了流體壓力封存箱與油氣的關(guān)系,W.G.Leach指出油氣最為集中的地方一般位于超壓頂面附近,Leach,Nashaat,Belonin和Slavin等研究發(fā)現(xiàn)油氣生產(chǎn)隨壓力的增大而下降,并且油氣產(chǎn)層均分布于一定的壓力梯度范圍內(nèi)。異常高壓控制著油氣的成藏過程和分布,壓力過渡帶和常壓帶是油氣藏聚集的有利場所。同時,很多學(xué)者注意到油氣運(yùn)移聚集成藏的幕式現(xiàn)象,由于深源超壓通過輸導(dǎo)層的能量傳遞,超壓系統(tǒng)內(nèi)的構(gòu)造高點是動態(tài)超壓盆地的重要流體釋放點。郝芳、趙靖舟等通過對流體的流動方式和流體所處的壓力狀態(tài)關(guān)系的研究,提出幕式成藏理論,論述了幕式成藏的重要性及其在油氣勘探中的意義。異常高壓的形成時間與油氣大規(guī)模的二次運(yùn)移時間有著緊密的聯(lián)系,在油氣成藏中起著關(guān)鍵的作用,但前人對異常高壓與油氣運(yùn)聚關(guān)系的研究,僅僅是從現(xiàn)今壓力特征出發(fā),較少涉及地層壓力演化定量研究。因此,筆者對東濮凹陷濮衛(wèi)地區(qū)地層壓力演化及其與油氣運(yùn)聚關(guān)系開展定量研究,對于分析油氣成藏的控制因素和該地區(qū)的油氣勘探都具有重要價值。1地質(zhì)及構(gòu)造背景濮衛(wèi)地區(qū)位于東濮凹陷中央隆起帶北部(圖1),北至文明寨地區(qū),南至文留地區(qū),西鄰馬寨、柳屯洼陷,東鄰濮城前梨園洼陷,主要包括衛(wèi)城、濮城兩個正向構(gòu)造單元和濮衛(wèi)洼陷一個負(fù)向構(gòu)造單元,走向近NNE向,勘探面積約為150km2。該區(qū)已發(fā)現(xiàn)衛(wèi)城油田、濮城油田、文明寨油田和古云集油田,探明原油儲量約2.13×108t,是東濮凹陷的重要油氣富集區(qū)。研究區(qū)構(gòu)造特征主要受衛(wèi)東—文東斷裂系和濮城—陳營斷裂系共同控制,兩組主干斷裂的差異活動使濮衛(wèi)地區(qū)總體上表現(xiàn)出“一洼兩隆”的構(gòu)造格局。該區(qū)構(gòu)造演化經(jīng)歷了箕狀斷陷(沙二沉積前)、雙斷洼陷(沙二—東營沉積期)和區(qū)域隆升剝蝕洼陷定型(東營抬升期—現(xiàn)今)3個發(fā)育階段。鉆遇的地層有古近系沙四段、沙三段、沙二段、沙一段和東營組,新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系平原組,其中沙三段按沉積特征可細(xì)分為沙三下、沙三中、沙三上3個亞段,地層厚度約1.5km。2壓力帶分布格局關(guān)于異常壓力分類,不同學(xué)者曾提出了多種方案。結(jié)合本區(qū)實際地層壓力特征,筆者采用壓力系數(shù)為0.9和1.1作為界限值,將地層壓力劃分為低壓(壓力系數(shù)小于0.9)、常壓(壓力系數(shù)為0.9~1.1)和超壓(壓力系數(shù)大于1.1)3種基本類型,縱向上常壓和超壓的混合帶稱為過渡帶(圖2)。統(tǒng)計結(jié)果表明,濮衛(wèi)地區(qū)在縱向上主要發(fā)育3種類型的壓力帶,即常壓帶、過渡帶和超壓帶。文明寨和古云集地區(qū)僅發(fā)育常壓帶,超壓不發(fā)育;衛(wèi)城、濮城地區(qū)縱向上從上向下依次發(fā)育常壓帶、過渡帶和超壓帶。衛(wèi)城地區(qū)常壓帶主要分布于2.9km之上,過渡帶主要分布于2.9~3.42km,超壓帶主要分布于3.42km之下;濮城地區(qū)常壓帶主要分布于3.19km之上,過渡帶主要分布于3.19~3.61km,超壓帶主要分布于3.61km之下。從層位上看,衛(wèi)城地區(qū)超壓帶主要分布于沙三下亞段及其下部地層,濮城地區(qū)超壓帶主要分布于沙三中亞段及其下部地層。這種壓力帶的分布格局與該區(qū)構(gòu)造特征和封蓋條件密切相關(guān),主要表現(xiàn)為文明寨和古云集地區(qū)構(gòu)造位置較高,且斷裂體系相對發(fā)育,異常壓力保存條件差;衛(wèi)城、濮城地區(qū)沙三段存在鹽巖和泥巖封蓋,同時造成斷裂垂向封閉性增強(qiáng),從而下部保存了異常高壓;二者異常高壓發(fā)育深度和層位上的差異主要是由于衛(wèi)城下部地層抬升幅度較大。3地震速度和地震波的計算目前,現(xiàn)今地層壓力的研究方法主要有3種,即實測地層壓力法、測井資料計算法和地震速度計算法;關(guān)于古壓力的恢復(fù),主要有流體包裹體法、盆地模擬法,或者依據(jù)黏土礦物的轉(zhuǎn)變、泥巖聲波時差、地震波速度等可以推算出古地層壓力。盆地模擬法作為一種新興的技術(shù)手段,可以實現(xiàn)對現(xiàn)今地層壓力的模擬和對古地層壓力的恢復(fù)。3.1單井模擬對比應(yīng)用盆地模擬法對古地層壓力進(jìn)行恢復(fù)主要是通過回剝的方法把某一地層現(xiàn)今的厚度和地層壓力恢復(fù)到沉積時或埋藏中途某一時刻的厚度和壓力。它的基本假設(shè)是:在整個盆地的發(fā)育過程中,理想地認(rèn)為巖石顆粒體積保持不變(巖石的壓縮系數(shù)較小)。模擬時使用的壓實方法是機(jī)械壓實方法,計算壓力使用的是回剝模型。盆地演化過程中,隨上覆巖層的增加,地層的孔隙度和厚度減小,其中地層厚度的變化主要通過孔隙流體體積及孔隙度的變化來實現(xiàn)。此方法的關(guān)鍵是建立比較準(zhǔn)確的孔隙度壓實趨勢線,考慮砂巖和泥巖孔隙度隨深度的變化趨勢存在差異,通過測井解釋計算泥巖孔隙度和巖心實測砂巖孔隙度,分別建立了本區(qū)泥巖和砂巖的孔隙度壓實趨勢線(圖3),即φ=64.654exp(-0.0007h)(泥巖)和φ=47.752exp(-0.0005h)(砂巖)。本次模擬按Q~Nm,Ng,Ed,Es1,Es2,Es3上,Es3中,Es3下,Es4分別統(tǒng)計66口井(包括11口人工井)的地層厚度、剝蝕厚度和巖類百分比等,按照規(guī)范要求錄入盆地模擬所需要的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)和參數(shù),模擬單井壓力演化曲線。綜合單井模擬結(jié)果進(jìn)行平面和剖面壓力體系的分析,最后對全區(qū)地層壓力演化史開展研究。3.2模擬結(jié)果分析3.2.1相對誤差模擬結(jié)果可靠是該方法應(yīng)用的前提。從表1可以看出,模擬地層壓力和模擬地層壓力系數(shù)相對于實測值的絕對誤差分別為0.1~2.29MPa和0.01~0.1,相對誤差分別為0.3%~7.9%和0.2%~8.9%,均在可信范圍之內(nèi)。在平面上,根據(jù)模擬地層壓力和壓力系數(shù)做出的平面分布與根據(jù)實測值做出的平面分布具有一致的變化規(guī)律,在南部由于鹽巖相對發(fā)育,使得實測值略大于模擬值,但在可控范圍之內(nèi)(圖4)。3.2.2層壓發(fā)育的平坦分布(1)異常壓力分析濮衛(wèi)地區(qū)沙三段和沙四段地層壓力分布與沉積相帶、埋深密切相關(guān)。從沙三上亞段至沙四段,壓力呈逐漸增大的趨勢,但各層段地層壓力分布具有相似的變化規(guī)律:R3井與衛(wèi)67井之間的洼陷區(qū)和戶部寨地區(qū)地層壓力高,為異常高壓帶;對應(yīng)于文明寨—衛(wèi)城構(gòu)造帶和濮城構(gòu)造帶的兩個北東向的斜坡帶為壓力過渡帶,壓力等值線密集;文明寨—古云集和衛(wèi)城構(gòu)造的主體地層壓力低,為常壓帶,濮城構(gòu)造主體的地層壓力低(圖5(a))。綜上所述,凹陷深洼區(qū)的地層壓力值最大,異常壓力相對發(fā)育。向洼陷邊緣和構(gòu)造高部位,隨泥巖減少、砂巖增加及斷層的切割,壓力降低,異常壓力逐漸減小直至消失。戶部寨地區(qū)由于鹽巖較為發(fā)育,形成局部異常壓力高值區(qū)。(2)館陶期地層壓力分布東營沉積末期,受東營運(yùn)動影響,全區(qū)構(gòu)造整體抬升,地層遭受剝蝕,并沉積了館陶組地層,館陶期地層壓力分布基本反映了東營剝蝕末期的地層壓力特征(圖5(b))。雖然其壓力分布同樣具有洼陷區(qū)高、隆起區(qū)低的特點,但該時期地層壓力和異常高壓的分布范圍明顯小于東營沉積末期,除洼陷和戶部寨等局部地區(qū)發(fā)育異常高壓外,全區(qū)大部分為正常壓力。(3)沙分段沙段上覆地層壓力特征館陶末期至現(xiàn)今為穩(wěn)定沉降,構(gòu)造運(yùn)動減弱,地層壓力特征(圖4(b))與館陶末期非常相似,不同之處在于現(xiàn)今沙三段和沙四段上覆地層厚度較大,造成其地層壓力和異常壓力值高于館陶期,但仍小于東營沉積末期。3.2.3上洼陷中心異常壓力在單井模擬的基礎(chǔ)上,建立了典型異常壓力剖面。結(jié)果表明:縱向上各時期在沙三段均發(fā)育有較大程度的異常高壓,向上向下異常幅度逐漸降低;橫向上洼陷中心異常壓力最大,表現(xiàn)為弱超壓—超壓;衛(wèi)城主體、文明寨地區(qū)壓力系數(shù)接近于1,主要為常壓;濮城主體剩余壓力略大于衛(wèi)城地區(qū),表現(xiàn)為弱超壓。這與各個時期地層壓力的平面分布規(guī)律相一致。3.2.4初始構(gòu)造期3232ma從沙三中亞段的剩余壓力和壓力系數(shù)演化圖(圖6(a))可以看出,濮141、衛(wèi)83、衛(wèi)1、濮45井的剩余壓力在演化過程中均經(jīng)歷了低—高—低—高的變化趨勢。該區(qū)剩余壓力在沙三上亞段—東營組沉積時期,剩余壓力逐漸增大,至東營組沉積末(27Ma)達(dá)到最大值,隨后剩余壓力逐漸降低,至東營組剝蝕末期(17Ma)剩余壓力降低到最低值,館陶組沉積期開始至現(xiàn)今剩余壓力又逐漸增大。從成因上看,該區(qū)自沙三中亞段沉積開始,由于埋藏深度的不斷增加和烴類的逐漸生成,地層壓力逐漸增大,特別是由于東營運(yùn)動初期的構(gòu)造抬升,導(dǎo)致異常壓力急劇增加,至東營沉積末(27Ma左右)達(dá)到最大值。東營運(yùn)動時期,由于強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升,導(dǎo)致本區(qū)已有的斷層活動性增強(qiáng),為異常壓力的釋放提供了條件;東營運(yùn)動之后,上覆地層厚度又逐漸增加,封閉系統(tǒng)重新形成,壓力再次逐漸增大,并形成了現(xiàn)今的超壓分布格局,但超壓幅度比東營運(yùn)動前要低得多。根據(jù)剩余地層壓力和壓力系數(shù)隨時間的變化,可以判斷該區(qū)沙四段和沙三段超壓的發(fā)育和演化經(jīng)歷了超壓原始積累(41~27Ma)、超壓釋放(27~17Ma)和超壓重新形成(17Ma~現(xiàn)今)3個階段。4成藏期異常地層壓力運(yùn)移規(guī)律通過構(gòu)造演化史、生排烴史、飽和壓力和流體包裹體等對成藏期的綜合分析,認(rèn)為濮衛(wèi)地區(qū)油氣成藏期為古近紀(jì)東營沉積末期和新近紀(jì)末—第四紀(jì),其中古近紀(jì)東營沉積末期為主要成藏期。從異常地層壓力演化史可以看出,東營沉積末期異常高壓達(dá)到最大,現(xiàn)今異常高壓次之,這與油氣成藏時間匹配關(guān)系好。成藏期的油氣運(yùn)聚特征在很大程度上決定了現(xiàn)今的油氣分布格局,異常高壓則是研究區(qū)油氣運(yùn)移的主要動力,它控制了油氣的運(yùn)移方向,因此可以通過研究成藏期異常高壓與油氣分布的關(guān)系,結(jié)合輸導(dǎo)體系來分析油氣的成藏過程。以沙三中亞段為例,在東營沉積末期該亞段烴源巖處于成熟生油階段,根據(jù)洼陷區(qū)和斜坡帶的巖心觀察及欠壓實特征分析發(fā)現(xiàn),該亞段鹽巖、泥巖及泥巖、砂巖互層現(xiàn)象明顯。泥巖和砂巖互層段泥巖層剩余壓力要明顯大于砂巖層,二者壓力差為油氣初次運(yùn)移創(chuàng)造了優(yōu)越的動力條件。鹽巖與泥巖互層段鹽巖層為封隔層,這在一定程度上增加了泥巖層的剩余壓力,從而在鹽巖泥巖砂巖過渡帶,泥巖向砂巖運(yùn)移的動力條件更加充分。從輸導(dǎo)條件來看,沙三中亞段砂體相對比較發(fā)育,從洼陷中心向洼陷邊緣存在連續(xù)的砂體分布,并且砂體厚度向邊緣逐漸增厚。東營末期構(gòu)造抬升之前,衛(wèi)東斷層和濮31斷層長期活動,衛(wèi)西斷層、衛(wèi)東伴生斷層和濮67斷層等則具有封閉性;東營末期抬升后,所有斷層均封閉。成藏期異常地層壓力在平面和剖面上的分布具有洼陷區(qū)高、邊緣區(qū)低的特點,這為洼陷生成的油氣向洼陷邊緣運(yùn)移提供了良好的動力條件。目前該區(qū)在濮城、濮城南地區(qū)和衛(wèi)42塊、衛(wèi)43塊等壓力過渡帶以及衛(wèi)城地壘和文明寨-古云集地區(qū)等常壓帶均已發(fā)現(xiàn)油氣藏(圖7)。從剖面上看,已發(fā)現(xiàn)油氣藏主要分布于衛(wèi)城和濮城兩個斷裂構(gòu)造帶,下部為壓力過渡帶,上部為常壓帶(圖8),其中在洼陷內(nèi)部也發(fā)育有異常壓力較大的油氣藏,如鉆探證實的衛(wèi)355井和衛(wèi)48井沙三段油氣藏,但由于相對洼陷中心其異常幅度較低,也視為壓力過渡帶油氣藏。一般認(rèn)為只要存在壓力差,油氣便可發(fā)生運(yùn)移,但本區(qū)部分?jǐn)鄬臃忾],其兩側(cè)雖然具有一定的壓力差,油氣仍不能運(yùn)移,導(dǎo)致部分油氣在下部高壓區(qū)發(fā)生聚集,形成壓力過渡帶的油氣藏。分析濮城構(gòu)造帶流體性質(zhì)發(fā)現(xiàn),各含油層系流體性質(zhì)縱向上變化不明顯,而且中淺層地層水出現(xiàn)高礦化度異常,推斷該構(gòu)造帶油氣具有幕式活動的特征。這種幕式活動主要發(fā)生于油氣充注期和構(gòu)造抬升期,在充注期和抬升期下部異常流體壓力增大到一定程度導(dǎo)致封閉斷層開啟,從而發(fā)生幕式充注。對于長期活動的斷層,可以為超壓帶和常壓帶提供很好的釋放通道,只要存在壓力差,油氣便可向低壓區(qū)運(yùn)移,此過程伴隨著整個排烴過程。因此,本區(qū)常壓帶油氣藏是沿活動斷層長期運(yùn)移和沿封閉斷層幕式運(yùn)移的結(jié)果。由異常壓力發(fā)育與油氣充注時期的關(guān)系分析可知(圖8),第一次生烴期間(東營沉積末期),東營沉積末期強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升,經(jīng)歷了大約10Ma,全區(qū)剝蝕厚度均在1.0km以上,此時封閉斷層全部開啟,發(fā)生幕式充注,過渡帶油氣及高壓帶烴源巖內(nèi)部油氣大量排出,殘留較少。之后隨著上覆巖層的增加斷層全部封閉,下部烴源巖發(fā)生第二次生烴過程(新近紀(jì)末—第四紀(jì)),異常高壓也逐漸增加,但由于超壓幅度不大,不足以發(fā)生幕式充注,因此常壓帶油氣藏具有早期成藏的特點。東營抬升期的幕式充注之后,所有斷層封閉,且下部基本表現(xiàn)為常壓,所以,發(fā)生第二次生烴作用時受斷層封堵作用,壓力過渡帶圈閉開始逐漸充注油氣,下部的壓力過渡帶油氣藏就是在最后一次幕式充注后逐漸形成的。所以常壓帶油氣藏主要為早期成藏,過渡帶油氣藏主要為晚期成藏。5壓力發(fā)育和演化特征(1)濮衛(wèi)地區(qū)現(xiàn)今地層壓力和古地層壓力在平面和剖面上具有相似的分布規(guī)律,即洼陷區(qū)為超壓帶,向衛(wèi)城、文明寨-古云集和濮城構(gòu)造帶方向,逐漸變化為壓力過渡帶和常壓帶,戶部寨地區(qū)由于鹽巖較為發(fā)育,局部發(fā)育超壓帶。不同時期超壓分布范圍存在差異,以Ed末最大。(2)濮衛(wèi)地區(qū)沙四段和沙三段地層壓力的發(fā)育和演化經(jīng)歷了超壓原始積累(41~27Ma)、超壓釋放(27~17Ma)和超壓重新形成(17