鶯歌海盆地超壓特征及成因分析

靜水柱產生的壓力是靜水壓。地層中孔隙流體的壓力(地層壓力)大于靜水壓力為超壓。超壓地層中孔隙流體壓力與靜水壓力的差值為超壓值,也稱剩余壓力。超壓地層中孔隙流體壓力與靜水壓力的比值為壓力系數。鶯歌海盆地是南海北部大陸架的新生代沉積盆地之一,盆地面積12萬km2,新生代最大沉積厚度超過10000m。我國目前在鶯歌海盆地的油氣勘探區(qū)域大致為東經107°以東、北緯17°-20°,即臨高隆起帶及其以南和中央凹陷中軸線以東的海域,勘探區(qū)海域面積約3.9萬km2,水深<200m。目前鶯歌海盆地有78口鉆井,已有一系列的氣藏或含氣構造被發(fā)現1。來自中新世、上新世和第四紀的砂巖儲層探明天然氣儲量超過200億m3。鉆探的過程中,在鶯歌海盆地發(fā)現了異常高的地層壓力。研究認為異常高壓控制著天然氣的成藏過程及分布。油氣在壓力梯度作用下總是由超壓帶向過渡帶及常壓帶運移。然而前人對鶯歌海盆地超壓與油氣運聚關系的研究,往往是現今壓力特征與油氣分布關系的研究,而大量排氣期至今盆地很少有構造運動,早期聚集在巖性圈閉或構造巖性圈閉中的天然氣經過的調整規(guī)模小,古地層壓力特征往往控制著天然氣的聚集和分布。因此,筆者不僅利用大量測井和地震資料預測了現今地層壓力的分布,而且預測了大量排氣期盆地古地層壓力的平面分布特征。對鶯歌海盆地壓力演化的研究,有助于了解天然氣成藏的控制因素,對盆地的天然氣勘探具有重要的意義。1下地層及儲層鶯歌海盆地在中國境內可分為4部分:北部臨高隆起帶、中部東方區(qū)(包括東方氣藏/含氣構造群及鄰近地區(qū))、南部樂東區(qū)(包括樂東氣藏/含氣構造群及鄰近地區(qū))和東部鶯東斜坡帶(圖1和圖2)。漸新世至今,盆地可能經歷了漸新世—早中新世的左旋運動階段、晚中新世過渡階段和上新世—第四紀右旋運動階段。盆地基底為花崗巖、變質巖和凝灰?guī)r,其上依次發(fā)育始新統(tǒng)的嶺頭組,漸新統(tǒng)的崖城組和陵水組,中新統(tǒng)的三亞組、梅山組和黃流組,上新統(tǒng)的鶯歌海組,以及第四系的樂東組1(圖3)。其中,始新統(tǒng)的嶺頭組和漸新統(tǒng)的崖城組未鉆遇,只能從地震剖面上識別。梅山組淺海一半深海沉積的泥巖是本區(qū)主要的烴源巖,烴源巖分布范圍見圖2。烴源巖干酪根為Ⅲ型,有機碳(TOC)質量分數平均值為0.87%,最大值為3.17%,以生氣為主,在1.9Ma達到生氣高峰期。黃流組、鶯歌海組和樂東組的三角洲、濱岸和淺海砂巖均可作為儲層。其中,黃流組砂巖儲層分布面積最大(圖2),為盆地內最重要的儲層。砂巖儲層均以原生孔隙為主(63.0%～80.4%),次生孔隙僅占總孔隙的19.6%～37.0%。由盆地邊緣到盆地中心,巖性由含礫砂巖變?yōu)榧毞凵皫r,泥巖含量也明顯增加。盆地邊緣儲層物性好、面積大、連通性好,但由于地層產狀為單斜,形成的圈閉少,加之烴源巖分布在盆地中心,烴類供給少,不能形成大的天然氣藏。盆地中心巖性以泥巖為主,儲層為泥包砂的透鏡狀粉砂巖儲層,儲層分布面積小,加上斷層/裂縫不發(fā)育,因此側向和垂向上的相鄰儲層連通性差,儲層基本上處于封閉狀態(tài)。鶯歌海組沉積的范圍廣、厚度大且橫向分布非常穩(wěn)定的淺海和半深海泥巖,為最好的區(qū)域性蓋層。錄井揭示的泥巖厚度基本都在500m以上(圖2),泥地比高,一般為77%～98%。泥巖單層厚度主要分布在10m左右,最大超過400m。2壓實平衡法及盆地模擬鶯歌海盆地具有非常高的沉降沉積速率,一般為0.5mm/a,最大可達1.4mm/a,平均為0.78mm/a。快速沉積的較厚泥巖層段中很容易形成欠壓實作用,欠壓實是鶯歌海盆地異常高壓的主要成因。深部地層的超壓還可能是源巖生烴作用。底辟區(qū)壓力傳遞作用可以改變超壓分布的格局,造成深部向淺部的傳遞。筆者關注的主要是黃流組(儲層)和鶯歌海組(蓋層)的地層壓力。從壓力的成因上分析,黃流組和鶯歌海組埋藏較淺,烴源巖大多未成熟,生烴增壓貢獻小。底辟構造帶分布面積小,底辟發(fā)育地區(qū)巖性以泥巖為主,壓力側向傳遞范圍有限,主要以垂向傳遞為主。因此黃流組和鶯歌海組超壓主要是由于欠壓實作用引起的。預測欠壓實地層壓力的方法有壓實平衡法、Eaton法、Fillippone法及盆地模擬4種。其中:Fillippone法為經驗公式法,Eaton法為壓實平衡的半經驗法,這2種方法理論支撐不足;盆地模擬考慮了更多的壓力成因機理,但由于地下巖石的非均質性很強,模擬參數很難給出,預測結果往往失真。本次采用壓實平衡法。壓實平衡法恢復古壓力的依據是:不同地質歷史時期不同埋藏深度泥巖的孔隙度相同,則其巖石顆粒間的骨架應力也相同,由上覆負荷減去巖石骨架的應力就得到巖石孔隙流體的應力,即地層壓力(圖4)。圖4存在2個等式,即:式中:SA、SB分別為A、B兩點的上覆負荷;σA、σB分別為A、B兩點巖石骨架應力;pfA、pfB分別為A、B兩點的孔隙(流體)壓力。又因因此得到下式:式中:pfA、pfB分別為A、B兩點的孔隙(流體)壓力;ρA、ρB分別為A、B兩點的上覆巖石的平均密度;hA、hB分別為A、B兩點的深度;ρw為地層水的密度;g為重力加速度。盆地演化過程中,正常情況下泥巖隨埋深加大,孔隙流體在上覆地層重力的作用下緩慢排出,孔隙度降低。而在鶯歌海盆地,泥巖快速沉積,上覆地層重力迅速增大,泥巖中的孔隙流體來不及排出,使孔隙流體支撐了上覆巖石的部分重力,泥巖地層壓力增大,孔隙度偏高。欠壓實作用產生異常高壓的泥巖具有高孔隙度,這在測井資料上表現為聲波時差偏大,在地震速度上表現為速度偏小,故可根據以上參數變化計算地層壓力。假設泥巖欠壓實形成以后孔隙封閉,孔隙度不變,那么就可以結合埋藏史,確定出某一地質歷史泥巖的埋深,進而利用現今泥巖聲波時差和地震速度求出古壓力。預測結果可靠是方法應用的前提,通過實測地層壓力與預測地層壓力的比較(表1)可以看出:預測結果的最大絕對誤差為5.46MPa,平均絕對誤差為1.86MPa;最大相對誤差為21.93%,平均相對誤差為7.24%。因此,應用壓實平衡法預測地層壓力可信。通過對底辟區(qū)(井F1,F6,D1,D2,D5)預測壓力與實測壓力的比較發(fā)現:最大絕對誤差為5.46MPa,平均絕對誤差為1.97MPa;最大相對誤差為16.78%,平均相對誤差為7.03%。底辟區(qū)誤差值與盆地總的誤差值相差不大,可以推斷出底辟區(qū)壓力的傳遞有限,底辟產生的斷層和裂縫對蓋層封閉能力的影響有限,底辟區(qū)仍然是較封閉的體系,其超壓的成因主要還是由欠壓實產生的。3地層壓力特征關于地層壓力劃分的標準,不同學者在不同的研究區(qū)提出了多種方案。根據本地區(qū)地層壓力特征,以壓力系數1.2和1.5為界限(壓力系數為地層壓力與靜水壓力的比值),將地層壓力劃分為常壓帶(壓力系數小于1.2)、過渡帶(壓力系數為1.2～1.5)和超壓帶(壓力系數大于1.5)。3.1壓力系數t統(tǒng)計實測壓力資料表明,鶯歌海盆地在縱向上主要發(fā)育3種類型的壓力帶,即常壓帶、過渡帶和超壓帶(圖5)。鶯東斜坡帶僅發(fā)育常壓帶,過渡帶和超壓帶均不發(fā)育;臨高隆起帶只有一口井有實測壓力資料,深度4203m顯示壓力系數為1.99,處在超壓帶內。盆地中央凹陷帶的東方、樂東地區(qū)縱向上從上向下依次發(fā)育常壓帶、過渡帶和超壓帶。東方地區(qū)常壓帶主要分布于2200m之上,過渡帶主要分布于2200～2400m,超壓帶主要分布于2400m之下;樂東地區(qū)常壓帶主要分布于1600m之上,過渡帶主要分布于1600～2000m,超壓帶主要分布于2000m之下。東方、樂東區(qū)縱向上壓力過渡帶很窄,樂東區(qū)過渡帶一般不超過400m,東方區(qū)過渡帶一般不超過200m。從層位上看,樂東區(qū)超壓帶主要分布在鶯歌海組及其下部地層,東方區(qū)超壓帶主要分布在黃流組及其下部地層。3.2壓力和超壓分布鶯歌海組底部新近紀末(1.9Ma)鶯歌海組底部中央凹陷帶樂東區(qū)壓力最大,壓力系數大多在1.9以上,最大可達到2.1左右,為異常超壓帶。東方區(qū)F3南部至F4北部,壓力系數為1.2～1.5,為壓力過渡帶。鶯東斜坡帶大部分屬于正常壓力。地層超壓以樂東區(qū)為中心向北向東遞減。鶯歌海組底部由于現今埋深加大,超壓整體增大。東方區(qū)大部都進入到超壓區(qū),鶯東斜坡帶大部及臨高隆起帶不發(fā)育超壓(圖6)。黃流組底部新近紀末(1.9Ma)黃流組底部中央凹陷帶樂東區(qū)壓力最大,壓力系數最大可達到2.2左右。樂東區(qū)和東方區(qū)大部為超壓帶。東方區(qū)壓力系數過渡帶很窄,位于F5附近。鶯東斜坡帶大部分屬于常壓力。臨高隆起帶不發(fā)育超壓。地層超壓同樣以樂東區(qū)為中心向北向東遞減。黃流組底部較鶯歌海組底部,無論是古超壓還是現今超壓,超壓的大小及范圍都有所增大(圖7)。3.3樂區(qū)內超壓時間的出現從鶯歌海盆地不同鉆井剩余壓力和壓力系數演化圖(圖8)可以看出,盆地不同地區(qū)井剩余壓力和壓力系數隨時間都是增大的。樂東區(qū)出現超壓時間最早(D5井),鶯歌海組底部5Ma和黃流組底部9Ma就開始出現超壓;東方區(qū)次之(F2和F4井),鶯歌海組底部2～4Ma和黃流組底部5～9Ma開始出現超壓;鶯東斜坡帶(T2井)的鶯歌海組底部現今仍為常壓,黃流組底部剛出現超壓(圖8)。3.4區(qū)域地質背景鶯歌海盆地地層壓力的平面分布與沉降中心位置和沉積相帶密切相關。8Ma至今,盆地沉降中心迅速南遷,位于盆地中央凹陷帶的樂東區(qū)、東方區(qū)繼續(xù)沉降,沉積地層很容易形成壓實與排液不均衡,從而形成區(qū)域上特別高的地層壓力。而北部臨高隆起帶受構造抬升影響,鶯東斜坡帶鄰近海南島隆起區(qū),埋深都很淺,不易產生超壓。沉積相上,黃流組平面沉積相帶變化快,盆地中心東方、樂東區(qū)臨濱-淺海相重力流、濁積扇發(fā)育,沉積粉砂質泥巖和泥質粉砂巖,砂體連通性差,利于超壓保存。盆地邊緣臨高隆起區(qū)和鶯東斜坡帶沉積的濱岸砂體,平面上分布窄,垂向上砂體相互連通,利于泄壓。鶯歌海組,盆地中心東方、樂東區(qū)淺海—半深海相的范圍較大,以泥巖沉積為主,利于超壓保存。盆地邊緣由于構造運動的影響,工區(qū)內海南島的南、北兩支延伸脊有所發(fā)育,南脊上形成了寬闊的三角洲,北脊抬升未接受沉積,對壓力保存不利。4層壓與天然氣運集之間的關系鶯歌海盆地地層壓力特征控制著天然氣的運移方向、運移方式、水溶氣的出溶及蓋層對天然氣的封閉能力。4.1垂向剩余壓力超壓盆地中天然氣(水溶相和游離相)運移的主要動力為剩余壓力。統(tǒng)計得知,鶯歌海超壓盆地垂向剩余壓力梯度平均約為45MPa/km,側向剩余壓力梯度不到2MPa/km,因此,天然氣垂向運移的動力遠遠大于側向運移動力。加之黃流組沉積相平面變化快,盆地中心的砂體側向連通性不好,天然氣側向輸導條件不佳,因此鶯歌海盆地天然氣主要以垂向運移為主。4.2天然氣運輸方式鶯歌海盆地天然氣存在2種運移方式:1盆地非底辟區(qū)源巖生成的天然氣要首先滿足地層水的溶解。鶯歌海盆地是一個超壓盆地,郝石生給出的CH,的溶解度(S)與溫度(t)、壓力(p)和礦化度(M)之間的數學模型如下:式中:S為溶解度,m3/m3;M為地層水礦化度,mg/L;p為壓力,MPa;t為溫度,℃。利用上式計算盆地中心黃流組底部天然氣在地層水中的溶解度可達7m3/m3,天然氣在地層水中的溶解度很高。盆地非底辟區(qū),地震剖面和成像測井顯示地層斷層和裂縫很少,沒有天然氣向上運移的優(yōu)勢通道,天然氣只能通過超壓以滲流方式運移。水溶氣在向上滲流運移過程中,不受排替壓力的阻擋,而游離相天然氣要受到排替壓力的阻擋,實驗室測得泥巖的排替壓力平均值為2MPa,游離相天然氣向上運移阻力很大。因此,非底辟區(qū)以水溶相天然氣緩慢滲流運移為主。通過達西定律和埋藏過程中孔隙度變化2種方式,計算得知運移到黃流組的水溶氣量分別為3.1×1012m3和2.7×1012m3,平均值為2.9×1012m3,運移到黃流組的水溶氣量充足。2下挖深度t在底辟區(qū),由于深部地層底辟活動,形成一些斷層和裂縫。當地層壓力累積到一定程度,這些斷層和裂縫開啟,水溶氣與游離氣以混相涌流的方式沿裂縫快速向上運移,深部地層壓力下降,斷層和裂縫重新閉合。4.3下覆巖對比對底辟活動的影響研究表明,地層水溫度大于80℃時,天然氣在地層水中的溶解度隨溫度壓力降低而減小。地層水在向上運移的過程中,由于溫度壓力降低,水中天然氣達到飽和,進而析離出游離相的天然氣。鶯歌海盆地是一個高地溫盆地,平均地溫梯度達4.5C/100m。黃流組埋深一般大于1500m,加上盆地恒溫層地溫大約18℃,可知黃流組頂部地溫大部分大于80℃。因此,儲層發(fā)育的黃流組中,頂底壓力差最大的地區(qū),是水溶氣析離有利區(qū)。由最大排氣期1.9Ma黃流組頂底古壓力差預測結果(圖9)可以看出,盆地東方區(qū)及樂東區(qū)古壓力差都在15MPa以上,是水溶氣析離有利區(qū)。儲層超壓是天然氣運移的動力,蓋層超壓則是天然氣繼續(xù)向上運移散失的阻力。因此,蓋層發(fā)育超壓的地區(qū)是封閉天然氣能力強的地區(qū)。由鶯歌海組泥巖蓋層最大排氣期古地層超壓分布可以看出,東方區(qū)、樂東區(qū)發(fā)育古地層超壓,是盆地超壓封蓋能力強的地區(qū)(圖10)。盆地天然氣藏還受到底辟活動的影響。底辟活動的程度由深至淺是變小的。底辟雖然不能在淺層鶯歌海組形成大規(guī)模的斷層,破壞鶯歌海組蓋層的封閉能力,進而使流體大量逸散,地層壓力降低;但是底辟活動可以使黃流組儲層發(fā)育微裂縫,改善粉砂巖儲層的物性;底辟產生的斷裂和裂縫主要在黃流組及以下的深部地層,深部源巖生成的天然氣可以以混相涌流的方式沿斷層和裂縫大量運移至黃流組儲層中;底