東營凹陷超壓結構及控制因素

邱貽博

( 中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院 ）

東營凹陷作為濟陽坳陷內重要的富油凹陷之一，發育復雜的超壓環境及成藏組合。自20世紀60年代營4井在東營凹陷沙三段首次發現異常高壓油氣藏以來，該區異常壓力及其對油氣成藏的研究一直是眾多學者關注和研究的熱點[1-10]。歸納起來主要有以下幾個方面認識：①具有超壓特征，超壓分布的主體為洼陷帶的沙四段和沙三段；②烴源巖生烴增壓和泥巖欠壓實是該地區主要的超壓成因機制；③油氣成藏具有“高壓驅動”“幕式排烴”的特征。盡管東營凹陷普遍存在著異常高壓，但實際勘探表明，不同層系、不同洼陷以及不同構造部位在壓力及成藏方面具有差異性，這種差異性體現在壓力分布、超壓強度以及對油氣的控制等方面。為此，本文利用大量的鉆井、測井、錄井、試油等資料，對東營凹陷的實測地層壓力、泥巖測井聲波時差響應特征、地震速度譜超壓特征及其控制因素開展了更為深入的分析，詳細地剖析了東營凹陷超壓結構的差異性及其控制因素，以期為濟陽坳陷其他盆地超壓結構的研究提供借鑒。

1 區域地質概況

東營凹陷位于濟陽坳陷南部，是典型的北斷南超的箕狀斷陷盆地，由利津、牛莊、博興、民豐4個洼陷及北部陡坡帶、中央隆起帶和南部斜坡帶組成，以“盆地形態開闊舒展、二級構造特征鮮明”所著稱（圖1）。古近紀為斷陷湖盆的鼎盛期，東營凹陷盆地內沉積了巨厚的以沙河街組為主的地層，縱向上發育兩套烴源巖層系（沙三段、沙四段），這兩套烴源巖普遍具有地層厚度大、沉積速率高、埋藏深度大、生烴能力強的特點，為研究區異常壓力的形成提供了良好的條件。東營凹陷經歷了50多年的勘探開發過程，具有豐富的實測地層壓力數據，同時也積累了大量的壓力預測所需的測井、地震資料，為超壓結構的研究提供了豐富的基礎資料。

圖1 東營凹陷區域構造單元分區圖

2 實測地層壓力特征

圖2 東營凹陷不同層系、不同構造帶壓力系數與深度關系

實測地層壓力數據是研究地層壓力最為直接可靠的資料[11]，根據東營凹陷1000余口井2500多個數據點實測地層壓力統計結果可知（圖2），東營凹陷超壓現象非常普遍，但不同深度、不同層系、不同構造帶壓力的分布有很大差異。從深度上看，2200m以上地層主要發育常壓，而明顯的超壓出現在2200m以下地層，3000～4000m超壓幅度達到最強，到4500m以下超壓幅度又有明顯減弱，逐漸過渡為常壓；從層系上來，東營凹陷沙二段及以上地層、孔店組及以下地層主要發育常壓，沙三段、沙四段出現明顯超壓現象，隨著埋深的增大，地層壓力系數有明顯增大趨勢，沙三段和沙四段壓力系數最高可達1.99；從構造帶來看，利津洼陷、牛莊洼陷、博興洼陷、民豐洼陷是超壓發育的主體范圍，北部陡坡帶和南部斜坡帶主要發育常壓。

由于實測壓力數據數量有限，且在縱、橫向上分布的連續性較差，難以滿足建立高精度壓力場的需要。為了獲取豐富的地層壓力數據，充分利用測井聲波時差和地震速度譜資料實現了地層壓力在二維和三維空間上的預測。

3 聲波時差超壓響應特征

單井泥巖聲波時差能夠很好地反映超壓在縱向上的發育特征[12-13]。Eaton提出的利用聲波時差計算地層壓力的方法，其基本原理是基于巖石的應力—應變關系在測井曲線上的響應，利用聲波時差偏離正常趨勢線的大小來反映異常壓力的強弱。在超壓特征的識別過程中，考慮到洼陷帶和盆緣斜坡區超壓發育的差異性，分別從東營凹陷利津洼陷的深洼區逐步向西部盆緣區選取了5口井進行聲波時差超壓測井響應特征的分析。整體上來看，從盆內到盆緣、從淺部到深部，東營凹陷地層壓力的分布具有明顯的差異性，橫向上和縱向上具有分帶性特點。

橫向分帶性，是指從盆地的深洼區到盆緣，泥巖聲波時差曲線發生明顯變化（圖3）。利67井、利57井位于利津洼陷深洼區，從這兩口井的泥巖聲波時差曲線來看，高聲波時差出現在3000～4000m深度段，曲線非常明顯地偏離了正常壓實趨勢線，反映出異常超壓的特征。梁75井位于利津洼陷深洼區的邊緣，該井的泥巖聲波時差曲線與利67井、利57井相比有所差異，首先是高聲波時差出現在2700～3500m深度段，深度有所變淺；其次是聲波時差偏離正常壓實趨勢線的幅度有所變小，反映出超壓有所減弱。濱408井、濱418井位于利津洼陷西部斜坡，這兩口井的泥巖聲波時差曲線為一單斜的形態，與正常壓實趨勢線相一致，表現出常壓的特征?？梢?，從盆地的深洼區到盆緣地帶，單井泥巖聲波時差曲線由“大肚子曲線”（偏離正常壓實趨勢線）逐漸向正常壓實趨勢線轉變，同時也反映了地層壓力由異常超壓逐漸向常壓過渡。

圖3 盆緣、深洼區泥巖聲波時差與深度的關系曲線

縱向分帶性，是指盆地深洼區單井壓力曲線從淺到深呈現“低—高—低”的變化趨勢，對應著正常壓力、異常高壓和正常壓力3個不同的區帶。從利67井的泥巖聲波時差曲線來看（圖4），縱向上沙二段以上的地層泥巖聲波時差為正常壓實曲線，計算的泥巖壓力為正常壓力。泥巖的高聲波時差出現在沙三段，計算的泥巖壓力也證實泥巖高聲波時差段為強超壓帶，壓力系數最大可達到1.8。超壓帶的頂界深度約在3000m，為沙三上亞段中部的暗色泥巖、砂質泥巖段，超壓帶的主體即強超壓范圍發育在沙三中、下亞段，厚度約為700m，是烴源巖主要發育帶，其間沒有明顯的封隔層。到沙四段，隨深度增加，泥巖聲波時差曲線逐漸降低，地層壓力曲線逐漸向靜水壓力曲線接近?？梢?，在縱向上，盆地深洼區的地層壓力從淺到深可劃分為上部的常壓系統、中部強超壓系統以及底部的常壓系統，顯示為一典型超壓封存箱特征[14]。

圖4 利67井聲波時差超壓響應曲線特征

4 地震資料超壓特征

單井泥巖聲波時差超壓響應能夠了解井孔的壓力結構，而利用地震資料來預測地層壓力，其優勢是可以極大地增強壓力在縱、橫向的連續性，同時可以實現在三維空間壓力場的可視化。利用地震資料預測地層壓力的方法主要是通過地震速度譜的信息來求取地層壓力（Fillippone公式）[15-17]，其關鍵步驟是通過疊加速度譜來獲取地震層速度，通過地震層速度預測地層壓力，其中地震層速度、預測地層壓力要經過VSP速度和實測地層壓力的校正。在地震速度計算超地層壓力的過程中，考慮到能夠更好地反映盆地的超壓特征，選取了一條橫穿利津洼陷和牛莊洼陷的剖面來進行地震速度超壓剖面特征的分析，同時選取4000m深度的地震速度超壓數據體水平切片來進行超壓平面特征的分析。

4.1 地震速度超壓剖面特征

L2991測線是一條橫穿東營凹陷南北向的地震速度超壓預測剖面（圖5），從南向北依次經過南坡斜坡帶、牛莊洼陷、中央隆起帶、利津洼陷、北部陡坡帶。從圖5可以看出，東營凹陷主要發育沙三段—沙四段一個超壓系統，向上從沙二段開始地層壓力逐漸過渡為常壓，向下逐漸過渡為常壓。超壓帶的主體主要分布在北部的利津洼陷，超壓幅度較大，預測壓力系數可達1.7以上；南部的中央隆起帶和牛莊洼陷超壓幅度有所減弱，預測壓力系數在1.4～1.6之間；南部斜坡帶和北部陡坡帶主要發育常壓。

圖5 東營凹陷L2991測線壓力系數剖面（剖面位置見圖1）

4.2 地震速度超壓平面特征

在研究區11000多個地震速度譜點地層壓力預測的基礎上，建立了研究區地震速度三維空間超壓數據體。從反演的結果來看，研究區超壓主要分布在2500～4500m深度范圍內，從東營凹陷4000m深度的壓力系數數據體的水平切片（圖6）可以看出，東營凹陷的超壓具有發育規模大、分布范圍廣、超壓幅度大的特點。超壓帶主體位于盆地北部的利津洼陷、牛莊洼陷和民豐洼陷，3個洼陷的超壓范圍基本連為一體，其中利津洼陷的超壓幅度最大，民豐洼陷、牛莊洼陷的超壓幅度次之；中部的中央隆起帶對3個洼陷的超壓起到一定的分割作用；而南部的博興洼陷相對獨立，超壓的幅度也最弱。整個南部斜坡帶和北部陡坡帶發育常壓。

圖6 東營凹陷壓力系數數據體水平切片

5 超壓結構差異性的控制因素

超壓的存在是多種因素控制的結果，從東營凹陷不同構造單元地層壓力分布特征來看（圖5、圖6），超壓的分布明顯受構造格局、烴源巖分布、熱演化程度以及斷裂活動的影響[17-22]。

5.1 凸洼相間的構造格局控制了壓力場空間變化

東營凹陷發育了一陡、一坡、一隆、四洼的構造格局：即北部的陡坡帶、南部的斜坡帶、中央隆起帶以及利津、牛莊、博興、民豐4個洼陷。從構造與壓力分布特征的關系分析，東營凹陷凸洼相間的構造格局與壓力場的空間變化具有很好的相關性。凹陷北部的陡坡帶、南部的斜坡帶主要位于常壓區，而利津、牛莊、博興、民豐4個洼陷分別對應著4個超壓區，洼陷內部的中央隆起帶在一定程度上分割了利津洼陷、牛莊洼陷及民豐洼陷等超壓中心。從構造對地層壓力的控制作用來看，一方面是不同區域構造活動的差異性導致盆地形成多凸多洼的格局，控制了沉降中心，從而影響壓力場的空間展布；另一方面是長期構造活動所形成的繼承性大斷層控制了壓力系統邊界。

5.2 烴源巖分布及熱演化程度控制了超壓的分布和幅度

東營凹陷超壓主要發育在盆地的中心，層系上主要在沙三段、沙四段，分布在深洼陷2200～4500m深度范圍內，超壓帶主體處于成熟烴源巖發育區。根據前人的研究，泥頁巖的生烴是形成異常壓力的最重要因素[18-24]。超壓發育的幅度與烴源巖厚度、有機質熱演化程度具有較大的關聯性。東營凹陷深洼區沙三段—沙四段烴源巖厚度可達1000m，同時隨著埋深增大，烴源巖熱演化程度會越來越高，大量生排烴所形成的超壓幅度也會越來越大，這一現象在利津洼陷、民豐洼陷及牛莊洼陷的深洼區表現非常明顯。東營凹陷中壓力系數大于1.6的范圍主要分布在利津洼陷、民豐洼陷及牛莊洼陷深洼區，相應的鏡質組反射率大于0.8%；博興洼陷超壓幅度相對較弱，相應的鏡質組反射率在0.6%～0.8%之間；壓力系數小于1.4的范圍主要位于盆地的斜坡區和盆緣，相應的鏡質組反射率小于0.6%。

5.3 長期、繼承性大斷層控制了超壓體系的邊界

斷裂對超壓的保存和分布有著重要的影響，斷層既可作為壓力釋放的一種通道，又可作為高壓流體的封閉體[25-26]。東營凹陷發育的邊界斷裂和洼陷內部的油源斷層對超壓系統的影響主要表現在兩個方面：①油源斷裂連通深層超壓流體封存箱與淺層常壓區，成為超壓垂向泄壓和流體大規模運移的通道。東營凹陷的沙三段—沙四段具有典型流體封存箱的特點，其中沙三中—沙四上亞段是超壓流體封存箱的主體，封存箱的頂界面與沙三上亞段的大套塊狀深灰色泥巖及三角洲體系厚層砂巖有關，而封存箱的底界面可能與沙四下亞段發育的多套膏鹽層有關。凹陷內油源斷裂，尤其是中央隆起帶附近的辛鎮斷裂、河125斷裂作為凹陷內的主要油源斷裂，斷裂活動使得斷裂帶附近超壓封存箱發生驟然的變化，箱內高壓流體運移到箱外成藏，從而控制了該區縱向多層系含油（圖7）。②長期繼承性邊界大斷層控制了超壓體系的邊界，斷裂帶內部的斷層角礫巖、泥巖涂抹等作用，都可形成超壓封存箱的側向封閉，遮擋油氣。例如博興洼陷西部的高青—平方王斷裂帶、利津洼陷北部的陳南斷裂控制了超壓系統的邊界，斷層的下降盤主要發育超壓，而上升盤為常壓；同時盆地內的一些大斷層則主要起到一定分割壓力中心的作用，例如辛鎮斷裂帶、河125斷層分割了利津洼陷、牛莊洼陷和民豐洼陷3個超壓中心。

圖7 東營凹陷超壓流體封存箱與油氣分布

6 結論

（1）東營凹陷壓力場縱向上具有3層結構，2200m以上地層主要發育常壓，2200～4500m地層發育超壓，4500m以下地層又發育常壓；平面上，超壓主要分布在利津、牛莊、民豐、博興4個洼陷，北部陡坡帶、南部斜坡帶主要發育常壓。

（2）東營凹陷超壓結構受構造格局、烴源巖分布、熱演化程度以及斷裂活動的影響較大。平面上，東營凹陷“一陡、四洼、一斜坡”的構造格局控制了4個超壓中心的分布；層系上，東營凹陷沙三段—沙四段烴源巖是超壓發育的主要層系，烴源巖熱演化程度越高，超壓幅度越大；凹陷內長期、繼承性的大斷裂控制了超壓系統的橫向邊界。

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