四川盆地元壩—通南巴地區須家河組致密砂巖封隔型超壓系統壓力結構特征

宋 鈺，張 莉，羅丁文，楊 爍，郝 芳，鄒華耀

(1.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 3.中國石油大學(華東)，山東 東營 257061)

超壓在全球沉積盆地廣泛分布[1-2]，超壓的發育主要與不均衡壓實、生烴作用、水熱增壓、黏土礦物脫水和構造擠壓等有關[3-4]，其中壓實不均衡和生烴作用是產生大規模超壓的主要機制[3]。根據HUNT及郝芳的研究成果，地層壓力的保存與封閉層的發育密切相關[5-6]，以準噶爾盆地為例，中部地區侏羅系封閉層因儲層致密化作用，具有很強的封閉能力，超壓得到了保存[7]。

根據超壓的發育機制及超壓系統的內部結構和演化等，可將超壓系統分為動態型超壓系統和封隔型超壓系統[3-4]。動態型超壓系統超壓帶內側向分隔性較弱，壓實不均衡是超壓發育的主要原因。封隔型超壓系統超壓帶內分隔性明顯，內部發育多尺度、多層次的封閉層，生烴作用和致密封閉層是超壓發育和保存的主要原因[8]。BRADLEY等最早使用“流體封存箱”術語，將超壓系統劃分為異常高壓、常壓和異常低壓封存箱[9]。前人研究中提出了封隔型超壓系統的概念模型[10]，但少見實際地質剖面壓力結構研究的報道。本文基于大量實測壓力數據，對四川盆地元壩—通南巴地區須家河組封隔型超壓系統進行了刻畫，直觀地展示封隔型超壓系統的壓力結構特征及其影響因素。

四川盆地須家河組普遍發育超壓，前人對超壓發育機制進行了深入研究，儲層致密化與生烴增壓和構造擠壓是超壓發育的主要原因[11-14]。應用有限的實測壓力數據描述了須家河組超壓的發育趨勢，例如，川中—川南地區地層壓力平面上由北西向南東逐漸降低，縱向上由上至下呈常壓、超壓、強超壓三段式分布[15]；川西地區同一構造帶上不同氣藏或者同一氣藏內不同部位的超壓分布均有差異，川西南部發育常壓、超壓兩段式壓力結構，北部則發育常壓、超壓和強超壓三段式壓力結構[16]。本文基于研究區豐富的地質、地球化學與實測壓力資料，選取研究區東西方向的2條剖面，闡述了封隔型超壓系統內部的結構特征，分析了超壓發育分布的影響因素。

地層壓力發育演化與超壓系統壓力結構研究對于油氣運移與聚集機理闡釋具有重要意義，研究區優質烴源巖發育分布與生烴演化、砂巖儲層致密化與分布特征以及構造演化與超壓發育分布有密切的成因聯系，天然氣富集也顯示出一定對應關系，因此，超壓系統可以反映油氣成藏過程與富集規律。

1 地質背景

元壩—通南巴地區位于四川盆地東北部，北鄰米倉山—大巴山前陸沖斷帶，西為龍門山前陸沖斷帶(圖1)。研究區上三疊統須家河組主要為辮狀河三角洲—湖泊相沉積，地層厚度數百米至近千米，自下而上劃分為須一段至須五段(T3x1—T3x5)。其中，須一段、須三段和須五段以泥巖為主，為濱淺湖相沉積；須二段和須四段以砂礫巖為主(圖2)。

須家河組暗色泥巖的有機質豐度普遍較高，528個樣品數據表明，有機碳含量在0.1%～14.0%之間，約96%的樣品高于0.5%，72%的樣品高于1.0%，10%的樣品高于5.0%，平均值達2.43%，此外，須三、須五段還發育煤線，煤巖TOC平均值達64.7%，具有較高的生氣能力。其中，須三、五段為主力生氣層段，泥巖的TOC平均值分別為3.43%和2.15%；須二中亞段在研究區內穩定發育一套泥巖隔層，TOC平均值為2.11%(圖2)。

圖1 四川盆地元壩—通南巴地區構造位置Fig.1 Structural location of Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖2 四川盆地元壩—通南巴地區YB5井須家河組沉積地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column and organic carbon content of Xujiahe Formation in well YB5,Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

2 超壓系統發育分布特征

2.1 實測壓力分布特征

元壩—通南巴地區研究區33口鉆井須家河組的43個實測地層壓力數據表明，從2 800 m至5 000 m深度段發育不同程度的超壓，地層壓力介于34.04～101.44 MPa之間，壓力系數普遍超過1.73，最高達2.37，屬于超壓—強超壓系統[3]。

垂向上，壓力分布具有3個特征(圖3)：(1)同一層段內地層壓力變化很大，其中須四段表現明顯，從弱超壓到強超壓均有分布；(2)同一深度地層壓力變化也很大，在埋深4 000～5 000 m表現明顯，從弱超壓到強超壓均有分布；(3)即使同一深度、同一層位，地層壓力也有一定的變化，如埋深約4 500 m的須四段，壓力從弱超壓到強超壓均有分布。

2.2 封隔型超壓系統結構特征

選取元壩—通南巴地區研究區東西方向的2條過井剖面，充分利用鉆井壓力測試數據，表征了須家河組封隔型超壓系統的壓力結構特征(圖4，5)。

研究區西部與中部，即元壩地區壓力系數較高，在1.42～2.23之間，屬于超壓—強超壓，大部分井壓力系數在1.75以上。其中，元壩西部地區壓力分布均勻；元壩東部地區壓力系數以YB171井為最高(圖5)；研究區東北部，即通南巴地區壓力系數較低，在1.13～1.58之間，屬于弱超壓—超壓，從馬路背地區向河壩場地區迅速降低(圖4)。

研究區主力烴源巖須三、五段的區域性泥巖將須家河組超壓系統分為須二段和須四段2個規模較大的壓力系統。主力烴源巖層須三段、五段內部砂巖超壓程度最高，YB2井須三段的壓力系數達到2.37(圖5)；YB5與YL1井須四段壓力系數達到2.0(圖4)。須二、四段砂礫巖垂向與側向壓力系數呈現較大變化，反映砂礫巖儲層內部具有較強的封隔性，須二段中部“腰帶子”烴源巖下部與上部砂巖儲層壓力存在較大差異，腰帶子上部與下部砂巖體內部側向上壓力也呈現明顯的變化(圖4,5)。

圖3 四川盆地元壩—通南巴地區實測地層壓力、壓力系數與深度關系Fig.3 Measured pore pressure and pressure coefficients vs.depth in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖4 四川盆地元壩—通南巴實測壓力剖面Fig.4 Cross section of measured pressure in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖5 四川盆地元壩—巴中實測壓力剖面Fig.5 Cross section of measured pressure in Yuanba-Bazhong area,Sichuan Basin

3 封隔型超壓系統壓力結構影響因素

前已述及，封隔型超壓系統屬于晚期超壓成因，烴源巖主生氣期對應的中成巖階段砂礫巖儲層已經致密化，天然氣的充注是超壓形成的主要機制。研究區須家河組封隔型超壓體系壓力結構主要影響因素包括：(1)烴源巖的生氣強度，即增壓機制；(2)致密砂礫巖儲層的巖性、物性與發育分布；(3)構造演化(構造擠壓、抬升剝蝕與斷裂活動)的增壓與泄壓作用。

3.1 烴源巖生氣強度

研究區須家河組泥質烴源巖主要發育于須三、須五段，其次是須二段，暗色泥巖占地層總厚度的50%以上，大部分都達到好的烴源巖標準；煤層烴源巖主要發育于須五段，其次為須二、須三段。本文根據烴源巖地球化學特征，利用有機碳法計算了須二段與須三段烴源巖的總體生氣強度。

圖6展示了須二段與須三段烴源巖的生氣強度，元壩西部地區生氣強度范圍為(10～32)×108m3/km2，中部與東部為(4～8)×108m3/km2，通南巴地區東北部為(4～12)×108m3/km2，按照致密砂巖大中型氣藏形成的生氣強度，即達到10×108m3/km2的生氣強度的標準，研究區須二段與須三段烴源巖具備較高的生烴強度，尤其是在元壩西部地區，可以為須二段、須三段與須四段致密砂巖提供較強的天然氣充注強度，形成超壓致密砂巖氣系統。

超壓的發育強度與生氣強度成正比。垂向上，主力烴源巖須三段內致密砂巖超壓最強，高于其上、下的須四段與須二段，YB2井須三段壓力系數達到2.37(圖5)；橫向上，元壩地區西部須二段與須三段砂巖的超壓比巴中和通南巴地區的強。一方面反映了天然氣充注是超壓發育的主要動力機制，另一方面反映了致密砂巖內部連通性差，天然氣難以運移，形成了封隔型的超壓系統。

3.2 致密砂巖儲層的巖性、物性與分布

研究區砂巖類型主要為巖屑砂巖和長石巖屑砂巖，還含有少量巖屑石英砂巖、石英砂巖和鈣屑砂巖。成巖作用類型主要以壓實—壓溶作用、方解石膠結—交代作用、硅質膠結作用和綠泥石膜膠結作用為主。綜合考慮各類砂巖的成巖組合特征、物性特征和孔隙結構特征，可將研究區砂巖劃分成4種類型，分別為強壓實砂巖、強鈣質膠結—交代砂巖、強硅質膠結砂巖和綠泥石膜膠結砂巖[17]，前3種類型的巖石對研究區超壓的保存有關鍵作用。

強壓實砂巖主要包括巖屑砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑石英砂巖，是研究區分布最廣泛的砂巖。成巖作用以壓實—壓溶作用為主，常見千枚巖、泥巖等塑性巖屑強烈變形呈假雜基狀，云母壓彎變形甚至發生斷裂(圖7a，b)，石英等剛性顆粒普遍呈線—凹凸接觸(圖7a)，甚至縫合線接觸。該類砂巖通常致密無孔，偶爾可見孤立粒內溶孔和黏土礦物晶間微孔，物性極差，孔隙度小于5%(圖8a)，滲透率主要分布在(0.01～0.05)×10-3μm2之間(圖8b)，屬于致密砂巖。

強鈣質膠結—交代砂巖主要包括富鈣屑的巖屑砂巖、鈣屑砂巖和長石巖屑砂巖，是研究區最為致密的砂巖類型之一。成巖作用以強烈的方解石膠結—交代作用為主，普遍發育亮晶方解石膠結物充填砂巖孔隙(圖7c，d)，并交代長石、云屑等。該類砂巖中壓實作用相對較弱，顆粒普遍呈點—線接觸。該類砂巖孔隙度通常小于2%(圖8c)，滲透率基本上小于0.05×10-3μm2(圖8d)，屬于“超”致密砂巖，在須家河組層系中起著封隔層的作用。須三段砂巖主要由鈣屑砂巖組成，須二段與須四段該類砂巖主要由富鈣屑的巖屑砂巖和長石巖屑砂巖組成，約占地層總厚度的10%。

圖6 四川盆地元壩—通南巴須二段與須三段烴源巖總體生氣強度Fig.6 Distribution of gas generation intensity of T3x2 and T3x3 source rocks in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖7 四川盆地元壩—通南巴地區須家河組砂巖成巖作用特征a.元壩16井，4 624.6 m，須四下亞段，粗—中粒巖屑砂巖，正交光，×50，石英顆粒線—凹凸接觸，云母、泥巖巖屑壓彎變形(紅色箭頭指示凹凸接觸)；b.元壩6井，4 524.8 m，須二下亞段，中—細粒巖屑砂巖，單偏光，×100，泥巖巖屑壓實變形；c.元壩16井，4 631.58 m，須四下亞段，細粒長石巖屑砂巖，正交光，×100，連晶方解石膠結；d.元陸28井，4 768.67 m，須四上亞段，細—中粒長石巖屑砂巖，單偏光，×100，連晶方解石膠結；e.元壩271井，4 308.83 m，須二上亞段，中—細粒石英砂巖，正交光，×100，石英加大；f.元陸6井，4 464.8 m，須二下亞段，中粒長石巖屑砂巖，單偏光，×100，硅質充填殘余孔隙Fig.7 Diagenetic characteristics of Xujiahe Formation sandstones in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

圖8 四川盆地元壩—通南巴地區須家河組4類砂巖孔隙度與滲透率統計直方圖Fig.8 Histogram showing porosity and permeability of four sandstone types of Xujiahe Formation in Yuanba-Tongnanba area,Sichuan Basin

強硅質膠結砂巖主要包括石英砂巖和巖屑石英砂巖，是研究區另一類“超”致密砂巖。成巖作用以硅質膠結作用為主，常以石英加大邊的形式出現，通常加大級別可達Ⅱ級，偶爾可見Ⅲ級加大(圖7e)?？紫抖绕毡樾∮?%(圖8e)，滲透率基本小于0.05×10-3μm2(圖8f)，主要發育在研究區須二段砂巖中，厚度較薄，通常不超過2 m，但致密化程度極高，同樣起著封閉層的作用。

在同一套砂體內部，封閉層發育情況與砂層超壓強弱有良好的正相關關系。圖4中元壩地區鈣屑砂巖由西向東逐漸減少，壓力系數也隨之呈降低趨勢，在橫向上顯示出差異性；通南巴地區馬101井須二段局部發育石英砂巖，此處超壓程度明顯高于石英砂巖不發育的相鄰地區，馬101處實測壓力系數為1.60，屬于超壓，相鄰的馬1井和馬2井實測壓力系數分別為1.10和1.17，均屬于弱超壓。圖5中元壩11井須二段同樣發育石英砂巖，壓力系數高達1.92，高于上覆和下伏的2套砂巖；元壩2井須三段局部發育鈣屑砂巖，壓力系數高達2.37，明顯高于相鄰地區。

上述分析表明，強壓實砂巖是該區須家河組最普遍的巖石類型，形成了全區致密砂巖系統；多層強鈣質或強硅質膠結超致密層又將砂巖封隔成了多尺度、多層次的致密砂巖封隔箱。封隔箱中的流體(主要為天然氣)難以發生運移，形成彼此獨立的壓力封隔體系。受砂巖整體致密與超致密封閉層的影響，須家河組砂巖整體超壓，除東部通南巴地區由于斷裂泄壓作用處于弱超壓—超壓外，其他地區均處于強超壓，壓力系數大于1.73；而且不同砂巖層以及同一層段砂巖的不同部位都表現出明顯的壓力封隔性(圖4，5)。

3.3 構造擠壓、抬升剝蝕與斷裂活動

研究區須家河組無論試氣層段為氣層還是干層，均有不同程度的超壓。如元壩11井4 755～4 765 m層段試氣結果為干層，但壓力系數達1.92。因此，前述生烴增壓外，構造擠壓也是重要的增壓機制。晚侏羅世至今，受中晚期燕山運動和喜馬拉雅構造運動的影響，研究區構造擠壓增壓在超壓的形成中具有重要貢獻[18]。

另一方面，由于通南巴地區更靠近大巴山推覆帶和米倉山隆起，受抬升剝蝕與斷裂的影響，泄壓作用遠大于元壩地區[18-19]。在元壩—通南巴剖面(圖4)中，母家梁密集斷層使得壓力釋放，成為區域上壓力較低的區域；而元壩地區構造活動相對較弱，仍保持較高的壓力。前人基于實例研究和理論計算表明，地層抬升剝蝕導致的溫度降低和孔隙回彈造成了地層流體壓力降低[20-22]。四川盆地自喜馬拉雅期以來發生了較大局部構造抬升與剝蝕[23]，通南巴地區和元壩地區的剝蝕厚度分別為3 000 m左右和1 500 m左右[18]，通南巴地區的地層抬升和降溫幅度遠遠大于元壩地區，超壓強度明顯減弱。

4 結論

(1)四川盆地北部元壩—通南巴地區須家河組二段、三段與四段發育優質氣源巖，具有較高的生氣強度，具備形成超壓致密砂巖氣系統的生氣強度或充注強度；須家河組砂巖主要由強壓實致密砂巖組成，構成了整體致密的砂巖層系，致密砂巖層系內部普遍發育超致密的強鈣質膠結—交代砂巖與強硅質交代砂巖層段，與泥質巖共同形成了多尺度、多層次的封隔層，由此構成了須家河組封隔型超壓系統。

(2)須家河組致密砂巖封隔型超壓系統的壓力結構表現為，各砂巖層段以及同一砂巖層段縱橫向上壓力系統彼此封隔不連通，呈現了多尺度、多層次的封隔型超壓系統的特征。

(3)超壓系統的影響因素主要包括：烴源巖的生烴強度、致密砂巖的巖性、物性及其空間發育分布以及構造擠壓、抬升剝蝕與斷裂活動。