濰北凹陷孔店組異常低壓分布特征及成因機(jī)制-x修改稿-20141201101345207

濰北凹陷孔店組異常低壓分布特征及成因機(jī)制摘要：濰北凹陷孔店組發(fā)育異常低壓，主要分布在北部洼陷帶孔二段地層中。應(yīng)用流體包裹體方法和盆地模擬方法恢復(fù)了古壓力，發(fā)現(xiàn)油氣充注時(shí)(孔店末期-沙河街早期)古壓力系數(shù)分布在1.12到1.66之間，表現(xiàn)為超壓狀態(tài)。濰北凹陷孔店組壓力場(chǎng)演化經(jīng)歷了“壓力積累-壓力釋放-壓力分異”三個(gè)階段，古壓力演化可分為三種模式，北部地區(qū)發(fā)育“超壓-低壓-弱超壓”壓力演化模式，中部地區(qū)發(fā)育“超壓-低壓-低壓”壓力演化模式，南部地區(qū)發(fā)育“常壓-低壓-常壓”壓力演化模式。分析認(rèn)為構(gòu)造抬升作用和地溫降低的共同作用是濰北凹陷可以發(fā)育低壓的基礎(chǔ)條件，地下流體供排不平衡和濃差作用促進(jìn)異常低壓發(fā)育。（地區(qū)還是不一致，圖中有東北部，文中有西北部，請(qǐng)仔細(xì)確認(rèn)一下）圖4就注明層段，加上壓力分區(qū)大體界線，1現(xiàn)今地層壓力分布特征：這部表述有點(diǎn)不順，請(qǐng)?jiān)偻魄靡幌掳桑╆P(guān)鍵詞：異常低壓；古壓力；成因機(jī)制；流體包裹體；盆地模擬；濰北凹陷中圖分類號(hào)：TE122.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADistributioncharacteristicsandmechanismofKongdianformationabnormallylowpressurezonesinWeibeiSagAbstract：KongdianformationdevelopedabnormallylowpressurezonesinWeibeiSag,abnormallylowpressuremainlydistributedinmember2ofkongdianformationofnorthernsag.Restoredtheancientpressurebyfluidinclusionsandbasinsimulationmethods,Foundancienthydrocarbonfillingpressurecoefficientsdistributedbetween1.12to1.66,Showedwidespreadoverpressure.PressurefieldEvolutionexperiencedthreestages:pressurebuildup,pressurereleaseandpressuredifferentiation.Ancientpressureevolutioncanbedividedintothreemodes,"Overpressure-Lowpressure-weakoverpressure"evolutionmodelsdevelopedinnorthwestregion,"Overpressure-Lowpressure-lowpressure"evolutionmodelsdevelopedinnortheastregion,"normalpressure-lowpressure-normalpressure"evolutionmodeldevelopedinsouthernregion.AnalystsbelievethattheCombinedactionoftectonicupliftandtemperaturereductionisthebasicconditionaboutlow-pressurecanbedevelopedinWeibeiSag.Undergroundfluidsupply-dischargeimbalanceandconcentrationeffectpromotethedevelopmentofabnormallowpressure.Keywords:abnormallylowpressure;ancientpressure;mechanism;fluidinclusion;basinsimulation;WeibeiSag0引言正常地層壓力等于地表到某一地層深度的靜水壓力，凡是偏離靜水壓力的地層壓力均為異常地層壓力。常用壓力系數(shù)來表示異常壓力的相對(duì)高低，實(shí)際研究中考慮到實(shí)際測(cè)試和計(jì)算帶來的誤差，用一定的壓力系數(shù)范圍表示壓力狀態(tài)更合理并更好操作，將壓力系數(shù)大于1的稱為異常高壓，壓力系數(shù)小于1的稱為異常低壓。濰北凹陷是昌濰拗陷內(nèi)重要的二級(jí)構(gòu)造單元，是位于郯廬斷裂帶中段沂沭斷裂帶內(nèi)部典型的新生代走滑拉分盆地，平面大體呈平行四邊形，表現(xiàn)為一個(gè)東西雙斷、北斷南超的箕狀盆地[1,2]，面積約880km2，劃分為瓦城斷階帶、灶戶斷鼻帶、北部洼陷帶和南部斜坡帶4個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元（圖1）。盆地主要形成于古近紀(jì)，孔店組是勘探開發(fā)的主要目的層系。由于經(jīng)歷過構(gòu)造回返和長(zhǎng)期暴露剝蝕，造成孔店組地層壓力特征復(fù)雜，給盆地成藏研究帶來很大困難，為此對(duì)濰北凹陷壓力演化及分布特征進(jìn)行了深入研究，對(duì)壓力演化過程進(jìn)行了探討。圖1濰北凹陷構(gòu)造位置及構(gòu)造格局Fig.1RegionaltectoniclocationandstructuraldevelopmentfeaturesofWeibeiSag1現(xiàn)今地層壓力分布特征縱向上，濰北凹陷孔店組存在明顯的低壓層段，當(dāng)?shù)貙勇裆钚∮?300m時(shí)地層壓力與靜水壓力趨勢(shì)基本一致，隨著深度的增加地層并沒有因?yàn)閴簩?shí)表現(xiàn)出明顯的超壓，而是部分地層壓力逐漸偏離靜水壓力開始出現(xiàn)低壓，在層系上，各個(gè)層段都有低壓井顯示，但主要發(fā)育在孔二段。壓力系數(shù)在縱向主要分為兩個(gè)帶，2300m以上壓力系數(shù)主要分布在1.0附近，基本與靜水壓力一致，1500m出現(xiàn)負(fù)壓井，2300m以下低壓顯示開始增多，并且出現(xiàn)超低壓，其主要發(fā)育在孔二段，最低壓力系數(shù)為0.71（圖2a）。（分兩個(gè)帶？1500m應(yīng)算在哪個(gè)帶？）(a)層位分布（b）平面分布圖2濰北凹陷地層壓力系數(shù)和深度關(guān)系Fig.2RelationgshipofformationpressurecoefficientanddepthinWeibeiSag平面上，北部區(qū)地區(qū)低壓井較多，壓力發(fā)育低壓到超低壓都有出現(xiàn)；南部地區(qū)多發(fā)育常壓井，低壓井較少，僅分布于凹陷中部洼陷區(qū)與灶戶斷鼻帶交界處（圖2b），說明受埋藏深度的影響，南部和北部地區(qū)對(duì)異常壓力的保存能力不同。2古壓力恢復(fù)及其演化特征要明確現(xiàn)今低壓成因，就需要對(duì)古壓力進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)古壓力的方法有很多，其中主要有根據(jù)流體包裹體均一溫度和流體成分之間的平衡關(guān)系來確定古壓力[3]；利用盆地模擬方法結(jié)合研究地區(qū)的實(shí)際地質(zhì)資料，也可以恢復(fù)單井(一維)及剖面的古壓力(二維)。針對(duì)濰北凹陷壓力分布特征，本次采用流體包裹體數(shù)據(jù)和盆地模擬相結(jié)合的方法對(duì)古壓力進(jìn)行恢復(fù)。2.1流體包裹體方法恢復(fù)古壓力前人研究認(rèn)為,流體包裹體均一溫度、形成溫度、鹽度和形成壓力等4個(gè)參數(shù)之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。其中的均一溫度和鹽度可以測(cè)得,通過一定的方法確定出包裹體的形成溫度就可以得到其形成壓力[4,5]。流體包裹體的形成壓力可以用下面的公式得到：式中，p為形成壓力,Mpa；T為包裹體捕獲溫度，℃；A1、A2可用下式表示：A1=6.100*103+（0.2383-a1）Th-（2.855*10-3+a2）Th2-(a3Th+a4Th2)MA2=a1+a2Th+9.888*10-6Th2+(a3+a4Th)M式中M為包裹體的鹽度的質(zhì)量摩爾濃度,mol/kg；Th為包裹體均一溫度，℃；a1、a2、a3、a4為常數(shù),在地層水為NaCl-H2O體系時(shí)數(shù)值分別為2.873*10-1，-6.477*10-2，-2.009*10-1，3.186*10-3。用陳勇等根據(jù)人工合成烴類包裹體所做的鹽水包裹體均一溫度校正曲線對(duì)包裹體均一溫度進(jìn)行校正獲得的包裹體的捕獲溫度進(jìn)行計(jì)算，表1是對(duì)包裹體捕獲壓力的計(jì)算結(jié)果。古埋深是在單井埋藏史及熱史恢復(fù)的基礎(chǔ)上結(jié)合包裹體捕獲溫度值得到的，古壓力系數(shù)是古地層壓力與靜水壓力的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為。其中為地層水密度，近似認(rèn)為是1000kg/m3；g為重力加速度（98m/s2）；z為地層深度（m）。從計(jì)算的結(jié)果可以看出,油氣充注（包裹體被捕獲）時(shí)壓力總體高于正常靜水壓力,古壓力系數(shù)在1.12到1.66之間，可能跟油氣充注有關(guān),地層經(jīng)過油氣充注后表現(xiàn)為普遍的超壓狀態(tài)。但是現(xiàn)今地層壓力系數(shù)總體表現(xiàn)為低壓或常壓，這表明在地層沉積埋藏過程中，濰北地區(qū)經(jīng)受了大面積的地層剝蝕，抬升，導(dǎo)致巖石骨架反彈，引起巖石孔隙體積的擴(kuò)容，從而導(dǎo)致流體壓力的降低。表1濰北凹陷流體包裹體恢復(fù)古壓力數(shù)據(jù)Table.1AncientpressuresdatarestorationbyfluidinclusioninWeibeiSag樣品編號(hào)深度H/km取樣巖性層位均一溫度Tb/℃鹽度/%捕獲溫度T/℃質(zhì)量摩爾濃度/mol/kg捕獲壓力p/Mpa古埋深H1/km古壓力系數(shù)昌642167.2粉砂巖Ek115320.221684.3330.942567.001.21昌682129.4粉砂巖Ek11097.861241.4633.492929.001.14昌682129.4粉砂巖Ek11013.061160.5434.052929.001.16昌682129.4粉砂巖Ek11093.871240.6933.322929.001.14昌682129.4粉砂巖Ek1113.33.87128.30.6932.922929.001.12昌831798.6粉砂巖Ek21593.391740.6028.842575.601.12昌831798.6粉砂巖Ek21500.351650.0629.372575.601.14昌831798.6粉砂巖Ek21474.341620.7829.922575.601.16昌831798.6粉砂巖Ek21456.741601.2430.272575.601.182.2盆地模擬方法恢復(fù)古壓力演化應(yīng)用盆地模擬方法對(duì)孔店組古地層壓力進(jìn)行恢復(fù)主要是通過“回剝法”，把研究目的層恢復(fù)到沉積的厚度并計(jì)算壓力。它的基本假設(shè)是：在整個(gè)盆地的發(fā)育過程中，理想地認(rèn)為巖石骨架體積保持不變(由于巖石的壓縮系數(shù)較小)。這樣在盆地演化過程中，由于上覆巖層的增加，地層的孔隙度和厚度就減少，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(shí)現(xiàn)。此方法的關(guān)鍵是建立比較準(zhǔn)確的孔隙度壓實(shí)趨勢(shì)線，對(duì)于單井古壓力恢復(fù)來說，需要知道單井的各地層的分層厚度、剝蝕量、各類巖石所占百分比以及巖石物理參數(shù)、古地溫梯度演化史等。通過對(duì)單井古壓力演化情況進(jìn)行恢復(fù)，進(jìn)而得到整個(gè)地區(qū)的古壓力演化史[6]。通過Petromod盆地模擬軟件的處理，參照研究區(qū)的古熱場(chǎng)參數(shù)，選取全區(qū)比較有代表性的四口井（昌45、昌51、昌64和昌901），對(duì)關(guān)鍵層位孔二下亞段進(jìn)行古壓力演化模擬（圖3）。可以看出濰北凹陷孔二段的壓力演化經(jīng)歷超壓階段、卸壓階段和壓力分異階段。圖3濰北凹陷古壓力演化特征Fig.3characteristicsofancientpressureevolutioninWeibeiSag36Ma之前在欠壓實(shí)作用下，濰北凹陷孔二段各區(qū)塊都在進(jìn)行著壓力的積累，并在遭受剝蝕前達(dá)到壓力的最高峰，此時(shí)北部洼陷帶在生烴作用下達(dá)到異常高壓的。36Ma到24Ma，東營(yíng)運(yùn)動(dòng)使得濰北凹陷沙三段-東營(yíng)組普遍缺失,缺失地層厚1000-2000m。沙四段從北部地區(qū)到南部地區(qū)逐漸消失。這次沙河街末期遍及整個(gè)地區(qū)的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)造成上覆地層的巨大剝蝕,使得原來的異常高壓狀況下的地層被抬升至淺處，壓力得到釋放，部分地區(qū)形成低壓。24Ma至今，濰北凹陷又接受了館陶組-平原組的沉積，北部地區(qū)由于埋深較大，封閉條件良好，剝蝕導(dǎo)致的異常低壓被保存下來，南部地區(qū)地層遭受剝蝕程度較大，其形成的低壓難以得到保存，恢復(fù)至常壓，形成現(xiàn)今濰北的壓力格局。圖4濰北凹陷現(xiàn)今壓力系數(shù)分布特征（是哪個(gè)層段？加上區(qū)劃線為好）Fig.4characteristicsofancientpressureevolutioninWeibeiSag2.3壓力演化模式根據(jù)濰北凹陷現(xiàn)今壓力平面分布特征（圖4），結(jié)合盆地模擬技術(shù)，可以確定濰北凹陷孔店組的壓力場(chǎng)演化經(jīng)歷了“壓力積累-壓力釋放-壓力分異”三個(gè)階段，并將全區(qū)的古壓力演化模式分為三種（圖5）：“超壓-低壓-弱超壓”壓力演化模式：凹陷西北部地區(qū)作為全區(qū)的生烴中心，在剝蝕后接受的再次沉積厚度大于原來的剝蝕厚度，達(dá)到生烴的深度，進(jìn)行二次生烴，發(fā)育弱超壓。圖5濰北凹陷壓力演化模式Fig.5PressureevolutionmodelinWeibeiSag“超壓-低壓-低壓”壓力演化模式：凹陷中部在經(jīng)歷沙河街組沉積時(shí)期抬升卸壓后，形成低壓，由于該區(qū)埋深較大，封閉條件較好，其異常低壓得以保存下來，直至現(xiàn)今。“常壓-低壓-常壓”壓力演化模式：凹陷南部地區(qū)地層太淺，剝蝕前難以達(dá)到超壓，抬升期間遭受剝蝕程度較大，巖層反彈導(dǎo)致孔隙增大，巖石骨架支撐了一部分上覆靜水壓力，發(fā)育低壓，成為油氣運(yùn)移的低勢(shì)區(qū)。剝蝕停止后在沉積作用和油氣充注雙重作用下恢復(fù)至常壓。流體包裹體均一溫度表明深層致密氣藏經(jīng)歷了2期充注，第一期發(fā)生在沙河街組沉積早期(52~50.5Ma)，第二期發(fā)生在沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之前(43.5~36Ma)，以第二期充注為主。沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成盆地瀉壓，致密氣藏被破壞。新近系的沉積使儲(chǔ)層進(jìn)一步致密化，有利于孔店組致密氣的保存。因此，濰北凹陷深層孔店組致密氣為殘留氣藏，仍有一定的勘探前景[8]。3異常低壓成因機(jī)制關(guān)于異常低壓的成因機(jī)制也存在多種解釋，如抬升和上覆地層的剝蝕（Bradley,1975；NeuzilandPollock,1983）、不同熱效應(yīng)（Barker,1972）、地下水流動(dòng)的不平衡（BelitzandBredehoeft,1988；Neuzil,1995）、封閉層的滲流作用（SwarbrickandOsborne,1998；Neuzil,2000）、巖石擴(kuò)容作用和濃差作用。Belitz和Bredehodft（1998）認(rèn)為美國(guó)Hugoton地區(qū)異常低壓與該地區(qū)抬升和剝蝕作用有關(guān)。在地質(zhì)歷史時(shí)期，大部分異常低壓都與抬升剝蝕作用有關(guān)（BachuandUnderschultz,1995）。濰北凹陷在東營(yíng)運(yùn)動(dòng)中，經(jīng)受大面積的巨厚剝蝕[7]，異常低壓的形成與抬升剝蝕和古今地溫梯度的差異密不可分。3.1抬升剝蝕作用濰北凹陷在東營(yíng)末期的抬升作用，遭受大量剝蝕，造成全區(qū)東營(yíng)組-沙三段的缺失，沙四段也呈北厚南薄的趨勢(shì)，部分地區(qū)也缺失沙四段。由北向南，剝蝕厚度逐漸增大，南部緩坡帶剝蝕厚度最大可達(dá)1300m，巨厚的剝蝕導(dǎo)致南部地區(qū)館陶組-平原組的再沉積厚度小于剝蝕厚度。在沉積盆地發(fā)生大幅度抬升剝蝕的地區(qū)，由于構(gòu)造抬升地層升高引起的流體向下傾方向泄露、負(fù)荷減少而引起的孔隙反彈，特別是后期沉降幅度不足以彌補(bǔ)剝蝕厚度的情況下，由于剝蝕卸載后的彈性回返，使得地層和巖石的孔隙度增大導(dǎo)致低壓異常[9]，同時(shí)由于巖石冷卻造成的氣相收縮或凝結(jié)也起到一定的加速低壓產(chǎn)生的作用。解習(xí)農(nóng)等進(jìn)行卸載速率與異常低壓之間的相關(guān)分析表明當(dāng)卸載速度從5m/Ma增加到50m/Ma，剩余壓力可減少4MPa，異常低壓與卸載速率成正比[10]，卸載速率越大，則異常低壓越明顯，由此可知抬升剝蝕作用是濰北凹陷現(xiàn)今低壓異常的重要原因。3.2地溫梯度降低濰北地區(qū)現(xiàn)今地溫梯度為3.84℃/100m，根據(jù)現(xiàn)今DST資料，計(jì)算所得地溫與深度關(guān)系式為T=0.0384H+14.408。多數(shù)學(xué)者通過不同方法證實(shí)了濰北凹陷古地溫梯度高于現(xiàn)今地溫梯度[11,12]。流體包裹體均一溫度也證實(shí)了古地溫高于現(xiàn)今地層溫度（表2）。地層抬升之前古地溫梯度介于4.1-7.0℃/100m之間，明顯大于現(xiàn)今地溫梯度3.84℃/100m。構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)中溫度和地溫梯度的降低引起的流體收縮，導(dǎo)致地層壓力和壓力系數(shù)減小[13]，尤其是地層封閉性較好或者滲透率較低并沒有明顯的構(gòu)造擠壓的情況下，可以形成明顯的異常低壓[14,15]。Bradley（1972）也證實(shí)在良好封閉條件下由于溫度降低可導(dǎo)致地層壓力低于靜水壓力，Bradley（1975）提出在封閉系統(tǒng)中每1華氏攝氏度的增高可導(dǎo)致壓力從0.77MPa變?yōu)?.88MPa。因此可以看出濰北凹陷構(gòu)造抬升導(dǎo)致了地溫梯度降低，從而導(dǎo)致了異常低壓的形成。表2濰北凹陷流體包裹體分析結(jié)果Table.2ResultoffluidinclusionsanalysisinWeibeiSag井號(hào)現(xiàn)今埋深（m）抬升前深度（m）地層均一溫度（℃）平均均一溫度（℃）地溫梯度（℃/100m）昌451743.532143.53Ek185-129110.54.5昌672624.22766.2Ek1129-1451364.4昌6730013143Ek2136-147142.24.1昌673048.83190.8Ek2140-157148.44.2昌682129.42412.4Ek2z101-137114.44.1昌721044.11524.1Ek198.6-149.5120.47.0昌831798.62408.6Ek298.3-159125.54.6地表溫度為14.4℃3.3流體供排不平衡與濃差作用從濰北凹陷地層水水型可以看出，全區(qū)以CaCl2為主，NaHCO3和Na2SO4水型井很少，并且主要分布于南部緩坡帶，表明凹陷地下流體封閉性很好，不受大氣水滲入的影響。CaCl2型地層水分布區(qū)是區(qū)域水動(dòng)力相對(duì)阻滯區(qū)，是縱向水文地質(zhì)剖面上的交替停滯帶，由于洼陷帶和灶戶鼻狀構(gòu)造帶的油氣田被東西向、南北向斷裂分隔成多個(gè)斷塊，各個(gè)斷塊之間的連通性差，不受大氣水的影響。從濰北凹陷各地區(qū)地層水礦化度與深度關(guān)系圖可以看出，濰北凹陷南部淺層礦化度隨埋深增加而增加，呈正常趨勢(shì)變化，到1500m以下深部地區(qū)規(guī)律復(fù)雜，北部凹陷數(shù)據(jù)點(diǎn)混亂，且對(duì)應(yīng)著低壓的發(fā)育區(qū)（圖6）。如果一個(gè)封隔區(qū)中水的含鹽度較高，毛細(xì)管力作用將使得高鹽度封隔體中的水穿過滲透膜流入到低鹽度區(qū)，那么在高鹽度封隔體由于水的滲漏而形成低壓，而低鹽度封隔體由于水的增加而形成超壓（Hitchon,1969）。一般情況下，由于濃差作用導(dǎo)致低壓值可能較小(<3MPa)。研究區(qū)異常低壓帶往往是高鹽度區(qū)，而過渡壓力帶和常壓帶為低鹽度區(qū)。圖6濰北凹陷地層水礦化度與深度關(guān)系Fig.6RelationshipofformationwatersalinityanddepthinWeibeiSag綜上所述，構(gòu)造抬升作用和地溫降低的共同作用是濰北凹陷可以發(fā)育低壓的地質(zhì)背景。地下流體供排不平衡和濃差作用促進(jìn)局部發(fā)育異常低壓，是現(xiàn)今異常壓力分布格局的重要原因。4結(jié)論（1）濰北凹陷現(xiàn)今地層壓力縱向上分為兩段，2300m以上地層主要發(fā)育常壓，2300m以下出現(xiàn)異常低壓，低壓主要分布于凹陷北部的孔二段地層中。（2）孔二段地層經(jīng)歷了“壓力積累-壓力釋放-壓力分異”三個(gè)演化階段。（3）構(gòu)造抬升作用和地溫降低的共同作用是濰北凹陷可以發(fā)育低壓的地質(zhì)背景，地下流體供排不平衡和濃差作用促進(jìn)局部發(fā)育異常低壓。參考文獻(xiàn)[1]程有義,梁書義,丘東洲.濰北凹陷中新生代層序地層的沉積模式[J].沉積與特提斯地質(zhì),2001,21(4):21-27.[2]陳世悅