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(1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室/地質(zhì)學(xué)系　西安　710069；2.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院　甘肅敦煌　736202；3.中國石油大學(xué) 盆地與油藏研究中心　北京　102249)

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膏鹽巖對異常高壓形成與分布的控制
——以柴達(dá)木盆地獅子溝地區(qū)為例

張津?qū)?張金功1楊乾政2吳春燕1崔強1王曄3郭嶺1

(1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室/地質(zhì)學(xué)系西安710069；2.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院甘肅敦煌736202；3.中國石油大學(xué) 盆地與油藏研究中心北京102249)

摘要異常高壓在一定程度上影響和控制油氣藏的分布，膏鹽巖的發(fā)育與異常高壓的分布存在明顯的對應(yīng)關(guān)系。通過對柴達(dá)木盆地獅子溝地區(qū)膏鹽巖發(fā)育特征的詳細(xì)研究，結(jié)合實測和計算地層壓力資料對該區(qū)地層壓力分布規(guī)律進行分析，探討膏鹽巖和地層壓力的關(guān)系。研究表明，獅子溝地區(qū)膏鹽巖縱向上具有四種沉積序列，橫向上與砂巖呈“此消彼長”的關(guān)系，與泥巖呈“同增同漲”的關(guān)系。該區(qū)地層壓力縱向上表現(xiàn)出分段特征：常壓段、增壓段和強壓段。這種分段性在膏鹽巖不發(fā)育的區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)。獅子溝地區(qū)異常高壓橫向范圍覆蓋了膏鹽巖的發(fā)育范圍，地層壓力系數(shù)隨著膏鹽巖厚度的變薄而減小。因此，膏鹽巖對異常高壓的分布具有明顯的控制作用，其沉積脫水、致密性、塑性、流動性、高熱導(dǎo)率等性質(zhì)是促使異常高壓形成的根本原因。

關(guān)鍵詞膏鹽巖異常高壓柴達(dá)木盆地油氣勘探

據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上異常高壓盆地有180多個，其中160多個是富含油氣的盆地，異常高壓油氣田約占全球油氣田的30%[1]。異常高壓不僅是油氣運聚的重要動力，而且在一定程度上影響并控制著油氣的分布[2]。柴達(dá)木盆地古近系—新近系地層中在一定埋深處常發(fā)育異常地層壓力，早在八十年代初期華保欽和林錫祥[3]提出了柴達(dá)木盆地異常壓力的起因主要為快速堆積和細(xì)粒沉積引起的壓實不平衡以及封閉條件下水熱效應(yīng)的聯(lián)合作用。邱楠生等[4]利用水化學(xué)分析和包裹體分析方法對柴達(dá)木盆地西部地區(qū)異常高壓的分布模式進行了研究，認(rèn)為該區(qū)異常高壓與地溫密切相關(guān)，同時受到了后期地層抬升沉降作用及巖層擠壓破裂的影響。郭澤清等[5]認(rèn)為柴達(dá)木盆地西部地區(qū)異常高壓的形成是由于不均衡壓實作用和構(gòu)造擠壓作用所引起的壓應(yīng)力增大以及熱液壓力引起流體體積的變化。李鶴永等[6]將柴達(dá)木盆地西部地區(qū)地層壓力分為常壓型和超壓型，深部高壓具有較好的油氣封閉條件。秦峰[7]對柴達(dá)木盆地西部地區(qū)古近系—新近系的地層壓力特征進行了分類，提出流體沿斷裂的運移以及上覆巖層的剝蝕是導(dǎo)致異常壓力的主要原因。柴達(dá)木盆地西部地區(qū)(簡稱柴西)異常地層壓力在獅子溝地區(qū)最為突出[4]，而獅子地區(qū)發(fā)育膏鹽巖。前人研究結(jié)果認(rèn)為柴西異常地層壓力形成的控制因素主要是地層不均衡沉降和構(gòu)造擠壓作用，而對獅子溝地區(qū)膏鹽巖與地層壓力的關(guān)系并沒有做詳細(xì)地論述。研究表明，膏鹽巖較多的地方容易出現(xiàn)異常高壓[8]，膏鹽巖蓋層是下部儲層異常高壓得以保存的重要屏障，其本身成為壓力過渡帶，也屬異常高壓帶[2,9]。在國內(nèi)，已經(jīng)對渤海灣盆地、江漢盆地膏鹽巖的發(fā)育與地層壓力特征的關(guān)系進行了討論，發(fā)現(xiàn)異常高壓的分布范圍與膏鹽巖的分布具有很好的對應(yīng)關(guān)系，膏鹽巖促進了異常壓力的形成[10-11]。膏鹽巖的發(fā)育及超壓的存在對于烴源巖的發(fā)育、油氣的運聚成藏等具有重要影響[12-15]。柴西地區(qū)膏鹽巖較為發(fā)育，目前對該區(qū)膏鹽巖與異常高壓分布關(guān)系的研究卻較為薄弱，影響了油氣成藏的深入研究以及勘探有利區(qū)的選擇。因此，本文利用實際資料結(jié)合前人研究成果，對柴西獅子溝地區(qū)膏鹽巖與地層壓力的分布特征進行分析，探討膏鹽巖對地層壓力控制因素。

1膏鹽巖發(fā)育特征

1.1膏鹽巖縱向發(fā)育特征

中國內(nèi)陸湖盆中普遍發(fā)育以膏巖、鹽巖、鈣芒硝巖為主的膏鹽巖地層[16]，由于沉積環(huán)境變化快，加之成鹽期構(gòu)造活動性的差異[17]，與泥巖及砂巖常構(gòu)成不等厚互層，組成多個鹽韻律[18]。獅子溝地區(qū)膏鹽巖主要發(fā)育在上干柴溝組(N1)下段和下干柴溝組(E3)(圖1)，筆者對獅子溝地區(qū)16口井的巖性特征進行細(xì)致研究后發(fā)現(xiàn)，膏鹽巖層縱向巖性變化多樣，薄互層較多，卻也有一定的規(guī)律，該區(qū)膏鹽巖主要有四種沉積序列(每個沉積序列在10～100 m之間)類型(圖2)。

圖1　柴達(dá)木盆地西部獅子溝地區(qū)膏鹽巖發(fā)育區(qū)位置圖Fig.1　The map of gypsum-salt rock zonein Shizigou, western Qaidam Basin

GA型，為泥巖與膏質(zhì)泥巖或膏巖頻繁互層為主，單層厚度在1～5 m，GA型在該區(qū)較為常見，幾乎每口含膏鹽巖井都會出現(xiàn)；GB型，自下而上為泥巖→膏質(zhì)泥巖→膏巖→膏質(zhì)泥巖→泥巖，中間含少量灰?guī)r、砂巖、鈣芒硝巖薄層，膏巖單層厚度1～3 m，膏質(zhì)泥巖和泥巖單層厚度1～7 m，GB型主要在膏鹽巖沉積中心井常見，膏鹽巖沉積邊緣相對較少；GC型，為泥巖或膏質(zhì)泥巖與鹽巖互層，含少量砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖、鈣芒硝巖薄層，鹽巖厚度不等，單層最大厚度達(dá)到15 m，最小厚度0.8 m，泥巖和膏質(zhì)泥巖厚度范圍在1～16 m之間，GC型主要發(fā)育在膏鹽巖沉積中心，以膏鹽巖層中、上部較多，膏鹽巖沉積邊緣出現(xiàn)較少；GD型，自下而上為膏質(zhì)泥巖→膏巖→鹽巖→膏巖→膏質(zhì)泥巖，中間含少量泥巖、鹽質(zhì)泥巖、鈣芒硝巖、砂巖薄層，鹽巖單層厚度差別較大，范圍在1～24.4 m之間，膏巖在鹽巖層上厚度小于鹽巖層下厚度，一般為1～3 m，膏質(zhì)泥巖單層厚度1～5 m，GD型發(fā)育在膏鹽巖沉積中心，膏鹽巖沉積邊緣未見。

1.2膏鹽巖橫向發(fā)育特征

通過獅子溝地區(qū)連井剖面分析，結(jié)合四類膏鹽巖沉積序列在橫向上的分布規(guī)律，認(rèn)為該區(qū)膏鹽巖橫向發(fā)育特征由沉積中心至邊緣展布規(guī)律為：GA型+GB型+GC型+GD型→GA型+GB型+GC型→GA型+GB型→GA型(圖3)。膏鹽巖沉積中心鹽巖累計厚度345 m，膏巖累計厚度291 m(表1)，向邊緣呈環(huán)形遞減，薄互層逐漸增多，巖性變化加快，最終膏鹽巖逐漸尖滅，其厚度變化規(guī)律為：厚鹽巖+厚膏巖+厚泥巖+薄砂巖→薄鹽巖+中厚膏巖+中厚泥巖+中薄砂巖→中薄膏巖+中泥巖+中砂巖→薄膏巖+中薄泥巖+中厚砂巖。從膏鹽巖橫向厚度發(fā)育規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，膏鹽巖與砂巖呈“此消彼長”的關(guān)系，而與泥巖呈“同增同漲”的關(guān)系。

圖2　膏鹽巖沉積序列類型示意圖Fig.2　Sedimentary sequence type of gypsum-salt rock

圖3　膏鹽巖發(fā)育區(qū)橫向特征圖Fig.3　The lateral characteristics of gypsum-salt rock zone

井號鹽巖膏巖層數(shù)單層最大厚度/m單層最薄厚度/m累計厚度/m層數(shù)單層最大厚度/m單層最薄厚度/m累計厚度/mS201615282173130S2231211.5171.575114S23416428.3325.27125.711.6291S24111173114S259202.5367070.5125S282471460000S29229.8178.736.13.114.2S3032111122.26081117.5S3126396161128S35520.88.6302137S36732113452510193.5S371082.543.90000S38222445112S404315.40.9212.664.41.416.1S415024.40.8188.254.3214.8S4211101572512184

2膏鹽巖對地層壓力分布的控制

2.1地層壓力縱向分布特征

柴達(dá)木盆地西部地區(qū)在一定深度上普遍存在異常壓力。根據(jù)實測地層壓力資料和聲波時差計算地層壓力資料顯示，獅子溝地區(qū)古近系—新近系地層壓力縱向上存在分段性。由于壓力系數(shù)可以很好的反映地層壓力特征[4]，因此筆者根據(jù)壓力系數(shù)將該區(qū)地層壓力劃分為常壓段，對應(yīng)的壓力系數(shù)范圍在0.9～1.2；增壓段，對應(yīng)的壓力系數(shù)范圍在1.3～1.8；強壓段，對應(yīng)的壓力系數(shù)在1.8以上。

在獅子溝地區(qū)膏鹽巖發(fā)育中心、膏鹽巖中厚度區(qū)及膏鹽巖不發(fā)育區(qū)各選取一口井為例(圖4)。S23井位于膏鹽巖發(fā)育中心，膏鹽巖沉積序列主要為GA型+GB型+GC型+GD型，該井壓力系數(shù)與埋深關(guān)系顯示，地層壓力常壓段埋深在2 000 m以上，壓力系數(shù)變化幅度相對穩(wěn)定，為0.9～1.2，地層壓力為正常壓力，層位大致在上干柴溝組(N1)中段以上；增壓段埋深在2 000～4 000 m，該層段的壓力系數(shù)隨埋深迅速增大，深度達(dá)到4 000 m左右時，壓力系數(shù)從1.3增大到1.8，地層壓力為超壓，層位在上干柴溝組(N1)下段、下干柴溝組(E3)上、中段；強壓段埋深在4 000 m以下，該層段的壓力系數(shù)穩(wěn)定在1.8～2.2之間，地層壓力為強超壓狀態(tài)，層位在下干柴溝組(E3)下段及以下。S24井位于膏鹽巖中厚度區(qū)，膏鹽巖沉積序列主要為GA型+GB型，其壓力系數(shù)與埋深關(guān)系顯示，地層壓力常壓段埋深在 2500 m以上，壓力系數(shù)為0.9～1.2之間，地層為正常壓力，層位在上干柴溝組(N1)中段以上；增壓段埋深在2 500～3 000 m，該層段的壓力系數(shù)隨埋深迅速增大，深度達(dá)到3 500 m左右時，壓力系數(shù)從1.3增大到1.8，地層壓力為超壓，層位在上干柴溝組(N1)下段、下干柴溝組(E3)上段；該井埋深3 500 m以下未進入強壓段，地層壓力系數(shù)穩(wěn)定在1.6～1.8之間，為超壓狀態(tài)，層位在下干柴溝組(E3)中段及以下。SB1井位于膏鹽巖不發(fā)育區(qū)，臨近膏鹽巖發(fā)育區(qū)，全井段未見膏鹽巖，其壓力系數(shù)與埋深關(guān)系顯示，該井壓力系數(shù)隨埋深沒有明顯的分段特征，范圍在0.9～1.5之間。

膏鹽巖層明顯控制著地層壓力的縱向分布。在膏鹽巖發(fā)育區(qū)，地層壓力的變化明顯表現(xiàn)出分段特征，而在膏鹽巖不發(fā)育的區(qū)域則沒有這種特征。膏鹽巖層上部(簡稱鹽上)地層壓力整體為常壓。當(dāng)深度達(dá)到膏鹽巖層(簡稱鹽間)時，地層壓力迅速增大，進入超壓狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，膏鹽巖發(fā)育中心厚度較大，地層增壓的幅度較大；膏鹽巖厚度減小，地層增壓的幅度隨之減小。當(dāng)深度達(dá)到膏鹽巖層下部(簡稱鹽下)地層壓力保持超壓狀態(tài)，但不再增大或增大幅度明顯減弱。

2.2地層壓力橫向分布特征

圖4　壓力系數(shù)與埋深的關(guān)系圖Fig.4　The relation of pressure coefficient and burial depth

圖5　柴西平均壓力系數(shù)分布圖(據(jù)文獻[4]修改)左圖為下油砂山組)；右圖為下干柴溝組(E3)下段Fig.5　Pressure coefficient distribution in western Qaidam Basin

地層壓力系數(shù)平面圖顯示，柴西異常高壓主要集中在下干柴溝組(E3)(圖5右)，油泉子和紅柳泉地區(qū)地層壓力系數(shù)達(dá)到1.5，北烏斯地層壓力系數(shù)為1.7，油砂山地層壓力系數(shù)為1.8，而獅子溝地區(qū)地層壓力系數(shù)則達(dá)到了2.0以上的高壓狀態(tài)。獅子溝地區(qū)在下干柴溝組(E3)為鹽間—鹽下層。將膏鹽巖累加厚度與地層壓力系數(shù)疊合(圖5右)，不難發(fā)現(xiàn)膏鹽巖厚度與壓力系數(shù)有很好的耦合關(guān)系，獅子溝地區(qū)的超壓范圍基本上覆蓋了該區(qū)膏鹽巖的發(fā)育范圍。地層壓力系數(shù)隨著膏鹽巖厚度的變薄而減小。由此證實，膏鹽巖層明顯控制著地層壓力的橫向分布。

3膏鹽巖對異常高壓形成的控制因素

通過以上研究，發(fā)現(xiàn)膏鹽巖與異常高壓的分布在縱向上和橫向上都具有明顯的對應(yīng)關(guān)系?？v向上異常高壓主要分布在鹽間和鹽下層，鹽上為常壓；橫向上異常高壓強度隨著膏鹽巖發(fā)育厚度的變薄而遞減，說明了該區(qū)膏鹽巖對地層壓力具有重要的影響和控制作用。通過總結(jié)前人的研究成果，結(jié)合實際地質(zhì)特征分析認(rèn)為，該區(qū)膏鹽巖對異常高壓的產(chǎn)生為多種因素控制。

膏鹽巖中的膏巖主要成分為石膏和硬石膏，當(dāng)膏鹽層埋藏達(dá)到一定深度時，石膏會轉(zhuǎn)化成硬石膏，轉(zhuǎn)化的過程伴隨著體積減小39%，脫去大量的結(jié)晶水，這些水富含有機酸，具有溶解作用，增強流體—巖石反應(yīng)，溶蝕礦物形成次生孔隙[19]，同時這些游離狀的自由水進入相鄰地層(即鹽間和鹽下層)的孔隙中，將增大地層中的孔隙流體壓力，造成自身及其相鄰地層的欠壓實，直接導(dǎo)致地層壓力異常[8,18]。膏鹽巖非常致密，具有很好的塑性特征，其突破壓力高于60 MPa[20]，自身的排替壓力對地層壓力具有很好的保護作用，更易形成高壓[21]。當(dāng)埋深達(dá)到500 m時膏鹽巖中的鹽巖開始進入軟化點，當(dāng)膏鹽層埋深為3 000 m時，地溫可接近100℃，壓力可達(dá)58.6 MPa，在這種情況下膏鹽巖塑性、流動性極強[22-23]。獅子溝地區(qū)為構(gòu)造活動帶，斷層和裂縫較為發(fā)育，塑性、流動性極強的膏鹽巖流動至斷層和裂縫中，使其得以充填，進而斷層和裂縫消失在膏鹽巖中，無法穿透膏鹽巖之上(即鹽上層)[24-26]，而外部的構(gòu)造應(yīng)力在鹽間和鹽下層得以封存，導(dǎo)致鹽間和鹽下層異常壓力的形成[27]。獅子溝地區(qū)發(fā)育基底斷裂，構(gòu)造活動期基底斷裂在沉積巖層得以延續(xù)，發(fā)育成XI號斷層，深部鹵水在斷層部位受高溫膨脹產(chǎn)生巨大壓力[28]，沿XI號斷層向上涌，受到致密的膏鹽巖封堵，鹵水保存在鹽下孔隙中形成異常壓力。同時膏鹽巖具有高熱導(dǎo)率特征，地層熱量容易散出，也抑制了儲層的成巖作用，使原生孔隙得以保存，易形成異常高壓。

通過以上分析，表明獅子溝地區(qū)膏鹽巖對異常高壓的產(chǎn)生為多種因素控制(圖6)?？傮w來說，膏鹽巖的沉積脫水、致密性、塑性、流動性、高熱導(dǎo)率等性質(zhì)是促使異常高壓形成的根本原因。

圖6　膏鹽巖對異常高壓形成的控制模式圖Fig.6　Controlling mode of gypsum-salt rock to overpressure

4結(jié)論

(1) 柴達(dá)木盆地獅子溝地區(qū)膏鹽巖主要發(fā)育在上干柴溝組(N1)下段和下干柴溝組(E3)。膏鹽巖層縱向上巖性變化多樣，薄互層較多，具有四種沉積序列：GA型，以泥巖與膏質(zhì)泥巖或膏巖頻繁互層為主；GB型，自下而上為泥巖→膏質(zhì)泥巖→膏巖→膏質(zhì)泥巖→泥巖；GC型，為泥巖或膏質(zhì)泥巖與鹽巖互層；GD型，自下而上為膏質(zhì)泥巖→膏巖→鹽巖→膏巖→膏質(zhì)泥巖。膏鹽巖橫向發(fā)育特征由沉積中心至邊緣為：GA型+GB型+GC型+GD型→GA型+GB型+GC型→GA型+GB型→GA型，膏鹽巖與砂巖呈“此消彼長”的關(guān)系，而與泥巖呈“同增同漲”的關(guān)系。

(2) 膏鹽巖層明顯控制著地層壓力分布。在膏鹽巖發(fā)育區(qū)，縱向上地層壓力的變化明顯表現(xiàn)出分段特征，將其劃分為常壓段，壓力系數(shù)范圍在0.9～1.2，為鹽上層；增壓段，壓力系數(shù)范圍在1.3～1.8，為鹽間層；強壓段，壓力系數(shù)在1.8以上，為鹽下層。在膏鹽巖不發(fā)育的區(qū)域則沒有這種分段特征。橫向上該區(qū)超壓范圍基本上覆蓋了膏鹽巖的發(fā)育范圍，地層壓力系數(shù)隨著膏鹽巖厚度的變薄而減小。

(3) 膏鹽巖對異常高壓的產(chǎn)生為多種因素控制，其沉積脫水、致密性、塑性、流動性、高熱導(dǎo)率等性質(zhì)是促使鹽間、鹽下層異常高壓形成的根本原因。

致謝本項研究得到了中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院石油勘探研究室同仁的大力支持，兩位審稿專家對本文初稿提出了建設(shè)性的修改意見，在此一并致以深切謝意！

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The Control Effect of Gypsum-salt Rocks on Formation and Distribution of Overpressure: A case of Shizigou area, Qaidam Basin

ZHANG JinNing1ZHANG JinGong1YANG QianZheng2WU ChunYan1CUI Qiang1WANG Ye3GUO Ling1

(1. State Key Laboratory for Continental Dynamics/Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China;2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Qinghai Oil Field, PrtroChina, Dunhuang, Gansu 736202， China;3. Basin & Reservoir Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Abstract:Overpressure influence and control of oil and gas reservoir distribution, there is obvious relationship between overpressure distribution and development of gypsum-salt rocks. Study on the development of gypsum-salt rocks in Shizigou area, analysis of regularity of distribution of formation pressure with actual and computational data to the area, for discussing the relationship between gypsum-salt rocks and formation pressure. Gypsum-salt rocks have four sedimentary sequences in the vertical, they were inversely proportional relationship with sandstone, and were proportional relationship with mudstone in the lateral. The formation pressure has the feature of segmentation in the vertical: Ordinary pressure section, pressure coefficient range in 0.9～1.2, it's in up-salt zone; Boost pressure section, pressure coefficient range in 1.3～1.8, it's in inter-salt zone; Excess pressure section, pressure coefficient above 1.8, it's in pre-salt zone. The undeveloped area of gypsum-salt rocks have no this kind of segmentation. Pressure range covered the development range of gypsum-salt rocks. Overpressure decreased as gypsum-salt rocks thickness thinning. Gypsum-salt rocks have obvious control effect for overpressure distribution. Dewatering, compactness, plasticity, flowability, and high thermal conductivity of gypsum-salt rocks are the root cause of formation of overpressure.

Key words:gypsum-salt rock; overpressure; Qaidam Basin; petroleum exploration

文章編號：1000-0550(2016)03-0563-08

doi:10.14027/j.cnki.cjxb.2016.03.014

收稿日期：2015-06-19； 收修改稿日期： 2015-09-29

基金項目:國家自然科學(xué)基金(41372129，41302076)；中國地質(zhì)調(diào)查局“非常規(guī)能源礦產(chǎn)調(diào)查評價”基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查計劃項目(12120113040700)；中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司科技項目(研究院2014-技術(shù)-勘探-07)；陜西省自然科學(xué)基金(2014JQ5191)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41372129, 41302076; Basic Geological Survey Program of China Geological Survey, No.12120113040700; Science and Technology Program of Qinghai Oil Field, No.Research Institute 2014-Technology-Exploration-07; Natural Science Foundation of Shaanxi Province, No.2014JQ5191]

第一作者簡介張津?qū)幠?985年出生博士研究生石油與天然氣地質(zhì)學(xué)E-mail: zhjn0610@hotmail.com

中圖分類號P618.13

文獻標(biāo)識碼A