賴　仁，查　明，高長(zhǎng)海，曲江秀，丁修建

（中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580）

吉木薩爾凹陷蘆草溝組超高壓形成機(jī)制及演化特征

賴仁，查明，高長(zhǎng)海，曲江秀，丁修建

（中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580）

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組普遍發(fā)育超高壓，綜合運(yùn)用測(cè)井、鉆井、試油資料及盆地模擬技術(shù)，分析了現(xiàn)今地層壓力特征和超高壓形成機(jī)制，并恢復(fù)了蘆草溝組古壓力演化特征。研究結(jié)果表明，吉木薩爾凹陷現(xiàn)今壓力結(jié)構(gòu)由淺至深可分為常壓帶、淺層超高壓帶、壓力過渡帶和深層超高壓帶4個(gè)壓力帶；蘆草溝組位于深層超高壓帶，在橫向上超高壓具有一定的連續(xù)性，剩余壓力多為10～20 MPa，壓力系數(shù)為1.10～1.50.蘆草溝組地層壓力演化經(jīng)歷了3個(gè)半“增壓—泄壓”旋回，且壓力演化的旋回性與沉積速率、生烴排烴和構(gòu)造抬升存在較好的匹配關(guān)系；沉積物快速埋藏導(dǎo)致的欠壓實(shí)是形成第一期超高壓的主要原因，在三疊紀(jì)晚期進(jìn)入生烴門限后，生烴增壓則成為形成第二期和第三期超高壓的重要機(jī)理。

準(zhǔn)噶爾盆地；吉木薩爾凹陷；蘆草溝組；盆地模擬；古壓力；壓力系數(shù)；超壓；成因機(jī)制

超高壓對(duì)油氣的生成-運(yùn)移-聚集過程和分布起著重要的控制作用[1-2]，相對(duì)于對(duì)常規(guī)油氣超壓的研究，非常規(guī)油氣超壓的研究較少。吉木薩爾凹陷是中國(guó)主要的致密油富集區(qū)之一，自2010年以來，已在吉23井、吉171井、吉25井和吉174井等多口井獲得了工業(yè)油流，估計(jì)資源量在2.1×108t以上，顯示了較好的勘探前景。在致密油聚集區(qū)普遍發(fā)育的超壓[3]，可作為致密油運(yùn)移的主要?jiǎng)恿4-5]，控制著致密油的分布及富集，往往剩余壓力較大的區(qū)域，致密油較為富集[6]，超壓對(duì)致密油的勘探和開發(fā)具有一定的指示意義。

前人對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地腹部、南緣以及東部地區(qū)的壓力場(chǎng)研究結(jié)果證實(shí)了超壓的存在[7-14]，試油及鉆井成果也證實(shí)吉木薩爾凹陷蘆草溝組存在超壓。但對(duì)研究區(qū)超壓的分布特征、形成機(jī)制均缺乏深入系統(tǒng)的研究，沒有對(duì)古壓力演化進(jìn)行研究。基于等效深度法的原理，利用鉆井實(shí)測(cè)壓力和聲波時(shí)差資料分析現(xiàn)今壓力分布特征；利用烴源巖層及儲(chǔ)集層的沉積特征、地球物理響應(yīng)特征和地球化學(xué)參數(shù)分析了超壓的形成機(jī)制；運(yùn)用盆地模擬技術(shù)，結(jié)合BasinModTM軟件對(duì)吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組地層壓力及其演化進(jìn)行模擬。在完善對(duì)研究區(qū)超壓認(rèn)識(shí)的同時(shí)，還可為超壓與致密油運(yùn)移和富集關(guān)系的研究提供理論依據(jù)。

1　地質(zhì)背景

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部隆起區(qū)，是在上石炭統(tǒng)褶皺基底上形成的一個(gè)東高西低呈箕狀凹陷的二級(jí)構(gòu)造單元[15]，北為沙奇凸起，東為古西凸起，南為阜康斷裂帶，西以西地?cái)嗔押屠锨f灣斷裂與北三臺(tái)凸起相接[16]，面積1 278 km2（圖1）。

圖1　吉木薩爾凹陷區(qū)域構(gòu)造

吉木薩爾凹陷經(jīng)歷了晚海西、印支、燕山和喜馬拉雅多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響[17]，直至白堊紀(jì)末才被夷平，在漫長(zhǎng)發(fā)育過程中，其沉積中心和沉降中心不斷發(fā)生變化。隨地質(zhì)歷史的演化，地溫梯度逐漸減小，現(xiàn)今地溫梯度為2.75～3.50℃/hm，平均3.10℃/hm，二疊紀(jì)地溫梯度為3.60～4.40℃/hm[18-19]。吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組（P2l）為一套深湖相暗色泥巖與白云質(zhì)巖（泥晶白云巖、砂屑白云巖、粉砂質(zhì)白云巖）混雜沉積，其中，暗色泥巖為主力烴源巖，白云質(zhì)巖層是致密油主要富集層位，縱向上暗色泥巖與白云質(zhì)巖互層，平面上白云質(zhì)巖與暗色泥巖緊鄰疊置，且大面積連續(xù)分布[20]。吉木薩爾凹陷中南部烴源巖厚度最大，可達(dá)280 m，并逐漸向凹陷邊緣減??；烴源巖處于低成熟—成熟階段，在平面上烴源巖的成熟度由凹陷斜坡到凹陷中心逐漸增加。吉木薩爾凹陷蘆草溝組油藏總體上為源儲(chǔ)一體，烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、厚度大；儲(chǔ)集層較為致密，普遍含白云質(zhì)，含油飽和度高，分布廣，連續(xù)性好，發(fā)育上、下2個(gè)甜點(diǎn)體[21]。這種源儲(chǔ)配置及致密砂巖儲(chǔ)集層為地層形成超壓提供了良好的條件。

2　現(xiàn)今壓力分布特征

基于等效深度法原理[22]，采用泥巖的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，計(jì)算了研究區(qū)多口井的泥巖地層壓力，將計(jì)算結(jié)果用試油及鉆井等實(shí)測(cè)壓力資料進(jìn)行校正，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的泥巖地層壓力與實(shí)測(cè)壓力較為吻合（圖2）。

圖2　吉175井縱向壓力結(jié)構(gòu)特征

從圖2可看出，縱向上由淺至深可分出4個(gè)壓力帶：常壓帶、淺層超壓帶、壓力過渡帶和深層超壓帶。超壓一般從1 500 m開始發(fā)育，至2 500 m構(gòu)成了淺層超壓帶和壓力過渡帶，對(duì)應(yīng)的層位為中三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)，剩余壓力為0～10 MPa，壓力系數(shù)多為1.10～1.40.其上為常壓帶，地層壓力隨深度的變化與靜水壓力較為吻合，壓力系數(shù)近于1.0，對(duì)應(yīng)層位為上侏羅統(tǒng)—第四系。深層超壓帶多發(fā)育于2 500 m以下，對(duì)應(yīng)地層層位為下三疊統(tǒng)及以下地層，剩余壓力多為10～20 MPa，最大可達(dá)25 MPa，壓力系數(shù)為1.2～1.6.

目的層蘆草溝組位于深層超壓帶內(nèi)，利用聲波時(shí)差計(jì)算得到的剩余壓力主要為10～20 MPa，壓力系數(shù)為1.10～1.50，平均壓力系數(shù)為1.36，吉木薩爾凹陷內(nèi)不同構(gòu)造部位剩余壓力有所不同，隨埋深增大而增大，但總體而言，蘆草溝組超壓分布較為穩(wěn)定，橫向上具有一定的連續(xù)性。

3　超壓成因分析

沉積盆地產(chǎn)生超壓的機(jī)制異常復(fù)雜[2，23-25]。學(xué)者普遍認(rèn)為，應(yīng)力作用（主要為欠壓實(shí)或構(gòu)造擠壓作用）、流體體積膨脹（包括生烴作用、黏土礦物脫水和水熱增壓等）、流體流動(dòng)是產(chǎn)生超壓的主要機(jī)制[24，26]。其中欠壓實(shí)與生烴作用是非擠壓型盆地超壓發(fā)育的主要機(jī)制[25]。對(duì)于致密儲(chǔ)集層，許多學(xué)者提出生烴作用是地層產(chǎn)生異常壓力的重要機(jī)制之一[27-28]。

自二疊紀(jì)以來，吉木薩爾凹陷經(jīng)歷了3個(gè)主要的快速沉積-沉降期，分別為三疊紀(jì)早期、侏羅紀(jì)末期及第四紀(jì)，對(duì)應(yīng)的沉積速率分別為190～220 m/106a，65～130 m/106a及110～165 m/106a.較快的沉積速率會(huì)導(dǎo)致孔隙流體排出受阻，形成欠壓實(shí)，從而形成異常壓力。除此之外，地層欠壓實(shí)特征的測(cè)井響應(yīng)也表明超壓帶具有欠壓實(shí)的特征。若地層存在超壓，泥巖的聲波時(shí)差、密度及電阻率測(cè)井參數(shù)均會(huì)偏離正常的趨勢(shì)線，聲波時(shí)差會(huì)增大，密度和電阻率則會(huì)減小。從圖2和圖3可以看出，在淺層超壓帶和深層超壓帶，泥巖的聲波時(shí)差明顯增大，而密度及電阻率則減小，為典型的欠壓實(shí)特征。因此，欠壓實(shí)是吉木薩爾凹陷蘆草溝組形成超壓的重要機(jī)制。

圖3　吉175井地層欠壓實(shí)帶的測(cè)井響應(yīng)

吉木薩爾凹陷蘆草溝組整體為咸化湖細(xì)粒沉積，半深湖—深湖相暗色泥巖全凹陷分布，范圍廣且厚度大。烴源巖有機(jī)質(zhì)類型好，主要為Ⅰ型和Ⅱ型干酪根，顯微組分以腐泥組和殼質(zhì)組為主，且多富氫組分，生烴潛力高。蘆草溝組烴源巖平均有機(jī)碳含量為4.59%，有機(jī)質(zhì)豐度高，鏡質(zhì)體反射率（Ro）為0.59%～1.00%，處于低成熟—成熟階段。吉木薩爾凹陷蘆草溝組生烴能力較強(qiáng)，且在三疊紀(jì)末期已進(jìn)入生烴門限開始生烴，蘆草溝組致密油具有源儲(chǔ)一體的特征，烴源巖厚度較大，生成的烴類難以排出，這必然導(dǎo)致壓力的持續(xù)積累。綜上認(rèn)為，生烴作用也是吉木薩爾凹陷蘆草溝組產(chǎn)生超壓的重要機(jī)制之一。

4　蘆草溝組地層壓力演化模擬

盆地模擬技術(shù)目前已成為恢復(fù)沉積盆地埋藏史、壓力演化史、熱史、生烴史和排烴史等的重要手段[29-30]。本次采用BasinModTM軟件對(duì)吉木薩爾凹陷蘆草溝組地層壓力及其演化進(jìn)行模擬，考慮了欠壓實(shí)、成巖作用及生烴作用等多種增壓機(jī)制，可較全面、準(zhǔn)確地模擬地層壓力。

4.1原理及模型選取

（1）壓實(shí)及孔隙度減小機(jī)理壓實(shí)模型選取流體流動(dòng)壓實(shí)模型，其與機(jī)械壓實(shí)不同點(diǎn)在于孔隙度是深度和壓力二者的函數(shù)，考慮了壓力對(duì)孔隙度的影響。

本次選取Statoil流體流動(dòng)壓實(shí)模型進(jìn)行模擬，其孔隙度計(jì)算公式為

考慮到生烴作用對(duì)地層壓力的貢獻(xiàn)，此處還選取了“異常流體”模型，可通過輸入生烴和排烴參數(shù)計(jì)算生烴增壓的大小。

（2）滲透率計(jì)算模型滲透率計(jì)算方法包括Kozeny-Carman模型、改進(jìn)的Kozeny-Carman模型、冪函數(shù)模型以及Statoil滲透率計(jì)算模型。本次選取Statoil滲透率計(jì)算模型（引自BasinMod-ID手冊(cè)），計(jì)算公式為

（3）地?zé)嵊?jì)算模型地?zé)嵊?jì)算采用瞬態(tài)熱流模型，它考慮了不同巖石單元的熱容[18，31]，計(jì)算公式為

4.2模擬參數(shù)的選取

（1）地層參數(shù)地質(zhì)年齡依據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地地層劃分方案獲得，地層厚度依據(jù)各井的地質(zhì)分層數(shù)據(jù)獲得，巖性根據(jù)錄井、試油等資料獲得，巖性百分比、粒徑、孔隙度、滲透率等參數(shù)源于實(shí)際資料，剝蝕厚度數(shù)據(jù)通過地層對(duì)比并結(jié)合前人研究資料[32-33]綜合得出。

（2）烴源巖參數(shù)考慮到蘆草溝組致密油具有源儲(chǔ)一體的特征，本次將烴源巖層及儲(chǔ)集層均設(shè)為蘆草溝組；選取BasinMod1DTM中LLNL（美國(guó)勞倫斯里弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）模擬的Type-Ⅱ型進(jìn)行生烴潛力計(jì)算；有機(jī)碳含量和氫指數(shù)等數(shù)據(jù)根據(jù)巖石熱解數(shù)據(jù)計(jì)算得出，其中有機(jī)碳含量為1.48%～4.99%，氫指數(shù)為181～449 mg/g；考慮到壓力對(duì)鏡質(zhì)體反射率的抑制作用，本次采用LLNL改良的Easy%Ro與自定義的Pres?Ro[34]進(jìn)行對(duì)比模擬。

4.3盆地模擬結(jié)果分析

對(duì)研究區(qū)9口井進(jìn)行壓力模擬，選取吉30井和吉251井為研究實(shí)例，分析蘆草溝組地層壓力特征及古壓力演化。

（1）模擬結(jié)果對(duì)比及誤差分析有機(jī)質(zhì)成熟度模擬結(jié)果表明（圖4a），當(dāng)考慮了壓力在有機(jī)質(zhì)演化中的抑制作用時(shí)，用自定義的PresRo比改良的Easy%Ro模擬的鏡質(zhì)體反射率與實(shí)測(cè)值更為吻合，說明研究區(qū)的確存在超壓，且在模擬時(shí)需充分考慮超壓在有機(jī)質(zhì)演化中的作用。在地層壓力模擬中（圖4b），模擬①采用了Statoil流體流動(dòng)壓實(shí)模型、Statoil滲透率計(jì)算模型、瞬態(tài)熱流模型，其僅考慮了欠壓實(shí)增壓，模擬②在模擬①的基礎(chǔ)上還采用了“異常流體”模型，同時(shí)考慮了欠壓實(shí)增壓和生烴增壓作用對(duì)超壓的貢獻(xiàn)。模擬結(jié)果表明，模擬②較模擬①所計(jì)算的地層壓力與實(shí)測(cè)地層壓力更為吻合，在目的層蘆草溝組中效果尤為顯著，因此模擬時(shí)應(yīng)考慮生烴作用對(duì)超壓的貢獻(xiàn)。

圖4　吉30井和吉251井模擬有機(jī)質(zhì)成熟度（a）、地層壓力（b）與實(shí)測(cè)值的關(guān)系

對(duì)比了研究區(qū)吉16井、吉17井、吉30井、吉31井、吉35井、吉173井、吉174井、吉251井和吉311井等9口井不同深度不同層位的單井模擬壓力與鉆井實(shí)測(cè)壓力結(jié)果（表1），二者最大絕對(duì)誤差為-3.76 MPa，最大相對(duì)誤差為8.23%，平均相對(duì)誤差為4.18%，由此可見，地層壓力的模擬結(jié)果具有較高的精度及可信度。

模擬得到的蘆草溝組剩余壓力為10～20 MPa，最大剩余壓力達(dá)23 MPa，壓力系數(shù)為1.20～1.50，最大壓力系數(shù)達(dá)1.60，平均壓力系數(shù)為1.38.生烴作用與地層壓力有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即烴源巖生烴能力越強(qiáng)，生烴增壓的幅度越大，如圖4a中，吉251井蘆草溝組生烴能力優(yōu)于吉30井，生烴增壓的幅度也大于吉30井。

表1　吉木薩爾凹陷單井模擬壓力與鉆井實(shí)測(cè)壓力對(duì)比

（2）壓力演化特征比較了吉30井和吉251井蘆草溝組剩余壓力隨時(shí)間的演化曲線（圖5），雖然單點(diǎn)的古壓力演化有所不同，但主要特征相似，總體上可以劃分為3個(gè)半“增壓—泄壓”旋回。

第1個(gè)“增壓—泄壓”旋回為245×106—208×106a，從245×106a開始，由于沉積速率較大，剩余壓力持續(xù)增大至221×106a時(shí)達(dá)到極值，吉30井剩余壓力極值為3.4 MPa，吉251井剩余壓力極值為7.1 MPa.后由于三疊紀(jì)末期構(gòu)造抬升經(jīng)歷第1次泄壓。

第2個(gè)“增壓—泄壓”旋回為208×106—123×106a，在208×106—150×106a持續(xù)沉積，且從侏羅紀(jì)中期開始大量生排烴，約145×106a剩余壓力達(dá)到極值，吉30井剩余壓力極值為11.9 MPa，吉251井剩余壓力極值為11.1 MPa.隨后在侏羅紀(jì)末期至白堊紀(jì)中期經(jīng)歷第2次構(gòu)造抬升而發(fā)生泄壓。

第3個(gè)“增壓—泄壓”旋回為123×106—65×106a，由于整個(gè)白堊紀(jì)沉積速率較低，生烴作用成為形成超壓的主要因素，但增壓效果并不明顯，吉30井在97× 106a剩余壓力達(dá)到極值（14.4 MPa），吉251井在81×106a剩余壓力達(dá)到極值（13.7 MPa），在白堊紀(jì)末期發(fā)生構(gòu)造抬升而遭受剝蝕泄壓。

第4個(gè)“增壓”半旋回為65×106a至今，古近紀(jì)以來持續(xù)沉積，且生烴潛量較大，剩余壓力持續(xù)增大至今，達(dá)到歷史最大值，表明此時(shí)生烴作用仍為蘆草溝組形成超壓的主要原因，其中吉30井剩余壓力為17.9 MPa，吉251井剩余壓力則達(dá)到20.5 MPa.

將吉木薩爾凹陷蘆草溝組古壓力演化史與埋藏史、生烴史和排烴史進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，壓力演化的旋回性與沉積速率、構(gòu)造抬升、生烴和排烴存在較好的匹配關(guān)系。當(dāng)沉積速率較大時(shí)，蘆草溝組地層壓力明顯增加，說明欠壓實(shí)作用是蘆草溝組早期形成超壓最主要的因素。在侏羅紀(jì)中期（約175×106a），吉251井蘆草溝組開始大量生烴，生烴潛量持續(xù)增加，至白堊紀(jì)早期（約145×106a）達(dá)到最大值（230 mg/g），并保持至今（圖6），此時(shí)沉積速率較低，但地層壓力依舊持續(xù)增大，說明后期生烴作用成為蘆草溝組形成超壓的主要機(jī)制。且此時(shí)生烴潛量與地層壓力呈正相關(guān)，即生烴潛量越大，地層壓力增加的幅度越大。

圖5　吉30井和吉251井埋藏史和蘆草溝組古壓力演化模擬結(jié)果

圖6　吉30井和吉251井蘆草溝組生烴潛量

5　結(jié)論

（1）吉木薩爾凹陷普遍發(fā)育超壓，縱向上壓力結(jié)構(gòu)由淺至深可劃分為常壓帶、淺層超壓帶、壓力過渡帶和深層超壓帶4個(gè)壓力帶。蘆草溝組位于深層超壓帶內(nèi)，沉積物快速埋藏導(dǎo)致的欠壓實(shí)增壓和中侏羅世開始大量生烴導(dǎo)致的生烴增壓是其形成超壓的主要原因，利用聲波時(shí)差計(jì)算得到的蘆草溝組剩余壓力主要在10～20 MPa，壓力系數(shù)為1.10～1.50，平均壓力系數(shù)為1.36.

（2）選取流體流動(dòng)壓實(shí)模型計(jì)算壓力，同時(shí)考慮了欠壓實(shí)和生烴作用，結(jié)果表明，模擬所得蘆草溝組剩余壓力多為10～20 MPa，最大剩余壓力達(dá)23 MPa，壓力系數(shù)為1.20～1.50，平均壓力系數(shù)為1.38，與聲波時(shí)差計(jì)算結(jié)果及實(shí)際情況均較為吻合。

（3）吉木薩爾凹陷蘆草溝組地層壓力演化經(jīng)歷了早三疊世—晚三疊世、早侏羅世—早白堊世、白堊紀(jì)和古近紀(jì)至今3個(gè)半“增壓—泄壓”旋回，且壓力演化的旋回性與沉積速率、構(gòu)造抬升、生烴和排烴存在較好的匹配關(guān)系。

（4）吉木薩爾凹陷蘆草溝組致密油勘探程度較低，研究超壓可為致密油運(yùn)移和富集的研究提供理論依據(jù)，對(duì)致密油的勘探開發(fā)具有一定的指示意義。

符號(hào)注釋

C——壓實(shí)指數(shù)，可根據(jù)不同巖性進(jìn)行調(diào)整，Pa-1；

Cv——容積熱容量，J/（m3·K）；

K——滲透率，mD；

k1——滲透率系數(shù)，mD；

k2——滲透率指數(shù)，無量綱；

Q——熱源項(xiàng)，包括放射生熱、對(duì)流生熱、巖漿活動(dòng)生熱等，W/m3；

T——溫度，K；

t——時(shí)間，s；

?——孔隙度，f；

?0——初始孔隙度，f；

σeff——有效應(yīng)力，Pa；

λ——熱導(dǎo)率，W/（m·℃）.

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（編輯曹元婷）

Formation Mechanism and Evolution Characteristics of Ultra?High Pressure in Lucaogou Formation of Jimsar Sag,Junggar Basin

LAI Ren,ZHA Ming,GAO Changhai,QU Jiangxiu,DING Xiujian
(School of Geosciences,China University of Petroleum,Qingdao,Shandong 266580,China)

Ultra?high pressure generally occurs in the Middle Permian Lucaogou formation of Jimusar sag,Junggar basin.This paper ana?lyzes the present formation pressure features and the ultra?high pressure formation mechanism and reconstructs the paleopressure evolution of Lucaogou formation by using logging,drilling,formation testing data combined with basin modeling technology.The study results show that the present pressure structure can be categorized into four zones from top to bottom such as normal pressure zone,shallow ultra?high pressure zone,transitional zone and deep ultra?high pressure zone.Lucaogou formation is located in the deep ultra?high pressure zone which is continuous laterally.Most residual pressures range from 10 to 20 MPa and the pressure coefficient is 1.10～1.50.The paleopres?sure evolution of Lucaogou formation experiences three and a half cycles of pressurization—decompression and there is a good matching re?lationship among the pressure cycle,sedimentation rate,hydrocarbon generation and expulsion and tectonic uplifting.Undercompaction re?sulted from the rapid burial of sediments is the main reason causing the first stage of ultra?high pressure.After reaching the hydrocarbon generation threshold in Late Triassic,hydrocarbon?generating pressurization was the key mechanism for the second and third stages of ultra?high pressure.

Junggar bain;Jimsar sag;Lucaogou formation;basin modeling;paleopressure;pressure coefficient;ultra?high pressure;formation mechanism

TE112.23

A

1001-3873（2016）06-0637-07

10.7657/XJPG20160603

2016-05-23

2016-08-12

國(guó)家973項(xiàng)目（2014CB239005）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05001，2016ZX05006）

賴仁（1992-），男，江西贛州人，碩士研究生，油氣成藏機(jī)理研究，（Tel）18953233609（E-mail）lairenupc@163.com