李偉,陳竹新,黃平輝,于志超,閔磊,魯雪松
(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國(guó)石油西南油氣田公司,成都 610051;3.中國(guó)石油塔里木油田公司,新疆庫(kù)爾勒 841000)
含油氣盆地中超壓體系或異常高壓體系及其與油氣關(guān)系的研究是地質(zhì)學(xué)家們長(zhǎng)期關(guān)注與研究的重要命題。通常開放型沉積地層中的流體壓力即為對(duì)應(yīng)埋深的靜水壓力[1]。在封閉或特殊地質(zhì)背景下的地層流體壓力會(huì)低于或高于靜水壓力值,即異常壓力[1-3]。異常高壓的形成機(jī)制有欠壓實(shí)、生烴作用、構(gòu)造擠壓、斷裂作用、底辟作用、水熱作用、黏土礦物轉(zhuǎn)化、滲透作用、超壓傳遞等多種機(jī)制[3-6]。對(duì)于異常壓力的分類也有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn),Hunt認(rèn)為壓力系數(shù)小于0.96為低壓異常、0.96~1.06為常壓、1.06~1.20為高壓異常、大于1.20為異常高壓[2]。根據(jù)石油地質(zhì)理論與油氣勘探實(shí)踐,普遍將地層壓力系數(shù)小于0.75定義為超低壓地層、0.75~0.90為低壓地層、0.90~1.10為常壓地層、1.10~1.40為高壓地層、大于 1.40為超高壓地層[3]。中國(guó)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義壓力系數(shù)小于0.9為低壓氣藏、0.9~1.3為常壓氣藏、1.3~1.8為高壓氣藏、大于1.8為超高壓氣藏[7]。上述壓力系數(shù)是地層壓力相對(duì)于靜水壓力的強(qiáng)度分類與定義,其命名卻是壓力強(qiáng)度的概念,這不僅使壓力系數(shù)分級(jí)的定義(如高壓、低壓)容易與流體壓力的絕對(duì)值高低定義(如高壓、低壓)相混淆,而且超壓體系中壓力系數(shù)分級(jí)過(guò)于簡(jiǎn)單,不能滿足超壓體系特征的準(zhǔn)確描述。本文按照既滿足勘探開發(fā)實(shí)踐的需求,又滿足便于超壓準(zhǔn)確描述需要的原則,將壓力系數(shù)0.9~1.2定義為常壓、大于1.2統(tǒng)稱為超壓、小于0.9統(tǒng)稱為負(fù)壓,其中壓力系數(shù) 1.2~1.6為弱超壓、1.6~2.0為強(qiáng)超壓、大于 2.0為極強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)0.7~0.9為弱負(fù)壓、0.5~0.7為強(qiáng)負(fù)壓、小于0.5為極強(qiáng)負(fù)壓。根據(jù)前人的研究,中國(guó)中西部前陸盆地多數(shù)都存在地層超壓現(xiàn)象,而且多發(fā)育在前陸沖斷帶-前陸坳陷區(qū)。超壓的成因多為構(gòu)造擠壓、生烴增壓、欠壓實(shí)、壓力傳遞、超壓封存等。對(duì)前陸盆地超壓與油氣關(guān)系,多討論了超壓的封蓋作用等。其主要問(wèn)題是超壓研究多以油氣藏為單元,其宏觀發(fā)育規(guī)律不明,深層至超深層的超壓發(fā)育特征不清,超壓的形成機(jī)制眾說(shuō)紛紜,典型前陸盆地的系統(tǒng)分析很少,區(qū)域超壓與超大型氣田發(fā)育關(guān)系討論很少。以此為基礎(chǔ),本文通過(guò)對(duì)中西部典型前陸盆地實(shí)測(cè)地層壓力、重點(diǎn)探井鉆井液密度、測(cè)井計(jì)算壓力等資料的研究,結(jié)合天然氣地質(zhì)條件分析,探討不同前陸盆地地層流體超壓體系特征與形成機(jī)制以及超壓體系與大規(guī)模天然氣聚集的關(guān)系。
前陸盆地是指造山帶前緣至克拉通地塊之間狹長(zhǎng)坳陷帶,主要由造山帶的前緣沖斷帶、前緣坳陷帶與克拉通地塊邊緣撓曲形成的前陸斜坡與前陸隆起等主要構(gòu)造單元組成[8-9]。中國(guó)中西部前陸盆地最主要特征是多數(shù)不發(fā)育克拉通地塊,而是以疊合盆地沉積地塊為基礎(chǔ)發(fā)育,前陸斜坡與前陸隆起主要受與造山帶相對(duì)應(yīng)的前前陸盆地沉積中某一部分的變形特征所控制,且后前陸盆地階段的演化與改造各不相同[10],由此造成中國(guó)中西部前陸盆地超壓體系的形成機(jī)制與特征存在較大差異。本文以川西前陸盆地、庫(kù)車前陸盆地與準(zhǔn)南前陸盆地等典型前陸盆地的超壓體系為例來(lái)討論其特征與形成機(jī)制的共性與差異性。
1.1.1 川西前陸盆地
川西前陸盆地是指晚三疊世發(fā)育于揚(yáng)子克拉通西緣基底之上,位于龍門山山前的改造型前陸盆地。前前陸盆地沉積期震旦紀(jì)—早中三疊世主要發(fā)育海相沉積,前陸盆地沉積期晚三疊世主要發(fā)育碳酸鹽巖緩坡楔、海陸過(guò)渡相沉積與前陸坳陷型陸相湖盆沉積,后前陸盆地沉積期主要發(fā)育侏羅紀(jì)坳陷型湖盆沉積與白堊紀(jì)—第三紀(jì)的山間盆地沉積[11]。20世紀(jì) 50年代以來(lái),該前陸盆地在震旦系燈影組—下白堊統(tǒng)劍門關(guān)組的 20多個(gè)層系中獲得工業(yè)天然氣流[12],展示出多層系、多巖石類型含氣的局面。這些天然氣藏中既有常壓氣藏又有超壓氣藏,超壓氣藏既發(fā)育在中淺層又發(fā)育在深層—超深層。
1.1.1.1 超壓體系基本特征
對(duì)于川西前陸盆地中生界超壓特征,前人多數(shù)以川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組超壓封存箱與超壓發(fā)育特征、形成機(jī)制等進(jìn)行過(guò)論述[13-16],而對(duì)深層—超深層超壓體系特征、前陸斜坡與前陸隆起區(qū)的超壓特征沒有系統(tǒng)論述。本文通過(guò)鉆井液密度的視壓力系數(shù)轉(zhuǎn)換與地層測(cè)試壓力數(shù)據(jù)分析,初步揭示川西前陸盆地超壓體系發(fā)育基本特征。
在山前帶中淺層、邛西斷裂—熊坡斷裂以南中淺層、威遠(yuǎn)構(gòu)造及其鄰區(qū)等喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響強(qiáng)烈的地區(qū)以常壓為主,其他地區(qū)多發(fā)育弱超壓—極強(qiáng)超壓,展現(xiàn)出超壓體系平面發(fā)育不均衡并受斷裂影響嚴(yán)重的特征(見圖1)。
圖1 川西前陸盆地氣藏分布與上三疊統(tǒng)須家河組超壓及斷裂疊置平面分布特征圖
前陸坳陷區(qū)具有多旋回超壓結(jié)構(gòu)。如劍閣—九龍山構(gòu)造區(qū)在背斜構(gòu)造部位壓力系數(shù)在縱向上存在 4高5低的變化規(guī)律(見圖2):①白堊系—侏羅系至上三疊統(tǒng)須家河組由常壓—弱超壓上升為強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓;②中三疊統(tǒng)雷口坡組至下三疊統(tǒng)嘉陵江組由弱超壓上升為強(qiáng)超壓;③下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組至下二疊統(tǒng)棲霞組由強(qiáng)超壓上升為極強(qiáng)超壓;④志留系至寒武系由強(qiáng)超壓上升為極強(qiáng)超壓,至震旦系降低為弱超壓。
川西前陸盆地超壓具有巨厚層連續(xù)發(fā)育的特征,這一特征在川西坳陷中部—北部以及前陸斜坡區(qū)普遍存在。如雙魚石—九龍山除了山前帶與淺于1 000 m的部分淺層地層外,數(shù)千米地層都是超壓地層,只是超壓發(fā)育強(qiáng)度不同(見圖2)。又如磨溪—高石梯—龍女寺前陸隆起區(qū)下侏羅統(tǒng)—寒武系近5 000 m地層都存在超壓,只有1 000 m以淺部分侏羅系與深層—超深層震旦系為常壓地層(見圖3)。
川西前陸盆地超壓體系具有分區(qū)差異發(fā)育的特征(見圖2)。九龍山構(gòu)造主體及西南斜坡劍閣地區(qū)都是多旋回連續(xù)超壓特征,東南斜坡上的元壩二疊系卻出現(xiàn)常壓氣藏,將連續(xù)的巨厚層超壓地層分隔成中深層與超深層2個(gè)超壓層。雙魚石地區(qū)只發(fā)育2個(gè)超壓旋回,上部超壓旋回由中下侏羅統(tǒng)—須家河組弱超壓、下三疊統(tǒng)嘉陵江組強(qiáng)超壓與中二疊統(tǒng)底部弱超壓組成,下部超壓旋回由中二疊統(tǒng)棲霞組弱超壓與泥盆系觀霧山組強(qiáng)超壓組成。龍崗70井附近縱向超壓特征又與劍閣及雙魚石存在較大的不同。
圖2 川西前陸盆地礦山梁—雙魚石—九龍山—元壩超壓體系特征與天然氣聚集剖面圖(剖面位置見圖1)
川西前陸隆起區(qū)不僅壓力體系發(fā)育差異較大,且主要為單旋回超壓體系(見圖3)。威遠(yuǎn)構(gòu)造區(qū)基本不發(fā)育超壓體系,而高石梯—磨溪—龍女寺地區(qū)卻發(fā)育巨厚層的單旋回超壓體系。威遠(yuǎn)—資陽(yáng)地區(qū)地層壓力系數(shù)基本都在 1.1以下,即使嘉陵江組鹽膏段也是常壓。高石梯—磨溪—龍女寺地區(qū)壓力系數(shù)展現(xiàn)出自上而下由低變高、再由高降低的變化過(guò)程,屬典型巨厚層單旋回超壓體系。
圖3 川西前陸盆地前陸隆起區(qū)威遠(yuǎn)—高石梯—磨溪—龍女寺超壓體系特征與天然氣聚集剖面圖(剖面位置見圖1)
1.1.1.2 超壓體系形成機(jī)制
川西前陸盆地超壓體系的形成既古老又復(fù)雜。王震亮等[16]認(rèn)為川西坳陷須家河組存在欠壓實(shí)與生烴增壓的沉積型古超壓與構(gòu)造擠壓應(yīng)力增壓形成構(gòu)造型古超壓等形成機(jī)制;徐國(guó)盛等[17]通過(guò)數(shù)值模擬研究認(rèn)為須家河組烴源巖進(jìn)入生烴高峰期時(shí)壓力系數(shù)最高可達(dá)2.1。前人研究多認(rèn)為超壓是構(gòu)造應(yīng)力、生烴增壓、欠壓實(shí)與流體封存等因素綜合作用的結(jié)果[13-16,18-19]。本文認(rèn)為鹽膏層塑性超壓封閉與古流體超壓封存是現(xiàn)今超壓體系大規(guī)模形成的主要原因,且不同超壓機(jī)制的形成時(shí)間不同。
現(xiàn)今超壓體系形成機(jī)理之一是鹽膏層的塑性超壓封閉,這一形成機(jī)制主要發(fā)生在中三疊統(tǒng)雷口坡組—嘉陵江組鹽膏段及以下地層,鹽巖與膏巖脆塑性轉(zhuǎn)化主要受溫度和圍壓控制,溫度臨界點(diǎn)為100 ℃,圍壓臨界點(diǎn)為65 MPa,所對(duì)應(yīng)的深度臨界點(diǎn)多在3 000 m左右[20-23]。由于四川盆地晚白堊世以來(lái)長(zhǎng)期隆升使地層遭受剝蝕,部分地區(qū)鹽膏段由原來(lái)的深埋并具有塑性轉(zhuǎn)變成淺埋并具有脆性,從而使鹽膏段形成超壓梯度變化帶或完全具脆性的常壓帶。鹽膏段由塑性轉(zhuǎn)為脆塑性的典型實(shí)例是川中前陸隆起如嘉陵江組—雷口坡組(見圖3)。高石梯—磨溪—龍女寺地區(qū)因喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,侏羅系—白堊系被剝蝕了約2 000 m,地層埋深由白堊紀(jì)末期的4 000~5 000 m變成目前的3 500~2 500 m,但是埋深大于3 000 m的嘉陵江組中下部發(fā)育強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)多為 1.8~2.3,而嘉陵江組上部與雷口坡組發(fā)育弱超壓—強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)為1.4~1.8。如威遠(yuǎn)氣田及鄰區(qū)嘉陵江組—雷口坡組鹽膏段地層埋深都淺于2 500 m,鹽膏層完全變成了脆性,地層壓力系數(shù)多為1.0~1.1,未能形成超壓封閉。川西坳陷區(qū)埋深在4 500~5 500 m的鹽膏段多為強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓(見圖2),但因與上覆地層形成的壓力系數(shù)差較小而導(dǎo)致區(qū)域封閉作用地位降低。
現(xiàn)今超壓體系形成機(jī)理之二是古流體超壓封存。這一超壓形成機(jī)理在川西前陸盆地中生界碎屑巖地層中尤為突出。川西坳陷中北部至川中前陸隆起區(qū)的廣安—合川以西地區(qū)須家河組普遍存在超壓特征,壓力系數(shù)在川中為1.2~1.6、在川西坳陷區(qū)為1.4~2.3,老關(guān)廟—柘壩場(chǎng)—?jiǎng)﹂w—九龍山—元壩地區(qū)的壓力系數(shù)最高,多為 2.0~2.3[18],顯現(xiàn)出極強(qiáng)超壓特征。這是由于自喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái),盆地長(zhǎng)期處于隆升剝蝕狀態(tài),川西地區(qū)侏羅系—白堊系剝蝕了2 000~4 000 m[24],中淺層流體壓力大規(guī)模卸載成常壓與弱超壓,中深層由于巖石致密使流體壓力卸載不暢而得以長(zhǎng)期封存。
超壓體系在川西前陸盆地不同構(gòu)造單元的主要形成機(jī)制存在明顯差異。川西前陸坳陷區(qū)中生界碎屑巖所封存的古流體壓力很高,多為區(qū)域性的強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓,占主導(dǎo)地位的超壓體系形成機(jī)制是中生界碎屑巖中的古流體高壓封存作用,下伏嘉陵江組—雷口坡組鹽膏層的塑性超壓封閉居次要地位。川中前陸隆起區(qū)中生界碎屑巖封存的古流體壓力較低,多為弱超壓,在區(qū)域性超壓封存作用中居次要地位,下伏嘉陵江組—雷口坡組鹽膏層的塑性超壓封閉占主導(dǎo)地位。川西坳陷南部因斷裂發(fā)育、威遠(yuǎn)構(gòu)造及鄰區(qū)因喜馬拉雅晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈改造[24-25]未能形成超壓體系。
綜上所述,川西前陸盆地超壓體系具有巨厚連續(xù)發(fā)育與分區(qū)差異發(fā)育特征,前陸坳陷區(qū)具有多旋回超壓結(jié)構(gòu),前陸隆起區(qū)不僅壓力體系存在較大差異,且發(fā)育單旋回超壓體系。構(gòu)造應(yīng)力、生烴增壓、欠壓實(shí)等是古流體超壓形成的主要機(jī)制,鹽膏層塑性超壓封閉與古流體超壓封存是現(xiàn)今超壓形成的主要機(jī)制。現(xiàn)今超壓體系受喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響明顯,喜馬拉雅期破壞強(qiáng)烈的地區(qū)不發(fā)育超壓體系。
1.1.2 庫(kù)車前陸盆地
庫(kù)車前陸盆地是典型的疊加型前陸盆地[26],經(jīng)歷了三疊紀(jì)周緣前陸盆地、侏羅紀(jì)斷陷盆地、早白堊世坳陷盆地、新生代再生前陸盆地等 4個(gè)演化階段[26],烴源巖主要發(fā)育在三疊紀(jì)周緣前陸盆地晚期與侏羅紀(jì)斷陷沉積盆地的早中期,巨厚砂巖儲(chǔ)集體主要發(fā)育在早白堊世坳陷沉積期,區(qū)域性鹽膏蓋層主要發(fā)育在新生代再生前陸盆地期,由此形成了良好生儲(chǔ)蓋組合。其在新生代早中期快速深埋與生烴,并以Ⅲ型有機(jī)質(zhì)生氣為主[27]。自20世紀(jì)50年代開展油氣勘探以來(lái),除前陸沖斷帶淺層侏羅系發(fā)現(xiàn)含油構(gòu)造外,絕大多數(shù)天然氣聚集在白堊系—第三系。天然氣聚集多以超壓氣藏為特征[28]。
1.1.2.1 超壓體系基本特征
庫(kù)車前陸盆地區(qū)域性超壓體系主要發(fā)育于鹽膏層及以下的地層中,由雙超壓體系疊合而成。前人根據(jù)克拉蘇構(gòu)造帶白堊系—第三系與依南 2井三疊系—侏羅系的研究認(rèn)為庫(kù)車前陸盆地存在第三系鹽膏層—白堊系、侏羅系烴源層—三疊系雙超壓結(jié)構(gòu)[29]。
從平面上看,上超壓體系主要發(fā)育在庫(kù)車坳陷主體部位,北部山前帶與南部斜坡帶多為常壓,超壓分布受構(gòu)造帶控制明顯,強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓呈條帶狀發(fā)育于克拉蘇構(gòu)造帶與秋里塔格構(gòu)造帶,地層壓力系數(shù)高于 1.8的強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓帶主要發(fā)育于克拉蘇構(gòu)造帶以及秋里塔格構(gòu)造帶東段,展現(xiàn)出明顯受線性構(gòu)造控制的基本特征(見圖4)。
圖4 庫(kù)車前陸盆地鹽膏層之下超壓發(fā)育特征與天然氣聚集平面分布特征圖
從剖面上看,庫(kù)車坳陷主體部位雙超壓體系疊置發(fā)育(見圖5)。白堊系—第三系超壓體系主要發(fā)育于克拉蘇構(gòu)造帶—秋里塔格構(gòu)造帶,三疊系—侏羅系超壓體系主要發(fā)育于庫(kù)車坳陷北部—沖斷帶深層??死K構(gòu)造帶及以南古近系鹽下普遍發(fā)育超壓地層,壓力系數(shù)不僅隨埋深加大而降低,且受逆沖構(gòu)造高低的控制明顯,如克拉 2構(gòu)造為強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓,鹽膏層底部壓力系數(shù)可達(dá) 2.16,白堊系氣藏頂部壓力系數(shù)可達(dá) 2.08,并隨埋深的加大而降低到 1.86,顯示出儲(chǔ)集體距離鹽膏層底部越遠(yuǎn)壓力系數(shù)越小的特征,壓力系數(shù)明顯高于克深構(gòu)造;迪那古近系氣田具有極強(qiáng)超壓特征,位于構(gòu)造頂部的迪那22井壓力系數(shù)最高為2.24,位于翼部的迪那 202井壓力系數(shù)為 2.13,構(gòu)造位置更低的迪那11井壓力系數(shù)為2.05,迪那102井壓力系數(shù)僅為 2.02,顯示出距離背斜構(gòu)造頂部越遠(yuǎn)超壓強(qiáng)度越小的規(guī)律。庫(kù)車山前單斜帶因地層出露,壓力順層卸載,鹽下鄰近地層轉(zhuǎn)化成常壓,如克參 1井古近系鹽膏層中的壓力系數(shù)可達(dá) 1.91,而白堊系砂巖中的壓力系數(shù)降到了 1.28;巴什 2井白堊系砂巖壓力系數(shù)僅為1.06。由于中上侏羅統(tǒng)巖性致密,三疊系—侏羅系深層發(fā)育強(qiáng)超壓,如依南2井下侏羅統(tǒng)壓力系數(shù)高達(dá)1.84,三疊系為 1.74。預(yù)測(cè)庫(kù)車坳陷主體北部—克拉蘇構(gòu)造帶深層因煤系烴源巖發(fā)育也存在超壓。
圖5 庫(kù)車前陸盆地深層—超深層超壓體系與天然氣聚集關(guān)系剖面圖(剖面位置見圖4)
1.1.2.2 超壓體系形成機(jī)制
前人對(duì)庫(kù)車坳陷地層超壓進(jìn)行了大量的研究,認(rèn)為超壓形成機(jī)制主要有構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造侵位、生烴增壓、欠壓實(shí)、鹽膏層封閉、超壓傳導(dǎo)、充氣作用、氣柱浮力、構(gòu)造抽吸、壓力封閉、流體熱增壓等[28-34]。張鳳奇等[34]認(rèn)為迪那 2氣藏的形成與異常高壓的形成具有同步性,康村期油氣充注時(shí)為常壓,庫(kù)車期快速沉積形成了欠壓實(shí)超壓,庫(kù)車組剝蝕期到第四紀(jì)的構(gòu)造擠壓是超高壓與氣藏形成的主要時(shí)期;王震亮等[30]認(rèn)為白堊系在庫(kù)車組沉積前處于沉積型超壓階段,而庫(kù)車期以來(lái)則屬沉積型超壓的萎縮和構(gòu)造擠壓型超壓發(fā)育階段。本文通過(guò)對(duì)庫(kù)車前陸盆地地層壓力的研究,認(rèn)為上述觀點(diǎn)均存在局限性,白堊系—古近系的上超壓體系與三疊系—侏羅系的下超壓體系的成因機(jī)制存在明顯的不同,需要分壓力體系來(lái)進(jìn)行研究。
白堊系—古近系上超壓體系形成機(jī)制主要是鹽膏塑性超壓封閉與生烴增壓。鹽膏塑性超壓封閉是區(qū)域超壓體系形成的封蓋條件。庫(kù)車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶至秋里塔格構(gòu)造帶及其廣大的坳陷區(qū)不僅發(fā)育鹽膏層,而且發(fā)育區(qū)域性超壓體系,其他地區(qū)卻因不同原因不發(fā)育超壓體系(見圖4)。庫(kù)車坳陷北部山前單斜帶因鹽膏層多數(shù)被剝蝕而不發(fā)育超壓。南部斜坡區(qū)雖然鹽膏層厚度為100~500 m,玉東、羊塔克、牙哈等構(gòu)造古近系鹽膏層也存在超壓封閉能力,壓力系數(shù)可達(dá)1.4~1.6,而其下部的白堊系多為常壓,壓力系數(shù)為1.08~1.20。生烴增壓是上超壓體系區(qū)域超壓形成的另一必要機(jī)制。南部斜坡帶因烴源巖的熱演化程度較低(見圖5),三疊系—侏羅系Ro值多在 1.2%以下,其以北地區(qū)烴源巖熱演化程度普遍很高,三疊系—侏羅系Ro值多在1.2%以上,大部分地區(qū)達(dá)到1.4%~2.0%,生烴增壓在新近紀(jì)庫(kù)車組沉積期達(dá)到高峰[35]。
另外,線性發(fā)育的強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓帶是塑性鹽膏超高壓力封閉與構(gòu)造作用疊加的結(jié)果。擠壓構(gòu)造帶的強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓的形成與構(gòu)造作用相關(guān),這類作用主要包括構(gòu)造抽吸引起的超壓傳遞或充氣增壓與構(gòu)造應(yīng)力增壓等[34]。
三疊系—侏羅系下超壓體系形成機(jī)制主要是生烴增壓與超壓封存作用。生烴增壓作用主要發(fā)生在除南部斜坡以外的庫(kù)車坳陷區(qū)—山前沖斷帶深層[29,35],超壓流體的封存作用主要發(fā)生在北部單斜帶—依奇克里克沖斷帶深層。由于山前沖斷帶自喜馬拉雅晚期以來(lái)強(qiáng)烈褶皺隆升,地表剝蝕量達(dá)2 000 m以上[24],白堊系以上地層因鹽膏層的缺失或轉(zhuǎn)化為脆性而不再具備封堵能力[36]。而侏羅系致密,不僅中侏羅統(tǒng)泥巖發(fā)育,且其深層砂巖孔隙度也降到了5%,對(duì)深層生烴形成的超壓具有一定的封堵作用,再加上隆升剝蝕的時(shí)間很短,僅2~3 Ma[30,35],部分超高壓流體得以封存。
綜上所述,庫(kù)車前陸盆地區(qū)域性超壓體系由雙超壓體系疊合而成。上部區(qū)域性超壓體系的形成機(jī)制主要是塑性鹽膏超壓封閉與生烴增壓,塑性鹽膏超壓封閉與構(gòu)造作用疊加是線性構(gòu)造帶發(fā)育強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓的主要機(jī)制。下部超壓體系的形成機(jī)制是生烴增壓與超壓流體封存共同作用的結(jié)果。
1.1.3 準(zhǔn)南前陸盆地
準(zhǔn)南前陸盆位于準(zhǔn)噶爾盆地中南部,包括南部山前沖斷帶、南緣褶皺背斜帶、昌吉坳陷帶等[37]。準(zhǔn)南前陸盆地是典型的多類型前陸盆地與坳陷盆地疊合而成,沉積地層厚達(dá)15 000 m[10,38],發(fā)育中二疊統(tǒng)盧草溝組、上三疊統(tǒng)黃山街組—郝家溝組、中下侏羅統(tǒng)八道灣組—頭屯河組、下白堊統(tǒng)清水河組、古近系安集海河組等 5套烴源巖,二疊系—侏羅系烴源巖是主要?dú)庠碵39]。天然氣的主要儲(chǔ)集體有八道灣組、頭屯河組、上侏羅統(tǒng)齊古組和喀拉扎組、清水河組、古近系紫泥泉子組[39]。區(qū)域蓋層有安集海河組、清水河組、頭屯河組—齊古組[40]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)齊古、獨(dú)山子、安集海、吐谷魯、卡因迪克等小型背斜油藏,霍爾果斯、高泉等油氣藏,呼圖壁、瑪河等小型背斜氣藏[38-40]。本文根據(jù)鉆井液密度與地層壓力測(cè)試數(shù)據(jù)探討超壓體系的變化規(guī)律與成因機(jī)制。
1.1.3.1 超壓體系基本特征
準(zhǔn)南前陸盆超壓體系主要發(fā)育在古近系、下白堊統(tǒng)、中下侏羅統(tǒng)。前人認(rèn)為存在安集海河組與八道灣組—三工河組多套超壓層[41-43]。
從平面來(lái)看,準(zhǔn)南前陸盆地侏羅系具有南緣褶皺背斜帶最強(qiáng)并向北逐漸降低的超壓特征。前人認(rèn)為新近系與古近系的超壓主要發(fā)育于霍—瑪—吐褶皺背斜區(qū)[41-43]。近期鉆探揭示高泉背斜與西湖背斜的新近系與古近系也發(fā)育超壓,白堊系的超壓可以擴(kuò)大到部分前陸斜坡帶。山前沖斷帶基本不發(fā)育超壓體系,沖斷帶北側(cè)的褶皺背斜帶普遍發(fā)育極強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)多在2.0以上,并以此為中心向北、向東、向西超壓強(qiáng)度逐漸減弱(見圖6)。
圖6 準(zhǔn)南前陸盆地侏羅系地層壓力變化與油氣聚集關(guān)系平面分析圖
從剖面上看,中淺層超壓體系局限多變,深層—超深層超壓體系廣泛多層系連續(xù)穩(wěn)定。新近系超壓體系相對(duì)較薄、較弱且局限多變(見圖7)。新近系的油氣藏多數(shù)是常壓,壓力系數(shù)為1.0~1.1,只有獨(dú)山子沙灣組油藏壓力系數(shù)為1.73左右的強(qiáng)超壓。
圖7 準(zhǔn)南前陸盆地西段托斯臺(tái)—高泉—卡因迪克超壓體系與天然氣聚集關(guān)系剖面圖(剖面位置見圖6)
古近系超壓體系具有相對(duì)強(qiáng)度大、連續(xù)性與穩(wěn)定性較好、厚度較薄的特征。超壓體系由褶皺背斜帶的極強(qiáng)超壓向北部斜坡區(qū)強(qiáng)超壓及前陸隆起區(qū)的弱超壓變化(見圖8)。準(zhǔn)南前陸盆地西段古近系超壓體系更加發(fā)育,高探 1井區(qū)古近系超壓體系不僅與新近系及白堊系連成整體,且在西湖1井—卡6井與新近系沙灣組底部及白堊系也連成一個(gè)整體。從目前發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)集層分布來(lái)看,古近系既有超壓也有常壓。如霍爾果斯油氣藏壓力系數(shù)為2.36~2.46、安集海油藏壓力系數(shù)為2.18,而呼圖壁氣藏壓力系數(shù)為1.03。
白堊系超壓體系具有南強(qiáng)北弱、西強(qiáng)東弱、穩(wěn)定連續(xù)的基本特征。主要發(fā)育于清水河組,局限發(fā)育于東溝組。南部山前沖斷帶為常壓,斷層下盤的高探 1井白堊系全部為極強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)高達(dá)2.2~2.3;西湖1井白堊系全部為弱超壓,壓力系數(shù)為1.4~1.6,只在中部出現(xiàn)壓力系數(shù)為2.0以上的極強(qiáng)超壓;卡6井區(qū)壓力系數(shù)降至 1.4以下的弱超壓(見圖7)。沖斷帶下盤的吐谷 1井白堊系幾乎都是壓力系數(shù)大于 1.80~1.86的強(qiáng)超壓,大豐1井區(qū)東溝組變?yōu)閴毫ο禂?shù)為1.14的常壓,僅清水河組存在壓力系數(shù)為 1.6~2.0的強(qiáng)超壓,芳草 1井區(qū)清水河組中部薄層泥巖降為壓力系數(shù)1.4以下的弱超壓,馬橋凸起的盆參2井區(qū)變?yōu)槌禾卣鳎ㄒ妶D8)。
侏羅系及以下超壓體系具有南強(qiáng)北弱、穩(wěn)定、連續(xù)、廣泛發(fā)育的基本特征。準(zhǔn)南前陸盆地鉆達(dá)侏羅系的探井多在山前沖斷帶、前陸斜坡帶與前陸隆起區(qū),少數(shù)在坳陷區(qū)。坳陷區(qū)超壓最強(qiáng),如高探 1井侏羅系為極強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)在 2.0以上(見圖7)。山前沖斷帶三疊系—侏羅系多為常壓—弱超壓,如齊古構(gòu)造的壓力系數(shù)為1.21~1.40;坳陷區(qū)為強(qiáng)超壓,如大豐1井上侏羅統(tǒng)壓力系數(shù)為1.8;斜坡區(qū)也是強(qiáng)超壓,如芳草 1井侏羅系壓力系數(shù)為 1.74。前陸隆起區(qū)為弱超壓—極強(qiáng)超壓,如盆參 2井三疊系—侏羅系壓力系數(shù)為1.5~1.6,盆參2井北側(cè)的莫深1井侏羅系至古生界壓力系數(shù)為 1.80~2.12(見圖8)。因此,準(zhǔn)南前陸盆地侏羅系,尤其是中侏羅統(tǒng)及以下多發(fā)育強(qiáng)超壓體系。
圖8 準(zhǔn)南前陸盆地中段齊古—吐谷魯—呼圖壁—莫索灣凸起超壓體系與天然氣聚集關(guān)系剖面圖(剖面位置見圖6)
綜上所述,準(zhǔn)南前陸盆地超壓體系縱向上具有多層系發(fā)育、越深越發(fā)育、越深規(guī)模越大的基本特征,平面上超壓體系在前陸沖斷帶(即山前帶)最不發(fā)育、前陸坳陷的褶皺背斜帶最發(fā)育、斜坡帶較發(fā)育、前陸隆起帶的馬橋凸起只在中侏羅統(tǒng)及以下發(fā)育。
1.1.3.2 超壓體系形成機(jī)制
前人研究認(rèn)為準(zhǔn)南前陸盆地超壓體系的形成機(jī)制主要有構(gòu)造擠壓、欠壓實(shí)、生烴、黏土礦物脫水、水熱增壓、壓力封存箱等[41-43]。本文通過(guò)地層壓力、構(gòu)造變形、烴源巖埋藏演化程度等研究認(rèn)為,應(yīng)重點(diǎn)討論區(qū)域性超壓的形成機(jī)制,而不是局限于特殊超壓形成機(jī)制。
區(qū)域性超壓體系主要是由欠壓實(shí)作用與生烴增壓作用引起。如古近系—新近系的超壓多與泥巖有關(guān),這些泥巖大多沒有進(jìn)入生烴門限,埋深越大,超壓的強(qiáng)度越大。構(gòu)造對(duì)這類超壓的形成貢獻(xiàn)并不大,準(zhǔn)南山前帶是構(gòu)造擠壓最強(qiáng)烈的區(qū)帶,第三系沒有因?yàn)闃?gòu)造擠壓而產(chǎn)生超壓。坳陷區(qū)由于埋深較大,泥巖欠壓實(shí)形成的超高壓普遍存在,尤其該區(qū)局部擠壓褶皺背斜由于構(gòu)造應(yīng)力的作用可形成極強(qiáng)超壓區(qū),如霍爾果斯油氣藏壓力系數(shù)可達(dá) 2.46。中生界侏羅系—白堊系多處于生烴門限之下,埋深越大超壓體系的規(guī)模越大。
厚—巨厚層超壓體系的形成是多種超壓形成機(jī)制聯(lián)合作用的結(jié)果。由于上覆地層超壓體系可產(chǎn)生區(qū)域性的疊置封存作用,從而使坳陷區(qū)白堊系及以下地層、斜坡區(qū)下白堊統(tǒng)及以下地層、前陸隆起馬橋凸起區(qū)中侏羅統(tǒng)及以下地層疊置形成巨厚超壓體系。如高探 1井自新近系至侏羅系持續(xù)發(fā)育超壓,既有新近系與古近系的欠壓實(shí)超壓體系的疊置封閉作用,又有白堊系與侏羅系的生烴增壓作用,兩種作用累加形成厚度超過(guò)4 000 m的超壓地層。又如馬橋凸起中下侏羅統(tǒng)生烴增壓超壓體系疊置封蓋了二疊系—三疊系生烴增壓超壓體系。
由此可知,準(zhǔn)南前陸盆地超壓體系具有多層系發(fā)育、中淺層局限多變、深層—超深層穩(wěn)定連續(xù)且大規(guī)模發(fā)育的特征,超壓體系主要發(fā)育于前陸坳陷-前陸斜坡帶以及前陸隆起中部的深層—超深層。區(qū)域性超壓體系的形成主要是欠壓實(shí)作用與生烴增壓作用,厚層—巨厚層超壓體系的形成是欠壓實(shí)、生烴增壓與超壓疊置封閉等多種超壓形成機(jī)制聯(lián)合作用的結(jié)果。
由于前陸盆地形成以擠壓應(yīng)力為背景,前緣坳陷具有快速沉降與埋藏、前陸沖斷帶具有沖斷帶破壞與線性構(gòu)造發(fā)育、前陸隆起相對(duì)穩(wěn)定等主要特征,因此前陸盆地超壓體系發(fā)育與形成機(jī)制具有一定共性。
超壓體系具有多類型與多層位疊置發(fā)育的共性特征,其成因與前陸盆地晚期的快速沉降充填與盆地性質(zhì)的轉(zhuǎn)化相關(guān)。川西前陸盆地多套陸相與海相地層發(fā)育超壓體系且厚層疊置發(fā)育(見圖2),庫(kù)車前陸盆地三疊系—古近系發(fā)育超壓體系且主要在前陸坳陷帶—前陸沖斷帶疊置發(fā)育(見圖5),準(zhǔn)南前陸盆地新生界發(fā)育欠壓實(shí)超壓層和中生界發(fā)育生烴增壓超壓層且在前陸沖斷帶與坳陷區(qū)大面積疊置發(fā)育(見圖7、圖8)。
超壓體系具有在封閉型沖斷構(gòu)造帶線性發(fā)育強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓的共性特征,其成因與晚期構(gòu)造的強(qiáng)烈擠壓有關(guān)。川西坳陷喜馬拉雅期構(gòu)造擠壓對(duì)封閉體系超壓的形成貢獻(xiàn)很大,老關(guān)廟—柘壩場(chǎng)一帶的構(gòu)造擠壓增壓可達(dá)80%~100%[16],庫(kù)車前陸盆地構(gòu)造擠壓形成條帶狀的強(qiáng)—極強(qiáng)超壓帶,喜馬拉雅期構(gòu)造擠壓形成準(zhǔn)南前陸沖斷帶超壓[43]。
超壓體系的發(fā)育具有前陸坳陷帶較強(qiáng)、前陸斜坡—前陸隆起較弱、前陸隆起深層較強(qiáng)的基本特征,其成因主要與前陸坳陷區(qū)快速深埋生烴增壓與穩(wěn)定前陸隆起深層超壓持續(xù)封存有關(guān)。川西前陸盆地須家河組快速沉積,至中晚侏羅世快速生烴,形成巨厚強(qiáng)超壓地層(見圖2);庫(kù)車前陸盆地生烴增壓作用主要發(fā)生在庫(kù)車坳陷帶—山前沖斷帶深層[29,35];準(zhǔn)南前陸坳陷背斜帶超壓體系最發(fā)育,其成因主要與快速埋藏產(chǎn)生的欠壓實(shí)作用與快速生烴作用有關(guān)[41-43]。
前人認(rèn)為超壓體系或封存箱頂面附近最有利于油氣聚集[2,5],超壓體系是良好蓋層[44-45],超壓是油氣運(yùn)移重要?jiǎng)恿41-43],構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使天然氣向封存箱外“混相涌流”形成規(guī)模次生氣藏[16],超壓層內(nèi)部及其上下都可形成油氣藏[29,34],深層—超深層超壓蓋層與超大型氣田存在著4種不同壓力環(huán)境下的儲(chǔ)蓋組合模式[36,46]。按照中國(guó)氣田規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn),探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量(100~500)×108m3為中型氣田、(500~3 000)×108m3為大型氣田、(3 000~10 000)×108m3為特大型氣田、大于10 000×108m3為巨型氣田[47]。由于前陸盆地超壓體系多發(fā)育在深層—超深層,因此探討超壓體系與天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量大于500×108m3的大氣田形成關(guān)系才更有意義。
前陸盆地是目前中國(guó)陸上天然氣大型氣田發(fā)育的主要區(qū)域,如庫(kù)車前陸沖斷帶克拉2、克深、迪那、大北等氣田[28],川西前陸沖斷帶元壩與雙魚石氣田及前陸隆起安岳、合川等氣田[12,48],準(zhǔn)南前陸坳陷高泉油氣藏[40]等,這些都與區(qū)域性超壓體系發(fā)育有密切關(guān)系。
2.1.1 烴源巖條件
超壓體系內(nèi)與其下部大規(guī)模天然氣聚集的首要條件是充足的氣源。川西前陸隆起安岳巨型海相碳酸鹽巖氣田探明儲(chǔ)量為11 100×108m3,烴源巖為下寒武統(tǒng)麥地坪組—筇竹寺組泥巖;庫(kù)車坳陷鹽下大氣田群探明天然氣儲(chǔ)量為14 100×108m3,烴源巖主要為侏羅系與三疊系煤系泥巖;準(zhǔn)南前陸盆地深層發(fā)現(xiàn)的高泉油氣藏高探1井日產(chǎn)油 1 213×104m3、日產(chǎn)氣 32.17×104m3,展示出大型油氣田的苗頭[40],烴源巖主要為侏羅系—二疊系。
2.1.2 儲(chǔ)集層條件
超壓體系內(nèi)與其下部大規(guī)模天然氣聚集的必要條件是發(fā)育大型儲(chǔ)集體且廣泛發(fā)育與構(gòu)造相關(guān)的各類圈閉。庫(kù)車前陸沖斷帶克拉2、克深、大北等大氣田不僅褶皺背斜構(gòu)造圈閉廣泛發(fā)育,而且古近系底砂巖—下白堊統(tǒng)巴什基奇克組砂巖厚達(dá)150~300 m;川西前陸坳陷劍閣、元壩等須家河組大氣區(qū)以及前陸隆起區(qū)安岳、合川、廣安、蓬萊等須家河組大氣區(qū)砂巖儲(chǔ)集層厚40~260 m;安岳巨型氣田龍王廟組白云巖儲(chǔ)集層在磨溪—龍女寺地區(qū)大面積發(fā)育,白云巖儲(chǔ)集層厚 50~180 m,震旦系燈影組白云巖儲(chǔ)集層厚100~450 m[12]。
2.1.3 封蓋條件
超壓體系內(nèi)與其下部大規(guī)模天然氣聚集的重要封蓋條件是超壓體系的穩(wěn)定與完整發(fā)育。高石梯—磨溪—龍女寺地區(qū)為長(zhǎng)期繼承性古隆起,構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定,深層超壓體系受中生界須家河組—侏羅系自身封存型超壓體系與中下三疊統(tǒng)鹽膏層塑性超壓封存型超壓體系的雙重封堵得以形成巨型天然氣聚集區(qū),探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)13 000×108m3。反之,與之相鄰的威遠(yuǎn)構(gòu)造是喜馬拉雅晚期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)褶皺隆升而成,失去了須家河組與侏羅系的超壓封蓋與塑性鹽膏層的超壓封堵,僅在威遠(yuǎn)震旦系形成了探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量約401×108m3中型氣田[24]。準(zhǔn)南前陸盆地高泉構(gòu)造只在超壓系統(tǒng)內(nèi)發(fā)育斷裂,下伏白堊系—侏羅系聚集了大規(guī)模油氣[40];而吐谷魯構(gòu)造斷裂切穿了白堊系—侏羅系與古近系超壓體系,僅在古近系紫泥泉子組發(fā)育小型油藏。因此,超壓體系的穩(wěn)定性與完整性對(duì)大氣田的形成十分關(guān)鍵。
前人認(rèn)為油氣多聚集于超壓體系的底部或上覆常壓地層中,在超壓體系內(nèi)部也有一定的聚集,只是形成的油氣藏穩(wěn)定性較差,但本文研究認(rèn)為不盡然。
受輸導(dǎo)體系的控制,在超壓體系內(nèi)大氣田常發(fā)育于前陸沖斷帶斷裂系統(tǒng)中上部。庫(kù)車前陸沖斷帶克拉2及克深等大氣田發(fā)育于切穿超壓體系內(nèi)部源儲(chǔ)的斷裂系統(tǒng)頂部(見圖5),川西前陸沖斷帶雙魚石氣藏發(fā)育于切穿超壓體系下部的斷裂系統(tǒng)中上部棲霞組—茅口組(見圖2),準(zhǔn)南前陸盆地西端前陸沖斷帶高泉油氣藏發(fā)育于切穿超壓體系中下部的斷裂體系頂部侏羅系—白堊系(見圖7)。
受超壓封蓋的控制,大氣田常發(fā)育于超壓體系內(nèi)部或底部的常壓或相對(duì)低壓區(qū)。川西前陸隆起區(qū)安岳震旦系特大型氣田燈影組二段氣藏與燈影組四段氣藏都是常壓氣藏,壓力系數(shù)為1.07~1.10,而上覆巨厚層超壓地層的壓力系數(shù)多為 1.4~2.2(見圖3)。川西前陸深層—超深層雙魚石二疊系白云巖氣藏、元壩二疊系—三疊系礁灘氣藏的壓力系數(shù)明顯低于超壓體系中的上下地層(見圖2),其中雙魚石棲霞組氣藏壓力系數(shù)為1.36~1.37,上覆茅口組壓力系數(shù)為1.8,下伏泥盆系壓力系數(shù)為1.48~1.65。
受源儲(chǔ)的控制,超壓體系內(nèi)的大氣田常發(fā)育于距烴源較近且儲(chǔ)集體規(guī)模大的區(qū)域。安岳大氣田震旦系氣藏賦存于下寒武統(tǒng)筇竹寺組優(yōu)質(zhì)厚層烴源巖之下,下寒武統(tǒng)龍王廟組氣藏發(fā)育于該套烴源巖之上。川中超壓體系上部須家河組烴源巖發(fā)育,安岳須家河組形成了壓力系數(shù)為 1.4~1.6的須二段大型致密氣藏,探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)2 000×108m3。川中巨型超壓體系內(nèi)部龍王廟組儲(chǔ)集層主要發(fā)育在磨溪地區(qū),其他層位都因儲(chǔ)集體規(guī)模較小只發(fā)育中小型氣藏。
中國(guó)陸上典型前陸盆地中雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)大型—巨型天然氣田,但本文認(rèn)為還有新領(lǐng)域值得重視,如川西前陸盆地封存型超壓體系內(nèi)的前陸隆起—斜坡區(qū)海相碳酸鹽巖與坳陷帶中北部中生界致密砂巖氣、庫(kù)車前陸盆地前緣三角帶鹽下白堊系砂巖與前陸坳陷侏羅系—三疊系致密砂巖、準(zhǔn)南前陸盆地深層—超深層等均是天然氣大規(guī)模聚集的重要新領(lǐng)域。
中國(guó)中西部典型前陸盆地區(qū)域性超壓體系發(fā)育與形成機(jī)制各具特色。川西前陸盆地現(xiàn)今區(qū)域性超壓體系主要受喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與超壓封存作用控制,具有巨厚層連續(xù)與分區(qū)差異發(fā)育的規(guī)律;庫(kù)車前陸盆地區(qū)域性超壓體系主要受鹽膏塑性超壓封閉與生烴增壓作用控制,由鹽膏層及以下地層雙超壓體系疊合而成;準(zhǔn)南前陸盆地區(qū)域性超壓體系主要受欠壓實(shí)與生烴增壓作用控制,具有多層系發(fā)育、中淺層局限多變、深層—超深層穩(wěn)定連續(xù)且規(guī)模大的特征。超壓體系存在多類型超壓與多層位超壓疊置發(fā)育、前陸坳陷帶發(fā)育強(qiáng)超壓、封閉性前陸沖斷構(gòu)造帶線性發(fā)育強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓、前陸隆起區(qū)深層發(fā)育強(qiáng)超壓—極強(qiáng)超壓等共性特征。
超壓體系及其以下大氣田形成必須同時(shí)具備大規(guī)模烴源巖、大規(guī)模儲(chǔ)集體與穩(wěn)定完整的區(qū)域性超壓體系等 3個(gè)重要條件。大氣田常發(fā)育于超壓體系內(nèi)斷裂系統(tǒng)的中上部、超壓體系內(nèi)或底部常壓與相對(duì)低壓區(qū)、超壓體系內(nèi)近源且儲(chǔ)集層大規(guī)模發(fā)育區(qū)。超壓體系對(duì)流體的封存與封蓋都是區(qū)域性的,有利于深層與超深層大型氣田的形成。
川西前陸盆地前陸隆起—斜坡區(qū)海相碳酸鹽巖與坳陷帶中北部中生界致密砂巖氣、庫(kù)車前陸盆地前緣三角帶鹽下白堊系砂巖與前陸坳陷侏羅系—三疊系致密砂巖、準(zhǔn)南前陸盆地深層—超深層均是天然氣大規(guī)模聚集的重要新領(lǐng)域。