劉曦翔，楊正茂，丁曉琪，楊鵬

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610501；2.中國(guó)石化華東分公司開(kāi)發(fā)處，江蘇 南京210019；3.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都610059）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

張家垛油田位于蘇北盆地海安凹陷內(nèi)的曲塘次凹，是一個(gè)由邊界斷層控制的鼻狀構(gòu)造（見(jiàn)圖1）。其中阜三段儲(chǔ)層為一套淺湖沉積的透鏡狀灘壩砂體，埋深在3 000 m 左右，平均孔隙度17%，平均滲透率17.0×10-3μm2。從目前的勘探情況來(lái)看，雖然儲(chǔ)層埋深較大，但儲(chǔ)層的物性較好，粒間孔發(fā)育，有效儲(chǔ)層的分布與欠壓實(shí)存在密切關(guān)系。査明［1］等在對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，安集海河組中由于異常壓力的發(fā)育，減緩了壓實(shí)作用，使儲(chǔ)集空間得以保存，孔隙度高達(dá)30%以上。Tingay［2］等在對(duì)新生代的巴拉姆三角洲沉積進(jìn)行研究時(shí)亦發(fā)現(xiàn)，在異常壓力帶內(nèi)孔隙度與壓力正常位置相比更高。前人［3-4］研究認(rèn)為在張家垛地區(qū)欠壓實(shí)成因的異常壓力抑制了壓實(shí)作用，從而使儲(chǔ)層的原生粒間孔隙得到保存，異常壓力較大的區(qū)域，儲(chǔ)層物性往往較好，因此異常壓力與阜三段中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布息息相關(guān)，同時(shí)也影響著油氣成藏［5-8］。明確異常壓力的成因與分布，不但能夠提高研究區(qū)中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)精度，也是進(jìn)一步對(duì)油氣成藏進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。利用測(cè)井資料，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景對(duì)張家垛地區(qū)異常壓力的成因進(jìn)行分析，再利用伊頓法對(duì)阜三段中的單井與平面異常壓力進(jìn)行計(jì)算，并分析其在剖面與平面上的分布特征，為該區(qū)的勘探與開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

圖1 張家垛油田構(gòu)造位置及阜三段Ⅲ砂組頂面構(gòu)造

2 異常壓力成因

自1953年Dickinson［9］為解決由異常壓力所引起的鉆井與完井問(wèn)題，對(duì)美國(guó)墨西哥灣中新生界的地層中的異常壓力進(jìn)行研究，至今對(duì)于異常壓力現(xiàn)象已做了大量的工作，國(guó)內(nèi)外學(xué)者總結(jié)出了10 余種異常壓力的形成機(jī)理［10-12］。在含油氣盆地中異常壓力可能是一種或多種異常壓力形成機(jī)理所致，而在張家垛油田阜寧組中，綜合各種資料進(jìn)行分析認(rèn)為，其中異常壓力是由欠壓實(shí)機(jī)理造成的。

首先，欠壓實(shí)的形成主要是因?yàn)樵谀噘|(zhì)沉積物壓實(shí)過(guò)程中，在達(dá)到一定埋藏深度后，位于邊緣位置的沉積物已經(jīng)壓實(shí)，造成內(nèi)部的流體排出受阻，無(wú)法正常排出的流體承擔(dān)了部分巖石骨架應(yīng)力，造成流體壓力高于正常的靜水壓力。因此，欠壓實(shí)形成的地層中往往需要具有快速沉積的特征和厚層泥巖沉積。已有的研究表明，當(dāng)砂泥巖沉積物沉積速率超過(guò)100 m/Ma 時(shí)就可能產(chǎn)生欠壓實(shí)［13］。張家垛地區(qū)北東—南西向剖面圖（見(jiàn)圖2）顯示，阜三段在沉積后快速埋藏，其埋藏速度超過(guò)115 m/Ma，在38 Ma 之前，雖有間斷性抬升，但幅度很小。同時(shí)，阜三段的沉積相為淺湖灘壩沉積，具有沙泥頻繁互層的特點(diǎn)，其中薄層狀的砂巖透鏡體常被泥巖所包裹，其中的孔隙水不易排出，具備欠壓實(shí)形成的條件，在薄片中觀察到巖石中的顆粒亦以點(diǎn)-線接觸為主，說(shuō)明其壓實(shí)程度較低（見(jiàn)圖3）。

圖2 張家垛地區(qū)新生代埋藏史

圖3 巖心顯微照片

常見(jiàn)的異常壓力成因除欠壓實(shí)外，還有干酪根生烴、構(gòu)造擠壓以及黏土礦物的轉(zhuǎn)換。而蘇北盆地中新生代以來(lái)以拉張或斷陷為主［14］，故張家垛油田不具備由構(gòu)造擠壓作用形成異常壓力的構(gòu)造背景。對(duì)于黏土礦物轉(zhuǎn)化作用，通常是指蒙皂石在一定的條件下大量向伊利石轉(zhuǎn)化從而釋放出其層間水導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力增大，但通過(guò)對(duì)黏土礦物的X 射線衍射分析得出，該區(qū)伊/蒙混層相對(duì)體積分?jǐn)?shù)約60%，而伊利石相對(duì)體積分?jǐn)?shù)僅為7%，說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生大量的黏土礦物的轉(zhuǎn)化，因此也不具備黏土礦物轉(zhuǎn)化而造成異常壓力的條件。

再者，由于欠壓實(shí)與干酪根生烴的作用機(jī)理不同，因此在測(cè)井曲線上會(huì)呈現(xiàn)出不同的特征。Agus［18］研究認(rèn)為，欠壓實(shí)產(chǎn)生的異常高壓在壓力剖面上體現(xiàn)出孔隙壓力值與靜巖壓力值近似平行，相應(yīng)地層中作用于巖石上的有效應(yīng)力近似一常數(shù)的特征，故在異常壓力的頂界面以下出現(xiàn)孔隙度接近于某一常數(shù)值，在測(cè)井上即反應(yīng)為聲波在異常壓力段接近某一常數(shù)。而干酪根生烴造成的異常壓力在聲波測(cè)井上則表現(xiàn)出較明顯的反轉(zhuǎn)特征［15-19］。

通過(guò)讀取張家垛地區(qū)張3 等井較純泥巖段 （在測(cè)井上自然伽馬值較高，電阻率較低同時(shí)井眼沒(méi)有發(fā)生垮塌）的聲波測(cè)井值，得出各井聲波時(shí)差隨深度變化的趨勢(shì)圖 （見(jiàn)圖4），從圖4可以看出，在鹽城組二段（Ny2）以上，聲波測(cè)井值隨深度的增加而減小，向下在鹽城組一段（Ny1）聲波值基本為一常數(shù)，具有明顯的欠壓實(shí)特征，到三垛組二段（Es2）時(shí)其恢復(fù)為正常趨勢(shì)，而向下再次出現(xiàn)聲波值接近于某一常數(shù)的特征。

圖4 張3 井泥巖聲波測(cè)井特征

因此，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景、測(cè)井資料以及分析化驗(yàn)資料，綜合分析認(rèn)為，張家垛地區(qū)的異常壓力是由欠壓實(shí)作用造成，因此阜三段儲(chǔ)層在異常壓力較發(fā)育的位置具有較好的物性。

3 異常壓力的預(yù)測(cè)

在對(duì)異常壓力的預(yù)測(cè)過(guò)程中，由于實(shí)測(cè)壓力資料較少且局限于目的層段，因此不能反映壓力在縱向上的變化特征。而研究區(qū)中有著豐富的測(cè)井資料，在碎屑巖地層中，泥巖的壓實(shí)程度反映著地層有效應(yīng)力的變化。而測(cè)井資料則能夠通過(guò)泥（頁(yè)）巖被壓實(shí)等因素造成地層中流體排驅(qū)不暢而引起的孔隙度變化，從而通過(guò)有效應(yīng)力的概念來(lái)研究流體壓力和地層壓力。同時(shí)，聲波資料在在縱向上具有良好的連續(xù)性，能夠反映出單井縱向上的壓實(shí)程度的變化與壓力的特征，并且可以分析出利用伊頓法計(jì)算地層壓力的所需的伊頓參數(shù)，為進(jìn)一步利用地震資料求取異常壓力平面分布做好準(zhǔn)備。

由于砂巖在不同的層位其對(duì)應(yīng)的成分不同，所受成巖作用程度不一，故其孔隙度的變化不能準(zhǔn)確地反映其所對(duì)應(yīng)的壓實(shí)程度。而泥巖由于原始組分相對(duì)穩(wěn)定，其孔隙度變化主要受控于有效應(yīng)力，因此，可以通過(guò)研究泥巖的壓實(shí)程度來(lái)間接反映異常壓力的分布。首先，需要在測(cè)井曲線上選取較純的泥（頁(yè)）巖數(shù)據(jù)點(diǎn)（自然伽馬幅度大，視電阻率低，自然電位曲線在基線位置，中子伽馬數(shù)值低，地層厚度大，井徑較規(guī)則）。然后做各數(shù)據(jù)點(diǎn)與井深的關(guān)系圖，并建立正常的壓實(shí)趨勢(shì)線方程，再通過(guò)求壓公式求取異常壓力段的壓力值。異常壓力的求取方法眾多，在張家垛地區(qū)主要通過(guò)伊頓法［2］對(duì)地層的壓力進(jìn)行計(jì)算，其公式如下：

式中：pP，pob，ph分別為靜巖壓力、靜水壓力、孔隙壓力，MPa；Δto，Δt 分別為某點(diǎn)理論聲波時(shí)差值和實(shí)際聲波時(shí)差值，μs/m；n 為伊頓指數(shù)。

通常欠壓實(shí)作用作用造成的異常壓力與聲波時(shí)差偏離正常壓實(shí)曲線的程度（Δto/Δt）有關(guān)，因此建立工區(qū)各井的正常壓實(shí)曲線后，對(duì)各井壓實(shí)曲線進(jìn)行擬合，得出n 值應(yīng)取1.5。

靜巖壓力是指上覆巖石骨架和孔隙空間流體的總重量所引起的壓力，計(jì)算公式為

式中，H 為覆巖層的垂直高度，m；ρr為上覆沉積物平均密度，取2.3 g/cm3；g 為重力加速度，取9.8 N/kg。

靜水壓力是指由靜水柱造成的壓力。靜水壓力的大小與液體的密度和液柱的高度有關(guān)，計(jì)算公式為

式中：h 為靜水柱的高度，m；ρw為巖石孔隙中流體的平均密度，取1.0 g/cm3。

由此可計(jì)算出各井異常壓力的縱向分布（見(jiàn)圖5），從圖中可以看出，異常壓力最初出現(xiàn)于鹽城組一段（Ny1），但壓力較小，在三垛組二段中消失，向下至三垛組一段時(shí)異常壓力再次出現(xiàn)，向下逐漸增大，其出現(xiàn)位置與聲波測(cè)井所表現(xiàn)出的欠壓實(shí)特征相一致。

圖5 張家垛縱向壓力系數(shù)剖面

4 異常壓力的分布特征

在對(duì)研究區(qū)所有單井壓力進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算出各井的壓力系數(shù)并做出張家垛地區(qū)東西向的壓力系數(shù)剖面（見(jiàn)圖5）。從圖中可以看出，在張家垛地區(qū)縱向上存在2 個(gè)異常壓力帶，第1 個(gè)壓力帶出現(xiàn)在鹽城組二段（Ny2）的底部至鹽城組一段（Ny1）。而第2 個(gè)異常壓力帶始于三垛組頂部，向下壓力逐漸變大，到阜寧組四段時(shí)異常壓力值接近最大，壓力系數(shù)達(dá)到1.50，向下再次減小。阜三段壓力系數(shù)在1.20～1.40，但在張101井區(qū)與張2-1 井區(qū)間有小部分區(qū)域的壓力系數(shù)亦達(dá)到1.50，在剖面上總體呈現(xiàn)出東高西低的特點(diǎn)。

在利用測(cè)井資料對(duì)張家垛地區(qū)壓力剖面特征進(jìn)行分析后，從地震資料中提取阜三段中部的穩(wěn)定泥巖段的速度，同樣使用伊頓法，伊頓指數(shù)值同樣取1.50，通過(guò)計(jì)算得出阜三段異常壓力在平面上分布（見(jiàn)圖6），從圖6可以看出，現(xiàn)有的井區(qū)多數(shù)位于北部斷層附近的構(gòu)造位置相對(duì)較高但區(qū)域壓力相對(duì)較小，壓力系數(shù)主要分布在1.20～1.40，與在壓力剖面中所觀察到的特征一致。向南部深凹中，異常壓力逐漸增大，在凹陷中心附近壓力系數(shù)最大達(dá)到1.55，而再向南，地層埋深變淺，異常壓力的值又逐漸減小。

圖6 張家垛阜三段地層壓力分布

5 討論

阜寧組三段壓力剖面顯示異常壓力具有東高西低的特點(diǎn)，以張101 井為東西區(qū)的分界，分別對(duì)各井巖樣的孔滲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，在壓力較低的西區(qū)其平均孔隙度為13.6%，平均滲透率為13.9×10-3μm2，在壓力較高的東區(qū)平均孔隙度為14.5%，平均滲透率為19.0×10-3μm2。生產(chǎn)中亦證實(shí)，西區(qū)張4B 井雖所處構(gòu)造位置較高但沒(méi)有自然產(chǎn)能，而東區(qū)各井均鉆遇工業(yè)油流。說(shuō)明異常壓力在一定程度上控制著有效儲(chǔ)層的分布。

現(xiàn)有的鉆井大多位于張家垛北部邊界斷層附近相對(duì)較高的位置上，其埋深在3 000 m 左右，壓力系數(shù)在1.2～1.4。張家垛地區(qū)地層壓力系數(shù)的平面圖顯示，壓力系數(shù)向南往凹陷中心方向逐漸增大，在中心附近達(dá)到1.55 左右。由此推斷，在凹陷中心部位雖然其埋深較大，但由于存在更大的異常壓力，其壓實(shí)作用受到抑制，因此其中亦可能發(fā)育有效儲(chǔ)層。近期完鉆的張3-2HF、張1-2HF 井均證實(shí)凹陷中存在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

6 結(jié)論

1）阜寧組三段中的異常壓力的成因是欠壓實(shí)，欠壓實(shí)作用的發(fā)育，使得其中的原生粒間孔隙得以保存，因此，儲(chǔ)層在較深的埋深下依然具有相對(duì)較高的孔隙度與滲透率。

2）張家垛油田剖面壓力特征中可以看出，張家垛地區(qū)具有2 個(gè)異常高壓帶，阜寧組三段位于下方高壓帶中，具有西低東高的特征，且壓力較高的區(qū)域中儲(chǔ)層具有較好的物性。

3）阜寧組三段中，異常壓力系數(shù)在斷裂較發(fā)育的高部位相對(duì)較小在1.20～1.40，向凹陷中心方向，壓力逐漸增大，在凹陷中心附近最大達(dá)到1.55，由于深凹部位具有較大的異常壓力，因此推測(cè)雖然埋深較大但仍可能發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。

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