包友書(shū)

（中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257015）

0 引言

頁(yè)巖油是一種重要的非常規(guī)油氣資源，已經(jīng)在北美地區(qū)海相頁(yè)巖中實(shí)現(xiàn)了成功勘探和開(kāi)發(fā)。我國(guó)東部陸相盆地中也發(fā)育著大量的頁(yè)巖油氣［1-4］，由于對(duì)陸相頁(yè)巖油富集的控制因素等方面認(rèn)識(shí)不足，制約了頁(yè)巖油的有效勘探。在頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，除了考慮泥頁(yè)巖的有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度、儲(chǔ)集性、可壓性等條件外，流體壓力和地應(yīng)力條件也是重點(diǎn)考慮的因素。流體壓力和地應(yīng)力不僅為頁(yè)巖油資源開(kāi)采提供天然能量，也影響著泥頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)育情況，尤其是裂縫及微裂縫的形成和發(fā)展，進(jìn)而影響頁(yè)巖油資源的富集程度和資源潛力。濟(jì)陽(yáng)坳陷是斷-坳復(fù)合型坳陷，豐富的油氣資源得益于古近系沙河街組優(yōu)質(zhì)烴源巖的廣泛發(fā)育，尤其是沙三段和沙四段泥頁(yè)巖。本文以濟(jì)陽(yáng)坳陷主力烴源巖古近系沙河街組泥頁(yè)巖為研究對(duì)象，探討了流體壓力及地應(yīng)力條件特征對(duì)頁(yè)巖油富集的影響。

1 超壓與頁(yè)巖滯留烴富集關(guān)系

1.1 超壓發(fā)育特征

濟(jì)陽(yáng)坳陷異常高壓（壓力系數(shù)高于1.2）多發(fā)現(xiàn)于2 200 m以深地層［5］。隨著埋深增加，鉆遇超壓儲(chǔ)層的概率明顯增高，超壓段的剩余壓力數(shù)值明顯變大。鉆遇概率最大深度范圍一般為3 000～3 800 m，主要分布在各個(gè)凹陷的洼陷帶內(nèi)。超壓層的壓力系數(shù)最高可達(dá)2.0，剩余壓力最高達(dá)40 MPa以上。

2 800 m以深地層中，遠(yuǎn)離斷裂的洼陷中心超壓最強(qiáng)，超壓強(qiáng)度由洼陷中心向洼陷邊緣或距斷裂帶處逐漸降低［6］。2 800 m以淺地層中，鉆遇的超壓層主要分布在連通深部的斷裂帶附近，而中心部位或距斷層較遠(yuǎn)的區(qū)域，很少鉆遇超壓層。這種分布特征差異表明，深部超壓為自源超壓，而淺部超壓的形成與斷裂發(fā)育具有一定關(guān)系，一般認(rèn)為深部超壓流體通過(guò)斷層傳遞至此形成。

1.2 超壓儲(chǔ)層含油氣性

為探索儲(chǔ)層超壓來(lái)源，對(duì)東營(yíng)凹陷和沾化凹陷試油儲(chǔ)層的地層壓力和含油性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，超壓儲(chǔ)層的含油概率明顯高于其他儲(chǔ)層的含油概率，超壓儲(chǔ)層中水層所占比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他儲(chǔ)層。東營(yíng)凹陷3 980個(gè)其他儲(chǔ)層中，試油結(jié)果為水層的840個(gè)，比例高達(dá)21.59%；而484個(gè)超壓儲(chǔ)層中，含油氣儲(chǔ)層475個(gè)，占98.14%；水層9個(gè)，僅占1.03%（有4個(gè)儲(chǔ)層有少量油產(chǎn)出）。沾化凹陷2 721個(gè)其他儲(chǔ)層中，試油結(jié)果為水層的779個(gè)，占28.63%；而119個(gè)超壓儲(chǔ)層中，水層4個(gè)，僅占3.36%（有1個(gè)確定在油水界面以下）。試油結(jié)果表明，幾乎所有的超壓儲(chǔ)層均具有一定程度的含油性。

濟(jì)陽(yáng)坳陷鉆井過(guò)程中，發(fā)生過(guò)多起由于儲(chǔ)層壓力高、鉆井液密度低而發(fā)生的高壓鉆井事故。鉆井液相對(duì)密度大于1.2時(shí)發(fā)生井噴、井涌或水侵的儲(chǔ)層92個(gè)，其中89個(gè)儲(chǔ)層與油氣有關(guān)，僅有3個(gè)儲(chǔ)層為鹽水層，未見(jiàn)油花及氣顯示?？梢酝茰y(cè)，濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系現(xiàn)今儲(chǔ)層內(nèi)的超壓可能與高壓含油氣流體的注入有一定關(guān)系，這種高壓含油氣流體應(yīng)來(lái)自于沙河街組沙三段和沙四段的成熟烴源巖［6］。

1.3 滯留烴、自源超壓與次生孔隙發(fā)育段對(duì)應(yīng)關(guān)系

泥頁(yè)巖熱解參數(shù)S1可以近似表征泥頁(yè)巖內(nèi)滯留烴量的多少，作為頁(yè)巖可動(dòng)油資源潛力的評(píng)價(jià)指標(biāo)［7］。統(tǒng)計(jì)濟(jì)陽(yáng)坳陷泥頁(yè)巖熱解數(shù)據(jù)建立演化剖面，并與地層測(cè)試超壓數(shù)據(jù)剖面及沙河街組沙三下亞段孔隙度演化剖面進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)圖1）。

圖1 濟(jì)陽(yáng)坳陷剩余壓力、泥頁(yè)巖滯留烴和泥頁(yè)巖孔隙度演化

由圖1可以看出，泥頁(yè)巖滯留烴富集段與自源強(qiáng)超壓段及次生孔隙發(fā)育帶具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)圖1a，1b），泥頁(yè)巖在2 800～2 900 m逐漸進(jìn)入滯留烴量高峰區(qū)間，隨著深度增加，滯留烴量明顯增加，直至達(dá)到峰值后再逐漸降低。對(duì)應(yīng)的剩余壓力演化剖面和孔隙度演化剖面也具有相似的變化規(guī)律（見(jiàn)圖1c）。

沙三下亞段泥頁(yè)巖孔隙度演化剖面表明，泥頁(yè)巖總體上經(jīng)歷了壓實(shí)及壓實(shí)后的次生成孔過(guò)程，對(duì)應(yīng)的高剩余壓力帶的高孔隙度并非欠壓實(shí)成因，而是次生作用成因。這些次生增孔作用可能包括伴隨烴類生成而產(chǎn)生的有機(jī)及無(wú)機(jī)酸性流體的溶蝕增孔作用［8-9］，以及高流體壓力及地應(yīng)力作用導(dǎo)致微裂縫開(kāi)啟等。泥頁(yè)巖生烴能力越強(qiáng)，滯留烴量越高，次生孔隙越發(fā)育，剩余流體壓力也越高。

2 地應(yīng)力特征對(duì)頁(yè)巖油富集的影響

2.1 地應(yīng)力場(chǎng)特征

水平最大主應(yīng)力σH和水平最小主應(yīng)力σh與埋藏深度呈遞增關(guān)系［10］，根據(jù)文獻(xiàn)［11-18］資料統(tǒng)計(jì)了濟(jì)陽(yáng)坳陷地層地應(yīng)力數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2）?？傮w上σH為東西向或近東西向［19-20］。2 600 m以淺地層，垂直應(yīng)力σv一般為最大主應(yīng)力，即 σv＞σH＞σh；3 200 m 以深地層，σH一般為最大應(yīng)力，即 σH＞σv＞σh；而在 2 600～3 200 m 地層中，有σv高于σH的數(shù)據(jù)，也有σH高于σv的數(shù)據(jù)。這可能與局部特殊應(yīng)力環(huán)境有關(guān)，某些應(yīng)力集中帶構(gòu)造應(yīng)力高于其他地區(qū)。

圖2 濟(jì)陽(yáng)坳陷深度與地應(yīng)力關(guān)系

濟(jì)陽(yáng)坳陷由σv為最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)換為σH為最大主應(yīng)力的深度不同，一般在塑性沉積層相對(duì)較薄，且碳酸鹽巖含量較高的部位，應(yīng)力環(huán)境轉(zhuǎn)換深度較淺，在2 800～2 900 m進(jìn)入了σH為最大主應(yīng)力的環(huán)境，如東營(yíng)凹陷的南坡區(qū)域；而在洼陷區(qū)，應(yīng)力環(huán)境轉(zhuǎn)換的深度較深。濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系泥頁(yè)巖的σH為最大主應(yīng)力的深度與自源超壓發(fā)育深度段、泥頁(yè)巖滯留烴富集段及泥頁(yè)巖次生孔隙發(fā)育帶有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2 水平應(yīng)力主導(dǎo)成因裂縫特征

當(dāng) σv＞σH＞σh時(shí)，泥頁(yè)巖塑性較強(qiáng)，裂縫一般伴隨斷層分布，平行于斷層或與斷層傾向相反。σH為最大主應(yīng)力時(shí)，成巖作用相對(duì)增強(qiáng)，更易形成廣泛發(fā)育的各種裂縫。通過(guò)一些開(kāi)啟裂縫或被方解石充填的裂縫產(chǎn)狀，可以識(shí)別出此類應(yīng)力環(huán)境下的裂縫，根據(jù)裂縫產(chǎn)狀及形成條件，分為4類典型縫。

1）豎直縫。此類裂縫主要發(fā)育于巖石力學(xué)性質(zhì)均勻，且脆性礦物（主要為碳酸鹽礦物）含量較高的層段。裂縫呈豎直狀或近豎直狀（見(jiàn)圖3a，4a—4c），或總體豎直但局部有微小鋸齒狀，有重結(jié)晶方解石充填縫，又有未充填縫隙，部分裂縫兩側(cè)可見(jiàn)到明顯的橫向錯(cuò)動(dòng)（見(jiàn)圖 4c）。

圖3 濟(jì)陽(yáng)坳陷裂縫產(chǎn)生機(jī)制示意

圖4 濟(jì)陽(yáng)坳陷水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力時(shí)形成的裂縫

2）豎直+水平分支縫。此類裂縫主要發(fā)育于碳酸鹽礦物含量較高、脆性較強(qiáng)且縱向力學(xué)性質(zhì)差異較為明顯的泥頁(yè)巖中。一般呈1條主干縫，橫向派生出一系列近乎水平的分支縫，水平分支縫多沿著原始層面開(kāi)啟的縫隙（見(jiàn)圖 3b，4d，4e），也有部分斜穿過(guò)薄弱層面。主干縫延伸距離一般較短，或收斂于上、下部的塑性巖層，或被開(kāi)啟的水平層間縫阻隔。

3）雁列縫。此類裂縫多發(fā)育于深灰—黑色、微細(xì)紋層發(fā)育且有機(jī)質(zhì)豐度較高的泥頁(yè)巖中。裂縫多被重結(jié)晶方解石所充填，呈透鏡體狀，長(zhǎng)軸為水平或接近水平方向，透鏡體群一般呈雁列式分布（見(jiàn)圖3c，4f，4g）。部分早期發(fā)育的透鏡體雁列縫與后期發(fā)育的雁列縫混雜，觀察不到明顯的雁列。透鏡體大小不一，小的僅幾毫米，大的可橫向穿透整個(gè)巖心。方解石一般來(lái)源于富含碳酸鹽巖的泥頁(yè)巖本身或附近巖石，經(jīng)溶解遷移至裂縫并經(jīng)重結(jié)晶形成。由于頁(yè)巖的橫向和縱向存在較強(qiáng)的力學(xué)性質(zhì)差異，橫向強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于縱向強(qiáng)度。因此，在應(yīng)力作用下穿層破裂（形成豎直縫）發(fā)生之前，先發(fā)生了順層破裂（形成近水平縫）。另外，由于流體超壓的存在，會(huì)抵消部分應(yīng)力，紋層狀泥頁(yè)巖本身存在著潛在的可作為裂隙雛形的層面不連續(xù)縫隙。在早期水平縫內(nèi)，流體作用于垂向接觸面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向接觸面，流體壓力對(duì)垂向應(yīng)力的削減程度要遠(yuǎn)高于橫向上的應(yīng)力削減，更容易導(dǎo)致橫向裂縫的形成和擴(kuò)展。

4）逆沖及派生縫。此類裂縫主要發(fā)育于局部水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力，且與垂向應(yīng)力差值較大的應(yīng)力環(huán)境，而流體壓力較高時(shí)，也可抵消部分垂向應(yīng)力，造成水平最大主應(yīng)力與垂直應(yīng)力差值增大。裂縫呈現(xiàn)出明顯的微小逆斷層形式，周圍發(fā)育一系列微小裂縫（見(jiàn)圖3d，4h，4i），微小斷層縫及派生裂縫有方解石充填縫，也有開(kāi)啟縫隙。微小逆斷層縫伸展范圍較小，一般為幾十厘米以下，收斂于上、下塑性巖層或被橫向裂縫所阻隔。

除了上述4類典型縫，還有大量其他復(fù)合形式及非典型水平應(yīng)力裂縫，說(shuō)明在水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力的環(huán)境下，更容易形成多樣性裂縫。

另外，在橫向應(yīng)力及流體壓力共同作用下，在某些局部應(yīng)力集中帶、偏脆性泥頁(yè)巖段，容易形成較大規(guī)模連續(xù)或斷續(xù)的裂縫及微裂縫帶，成為鄰近泥頁(yè)巖內(nèi)流體壓力調(diào)整、釋放含油流體的重要場(chǎng)所。附近高壓含烴流體短距離聚集形成泥巖裂縫型油藏，這類裂縫油藏也是高勘探程度探區(qū)精細(xì)勘探的目標(biāo)。

3 結(jié)論

1）濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系地層超壓主要來(lái)源于成熟泥頁(yè)巖的生烴增壓，泥頁(yè)巖自源超壓段與滯留烴高峰段及次生孔隙發(fā)育帶相對(duì)應(yīng)。

2）濟(jì)陽(yáng)坳陷地應(yīng)力場(chǎng)最大主應(yīng)力由垂向應(yīng)力轉(zhuǎn)換為水平應(yīng)力的起始深度為2 800 m，在泥頁(yè)巖滯留烴富集、自源超壓發(fā)育及次生孔隙發(fā)育段，水平應(yīng)力一般為最大主應(yīng)力。

3）濟(jì)陽(yáng)坳陷古近系泥頁(yè)巖具有4類水平應(yīng)力為最大主應(yīng)力的成因裂縫：脆性層豎直縫、非均質(zhì)性層豎直主干+水平分支縫、雁列式方解石透鏡體充填縫和擠壓逆沖及派生縫。

4）濟(jì)陽(yáng)坳陷頁(yè)巖油富集段應(yīng)力場(chǎng)與流體超壓耦合有利于形成裂縫及微裂縫儲(chǔ)集層，甚至在局部應(yīng)力集中帶形成泥頁(yè)巖裂縫型油藏。