王 剛 范昌育 李子龍 吳 雙 張隨隨

1.西北大學地質(zhì)學系 2.大陸動力學國家重點實驗室 3.中國石油塔里木油田公司英買油氣開發(fā)部英潛采油作業(yè)區(qū)

0 引言

泥巖壓實規(guī)律研究不僅具有很高的學術價值，而且對石油、天然氣工業(yè)來說也是至關重要的，對盆地建模、地震解釋、鉆孔穩(wěn)定性以及蓋層封閉性確定等都具有重要的意義[1-4]。壓實是受壓力控制的一種現(xiàn)象，壓實時，通常將使構(gòu)成沉積物的顆粒在垂向上更緊密地聚集在一起。沉積盆地內(nèi)，應力是由經(jīng)受壓實巖石上覆沉積物的有效重量產(chǎn)生的[5]。當上覆沉積物產(chǎn)生的應力到達最大值，即巖石處于最大埋深時，壓實強度最大，稱之為最大埋深期泥巖壓實規(guī)律。由于壓實的不可逆性，現(xiàn)今泥巖壓實與最大埋深期泥巖壓實保持一致。強擠壓盆地內(nèi)，在上覆應力和側(cè)向應力共同控制下，泥巖既發(fā)生垂向壓實又存在側(cè)向壓實。較之于垂向壓實，構(gòu)造擠壓引起的側(cè)向壓實使泥巖孔隙和聲波時差進一步減小，泥巖體積密度和垂向有效應力相應增大。因此，強擠壓盆地內(nèi)現(xiàn)今泥巖壓實是在最大埋深期泥巖壓實的基礎上，被構(gòu)造擠壓作用改造的最終結(jié)果。然而，國內(nèi)外對最大埋深期泥巖壓實規(guī)律的研究多“將今論古”，使用現(xiàn)今的測井或物性數(shù)據(jù)進行研究[1,3,6-10]。這給后期強擠壓改造盆地的泥巖壓實規(guī)律認識帶來較大的誤差。但是，這類盆地中往往存在著一些弱擠壓區(qū)與弱剝蝕區(qū)，沉積了與強擠壓區(qū)相似類型的泥巖，其泥巖壓實規(guī)律可以被認為與強擠壓區(qū)最大埋深期泥巖壓實規(guī)律近似，因而可用于建立強擠壓區(qū)最大埋深期泥巖壓實規(guī)律模型，進而揭示強擠壓區(qū)的壓實規(guī)律。

2017年，庫車前陸盆地累計探明天然氣地質(zhì)儲量為1.13 1012m3，三級地質(zhì)儲量為1.92 1012m3，建成了我國第一個超萬億立方米級的大氣區(qū)[11]，該氣區(qū)天然氣的富集與超壓的分布具有密切的聯(lián)系[6]。前人在研究現(xiàn)今泥巖壓實規(guī)律對超壓成因、流體壓力定量評價的意義等方面做了大量工作[6-7,12-13]，然而，庫車前陸盆地作為典型的強擠壓型盆地，最大埋深期泥巖壓實規(guī)律的研究及其對超壓的影響一直是研究的薄弱點。為此，筆者在分析庫車前陸盆地中的克拉蘇沖斷帶和南部斜坡帶構(gòu)造擠壓特征和地層沉積特征的基礎上，重建了克拉蘇沖斷帶最大埋深期泥巖壓實模型，揭示了該盆地最大埋深期泥巖壓實規(guī)律，探討了最大埋深期泥巖壓實規(guī)律對壓力成因判定、最大埋深期流體壓力定量評價的影響。

1 地質(zhì)背景

庫車前陸盆地位于塔里木盆地北部，其北抵南天山山脈，南臨塔北隆起；北東東向延伸，南北寬介于30～80 km，東西長約550 km，面積約為3.7 104km2[14-15]。其內(nèi)部構(gòu)造單元可分為北部單斜帶、克拉蘇沖斷帶、依齊克里克沖斷帶、秋里塔格構(gòu)造帶、南部斜坡帶及烏什凹陷、拜城凹陷、陽霞凹陷[16]，如圖1-a所示。

1.1 構(gòu)造擠壓特征

庫車前陸盆地經(jīng)歷了晚二疊世—三疊紀的前陸盆地、侏羅紀—古近紀的伸展坳陷盆地和新近紀—第四紀內(nèi)陸前陸盆地演化階段[18-20]。在內(nèi)陸前陸盆地演化階段，由于北部南天山山脈的隆起，強烈的構(gòu)造擠壓形成現(xiàn)今庫車前陸盆地強擠壓構(gòu)造變形格局，由北向南變形強度逐漸減弱，變形層次逐漸變淺，在剖面上形成一個向南逐漸變薄的推覆構(gòu)造楔[13]（圖1-b）。以北部克拉蘇沖斷帶為例，地層褶皺、逆沖斷裂發(fā)育，巖石變形程度大，喜馬拉雅晚期剝蝕厚度可達1 000～3 000 m[12]，受構(gòu)造擠壓影響大，為典型的強擠壓區(qū)[21]。南部斜坡帶是由緊鄰庫車前陸盆地的隱伏古隆起發(fā)育而來，進入庫車再生前陸盆地演化階段之后，區(qū)域進入穩(wěn)定沉積階段，晚期受印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠程構(gòu)造影響成為再生前陸盆地北傾斜坡帶的一部分[22-24]。其地層平緩，褶皺、斷裂少，喜馬拉雅晚期剝蝕厚度小于1 000 m[12]，大部分地區(qū)剝蝕厚度介于0～500 m，后期改造弱，并于北部局部地區(qū)發(fā)育伸展背景下的張扭性斷裂系統(tǒng)[25]，為區(qū)域典型的弱擠壓區(qū)[20]。

圖1 庫車前陸盆地構(gòu)造圖

1.2 地層和沉積特征

新近紀以來，庫車前陸盆地受到強烈的由北向南的擠壓作用，接受南天山山脈的物源，沉積了較厚的新生代，包括中新統(tǒng)吉迪克組、康村組和上新統(tǒng)庫車組。吉迪克組—康村組沉積時期，來自南天山山脈的物源在盆地邊緣直接入湖，在中西部南天山山前一帶形成扇三角洲沉積，逐漸向盆地方向發(fā)展為面寬而水淺的湖泊相沉積（圖2-a）；庫車組沉積時期，氣候干旱，前陸盆地邊緣的剝蝕區(qū)風化強烈，物源充足，在南天山山脈山前一帶發(fā)育沖積扇—曲流河沉積，之后逐漸變?yōu)闆_積平原相沉積，在南東方向上發(fā)育廣闊的氧化環(huán)境下面寬而水淺的湖泊沉積[26]（圖2-b）。由新近紀沉積相分布特征可知，克拉蘇沖斷帶和南部斜坡帶具有相同的物源，處于同一沉積體系，但沉積相略有差異。吉迪克組—康村組沉積時期，克拉蘇沖斷帶以湖泊相為主，局部地區(qū)發(fā)育扇三角洲相，南部斜坡帶主要發(fā)育湖泊相，在東南部存在膏鹽湖相，但其發(fā)育范圍有限；庫車組沉積時期，克拉蘇沖斷帶發(fā)育沖積平原相，局部發(fā)育沖積扇相，南部斜坡帶為湖泊相。對于同物源、同沉積體系的泥巖而言，其礦物組成近似，礦物顆粒形態(tài)差異小，沉積類型近似（圖2）。因此，南部斜坡帶泥巖可用于建立強擠壓區(qū)克拉蘇沖斷帶最大埋深期壓實規(guī)律模型。

圖2 庫車前陸盆地新近紀時期沉積相圖

2 最大埋深期泥巖壓實模型

2.1 泥巖壓實表征模型

2.1.1 壓實曲線

壓實曲線和加載曲線被廣泛用于描述泥巖正常壓實地層（流體壓力為靜水壓力）的壓實，壓實曲線即聲波時差—深度曲線，目前普遍使用經(jīng)驗公式表征[27-28]，即

式中Δt表示深度z處的聲波時差，μs/m；Δt0表示地表聲波時差，一般取值650 μs/m；c'表示壓實系數(shù)或壓實斜率，m－1；z表示埋藏深度，m。

2.1.2 加載曲線

加載曲線即聲波速度—垂向有效應力曲線，聲波速度為聲波時差的倒數(shù)，其函數(shù)表達式為：

式中v表示巖石聲波速度，m/s；v0表示巖石地表聲波速度，m/s。

巖石垂向有效應力是巖石骨架所承擔的上覆負荷。特察方程[29-30]被廣泛用于計算巖石垂向有效應力，其描述了巖石壓實過程中上覆負荷、流體壓力和垂向有效應力之間的關系，此函數(shù)關系式涵蓋泥巖壓實的全過程，其表達式為：

式中δ表示巖石垂向有效應力，MPa；S表示巖石上覆負荷，MPa，一般通過巖石平均密度求取，即S=ρagz；p表示巖石內(nèi)流體壓力，MPa，當巖石處于正常壓實時，p=ρwgz。

由此，式（3）可進一步表示為：

式中ρa表示巖石上覆負荷平均密度，g/cm3；g表示重力加速度，取值9.8 m/s2；ρw表示地層流體的密度，一般取值1.02 g/cm3。

對式（4）進一步變形，得到：

將式（5）代入式（2）中，得到加載曲線的函數(shù)表達式：

由式（6）可知，在自變量δ的范圍內(nèi)，加載曲線的幾何形態(tài)呈現(xiàn)為指數(shù)函數(shù)形式。在泥巖正常壓實地層中，以壓實曲線即式（1）和加載曲線即式（6）作為泥巖壓實的表征模型。

2.2 庫車前陸盆地康村組泥巖壓實模型

由式（1）、（6）可知，壓實系數(shù)c'是表征泥巖壓實的關鍵參數(shù)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓實系數(shù)受控于正常壓實地層的沉積速率[28,31-33]，沉積速率越快，壓實系數(shù)越小，泥巖壓實越弱。庫車前陸盆地南部斜坡帶和克拉蘇沖斷帶正常壓實地層主要包括康村組和庫車組，由于庫車組遭受局部或完全剝蝕，致使庫車組沉積速率無法求取?？紤]到康村組地層層序完整，且與庫車組為連續(xù)沉積，沉積背景也相同，因此，使用康村組沉積速率表征正常壓實地層的沉積速率。利用分層去壓實校正法[34]，恢復了南部斜坡帶和克拉蘇沖斷帶康村組原始厚度，結(jié)合康村組沉積時間，得到康村組的沉積速率（圖3）。南部斜坡帶19口井的沉積速率與泥巖壓實系數(shù)呈負相關，隨沉積速率增大，壓實系數(shù)變?。▓D4-a），其函數(shù)關系為：

圖3 庫車前陸盆地正常壓實地層沉積速率圖

式中c'表示壓實系數(shù)，m－1；Dr表示地層的沉積速率，m/Ma。

除此之外，上覆負荷平均密度是影響壓實系數(shù)的另一因素，兩者呈正相關關系。同一埋深，上覆巖石平均密度越大即上覆負荷越大，其對地層壓實越強，泥巖壓實系數(shù)越大。南部斜坡帶泥巖壓實系數(shù)與上覆巖層的平均密度呈正相關，隨上覆巖層平均密度增大，壓實系數(shù)隨之增大（圖4-b），其函數(shù)關系為：

式中ρmb表示巖石上覆負荷平均密度，g/cm3。

為了減少擬合公式的計算誤差，綜合考慮多因素的影響，提高相關性，將壓實系數(shù)與上覆巖層平均密度/沉積速率（ρmb/Dr）進行擬合，擬合關系呈正相關，可以看出考慮多個因素要比單個因素具有更好的相關性（圖4-c）。其函數(shù)關系為：

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上覆巖層的平均密度與地層的沉積速率具有一定的相關性。對一定厚度的巖石而言，沉積速率越快，礦物排列雜亂且疏松，上覆巖層的平均密度越??；反之，沉積速率越慢，礦物有足夠的時間去排列，結(jié)構(gòu)有序且致密，上覆巖層平均密度越大。沉積速率與上覆地層平均密度呈負相關（圖4-d），其函數(shù)關系為：

圖4 庫車前陸盆地南部斜坡帶泥巖壓實規(guī)律分析圖

聯(lián)立式（9）和式（10），得到庫車前陸盆地康村組最大埋深期泥巖壓實的數(shù)學模型，函數(shù)表達式為：

3 庫車前陸盆地最大埋深期泥巖壓實規(guī)律

3.1 最大埋深期壓實曲線

將庫車前陸盆地克拉蘇沖斷帶正常壓實地層的沉積速率帶入式（11）中，得到克拉蘇沖斷帶康村組最大埋深期泥巖正常壓實地層的壓實系數(shù)（表1）。

表1 克拉蘇沖斷帶康村組最大埋深期不同沉積速率下的壓實系數(shù)和平均體積密度表

將最大埋深期泥巖正常壓實地層的壓實系數(shù)和地表聲波時差（取650 μs/m）帶入式（1）中，得到克拉蘇沖斷帶最大埋深期正常段泥巖壓實曲線（圖5）。如圖所示，沉積速率越大，壓實系數(shù)越小，泥巖壓實越弱，反之，沉積速率越小，壓實系數(shù)越大，泥巖壓實越強。

圖5 庫車前陸盆地克拉蘇沖斷帶最大埋深期正常段壓實曲線圖

3.2 最大埋深期加載曲線

克拉蘇沖斷帶構(gòu)造擠壓強度大，在泥巖正常壓實地層中，強烈的構(gòu)造擠壓會增大巖石的體積密度。因此，在強擠壓盆地中需要重建最大埋深期的體積密度。由以上分析可知，泥巖平均體積密度與沉積速率有關，將康村組沉積速率代入式（10），得到地層的平均體積密度（表1），進而代入式（4）中，得到垂向有效應力。將最大埋深期壓實系數(shù)、垂向有效應力以及地層的平均體積密度代入式（6）中，得到克拉蘇沖斷帶最大埋深期加載曲線（圖6）。

圖6 庫車前陸盆地克拉蘇沖斷帶最大埋深期加載曲線圖

不同沉積速率形成的泥巖具有不同的壓實過程，因此具有不同的加載曲線。沉積速率不同，其加載曲線的斜率變化也不同，沉積速率越大，加載曲線的斜率變化越小，曲線越“平直”；反之，沉積速率越小，加載曲線的斜率變化越大，曲線越“陡”。由此可見，沉積背景相同的研究區(qū)域，其內(nèi)部壓實過程也不盡相同，加載曲線也形態(tài)各異，沉積速率越相近，其加載曲線越相似，反之，其差異性越明顯。

4 油氣地質(zhì)意義

4.1 對最大埋深期流體壓力定量評價的影響

地層壓力是成藏動力學研究的核心內(nèi)容，其形成、發(fā)展、演化與整個油氣成藏過程密切相關[35]。最大埋深期往往是油氣大規(guī)模排烴期，如西湖凹陷，冀中饒陽凹陷等。因此，恢復最大埋深期流體壓力至關重要。前人利用流體包裹體模擬壓力、黏土礦物形成壓力、改進的Fillippone公式和泥巖壓實曲線來恢復最大埋深期流體壓力。目前，應用較廣泛的方法為泥巖壓實曲線法，然而，欠壓實地層壓實曲線不同于正常壓實地層，其壓實曲線復雜多變，沒有固定的曲線斜率。為得到強擠壓盆地中最大埋深期欠壓實地層的泥巖壓實曲線，假設在構(gòu)造擠壓過程中發(fā)育超壓的地層保持不變，且最大埋深期與現(xiàn)今欠壓實地層的壓實曲線形態(tài)近似一致。在此假設的基礎上，恢復最大埋深期欠壓實地層壓實曲線，并結(jié)合重建的正常段泥巖壓實曲線，利用等效深度法計算欠壓實地層的流體壓力。

以克拉2氣田KL201井為例，古、今壓實曲線正常壓實地層結(jié)束點聲波時差差值為117 μs/m，依照以上假設，將現(xiàn)今欠壓實地層壓實曲線統(tǒng)一向右平移117 μs/m，得到最大埋深期欠壓實地層壓實曲線（圖7-a）。進而，以現(xiàn)今和最大埋深期壓實曲線分別計算欠壓實地層的流體壓力（圖7-b）。最大埋深期泥巖壓實曲線得到的流體壓力普遍小于現(xiàn)今泥巖壓實曲線計算的流體壓力，與古埋深6 016 m處最大埋深期流體包裹體模擬壓力相比[17]，最大埋深期泥巖壓實曲線計算的流體壓力與其誤差為1.1 MPa，采用現(xiàn)今泥巖壓實曲線計算的流體壓力與其誤差為10.8 MPa（圖7-b），說明重建的泥巖壓實曲線能夠更準確地描述巖石最大埋深期泥巖壓實規(guī)律，進而減小流體壓力計算誤差。除此之外，兩者較小的誤差也說明假設最大埋深期和現(xiàn)今超壓地層保持不變的合理性。

圖7 克拉2氣田KL201井最大埋深期和現(xiàn)今泥巖壓實曲線對比及最大埋深期流體壓力圖

4.2 對壓力成因判別的影響

4.2.1 大北氣田超壓成因的判別

超壓成因研究是油氣成藏研究與壓力預測研究的基礎，不同成因的超壓，其與油氣藏形成與分布的關系不同，壓力預測所使用的方法也相互有別[36]。加載曲線被廣泛用于識別超壓來源[8,37-39]，欠壓實成因超壓一般位于加載曲線上，其他超壓源位于加載曲線之外。以大北氣田DB2井為例，現(xiàn)今實測壓力位于現(xiàn)今加載曲線上和最大埋深期加載曲線左側(cè)，據(jù)此可得出兩種完全不同的成因機制，欠壓實成因機制和卸載機制（圖8）。目前這兩種成因機制都已經(jīng)得到大多數(shù)學者的認同[6-7,12-13]，卸載成因機制具體可分為構(gòu)造擠壓增壓、抬升剝蝕降壓、傳遞增壓等。然而，通過對大北氣田地質(zhì)綜合分析和流體包裹體模擬的壓力演化過程[40]，發(fā)現(xiàn)大北氣田超壓為復合成因，是構(gòu)造擠壓增壓、抬升剝蝕降壓、傳遞增壓及欠壓實增壓共同演化的結(jié)果，與DB2井最大埋深期加載曲線超壓判別結(jié)果基本一致。由此可見，相對現(xiàn)今加載曲線，最大埋深期加載曲線能夠更準確地識別壓力成因。

圖8 大北氣田DB2井最大埋深期和現(xiàn)今超壓成因判別對比及超壓演化與成藏過程圖

4.2.2 大北氣田超壓演化與成藏過程

相對于現(xiàn)今加載曲線超壓成因判定結(jié)果，最大埋深期加載曲線反映了真實的超壓演化過程和天然氣成藏過程。由于古近系庫姆格列木群厚層膏鹽巖的存在，下伏地層超壓及油氣能夠很好地保存[41]。因此，在強擠壓、強剝蝕以及發(fā)育大量新生斷裂的克拉蘇沖斷帶地區(qū)，必然存在構(gòu)造擠壓增壓作用、抬升剝蝕降壓作用和斷裂傳遞增壓作用。

南天山山脈南緣逆沖斷裂帶構(gòu)造活動導致了庫車前陸盆地地層快速沉積、逆沖斷層活化、圈閉及新生斷裂的形成，控制了儲層性質(zhì)，超壓演化，油氣生成、運移、聚集和保存[41]。南天山山脈在距今5 Ma發(fā)生強烈的隆起抬升，致使庫車前陸盆地地層快速沉積，在距今3 Ma到達最大埋深期[40]。此階段，最大主應力為垂向負荷，超壓主要是欠壓實形成的。如圖8所示，地層內(nèi)的超壓點A保持在加載曲線上。最大埋深期之后，側(cè)向擠壓開始，巖石最大主應力的方向逐漸變?yōu)樗椒较?。由于巖石處于半封閉體系內(nèi)，且上覆負荷保持不變，強烈的水平構(gòu)造擠壓使流體壓力增大，垂向有效應力減小，聲波速度增加，巖石在應力—壓力耦合作用下發(fā)生側(cè)向縮短，其演化路徑為A B。隨著構(gòu)造擠壓作用進一步增強，巖石露出地表遭受剝蝕，流體壓力即受到構(gòu)造擠壓增壓作用又受到抬升剝蝕降壓作用。當抬升剝蝕厚度較小，巖石以構(gòu)造擠壓增壓作用為主時，欠壓實地層的流體壓力將繼續(xù)增大，但由于存在抬升剝蝕降壓作用，超壓增加速度將變慢，但巖石變形程度將持續(xù)增大，最終形成地層圈閉，其路徑為BC。當以抬升剝蝕作用為主時，超壓開始從最大值下降，當抬升幅度、剝蝕厚度最大時，超壓具有最小值，形成氣勢低勢區(qū)。垂向有效應力也相應減小，聲波速度也由于孔隙回彈而下降，其路徑為C D。隨后，在距今2 Ma時，由于逆沖斷層的活化和新生斷裂的形成，構(gòu)造壓應力釋放，構(gòu)造壓實作用結(jié)束。天然氣通過沒有切穿膏鹽巖的逆沖斷層運移，在圈閉中聚集成藏[40]，導致鹽下儲層超壓增加，垂向有效應力減小和聲波速度下降，其路徑為DE。由此可見，在強擠壓盆地中，最大埋深期加載曲線能夠準確地識別超壓成因，結(jié)合地質(zhì)背景信息能反映真實的超壓演化與油氣成藏過程。

5 結(jié)論

1）強擠壓盆地中的弱擠壓、弱剝蝕區(qū)（山前坳陷、斜坡帶）沉積有與強擠壓區(qū)相似類型的泥巖，其壓實可用于建立最大埋深期泥巖壓實模型。

2）強擠壓盆地中，相對于利用現(xiàn)今泥巖壓實曲線評價最大埋深期流體壓力，通過重建的最大埋深期泥巖壓實曲線評價最大埋深期流體壓力，其結(jié)果更精確，誤差更小。

3）強擠壓盆地中，重建的最大埋深期加載曲線能夠準確地識別超壓成因，反映實測超壓真實的演化過程，體現(xiàn)多成因超壓機制相互作用的結(jié)果。