鶯歌海高溫超壓盆地壓力預(yù)測模式及成藏新認識

摘 要

摘要：鶯歌海盆地中深層特別是高溫超壓地層中，存在著眾多的大型勘探目標，但因其所固有的錯綜復(fù)雜的地質(zhì)特性，使天然氣勘探面臨的成藏理論、地層壓力預(yù)測、鉆井安全等問題在業(yè)界沒
摘要：鶯歌海盆地中深層特別是高溫超壓地層中，存在著眾多的大型勘探目標，但因其所固有的錯綜復(fù)雜的地質(zhì)特性，使天然氣勘探面臨的成藏理論、地層壓力預(yù)測、鉆井安全等問題在業(yè)界沒有成功的經(jīng)驗可資借鑒，從而導(dǎo)致該盆地勘探進展緩慢。通過近幾年對該盆地地層壓力預(yù)測模式的研究，發(fā)現(xiàn)異常壓力層段的波阻抗隨深度增加而減小，局部有強烈的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)合已鉆井的測壓、測試等數(shù)據(jù)，建立起了盆地不同構(gòu)造位置的壓力預(yù)測模型，并在該區(qū)壓力預(yù)測實踐中取得了良好效果；同時還在天然氣成藏理論上取得了新的認識，DF13E井在中深層的新近系中新統(tǒng)上部黃流組一段獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)氣流，證明了中深層強超壓領(lǐng)域(壓力系數(shù)大于1.8)可以形成優(yōu)質(zhì)氣藏，拓寬了該盆地天然氣勘探領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：鶯歌海盆地；溫度；壓力預(yù)測模型；成藏理論；新認識；勘探區(qū)；勘探方向
    鶯歌海盆地位于南海北部大陸架西北區(qū)，該盆地是一個年輕、快速沉降、以海相沉積為主的盆地，異常高溫超壓是其重要特征之一。新近系中新統(tǒng)三亞組和梅山組淺海相泥巖含較豐富腐殖型有機質(zhì)，是主力烴源巖，上覆中新統(tǒng)黃流組、鶯歌海組和第四系樂東組等多套儲蓋組合。勘探上把上新統(tǒng)鶯歌海組二段上部第四系樂東組儲蓋組合劃分為淺層，該層段構(gòu)造類型以背斜為主，埋藏淺，地震資料品質(zhì)好，是常壓壓力過渡帶領(lǐng)域(地層壓力系數(shù)介于1.0～1.5)；把梅山組-黃流組儲蓋組合稱為中深層，該層段埋藏較深，地溫梯度為4.56℃/100m，壓力高(地層壓力系數(shù)大于1.8)，屬高溫超壓區(qū)，加之地震資料品質(zhì)差、圈閉和儲
層落實困難，給鉆井工程也帶來極大風險，使得該領(lǐng)域勘探技術(shù)難度大、資金投入高、勘探風險大、進展緩慢。
1 地層壓力預(yù)測面臨的難點問題
1.1 壓力系數(shù)演化類型不同
   根據(jù)壓力系數(shù)隨深度的變化特征，將鶯歌海盆地地層壓力曲線表征為底辟S增壓型、折線增壓型和緩慢增壓型3種(圖1)：①底辟S增壓型——該類型常壓系統(tǒng)與高壓-超高壓系統(tǒng)之間存在較厚的過渡段，隨著深度的增加，在1200～2000m處即可表現(xiàn)為超壓特征，在強超壓帶可見壓力系數(shù)“回頭”現(xiàn)象；②折線增壓型——該類型存在兩個以上的壓力系統(tǒng)，在中深部和深部形成不同的壓力系統(tǒng)；③緩慢增壓型——主要分布在盆地中央凹陷帶的非底辟區(qū)，與盆地快速沉積欠壓實作用有關(guān)。

1.2 探井鉆前壓力預(yù)測的難點
    由于鶯歌海盆地勘探程度比較低，探井較少，缺乏實際資料，另外底辟和構(gòu)造地應(yīng)力的存在也導(dǎo)致對地層超壓成因的判斷比較困難，所以鉆前壓力預(yù)測是一個難點問題[1～2]。鶯歌海盆地高溫超壓的存在，鉆井安全是鉆井過程中的重要因素[3～6]。
    目前地層壓力預(yù)測的方法較多，但大多數(shù)都屬于經(jīng)驗公式的方法，受到一定的適用條件的限制。地層速度是用于地層壓力鉆前預(yù)測和鉆后壓力計算的主要參數(shù)，層速度特點是在正常壓實的地層中其值隨深度的增大而增大，而在異常超壓地層中其值比正常值小，因此可憑借層速度的異常變化來判斷和檢測異常高壓地層[7～1O]。經(jīng)過多年對鶯歌海盆地壓力預(yù)測及計算方法研究，發(fā)現(xiàn)“差值法”(圖2)可以應(yīng)用于鶯歌海盆地壓力計算，其基本原理是用速度異常量來確定異常壓力。其標準為：△v=0為正常壓實地層；△v＜0為異常高壓力地層。該方法需要在地區(qū)性的壓力預(yù)測數(shù)學模型的基礎(chǔ)上定量地計算出孔隙壓力，其優(yōu)點是不需要先計算上覆壓力，減少誤差和一些不可控因素。對于這一方法而言，速度差與壓力系數(shù)對應(yīng)的壓力預(yù)測模型的確定是其中的難點和重點。
1.3 天然氣成藏認識的難點
    國內(nèi)外大量研究成果表明，在異常高壓發(fā)育地區(qū)，油氣主要聚集在超壓頂面之上、壓力系數(shù)介于1.2～1.5的壓力過渡帶內(nèi)，當壓力系數(shù)超過1.8時地層很少富藏天然氣，這與多數(shù)巖層超過該壓力系數(shù)發(fā)生破裂有關(guān)。尤其在碎屑巖發(fā)育的地區(qū)，當?shù)貙訅毫樯细察o巖壓力的75%～95%時，上覆地層會被壓裂，造成油氣散失。在超壓地層要形成油氣藏，蓋層條件要求苛刻。塔里木盆地庫車坳陷克拉2號大氣田壓力系數(shù)達2.0，與發(fā)育優(yōu)質(zhì)的膏鹽蓋層有關(guān)。北海盆地維京地塹(Viking Graben)和加拿大東部新斯科舍(Nova Scotia)陸架區(qū)超壓油氣藏(如Venture Field)形成于深逾4000m的侏羅系頁巖超壓層系內(nèi)，這套頁巖本身既是優(yōu)質(zhì)烴源巖，又是良好蓋層。
    在鶯歌海盆地，中深層異常高壓成因源于多個方面，但主要來源于兩個方面：①源自深層泥巖自身產(chǎn)生的高壓；②來自深盆的他源高壓。雖然，不同超壓形成深度不相同，但都比其他盆地淺，鉆井揭示在2000m附近地層壓力系數(shù)就已達到1.5，3000m以下地層壓力系數(shù)通常大于1.8，為強超壓(圖3)。再者，中深層地層時代新(中-晚中新世)，發(fā)育大套淺海相泥質(zhì)碎屑巖地層，這類性質(zhì)的地層在淺層常溫常壓氣田起了很好封蓋作用，但在中深層高溫超壓環(huán)境下(尤其在大型底辟背斜發(fā)育區(qū)，底辟活動既造就了油氣運移的優(yōu)勢通道，又對中深層大型背斜蓋層產(chǎn)生改造，蓋層有無足夠的封蓋能力頗受質(zhì)疑[11～12])。由此引起大家對中深層高溫超壓條件下天然氣是否可以大規(guī)模成藏的顧慮和擔心。
2 壓力預(yù)測模型的建立
    在對鶯歌海盆地天然氣勘探研究中發(fā)現(xiàn)，異常壓力層段，波阻抗、速度、密度都有隨深度增加而減小的趨勢，局部有強烈的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。對于鶯歌海盆地目前采用的壓力預(yù)測“差值法”而言，速度差與壓力系數(shù)對應(yīng)的壓力預(yù)測模型的確定是難點和重點。經(jīng)過多年的研究，結(jié)合已鉆井的鉆井液數(shù)據(jù)、測壓和測試數(shù)據(jù)，總結(jié)出盆地不同構(gòu)造位置的壓力預(yù)測模型(圖4)，形成了鶯歌海盆地壓力預(yù)測基本模式。所有的壓力計算是在這模型之上實現(xiàn)的。

   從鶯歌海盆地構(gòu)造格局的角度考慮(圖4-a)，可以看到對于同樣的壓力系數(shù)而言，盆地中心的速度差要低于盆地邊緣。究其原因，主要是由于盆地中心處于沉積物快速沉積區(qū)，泥巖處于一種欠壓實的狀態(tài)，而盆地邊緣處于沉積物路過區(qū)，而且同樣深度位置盆地邊緣地層的年代要比盆地中心的地層年代老，地層速度較高。
    從單個含氣構(gòu)造的角度考慮(圖4-b)，可以看到鶯東斜坡區(qū)和鶯北臨高區(qū)的速度差與壓力系數(shù)的關(guān)系趨勢比較一致，值的差異也不大，而東方底辟區(qū)和樂東底辟區(qū)的速度差與壓力系數(shù)的關(guān)系趨勢比較一致，但絕對值的差異比較大。經(jīng)分析和研究，產(chǎn)生的原因如下。
    1) 構(gòu)造位置差異。鶯東斜坡區(qū)和鶯北臨高區(qū)處在盆地的邊緣位置，而東方底辟區(qū)和樂東底辟區(qū)都處于盆地的中心位置，所以盆地中心位置區(qū)和盆地邊緣區(qū)的趨勢不同，當層速度差不大時，盆地中心區(qū)的壓力系數(shù)高于盆地邊緣區(qū)。
    2) 底辟的影響。樂東底辟區(qū)和東方底辟區(qū)都處在底辟之上，但是底辟的規(guī)模和底辟的活動期不一致，研究認為底辟活動具有幕式結(jié)構(gòu)特征[13]，樂東底辟區(qū)的底辟處于剛結(jié)束的排壓期，壓力已經(jīng)得到釋放，而東方底辟區(qū)正處于幕式活動的壓力積蓄期，沒有壓破上覆地層，壓力還沒有釋放，所以樂東底辟區(qū)地層壓力系數(shù)明顯小于東方底辟區(qū)。
    3) 壓力傳遞作用。處在盆地邊緣的鶯北臨高區(qū)和鶯東斜坡區(qū)，本身深部地層的壓力系數(shù)就屬于正常壓力-壓力過渡區(qū)間，再加上沉積物較粗，易于泄壓，其深部地層的壓力沒有在淺層聚集；而樂東底辟區(qū)則處于剛結(jié)束的排壓期，裂隙和斷層處在封閉狀態(tài)，難于將深部地層的高壓傳遞到淺部地層。
3 對盆地高溫超壓成藏模式的新認識
    鶯歌海盆地在20世紀90年代經(jīng)過一輪淺層常溫常壓領(lǐng)域天然氣勘探的高潮，發(fā)現(xiàn)東方1-1、樂東22-1、樂東15-1等多個大中型氣田和一批含氣構(gòu)造，成效顯著。由于中深層天然氣勘探起步較晚、缺乏成功的經(jīng)驗可資借鑒，所以鶯歌海盆地的高溫超壓成藏理論認識和鉆探實踐一直進展緩慢[14～15]。鶯歌海盆地中深層異常高溫超壓條件下泥巖蓋層能否封蓋住具有規(guī)模的異常高壓氣藏一直是地質(zhì)家和勘探家們擔心的焦點問題之一。這一問題的實質(zhì)是擔心中深層泥巖蓋層的質(zhì)量不夠好，封蓋能力不夠強[16～17]。DF11C井和DF11D井是中深層的2口探井，均處于底辟背斜構(gòu)造內(nèi)，雖然在黃流組一段揭示了大套淺海泥巖，但分析表明泥巖并不純，多為粉砂質(zhì)泥巖，說明蓋層質(zhì)量不高，這2口井似乎印證了大家對中深層泥巖蓋層質(zhì)量欠佳的擔心。
    LD22A井鉆探失利之后，鶯歌海盆地底辟帶中深層勘探陷于“沉寂”。2009年初，在東方1-1構(gòu)造西側(cè)的另一個底辟構(gòu)造之上鉆探LOTUSA井發(fā)現(xiàn)氣層，MDT和DST資料顯示壓力系數(shù)為1.98，屬于強超壓層，其下伏地層壓力更高，壓力系數(shù)超過了2.0，雖然以C02居多，但證明強超壓封存箱內(nèi)可以形成游離氣藏。以此為啟示，重新認識東方1-1中深層儲層，在該構(gòu)造東北翼針對東部物源的黃流組一段淺海灘壩砂巖儲層鉆探了DF12井。該井也鉆遇氣層，經(jīng)MiniDST測試獲得成功，取得氣體樣，以烴類氣為主，地層壓力系數(shù)為1.92，該井說明底辟帶中深層強超壓層存在優(yōu)質(zhì)烴類氣聚集。
    以上鉆探實踐充分表明，不但超壓封存箱上方的壓力過渡帶、常壓區(qū)可以成藏，底辟帶中深層超壓封存箱內(nèi)仍然可以成藏，超壓帶內(nèi)游離烴類氣藏的存在也有可能。
    對東方1-1三維地震資料進行精細研究[18～19]，在東方氣田西翼發(fā)現(xiàn)黃流組一段大型三角洲體系，落實一群巖性圈閉，經(jīng)過反復(fù)研究和論證，鉆探DF13E井(圖5)，該井鉆探目的為探索黃流組一段上部砂體含油氣性和儲量規(guī)模；獲取東方1-1構(gòu)造西塊中層的儲層物性、油氣層流體性質(zhì)及產(chǎn)能資料。該井鉆遇的蓋層與DF11C井和DF11D井的明顯不同，該井位于東方底辟構(gòu)造西側(cè)、底辟背斜之外，鉆探結(jié)果在黃流組一段上部揭示了一套厚達220m的海侵-高位體系域淺海泥巖蓋層，這套直接蓋層不僅厚度大，而且泥巖純，塑性強(可鉆性差)，受壓實程度較高，分布范圍較廣，具有超壓(壓力系數(shù)為1.5～1.8)(圖6)，表現(xiàn)出良好的高壓封蓋性能，為異常高壓氣藏的形成提供了重要保障。

    DF13E井在中深層黃流組一段高溫超壓領(lǐng)域獲優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)氣流，取得重要發(fā)現(xiàn)，揭示了一個高壓氣藏形成的新模式，具有領(lǐng)域突破的重大意義，證明了中深層強超壓領(lǐng)域(壓力系數(shù)大于1.8)可以形成優(yōu)質(zhì)氣藏的論斷，從而拓寬了盆地天然氣勘探領(lǐng)域。
4 結(jié)論及認識
    1) 鉆井安全是高溫超壓盆地鉆井過程中的重要因素，鉆前壓力預(yù)測是鉆井井身結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的勘探實踐，總結(jié)出“速度差法”是鶯歌海盆地的鉆前壓力預(yù)測和鉆后壓力計算中一種適用的方法，并建立了相應(yīng)的計算數(shù)學模型，準確性高。
   2) 從鶯歌海盆地構(gòu)造格局的角度和單個含油氣構(gòu)造的角度入手，從總體到局部、從盆地中心到盆地周緣分別建立鶯歌海盆地盆地中心、盆地邊緣、鶯北臨高區(qū)、鶯東斜坡區(qū)、東方底辟區(qū)和樂東底辟區(qū)的壓力預(yù)測模型，并分析了每種模型速度差與壓力系數(shù)的關(guān)系以及各個模型間差異存在的原因，為鶯歌海盆地不同區(qū)域的鉆前壓力預(yù)測提供了重要的基礎(chǔ)支持。
   3) 通過DF13E井鉆探成功，在中深層黃流組一段高溫超壓領(lǐng)域獲優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)氣流，取得重要發(fā)現(xiàn)，揭示了一個高壓氣藏形成的新模式，具有領(lǐng)域突破的重大意義。
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(本文作者：謝玉洪 中海石油(中國)有限公司湛江分公司)