张家垛油田阜三段异常压力特征分析

刘曦翔，杨正茂，丁晓琪，杨鹏

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都610501；2.中国石化华东分公司开发处，江苏 南京210019；3.成都理工大学能源学院，四川 成都610059）

1 区域地质概况

张家垛油田位于苏北盆地海安凹陷内的曲塘次凹，是一个由边界断层控制的鼻状构造（见图1）。其中阜三段储层为一套浅湖沉积的透镜状滩坝砂体，埋深在3 000 m 左右，平均孔隙度17%，平均渗透率17.0×10-3μm2。从目前的勘探情况来看，虽然储层埋深较大，但储层的物性较好，粒间孔发育，有效储层的分布与欠压实存在密切关系。査明［1］等在对准噶尔盆地进行研究时发现，安集海河组中由于异常压力的发育，减缓了压实作用，使储集空间得以保存，孔隙度高达30%以上。Tingay［2］等在对新生代的巴拉姆三角洲沉积进行研究时亦发现，在异常压力带内孔隙度与压力正常位置相比更高。前人［3-4］研究认为在张家垛地区欠压实成因的异常压力抑制了压实作用，从而使储层的原生粒间孔隙得到保存，异常压力较大的区域，储层物性往往较好，因此异常压力与阜三段中优质储层的分布息息相关，同时也影响着油气成藏［5-8］。明确异常压力的成因与分布，不但能够提高研究区中优质储层的预测精度，也是进一步对油气成藏进行分析的基础。利用测井资料，并结合区域地质背景对张家垛地区异常压力的成因进行分析，再利用伊顿法对阜三段中的单井与平面异常压力进行计算，并分析其在剖面与平面上的分布特征，为该区的勘探与开发提供依据。

图1 张家垛油田构造位置及阜三段Ⅲ砂组顶面构造

2 异常压力成因

自1953年Dickinson［9］为解决由异常压力所引起的钻井与完井问题，对美国墨西哥湾中新生界的地层中的异常压力进行研究，至今对于异常压力现象已做了大量的工作，国内外学者总结出了10 余种异常压力的形成机理［10-12］。在含油气盆地中异常压力可能是一种或多种异常压力形成机理所致，而在张家垛油田阜宁组中，综合各种资料进行分析认为，其中异常压力是由欠压实机理造成的。

首先，欠压实的形成主要是因为在泥质沉积物压实过程中，在达到一定埋藏深度后，位于边缘位置的沉积物已经压实，造成内部的流体排出受阻，无法正常排出的流体承担了部分岩石骨架应力，造成流体压力高于正常的静水压力。因此，欠压实形成的地层中往往需要具有快速沉积的特征和厚层泥岩沉积。已有的研究表明，当砂泥岩沉积物沉积速率超过100 m/Ma 时就可能产生欠压实［13］。张家垛地区北东—南西向剖面图（见图2）显示，阜三段在沉积后快速埋藏，其埋藏速度超过115 m/Ma，在38 Ma 之前，虽有间断性抬升，但幅度很小。同时，阜三段的沉积相为浅湖滩坝沉积，具有沙泥频繁互层的特点，其中薄层状的砂岩透镜体常被泥岩所包裹，其中的孔隙水不易排出，具备欠压实形成的条件，在薄片中观察到岩石中的颗粒亦以点-线接触为主，说明其压实程度较低（见图3）。

图2 张家垛地区新生代埋藏史

图3 岩心显微照片

常见的异常压力成因除欠压实外，还有干酪根生烃、构造挤压以及黏土矿物的转换。而苏北盆地中新生代以来以拉张或断陷为主［14］，故张家垛油田不具备由构造挤压作用形成异常压力的构造背景。对于黏土矿物转化作用，通常是指蒙皂石在一定的条件下大量向伊利石转化从而释放出其层间水导致储层压力增大，但通过对黏土矿物的X 射线衍射分析得出，该区伊/蒙混层相对体积分数约60%，而伊利石相对体积分数仅为7%，说明没有发生大量的黏土矿物的转化，因此也不具备黏土矿物转化而造成异常压力的条件。

再者，由于欠压实与干酪根生烃的作用机理不同，因此在测井曲线上会呈现出不同的特征。Agus［18］研究认为，欠压实产生的异常高压在压力剖面上体现出孔隙压力值与静岩压力值近似平行，相应地层中作用于岩石上的有效应力近似一常数的特征，故在异常压力的顶界面以下出现孔隙度接近于某一常数值，在测井上即反应为声波在异常压力段接近某一常数。而干酪根生烃造成的异常压力在声波测井上则表现出较明显的反转特征［15-19］。

通过读取张家垛地区张3 等井较纯泥岩段 （在测井上自然伽马值较高，电阻率较低同时井眼没有发生垮塌）的声波测井值，得出各井声波时差随深度变化的趋势图 （见图4），从图4可以看出，在盐城组二段（Ny2）以上，声波测井值随深度的增加而减小，向下在盐城组一段（Ny1）声波值基本为一常数，具有明显的欠压实特征，到三垛组二段（Es2）时其恢复为正常趋势，而向下再次出现声波值接近于某一常数的特征。

图4 张3 井泥岩声波测井特征

因此，结合区域地质背景、测井资料以及分析化验资料，综合分析认为，张家垛地区的异常压力是由欠压实作用造成，因此阜三段储层在异常压力较发育的位置具有较好的物性。

3 异常压力的预测

在对异常压力的预测过程中，由于实测压力资料较少且局限于目的层段，因此不能反映压力在纵向上的变化特征。而研究区中有着丰富的测井资料，在碎屑岩地层中，泥岩的压实程度反映着地层有效应力的变化。而测井资料则能够通过泥（页）岩被压实等因素造成地层中流体排驱不畅而引起的孔隙度变化，从而通过有效应力的概念来研究流体压力和地层压力。同时，声波资料在在纵向上具有良好的连续性，能够反映出单井纵向上的压实程度的变化与压力的特征，并且可以分析出利用伊顿法计算地层压力的所需的伊顿参数，为进一步利用地震资料求取异常压力平面分布做好准备。

由于砂岩在不同的层位其对应的成分不同，所受成岩作用程度不一，故其孔隙度的变化不能准确地反映其所对应的压实程度。而泥岩由于原始组分相对稳定，其孔隙度变化主要受控于有效应力，因此，可以通过研究泥岩的压实程度来间接反映异常压力的分布。首先，需要在测井曲线上选取较纯的泥（页）岩数据点（自然伽马幅度大，视电阻率低，自然电位曲线在基线位置，中子伽马数值低，地层厚度大，井径较规则）。然后做各数据点与井深的关系图，并建立正常的压实趋势线方程，再通过求压公式求取异常压力段的压力值。异常压力的求取方法众多，在张家垛地区主要通过伊顿法［2］对地层的压力进行计算，其公式如下：

式中：pP，pob，ph分别为静岩压力、静水压力、孔隙压力，MPa；Δto，Δt 分别为某点理论声波时差值和实际声波时差值，μs/m；n 为伊顿指数。

通常欠压实作用作用造成的异常压力与声波时差偏离正常压实曲线的程度（Δto/Δt）有关，因此建立工区各井的正常压实曲线后，对各井压实曲线进行拟合，得出n 值应取1.5。

静岩压力是指上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所引起的压力，计算公式为

式中，H 为覆岩层的垂直高度，m；ρr为上覆沉积物平均密度，取2.3 g/cm3；g 为重力加速度，取9.8 N/kg。

静水压力是指由静水柱造成的压力。静水压力的大小与液体的密度和液柱的高度有关，计算公式为

式中：h 为静水柱的高度，m；ρw为岩石孔隙中流体的平均密度，取1.0 g/cm3。

由此可计算出各井异常压力的纵向分布（见图5），从图中可以看出，异常压力最初出现于盐城组一段（Ny1），但压力较小，在三垛组二段中消失，向下至三垛组一段时异常压力再次出现，向下逐渐增大，其出现位置与声波测井所表现出的欠压实特征相一致。

图5 张家垛纵向压力系数剖面

4 异常压力的分布特征

在对研究区所有单井压力进行计算的基础上，计算出各井的压力系数并做出张家垛地区东西向的压力系数剖面（见图5）。从图中可以看出，在张家垛地区纵向上存在2 个异常压力带，第1 个压力带出现在盐城组二段（Ny2）的底部至盐城组一段（Ny1）。而第2 个异常压力带始于三垛组顶部，向下压力逐渐变大，到阜宁组四段时异常压力值接近最大，压力系数达到1.50，向下再次减小。阜三段压力系数在1.20～1.40，但在张101井区与张2-1 井区间有小部分区域的压力系数亦达到1.50，在剖面上总体呈现出东高西低的特点。

在利用测井资料对张家垛地区压力剖面特征进行分析后，从地震资料中提取阜三段中部的稳定泥岩段的速度，同样使用伊顿法，伊顿指数值同样取1.50，通过计算得出阜三段异常压力在平面上分布（见图6），从图6可以看出，现有的井区多数位于北部断层附近的构造位置相对较高但区域压力相对较小，压力系数主要分布在1.20～1.40，与在压力剖面中所观察到的特征一致。向南部深凹中，异常压力逐渐增大，在凹陷中心附近压力系数最大达到1.55，而再向南，地层埋深变浅，异常压力的值又逐渐减小。

图6 张家垛阜三段地层压力分布

5 讨论

阜宁组三段压力剖面显示异常压力具有东高西低的特点，以张101 井为东西区的分界，分别对各井岩样的孔渗进行统计分析得出，在压力较低的西区其平均孔隙度为13.6%，平均渗透率为13.9×10-3μm2，在压力较高的东区平均孔隙度为14.5%，平均渗透率为19.0×10-3μm2。生产中亦证实，西区张4B 井虽所处构造位置较高但没有自然产能，而东区各井均钻遇工业油流。说明异常压力在一定程度上控制着有效储层的分布。

现有的钻井大多位于张家垛北部边界断层附近相对较高的位置上，其埋深在3 000 m 左右，压力系数在1.2～1.4。张家垛地区地层压力系数的平面图显示，压力系数向南往凹陷中心方向逐渐增大，在中心附近达到1.55 左右。由此推断，在凹陷中心部位虽然其埋深较大，但由于存在更大的异常压力，其压实作用受到抑制，因此其中亦可能发育有效储层。近期完钻的张3-2HF、张1-2HF 井均证实凹陷中存在优质储层。

6 结论

1）阜宁组三段中的异常压力的成因是欠压实，欠压实作用的发育，使得其中的原生粒间孔隙得以保存，因此，储层在较深的埋深下依然具有相对较高的孔隙度与渗透率。

2）张家垛油田剖面压力特征中可以看出，张家垛地区具有2 个异常高压带，阜宁组三段位于下方高压带中，具有西低东高的特征，且压力较高的区域中储层具有较好的物性。

3）阜宁组三段中，异常压力系数在断裂较发育的高部位相对较小在1.20～1.40，向凹陷中心方向，压力逐渐增大，在凹陷中心附近最大达到1.55，由于深凹部位具有较大的异常压力，因此推测虽然埋深较大但仍可能发育优质储层。

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