东营凹陷超压结构及控制因素

邱贻博

( 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院 ）

东营凹陷作为济阳坳陷内重要的富油凹陷之一，发育复杂的超压环境及成藏组合。自20世纪60年代营4井在东营凹陷沙三段首次发现异常高压油气藏以来，该区异常压力及其对油气成藏的研究一直是众多学者关注和研究的热点[1-10]。归纳起来主要有以下几个方面认识：①具有超压特征，超压分布的主体为洼陷带的沙四段和沙三段；②烃源岩生烃增压和泥岩欠压实是该地区主要的超压成因机制；③油气成藏具有“高压驱动”“幕式排烃”的特征。尽管东营凹陷普遍存在着异常高压，但实际勘探表明，不同层系、不同洼陷以及不同构造部位在压力及成藏方面具有差异性，这种差异性体现在压力分布、超压强度以及对油气的控制等方面。为此，本文利用大量的钻井、测井、录井、试油等资料，对东营凹陷的实测地层压力、泥岩测井声波时差响应特征、地震速度谱超压特征及其控制因素开展了更为深入的分析，详细地剖析了东营凹陷超压结构的差异性及其控制因素，以期为济阳坳陷其他盆地超压结构的研究提供借鉴。

1 区域地质概况

东营凹陷位于济阳坳陷南部，是典型的北断南超的箕状断陷盆地，由利津、牛庄、博兴、民丰4个洼陷及北部陡坡带、中央隆起带和南部斜坡带组成，以“盆地形态开阔舒展、二级构造特征鲜明”所著称（图1）。古近纪为断陷湖盆的鼎盛期，东营凹陷盆地内沉积了巨厚的以沙河街组为主的地层，纵向上发育两套烃源岩层系（沙三段、沙四段），这两套烃源岩普遍具有地层厚度大、沉积速率高、埋藏深度大、生烃能力强的特点，为研究区异常压力的形成提供了良好的条件。东营凹陷经历了50多年的勘探开发过程，具有丰富的实测地层压力数据，同时也积累了大量的压力预测所需的测井、地震资料，为超压结构的研究提供了丰富的基础资料。

图1 东营凹陷区域构造单元分区图

2 实测地层压力特征

图2 东营凹陷不同层系、不同构造带压力系数与深度关系

实测地层压力数据是研究地层压力最为直接可靠的资料[11]，根据东营凹陷1000余口井2500多个数据点实测地层压力统计结果可知（图2），东营凹陷超压现象非常普遍，但不同深度、不同层系、不同构造带压力的分布有很大差异。从深度上看，2200m以上地层主要发育常压，而明显的超压出现在2200m以下地层，3000～4000m超压幅度达到最强，到4500m以下超压幅度又有明显减弱，逐渐过渡为常压；从层系上来，东营凹陷沙二段及以上地层、孔店组及以下地层主要发育常压，沙三段、沙四段出现明显超压现象，随着埋深的增大，地层压力系数有明显增大趋势，沙三段和沙四段压力系数最高可达1.99；从构造带来看，利津洼陷、牛庄洼陷、博兴洼陷、民丰洼陷是超压发育的主体范围，北部陡坡带和南部斜坡带主要发育常压。

由于实测压力数据数量有限，且在纵、横向上分布的连续性较差，难以满足建立高精度压力场的需要。为了获取丰富的地层压力数据，充分利用测井声波时差和地震速度谱资料实现了地层压力在二维和三维空间上的预测。

3 声波时差超压响应特征

单井泥岩声波时差能够很好地反映超压在纵向上的发育特征[12-13]。Eaton提出的利用声波时差计算地层压力的方法，其基本原理是基于岩石的应力—应变关系在测井曲线上的响应，利用声波时差偏离正常趋势线的大小来反映异常压力的强弱。在超压特征的识别过程中，考虑到洼陷带和盆缘斜坡区超压发育的差异性，分别从东营凹陷利津洼陷的深洼区逐步向西部盆缘区选取了5口井进行声波时差超压测井响应特征的分析。整体上来看，从盆内到盆缘、从浅部到深部，东营凹陷地层压力的分布具有明显的差异性，横向上和纵向上具有分带性特点。

横向分带性，是指从盆地的深洼区到盆缘，泥岩声波时差曲线发生明显变化（图3）。利67井、利57井位于利津洼陷深洼区，从这两口井的泥岩声波时差曲线来看，高声波时差出现在3000～4000m深度段，曲线非常明显地偏离了正常压实趋势线，反映出异常超压的特征。梁75井位于利津洼陷深洼区的边缘，该井的泥岩声波时差曲线与利67井、利57井相比有所差异，首先是高声波时差出现在2700～3500m深度段，深度有所变浅；其次是声波时差偏离正常压实趋势线的幅度有所变小，反映出超压有所减弱。滨408井、滨418井位于利津洼陷西部斜坡，这两口井的泥岩声波时差曲线为一单斜的形态，与正常压实趋势线相一致，表现出常压的特征。可见，从盆地的深洼区到盆缘地带，单井泥岩声波时差曲线由“大肚子曲线”（偏离正常压实趋势线）逐渐向正常压实趋势线转变，同时也反映了地层压力由异常超压逐渐向常压过渡。

图3 盆缘、深洼区泥岩声波时差与深度的关系曲线

纵向分带性，是指盆地深洼区单井压力曲线从浅到深呈现“低—高—低”的变化趋势，对应着正常压力、异常高压和正常压力3个不同的区带。从利67井的泥岩声波时差曲线来看（图4），纵向上沙二段以上的地层泥岩声波时差为正常压实曲线，计算的泥岩压力为正常压力。泥岩的高声波时差出现在沙三段，计算的泥岩压力也证实泥岩高声波时差段为强超压带，压力系数最大可达到1.8。超压带的顶界深度约在3000m，为沙三上亚段中部的暗色泥岩、砂质泥岩段，超压带的主体即强超压范围发育在沙三中、下亚段，厚度约为700m，是烃源岩主要发育带，其间没有明显的封隔层。到沙四段，随深度增加，泥岩声波时差曲线逐渐降低，地层压力曲线逐渐向静水压力曲线接近。可见，在纵向上，盆地深洼区的地层压力从浅到深可划分为上部的常压系统、中部强超压系统以及底部的常压系统，显示为一典型超压封存箱特征[14]。

图4 利67井声波时差超压响应曲线特征

4 地震资料超压特征

单井泥岩声波时差超压响应能够了解井孔的压力结构，而利用地震资料来预测地层压力，其优势是可以极大地增强压力在纵、横向的连续性，同时可以实现在三维空间压力场的可视化。利用地震资料预测地层压力的方法主要是通过地震速度谱的信息来求取地层压力（Fillippone公式）[15-17]，其关键步骤是通过叠加速度谱来获取地震层速度，通过地震层速度预测地层压力，其中地震层速度、预测地层压力要经过VSP速度和实测地层压力的校正。在地震速度计算超地层压力的过程中，考虑到能够更好地反映盆地的超压特征，选取了一条横穿利津洼陷和牛庄洼陷的剖面来进行地震速度超压剖面特征的分析，同时选取4000m深度的地震速度超压数据体水平切片来进行超压平面特征的分析。

4.1 地震速度超压剖面特征

L2991测线是一条横穿东营凹陷南北向的地震速度超压预测剖面（图5），从南向北依次经过南坡斜坡带、牛庄洼陷、中央隆起带、利津洼陷、北部陡坡带。从图5可以看出，东营凹陷主要发育沙三段—沙四段一个超压系统，向上从沙二段开始地层压力逐渐过渡为常压，向下逐渐过渡为常压。超压带的主体主要分布在北部的利津洼陷，超压幅度较大，预测压力系数可达1.7以上；南部的中央隆起带和牛庄洼陷超压幅度有所减弱，预测压力系数在1.4～1.6之间；南部斜坡带和北部陡坡带主要发育常压。

图5 东营凹陷L2991测线压力系数剖面（剖面位置见图1）

4.2 地震速度超压平面特征

在研究区11000多个地震速度谱点地层压力预测的基础上，建立了研究区地震速度三维空间超压数据体。从反演的结果来看，研究区超压主要分布在2500～4500m深度范围内，从东营凹陷4000m深度的压力系数数据体的水平切片（图6）可以看出，东营凹陷的超压具有发育规模大、分布范围广、超压幅度大的特点。超压带主体位于盆地北部的利津洼陷、牛庄洼陷和民丰洼陷，3个洼陷的超压范围基本连为一体，其中利津洼陷的超压幅度最大，民丰洼陷、牛庄洼陷的超压幅度次之；中部的中央隆起带对3个洼陷的超压起到一定的分割作用；而南部的博兴洼陷相对独立，超压的幅度也最弱。整个南部斜坡带和北部陡坡带发育常压。

图6 东营凹陷压力系数数据体水平切片

5 超压结构差异性的控制因素

超压的存在是多种因素控制的结果，从东营凹陷不同构造单元地层压力分布特征来看（图5、图6），超压的分布明显受构造格局、烃源岩分布、热演化程度以及断裂活动的影响[17-22]。

5.1 凸洼相间的构造格局控制了压力场空间变化

东营凹陷发育了一陡、一坡、一隆、四洼的构造格局：即北部的陡坡带、南部的斜坡带、中央隆起带以及利津、牛庄、博兴、民丰4个洼陷。从构造与压力分布特征的关系分析，东营凹陷凸洼相间的构造格局与压力场的空间变化具有很好的相关性。凹陷北部的陡坡带、南部的斜坡带主要位于常压区，而利津、牛庄、博兴、民丰4个洼陷分别对应着4个超压区，洼陷内部的中央隆起带在一定程度上分割了利津洼陷、牛庄洼陷及民丰洼陷等超压中心。从构造对地层压力的控制作用来看，一方面是不同区域构造活动的差异性导致盆地形成多凸多洼的格局，控制了沉降中心，从而影响压力场的空间展布；另一方面是长期构造活动所形成的继承性大断层控制了压力系统边界。

5.2 烃源岩分布及热演化程度控制了超压的分布和幅度

东营凹陷超压主要发育在盆地的中心，层系上主要在沙三段、沙四段，分布在深洼陷2200～4500m深度范围内，超压带主体处于成熟烃源岩发育区。根据前人的研究，泥页岩的生烃是形成异常压力的最重要因素[18-24]。超压发育的幅度与烃源岩厚度、有机质热演化程度具有较大的关联性。东营凹陷深洼区沙三段—沙四段烃源岩厚度可达1000m，同时随着埋深增大，烃源岩热演化程度会越来越高，大量生排烃所形成的超压幅度也会越来越大，这一现象在利津洼陷、民丰洼陷及牛庄洼陷的深洼区表现非常明显。东营凹陷中压力系数大于1.6的范围主要分布在利津洼陷、民丰洼陷及牛庄洼陷深洼区，相应的镜质组反射率大于0.8%；博兴洼陷超压幅度相对较弱，相应的镜质组反射率在0.6%～0.8%之间；压力系数小于1.4的范围主要位于盆地的斜坡区和盆缘，相应的镜质组反射率小于0.6%。

5.3 长期、继承性大断层控制了超压体系的边界

断裂对超压的保存和分布有着重要的影响，断层既可作为压力释放的一种通道，又可作为高压流体的封闭体[25-26]。东营凹陷发育的边界断裂和洼陷内部的油源断层对超压系统的影响主要表现在两个方面：①油源断裂连通深层超压流体封存箱与浅层常压区，成为超压垂向泄压和流体大规模运移的通道。东营凹陷的沙三段—沙四段具有典型流体封存箱的特点，其中沙三中—沙四上亚段是超压流体封存箱的主体，封存箱的顶界面与沙三上亚段的大套块状深灰色泥岩及三角洲体系厚层砂岩有关，而封存箱的底界面可能与沙四下亚段发育的多套膏盐层有关。凹陷内油源断裂，尤其是中央隆起带附近的辛镇断裂、河125断裂作为凹陷内的主要油源断裂，断裂活动使得断裂带附近超压封存箱发生骤然的变化，箱内高压流体运移到箱外成藏，从而控制了该区纵向多层系含油（图7）。②长期继承性边界大断层控制了超压体系的边界，断裂带内部的断层角砾岩、泥岩涂抹等作用，都可形成超压封存箱的侧向封闭，遮挡油气。例如博兴洼陷西部的高青—平方王断裂带、利津洼陷北部的陈南断裂控制了超压系统的边界，断层的下降盘主要发育超压，而上升盘为常压；同时盆地内的一些大断层则主要起到一定分割压力中心的作用，例如辛镇断裂带、河125断层分割了利津洼陷、牛庄洼陷和民丰洼陷3个超压中心。

图7 东营凹陷超压流体封存箱与油气分布

6 结论

（1）东营凹陷压力场纵向上具有3层结构，2200m以上地层主要发育常压，2200～4500m地层发育超压，4500m以下地层又发育常压；平面上，超压主要分布在利津、牛庄、民丰、博兴4个洼陷，北部陡坡带、南部斜坡带主要发育常压。

（2）东营凹陷超压结构受构造格局、烃源岩分布、热演化程度以及断裂活动的影响较大。平面上，东营凹陷“一陡、四洼、一斜坡”的构造格局控制了4个超压中心的分布；层系上，东营凹陷沙三段—沙四段烃源岩是超压发育的主要层系，烃源岩热演化程度越高，超压幅度越大；凹陷内长期、继承性的大断裂控制了超压系统的横向边界。

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