濰北凹陷孔店組異常低壓分布特征及成因機制摘要：濰北凹陷孔店組發育異常低壓，主要分布在北部洼陷帶孔二段地層中。應用流體包裹體方法和盆地模擬方法恢復了古壓力，發現油氣充注時(孔店末期-沙河街早期)古壓力系數分布在1.12到1.66之間，表現為超壓狀態。濰北凹陷孔店組壓力場演化經歷了“壓力積累-壓力釋放-壓力分異”三個階段，古壓力演化可分為三種模式，北部地區發育“超壓-低壓-弱超壓”壓力演化模式，中部地區發育“超壓-低壓-低壓”壓力演化模式，南部地區發育“常壓-低壓-常壓”壓力演化模式。分析認為構造抬升作用和地溫降低的共同作用是濰北凹陷可以發育低壓的基礎條件，地下流體供排不平衡和濃差作用促進異常低壓發育。（地區還是不一致，圖中有東北部，文中有西北部，請仔細確認一下）圖4就注明層段，加上壓力分區大體界線，1現今地層壓力分布特征：這部表述有點不順，請再推敲一下吧）關鍵詞：異常低壓；古壓力；成因機制；流體包裹體；盆地模擬；濰北凹陷中圖分類號：TE122.3文獻標識碼：ADistributioncharacteristicsandmechanismofKongdianformationabnormallylowpressurezonesinWeibeiSagAbstract：KongdianformationdevelopedabnormallylowpressurezonesinWeibeiSag,abnormallylowpressuremainlydistributedinmember2ofkongdianformationofnorthernsag.Restoredtheancientpressurebyfluidinclusionsandbasinsimulationmethods,Foundancienthydrocarbonfillingpressurecoefficientsdistributedbetween1.12to1.66,Showedwidespreadoverpressure.PressurefieldEvolutionexperiencedthreestages:pressurebuildup,pressurereleaseandpressuredifferentiation.Ancientpressureevolutioncanbedividedintothreemodes,"Overpressure-Lowpressure-weakoverpressure"evolutionmodelsdevelopedinnorthwestregion,"Overpressure-Lowpressure-lowpressure"evolutionmodelsdevelopedinnortheastregion,"normalpressure-lowpressure-normalpressure"evolutionmodeldevelopedinsouthernregion.AnalystsbelievethattheCombinedactionoftectonicupliftandtemperaturereductionisthebasicconditionaboutlow-pressurecanbedevelopedinWeibeiSag.Undergroundfluidsupply-dischargeimbalanceandconcentrationeffectpromotethedevelopmentofabnormallowpressure.Keywords:abnormallylowpressure;ancientpressure;mechanism;fluidinclusion;basinsimulation;WeibeiSag0引言正常地層壓力等于地表到某一地層深度的靜水壓力，凡是偏離靜水壓力的地層壓力均為異常地層壓力。常用壓力系數來表示異常壓力的相對高低，實際研究中考慮到實際測試和計算帶來的誤差，用一定的壓力系數范圍表示壓力狀態更合理并更好操作，將壓力系數大于1的稱為異常高壓，壓力系數小于1的稱為異常低壓。濰北凹陷是昌濰拗陷內重要的二級構造單元，是位于郯廬斷裂帶中段沂沭斷裂帶內部典型的新生代走滑拉分盆地，平面大體呈平行四邊形，表現為一個東西雙斷、北斷南超的箕狀盆地[1,2]，面積約880km2，劃分為瓦城斷階帶、灶戶斷鼻帶、北部洼陷帶和南部斜坡帶4個次級構造單元（圖1）。盆地主要形成于古近紀，孔店組是勘探開發的主要目的層系。由于經歷過構造回返和長期暴露剝蝕，造成孔店組地層壓力特征復雜，給盆地成藏研究帶來很大困難，為此對濰北凹陷壓力演化及分布特征進行了深入研究，對壓力演化過程進行了探討。圖1濰北凹陷構造位置及構造格局Fig.1RegionaltectoniclocationandstructuraldevelopmentfeaturesofWeibeiSag1現今地層壓力分布特征縱向上，濰北凹陷孔店組存在明顯的低壓層段，當地層埋深小于2300m時地層壓力與靜水壓力趨勢基本一致，隨著深度的增加地層并沒有因為壓實表現出明顯的超壓，而是部分地層壓力逐漸偏離靜水壓力開始出現低壓，在層系上，各個層段都有低壓井顯示，但主要發育在孔二段。壓力系數在縱向主要分為兩個帶，2300m以上壓力系數主要分布在1.0附近，基本與靜水壓力一致，1500m出現負壓井，2300m以下低壓顯示開始增多，并且出現超低壓，其主要發育在孔二段，最低壓力系數為0.71（圖2a）。（分兩個帶？1500m應算在哪個帶？）(a)層位分布（b）平面分布圖2濰北凹陷地層壓力系數和深度關系Fig.2RelationgshipofformationpressurecoefficientanddepthinWeibeiSag平面上，北部區地區低壓井較多，壓力發育低壓到超低壓都有出現；南部地區多發育常壓井，低壓井較少，僅分布于凹陷中部洼陷區與灶戶斷鼻帶交界處（圖2b），說明受埋藏深度的影響，南部和北部地區對異常壓力的保存能力不同。2古壓力恢復及其演化特征要明確現今低壓成因，就需要對古壓力進行恢復，恢復古壓力的方法有很多，其中主要有根據流體包裹體均一溫度和流體成分之間的平衡關系來確定古壓力[3]；利用盆地模擬方法結合研究地區的實際地質資料，也可以恢復單井(一維)及剖面的古壓力(二維)。針對濰北凹陷壓力分布特征，本次采用流體包裹體數據和盆地模擬相結合的方法對古壓力進行恢復。2.1流體包裹體方法恢復古壓力前人研究認為,流體包裹體均一溫度、形成溫度、鹽度和形成壓力等4個參數之間存在著一定的函數關系。其中的均一溫度和鹽度可以測得,通過一定的方法確定出包裹體的形成溫度就可以得到其形成壓力[4,5]。流體包裹體的形成壓力可以用下面的公式得到：式中，p為形成壓力,Mpa；T為包裹體捕獲溫度，℃；A1、A2可用下式表示：A1=6.100*103+（0.2383-a1）Th-（2.855*10-3+a2）Th2-(a3Th+a4Th2)MA2=a1+a2Th+9.888*10-6Th2+(a3+a4Th)M式中M為包裹體的鹽度的質量摩爾濃度,mol/kg；Th為包裹體均一溫度，℃；a1、a2、a3、a4為常數,在地層水為NaCl-H2O體系時數值分別為2.873*10-1，-6.477*10-2，-2.009*10-1，3.186*10-3。用陳勇等根據人工合成烴類包裹體所做的鹽水包裹體均一溫度校正曲線對包裹體均一溫度進行校正獲得的包裹體的捕獲溫度進行計算，表1是對包裹體捕獲壓力的計算結果。古埋深是在單井埋藏史及熱史恢復的基礎上結合包裹體捕獲溫度值得到的，古壓力系數是古地層壓力與靜水壓力的比值，數學表達式為。其中為地層水密度，近似認為是1000kg/m3；g為重力加速度（98m/s2）；z為地層深度（m）。從計算的結果可以看出,油氣充注（包裹體被捕獲）時壓力總體高于正常靜水壓力,古壓力系數在1.12到1.66之間，可能跟油氣充注有關,地層經過油氣充注后表現為普遍的超壓狀態。但是現今地層壓力系數總體表現為低壓或常壓，這表明在地層沉積埋藏過程中，濰北地區經受了大面積的地層剝蝕，抬升，導致巖石骨架反彈，引起巖石孔隙體積的擴容，從而導致流體壓力的降低。表1濰北凹陷流體包裹體恢復古壓力數據Table.1AncientpressuresdatarestorationbyfluidinclusioninWeibeiSag樣品編號深度H/km取樣巖性層位均一溫度Tb/℃鹽度/%捕獲溫度T/℃質量摩爾濃度/mol/kg捕獲壓力p/Mpa古埋深H1/km古壓力系數昌642167.2粉砂巖Ek115320.221684.3330.942567.001.21昌682129.4粉砂巖Ek11097.861241.4633.492929.001.14昌682129.4粉砂巖Ek11013.061160.5434.052929.001.16昌682129.4粉砂巖Ek11093.871240.6933.322929.001.14昌682129.4粉砂巖Ek1113.33.87128.30.6932.922929.001.12昌831798.6粉砂巖Ek21593.391740.6028.842575.601.12昌831798.6粉砂巖Ek21500.351650.0629.372575.601.14昌831798.6粉砂巖Ek21474.341620.7829.922575.601.16昌831798.6粉砂巖Ek21456.741601.2430.272575.601.182.2盆地模擬方法恢復古壓力演化應用盆地模擬方法對孔店組古地層壓力進行恢復主要是通過“回剝法”，把研究目的層恢復到沉積的厚度并計算壓力。它的基本假設是：在整個盆地的發育過程中，理想地認為巖石骨架體積保持不變(由于巖石的壓縮系數較小)。這樣在盆地演化過程中，由于上覆巖層的增加，地層的孔隙度和厚度就減少，地層厚度的變化主要通過孔隙流體體積及孔隙度的變化來實現。此方法的關鍵是建立比較準確的孔隙度壓實趨勢線，對于單井古壓力恢復來說，需要知道單井的各地層的分層厚度、剝蝕量、各類巖石所占百分比以及巖石物理參數、古地溫梯度演化史等。通過對單井古壓力演化情況進行恢復，進而得到整個地區的古壓力演化史[6]。通過Petromod盆地模擬軟件的處理，參照研究區的古熱場參數，選取全區比較有代表性的四口井（昌45、昌51、昌64和昌901），對關鍵層位孔二下亞段進行古壓力演化模擬（圖3）。可以看出濰北凹陷孔二段的壓力演化經歷超壓階段、卸壓階段和壓力分異階段。圖3濰北凹陷古壓力演化特征Fig.3characteristicsofancientpressureevolutioninWeibeiSag36Ma之前在欠壓實作用下，濰北凹陷孔二段各區塊都在進行著壓力的積累，并在遭受剝蝕前達到壓力的最高峰，此時北部洼陷帶在生烴作用下達到異常高壓的。36Ma到24Ma，東營運動使得濰北凹陷沙三段-東營組普遍缺失,缺失地層厚1000-2000m。沙四段從北部地區到南部地區逐漸消失。這次沙河街末期遍及整個地區的構造抬升運動造成上覆地層的巨大剝蝕,使得原來的異常高壓狀況下的地層被抬升至淺處，壓力得到釋放，部分地區形成低壓。24Ma至今，濰北凹陷又接受了館陶組-平原組的沉積，北部地區由于埋深較大，封閉條件良好，剝蝕導致的異常低壓被保存下來，南部地區地層遭受剝蝕程度較大，其形成的低壓難以得到保存，恢復至常壓，形成現今濰北的壓力格局。圖4濰北凹陷現今壓力系數分布特征（是哪個層段？加上區劃線為好）Fig.4characteristicsofancientpressureevolutioninWeibeiSag2.3壓力演化模式根據濰北凹陷現今壓力平面分布特征（圖4），結合盆地模擬技術，可以確定濰北凹陷孔店組的壓力場演化經歷了“壓力積累-壓力釋放-壓力分異”三個階段，并將全區的古壓力演化模式分為三種（圖5）：“超壓-低壓-弱超壓”壓力演化模式：凹陷西北部地區作為全區的生烴中心，在剝蝕后接受的再次沉積厚度大于原來的剝蝕厚度，達到生烴的深度，進行二次生烴，發育弱超壓。圖5濰北凹陷壓力演化模式Fig.5PressureevolutionmodelinWeibeiSag“超壓-低壓-低壓”壓力演化模式：凹陷中部在經歷沙河街組沉積時期抬升卸壓后，形成低壓，由于該區埋深較大，封閉條件較好，其異常低壓得以保存下來，直至現今。“常壓-低壓-常壓”壓力演化模式：凹陷南部地區地層太淺，剝蝕前難以達到超壓，抬升期間遭受剝蝕程度較大，巖層反彈導致孔隙增大，巖石骨架支撐了一部分上覆靜水壓力，發育低壓，成為油氣運移的低勢區。剝蝕停止后在沉積作用和油氣充注雙重作用下恢復至常壓。流體包裹體均一溫度表明深層致密氣藏經歷了2期充注，第一期發生在沙河街組沉積早期(52~50.5Ma)，第二期發生在沙河街構造運動之前(43.5~36Ma)，以第二期充注為主。沙河街構造運動造成盆地瀉壓，致密氣藏被破壞。新近系的沉積使儲層進一步致密化，有利于孔店組致密氣的保存。因此，濰北凹陷深層孔店組致密氣為殘留氣藏，仍有一定的勘探前景[8]。3異常低壓成因機制關于異常低壓的成因機制也存在多種解釋，如抬升和上覆地層的剝蝕（Bradley,1975；NeuzilandPollock,1983）、不同熱效應（Barker,1972）、地下水流動的不平衡（BelitzandBredehoeft,1988；Neuzil,1995）、封閉層的滲流作用（SwarbrickandOsborne,1998；Neuzil,2000）、巖石擴容作用和濃差作用。Belitz和Bredehodft（1998）認為美國Hugoton地區異常低壓與該地區抬升和剝蝕作用有關。在地質歷史時期，大部分異常低壓都與抬升剝蝕作用有關（BachuandUnderschultz,1995）。濰北凹陷在東營運動中，經受大面積的巨厚剝蝕[7]，異常低壓的形成與抬升剝蝕和古今地溫梯度的差異密不可分。3.1抬升剝蝕作用濰北凹陷在東營末期的抬升作用，遭受大量剝蝕，造成全區東營組-沙三段的缺失，沙四段也呈北厚南薄的趨勢，部分地區也缺失沙四段。由北向南，剝蝕厚度逐漸增大，南部緩坡帶剝蝕厚度最大可達1300m，巨厚的剝蝕導致南部地區館陶組-平原組的再沉積厚度小于剝蝕厚度。在沉積盆地發生大幅度抬升剝蝕的地區，由于構造抬升地層升高引起的流體向下傾方向泄露、負荷減少而引起的孔隙反彈，特別是后期沉降幅度不足以彌補剝蝕厚度的情況下，由于剝蝕卸載后的彈性回返，使得地層和巖石的孔隙度增大導致低壓異常[9]，同時由于巖石冷卻造成的氣相收縮或凝結也起到一定的加速低壓產生的作用。解習農等進行卸載速率與異常低壓之間的相關分析表明當卸載速度從5m/Ma增加到50m/Ma，剩余壓力可減少4MPa，異常低壓與卸載速率成正比[10]，卸載速率越大，則異常低壓越明顯，由此可知抬升剝蝕作用是濰北凹陷現今低壓異常的重要原因。3.2地溫梯度降低濰北地區現今地溫梯度為3.84℃/100m，根據現今DST資料，計算所得地溫與深度關系式為T=0.0384H+14.408。多數學者通過不同方法證實了濰北凹陷古地溫梯度高于現今地溫梯度[11,12]。流體包裹體均一溫度也證實了古地溫高于現今地層溫度（表2）。地層抬升之前古地溫梯度介于4.1-7.0℃/100m之間，明顯大于現今地溫梯度3.84℃/100m。構造抬升運動中溫度和地溫梯度的降低引起的流體收縮，導致地層壓力和壓力系數減小[13]，尤其是地層封閉性較好或者滲透率較低并沒有明顯的構造擠壓的情況下，可以形成明顯的異常低壓[14,15]。Bradley（1972）也證實在良好封閉條件下由于溫度降低可導致地層壓力低于靜水壓力，Bradley（1975）提出在封閉系統中每1華氏攝氏度的增高可導致壓力從0.77MPa變為0.88MPa。因此可以看出濰北凹陷構造抬升導致了地溫梯度降低，從而導致了異常低壓的形成。表2濰北凹陷流體包裹體分析結果Table.2ResultoffluidinclusionsanalysisinWeibeiSag井號現今埋深（m）抬升前深度（m）地層均一溫度（℃）平均均一溫度（℃）地溫梯度（℃/100m）昌451743.532143.53Ek185-129110.54.5昌672624.22766.2Ek1129-1451364.4昌6730013143Ek2136-147142.24.1昌673048.83190.8Ek2140-157148.44.2昌682129.42412.4Ek2z101-137114.44.1昌721044.11524.1Ek198.6-149.5120.47.0昌831798.62408.6Ek298.3-159125.54.6地表溫度為14.4℃3.3流體供排不平衡與濃差作用從濰北凹陷地層水水型可以看出，全區以CaCl2為主，NaHCO3和Na2SO4水型井很少，并且主要分布于南部緩坡帶，表明凹陷地下流體封閉性很好，不受大氣水滲入的影響。CaCl2型地層水分布區是區域水動力相對阻滯區，是縱向水文地質剖面上的交替停滯帶，由于洼陷帶和灶戶鼻狀構造帶的油氣田被東西向、南北向斷裂分隔成多個斷塊，各個斷塊之間的連通性差，不受大氣水的影響。從濰北凹陷各地區地層水礦化度與深度關系圖可以看出，濰北凹陷南部淺層礦化度隨埋深增加而增加，呈正常趨勢變化，到1500m以下深部地區規律復雜，北部凹陷數據點混亂，且對應著低壓的發育區（圖6）。如果一個封隔區中水的含鹽度較高，毛細管力作用將使得高鹽度封隔體中的水穿過滲透膜流入到低鹽度區，那么在高鹽度封隔體由于水的滲漏而形成低壓，而低鹽度封隔體由于水的增加而形成超壓（Hitchon,1969）。一般情況下，由于濃差作用導致低壓值可能較小(<3MPa)。研究區異常低壓帶往往是高鹽度區，而過渡壓力帶和常壓帶為低鹽度區。圖6濰北凹陷地層水礦化度與深度關系Fig.6RelationshipofformationwatersalinityanddepthinWeibeiSag綜上所述，構造抬升作用和地溫降低的共同作用是濰北凹陷可以發育低壓的地質背景。地下流體供排不平衡和濃差作用促進局部發育異常低壓，是現今異常壓力分布格局的重要原因。4結論（1）濰北凹陷現今地層壓力縱向上分為兩段，2300m以上地層主要發育常壓，2300m以下出現異常低壓，低壓主要分布于凹陷北部的孔二段地層中。（2）孔二段地層經歷了“壓力積累-壓力釋放-壓力分異”三個演化階段。（3）構造抬升作用和地溫降低的共同作用是濰北凹陷可以發育低壓的地質背景，地下流體供排不平衡和濃差作用促進局部發育異常低壓。參考文獻[1]程有義,梁書義,丘東洲.濰北凹陷中新生代層序地層的沉積模式[J].沉積與特提斯地質,2001,21(4):21-27.[2]陳世悅