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異常高壓可以發(fā)育在碎屑巖、蒸發(fā)巖及碳酸鹽巖地層中，發(fā)育深度從數(shù)百米至7km不等，層位從新近系到前寒武均有。異常高壓的形成機(jī)理包括欠壓實(shí)、水熱增壓、干酪根生烴、黏土礦物脫水、構(gòu)造擠壓、壓力傳遞等。一般來(lái)說(shuō)，由于水熱增壓和黏土礦物的脫水量都太小，不足以單獨(dú)形成異常高壓。蘇北盆地為一拉張型盆地，異常高壓僅出現(xiàn)在個(gè)別層位，且凹陷內(nèi)壓力系數(shù)高于斷裂附近，排除了構(gòu)造擠壓和壓力傳遞形成異常高壓的成因可能。因此，阜三段異常高壓的形成機(jī)理只能是欠壓實(shí)或干酪根生烴。為此，選取研究區(qū)測(cè)井資料豐富的代表性井（張101井）進(jìn)行異常高壓的形成機(jī)理研究。
本區(qū)鉆井實(shí)測(cè)的壓力資料較少，給研究?jī)?chǔ)層的異常壓力帶來(lái)很大困難。由于儲(chǔ)層巖石學(xué)特征的多變性和連通程度的差異性，利用測(cè)井資料研究?jī)?chǔ)層壓力存在很多不確定性，不能很好反映壓力的變化。泥巖相對(duì)穩(wěn)定，所以可以通過(guò)測(cè)井資料來(lái)研究泥巖的壓力，通過(guò)實(shí)測(cè)的壓力數(shù)據(jù)約束而間接反映儲(chǔ)層的壓力（盡管兩者之間存在一些微小差別）。
首先讀取井壁規(guī)則處純泥巖的聲波時(shí)差、密度和電阻率，將聲波時(shí)差、電阻率與深度繪制在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，密度與深度繪制在線(xiàn)性坐標(biāo)中（圖2）。鹽城組二段以上，隨著深度的增加，聲波時(shí)差逐漸減小，說(shuō)明泥巖的流體排流順暢，孔隙減小，為正常壓實(shí)段。進(jìn)入鹽城組一段，隨著深度的增加，聲波時(shí)差保持不變，電阻率降低，說(shuō)明鹽城組一段中的泥巖具有較高的孔隙流體，排流受限，存在異常高壓，該異常高壓段在油田所有鉆井中均出現(xiàn)。三垛組二段，隨著埋深的增加，聲波時(shí)差減小，密度變大，說(shuō)明孔隙流體及時(shí)排出，屬于正常壓實(shí)。從三垛組一段（部分井為戴南組）至阜寧組，隨著埋深的增加，聲波時(shí)差減小，但明顯偏離正常壓實(shí)曲線(xiàn)，密度基本保持不變，這與該時(shí)期的快速沉降有關(guān)（沉積速率達(dá)到150m/Ma），說(shuō)明隨著埋深的增加，泥巖中孔隙流體的排流受限，存在欠壓實(shí)。從電阻率曲線(xiàn)也可以看出，在該層段，電阻率隨著埋深的增大而變小，表明電阻率的減小是由泥巖中孔隙流體的增加而引起的，孔隙中并不存在烴類(lèi)物質(zhì)。如果異常高壓是由泥巖生烴引起的，往往泥巖的聲波時(shí)差變大，而密度變小，泥巖的電阻率也將增大[11]。考慮到該地區(qū)阜寧組過(guò)高的沉積速率、低的砂地比和阜三段為非烴源巖，說(shuō)明阜三段存在欠壓實(shí)，異常高壓為欠壓實(shí)成因，與干酪根生烴無(wú)關(guān)。
儲(chǔ)層成巖作用
1.壓實(shí)作用
阜三段砂巖儲(chǔ)層的碎屑顆粒以點(diǎn)接觸為主，部分點(diǎn)—線(xiàn)接觸（圖3a），壓實(shí)作用較弱，然而不同粒度儲(chǔ)層的壓實(shí)作用差別較大。粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖壓實(shí)作用相對(duì)較強(qiáng)，而細(xì)砂巖壓實(shí)作用較弱。為了更好地評(píng)價(jià)粒度對(duì)壓實(shí)強(qiáng)度的控制，本次研究選擇膠結(jié)物含量低的不同粒度砂巖樣品。在偏光顯微鏡下估計(jì)粒間體積的大小，儲(chǔ)層孔隙度用煤油法測(cè)定，砂巖的初始孔隙度假定為40%[12]。圖4表明，細(xì)砂巖儲(chǔ)層的孔隙度一般在15%～20%，壓實(shí)損失率不超過(guò)50%；粉砂巖的孔隙度在10%～18%，壓實(shí)損失率在40%～60%；而泥質(zhì)粉砂巖的孔隙度普遍在10%左右，壓實(shí)損失可達(dá)75%。從以上分析可以看出，粒度越粗，壓實(shí)損失的孔隙度越低。
2.膠結(jié)作用
1）碳酸鹽膠結(jié)
碳酸鹽膠結(jié)在阜三段砂巖儲(chǔ)層中起著重要的作用，可以使砂巖形成無(wú)孔致密層段，其含量變化較大（0～32%）。碳酸鹽膠結(jié)物包括方解石和鐵方解石，以方解石居多。方解石通常呈斑塊狀和嵌晶膠結(jié)（圖3b），特別是無(wú)鐵方解石，被無(wú)鐵方解石嵌晶膠結(jié)的樣品，其他成巖作用均非常弱，儲(chǔ)層基本無(wú)儲(chǔ)集性能。鐵方解石含量較少，為0～3%，形成于石英次生加大之后（圖3c），呈不均勻分布。
2）硅質(zhì)膠結(jié)
硅質(zhì)膠結(jié)在阜三段儲(chǔ)層中主要為石英的次生加大，其次為微晶石英。石英的次生加大具有很強(qiáng)的選擇性，主要出現(xiàn)在黏土含量低的細(xì)砂巖中，石英次生加大含量可達(dá)3%左右；而黏土含量高的細(xì)砂巖及粉砂巖中，均無(wú)石英的次生加大邊，僅見(jiàn)少量微晶石英不均勻分布于綠泥石晶粒之間。從石英次生加大的包裹體來(lái)看，其溫度為93～102℃，說(shuō)明其形成時(shí)間較晚。
3）黏土礦物膠結(jié)
阜三段儲(chǔ)層中黏土礦物豐富，根據(jù)18個(gè)砂巖樣品的黏土X衍射分析，含量最高的黏土為伊/蒙混層，平均61%；其次為高嶺石和綠泥石，平均含量分別為13%和18%；伊利石含量較少，平均8%。（1）高嶺石高嶺石在阜三段中常見(jiàn)，不均勻分布在孔隙中（圖5a），高嶺石在掃描電鏡下呈書(shū)頁(yè)狀，常與綠泥石相伴生。高嶺石的分布受砂巖粒徑的控制，砂巖粒度越粗，其含量越高，在粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖中，高嶺石含量往往較低。高嶺石一般認(rèn)為是酸性介質(zhì)條件下長(zhǎng)石溶蝕的產(chǎn)物，常與大氣淡水和有機(jī)酸有關(guān)[1315]。（2）綠泥石綠泥石在阜三段較為普遍，在掃描電鏡下呈葉片狀充填孔隙空間，與高嶺石、伊/蒙混層相伴生（圖3d，圖5b），可見(jiàn)自生石英包裹綠泥石頁(yè)片。一般來(lái)說(shuō)，綠泥石可分為包殼和襯里，呈近等厚環(huán)邊[1，16]，而阜三段的綠泥石大部分充填孔隙空間，極少以孔隙襯里的形式存在。綠泥石的分布不均勻，說(shuō)明綠泥石應(yīng)該是從八面體蒙脫石轉(zhuǎn)化而來(lái)，而不是從孔隙水中沉積形成。（3）伊/蒙混層伊利石在阜三段儲(chǔ)層中相對(duì)較少，大部分為伊/蒙混層。伊/蒙混層在電鏡下呈鱗片狀、蜂窩狀（圖5c），以孔隙襯里分布為主，少量以孔隙充填物的形式存在于粒間孔。
3.溶蝕作用
細(xì)砂巖中長(zhǎng)石均不同程度地發(fā)生了溶蝕，形成大量的粒間溶孔、鑄?？祝L(zhǎng)石溶蝕形成的次生孔隙最高可占總孔隙的60%。被溶長(zhǎng)石顆粒的邊緣可以有黏土環(huán)邊（圖5d），也可以沒(méi)有。黏土環(huán)邊可以是綠泥石，也可以是伊/蒙混層，反映長(zhǎng)石溶蝕發(fā)生的時(shí)間跨度較長(zhǎng)。與長(zhǎng)石溶蝕相伴生的是自生鈉長(zhǎng)石的出現(xiàn)，自生鈉長(zhǎng)石在阜三段中較為常見(jiàn)，掃描電鏡下可觀(guān)察到已溶解長(zhǎng)石碎屑的框架上出現(xiàn)許多鈉長(zhǎng)石小晶體，晶棱和晶面清晰可見(jiàn)。長(zhǎng)石的溶蝕導(dǎo)致孔隙水中鈉離子處于過(guò)飽和，使其以鈉長(zhǎng)石的形式就地生長(zhǎng)。長(zhǎng)石溶蝕作用的持續(xù)發(fā)生，不僅提供了源源不斷的鈉離子，還為鈉長(zhǎng)石的生長(zhǎng)提供了空間。
討論
1.異常高壓對(duì)壓實(shí)作用的抑制
壓實(shí)作用是破壞碎屑巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的主要成巖作用之一，其強(qiáng)弱程度通常與以下3個(gè)因素有關(guān)。（1）骨架顆粒的力學(xué)性質(zhì)。在上覆地層壓力下，塑性顆粒易發(fā)生形變占據(jù)孔隙空間而導(dǎo)致壓實(shí)增加[2，1718]。常見(jiàn)的塑性顆粒有云母、火山巖巖屑、淺變質(zhì)巖巖屑及泥巖巖屑。（2）與作用在骨架顆粒上的有效應(yīng)力有關(guān)，有效應(yīng)力越大，壓實(shí)作用越強(qiáng)。（3）成巖早期的膠結(jié)物可抑制壓實(shí)作用的持續(xù)進(jìn)行[1，16，1920]，常見(jiàn)的抑制壓實(shí)作用的成巖早期膠結(jié)物有非共軸生長(zhǎng)的微晶石英、綠泥石包殼、少量方解石及濁沸石等。在砂巖骨架組分和膠結(jié)物含量及性質(zhì)變化不大的情況下，壓實(shí)強(qiáng)度只與作用于骨架顆粒上的有效應(yīng)力有關(guān)，有效應(yīng)力可表述為σ′=SVpP(1)其中：σ′—有效應(yīng)力，MPa；SV—上覆負(fù)荷應(yīng)力，MPa；pP—流體壓力，MPa。從式（1）可以看出，作用于骨架顆粒上的有效應(yīng)力等于上覆地層壓力與孔隙流體壓力之差。也就是說(shuō)，如果孔隙流體的壓力增加，則作用于骨架顆粒上的有效應(yīng)力將減小，將導(dǎo)致壓實(shí)作用變?nèi)?。阜寧組阜三段砂巖儲(chǔ)層平均埋深3000m，如果孔隙壓力是常壓，假定上覆地層平均密度為2.3g/cm3,流體密度1.0g/cm3，則作用于骨架顆粒上的有效應(yīng)力為39MPa左右。然而，如果壓力系數(shù)為1.3，在其他條件不變的情況下，作用于骨架顆粒上的有效應(yīng)力減小為30MPa左右，相當(dāng)于埋深僅在2300m左右?？梢钥闯?，欠壓實(shí)導(dǎo)致的高壓可以抵消部分上覆地層壓力，使壓實(shí)作用相對(duì)變?nèi)?，原生粒間孔隙得以保存。阜三段儲(chǔ)層普遍發(fā)育高壓，壓力系數(shù)在1.3左右，超壓抵消了近700m厚的上覆地層壓力。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
2.異常高壓對(duì)蒙脫石伊利石化的抑制
阜三段砂巖為淺湖灘壩成因，由于相對(duì)較弱的水動(dòng)力，具有粒度細(xì)，雜基含量高的特征，雜基以蒙脫石為主。蒙脫石有兩種成因，一種是機(jī)械成因，較為常見(jiàn)；另一種與生物活動(dòng)有關(guān)，在粒度更細(xì)的粉砂巖中較為常見(jiàn)。隨著埋深的增加，溫度和孔隙水的變化將導(dǎo)致蒙脫石向伊利石化轉(zhuǎn)化，本文重點(diǎn)研究異常高壓對(duì)阜三段蒙脫石伊利石化的抑制。蒙脫石作為一種黏土礦物，在成巖過(guò)程中扮演著非常重要的作用，但對(duì)其研究相對(duì)較少。蒙脫石可以為成巖礦物（如伊利石、石英、沸石等）提供物質(zhì)來(lái)源，而且它比其他礦物更容易吸收有機(jī)質(zhì)。蒙脫石由于存在大量的微孔，其比表面非常大，可急劇降低儲(chǔ)層的滲透性。蒙脫石中含有大量的結(jié)構(gòu)水，在成巖過(guò)程中釋放出結(jié)構(gòu)水，使地層壓力增加。而欠壓實(shí)導(dǎo)致的高壓形成時(shí)間早，顯然異常高壓可以抑制蒙脫石的脫水，使其伊利石化的反應(yīng)變緩[10]，但這種影響程度到底有多大，還不清楚。蒙脫石的伊利石化需要額外的鉀，如果成巖體系不能提供額外的鉀，蒙脫石將是穩(wěn)定的，不管溫度怎么增加，蒙脫石均不會(huì)發(fā)生伊利石化，部分淺變質(zhì)巖中仍含有大量蒙脫石就可以很好地說(shuō)明這一點(diǎn)。在砂巖中，鉀長(zhǎng)石的高嶺石化可以釋放大量鉀離子，為蒙脫石的伊利石化提供鉀[21]。而在泥巖中，隨著埋深的增加，蒙脫石和鉀長(zhǎng)石含量減小，伊利石含量往往是增加的，也說(shuō)明鉀長(zhǎng)石的溶蝕為蒙脫石的伊利石化提供了鉀。阜三段儲(chǔ)層中雖然鉀長(zhǎng)石的溶蝕非常明顯，但相應(yīng)的高嶺石含量并不高。根據(jù)X衍射結(jié)果分析，其高嶺石含量?jī)H為13%，表明大部分鉀長(zhǎng)石溶蝕發(fā)生在欠壓實(shí)形成之前，部分鑄?？走吘墴o(wú)任何黏土膜也說(shuō)明其形成時(shí)間較早，溶蝕產(chǎn)物被帶出了反應(yīng)體系。異常高壓形成后，由于溶蝕產(chǎn)物高嶺石和二氧化硅不能被及時(shí)帶出反應(yīng)體系，導(dǎo)致鉀長(zhǎng)石的溶蝕速率變緩。正是高壓封閉體系的形成，導(dǎo)致鉀長(zhǎng)石溶蝕變緩，產(chǎn)生的鉀離子數(shù)量有限，而阜三段儲(chǔ)層中蒙脫石含量非常高，所以蒙脫石的伊利石化得到了抑制。阜三段儲(chǔ)層埋深3000m，地溫超過(guò)100℃，而伊/蒙混層中蒙脫石含量仍可達(dá)55%，正是欠壓實(shí)形成高壓所致。
3.封閉體系中成巖作用的特殊性
阜三段儲(chǔ)層中的石英次生加大和鐵方解石的膠結(jié)具有很強(qiáng)的選擇性，均發(fā)育在粒度粗、雜基含量低、次生孔隙發(fā)育的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層中。雖然比較普遍，但含量并不高，對(duì)儲(chǔ)層的影響并不是太大。石英次生加大首先要解決硅的來(lái)源，阜三段儲(chǔ)層中硅的來(lái)源可能主要由以下兩種：（1）蒙脫石的伊利石化；（2）鉀長(zhǎng)石的高嶺石化。成巖體系的過(guò)早封閉，抑制了蒙脫石的伊利石化和鉀長(zhǎng)石的高嶺石化。因此使孔隙水中硅濃度偏低，石英次生加大不明顯。
欠壓實(shí)形成異常高壓后，水巖反應(yīng)的產(chǎn)物不能被及時(shí)帶出反應(yīng)體系，導(dǎo)致儲(chǔ)層中黏土礦物含量高。這些黏土礦物形成后，一方面阻止二氧化硅在碎屑石英顆粒表面成核而抑制石英的次生加大[22]；另一方面使孔隙變小、喉道變窄、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體的流動(dòng)變緩。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，膠結(jié)物在小孔喉中沉淀比大孔隙中沉淀需要更高的濃度[4]。所以，石英的次生加大和鐵方解石的膠結(jié)均出現(xiàn)在高孔滲儲(chǔ)層中，且含量相對(duì)較小，在黏土含量高，儲(chǔ)層儲(chǔ)集物性差的砂巖中幾乎不見(jiàn)石英的次生加大和鐵方解石的膠結(jié)。
結(jié)論
（1）與欠壓實(shí)有關(guān)的異常高壓形成時(shí)間早，孔隙流體承受了部分上覆地層壓力，可以抑制上覆地層的壓實(shí)作用，使存在異常高壓的深部?jī)?chǔ)層具有較高的粒間體積。（2）欠壓實(shí)有關(guān)的異常高壓使成巖體系過(guò)早封閉，由于反應(yīng)產(chǎn)物不能被及時(shí)帶出，長(zhǎng)石的高嶺石化受到抑制，異常高壓和有限的鉀離子延緩了蒙脫石的伊利石化。（3）異常高壓封閉體系使儲(chǔ)層中含有大量的黏土礦物，一方面阻止二氧化硅在石英顆粒表面成核；另一方面使硅質(zhì)和鐵方解石的沉淀需要更高的濃度，對(duì)石英的次生加大和鐵方解石的沉淀具有抑制作用。（4）與欠壓實(shí)有關(guān)的異常高壓儲(chǔ)層，由于高壓對(duì)壓實(shí)作用、部分膠結(jié)作用的抑制，使其在深埋情況下仍具有較高的儲(chǔ)集物性，對(duì)深部中—新生界油氣勘探具有重要的指導(dǎo)意義。（本文圖略）
本文作者： 劉迪 丁曉琪 韓玫梅 單位：成都理工大學(xué)能源學(xué)院 成都西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院