異常高壓形成機(jī)理

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。一般來說，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)測的壓力資料較少，給研究儲(chǔ)層的異常壓力帶來很大困難。由于儲(chǔ)層巖石學(xué)特征的多變性和連通程度的差異性，利用測井資料研究儲(chǔ)層壓力存在很多不確定性，不能很好反映壓力的變化。泥巖相對穩(wěn)定，所以可以通過測井資料來研究泥巖的壓力，通過實(shí)測的壓力數(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數(shù)坐標(biāo)中，密度與深度繪制在線性坐標(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，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)阜寧組過高的沉積速率、低的砂地比和阜三段為非烴源巖，說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)作用相對較強(qiáng)，而細(xì)砂巖壓實(shí)作用較弱。為了更好地評價(jià)粒度對壓實(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），特別是無鐵方解石，被無鐵方解石嵌晶膠結(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，均無石英的次生加大邊，僅見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看，其溫度為93～102℃，說明其形成時(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，不均勻分布在孔隙中（圖5a），高嶺石在掃描電鏡下呈書頁狀，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），可見自生石英包裹綠泥石頁片。一般來說，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，說明綠泥石應(yīng)該是從八面體蒙脫石轉(zhuǎn)化而來，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)砂巖中長石均不同程度地發(fā)生了溶蝕，形成大量的粒間溶孔、鑄模孔，長石溶蝕形成的次生孔隙最高可占總孔隙的60%。被溶長石顆粒的邊緣可以有黏土環(huán)邊（圖5d），也可以沒有。黏土環(huán)邊可以是綠泥石，也可以是伊/蒙混層，反映長石溶蝕發(fā)生的時(shí)間跨度較長。與長石溶蝕相伴生的是自生鈉長石的出現(xiàn)，自生鈉長石在阜三段中較為常見，掃描電鏡下可觀察到已溶解長石碎屑的框架上出現(xiàn)許多鈉長石小晶體，晶棱和晶面清晰可見。長石的溶蝕導(dǎo)致孔隙水中鈉離子處于過飽和，使其以鈉長石的形式就地生長。長石溶蝕作用的持續(xù)發(fā)生，不僅提供了源源不斷的鈉離子，還為鈉長石的生長提供了空間。

討論

1.異常高壓對壓實(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]，常見的抑制壓實(shí)作用的成巖早期膠結(jié)物有非共軸生長的微晶石英、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，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)酢８穼幗M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)作用相對變?nèi)酰ｉg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。