銀 曉，曹 躍，高勝利，周進(jìn)松，林桂芳，喬向陽(yáng)，劉 鵬

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

鄂爾多斯盆地東南部上古生界過(guò)剩壓力與氣藏關(guān)系研究

銀 曉，曹 躍，高勝利，周進(jìn)松，林桂芳，喬向陽(yáng)，劉 鵬

(陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

為了揭示鄂爾多斯盆地東南部古生界天然氣運(yùn)移與富集規(guī)律，利用測(cè)井聲波資料計(jì)算上古生界本溪組至石千峰組最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力，分析流體過(guò)剩壓力的分布特征及其與已發(fā)現(xiàn)氣藏的關(guān)系。結(jié)果表明：研究區(qū)上古生界普遍發(fā)育兩個(gè)欠壓實(shí)帶，石盒子組—石千峰組過(guò)剩壓力普遍較高，主要分布在3.00～15.00 MPa之間，最高可達(dá)到22.20 MPa；本溪組—山2段過(guò)剩壓力主要分布在1.02～10.00 MPa之間，最高為17.38 MPa。充足物源、快速沉積導(dǎo)致的“欠壓實(shí)”和烴源巖大量生排烴“膨脹壓”是研究區(qū)過(guò)剩壓力帶形成的主要原因。過(guò)剩壓力帶發(fā)育與天然氣富集關(guān)系密切，下部過(guò)剩壓力是天然氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?，同時(shí)局部對(duì)下部本溪組、山2段氣藏起到一定的遮擋作用，上部過(guò)剩壓力發(fā)育帶是山1段、盒8段氣藏富集的重要區(qū)域性蓋層。

鄂爾多斯盆地東南部；過(guò)剩壓力；上古生界氣藏；區(qū)域性蓋層；運(yùn)移動(dòng)力

近年來(lái)延長(zhǎng)石油集團(tuán)在鄂爾多斯盆地東南部上古生界多個(gè)層系發(fā)現(xiàn)天然氣藏，在延安地區(qū)探明了首個(gè)千億方級(jí)大氣田——延安氣田，打破了盆地“南油北氣”的固有認(rèn)識(shí)[1]，展示了廣闊的天然氣勘探開(kāi)發(fā)前景。鄂爾多斯盆地東南部上古生界氣藏普遍具有低孔、低滲、低壓、低豐度特征[1-2]，因此該區(qū)上古生界天然氣成藏條件不同于常規(guī)油氣藏，在致密、非均質(zhì)強(qiáng)的儲(chǔ)層背景下烴源巖、蓋層與優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的良好配置對(duì)天然氣成藏非常關(guān)鍵[3-4]。

前人對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界剩余壓力分布特征、成因機(jī)制及其與天然氣成藏關(guān)系進(jìn)行過(guò)詳細(xì)研究，證實(shí)了鄂爾多斯盆地上古生界地層異常壓力發(fā)育與天然氣的運(yùn)移、聚集、富集有密切的關(guān)系[2-4]。但是由于盆地東南部上古生界成藏的復(fù)雜性，有些重要問(wèn)題需要進(jìn)一步探討，如盆地東南部宜川-富縣區(qū)域及其以南區(qū)域上古生界剩余壓力發(fā)育特征如何，該區(qū)域剩余壓力對(duì)上古生界天然氣富集起著何種控制作用等。因此，本文通過(guò)對(duì)盆地東南部上古生界最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力進(jìn)行計(jì)算，揭示該區(qū)域剩余壓力分布特征，探討剩余壓力與天然氣成藏的關(guān)系，以期為該區(qū)域天然氣富集規(guī)律的認(rèn)識(shí)和天然氣勘探提供新的思考視角和研究理論基礎(chǔ)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東南部，該區(qū)域構(gòu)造整體穩(wěn)定，斷層不發(fā)育[3]。我們前期研究表明這一區(qū)域上古生界物源主要來(lái)自于盆地東南部的祁連-北秦嶺造山帶，沉積體系的發(fā)育嚴(yán)格受盆地東南物源控制[5]。研究區(qū)上古生界自下而上發(fā)育障壁海岸體系、海陸過(guò)渡相三角洲沉積體系至陸相河流相沉積體系，從而為區(qū)內(nèi)氣藏的形成提供了必要的生儲(chǔ)蓋組合條件[6-7]。區(qū)內(nèi)上古生界主力烴源巖呈廣覆式分布，為山西組山 2 段至本溪組暗色泥巖及含煤層系，暗色泥巖、煤層累計(jì)厚度介于65～120 m，總體表現(xiàn)為北厚南薄。區(qū)內(nèi)上古生界儲(chǔ)集層類(lèi)型豐富多樣，以本溪組障壁砂壩、山西組曲流河三角洲分流河道砂體及石盒子組下部辮狀河分流河道砂體為主。石盒子組至石千峰組廣泛發(fā)育的巨厚泥巖形成良好的區(qū)域性蓋層，泥巖累計(jì)厚度介于80～205 m，整體表現(xiàn)為北厚南薄。目前已發(fā)現(xiàn)氣藏主要見(jiàn)于石盒子組盒8段、山西組山1段，其次為本溪組和山西組山2段。

2 過(guò)剩壓力研究

本文對(duì)研究區(qū)近年鉆探的106口井探井測(cè)井資料做分析，以泥巖壓實(shí)曲線(xiàn)中的聲波測(cè)井作為獲得流體壓力數(shù)據(jù)的來(lái)源，根據(jù)等效深度法原理，通過(guò)泥巖聲波時(shí)差對(duì)研究區(qū)最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力進(jìn)行了恢復(fù)。

2.1 過(guò)剩壓力計(jì)算方法

地下流體的壓力分為正常靜水壓力和異常壓力，后者具有過(guò)剩壓力。通過(guò)靜水壓力梯度可求取壓實(shí)曲線(xiàn)中正常段的流體壓力值。地下流體壓力數(shù)據(jù)一般可以通過(guò)壓力實(shí)測(cè)、泥巖聲波時(shí)差值計(jì)算等方法獲得[8]。本次研究采用泥巖聲波時(shí)差數(shù)據(jù)計(jì)算地下異常壓力。

基于地層中泥質(zhì)巖類(lèi)壓實(shí)的不可逆性，現(xiàn)今壓實(shí)曲線(xiàn)可很好地反映地層最大埋深期的壓力情況，可利用等效深度法計(jì)算此時(shí)期的過(guò)剩壓力[9-10]。其原理為：壓實(shí)曲線(xiàn)上處于正常壓實(shí)段和異常壓實(shí)段的兩點(diǎn)，若孔隙度相等，則兩點(diǎn)所承受的有效應(yīng)力也相等。

壓實(shí)曲線(xiàn)的上部為正常壓實(shí)段，聲波時(shí)差的對(duì)數(shù)與埋深為線(xiàn)性關(guān)系，假設(shè)目標(biāo)層段的埋深為Z，從該點(diǎn)向上作垂線(xiàn)與正常壓實(shí)段相交與一點(diǎn)深度為Ze，兩點(diǎn)的孔隙度值相等，因此孔隙流體承受的壓力即地層壓力相同，故Ze點(diǎn)為Z點(diǎn)的等效深度點(diǎn)，Z點(diǎn)的流體壓力等于Ze點(diǎn)的靜水壓力加上兩點(diǎn)之間的地層巖石負(fù)荷(圖1)。理論上，壓實(shí)作用的極限是所有孔隙均不存在，此時(shí)為巖石骨架，壓實(shí)曲線(xiàn)不可能再往下延伸(泥巖的骨架聲速取值為200 μs/m)，巖石顆粒骨架對(duì)應(yīng)點(diǎn)的埋深為H。

過(guò)剩壓力表達(dá)式為：

Δp=p-ρwgZ

(1)

其中，流體壓力可以分別通過(guò)以下公式計(jì)算：

p=ρwgZe+ρbg(Z-Ze) (當(dāng)Z≤H)

(2)

p=ρwgZe+ρbg(H-Ze)+ρwg(Z-H) (當(dāng)Z>H)

(3)

式中p——Z點(diǎn)處的流體壓力，MPa；ρw——地層水的密度,g/cm3；ρb——沉積巖的密度,g/cm3。

2.2 過(guò)剩壓力特征及成因

根據(jù)單井過(guò)剩壓力縱向值分布，分別繪制研究區(qū)南北向、東西向4條最大埋深期過(guò)剩壓力連井剖面，對(duì)研究區(qū)最大埋深時(shí)期本溪組至石千峰組泥巖過(guò)剩壓力剖面分布特征進(jìn)行研究。以橫貫研究區(qū)南北向典型泥巖過(guò)剩壓力剖面為例(圖2)，剖面下部本溪組過(guò)剩壓力主要分布于2.56～6.63 MPa，

圖1 鄂爾多斯盆地東南部Y187井上古生界泥巖壓實(shí)曲線(xiàn)Fig.1 The mudstone compaction curves of Y187 in Upper Palaeozoic of southeastern Ordos basin

圖2 鄂爾多斯盆地東南部南北向最大埋深期剩余壓力連井剖面圖Fig.2 The distribution of mudstone excess pressure in Upper Palaeozoic of southeastern Ordos basin

自本溪組上部至山西組山2段過(guò)剩壓力主要分布于3.5～12.46 MPa，山西組山2段頂部至山1段過(guò)剩壓力主要分布于3.00～9.23 MPa，石盒子組至石千峰組過(guò)剩壓力主要分布于4.63～14.65 MPa。因此，研究區(qū)上古生界最大埋深期過(guò)剩壓力剖面中可見(jiàn)兩個(gè)明顯的剩余壓力高壓帶。上部剩余壓力高壓帶自石千峰組出現(xiàn)，至上石盒子組達(dá)到最大峰值，下石盒子組逐漸減小。其中，上石盒子組最大埋深期泥巖剩余壓力主要分布于3.00～15.00 MPa之間，最高可達(dá)到22.20 MPa(表1)。下部剩余壓力高壓帶發(fā)育于山西組山2段至本溪組，高壓帶發(fā)育規(guī)模、穩(wěn)定性不及上部剩余壓力高壓帶。其中，山2段最大埋深期泥巖剩余壓力主要分布于1.02～9.83 MPa之間，最高達(dá)到17.38 MPa(表1)。

表1鄂爾多斯盆地東南部上古生界最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力統(tǒng)計(jì)表

Table1ThedataonmudstoneexcesspressureinUpperPalaeozoicofsoutheasternOrdosbasin

單位：MPa

注：①過(guò)剩壓力平均值；②過(guò)剩壓力范圍。

根據(jù)研究區(qū)106口井上古生界兩個(gè)剩余壓力高壓帶剩余壓力平面值分布，繪制山2段至本溪組、石盒子組至石千峰組剩余壓力平面發(fā)育特征圖，并與相應(yīng)的泥巖厚度、煤系烴源巖厚度平面圖疊合，對(duì)研究區(qū)兩個(gè)剩余壓力發(fā)育帶平面剩余壓力分布及其與地層發(fā)育特征關(guān)系進(jìn)行研究(圖3、圖4)。結(jié)果表明，兩個(gè)過(guò)剩壓力帶平面上均表現(xiàn)為最大埋深期過(guò)剩壓力多呈近南北向條帶狀發(fā)育，自北向南過(guò)剩壓力逐漸減弱，但兩者的發(fā)育程度、分布特征仍然不盡相同。其中，山2段至本溪組剩余壓力高壓帶在研究區(qū)北部宜川東部—黃龍北部最為發(fā)育，絕大部分過(guò)剩壓力值大于9.00 MPa；富縣次之，過(guò)剩壓力主要介于6.00～9.00 MPa之間；南部黃陵、洛川地區(qū)發(fā)育差，過(guò)剩壓力值普遍小于6.00 MPa。

鄂爾多斯盆地東南部上下兩條過(guò)剩壓力帶發(fā)育特征的差異主要是由不同的形成原因所致。由于構(gòu)造背景與沉積環(huán)境不同，地史時(shí)期不同層位異常壓力帶形成的機(jī)制也有差異，發(fā)育程度亦不相同[9]。

晚石炭至早二疊系，研究區(qū)北部本溪組至山西組煤系烴源巖發(fā)育，厚度普遍大于95 m，宜川—黃龍北部一帶甚至達(dá)到115 m以上，向南黃陵—洛川一帶則逐漸減薄，煤系烴源巖厚度小于75 m(圖3)。晚三疊世至早白堊世期，隨著盆地整體沉降，烴源巖埋深持續(xù)增加，同時(shí)伴隨著構(gòu)造熱事件的頻發(fā)，有機(jī)質(zhì)成熟，從而進(jìn)入生排烴高峰期[10]。在區(qū)域地層平緩的構(gòu)造背景下，加之盆地上古生界儲(chǔ)層普遍具有“先致密、后成藏”特征，含烴流體缺乏長(zhǎng)距離運(yùn)移的通道[11]。隨著烴源巖埋深過(guò)程中有機(jī)質(zhì)不斷生成、排出含烴流體，煤系烴源巖地層體積持續(xù)膨脹。在疏導(dǎo)體系疏導(dǎo)能力有限的條件下，因排烴不暢而形成生排烴膨脹導(dǎo)致的高壓帶。研究區(qū)北部煤系烴源巖發(fā)育普遍厚度較大，南部則相對(duì)較差，導(dǎo)致生排含烴流體量不同，從而本溪組至山西組山2段地層研究區(qū)北部一帶最大埋深期泥巖剩余壓力普遍較南部一點(diǎn)發(fā)育。這一認(rèn)識(shí)與盆地東南部宜川、富縣一帶上古生界主力烴源巖生烴強(qiáng)度普遍比洛川—黃陵—黃龍南部高可相互印證[12]。

二疊系中晚期，自海西運(yùn)動(dòng)至印支運(yùn)動(dòng)使得祁連、秦嶺形成盆地南部統(tǒng)一物源區(qū)，最終秦祁海槽閉合，為盆地東南部地層沉積提供充足的物源[5]。充足的物源、較高的沉積速率、較大的沉積厚度和較小的砂泥比例是形成沉積型異常高壓力的必要條件[3]。二疊系晚期，研究區(qū)在盆地東南部物源的控制下，北部宜川、富縣區(qū)域靠近上古生界沉積中心，沉積物沉積厚度大、泥質(zhì)巖類(lèi)發(fā)育，泥質(zhì)巖類(lèi)沉積厚度普遍大于140 m，甚至達(dá)到200 m以上(圖4)。伴隨著地層沉積、深埋，壓實(shí)成巖過(guò)程中因排水受阻而保存了相對(duì)較高的異常壓力，從而使得欠壓實(shí)作用導(dǎo)致的過(guò)剩壓力普遍發(fā)育。而南部黃陵、洛川及黃龍南區(qū)域向著物源方向，沉積物粒度變粗，沉積厚度減薄，剩余壓力逐漸發(fā)育較差。正是以上原因?qū)е铝搜芯繀^(qū)北部最大埋深期泥巖剩余壓力普遍較高，而南部整體過(guò)剩壓力發(fā)育差。

圖3 鄂爾多斯盆地東南部山2段—本溪組最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力與煤系烴源巖厚度圖Fig.3 The plane distribution of mudstone excess pressure and coal measure source rocks of Shan-2-Benxi formations in Upper Palaeozoic of southeastern Ordos basin

圖4 鄂爾多斯盆地東南部石千峰組—石盒子組最大埋深期過(guò)剩壓力與泥巖厚度平面圖Fig.4 The plane distribution of mudstone excess pressure and mudstone thickness of Shiqianfeng-Shihezi formations in Upper Palaeozoic of southeastern Ordos basin

3 過(guò)剩壓力與氣藏的關(guān)系

異常高壓既是油氣運(yùn)移的動(dòng)力，同時(shí)也是油氣藏高效的區(qū)域性蓋層[13]。從研究區(qū)最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力與試氣產(chǎn)量關(guān)系圖(圖5)中可以看出，當(dāng)山2段至本溪組過(guò)剩壓力發(fā)育時(shí)，山2段以下地層中可形成工業(yè)性氣藏。山2段至本溪組煤系烴源巖生排烴異常高壓不僅為含烴流體初次運(yùn)移提供了充足的動(dòng)力，同時(shí)對(duì)烴源巖下部?jī)?chǔ)集層中油氣聚集起到局部的封蓋作用。

圖5 鄂爾多斯盆地東南部最大埋深期泥巖過(guò)剩壓力與試氣產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.5 The mudstone excess pressure and production testing in Upper Palaeozoic of southeastern Ordos basin

圖6 鄂爾多斯盆地東南部最大埋深期過(guò)剩壓力分布與已發(fā)現(xiàn)氣藏關(guān)系平面圖Fig.6 The mudstone excess pressure and discovered gas pool in Upper Palaeozoic of southeastern Ordos basin

從最大埋深期過(guò)剩壓力平面分布與已發(fā)現(xiàn)氣藏關(guān)系平面圖(圖6)中可以看出，研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)的上古生界氣藏絕大多數(shù)分布于上部異常高壓帶過(guò)剩壓力大于9.00 MPa與下部異常高壓帶過(guò)剩壓力大于6.00 MPa的疊合區(qū)域。上部石盒子組—石千峰組過(guò)剩壓力發(fā)育、連續(xù)性好，為下部山1段、盒8段氣藏形成提供了很好的區(qū)域性封蓋作用。當(dāng)下部烴源巖有足夠運(yùn)移動(dòng)力時(shí)，垂向穿層向上運(yùn)移，遇到上部異常高壓帶遮擋聚集成藏，在山1段、盒8段可形成工業(yè)性氣藏(圖5)。而對(duì)于研究區(qū)南部黃陵、洛川、黃龍南部，上部、下部剩余壓力均不發(fā)育，上部石盒子組—石千峰組異常高壓封蓋作用弱，本溪組—山2段生排烴運(yùn)移動(dòng)力不足，難以形成大規(guī)模工業(yè)性氣藏。

盡管最大埋深期泥巖剩余壓力只能代表地史時(shí)期異常壓力狀態(tài)，構(gòu)造與沉積演化過(guò)程中的構(gòu)造抬升、剝蝕作用等都對(duì)這種異常高壓產(chǎn)生一定的破壞作用[14-15]；但氣藏的形成與泥巖直接蓋層、烴源巖生排烴的過(guò)剩壓力均有一定的相關(guān)性，通過(guò)剩余壓力縱、橫向上的發(fā)育特征可以一定程度上反映氣藏的發(fā)育規(guī)律[3]。因此，我們可以?xún)?yōu)選上部石盒子組至石千峰組和山2段至本溪組異常壓力兩者的疊合發(fā)育區(qū)，如宜川、黃龍北部及富縣區(qū)域，其具備較好的烴類(lèi)近距離運(yùn)移和蓋層封蓋條件，可作為下一步的重點(diǎn)勘探目標(biāo)區(qū)。

4 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地東南部上古生界縱向發(fā)育兩個(gè)過(guò)剩壓力帶，即下石盒子組—石千峰組和山2段—本溪組過(guò)剩壓力帶。平面上，北部宜川、黃龍北部及富縣區(qū)域剩余壓力普遍發(fā)育，南部黃陵、洛川地區(qū)整體剩余壓力較小。其中，上部剩余壓力帶發(fā)育是由于物源供給充足、泥質(zhì)巖類(lèi)發(fā)育、快速沉積導(dǎo)致地層欠壓實(shí)所致，下部過(guò)剩壓力帶是由于烴源巖大量生排烴從而導(dǎo)致地層體積膨脹增壓所致。

(2)鄂爾多斯盆地東南部上古生界上部石千峰組至石盒子組剩余壓力帶對(duì)上古生界氣藏的形成提供了很好的區(qū)域性蓋層，下部本溪組至山2段剩余壓力發(fā)育則為含烴流體的運(yùn)移提供了充足的動(dòng)力。已發(fā)現(xiàn)氣藏大多分布于上部剩余壓力大于9.00 MPa與下部剩余壓力大于6.00 MPa的疊合區(qū)域。揭示剩余壓力發(fā)育規(guī)律及其與氣藏的關(guān)系對(duì)該區(qū)域下一步勘探具有一定的指導(dǎo)作用。

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StudyontheRelationshipBetweenOverpressureandGasReservoirinUpperPaleozoicofSouthernOrdosBasin

Yin Xiao, Cao Yue, Gao Shengli, Zhou Jinsong,Lin Guifang, Qiao Xiangyang, Liu Peng

(ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China)

In order to reveal natural gas migration and enrichment, we applied acoustic interval data to calculate overpressure of mudstone in the Upper Paleozoic of southern Ordos basin, also analyzed the distribution characteristics of overpressure and their relation to discovered gas reservoirs. The results indicated that it develop two overpressure regions in study area, Shiqianfeng formation—Shihezi formation and Benxi formation—Shan-2 member of Shanxi formation. The overpressures of the former are generally higher, mainly range from 3.00 to 15.00MPa, even peak at 22.20MPa. The values of the latter are mostly between 1.02 to 10.00MPa, maximum value is 17.38MPa. The primary causes of two overpressure regions are the uncompaction results from sufficient sediment supplement and rapid deposition, and the expansion caused by the mass generation and expulsion of hydrocarbons from source rock. Natural gas accumulation is closely related to the development of overpressure, the lower overpressure regions is the main driving force for migration of natural gas and local cover for gas reservoirs of the Shan-2 and Benxi formations. The upper overpressure region is the significant regional seal for He-8 and Shan-1 gas reservoirs.

southern Ordos basin; overpressure; gas reservoirs in the Upper Paleozoic; regional seal; migration force

銀曉(1984—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事天然氣地質(zhì)勘探研究工作。郵箱：272438272@qq.com.

曹躍(1966—)，男，高級(jí)工程師，主要從事油氣勘探研究工作。郵箱：861025850@qq.com.

TE122

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