韓曉潔 范昌育 高 潮 張麗霞 尹錦濤 王成達 王 寧

1.大陸動力學(xué)國家重點實驗室 2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系

3.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點實驗室（籌） 4.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院

0 引言

零水勢面是一個假想的流體等勢面，零水勢面上的流體壓力均為零[1]。如果某處的零水勢面高于地表，則該處地下水可以自然噴出。零水勢面的海拔等于靜水壓力對應(yīng)水柱的頂部高度[2]。常用方法在計算靜水壓力時，一般是從地表起算的[3-6]，但這種方法僅適用于水勢面與地勢相差不大、承壓水層相互連通的情況[7]。在我國西部盆地，地形起伏較大，承壓面低于地表，導(dǎo)致地層壓力偏低，但又并非真正意義上的低壓，只是由于計算方式不同（起算深度是否等于地表）造成[8]。

在盆地流體動力學(xué)的研究過程中，零水勢面的重要性已被前人所提及，但對其準確識別這一難題依然未得到解決[7-8]。水文地質(zhì)中，將地下某一深度的水勢稱為水頭，零水勢面即是水頭等于0的面[9]。零水勢面可由地下水位監(jiān)測獲得，主要以測鐘、電感應(yīng)測頭、壓力傳感器等自動檢測儀來監(jiān)測和讀取[10]，但水位監(jiān)測在實際應(yīng)用中存在諸多問題，例如監(jiān)測點分布不合理；監(jiān)測頻率不盡科學(xué)；監(jiān)測手段落后及監(jiān)測井網(wǎng)不能應(yīng)對地下水動態(tài)的影響等問題[11-13]。此外，油氣藏的勘探開發(fā)中，對區(qū)域水文地質(zhì)的研究常被忽略，相關(guān)資料匱乏。

鄂爾多斯盆地東南部延安氣田的陸相頁巖氣資源量豐富[14]。截至2017年底，已經(jīng)完鉆頁巖氣井66口，已提交三級頁巖氣地質(zhì)儲量為1 654×108m3，其中探明頁巖氣地質(zhì)儲量為534×108m3。延安氣田云頁平3井在下二疊統(tǒng)山西組一段頁巖層的試氣產(chǎn)量取得了重大突破，進一步證實了鄂爾多斯盆地東南部頁巖氣有較大的勘探開發(fā)潛力。山西組作為延安氣田陸相頁巖氣的主力勘探層位，與南方海相高壓頁巖氣層的不同之處在于儲層的非均質(zhì)性強、發(fā)育異常低壓等[15-17]，給頁巖氣的勘探開發(fā)帶來了諸多困難。

為此，筆者以延安氣田為例，提出了利用開放體系下的壓力測試資料求取零水勢面分布的確定方法，并將該方法應(yīng)用于延安氣田山西組地層壓力體系分析，以期為正確認識頁巖氣壓力系統(tǒng)及頁巖氣的勘探開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 零水勢面的確定方法

根據(jù)流體力學(xué)基本原理可知，地下任意深度點的流體勢能等于該點的位能和壓能之和（圖1）。在靜水壓力體系下，任一深度點的流體勢計算公式[18]為：

式中ρ表示流體密度，g/cm3；g表示重力加速度，取值為9.8 m/s2；z0表示任意點對應(yīng)的零水勢面海拔，m；z表示任意點的海拔，m；h表示零水勢面到任意點的靜水柱高度，m。

任意點的壓能即為該點的測試流體壓力，即

式中p表示任意點的流體壓力，MPa。

由式（1）和式（2）可得到零水勢面的海拔為：

由此可知，只要測壓點處于地層開放體系，地下水互相連通，實測壓力即為對應(yīng)深度的靜水壓力。利用該實測壓力，由式（3）可以計算出該點的零水勢面海拔。

2 靜水壓力體系的識別

當盆地持續(xù)沉降時，在連續(xù)沉積的地層中，可利用泥巖綜合壓實曲線（泥巖的聲波時差、中子孔隙度、電阻率及密度測井曲線）來反映地層的壓實和啟閉情況[19]。欠壓實作用會導(dǎo)致聲波時差、密度、中子孔隙度以及電阻率等發(fā)生改變，在測井曲線上，具有在同一個深度形成拐點的響應(yīng)規(guī)律[20-21]。沉積過程中，當泥巖測井數(shù)據(jù)隨埋深呈規(guī)律性變化時，表明地層處于正常壓實層段。此時孔隙流體可以自由排出，流體壓力沿靜水壓力曲線由O點增加至B點（圖2-a），反映出相對開放的流體壓力體系[22-23]，此時聲波時差與埋深具有式（4）的指數(shù)關(guān)系；當測井曲線出現(xiàn)拐點時，趨勢突變，沉積過程中地層壓實作用減弱甚至停止，孔隙度的降低滯緩。此時聲波時差值基本不變，孔隙流體無法有效地排出，流體壓力由A點至B′點快速增大，反映出相對封閉的壓力體系（圖2-b）。

式中Δt、Δt0分別表示任意埋深點和地表的聲波時差，μs/m；c表示壓實系數(shù)；H表示任意點的埋深，m。

式（4）也可表示為：

式中a、b表示經(jīng)驗系數(shù)。

當盆地經(jīng)歷構(gòu)造抬升時，地層孔隙會發(fā)生回彈，地層壓力降低，測井曲線也會發(fā)生相應(yīng)的變化[24]。在原正常壓實層段，孔隙回彈以及壓力降低引起流體吸入。在地層抬升剝蝕he厚度的過程中，地層壓力沿著靜水壓力曲線由C點降低至D點（圖2-c）；在原欠壓實層段，抬升初期，由于上覆負荷的減小，過剩壓力由C′點迅速降低至E點（圖2-d），此時有效應(yīng)力不變，孔隙未發(fā)生回彈，聲波時差不變。當流體壓力降低至靜水壓力E點時（圖2-d），地層欠壓實作用結(jié)束，此時上覆負荷的持續(xù)減小會導(dǎo)致有效應(yīng)力繼續(xù)降低，此時孔隙發(fā)生回彈，聲波時差增大，但由于流體無法及時吸入增大的孔隙體積內(nèi)，導(dǎo)致孔隙壓力由E點降低至D′點，此時流體壓力會向右偏離出靜水壓力曲線，形成壓力負異常（圖2-d），此時地層維持相對封閉的壓力體系。因此，構(gòu)造抬升未影響測井曲線上拐點的位置以及地層的封閉性。通過讀取現(xiàn)今泥巖的測井曲線，可識別開放體系地層，繼而通過開放體系下的實測流體壓力數(shù)據(jù)，利用式（3）計算水勢面的海拔。

3 延安氣田零水勢面分布及壓力體系劃分

3.1 零水勢面分布特征

通過對延安氣田分布均勻的57口井進行泥巖測井曲線繪制結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在上三疊統(tǒng)延長組一段（以下簡稱長1段，T3y1）至延長組六段（以下簡稱長6段，T3y6）的地層聲波時差和中子孔隙度具有隨埋深逐漸減小、密度和電阻率逐漸增大的趨勢，反映出長1段至長6段地層為開放體系；延長組七段（以下簡稱長7段，T3y7）發(fā)育大段泥頁巖，地層排水受到限制，測井曲線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聲波時差等突然增大，密度開始減小，反映出長7段下部地層為相對封閉的壓力體系（圖3）。此外，利用PetroMod盆地模擬軟件對延安氣田的地層埋藏壓實情況進行了模擬，在不考慮生烴等其他產(chǎn)生地層過剩壓力因素的情況下，模擬結(jié)果（圖4）顯示延安氣田長7段地層具有一定的過剩壓力，說明地層發(fā)生了欠壓實。王震亮等[7]認為在延長組中段地層開始發(fā)生欠壓實；姚涇利等[25]也提出在延長組的長7段開始出現(xiàn)超壓。均表明長7段為壓力體系的分界處，上部長1至長6段地層為靜水壓力體系。

整理分析延安氣田的鉆井壓力數(shù)據(jù)，篩選出長6段及以上地層（開放體系）的流體壓力，通過式（3）計算得到零水勢面海拔，繪制延安氣田地表及零水勢面三維分布圖（圖5）。延安氣田地表海拔起伏較大，在研究區(qū)西南部P177井—NJ2井、中部H42-3井—東部DT009井一帶海拔較高；在研究區(qū)東南部Y275井區(qū)、東北部的Y328井區(qū)海拔較低，最低至900 m（圖5-a）。零水勢面的海拔變化較為平緩，具有一定規(guī)律。在南部N228井—N179井一帶海拔較高，超過1 100 m，在北部Y328井區(qū)附近海拔較低，僅有680 m，整體上具有由西南部向其他方向降低的趨勢，向北部的降低幅度和速度最快（圖5-b）。對比地表與零水勢面的分布發(fā)現(xiàn)，與地表相比，零水勢面的變化相對平緩，其海拔多低于地表海拔，雖然由西南至東北的降低趨勢相似，但零水勢面與地表的分布并不一致。

3.2 地層異常壓力體系分布特征

利用零水勢面計算地層靜水壓力，結(jié)合實測流體壓力，得到山西組現(xiàn)今地層壓力體系的分布（圖6）。在相對封閉的體系內(nèi)，流體的排出受限、孔隙的回彈以及溫度的降低等均會導(dǎo)致流體壓力降低至異常低壓[24]。封閉性較好的山西組地層在經(jīng)歷了構(gòu)造抬升等降壓作用之后，現(xiàn)今主要發(fā)育異常低壓，異常壓力具有由西北至東南逐漸減小的趨勢，其低壓異常值最小為－8.27 MPa，在西北部地區(qū)附近發(fā)育小幅度超壓，過剩壓力介于0～2.19 MPa。

鄂爾多斯盆地上古生界異常低壓主要由構(gòu)造抬升作用造成[6]，盆地在沉積歷史中曾遭遇多期構(gòu)造抬升和沉積間斷，中新生代以來盆地主要經(jīng)歷了三疊紀末、中侏羅世末、侏羅紀末和早白堊世末4期構(gòu)造抬升事件[26-28]，其中早白堊世末期構(gòu)造抬升最為強烈，對鄂爾多斯盆地地層壓力的演化產(chǎn)生了重要的影響[29]。筆者利用地層對比法，在研究區(qū)建立數(shù)條剖面，以盆地中西部剝蝕厚度較小的井作為基準井[30]，根據(jù)剖面上地層沉積的演化規(guī)律計算地層剝蝕量，并使所有井的計算厚度達到閉合，最終編制成研究區(qū)的地層剝蝕厚度分布圖（圖7）。延安氣田地層剝蝕厚度變化趨勢明顯，剝蝕量由北西至南東逐漸增大，地層剝蝕厚度介于1 460～1 775 m。

異常壓力的形成與地層的抬升剝蝕有關(guān)，地層剝蝕厚度越小，流體壓力的降低量越?。▓D2-d）。研究區(qū)西北部剝蝕厚度較小，由于抬升未達到欠壓實的結(jié)束深度，地層依然發(fā)育一定的超壓（圖7）；在研究區(qū)東南部，剝蝕厚度較大，地層抬升至欠壓實結(jié)束深度以上，形成異常低壓，且隨著剝蝕厚度的逐漸增大，異常壓力值越來越小（圖6、7）。

3.3 零水勢面確定的地質(zhì)意義

零水勢面起算的異常壓力結(jié)果顯示，在埋深為2 300 m以淺時，地層發(fā)育異常低壓，異常壓力隨埋深的增大而增大；在埋深2 300～2 600 m發(fā)育微小超壓，壓力變化無規(guī)律；在埋深為2 600 m以深時，發(fā)育異常低壓，異常壓力隨埋深而減小。對比地表起算與零水勢面起算的流體壓力異常值，發(fā)現(xiàn)在同一深度，由地表起算的壓力均為負異常，最小低至－9.00 MPa，其值比零水勢面起算的要小，存在0.07～3.57 MPa的壓力計算誤差；埋深在2 300 m附近時，地表起算的流體壓力較小，部分井發(fā)育的超壓被誤認為異常低壓；埋深在2 600 m以深時，地表起算形成的壓力誤差隨埋深的增大而增大（圖8）。

延安氣田由地表起算的異常壓力形成了一定的誤差。埋深較小時，誤差相對較??；埋深增大時，誤差也隨之增大，且會導(dǎo)致壓力體系的誤判。因此，在地表起伏相對較大的區(qū)域，零水勢面的求取非常必要。

在抬升剝蝕過程中，由于地層溫度和壓力的降低會導(dǎo)致巖石、巖石孔隙和孔隙流體的體積發(fā)生變化，壓力的降低可以用式（6）[24]表示。其中，地層泊松比、流體壓縮系數(shù)、孔隙回彈系數(shù)以及剝蝕地層的密度等與剝蝕厚度的關(guān)系較小，降壓量及異常低壓的大小主要受地層剝蝕厚度的控制，二者應(yīng)具有一定的相關(guān)性，即

分析發(fā)現(xiàn)，零水勢面起算結(jié)果與地層剝蝕厚度的相關(guān)性相對較好，判定系數(shù)為0.62（圖9-a）；地表起算結(jié)果與剝蝕厚度的相關(guān)判定系數(shù)僅0.42（圖9-b）。表明地表起算異常壓力時誤差大，零水勢面起算的異常壓力更符合地質(zhì)實際。

4 結(jié)論

1）延安氣田零水勢面與地表并不重合，多分布于地表之下。

2）零水勢面起算結(jié)果顯示延安氣田山西組地層多為異常低壓，分布于埋深2 400 m以淺和2 600 m以深異常壓力由西北至東南逐漸降低；在西北部分布小幅度超壓，過剩壓力最高為2.19 MPa，埋深介于2 300～2 600 m。

3）由地表起算的異常壓力的誤差值介于0.07～3.57 MPa，埋深在2 600 m以深時，地表起算形成的壓力誤差隨埋深的增大開始增大。

4）剝蝕厚度與零水勢面起算的異常壓力相關(guān)性更好，表明零水勢面起算的異常壓力更符合地質(zhì)實際。