陜北斜坡東部上古生界過剩壓力對氣藏的控制作用

周曉星（山東科瑞石油工程技術(shù)研究院，山東東營　257067）

陜北斜坡東部上古生界過剩壓力對氣藏的控制作用

周曉星
（山東科瑞石油工程技術(shù)研究院，山東東營257067）

通過對泥巖曲線壓實特征的研究，結(jié)合氣藏的分布，探討陜北斜坡東部上古生界過剩壓力對氣藏的控制作用。研究區(qū)上古生界泥巖普遍存在著的異常過剩壓力，其主要分布在本溪組-石千峰組下部地層，且在上石盒子組達(dá)到最大過剩壓力值。在此基礎(chǔ)上，分析了陜北斜坡東部上古生界過剩壓力與氣藏的關(guān)系，認(rèn)為研究區(qū)的泥巖地層普遍存在的過剩壓力為烴類的運(yùn)移提供了動力；異常高壓產(chǎn)生的微裂縫和滲透性的厚層砂體是烴類運(yùn)移的主要通道；天然氣向上運(yùn)移的主要障礙來自上覆蓋層（上石盒子組）的毛細(xì)管力和異常壓力以及因物性發(fā)生變化帶來的聯(lián)合封閉；異常壓力幅度最大處構(gòu)成縱向封閉邊界，造成天然氣主要在本溪組、山西組和下石盒子組（盒8）聚集成藏。

過剩壓力；氣藏；上古生界；陜北斜坡

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡的東部，在早古生代，盆地廣泛發(fā)育海相沉積，后期由于受到加里東運(yùn)動的影響，盆地整體抬升并遭受風(fēng)化剝蝕，致使晚奧陶系-早石炭系地層缺失［1-3］。到晚石炭世，在海西運(yùn)動的作用下，盆地再度發(fā)生沉降并開始接受沉積，進(jìn)入了由海向陸過渡的發(fā)展階段。鄂爾多斯盆地上古生界地層從下向上發(fā)育石炭紀(jì)本溪組，二疊紀(jì)太原組、山西組、石盒子組、石千峰組［4-6］。本溪組、太原組和山西組的煤層及炭質(zhì)泥巖是主要的烴源巖；本溪組、山西組和下石盒子組砂巖發(fā)育，為天然氣的儲集提供了良好的空間；上石盒子組發(fā)育大套泥巖，平均厚度為40多米，在研究區(qū)分布廣泛，形成了封閉性能好的區(qū)域蓋層。研究區(qū)良好的生儲蓋組合關(guān)系，使得天然氣在本溪組、山西組和下盒子組（盒8）就近聚集成藏。本文旨在利用測井及鉆井資料，研究泥巖的壓實特征，并通過等效深度法，對過剩壓力進(jìn)行計算，分析陜北斜坡上古生界過剩壓力的分布規(guī)律，并結(jié)合研究區(qū)已知氣藏的分布，探討過剩壓力與天然氣運(yùn)移、聚集的關(guān)系，預(yù)測氣藏的有利富集區(qū)。

1　過剩壓力的求取

1.1產(chǎn)生過剩壓力的原因

對研究區(qū)50余口井泥巖壓實曲線的分析研究表明，研究區(qū)上古生界地層從本溪組向上到石千峰組下部的泥巖都存在著欠壓實現(xiàn)象（見圖1），它是泥巖層產(chǎn)生過剩壓力的主要原因。泥巖地層埋深不同，導(dǎo)致壓實成巖程度不同，使其開始欠壓實形成超壓的埋深和超壓值也不同。超壓封閉的欠壓實泥巖分為上、下致密層段和中間欠壓實層段3個部分，上、下正常壓實致密泥巖層段，將大量孔隙流體封閉在欠壓實層段中，從而產(chǎn)生了較正常壓實泥巖高的孔隙流體壓力。

1.2過剩壓力的求取方法

研究區(qū)的異常壓力主要是在壓實過程中產(chǎn)生的，因此可用等效深度法求?。?］。

首先在單井中讀取泥巖段的聲波時差值Δt，以及相應(yīng)的深度值H，把lnΔt做成散點圖，找出正常壓實段做線性回歸：

圖1　陜北斜坡東部上古生界部分井單井泥巖壓實曲線Fig.1 The single well mudstone compaction curve of part wells on upper Paleozoic in eastern north Shanxi slop

式中：C為常數(shù)，K為正常壓實段的斜率。根據(jù)公式（1）計算正常壓實段和異常壓力段的等效深度H0：

對于未過轉(zhuǎn)折點的壓力P，其可以分為兩部分，即等效靜水壓力和靜巖壓力：

式中：ρw為地層水密度，ρh為地層巖石密度。

對于過轉(zhuǎn)折點的壓力P0，其包括三部分，即等效靜水壓力、超過轉(zhuǎn)折點段的靜水壓力和過轉(zhuǎn)折點的靜巖壓力：

對于既有羧酸又有羥基的脂肪酸，可能發(fā)生分子內(nèi)脫水與分子間脫水，比如分子內(nèi)脫水產(chǎn)物可能為內(nèi)酯、不飽和脂肪酸（共軛脂肪酸）；分子間脫水產(chǎn)物可能為交酯、醚或聯(lián)酯。具體反映視具體情況而定。

式中：h為轉(zhuǎn)折點的深度。

從過轉(zhuǎn)折點的異常壓力中減去靜水壓力，就得到了過剩壓力ΔP：

在等效深度的計算中，線性回歸時的相關(guān)系數(shù)應(yīng)盡量大于0.75，這樣可以保證等效深度計算的可靠性。

2　過剩壓力的分布特征

2.1過剩壓力縱向分布特征

通過對單井過剩壓力的計算，繪制了研究區(qū)的過剩壓力剖面?？梢钥闯?，過剩壓力出現(xiàn)的起始層位為上二疊統(tǒng)石千峰組下部，過剩壓力的幅度為0 MPa～30 MPa，在石千峰組和上石盒子組，過剩壓力一般隨深度增加而增加，最大過剩壓力大多數(shù)出現(xiàn)在上石盒子組，壓力值為20 MPa～45 MPa；最大過剩壓力出現(xiàn)之后，在下石盒子組、山西組、太原組、本溪組，過剩壓力則呈隨深度增加而降低的趨勢；本溪組向下的地層壓力狀態(tài)表現(xiàn)正常，其過剩壓力不發(fā)育。上石盒子組高過剩壓力的存在，形成了封蓋能力強(qiáng)的區(qū)域性，其下部過剩壓力不發(fā)育的層位，成為了天然氣聚集的有利集區(qū)。

2.2過剩壓力平面分布特征

研究區(qū)過剩壓力總的分布趨勢是中部過剩壓力值較低，而四周的過剩壓力值相對較高，即過剩壓力在研究區(qū)具有中間低壓區(qū)被高壓區(qū)環(huán)繞的分布格局。中間的低壓區(qū)成為了周圍高壓區(qū)泄壓的有利指向區(qū)。上古生界各氣層組的過剩壓力平面分布特征具有明顯的繼承性，不同氣層組過剩壓力分布格局大致相似（見圖2）。高壓的出現(xiàn)主要與含氣砂體被泥巖包圍而未造成明顯的壓力釋放有關(guān)。

從盒8、山2、本1、本2氣藏過剩壓力與含氣面積的疊合圖（見圖2）可以看出，已勘探發(fā)現(xiàn)的各層系的含氣分布范圍大部分出現(xiàn)在區(qū)域過剩壓力相對較低的范圍內(nèi)。在過剩壓力的低勢區(qū)，反映其物性較好，流體運(yùn)移的阻力較小，附近的烴源巖能夠充分泄壓，從而使天然氣由高勢能的源巖中向低勢能區(qū)運(yùn)移、聚集；在低勢區(qū)的周圍，過剩壓力逐漸變大，反映其物性較差，流體運(yùn)移受阻，致使大量流體滯留，從而形成高勢能區(qū)，該區(qū)不利于烴源巖的排烴，為天然氣的非有利聚集區(qū)［8］。

（a）盒8 （b）山2

從過剩壓力與含氣面積的疊合圖（以山2、本1、本2氣藏為典型）可以看出，已勘探發(fā)現(xiàn)的各層系的含氣分布范圍大部分出現(xiàn)在區(qū)域過剩壓力相對較低的范圍內(nèi)，兩者具有較好的吻合性。在過剩壓力的低勢區(qū)，反映其物性較好，流體運(yùn)移的阻力較小，附近的烴源巖能夠充分泄壓，從而使天然氣由高勢能的源巖中向低勢能區(qū)運(yùn)移、聚集；在低勢區(qū)的周圍，過剩壓力逐漸變大，反映其物性較差，流體運(yùn)移受阻，致使大量流體滯留，從而形成高勢能區(qū)，該區(qū)不利于烴源巖的排烴，為天然氣的非有利聚集區(qū)［8］。

圖2　陜北斜坡東部上古生界現(xiàn)今泥巖過剩壓力與氣藏分布圖Fig.2 The distribution of modern mudstone excess pressure and gas reservoir on upper Paleozoic in eastern north Shanxi slope

3　過剩壓力對氣藏的控制作用

3.1過剩壓力為天然氣的運(yùn)移提供了動力

鄂爾多斯盆地上古生界氣源巖在晚侏羅世-早白堊世，壓實作用已不明顯，流體排出受阻，加之生烴作用等，形成了異常高壓。它為天然氣的初次運(yùn)移提供了動力。油氣初次運(yùn)移主要沿阻力最小的途徑從過剩壓力大的高勢能向過剩壓力小的低勢能區(qū)方向運(yùn)移。陜北斜坡東部上古生界烴源巖主要是暗色的煤系泥巖，其厚度較大，因此相比于側(cè)向過剩壓力差來說，烴源巖和相鄰儲集層或輸導(dǎo)層間的垂向過剩壓力差要大得多，所以天然氣初次運(yùn)移的方向以垂向為主。生成的天然氣沿過剩壓力梯度降低較快的方向向相鄰儲集層和輸導(dǎo)層運(yùn)移［9-10］。

圖3　鄂爾多斯盆地石炭系最大埋深時古壓力系數(shù)（王飛雁，2004）Fig.3 The ancient pressure coefficient at the maximum depth of Carboniferous in the Ordos basin

3.2過剩壓力產(chǎn)生的微裂隙為天然氣的運(yùn)移提供了通道

鄂爾多斯盆地上古生界源巖存在著異常高壓，若以壓力系數(shù)1.42作為烴源巖的破裂門限值，恢復(fù)石炭系最大埋深時的古壓力系數(shù)（見圖3），可以看出在這一時期，陜北斜坡東部大部分地區(qū)的異常壓力已大于門限值，能夠產(chǎn)生微裂隙。這些由過剩壓力產(chǎn)生的微裂隙與滲透性厚層砂體、小斷層共同構(gòu)成了天然氣運(yùn)移的通道。

3.3過剩壓力形成的超壓封閉作用阻止了天然氣向上穿層運(yùn)移擴(kuò)散

從鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)的氣藏來看，其大多數(shù)集中在上石盒子組以下的層位，其上則沒有發(fā)現(xiàn)具工業(yè)價值的氣層，說明上石盒子組是較好的區(qū)域蓋層。從過剩壓力剖面中也可以看出，其最大過剩壓力出現(xiàn)在上石盒子組下部的厚層泥巖段。研究區(qū)氣藏形成的關(guān)鍵的時期為白堊紀(jì)，在此之前，上石盒子組的超壓蓋層已經(jīng)形成，使下石盒子-本溪組形成了一個相對低勢區(qū)，它為陜北斜坡東部氣田的形成提供了良好的封閉保存條件，阻止了天然氣向上的穿層運(yùn)移。即使后期的抬升降壓，也沒有破壞上石盒子組蓋層封閉的有效性［2，13］。目前高壓封蓋作用依然明顯，最大過剩壓力可達(dá)45 MPa，壓力系數(shù)可達(dá)1.1～1.3。

3.4通過剩壓力的分布來預(yù)測氣藏富集的有利區(qū)

目前已發(fā)現(xiàn)的氣藏與過剩壓力相對低值區(qū)具有很好的吻合性。天然氣一般是高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)移。因此，可以通過過剩壓力的分布來預(yù)測天然氣的優(yōu)勢運(yùn)移方向及氣藏的富集的有利區(qū)域。

在全面了解研究區(qū)不同層系的資源前景的基礎(chǔ)上，以鉆井目的層段的試氣試采資料的統(tǒng)計分析及開發(fā)動態(tài)資料，作為勘探目標(biāo)選擇和決策提供可靠的科學(xué)依據(jù)，結(jié)合對本區(qū)已有氣藏成藏的特點的挖掘，進(jìn)而制定了有利區(qū)塊預(yù)測的量化標(biāo)準(zhǔn)。由于各種指標(biāo)都具有其不確定性，在單因素、分層評價的基礎(chǔ)上，采用了多項指標(biāo)綜合的辦法來評價有利區(qū)塊，評價中使用了砂厚指標(biāo)，砂巖中泥質(zhì)含量指標(biāo)及泥巖過剩壓力指標(biāo)（見表1）。據(jù)此繪制了盒8、山2、本1、本2的天然氣有利分布區(qū)評價圖（見圖4）。

從圖4中可知，含氣面積主要分布在Ⅰ類和Ⅱ類有利區(qū)，少部分分布在Ⅲ類有利區(qū)。那么可以推斷，在未知區(qū)域的Ⅰ類有利區(qū)中，存在氣藏的可能性非常大，可以作為勘探開發(fā)的重點目標(biāo)區(qū)。

4　結(jié)論

表1　陜北斜坡東部有利區(qū)塊評價指標(biāo)Table1 Favorable area evaluation indicators in eastern north Shanxi slope

（1）通過單井異常過剩地層壓力的恢復(fù)，分析了過剩壓力在縱向上和平面上的分布特征，研究了過剩壓力與典型氣藏的關(guān)系，指出上古生界泥巖存在的異常過剩壓力主要分布在本溪組－石千峰組下部地層，且在上石盒子組達(dá)到最大過剩壓力值；從平面上可以看出，典型氣藏的分布與過剩壓力相對低值區(qū)有很好的吻合性，說明過剩壓力低值區(qū)是天然氣聚集的有利區(qū)域。

（2）分析了陜北斜坡東部上古生界過剩壓力與氣藏的關(guān)系，認(rèn)為研究區(qū)的泥巖地層普遍存在的過剩壓力烴類的運(yùn)移提供了動力；異常高壓產(chǎn)生的微裂縫和滲透性的厚層砂體是烴類運(yùn)移的主要通道；天然氣向上運(yùn)移的主要障礙來自上覆蓋層（上石盒子組）的毛細(xì)管力和異常壓力以及因物性發(fā)生變化帶來的聯(lián)合封閉，異常壓力幅度最大處構(gòu)成縱向封閉邊界，造成天然氣主要在本溪組、山西組和下石盒子組（盒8）聚集成藏。

圖4　陜北斜坡東部上古生界天然氣有利分布區(qū)評價圖Fig.4 The evaluation of gas distribution on upper Paleozoic in eastern north Shanxi slope

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Controlling of excess pressure of upper paleozoic in eastern north Shanxi slope on gas reservoir

ZHOU Xiaoxing
（Shandong Kerui Petroleum Engineering Technology Research Institute，Dongying Shandong 257067，China）

Through researching the compaction characteristics of the mudstone curve，combined with the distribution of the gas reservoir，to study the controlling of excess pressure of upper paleozoic in eastern north Shanxi slope on distribution of gas reservoir.Abnormal excess pressure is very prevalence in the mudstone of upper paleozoic in the study area.It mainly distributed in the Benxi formation-lower of Shiqianfeng formation，and the excess pressure value reach top in the upper Shihezi formation.On this basis，analyze the relationship between the excess pressure of upper paleozoic in eastern north Shanxi slope and gas reservoirs，and conclude that the widespread excess pressure in mudstone strata of the study area provided the impetus for the migration of hydrocarbons.Micro-cracks generated by abnormally high pressure and permeability thick sand body are the main channel of hydrocarbon migration.The capillary force of the covering layer（the upper Shihezi formation）and theabnormal pressure and the joint closed brought by the changes of physical properties prevent gas migrating upward.The place where the abnormal pressure reach top constitute longitudinal closed boundary，which make gas accumulate mainly in Benxi formation，Shanxi formation and lower Shihezi formation（He8）.

excess pressure；gas reservoir；upper paleozoic；north Shanxi slope

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.01.025

TE122.1

A

1673-5285（2015）01-0097-06

2014－11-28

周曉星，女（1989－），江蘇揚(yáng)州人，碩士，2014年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，研究方向為油氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)，郵箱：erinhp101@qq.com。