鄂爾多斯盆地榆林—綏德地區(qū)山2段天然氣運(yùn)移動(dòng)力探討

王曉梅，趙靖舟，姚涇利，周 鍇

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065； 2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 7100214；4.中國(guó)石油華北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

引 言

油氣運(yùn)移是連接烴類生成、聚集與分布的重要紐帶，是油氣成藏機(jī)理的重要研究?jī)?nèi)容。近年來(lái)，隨著勘探開發(fā)對(duì)象由構(gòu)造油氣藏、巖性油氣藏逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軆?chǔ)層油氣藏，油氣運(yùn)移動(dòng)力的研究也從早期側(cè)重于浮力、異常壓力、流體勢(shì)逐漸發(fā)展到對(duì)剩余壓力和源儲(chǔ)剩余壓差的關(guān)注。

鄂爾多斯盆地東北部榆林—綏德地區(qū)上古生界天然氣資源十分豐富，但天然氣藏形成和分布的規(guī)律非常復(fù)雜。許多學(xué)者對(duì)研究區(qū)上古生界天然氣的成藏規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行了大量研究[1-8]，其中關(guān)于天然氣運(yùn)移動(dòng)力的研究主要采用流體包裹體法和壓實(shí)方法獲取儲(chǔ)層古壓力，通過(guò)計(jì)算流體勢(shì)和剩余壓力分析天然氣運(yùn)移的動(dòng)力[9-16]。流體勢(shì)法適用前提為，研究目的層流體處于同一壓力系統(tǒng)內(nèi)，且該系統(tǒng)內(nèi)的流體是互相連通的。然而鄂爾多斯盆地榆林—綏德地區(qū)山2段致密砂巖多個(gè)壓力系統(tǒng)并存，不同壓力系統(tǒng)之間流體是互相分隔的[17]，故流體勢(shì)法用于研究該區(qū)上古生界致密儲(chǔ)層天然氣運(yùn)移動(dòng)力具有局限性。壓實(shí)研究計(jì)算的古壓力前提條件是古超壓由欠壓實(shí)作用產(chǎn)生，一般針對(duì)新生代沉積等年輕地層[18]。研究表明，鄂爾多斯盆地上古生界致密儲(chǔ)層形成時(shí)間要早于氣藏形成時(shí)間[19]，即氣藏形成過(guò)程中地層已經(jīng)壓實(shí)，因此，壓實(shí)方法對(duì)于本區(qū)天然氣運(yùn)移動(dòng)力研究亦有不足之處。

前人研究表明，致密砂巖主要驅(qū)動(dòng)力為氣源巖的生烴膨脹力[20-22]。本文探索通過(guò)數(shù)學(xué)模型求取典型井的生烴膨脹力，結(jié)合地層破裂壓力系數(shù)來(lái)確定烴源巖層壓力，根據(jù)計(jì)算所得的源儲(chǔ)壓差分析山2段天然氣運(yùn)移動(dòng)力，進(jìn)而探討天然氣運(yùn)移動(dòng)力對(duì)天然氣成藏的控制作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)以上古生界本溪組、太原組和山西組山2段的煤系地層為主要烴源巖，以本溪組、太原組、山西組、下石盒子組及石千峰組致密砂巖為儲(chǔ)層的多層系含氣組合[7]。該區(qū)山西組山2段天然氣資源尤其豐富，其沉積相類型主要為三角洲平原及三角洲前緣(水下)分流河道砂體，分流河道兩側(cè)砂巖減薄、尖滅，相變?yōu)楹榉浩皆熬植糠至鏖g灣泥質(zhì)沉積，物性更加致密[23]。

2 基于典型井的成藏期烴源巖壓力計(jì)算

陜142井各項(xiàng)地質(zhì)資料齊全，本次研究選取該井為典型井計(jì)算成藏期烴源巖壓力。

2.1 生烴增壓計(jì)算原理

在一個(gè)封閉體系中，生烴增壓的理論模型建立如下：

地表?xiàng)l件下，氣體滿足理想氣體的狀態(tài)方程

P0V0=nRT0；

(1)

地層條件下，氣體滿足真實(shí)氣體的狀態(tài)方程

PV=ZnRT。

(2)

地層條件下，氣體所處的壓力

P=Z·P0·(V0/V) ·(T/T0)。

(3)

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的壓力，P0=0.1 MPa；P為地層條件下氣體的壓力，MPa；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的絕對(duì)溫度，T0=293 K；T為地層條件下氣體的絕對(duì)溫度，K；V0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體所占體積，m3；V為地層條件下氣體所占體積，m3；n為氣體的摩爾數(shù)，kmol；R為通用氣體常數(shù)，R=0.008 314 MPa·m3/(kmol· K)；Z為氣體的壓縮因子。

目前計(jì)算生烴增壓的模型很多[24-25]，基本原理都一致，主要區(qū)別是氣體在地層條件下體積的求取方式不同。本次研究的計(jì)算方法為：

V氣體=V烴源巖·Φ烴源巖·(1-Sw)。

(4)

式中：V氣體為氣體在地層條件下的體積，m3；V烴源巖為烴源巖的體積，m3；Φ烴源巖為烴源巖的孔隙度；Sw為烴源巖的含水飽和度[25]。

2.2 典型井烴源巖層生烴增壓的實(shí)例分析

以典型井陜142井為例計(jì)算生烴增壓。陜142井上古生界煤層分布和天然氣組成見表1和表2。

表1 陜142井上古生界煤層分布Tab.1 The coalbed distribution of the Upper Paleozoic in Well Shan 142

對(duì)柳林—安陽(yáng)地區(qū)中、高煤階煤孔隙度特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[26]，以基質(zhì)孔隙度平均值7%作為陜142井煤層的孔隙度，煤層基質(zhì)孔隙中Sw取值0。采用Tissot法求取陜142井地表?xiàng)l件下單位面積氣體的體積

V0=Ggas=H·ρrock·wTOC·r。

(5)

式中：Ggas為烴源巖生氣強(qiáng)度，108m3/km2；H為烴源巖厚度，km；ρrock為烴源巖密度，108t/km3，煤取13×108t/km3；wTOC為烴源巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，煤取72%；r為烴源巖的產(chǎn)氣率，m3/t[27]。

鄂爾多斯盆地上古生界煤巖熱演化生氣潛力對(duì)生烴增壓影響很大，本次研究采用楊智對(duì)山西組煤巖的熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算生烴膨脹力的大小[28]。陜142井上古生界Roo為1.35%，根據(jù)熱模擬結(jié)果產(chǎn)氣率取36 m3/t，剝蝕厚度取930 m[29]，計(jì)算所得煤層生烴膨脹的壓力系數(shù)達(dá)1.93～1.96(表3)。

表2 陜142井上古生界山2段天然氣組成Tab.2 Gas volume composition of the Upper Paleozoic in Well Shan 142

表3 封閉條件下陜142井最大埋深時(shí)期古壓力理論計(jì)算值(Ro=1.35%)Tab.3 Calculating value of closed paleopressure of well Shan 142 in maximum burial depth period (Ro=1.35%)

鄂爾多斯盆地晚古生代為穩(wěn)定的克拉通盆地，榆林—綏德地區(qū)斷層不發(fā)育。盆地內(nèi)部上古生界地層沉積連續(xù)，不整合面亦不發(fā)育。因此，裂縫是該區(qū)天然氣運(yùn)移的主要通道。上述理論計(jì)算表明，研究區(qū)上古生界煤層在封閉的地層條件下，可以產(chǎn)生巨大的生烴膨脹力。根據(jù)Snarsky[30]的研究，當(dāng)局部壓力為靜水壓力的1.4～2.4倍時(shí)，巖石會(huì)破裂而產(chǎn)生微裂隙；當(dāng)?shù)貙又挟惓８呖紫读黧w壓力達(dá)到靜水壓力的1.6～2.0倍時(shí)，在烴源巖中就可以產(chǎn)生張性微裂隙。本次研究中破裂壓力系數(shù)取1.6和1.8兩種情況討論分析。

3 山2段成藏期源儲(chǔ)剩余壓力差

所謂剩余壓力是指某一深度的流體壓力與同深度靜水壓力的差值。成藏期源儲(chǔ)剩余壓力差是指天然氣在成藏關(guān)鍵時(shí)刻，烴源巖急劇增壓—破裂—高壓流體充注砂巖過(guò)程中，氣源灶的供烴剩余壓力與圈閉儲(chǔ)層孔隙流體剩余壓力的差值[31]。這一源儲(chǔ)剩余壓力差是天然氣從烴源巖通過(guò)輸導(dǎo)通道進(jìn)入圈閉最主要的動(dòng)力?？蓪⒒謴?fù)的上古生界砂巖包裹體形成時(shí)期的古流體壓力看作成藏時(shí)期的儲(chǔ)層古壓力?？蓪⒒謴?fù)的上古生界砂巖包裹體形成時(shí)期的古流體壓力看作成藏時(shí)期的古壓力。根據(jù)盆地榆林—綏德地區(qū)山2段流體包裹體分析測(cè)試結(jié)果，盆地盒8段和山2段儲(chǔ)層古壓力系數(shù)為1.31～1.64，地層壓力為超壓[32]。與前人包裹體古壓力研究成果基本一致[10，12，14]

源巖的排烴壓力可以作為氣源灶的供烴壓力，微裂縫排烴是目前公認(rèn)的烴源巖排烴的主要機(jī)理。當(dāng)煤層的破裂壓力系數(shù)取值為1.6時(shí)，榆林氣田山2段的源儲(chǔ)剩余壓差平均為6.62 MPa，子洲氣田山2段的源儲(chǔ)剩余壓差平均為5.04 MPa(表4)。

表4 研究區(qū)上古生界源儲(chǔ)剩余壓差計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculated results of the Upper Paleozoic residual pressure difference between source rock and reservoir in the study area

續(xù)表4：

井號(hào)剝蝕厚度/m層位深度/m儲(chǔ)層剩余壓力/MPa烴源巖剩余壓力/MPa源儲(chǔ)剩余壓差/MPa烴源巖剩余壓力/MPa源儲(chǔ)剩余壓差/MPa破裂壓力系數(shù)取1．6破裂壓力系數(shù)取1．8Sh117925山2段2913．2016．1922．566．3730．0813．89Sh118930山2段2882．3017．5822．414．8329．8812．30Sh142940山2段2801．5016．0122．056．0429．3913．39Sh205880山2段2826．0015．2321．686．4528．9113．68Sh207850山2段2834．9014．3121．527．2128．6914．38Sh214950山2段2888．8016．1822．556．3730．0713．89Sh215980山2段2740．3013．9621．787．8129．0415．07

根據(jù)研究區(qū)山2段源儲(chǔ)剩余壓差和含氣飽和度分析：源儲(chǔ)剩余壓差和現(xiàn)今含氣飽和度之間具有明顯的正相關(guān)性，說(shuō)明充注動(dòng)力對(duì)氣藏豐度具有明顯的控制作用(圖1)。

圖1 研究區(qū)上古生界山2段源儲(chǔ)剩余壓差與含氣飽和度的關(guān)系Fig.1 Relation between source rock-reservoir residual pressure difference and gas saturation of the second member of Shanxi Formation of the Upper Paleozoic in the study area

4 山2段天然氣運(yùn)聚模式

研究區(qū)含氣組合本溪組、太原組和山西組山2段中，生烴膨脹力是天然氣從烴源巖通過(guò)輸導(dǎo)通道進(jìn)入儲(chǔ)集層最主要的動(dòng)力，源儲(chǔ)剩余壓力差為2.07～7.85 MPa(破裂壓力系數(shù)取1.6)，平均5.99 MPa。綜合天然氣的地球化學(xué)指標(biāo)和成藏動(dòng)力分析，下部含氣組合中天然氣在源儲(chǔ)剩余壓力差作用下，從烴源巖運(yùn)移出后在有利的儲(chǔ)集層就近成藏，平面上山西組存在短距離由西向東和由南向北的側(cè)向運(yùn)移(圖2)。子洲氣田山2段現(xiàn)今壓力系統(tǒng)分布特征顯示，氣田在平面上連通性差，不具備遠(yuǎn)距離側(cè)向運(yùn)移的輸導(dǎo)條件。

含氣組合中山2段與烴源巖互層，源儲(chǔ)剩余壓力差達(dá)5.99 MPa，油氣充注動(dòng)力大。子洲氣田儲(chǔ)層物性好，山2段產(chǎn)氣井日產(chǎn)氣量平均4.94×104m3；神木—米脂地區(qū)儲(chǔ)層物性條件一般，產(chǎn)氣井日產(chǎn)氣量(0.88～5.92)×104m3，平均2.58×104m3?？偟恼f(shuō)來(lái)，在早白堊世，大量天然氣沿疊置的砂體和裂縫垂向運(yùn)移至致密儲(chǔ)層就近聚集成藏，運(yùn)移動(dòng)力、儲(chǔ)層和輸導(dǎo)體系是本區(qū)山2段天然氣成藏的主要控制因素。

圖2 鄂爾多斯盆地榆林—綏德地區(qū)山2段成藏模式Fig.2 Hydrocarbon accumulation pattern of the second member of Shanxi Formation in Yulin-Suide area,Ordos Basin

5 結(jié) 論

(1)陜142井上古生界由于生烴膨脹煤層的壓力系數(shù)達(dá)1.93～1.96，可致煤層破裂。

(2)當(dāng)煤層的破裂壓力系數(shù)取值為1.6時(shí)，榆林氣田山2段的源儲(chǔ)剩余壓差平均為6.62 MPa，子洲氣田山2段的源儲(chǔ)剩余壓差平均為5.04 MPa。源儲(chǔ)剩余壓差和含氣飽和度之間呈明顯的正相關(guān)性，表明充注動(dòng)力對(duì)氣藏豐度具有明顯的控制作用。

(3)早白堊世末期，鄂爾多斯盆地榆林—綏德地區(qū)下部含氣組合中大量天然氣在源儲(chǔ)剩余壓力差作用下從烴源巖運(yùn)移出后，沿疊置的砂體和裂縫垂向運(yùn)移至致密儲(chǔ)層就近聚集成藏。運(yùn)移動(dòng)力、儲(chǔ)層和輸導(dǎo)體系是本區(qū)山2段天然氣成藏的主要控制因素。

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