鄂爾多斯盆地榆林地區(qū)山西組泥巖封蓋能力研究

曹 青，趙小會

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069;2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065;3.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安710021)

油氣在圈閉中富集成藏的過程中，蓋層的封蓋能力是重要的控藏因素之一。早在1984年，Downey即對蓋層封閉性進(jìn)行了評價(jià)和總結(jié)，認(rèn)為油氣藏的有效蓋層是厚度大、側(cè)向連續(xù)性好、排替壓力高的塑性巖石。泥巖蓋層的封蓋能力隨著沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、成分組成的變化而發(fā)生顯著的變化。厚度大、顆粒細(xì)、塑性強(qiáng)、蒙脫石等粘土礦物成分含量高、富含灰質(zhì)、富含瀝青及分散有機(jī)質(zhì)、具有平行微層理，是提高泥質(zhì)巖封閉性的主要因素(周雁等，2012)。天然氣勘探實(shí)踐表明，蓋層作為天然氣藏的重要組成部分，不僅控制著天然氣在空間上的分布，而且控制著天然氣富集的數(shù)量(呂延防等，2005)。

泥質(zhì)巖蓋層封蓋質(zhì)量的好壞主要反映在宏觀展布面積、厚度和微觀封閉能力的強(qiáng)弱兩個(gè)方面。反映泥質(zhì)巖蓋層微觀封閉能力的最直接參數(shù)是排替壓力，而宏觀展布面積的大小則主要受厚度的制約。本次研究將厚度與排替壓力作為評價(jià)蓋層質(zhì)量的主要參數(shù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地新資源評價(jià)結(jié)果表明其天然氣總資源量為1.52 ×1013m3，其中致密氣資源量為 1.04 ×1013m3，約占天然氣總資源量的68%;目前已發(fā)現(xiàn)蘇里格、烏審旗、大牛地、神木等4個(gè)探明儲量超過千億立方米的致密氣田(楊華等，2012)。勘探實(shí)踐及大量實(shí)驗(yàn)分析表明，鄂爾多斯盆地上古生界砂巖氣藏主要為致密砂巖氣藏，東部地區(qū)氣藏主要分布于下二疊統(tǒng)山西組。由于鄂爾多斯盆地是中國大陸最穩(wěn)定的陸塊之一，盆地構(gòu)造簡單，除邊緣斷裂、褶皺構(gòu)造較發(fā)育外，盆地內(nèi)部總體為一簡單的西傾單斜，褶皺、斷裂不發(fā)育(何自新，2003;趙靖舟，2012)。而且自晚侏羅世—早白堊世上古生界烴源巖大量生氣以來，盆地主體一直保持構(gòu)造相對穩(wěn)定。雖然早白堊世末以后經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升，造成中生界遭到不同程度的剝蝕。盆地內(nèi)部最強(qiáng)烈的剝蝕作用也僅造成上三疊統(tǒng)頂部及其以上地層缺失，上古生界地層則基本上未受到剝蝕影響，因此早白堊世末以來的抬升剝蝕作用并未對上古生界氣藏造成顯著的破壞(趙靖舟，2012)。鄂爾多斯盆地上古生界蓋層條件優(yōu)越，尤其是位于主力氣層之上的上石盒子組發(fā)育一套厚達(dá)80～110 m的湖相泥巖沉積，分布穩(wěn)定，且未受到早白堊世末盆地抬升剝蝕作用的明顯破壞，因而是鄂爾多斯盆地上古生界最好的區(qū)域性蓋層。

2 泥巖蓋層宏觀展布特征

2.1 泥巖蓋層的巖性特征

泥巖的封蓋性能取決于它的可塑性和膨脹性，就其泥巖巖性而言高含伊利石的泥巖封蓋性相對好于綠泥石為主的泥巖。研究區(qū)上古生界蓋層的主要巖性是泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r，以泥巖為主。泥質(zhì)蓋層中的粘土礦物以高嶺石和伊利石為主，并含較多的蒙脫石和伊利石～蒙脫石。蒙脫石和伊利石含量平面上由北往南增高，因此泥巖蓋層質(zhì)量由北往南變好。

2.2 泥巖蓋層的成巖特征

眾多研究者都認(rèn)為，泥巖蓋層的封堵效果隨埋深增大;但超過一定埋藏深度后泥巖蓋層其封閉性明顯變差。張樹林和田世澄(1993)認(rèn)為，埋藏深度在1 500～3 500 m時(shí)，泥巖蓋層的封蓋狀態(tài)最佳;周文等(1994)認(rèn)為泥巖埋深超過1 500 m時(shí)，隨著成巖作用增強(qiáng)泥巖的封蓋能力降低;付廣和姜振學(xué)(1994)認(rèn)為，泥巖埋深大于3500 m時(shí)，隨著成巖作用增強(qiáng)泥巖的封蓋能力降低

榆林地區(qū)山西組現(xiàn)今埋深整體小于3 000 m，古埋深最大約4 000 m;Ro介于1.0～1.5之間，有機(jī)質(zhì)熱演化程度中等，成巖作用達(dá)到中成巖A期。綜合分析認(rèn)為榆林地區(qū)山西組泥巖蓋層的封蓋效果較好。

2.3 泥巖蓋層的厚度特征

戴金星等(2003)認(rèn)為厚度是影響蓋層本身封蓋天然氣能力的主要參數(shù)之一，它不僅影響著蓋層空間展布范圍的大小，而且還在一定程度上影響著蓋層封閉的質(zhì)量。呂延防等(2005)對中國大中型氣田儲量豐度及其蓋層厚度的研究發(fā)現(xiàn)，兩者呈正相關(guān)性，表明厚度是影響中國大中型氣田封蓋條件優(yōu)劣的重要因素。蓋層厚度及其連續(xù)性是確定區(qū)域性蓋層、局部蓋層和封閉隔層的主要依據(jù)，也是蓋層綜合評價(jià)的關(guān)鍵因素。厚度越大，分布面積也越大，蓋層封閉能力一般越強(qiáng)。

鄂爾多斯盆地榆林地區(qū)上石盒子組泥巖累計(jì)厚度均值為38.7 m。下石盒子組泥巖累積厚度均值為48.8 m，其中盒7段泥巖累積厚度均值13.3 m，盒8段泥巖累積厚度均值17.2 m。三套泥巖蓋層為區(qū)域蓋層，在盆地內(nèi)大面積連續(xù)展布。

山西組泥巖累積厚度介于5～65 m之間，平均累計(jì)厚度為32.7 m。山1段泥巖累積厚度主體介于10～30 m之間，均值13.4 m;山2段泥巖累積厚度主體介于10～20 m之間，均值12.1 m。山1段泥巖累計(jì)厚度在研究區(qū)中部陜205-陜118-陜215井區(qū)一帶整體大于20 m(圖1)，山2段泥巖累計(jì)厚度在研究區(qū)東部鎮(zhèn)北臺-響水-殿市一帶整體大于15 m(圖 2)。

圖1 榆林地區(qū)山1段泥巖累計(jì)厚度等值線圖

圖2 榆林地區(qū)山2段泥巖累計(jì)厚度等值線圖

將山西組泥巖累計(jì)厚度與山2段產(chǎn)氣井平面分布對比可知，山2段產(chǎn)氣井分布位置與山1段泥巖累計(jì)厚度顯示一定相關(guān)性，即產(chǎn)氣井主要分布在山1段累計(jì)泥巖較厚的地區(qū)，同時(shí)山1段泥巖累計(jì)較厚區(qū)域內(nèi)產(chǎn)氣井日產(chǎn)量多大于2萬方，由此可見山1段泥巖對榆林氣田的保存起到重要作用(圖3)。

圖3 榆林地區(qū)山1段泥巖厚度與山2段產(chǎn)氣井個(gè)數(shù)直方圖

3 泥巖蓋層微觀封閉特征

排替壓力是指巖石中潤濕相流體被非潤濕相流體驅(qū)替所需要的最小壓力，在數(shù)值上近似等于巖石中最大連通孔隙的毛細(xì)管壓力。地下游離相油氣通過蓋層孔隙喉道運(yùn)移，必然受到蓋層與儲集層之間排替壓力差的阻擋，只有天然氣的能量大于其蓋層與儲集層之間的排替壓力差時(shí)，天然氣才能驅(qū)替蓋層孔隙中的水而進(jìn)行運(yùn)移。由于儲集層巖石的排替壓力太小，與蓋巖排替壓力相比可忽略不計(jì)。郝石生等(1991，1995)、呂延防等(1996)研究后認(rèn)為蓋層與儲層之間的排替壓力封堵油氣滲漏穿透蓋層，而形成這種毛細(xì)管壓差的根本原因是蓋層巖石和儲層巖石之間存在明顯的物性差異。

因此蓋巖排替壓力是評價(jià)蓋層物性封閉能力最直接、最根本的參數(shù)，蓋巖排替壓力越大，物性封閉能力越強(qiáng)，反之則越弱(付廣，1997)。

李明瑞等(2006)對鄂爾多斯盆地東部上古生界突破壓力與聲波時(shí)差的關(guān)系進(jìn)行研究，并提出計(jì)算公式:

計(jì)算結(jié)果顯示(表1)，泥巖實(shí)測排替壓力與計(jì)算結(jié)果吻合較好，可通過泥巖聲波時(shí)差數(shù)值計(jì)算數(shù)值來分析評價(jià)鄂爾多斯盆地上古生界泥巖排替壓力。通過上述方法計(jì)算榆林地區(qū)山西組泥巖排替壓力，結(jié)果顯示榆林地區(qū)山2段泥巖排替壓力主體介于8～12 MPa之間，具有較強(qiáng)的封堵效果。山2段泥巖排替壓力平面上整體呈北東西南向條帶狀分布(圖4)，其數(shù)值介于7～14 MPa之間。榆林—響水一帶突破壓力相對較低，整體小于8 MPa;榆林—橫山一線以北區(qū)域內(nèi)突破壓力逐漸增大，具有較高的毛細(xì)管封閉能力，有利于保存山西組內(nèi)天然氣藏，一定程度上阻止天然氣垂向向上運(yùn)移。

表1 研究區(qū)部分計(jì)算排替壓力與實(shí)測排替壓力對比表

圖4 榆林地區(qū)山西組泥巖排替壓力等值線圖

4 認(rèn)識與結(jié)論

通過對研究區(qū)山西組泥質(zhì)巖蓋層的宏觀特征和微觀特征的綜合分析，可以看出山西組內(nèi)的泥質(zhì)巖顯示較好的封閉能力，對下部的氣藏可起到局部封閉作用。雖然在向北逐漸減薄，但在榆林氣田內(nèi)山西組泥巖能起到局部蓋層的封堵作用。

鄂爾多斯盆地上古生界天然氣藏的區(qū)域蓋層為上石盒子組，但山西組泥巖蓋層的分布對山2段內(nèi)產(chǎn)氣井的分布也起到一定封堵效果，對榆林氣田的保存起到重要作用。

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