致密砂巖氣田蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)——以四川盆地廣安氣田為例

史集建，李麗麗，呂延防，楊 軍，李壽英

(1.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318; 2.東北石油大學(xué)黑龍江省油氣藏形成機(jī)理與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318; 3.中國(guó)石油大慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江大慶163712; 4.中國(guó)石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依834000; 5.中國(guó)石油華北油田分公司第一采油廠，河北任丘062552)

隨著四川盆地和鄂爾多斯等盆地內(nèi)一系列致密砂巖大氣田的發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)型氣田的成藏特征成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。蓋層作為致密砂巖氣田形成不可或缺的條件之一，起到了非常重要的作用［1］。關(guān)于蓋層封閉條件的認(rèn)識(shí)，前人曾做過(guò)大量研究和探討［2-5］，但人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到，蓋層能否對(duì)致密砂巖氣藏形成與富集起到封蓋作用，除了取決于其自身發(fā)育特征(蓋層空間分布連續(xù)性和封閉能力)外，還要受到氣藏內(nèi)部能量(氣藏內(nèi)剩余壓力大小)的影響;此外蓋層封閉能力的有效性也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，即蓋層只有空間分布連續(xù)，封閉能力大于氣藏內(nèi)部的剩余壓力，且封閉能力形成時(shí)期早于或與烴源巖大量排氣期同期時(shí)，才能對(duì)天然氣的大規(guī)模聚集形成有效封閉;否則，天然氣無(wú)法大規(guī)模聚集成藏。由此看出，蓋層封閉能力的影響是多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果。前人［6-9］已建立了一套蓋層封閉能力的綜合評(píng)價(jià)方法，而且在我國(guó)各類(lèi)型氣田蓋層評(píng)價(jià)中取得了非常好的效果。這種方法更多考慮了蓋層空間分布連續(xù)性(厚度大小)、封閉能力(排替壓力)大小與氣藏內(nèi)剩余壓力(壓力系數(shù))大小，卻沒(méi)有考慮對(duì)致密砂巖氣田的保存起到重要作用的因素——蓋層封閉能力有效性的影響，這無(wú)疑使蓋層封閉能力的評(píng)價(jià)結(jié)果與地下實(shí)際真值存在偏差，可能過(guò)高地估算了蓋層封閉能力，給天然氣勘探帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，改進(jìn)這種蓋層封閉能力綜合定量評(píng)價(jià)方法，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)蓋層封閉能力及其在天然氣聚集與分布均有重要意義。

1 蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)方法

前人研究認(rèn)為，蓋層封閉能力的強(qiáng)弱主要受到其厚度、排替壓力和氣藏內(nèi)部剩余壓力的影響，即蓋層厚度越大，排替壓力越大，氣藏內(nèi)部剩余壓力越小，蓋層封閉能力越強(qiáng);反之蓋層封閉能力越弱［6-9］。除此之外，蓋層封閉能力有效性對(duì)天然氣成藏具有重要的影響。所謂蓋層封閉能力有效性是指蓋層封閉能力形成時(shí)期與源巖大量排氣期的匹配關(guān)系，只有蓋層封閉能力形成時(shí)期早于或與源巖大量排氣期同期時(shí)，蓋層才能封閉住源巖排出的大量天然氣，封氣有效性好;相反，如果蓋層封閉能力形成時(shí)期晚于源巖大量排氣期，蓋層所能封閉住的天然氣量大小要受到二者時(shí)間差大小的控制，二者之間時(shí)間差越小，蓋層所能封閉住源巖排出的天然氣量越大，封氣有效性相對(duì)越好;反之則越差。由此看出，如果不考慮蓋層封閉有效性的影響，有可能夸大了致密砂巖氣藏蓋層封閉效果，不利于真實(shí)的反映地下蓋層實(shí)際封閉能力。為此，筆者在蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)時(shí)，除了考慮蓋層空間分布連續(xù)性、封閉能力和氣藏剩余壓力影響外，還考慮蓋層封閉有效性的影響。用CSI(Cap Seal Idex)定量反映蓋層封氣能力，CSI 值越大，蓋層封閉能力越強(qiáng);反之則越弱。

式中，CSI 為蓋層封氣能力綜合評(píng)價(jià)參數(shù);f 為蓋層封氣有效性系數(shù)，可通過(guò)蓋層封閉能力形成時(shí)期(ts)與源巖大量排氣期(tr)比較確定(式2)。如果蓋層封閉能力形成時(shí)期早于或與源巖大量排氣期同時(shí)，f 取1;如果蓋層封閉能力形成時(shí)期晚于源巖大量排氣期，f 取蓋層封閉能力形成時(shí)期與烴源巖大量排氣期的比值，蓋層封閉能力形成時(shí)期(ts)可參照文獻(xiàn)［10］中的標(biāo)準(zhǔn)和方法來(lái)確定。pmin為評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)蓋層排替壓力的最小值，MPa;Hy為蓋層有效厚度，m，可由鉆井資料和地震資料解釋成果綜合得到;k 為氣藏壓力系數(shù)，無(wú)量綱，可由實(shí)測(cè)儲(chǔ)層壓力除以靜水柱壓力得到。

需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)氣藏蓋層被斷層破壞時(shí)，如果天然氣藏內(nèi)蓋層位置發(fā)育斷裂，那么斷層發(fā)育的規(guī)模、數(shù)量，尤其是斷裂的封堵性，將是影響蓋層封閉能力的決定性因素。如果斷裂把蓋層完全錯(cuò)斷，保存條件受到完全破壞;如果斷裂沒(méi)有把蓋層完全錯(cuò)斷，那蓋層的封閉能力主要取決于斷層上升盤(pán)底部與斷層交點(diǎn)處的斷層巖的封閉能力。當(dāng)蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)時(shí)，pmin應(yīng)取蓋層與斷層巖之間排替壓力的較小值。

斷層巖封閉能力的求取主要依據(jù)文獻(xiàn)［11］，并作了少許改進(jìn)。將斷層巖視為正常壓實(shí)的地層，確定其在考慮斷層活動(dòng)的基礎(chǔ)上斷面正壓力作用下相當(dāng)?shù)恼５貙勇裆?，再通過(guò)斷層巖泥質(zhì)含量求取公式計(jì)算其SGR(Shale Gouge Ratio)值，最后利用排替壓力擬合公式獲得斷層巖排替壓力，具體步驟如下。

①巖石排替壓力的獲取

前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，巖石封閉能力強(qiáng)弱與其泥質(zhì)含量和壓實(shí)成巖程度具有較好的相關(guān)性，據(jù)此規(guī)律可建立巖石實(shí)測(cè)排替壓力與其埋深和泥質(zhì)含量乘積之間的擬合公式，對(duì)未實(shí)測(cè)巖石的排替壓力進(jìn)行科學(xué)的近似預(yù)測(cè)。

②斷層巖壓實(shí)成巖埋深的確定

根據(jù)斷層傾角和斷點(diǎn)處的靜巖壓力，結(jié)合斷層巖壓實(shí)成巖作用時(shí)間與斷層巖圍巖的壓實(shí)成巖作用時(shí)間的比值，便可得到斷層面的正壓力，進(jìn)而得到斷層巖理論壓實(shí)成巖埋深。

③斷層巖中泥質(zhì)含量的確定

可通過(guò)Yieding 提出的SGR 方法［12］計(jì)算求得。

④求取斷點(diǎn)處斷裂充填物的排替壓力

將斷層巖理論壓實(shí)成巖埋深視為斷裂充填物質(zhì)所承受的靜巖壓力，結(jié)合③中獲得的斷層巖泥質(zhì)含量，根據(jù)①步中的關(guān)系得到所研究的斷點(diǎn)處斷裂充填物的排替壓力。

為了便于同類(lèi)致密砂巖氣田蓋層綜合封閉能力之間的比較，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)對(duì)式(1)內(nèi)排替壓力、蓋層有效厚度和氣藏壓力系數(shù)進(jìn)行均一化處理，各參數(shù)的均一化標(biāo)準(zhǔn)值由我國(guó)目前主要致密砂巖氣田蓋層的各個(gè)封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)與氣田儲(chǔ)量豐度之間的關(guān)系進(jìn)行界定。因此，最終通過(guò)式1 得到的CSI 也是一個(gè)無(wú)量綱函數(shù)，通常情況下是一個(gè)小于1 的常數(shù)，只有氣藏壓力系數(shù)較小時(shí)，才會(huì)大于1。

2 蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)均一化標(biāo)準(zhǔn)值

在綜合選取蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)對(duì)我國(guó)致密砂巖大氣田的蓋層數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。依據(jù)2008年我國(guó)氣田天然氣申報(bào)地質(zhì)儲(chǔ)量，確定我國(guó)15 個(gè)致密砂巖大中型氣田(表1)。對(duì)這15 個(gè)大中型氣田的儲(chǔ)量豐度與其各自蓋層的封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)儲(chǔ)量豐度標(biāo)準(zhǔn)厘定致密砂巖氣田蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)均一化標(biāo)準(zhǔn)值(圖1—圖3)。

通過(guò)15 個(gè)大中型致密砂巖氣田的儲(chǔ)量豐度與排替壓力、蓋層厚度和氣藏壓力系數(shù)之間的關(guān)系可以看出，致密砂巖氣田的儲(chǔ)量豐度均隨著排替壓力、蓋層厚度和氣藏壓力系數(shù)的增大而升高，證明致密砂巖氣田的儲(chǔ)量豐度與蓋層封閉能力各參數(shù)之間具有良好的相關(guān)性。以此為基礎(chǔ)，將氣藏儲(chǔ)量豐度10 ×108m3/km2對(duì)應(yīng)的排替壓力、蓋層厚度和氣藏壓力系數(shù)值定義為各參數(shù)的均一化標(biāo)準(zhǔn)值，如表2 所示。

表1 我國(guó)致密砂巖大中型氣田蓋層封閉能力參數(shù)及分布層位統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of cap rock sealing capacity parameters and distribution layers of the large and middle sized tight sandstone gasfields in China

圖1 致密砂巖氣田蓋層厚度與儲(chǔ)量豐度關(guān)系Fig.1 Relationship between cap rock thickness and reserve abundance of tight sandstone gasfields

圖2 致密砂巖氣田蓋層排替壓力與儲(chǔ)量豐度關(guān)系Fig.2 Relationship between cap rock displacement pressure and reserve abundance of tight sandstone gasfields

圖3 致密砂巖氣田壓力系數(shù)與儲(chǔ)量豐度關(guān)系Fig.3 Relationship between gas pressure coefficient and reserve abundance of tight sandstone gasfields

表2 我國(guó)致密砂巖氣田蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)均一化標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Homogenization standard values of cap rock sealing ability evaluation parameters of tight sandstone gasfields in China

對(duì)大中型致密砂巖氣田各蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行均一化后，利用式(1)，并結(jié)合各氣田蓋層封閉能力形成時(shí)期與源巖大量排氣期的匹配關(guān)系，計(jì)算獲得各蓋層的CSI 值(表1)，并建立其與儲(chǔ)量豐度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖4)?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩者呈正相關(guān)性，即隨CSI 值的增大，氣田儲(chǔ)量豐度也隨之升高;反之，則降低。根據(jù)兩者之間的擬合關(guān)系，獲得氣田不同儲(chǔ)量豐度等級(jí)對(duì)應(yīng)的蓋層CSI 值及蓋層評(píng)價(jià)等級(jí)(表3)。

圖4 致密砂巖氣田蓋層CSI 值與儲(chǔ)量豐度關(guān)系Fig.4 Relationship between CSI and reserve abundance of tight sandstone gas fields

表3 致密砂巖氣田不同儲(chǔ)量豐度等級(jí)對(duì)應(yīng)CSI 標(biāo)準(zhǔn)Table 3 CSI standards corresponding to different reserve abundances of tight sandstone gasfields

3 廣安氣田須五段區(qū)域蓋層綜合評(píng)價(jià)

廣安地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組為一套陸相碎屑巖含煤沉積，自下而上分為6 段，其中須一、須三、須五段以黑色頁(yè)巖、泥巖為主，夾粉砂巖、砂巖、煤層或煤線(xiàn)，是主要的烴源巖［13］和蓋層;須二、須四、須六段以灰色中-細(xì)粒砂巖為主，夾薄層泥頁(yè)巖，是主要儲(chǔ)集層系。須家河組一、須三、須五段烴源巖與二、須四、須六段儲(chǔ)集層間互疊置呈“三明治”結(jié)構(gòu)，具有廣覆式分布特征，構(gòu)成有利的生儲(chǔ)蓋組合［13-19］。

廣安氣田的天然氣主要富集在須四段和須六段砂巖內(nèi)，對(duì)天然氣的封閉保存起最主要作用的是氣田上部的須五段和須六段頂部的泥巖蓋層，本文主要對(duì)須五段泥巖蓋層的綜合封閉能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 蓋層封閉能力

1)蓋層宏觀發(fā)育特征

圖5 廣安氣田須五段蓋層厚度與須四段儲(chǔ)層壓力系數(shù)分布特征(據(jù)卞從勝①卞從勝.四川盆地川中地區(qū)須家河組天然氣藏大面積成藏機(jī)理與形成條件.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，2009.，2009 數(shù)據(jù)修改)Fig.5 Thickness distribution of the 5th Member of Xujiahe Formation and pressure coefficient of 4th Member of Xujiahe Formation in Guang’an field(modified from Bian Congsheng①，2009)

須家河組沉積時(shí)期，龍門(mén)山崛起并向盆地內(nèi)逆沖推覆，同時(shí)大巴山等盆地周緣山系的幕式活動(dòng)，給須家河組湖盆的幕式升降提供了構(gòu)造動(dòng)力。廣安地區(qū)在須五段沉積時(shí)期處于幕式活動(dòng)的平靜期，物源供給逐漸減少，層序發(fā)展到高位體系域，主要為濱、淺湖沉積，湖深由西向東逐漸變淺，因此，須五段泥巖在西部最發(fā)育，厚度達(dá)200 m，由西部向東部逐漸泥巖逐漸減薄，到鮮渡1、廣安7 和廣安4 一線(xiàn)以東地區(qū)降為不足30 m(圖5)。

2)蓋層排替壓力分布特征

泥巖的排替壓力取決于最大連通孔隙半徑，而孔徑的大小取決于泥巖的壓實(shí)程度［16］，因此正常壓實(shí)泥巖地層的排替壓力值與其埋深是呈正相關(guān)關(guān)系的，即隨著埋深的增大，泥巖地層的排替壓力值是升高的，反之則排替壓力降低。對(duì)川中地區(qū)泥巖巖樣的排替壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的測(cè)定，校正后建立其與埋深之間的關(guān)系公式(3)，利用該關(guān)系式便可以對(duì)廣安氣田的蓋層排替壓力發(fā)育分布特征進(jìn)行預(yù)測(cè)。廣安地區(qū)須五段泥巖蓋層排替壓力總體表現(xiàn)為北高南低，最大值為9.5 MPa，分布在工區(qū)東北部;最小值為5.5 MPa，位于廣安16 井附近(圖6)。

式中:p 為蓋層排替壓力，MPa;Z 為蓋層埋深，m。

3)氣藏壓力特征

影響地層壓力的因素較多，除了埋深以外，當(dāng)遇到地層富集天然氣、地層非均質(zhì)性較強(qiáng)形成排液不暢和獨(dú)立地層壓力系統(tǒng)、蓋層封閉能力較強(qiáng)使下部天然氣不易散失、以及斷裂不發(fā)育使地層原始?jí)毫ζ茐妮^小等情況，都會(huì)形成較高的地層壓力。廣安地區(qū)須四段地層壓力的影響因素比較復(fù)雜，壓力系數(shù)處于1.05～1.5，屬于常壓-高壓氣藏，總體上表現(xiàn)為西北高東南低(圖5)。

4)斷裂發(fā)育特征及封堵能力評(píng)價(jià)

川中廣安地區(qū)三疊系上統(tǒng)須家河組構(gòu)造形態(tài)主要受燕山-喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)多幕次運(yùn)動(dòng)的影響，首先在燕山期受到來(lái)自川西前陸盆地的龍門(mén)山北西向的推覆擠壓作用，形成近北東向的雁列式褶皺;隨后在喜馬拉雅期受到來(lái)自大巴山的北北東向的逆沖推覆作用形成北西西向的逆斷層。

廣安地區(qū)須五段內(nèi)部一共發(fā)育15 條逆斷裂，延伸長(zhǎng)度為2.1～31.0 km，垂直斷距差異較大，為10～280 m。斷裂特征總體表現(xiàn)為南部較北部發(fā)育規(guī)模大，尤其是南部的斷裂斷距均大于泥巖蓋層厚度，將蓋層完全錯(cuò)斷，斷裂帶內(nèi)部斷層巖排替壓力也較低，僅為4.5～6.5 MPa，明顯低于附近蓋層的排替壓力，不利于氣田的保存(圖6)。

圖6 廣安氣田須五段蓋層排替壓力分布、斷裂發(fā)育特征及封堵性評(píng)價(jià)Fig.6 Cap rock displacement pressure distribution，fault characteristics and sealing capacity evaluation of the 5th Member of Xujiahe Formation in Guang’an gasfield

5)蓋層封閉能力有效性

經(jīng)前人研究得到［13］，廣安地區(qū)由于在中晚侏羅世(175～140 Ma)快速沉降，須家河組烴源巖在晚侏羅世(156.6～140 Ma)短期內(nèi)大量生氣。經(jīng)過(guò)研究得到，須五段蓋層自沉積后快速埋深，封閉能力迅速提高，在廣安地區(qū)的大部分區(qū)域內(nèi)于三疊紀(jì)沉積后期時(shí)微觀封閉能力達(dá)到1 MPa，形成封閉能力。因此，廣安地區(qū)須五段蓋層的封氣有效性系數(shù)大部分為1。

3.2 蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)

綜合以上分析，將廣安地區(qū)網(wǎng)格化后計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的CSI，利用蓋層綜合評(píng)價(jià)公式最終得到須五段泥巖蓋層綜合封閉能力分布特征(圖7)。根據(jù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，須五段蓋層總體上為Ⅳ類(lèi)蓋層，表明須四段儲(chǔ)層富集的氣藏標(biāo)準(zhǔn)為特低儲(chǔ)量豐度，符合廣安氣田平緩斜坡區(qū)氣藏儲(chǔ)量豐度為0.5 ×108～0.8 ×108m3/km2的實(shí)際情況。須五段蓋層CSI 值為0.04～0.24，總體表現(xiàn)為西高東低，西部地區(qū)也存在因斷裂的破壞作用造成蓋層CSI 值較低的局部區(qū)域。目前的須四段氣藏的分布區(qū)域主要處于工區(qū)西北部蓋層CSI 值大于0.16的范圍內(nèi)，與預(yù)測(cè)的須四段蓋層封蓋有利區(qū)域較吻合，證明了蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)方法的正確性。另外，研究區(qū)西南部蓋層的封閉能力也較高，但受到斷裂破壞被分割成局部的幾塊，使得天然氣大面積連片成藏的條件有限，但因小范圍區(qū)域內(nèi)具有天然氣成藏的良好的封蓋條件，也存在發(fā)現(xiàn)小規(guī)模氣藏的可能性。

4 結(jié)論

1)蓋層封氣能力除了受到自身發(fā)育特征(蓋層排替壓力和厚度)及氣藏內(nèi)部能力(壓力系數(shù))的影響外，還在一定程度上要受到蓋層封氣有效性的影響，故蓋層封氣能力綜合評(píng)價(jià)應(yīng)考慮蓋層封氣有效性的影響。

2)通過(guò)統(tǒng)計(jì)我國(guó)致密砂巖大氣田的蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)，建立其與氣田儲(chǔ)量之間的關(guān)系，確定儲(chǔ)量豐度10 ×108m3/km2對(duì)應(yīng)的蓋層厚度、排替壓力和氣田壓力系數(shù)均一化標(biāo)準(zhǔn)值分別為262 m，17.3 MPa和1.72。

圖7 廣安氣田須五段蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)Fig.7 Comprehensive evaluation of cap rock sealing ability of the 5th Member in Xujiahe Formation in Guang’an gasfield

3)致密砂巖大氣田之一的廣安氣田須五段蓋層為Ⅳ類(lèi)蓋層，能夠封蓋特低儲(chǔ)量豐度的氣田。蓋層CSI 值為0.04～0.24，總體表現(xiàn)為西高東低。該方法預(yù)測(cè)有利區(qū)與目前須四段氣藏的分布區(qū)域較吻合。

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