南堡凹陷蓋層封閉油氣有效性的定量評價

沈群，孫同文，樊樹峰，汪振杰

（1.東北石油大學地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.延邊大學理學院，吉林 延吉 133002；3.中國地質(zhì)大學（武漢）資源學院，湖北 武漢 430074）

1 地質(zhì)概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的北部，陸上與海上凹陷面積的總和是1 932 km2，為黃驊坳陷新生代裂谷盆地的二維負向構(gòu)造單元，南堡凹陷下第三系具有北斷南超的箕狀斷陷的特征。其從上向下發(fā)育第四系、明化鎮(zhèn)組、新近系的館陶組、東營組、沙河街組和古近系的孔店組地層[1-3]。截至目前，南堡凹陷已發(fā)現(xiàn)陸上（高尚堡、老爺廟）和灘海（南堡1—5）油田。油氣在縱向上分布廣泛，其中沙三段是主要的含油帶，從東營組到明化鎮(zhèn)組是重要的含油氣層系，相對富集的中淺層油氣占總儲量的70%左右，中淺層又以東一段油氣最多。油氣源對比結(jié)果表明，油氣主要來自下伏沙三段或沙一段—東三段發(fā)育的烴源巖，東一段儲層的區(qū)域性蓋層為館三段火山巖，東一段油氣的含量除了受到自身制約、與源巖的位置關(guān)系等因素影響外，在很大程度上受區(qū)域性阻烴的限制[4-5]。

前人主要在對蓋層封閉油氣有效性或時間有效性上進行了大量研究，而筆者不僅開展了南堡凹陷蓋層封閉能力有效性和時間有效性進行綜合研究，而且還對蓋層排替壓力與油氣藏剩余壓力的差值Δp進行分析，從而來研究Δp與天然氣相態(tài)和產(chǎn)能之間的關(guān)系，這對于認識油氣成藏規(guī)律和油氣勘探具有重要意義。

2 蓋層封閉油氣有效性

2.1 時間有效性

蓋層封閉油氣的時間有效性是指蓋層封閉性形成時期與源巖大量排烴期之間的匹配關(guān)系。如果蓋層形成封閉能力時間比烴源巖大量排烴期早或者與其同一時期，則可以封閉住源巖排出的大量油氣，在時間上能夠有效的封閉油氣[6-7]；相反，如果蓋層形成封閉能力時間比烴源巖大量排烴期晚，則蓋層所能封閉住的油氣量主要與二者之間時間差有關(guān)。二者時間差越小，蓋層所能封閉住的油氣量相對越大，在時間上封閉油氣有效性相對越好；反之，則相對越差[8]。由此可以看出，要研究蓋層封閉油氣時間的有效性，就必須首先確定蓋層封閉性形成時期和源巖的大量排烴期。

2.1.1 烴源巖發(fā)育情況

沙三段烴源巖是南堡凹陷最重要的烴源巖，其生烴量占南堡凹陷70%以上。沙三段發(fā)育了高豐度的優(yōu)質(zhì)烴源巖，有效烴源巖厚度在250 m左右，TOC高達5%以上，鏡質(zhì)體反射率Ro在0.8%以上。烴源巖中有機質(zhì)豐度較高，其重要的來源是無定形體和藻質(zhì)體，干酪根以Ⅰ型和Ⅱ型為主，且演化程度很高，目前已過生油高峰。由于烴源巖形成于南堡凹陷主裂陷幕，此時湖盆水體最深，湖盆范圍最廣，發(fā)育大面積深湖相灰色、灰黑色泥巖、鈣質(zhì)泥巖、油頁巖，且厚度大，平面上分布穩(wěn)定，因此具有巨大的生烴潛力。

烴源巖生排烴史研究結(jié)果表明，南堡凹陷沙三段烴源巖在館陶組沉積末期開始進入大量排烴期，明化鎮(zhèn)組沉積中期達到排烴高峰期，之后正常原油和輕質(zhì)油生成作用明顯減弱，且正常原油減小速度更快，而天然氣生成作用減弱較輕，直至第四系沉積末期依然保持較強的生成作用（見圖1）。

2.1.2 蓋層發(fā)育情況

南堡凹陷共發(fā)育6套主要蓋層，自下而上分別為沙三—沙二段、沙一上、東三上、東二上、館下段和明下段。從目前油氣藏分布可知，各套蓋層目前均具有較強—強的封閉能力，但這一封閉能力并非一經(jīng)沉積就形成了。剛一沉積的泥巖蓋層壓實成巖程度低，孔隙度和滲透率高，排替壓力低，不具有封閉油氣能力。隨著埋深增加，壓實作用逐漸增強，孔隙度和滲透率逐漸降低，排替壓力逐漸升高，當排替壓力達到某一值后才開始具備封閉能力。

通過蓋層微觀封閉能力與油氣產(chǎn)能關(guān)系研究表明，泥巖蓋層對低豐度天然氣藏形成封閉作用的排替壓力值在2.00 MPa左右，對中—高豐度天然氣藏形成封閉作用的排替壓力值在4.00 MPa左右。而且蓋層能夠封閉的氣藏儲量豐度隨著蓋層排替壓力的增加而逐漸增大。由于明下段蓋層為全區(qū)分布的區(qū)域性蓋層，且目前整個南堡凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣均在此蓋層以下分布，說明此套蓋層封閉能力不存在問題，因此，以下重點對沙三—沙二段、沙一上、東三上、東二上4套蓋層進行封閉時間和能力的有效性分析。

各套蓋層封閉能力形成時期與烴源巖排氣期之間匹配關(guān)系見圖2?？梢钥闯?，東二上段、東三上段、沙一上段和沙二—沙三段蓋層在明化鎮(zhèn)組沉積末期到東三段沉積中后期不同階段形成對低豐度天然氣藏和中—高成熟度油氣藏的封閉能力，并且在明化鎮(zhèn)中期的排烴高峰期，5套蓋層排替壓力達2.00～11.00 MPa，大于蓋層有效封閉工業(yè)氣流界限，在時間上能夠有效封閉天然氣。

圖1 南堡凹陷烴原巖演化及生烴曲線

2.2 能力有效性

南堡凹陷各套蓋層具有較強—強的封閉能力。蓋層是否具有能夠有效的對油氣進行封閉的能力，主要取決于蓋層排替壓力與油氣藏剩余壓力的相對大小。在油氣成藏的關(guān)鍵時期，如果蓋層排替壓力比油氣藏剩余壓力大（Δp＞0），則在能力上封閉油氣是有效的，有利于油氣的聚集與保存[9-10]，且差值越大容納的油氣量的潛力就越大；相反，當蓋層排替壓力小于油氣藏剩余壓力 （Δp＜0），蓋層之下油氣將會穿過蓋層向上運移，直到蓋層排替壓力與油氣藏剩余壓力達到動態(tài)平衡為止[11-12]。

圖2 南堡凹陷泥巖蓋層封閉能力演化與烴源巖排烴史演化時間匹配關(guān)系

通過對南堡凹陷現(xiàn)今蓋層排替壓力測試及油氣藏剩余壓力計算可知，南堡凹陷16口井20個層位蓋層排替壓力值為0.04～11.92 MPa，平均2.66 MPa，其相對應(yīng)的下部儲層中，油氣藏剩余壓力-6.63～17.44 MPa，平均2.10 MPa。其中，16個層位現(xiàn)今蓋層排替壓力大于油氣藏剩余壓力，Δp為正值，4個層位為負值。通過已知氣井的蓋層排替壓力和儲層剩余壓力相對大小比較可以看出（見圖3），南堡凹陷蓋層對天然氣封閉能力是有效的，可以保證已聚集的天然氣不散失，在能力上能夠有效封閉天然氣。

圖3 南堡凹陷16口產(chǎn)氣井蓋層排替壓力與儲層剩余壓力統(tǒng)計

3 Δp與天然氣相態(tài)及產(chǎn)能的關(guān)系

由于目前技術(shù)手段等的限制，無法準確恢復(fù)成藏關(guān)鍵時期蓋層排替壓力及油氣藏剩余壓力，也就不能直接評價蓋層對油氣的保存。實測Δp反映了現(xiàn)今蓋層與天然氣藏壓力的動態(tài)關(guān)系[13-14]。通過繪制Δp和天然氣相態(tài)之間關(guān)系圖可知有以下對應(yīng)關(guān)系：Δp＜0時，為純氣；0＜Δp≤5 MPa時， 為氣頂氣、 凝析氣；Δp＞5 MPa時，為油溶氣（見圖 4）。

圖4 Δp與天然氣相態(tài)關(guān)系

同時，Δp與天然氣產(chǎn)能表現(xiàn)為負相關(guān) （見圖5），即Δp越小時產(chǎn)能越大，反之則越小。純氣藏或氣頂氣藏時，氣產(chǎn)能相對較高，但與蓋層間壓力差較小，甚至發(fā)生部分滲露（Δp＜0）；油溶氣藏時，壓差較大，在蓋層封氣下限內(nèi)，當Δp小于一定值時為較好的天然氣藏。

圖5 Δp與天然氣產(chǎn)能關(guān)系

4 結(jié)論

1）蓋層時間有效性分析表明，如果蓋層形成封閉能力時間都比烴源巖大量排烴期早或者與其同一時期，那么蓋層對油氣藏形成封閉能力的時間是有效的；如果蓋層形成封閉能力的時間比烴源巖大量排烴期晚，則蓋層對油氣藏封閉時間無效。

2）蓋層能力有效性分析表明，如果Δp為正值，則蓋層對油氣藏封閉能力有效；如果Δp為負值，則蓋層對油氣藏無封閉能力。

3）Δp與天然氣產(chǎn)能關(guān)系分析表明，Δp反映了現(xiàn)今蓋層與天然氣藏壓力的動態(tài)關(guān)系，并與天然氣產(chǎn)能呈負相關(guān)關(guān)系，即Δp越小時產(chǎn)能越大，反之則越小。純氣藏或氣頂氣藏，產(chǎn)能相對較高，但與蓋層間壓力差較小，甚至發(fā)生部分滲露（Δp＜0），油溶氣藏壓差較大在蓋層封氣下限內(nèi)，當Δp小于一定值時代表較好的天然氣藏。

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