鄂爾多斯盆地南部三疊系延長組泥巖壓實(shí)系數(shù)與古壓力特征

楊 超，賀永紅，雷裕紅，史 鵬

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局，北京，100037；2.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 研究院，陜西，西安710065；3.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京100722）

0 引 言

鄂爾多斯盆地油氣資源豐富，經(jīng)過多年的勘探，油氣當(dāng)量已達(dá)到6 000萬t/a，但是盆地南部油氣當(dāng)量所占比例較少。這也是南部特殊的地理位置和地質(zhì)環(huán)境所決定的，雖然針對盆地南部也做了大量研究，但是部分基礎(chǔ)地質(zhì)認(rèn)識還不夠系統(tǒng)化［1-14］。如真對盆地南部泥巖壓實(shí)和古壓力的恢復(fù)文獻(xiàn)相對較少，且研究還不夠詳細(xì)［15-21］。以盆地南部的富縣、黃陵、旬邑地區(qū)為例，利用鉆井、錄井、測井等數(shù)據(jù)資料對研究區(qū)泥巖壓實(shí)系數(shù)和古壓力進(jìn)行深入研究和剖析，總結(jié)其特征，為后期的盆地模擬和油氣勘探?jīng)Q策提供重要的理論支撐。

1 泥巖壓實(shí)系數(shù)

壓實(shí)系數(shù)是反演盆地埋藏過程重要參數(shù)，考慮壓實(shí)作用可以更為準(zhǔn)確地恢復(fù)地層的埋藏演化歷史［22-26］，也是準(zhǔn)確獲取正常壓實(shí)段泥巖壓實(shí)系數(shù)，計(jì)算泥巖最大埋深古壓力的前提。

大量研究證實(shí)，聲波時(shí)差能夠更加有效地反映地層孔隙度信息，碎屑巖固結(jié)地層的孔隙度與聲波時(shí)差存在良好的線性關(guān)系［1，3，5，7］。通常情況下可表示為（1）的形式

式中 Δt為深度為Z處聲波時(shí)差，μs/m；Δt0為地表聲波時(shí)差，μs/m；C為壓實(shí)曲線斜率；Z為埋藏深度，m.

在單井壓實(shí)特征分析的基礎(chǔ)上，可根據(jù)式（1）估算單井的泥巖壓實(shí)系數(shù)。為了獲得每段具代表性的壓實(shí)系數(shù)，對全區(qū)前面所述65口單井正常壓實(shí)段的孔-深關(guān)系進(jìn)行了回歸擬合，獲得了不同地區(qū)泥巖壓實(shí)系數(shù)（表1）。

從研究區(qū)正常壓實(shí)曲線的壓實(shí)系數(shù)來看，沉積速率相當(dāng)，沉積速度較快，壓實(shí)系數(shù)平均為2.867×10-4.不同地區(qū)泥巖壓實(shí)系數(shù)略有差別，富縣地區(qū)壓實(shí)系數(shù)最大，平均3.338×10-4，旬邑地區(qū)壓實(shí)系數(shù)次之，平均為3.157×10-4，黃陵地區(qū)壓實(shí)系數(shù)最小，平均為2.102×10-4.

從泥質(zhì)含量和壓實(shí)系數(shù)相關(guān)性曲線上可知，泥巖的壓實(shí)系數(shù)與泥質(zhì)含量具有較好的正相關(guān)性（圖1）。研究區(qū)泥巖壓實(shí)相對發(fā)育程度由砂泥巖配置決定，砂泥巖的配置取決于沉積相對巖性分布的控制。一般條件下，離湖盆越近，泥巖更為發(fā)育，而伴隨泥質(zhì)沉積物增多。從研究區(qū)泥巖厚度分布可以看到，富縣地區(qū)長7段及長9段泥巖都是最發(fā)育的，而旬邑地區(qū)和黃陵地區(qū)長9段泥巖不發(fā)育。根據(jù)統(tǒng)計(jì)泥質(zhì)含量結(jié)果表明，富縣地區(qū)泥質(zhì)含量最高為0.52，其次為旬邑地區(qū)，泥質(zhì)含量為0.43，黃陵地區(qū)泥質(zhì)含量較低，為0.39（表1）。由以上分析可以看出，富縣地區(qū)泥巖壓實(shí)系數(shù)最大，其次為旬邑地區(qū)，黃陵地區(qū)壓實(shí)系數(shù)較小。

圖1 泥質(zhì)含量和泥巖壓實(shí)系數(shù)關(guān)系Fig.1 Relation of mud content and mud compaction coefficient

2 泥巖最大埋深古壓力

在不考慮烴源巖的影響下，獲得泥巖流體壓力的常用方法一般為泥巖壓實(shí)曲線的等效深度法，該方法計(jì)算的壓力代表了最大埋深時(shí)期的古壓力。但是越來越多的研究表明，干酪根具有高聲波時(shí)差特性，壓實(shí)曲線在烴源巖段往往表現(xiàn)為異常高值，不能夠有效的反應(yīng)儲層孔隙變化特征。在利用聲波時(shí)差數(shù)據(jù)進(jìn)行泥巖壓實(shí)研究過程中，當(dāng)富含有機(jī)質(zhì)的烴源巖段在壓實(shí)曲線上表現(xiàn)為高聲波時(shí)差異常時(shí)，定性的分析無法判斷多少增量是烴源巖有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)［27］。前人研究一般不考慮有機(jī)質(zhì)的影響，全部歸結(jié)為泥巖欠壓實(shí)作用［28-29］。本次研究利用了李超等（2016）泥巖壓實(shí)研究的巖石體積模型，對研究區(qū)的泥巖古壓力進(jìn)行了校正［27］。該方法對Wyllie方程的巖石體積模型進(jìn)行修正，將有機(jī)質(zhì)引入烴源巖體積模型。依據(jù)Wyllie公式，在對烴源巖聲波時(shí)差進(jìn)行理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，提出有機(jī)質(zhì)引起的聲波時(shí)差增量的校正公式。ΔtTOC=Δt+

式中 φ為孔隙度，%；Δt為聲波時(shí)差，μs/m；Δtfm為骨架聲波時(shí)差，μs/m；Δtf為孔隙流體聲波時(shí)差，μs/m；ν為有機(jī)質(zhì)含量（體積百分比），%；Δtma為巖石骨架聲波時(shí)差，μs/m；Δtom為有機(jī)質(zhì)聲波時(shí)差，μs/m；ρ為泥巖密度，g/cm3；ρom為有機(jī)質(zhì)密度，g/cm3；k為有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般取值為1.25.

表1 不同地區(qū)泥巖壓實(shí)系數(shù)統(tǒng)計(jì)（10-4）Table 1 Compaction coefficient of mudstone in different areas（10-4）

由于長7段及長9段油頁巖發(fā)育，有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)10%，在測井曲線上呈現(xiàn)聲波時(shí)差異常，因此必須對有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致的聲波時(shí)差異進(jìn)行校正。通過分別計(jì)算有機(jī)質(zhì)校正前后泥巖最大埋深時(shí)期古壓力，清晰表明，經(jīng)過有機(jī)質(zhì)校正后，盡管單井壓力體系整體沒有發(fā)生根本性改變，但是泥巖最大埋深古壓力明顯不同于原始古壓力（圖2）。富縣地區(qū)，異常壓力從長7頂部開始發(fā)育，長7中下部及長9中部過剩壓力達(dá)到最大，長8段壓力有所降低，長7-長9組成一個(gè)完整的壓力系統(tǒng)。校正之前最大過剩壓力為15.8 MPa，與其他研究人員研究結(jié)果基本一致［29］。

圖2 典型井最大埋深古壓力及有機(jī)質(zhì)校正結(jié)果Fig.2 Maximum buried paleopressure and remediation of organic matter in typical single well

通過圖2（a）可以看到，經(jīng)過有機(jī)質(zhì)校正之后，長7～長9段聲波時(shí)差明顯降低，欠壓實(shí)幅度顯著減小，計(jì)算的地層壓力也相應(yīng)減小。校正之后計(jì)算獲得的最大壓力僅為10 MPa，相較于校正之前，減小非常明顯。類似的，對研究區(qū)內(nèi)所有壓實(shí)曲線進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)校正，重新計(jì)算了泥巖最大埋深古壓力。結(jié)果表明，富縣地區(qū)過剩壓力介于8～10 MPa，黃陵地區(qū)過剩壓力主要發(fā)育在長7段泥巖內(nèi)，介于4～6 MPa，旬邑地區(qū)過剩壓力最小，僅為3～5 MPa.因而，在利用等效深度法計(jì)算鄂爾多斯盆地泥巖異常壓力時(shí)，由于未考慮有機(jī)質(zhì)的影響，可能過高地估計(jì)了長7段古超壓的幅度。

在單井最大埋深古壓力計(jì)算的基礎(chǔ)上，繪制了不同地區(qū)內(nèi)泥巖過剩壓力連井剖面圖及平面分布圖（圖3，4），通過對比可以明顯發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同地區(qū)過剩壓力略具差異，其中富縣地區(qū)泥巖厚度大，沉積速率快，從而更有利于形成欠壓實(shí)，因此過剩壓力最大，介于8～10MPa，其次為旬邑地區(qū)，最大埋深時(shí)期泥巖剩余壓力為6～8 MPa，而黃陵地區(qū)，由于泥巖厚度較薄，沉積速率相對緩慢，因此異常壓力也較低，介于4～5 MPa.

圖3 泥巖剩余壓力剖面Fig.3 Residual pressure profile of mudstone in study area

圖4 泥巖剩余壓力平面分布Fig.4 Plan of residual pressure of mudstone in study area

3 結(jié) 論

1）泥巖的壓實(shí)系數(shù)明顯受到泥質(zhì)含量及礦物組成的影響。泥質(zhì)含量和壓實(shí)系數(shù)具有很好的正相關(guān)性。富縣地區(qū)泥巖壓實(shí)系數(shù)最大，其次為旬邑地區(qū)，黃陵地區(qū)壓實(shí)系數(shù)較小。

2）通過對有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致的聲波差異的校正，認(rèn)為早期研究可能高估了長7段古超壓的幅度。結(jié)果表明，富縣地區(qū)過剩壓力最大，介于8～10 MPa，其次為旬邑地區(qū)，最大埋深時(shí)期泥巖剩余壓力為6～8 MPa，而黃陵地區(qū)，由于泥巖厚度較薄，沉積速率相對緩慢，因此異常壓力也較低，介于4～5 MPa.