鄂尔多斯盆地东部上古生界现今地层压力分布特征及成因

王晓梅，赵靖舟，刘新社，赵小会，曹 青

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069; 2.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安710065;3.中国石油长庆油田分公司，陕西西安710021)

地层压力作为一种能量(动力)贯穿天然气成藏的全过程，与盆地内油气藏的形成和分布关系密切，是人们长期关注的热点之一［1-4］。研究普遍认为，鄂尔多斯盆地上古生界以异常低压和常压为主，高压少见［5-7］。气藏负压主要与盆地抬升降温、后期埋深的增加、天然气散失和气水密度差等因素有关［6，8-12］。

长期以来，对盆地上古生界压力成因存在诸多争议:①如果盆地抬升降温起主要作用，由于盆地东部剥蚀厚度大导致压力降幅大，则东部现今压力系数应该低于西部，与现今地层压力系数东高西低存在矛盾;

1 压力资料识别

常规试井中，新井试气结束后的压力恢复测试常采用Horner 法。对于低渗透地层，压力测试资料的准确性主要依据原始地层压力的恢复程度。一般情况下，只要能保证足够的压力恢复时间，就可以获得反映原始地层压力的准确资料。根据鄂尔多斯盆地东部上古生界的试井报告、地层测试成果报告和试气地质总结报告等资料，对原始资料本身的精度进行评价，排除了不可靠的13 个压力测试数据(图1)。

2 盆地东部上古生界压力分布特征

图1 洲2 井太原组初产的Horner 曲线Fig.1 Horner curve indicating the initial production of the Taiyuan Fm.in Zhou 2 well

表1 鄂尔多斯盆地东部三叠系延长组油田地层压力系数(数据来源于文献［14］)Table 1 Pressure coefficients for the Triassic Yanchang Fm.in the eastern Ordos Basin(data from reference［14］)

本次研究参照A.A.奥尔洛夫［13］和中国海洋石油勘探开发研究中心提出的地层压力分类方案，将地层压力划分为三种类型:压力系数低于0.96 为异常低压，位于0.96～1.06 为正常压力，大于1.06 为异常高压。

2.1 鄂尔多斯盆地白垩系、三叠系地层压力分布特征

鄂尔多斯盆地地貌沟壑纵横，一般海拔为800～1 400 m，具有“负压”盆地之称。盆地白垩系、三叠系地层均显示低压特征，且从白垩系到三叠系随着深度的增加压力系数增加。由于盆地东部白垩系均被剥蚀，本次研究中收集到盆地西部白垩系地层水的资料。根据抽水实验白垩系洛河组地层水头埋深1 46.40～296.25 m，其中B13 井洛河组压力系数为0.58～0.76。

鄂尔多斯盆地东部延长组油田分布广泛，其主要目的层为三叠系延长组长2 段和长6 段。三叠系延长组压力系数一般0.8～0.9，0.90 以上较少(表1)。盆地东部上古生界压力系数为0.85～1.20，平均为0.99。Barker 认为，对于开放的流体系统，随埋深增加地层压力仍然为静水压力［11］。鄂尔多斯盆地东部白垩系、三叠系、石炭系-二叠系随深度的增加，压力系数总体显示增大的趋势，而且不同层段压力系数差异明显，说明其分属不同的封闭流体动力体系［15］。

2.2 盆地东部现今上古生界地层压力分布特征

鄂尔多斯盆地东部上古生界经过详细筛选获得相对可靠的85 口井111 个压力数据。研究区上古生界存在异常低压、常压和异常高压3 种压力类型，分别占到30.63%，56.76%和12.61%(表2)。

统计结果表明，鄂尔多斯盆地东部上古生界多种压力类型并存，但以常压类型占优势。在盆地东部，下石盒子组、山西组、太原组和本溪组随海拔降低，压力系数呈现降低趋势(图2)。在整个盆地内，盒8 段随深度增加，压力系数也显示降低的趋势［8］。

2.3 子洲气田压力系统

压力系统是指在油气藏的纵、横向上流体能连续流动，压力能相互传递的渗流体系的范围［16］。子洲气田上古生界储层致密、纵横向非均质性强，储层在平面上的连通性差，造成现今气田多个压力系统并存。

表2 鄂尔多斯盆地东部上古生界地层压力Table 2 Formation pressure of the Upper Paleozoic in the eastern Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地东部上古生界压力系数与海拔关系Fig.2 Pressure coefficient vs.sampling altitude of the Upper Paleozoic in the eastern Ordos Basin

图3 子洲气田压力系统划分示意图Fig.3 Schematic diagram showing the partition of the pressure systems in Zizhou gas field

根据子洲气田井筒静压力资料，计算出气层压力梯度为1.6 MPa/km。根据压力梯度曲线法，子洲气田山2段可初步划分为多个压力系统(图3)。气田内单个压力系统分布面积小，压力系统之间互相分隔、互不连通。

3 现今地层压力成因

沉积盆地中古压力研究是当前难点，目前用于恢复地层古压力的方法主要有压实曲线法、流体包裹体法和数值模拟方法等3 种。压实曲线法主要适用于由压实不均衡形成的超压，流体包裹体法适用于恢复储层中油气充注时的古压力。根据盆地流体包裹体分析测试结果［9，17-18］，盆地东部早白垩世末期上古生界地层压力系数为1.14～1.66，古地层压力约为47～56 MPa，现今地层压力分布主要有以下3 方面的原因。

3.1 地层温度下降引起压力降低

鄂尔多斯盆地自中生代以来经历了4 期不均匀抬升和地层剥蚀事件［19］，其他3 个时期的剥蚀强度相对较弱，白垩纪末期的地层剥蚀事件最为强烈，该期地层抬升剥蚀致使地层温度大幅降低。

根据子洲气田5 口井山2 段的实测地层温度资料，现今地温梯度平均值为28.4 ℃/km。盆地东部山2 段中部现今埋深约2 274.50～3 049.00 m，平均为2 702.75 m;相应的地层温度范围为74.6～96.6 ℃，平均为86.8 ℃。

鄂尔多斯盆地中生代晚期存在一期构造热事件，古地温梯度高达33～45 ℃/km［20-21］。根据盆地流体包裹体分析测试结果［22-24］，盆地东部最大埋深时期山2 段地层均一温度为130～170 ℃。从早白垩世末至今，研究区山2 段地层温度约降低55～73 ℃。

依据盆地东部山2 段27 个天然气样品的平均气体成分，计算得出拟临界温度Tpc为194.27 K，临界压力ppc为4.64 MPa，山2 段其他高压物性参数见表3。假设不存在气体的充注和散失，且忽略天然气体积变化，根据真实气体的状态方程，计算得出研究区温度降低引起的压力下降幅度Δp 为8.6～11.1 MPa，占整个压力降幅的32%～40%，温度降低是引起的气体压力降低的重要原因。

式中:Δp 为温度下降导致的压力降低值，MPa;p古为早白垩世末期的地层压力，MPa;Z今、Z古为现今、早白垩世末期的气体偏差系数;T今、T古为现今、早白垩世末期的地层温度，K。

3.2 天然气散失引起压力降低

气藏形成是天然气聚集与逸散的一个动态平衡过程。地层抬升剥蚀抑制了生烃过程，导致天然气生成速率低于散失速率，地层压力释放速率大于增长速率。

表3 鄂尔多斯盆地东部山2 段高压物性参数Table 3 PVT data of the 2nd member of the Shanxi Fm.in the eastern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地米脂气田南侧断裂带裂隙中充填有富含天然气包裹体的方解石脉，而含天然气包裹体的方解石脉热释光年龄为新生代，而且天然气包裹体气体与米脂气田同属于煤成天然气［25］。鄂尔多斯盆地在后期改造过程中，盆地中北部气田中成熟度较高的上古生界天然气向北运移并散失，使红色砂岩在还原性流体作用下将铁还原转移或以黄铁矿的形式沉淀，从而形成了盆地东北部延安组砂岩的漂白现象［26］。富含天然气包裹体的方解石脉和砂岩漂白均是天然气逸散的良好证据。

盆地东部上古生界砂岩包裹体形成时期恢复的古流体压力，可看作成藏时期的储层古压力，由此可计算出储层总的剩余压力。另外，根据研究区单井压实曲线通过平衡深度法可以计算欠压实作用产生的剩余压力。由于储层剩余压力主要是欠压实和生烃增压共同作用的结果，因此生烃增压作用产生的剩余压力即为储层总的剩余压力和欠压实作用产生的剩余压力之差(表4)。由于地层抬升剥蚀抑制了生烃过程，因此扩散导致的压力降低即把生烃增加的压力释放，因而盆地东部气田山2 段扩散压力降幅最高会达5.3～8.2 MPa，占整个压力降幅的20%～30%，天然气聚散平衡的改变是压力下降的重要原因。

3.3 埋深和天然气富集程度导致压力系数差异性分布

地层压力出现负压、正常压力还是异常高压受多种条件影响，主要取决于储层与周围的连通情况［11］。Barker 认为隔离的刚性体，其压力系数随埋藏过程而降低。在研究区盆地东部，上古生界压力系数与埋藏深度呈现良好的负相关性(图4)。盆地东部地形起伏大，子洲气田、榆林气田山2 段地层压力系数和补心海拔也呈现良好的负相关性(图5)，同样显示了地形(实际上也是埋深)的差异性对压力系数的影响。以子洲气田山2 段为例，10 口井平均地层压力为23.54 MPa，平均埋深2 500 m，压力系数为0.96。若地层埋深增加100 m，计算压力系数为0.92，降低了0.04。

对于整个鄂尔多斯盆地而言，上古生界现今地层压力系数东部高、西部低，与现今地层埋深密切相关。早二叠世晚期，受海西构造活动影响，南、北差异升降显著，南、北相带分异增强［27］。沉积格局东、西差异消失，下石盒子组现今地层厚度东西向差异小于10～20 m，表明下石盒子组沉积时期东、西埋深差别不大。现今盆地西部盒8 段地层埋藏深度比东部深1 100～1 200 m，主要缘于早白垩世末期盆地西部抬升剥蚀量比东部小800～1 000 m［28］以及上覆地层沉积厚度约200～300 m 的差异。尽管鄂尔多斯盆地西部地区压力比东部高约8～9 MPa，由于现今地层埋藏深度东部浅，导致压力系数东部比西部高(表5)。

表4 鄂尔多斯盆地东部上古生界储层最大埋深时期剩余压力Table 4 Residual pressure distribution of the Upper Plaleozoic reservoirs during the maximum burial depth period in the eastern Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地东部上古生界压力系数与埋深关系Fig.4 Pressure coefficient vs.sampling depth of the Upper Paleozoic in the eastern Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地东部地层压力系数和补心海拔关系Fig.5 Pressure coefficient vs.bushing elevation in the eastern Ordos Basin

表5 鄂尔多斯盆地不同地区盒8 段高压物性参数对比Table 5 Comparison of PVT data of in 8th member of the Lower Shihezi Fm.in different areas of the Ordos Basin

图6 鄂尔多斯盆地不同气田现今地层压力系数和无阻流量关系Fig.6 Present pressure coefficient vs.open-flow capacity in different gas fields of the eastern Ordos Basin

天然气作为一种流体，同时也是地层能量的补给来源，一般来说天然气越富集地层压力系数越高。实际资料证明，子洲气田和榆林气田主要储层山2 段现今地层压力系数和无阻流量之间存在良好的正相关性(图6)。总体上，埋深和天然气富集程度的差异都会引起气田内压力系数的不同。

4 结论

1)鄂尔多斯盆地东部上古生界现今地层压力存在异常低压、正常压力和异常高压3 种类型，以常压压力类型占优势。盆地内白垩系、三叠系均显示负压特征，上古生界地层压力系数随深度的增加而降低。子洲气田山2 段多个压力系统并存，压力系统之间互相分割、互不连通。

2)盆地东部从早白垩世末到现在温度大约降低55～73 ℃，温度降低引起的压力下降占整个压力降幅的32%～40%，是压力降低的重要原因;天然气散失引起压力降低占整个压力降幅的20%～30%。尽管盆地东部压力下降幅度大，由于现今地层埋藏深度浅，压力系数比盆地西部高。气田内地形和天然气富集程度的差异也会导致气田内地层压力系数各异。

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