鄂尔多斯盆地南部上古生界泥岩盖层封闭性能评价

石鸿翠，江晨曦，孙美静，廖宗宝，程国秀，齐同胜

（1.中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；2.浙江大学地球科学系，浙江 杭州 310027；3.中海油研究总院，北京 100027）

鄂尔多斯盆地是中国第2大含气盆地，目前上古生界的气田多集中在盆地北部，如苏里格气田、乌审旗气田、榆林气田、大牛地气田、米脂气田、神木气藏等[1]。南部地区在富古1、富古4及耀参1井奥陶系见天然气流，在建1、鄂铜1井奥陶系见气显示，仅在镇探1井上古生界获工业性气流。因此，加强南部地区的勘探具有重要意义。盖层是烃类聚集的必要条件，其封闭性能直接影响气藏的形成、规模及其保存条件[2]。尽管前人对鄂尔多斯盆地做了大量研究[1，3-12]，但主要是关于盆地构造演化、沉积相与储层及天然气成藏特征方面，对盆地盖层封闭性能与油气聚集关系的研究很少，而对盆地南部泥岩盖层封闭性能的系统评价至今仍是空白。为此，笔者尝试从盖层的宏观发育特征、成岩及封闭性演化、微观封闭能力3个方面进行分析并提出相应的分类评价标准，对鄂尔多斯盆地南部山西组、上石盒子组、下石盒子组及石千峰组泥岩封闭性能进行评价，以期为上古生界的天然气勘探提供参考和依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘，是一个大型多旋回克拉通盆地，在太古代陆核地块的基础上，经历了中晚元古代克拉通拗拉谷、早古生代浅海台地、晚古生代滨海平原、中生代内陆盆地、新生代周边断陷5个构造—沉积演化阶段[4，13]。研究区位于鄂尔多斯盆地南部，东侧与晋西挠褶带相接，西侧与天环坳陷相连，涉及伊陕斜坡和渭北隆起2个构造单元。

在早古生代陆表海沉积后，研究区受加里东运动影响而隆升，遭受约140 Ma的风化剥蚀。晚石炭世进入海陆交互阶段，沉积了含煤碎屑岩及灰岩、泥灰岩建造，形成中上石炭统海相碳酸盐岩气源岩、本溪组古风化壳区域盖层和太原组局部盖层；早二叠世山西组沉积时期海水退出，发育河湖相含煤建造和三角洲沉积，形成上古生界的石炭系—二叠系煤系气源岩和良好的区域盖层。早二叠世末期北部地区隆升，南北差异升降加剧，南部地区湖侵范围增大，发育辫状河、三角洲和稳定的湖泊相泥岩沉积[11]。泥岩分布面积广、厚度大、横向连续性好、岩性纯，形成石盒子组和石千峰组重要的区域性盖层。南部地区上古生界具有良好的烃源条件及储盖组合，勘探潜力巨大。

2 宏观评价参数

2.1 厚度

盖层厚度是决定其宏观展布范围的重要指标。厚度越大，表明沉积环境在区域上越稳定，泥岩被断裂破坏的可能性越小[14]，微渗漏空间不易沟通，从而抑制了烃类的运移散失速率，使其在漫长的地质演化过程中得以聚集保存。鄂尔多斯盆地自早二叠世进入南北隆坳分区的演化阶段，发育陆相湖泊—三角洲沉积体系，泥岩在上古生界各层系中广泛分布，但厚度有一些差别（图1）。山西组（P1s）泥岩累积厚度最小，一般小于100 m，北厚南薄。下石盒子组（P1x）泥岩累积厚度约为40～120 m，在庆阳—富县—宜川一线以北厚度较大，以南厚度较小。上石盒子组（P2s）沉积时期，厚层泥岩的分布范围向研究区的西部和南部扩展，普遍大于65 m，较薄泥岩分布在彬县—铜川—富县—宜川一线以南及以东地区。石千峰组（P2sh）沉积时期，南北差异升降加剧，南部湖盆面积更加广泛，泥岩厚度加大，最大可达200 m，其中富县、延安、铜川及宜川地区泥岩厚度均在135 m以上。从山西组到石千峰组，泥岩累积厚度高值由研究区的北部向西部、南部和东部迁移，厚度分布格局由南北差异变为东西差异，这可能与早二叠世秦岭微板块向华北板块由东向西聚俯冲及晚二叠世西缘贺兰拗拉槽萎缩聚敛有关。

2.2 成岩阶段与封闭性演化

成岩作用控制着孔隙度、比表面等参数的变化，影响烃类演化、粘土矿物组成和排列方式，与泥岩封闭性密切相关。通过分析盆地地层埋藏史、热演化史、孔隙度演化史，并参照前人对盆地成岩演化序列及泥岩封闭性演化的研究[3，15-18]，归纳了鄂尔多斯盆地南部上古生界泥岩成岩阶段与封闭性演化模式（图2）。早成岩A阶段地层埋深小于900 m，孔隙度大于20%，基本上不具备毛细管封闭能力。进入晚成岩A1阶段，泥岩处于固结状态，孔隙度降低到10%以下，伊蒙混层中蒙脱石含量约为35%～50%，除具有较强的毛细管阻力外又兼备很强的塑性与膨胀性，封闭性最好。晚成岩A2亚段，伊利石含量进一步增加，同时蒙脱石分解产生的镁、铁离子促进高岭石向绿泥石转化，绿泥石含量增加，泥岩的膨胀性与塑性减弱，封闭性能降低。晚成岩B阶段开始，古地温大于170℃，镜质组反射率（Ro）大于1.3%，泥岩进入高演化阶段。传统研究认为，泥岩在晚成岩A2期以后趋于致密化和脆化，封闭性能变差。然而，油气勘探实践证实，高演化泥岩仍可以成为气藏的有效盖层[19-20]。不少学者通过实验证明[21-22]，随着围压增加，岩石的塑性变形阶段增长，泥岩在高温高压情况下，不是塑性降低，而是向塑性转化，封闭能力增强[23]。鄂尔多斯盆地南部上古生界泥岩Ro值普遍大于1.3%，除西缘逆冲构造带和晋西挠褶带在后期遭受强烈构造挤压外，内部构造简单，泥岩脆性破裂的可能性小，推测其封闭性能较好。晚成岩C阶段以后，Ro值大于2.0%，伊蒙混层矿物消失，泥岩逐渐向极低变质作用转化，抗张剪性变差，封盖性能变差。

图1 鄂尔多斯盆地南部泥岩厚度等值线分布Fig.1 The contour maps of mudstone thickness in south Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地南部上古生界泥岩成岩阶段与封闭性演化模式Fig.2 Diagenesis stage and sealing capability evolution mode of mudstone in the Upper Paleozoic，south Ordos Basin

鄂尔多斯盆地热史和埋藏史资料表明，盆地在早白垩世发生一次明显的构造热事件[15，24-26]，早白垩世末期全盆隆升遭受剥蚀[27]。盆地古地表温度取值为20℃，根据恢复的早白垩世末期地层剥蚀量和古地温梯度，结合南部地区泥岩成岩演化模式，对上古生界泥岩在中生代晚期最大古埋深、古温度及成岩演化程度的研究结果表明，南部渭北隆起的淳探1、永参1、耀参1等井区泥岩演化程度最低，处于晚成岩A2早期和晚成岩A2中晚期。山西组泥岩演化程度较高，大多已达到晚成岩C阶段。石盒子组泥岩在整个研究区演化程度较一致，一般为晚成岩B期。石千峰组泥岩演化阶段范围较广，在庆阳—富县—延安所围限的范围之内为晚成岩A2—晚成岩B期或晚成岩B期，其他地区为晚成岩A2晚期（表1）。

表1 鄂尔多斯盆地南部早白垩世末期地温梯度、地层剥蚀量及泥岩演化程度Table1 Geothermal gradient and strata erosion and mudstone evolution in Late Early Cretaceous，south Ordos Basin

3 微观评价参数

3.1 孔隙度与渗透率

孔隙度与渗透率是反映盖层微观封闭性能的重要参数。孔隙度越小，孔喉半径越小，渗透率越低，毛细管力越大，盖层封闭性越好；反之，封闭性越差。由于实测岩心数据较少，不能满足整个研究区上古生界泥岩的孔隙度、渗透率研究。为此，利用测井声波时差建立孔隙度解释模型并对实测孔隙度与渗透率进行拟合，得到未取心层段的孔隙度和渗透率，进而对其分布特征进行分析。上古生界泥岩孔隙度一般为0.01%～3.8%，渗透率为0.005×10-3～0.025×10-3μm2。整体来看上石盒子组泥岩孔隙度较高，平均为0.96%，最大可达3.85%。其次为下石盒子组和山西组，两者孔隙度分布范围相近，平均为0.7%，最大值约为2.5%，最小值约为0.15%。石千峰组泥岩孔隙度最小，平均为0.68%，最小值低于0.01%。渗透率的变化规律与孔隙度相似，上石盒子组泥岩渗透率整体较高，平均为0.013×10-3μm2，最高达0.035×10-3μm2，其他3个组的渗透率均较小，最大值约为0.024×10-3～0.027×10-3μm2。

3.2 突破压力

盖层综合评价中，突破压力作为衡量毛细管封闭能力的尺度，一直是研究和应用的重点[28]。通过实测突破压力与声波时差的函数关系计算出研究区各单井泥岩段的突破压力后，便可得到突破压力的垂向分布（图3）。从图3中可以看出，鄂尔多斯盆地南部地区上古生界泥岩突破压力总体变化规律为西高东低、北高南低，且东西向突破压力的降低速率要大于南北向。不同井及不同地区的泥岩突破压力不同。以富古1井为界，研究区的西部即天环坳陷和伊陕斜坡的西部突破压力相对较高，主要为15～20 MPa，局部达到20 MPa以上，其次是北部延安地区，突破压力一般为10～20 MPa。富县地区和渭北隆起除少数几口井在局部表现出高值外，总体突破压力较低，一般小于15 MPa。

纵向上各组泥岩的突破压力分布存在差异。山西组、下石盒子组及石千峰组泥岩突破压力除在渭北隆起区的耀参1、淳探1和黄深1井附近为5～15 MPa外，一般大于15 MPa，其中石千峰组和下石盒子组局部压力大于20 MPa。而上石盒子组、石千峰组中下部、下石盒子组上部及山西组部分泥岩的突破压力普遍较低，一般小于10 MPa。

图3 鄂尔多斯盆地南部泥岩突破压力垂向分布Fig.3 Vertical distribution of mudstone caprock breakthrough pressures in the Upper Paleozoic，south Ordos Basin

正常情况下，随着深度增加，泥岩的压实成岩作用增强，毛细管力增大。如果不均衡压实、水热增压、粘土矿物脱水或烃类的大量生成使孔隙流体没有及时排出，就会在泥岩内部形成异常高压[29-31]，岩石孔径增大，突破压力出现低值。晚三叠世—早侏罗世盆地快速沉降[1，32]，较高的沉积沉降速率、较大的沉积厚度，使泥岩在叠加压实过程中排液受阻，石盒子组及石千峰组下部形成明显的非均衡压实带[33-34]。早白垩世鄂尔多斯盆地岩石圈深部热活动增强，受秦岭造山带陆内俯冲的影响，盆地南部特别是富县—黄陵—宜川—延安一带成为主要的热演化异常区[15，35]，构造热异常使水热增压、粘土矿物转化脱水，加大了流体异常压力。早二叠世山西组沉积时期为海陆过渡相至陆相的三角洲平原和湖沼相泥岩、煤及炭质泥岩沉积，有机质丰度高。早白垩世的构造热事件，使煤系烃源岩迅速升温，达到生气高峰，烃源岩生气增压，形成山西组泥岩内部古高压。因此，自三叠世开始，上古生界泥岩便发育过剩压力[36]，上石盒子组及石千峰组、下石盒子组和山西组局部受超压影响，突破压力不按正常埋深规律变化，而是出现低值。

4 封闭性能评价

根据5个评价参数不同取值范围对泥岩封闭性能的影响程度进行等级划分，并将其由好至差赋予4，3，2，1的权值（表2），再根据5个参数对盖层封闭性能的贡献，对其进行权重分配；然后将各评价参数的权值与权重分别相乘再求和，得到泥岩封盖性能评价的总权值；并规定总权值大于3.0的盖层为Ⅰ类盖层，总权值为2.5～3.0的为Ⅱ类盖层，总权值为2.0～2.5的为Ⅲ类盖层，总权值小于2.0的为Ⅳ类盖层。

通过对研究区19口井泥岩封闭性能评价参数的处理，并参考李国平建议的标准[37]，采用突破压力大于等于0.5 MPa、泥岩厚度大于等于5 m作为有效厚度下限，对盆地南部山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组底部泥岩封闭性能进行了综合评价（图4）。石千峰组泥岩Ⅰ类盖层发育，封闭性能最好；上石盒子组泥岩Ⅳ类盖层分布广泛，封闭性能最差；下石盒子、山西组泥岩除在局部发育Ⅰ类盖层外，以Ⅱ类、Ⅲ类盖层为主。石千峰组泥岩厚度大，微观封闭能力强，特别是在镇探1、黄深1井区，综合评价权值达到3.5，而研究区的北部和宜2、耀参1井区，尽管泥岩发育，但微观封闭能力小，且处于晚成岩A2晚期，泥岩的封盖性能偏差。上石盒子组泥岩由于发育异常压力，在整个上古生界泥岩中表现出孔隙度、渗透率最高，突破压力最低的特征，除在研究区的西部和南部发育Ⅱ类盖层外，物性封闭性能普遍很差。下石盒子组不同类型泥岩盖层的分布区与上石盒子组相反，在研究区的西部和南部分布Ⅳ类盖层，而北东方向发育Ⅰ类、Ⅱ类盖层。山西组不同封闭性能的泥岩分布与成岩程度和突破压力有较好的一致性，达到晚成岩C阶段的泥岩为Ⅲ类、Ⅳ类盖层，处于晚成岩B阶段且突破压力较大的泥岩发育Ⅰ类、Ⅱ类盖层。镇探1井区的山西组泥岩发育Ⅰ类盖层，泥岩封闭性能强，这可能是在镇探1井山1段获工业性气流的重要原因。

表2 鄂尔多斯盆地南部泥岩盖层封闭性能评价标准Table2 Evaluation standard of sealing capability of mudstone caprock in south Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地南部泥岩封闭性能综合评价Fig.4 Comprehensive assessment of sealing capability of mudstone in south Ordos Basin

5 结束语

对盖层封闭性能的评价既考虑了盖层宏观发育特征、不同成岩阶段泥岩封闭性演化的定性特征，又对盖层微观封闭性参数做了定量分析，是综合评价盖层行之有效的方法。鄂尔多斯盆地南部石千峰组泥岩厚度大，微观封闭能力强，Ⅰ类盖层发育，封闭性能最好；上石盒子组泥岩由于发育异常压力，孔隙度、渗透率高，突破压力小，Ⅳ类盖层分布广泛，物性封闭能力最差；下石盒子组泥岩在研究区的西部和南部分布Ⅳ类盖层，北东方向发育Ⅰ类、Ⅱ类盖层；山西组达到晚成岩C阶段的泥岩为Ⅲ类、Ⅳ类盖层，处于晚成岩B阶段且突破压力较大的泥岩发育Ⅰ类、Ⅱ类盖层。工业性气流井分布在好的盖层区内，封闭性评价结果与勘探实践相匹配，可以为南部地区的油气勘探提供参考。

由于对研究区泥岩的封盖性评价尚属于初步尝试，还存在着不足，如高演化泥岩在地层抬升后可能会因围压减小而产生破裂，泥岩封闭性演化模式还有待进一步证实和完善；超压是非常重要的天然气封盖机理，盖层超压与毛细管力的综合封闭能力还有待进一步研究。

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