陕北斜坡东部上古生界过剩压力对气藏的控制作用

周晓星（山东科瑞石油工程技术研究院，山东东营　257067）

陕北斜坡东部上古生界过剩压力对气藏的控制作用

周晓星
（山东科瑞石油工程技术研究院，山东东营257067）

通过对泥岩曲线压实特征的研究，结合气藏的分布，探讨陕北斜坡东部上古生界过剩压力对气藏的控制作用。研究区上古生界泥岩普遍存在着的异常过剩压力，其主要分布在本溪组-石千峰组下部地层，且在上石盒子组达到最大过剩压力值。在此基础上，分析了陕北斜坡东部上古生界过剩压力与气藏的关系，认为研究区的泥岩地层普遍存在的过剩压力为烃类的运移提供了动力；异常高压产生的微裂缝和渗透性的厚层砂体是烃类运移的主要通道；天然气向上运移的主要障碍来自上覆盖层（上石盒子组）的毛细管力和异常压力以及因物性发生变化带来的联合封闭；异常压力幅度最大处构成纵向封闭边界，造成天然气主要在本溪组、山西组和下石盒子组（盒8）聚集成藏。

过剩压力；气藏；上古生界；陕北斜坡

研究区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡的东部，在早古生代，盆地广泛发育海相沉积，后期由于受到加里东运动的影响，盆地整体抬升并遭受风化剥蚀，致使晚奥陶系-早石炭系地层缺失［1-3］。到晚石炭世，在海西运动的作用下，盆地再度发生沉降并开始接受沉积，进入了由海向陆过渡的发展阶段。鄂尔多斯盆地上古生界地层从下向上发育石炭纪本溪组，二叠纪太原组、山西组、石盒子组、石千峰组［4-6］。本溪组、太原组和山西组的煤层及炭质泥岩是主要的烃源岩；本溪组、山西组和下石盒子组砂岩发育，为天然气的储集提供了良好的空间；上石盒子组发育大套泥岩，平均厚度为40多米，在研究区分布广泛，形成了封闭性能好的区域盖层。研究区良好的生储盖组合关系，使得天然气在本溪组、山西组和下盒子组（盒8）就近聚集成藏。本文旨在利用测井及钻井资料，研究泥岩的压实特征，并通过等效深度法，对过剩压力进行计算，分析陕北斜坡上古生界过剩压力的分布规律，并结合研究区已知气藏的分布，探讨过剩压力与天然气运移、聚集的关系，预测气藏的有利富集区。

1　过剩压力的求取

1.1产生过剩压力的原因

对研究区50余口井泥岩压实曲线的分析研究表明，研究区上古生界地层从本溪组向上到石千峰组下部的泥岩都存在着欠压实现象（见图1），它是泥岩层产生过剩压力的主要原因。泥岩地层埋深不同，导致压实成岩程度不同，使其开始欠压实形成超压的埋深和超压值也不同。超压封闭的欠压实泥岩分为上、下致密层段和中间欠压实层段3个部分，上、下正常压实致密泥岩层段，将大量孔隙流体封闭在欠压实层段中，从而产生了较正常压实泥岩高的孔隙流体压力。

1.2过剩压力的求取方法

研究区的异常压力主要是在压实过程中产生的，因此可用等效深度法求取［7］。

首先在单井中读取泥岩段的声波时差值Δt，以及相应的深度值H，把lnΔt做成散点图，找出正常压实段做线性回归：

图1　陕北斜坡东部上古生界部分井单井泥岩压实曲线Fig.1 The single well mudstone compaction curve of part wells on upper Paleozoic in eastern north Shanxi slop

式中：C为常数，K为正常压实段的斜率。根据公式（1）计算正常压实段和异常压力段的等效深度H0：

对于未过转折点的压力P，其可以分为两部分，即等效静水压力和静岩压力：

式中：ρw为地层水密度，ρh为地层岩石密度。

对于过转折点的压力P0，其包括三部分，即等效静水压力、超过转折点段的静水压力和过转折点的静岩压力：

对于既有羧酸又有羟基的脂肪酸，可能发生分子内脱水与分子间脱水，比如分子内脱水产物可能为内酯、不饱和脂肪酸（共轭脂肪酸）；分子间脱水产物可能为交酯、醚或联酯。具体反映视具体情况而定。

式中：h为转折点的深度。

从过转折点的异常压力中减去静水压力，就得到了过剩压力ΔP：

在等效深度的计算中，线性回归时的相关系数应尽量大于0.75，这样可以保证等效深度计算的可靠性。

2　过剩压力的分布特征

2.1过剩压力纵向分布特征

通过对单井过剩压力的计算，绘制了研究区的过剩压力剖面。可以看出，过剩压力出现的起始层位为上二叠统石千峰组下部，过剩压力的幅度为0 MPa～30 MPa，在石千峰组和上石盒子组，过剩压力一般随深度增加而增加，最大过剩压力大多数出现在上石盒子组，压力值为20 MPa～45 MPa；最大过剩压力出现之后，在下石盒子组、山西组、太原组、本溪组，过剩压力则呈随深度增加而降低的趋势；本溪组向下的地层压力状态表现正常，其过剩压力不发育。上石盒子组高过剩压力的存在，形成了封盖能力强的区域性，其下部过剩压力不发育的层位，成为了天然气聚集的有利集区。

2.2过剩压力平面分布特征

研究区过剩压力总的分布趋势是中部过剩压力值较低，而四周的过剩压力值相对较高，即过剩压力在研究区具有中间低压区被高压区环绕的分布格局。中间的低压区成为了周围高压区泄压的有利指向区。上古生界各气层组的过剩压力平面分布特征具有明显的继承性，不同气层组过剩压力分布格局大致相似（见图2）。高压的出现主要与含气砂体被泥岩包围而未造成明显的压力释放有关。

从盒8、山2、本1、本2气藏过剩压力与含气面积的叠合图（见图2）可以看出，已勘探发现的各层系的含气分布范围大部分出现在区域过剩压力相对较低的范围内。在过剩压力的低势区，反映其物性较好，流体运移的阻力较小，附近的烃源岩能够充分泄压，从而使天然气由高势能的源岩中向低势能区运移、聚集；在低势区的周围，过剩压力逐渐变大，反映其物性较差，流体运移受阻，致使大量流体滞留，从而形成高势能区，该区不利于烃源岩的排烃，为天然气的非有利聚集区［8］。

（a）盒8 （b）山2

从过剩压力与含气面积的叠合图（以山2、本1、本2气藏为典型）可以看出，已勘探发现的各层系的含气分布范围大部分出现在区域过剩压力相对较低的范围内，两者具有较好的吻合性。在过剩压力的低势区，反映其物性较好，流体运移的阻力较小，附近的烃源岩能够充分泄压，从而使天然气由高势能的源岩中向低势能区运移、聚集；在低势区的周围，过剩压力逐渐变大，反映其物性较差，流体运移受阻，致使大量流体滞留，从而形成高势能区，该区不利于烃源岩的排烃，为天然气的非有利聚集区［8］。

图2　陕北斜坡东部上古生界现今泥岩过剩压力与气藏分布图Fig.2 The distribution of modern mudstone excess pressure and gas reservoir on upper Paleozoic in eastern north Shanxi slope

3　过剩压力对气藏的控制作用

3.1过剩压力为天然气的运移提供了动力

鄂尔多斯盆地上古生界气源岩在晚侏罗世-早白垩世，压实作用已不明显，流体排出受阻，加之生烃作用等，形成了异常高压。它为天然气的初次运移提供了动力。油气初次运移主要沿阻力最小的途径从过剩压力大的高势能向过剩压力小的低势能区方向运移。陕北斜坡东部上古生界烃源岩主要是暗色的煤系泥岩，其厚度较大，因此相比于侧向过剩压力差来说，烃源岩和相邻储集层或输导层间的垂向过剩压力差要大得多，所以天然气初次运移的方向以垂向为主。生成的天然气沿过剩压力梯度降低较快的方向向相邻储集层和输导层运移［9-10］。

图3　鄂尔多斯盆地石炭系最大埋深时古压力系数（王飞雁，2004）Fig.3 The ancient pressure coefficient at the maximum depth of Carboniferous in the Ordos basin

3.2过剩压力产生的微裂隙为天然气的运移提供了通道

鄂尔多斯盆地上古生界源岩存在着异常高压，若以压力系数1.42作为烃源岩的破裂门限值，恢复石炭系最大埋深时的古压力系数（见图3），可以看出在这一时期，陕北斜坡东部大部分地区的异常压力已大于门限值，能够产生微裂隙。这些由过剩压力产生的微裂隙与渗透性厚层砂体、小断层共同构成了天然气运移的通道。

3.3过剩压力形成的超压封闭作用阻止了天然气向上穿层运移扩散

从鄂尔多斯盆地已发现的气藏来看，其大多数集中在上石盒子组以下的层位，其上则没有发现具工业价值的气层，说明上石盒子组是较好的区域盖层。从过剩压力剖面中也可以看出，其最大过剩压力出现在上石盒子组下部的厚层泥岩段。研究区气藏形成的关键的时期为白垩纪，在此之前，上石盒子组的超压盖层已经形成，使下石盒子-本溪组形成了一个相对低势区，它为陕北斜坡东部气田的形成提供了良好的封闭保存条件，阻止了天然气向上的穿层运移。即使后期的抬升降压，也没有破坏上石盒子组盖层封闭的有效性［2，13］。目前高压封盖作用依然明显，最大过剩压力可达45 MPa，压力系数可达1.1～1.3。

3.4通过剩压力的分布来预测气藏富集的有利区

目前已发现的气藏与过剩压力相对低值区具有很好的吻合性。天然气一般是高压区向低压区运移。因此，可以通过过剩压力的分布来预测天然气的优势运移方向及气藏的富集的有利区域。

在全面了解研究区不同层系的资源前景的基础上，以钻井目的层段的试气试采资料的统计分析及开发动态资料，作为勘探目标选择和决策提供可靠的科学依据，结合对本区已有气藏成藏的特点的挖掘，进而制定了有利区块预测的量化标准。由于各种指标都具有其不确定性，在单因素、分层评价的基础上，采用了多项指标综合的办法来评价有利区块，评价中使用了砂厚指标，砂岩中泥质含量指标及泥岩过剩压力指标（见表1）。据此绘制了盒8、山2、本1、本2的天然气有利分布区评价图（见图4）。

从图4中可知，含气面积主要分布在Ⅰ类和Ⅱ类有利区，少部分分布在Ⅲ类有利区。那么可以推断，在未知区域的Ⅰ类有利区中，存在气藏的可能性非常大，可以作为勘探开发的重点目标区。

4　结论

表1　陕北斜坡东部有利区块评价指标Table1 Favorable area evaluation indicators in eastern north Shanxi slope

（1）通过单井异常过剩地层压力的恢复，分析了过剩压力在纵向上和平面上的分布特征，研究了过剩压力与典型气藏的关系，指出上古生界泥岩存在的异常过剩压力主要分布在本溪组－石千峰组下部地层，且在上石盒子组达到最大过剩压力值；从平面上可以看出，典型气藏的分布与过剩压力相对低值区有很好的吻合性，说明过剩压力低值区是天然气聚集的有利区域。

（2）分析了陕北斜坡东部上古生界过剩压力与气藏的关系，认为研究区的泥岩地层普遍存在的过剩压力烃类的运移提供了动力；异常高压产生的微裂缝和渗透性的厚层砂体是烃类运移的主要通道；天然气向上运移的主要障碍来自上覆盖层（上石盒子组）的毛细管力和异常压力以及因物性发生变化带来的联合封闭，异常压力幅度最大处构成纵向封闭边界，造成天然气主要在本溪组、山西组和下石盒子组（盒8）聚集成藏。

图4　陕北斜坡东部上古生界天然气有利分布区评价图Fig.4 The evaluation of gas distribution on upper Paleozoic in eastern north Shanxi slope

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Controlling of excess pressure of upper paleozoic in eastern north Shanxi slope on gas reservoir

ZHOU Xiaoxing
（Shandong Kerui Petroleum Engineering Technology Research Institute，Dongying Shandong 257067，China）

Through researching the compaction characteristics of the mudstone curve，combined with the distribution of the gas reservoir，to study the controlling of excess pressure of upper paleozoic in eastern north Shanxi slope on distribution of gas reservoir.Abnormal excess pressure is very prevalence in the mudstone of upper paleozoic in the study area.It mainly distributed in the Benxi formation-lower of Shiqianfeng formation，and the excess pressure value reach top in the upper Shihezi formation.On this basis，analyze the relationship between the excess pressure of upper paleozoic in eastern north Shanxi slope and gas reservoirs，and conclude that the widespread excess pressure in mudstone strata of the study area provided the impetus for the migration of hydrocarbons.Micro-cracks generated by abnormally high pressure and permeability thick sand body are the main channel of hydrocarbon migration.The capillary force of the covering layer（the upper Shihezi formation）and theabnormal pressure and the joint closed brought by the changes of physical properties prevent gas migrating upward.The place where the abnormal pressure reach top constitute longitudinal closed boundary，which make gas accumulate mainly in Benxi formation，Shanxi formation and lower Shihezi formation（He8）.

excess pressure；gas reservoir；upper paleozoic；north Shanxi slope

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.01.025

TE122.1

A

1673-5285（2015）01-0097-06

2014－11-28

周晓星，女（1989－），江苏扬州人，硕士，2014年毕业于西安石油大学，矿产普查与勘探专业，研究方向为油气开发地质学，邮箱：erinhp101@qq.com。