零水势面的确定与地层压力体系的划分——以鄂尔多斯盆地延安气田为例

韩晓洁 范昌育 高 潮 张丽霞 尹锦涛 王成达 王 宁

1.大陆动力学国家重点实验室 2.西北大学地质学系

3.陕西省陆相页岩气成藏与开发重点实验室（筹） 4.陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院

0 引言

零水势面是一个假想的流体等势面，零水势面上的流体压力均为零[1]。如果某处的零水势面高于地表，则该处地下水可以自然喷出。零水势面的海拔等于静水压力对应水柱的顶部高度[2]。常用方法在计算静水压力时，一般是从地表起算的[3-6]，但这种方法仅适用于水势面与地势相差不大、承压水层相互连通的情况[7]。在我国西部盆地，地形起伏较大，承压面低于地表，导致地层压力偏低，但又并非真正意义上的低压，只是由于计算方式不同（起算深度是否等于地表）造成[8]。

在盆地流体动力学的研究过程中，零水势面的重要性已被前人所提及，但对其准确识别这一难题依然未得到解决[7-8]。水文地质中，将地下某一深度的水势称为水头，零水势面即是水头等于0的面[9]。零水势面可由地下水位监测获得，主要以测钟、电感应测头、压力传感器等自动检测仪来监测和读取[10]，但水位监测在实际应用中存在诸多问题，例如监测点分布不合理；监测频率不尽科学；监测手段落后及监测井网不能应对地下水动态的影响等问题[11-13]。此外，油气藏的勘探开发中，对区域水文地质的研究常被忽略，相关资料匮乏。

鄂尔多斯盆地东南部延安气田的陆相页岩气资源量丰富[14]。截至2017年底，已经完钻页岩气井66口，已提交三级页岩气地质储量为1 654×108m3，其中探明页岩气地质储量为534×108m3。延安气田云页平3井在下二叠统山西组一段页岩层的试气产量取得了重大突破，进一步证实了鄂尔多斯盆地东南部页岩气有较大的勘探开发潜力。山西组作为延安气田陆相页岩气的主力勘探层位，与南方海相高压页岩气层的不同之处在于储层的非均质性强、发育异常低压等[15-17]，给页岩气的勘探开发带来了诸多困难。

为此，笔者以延安气田为例，提出了利用开放体系下的压力测试资料求取零水势面分布的确定方法，并将该方法应用于延安气田山西组地层压力体系分析，以期为正确认识页岩气压力系统及页岩气的勘探开发提供了科学依据。

1 零水势面的确定方法

根据流体力学基本原理可知，地下任意深度点的流体势能等于该点的位能和压能之和（图1）。在静水压力体系下，任一深度点的流体势计算公式[18]为：

式中ρ表示流体密度，g/cm3；g表示重力加速度，取值为9.8 m/s2；z0表示任意点对应的零水势面海拔，m；z表示任意点的海拔，m；h表示零水势面到任意点的静水柱高度，m。

任意点的压能即为该点的测试流体压力，即

式中p表示任意点的流体压力，MPa。

由式（1）和式（2）可得到零水势面的海拔为：

由此可知，只要测压点处于地层开放体系，地下水互相连通，实测压力即为对应深度的静水压力。利用该实测压力，由式（3）可以计算出该点的零水势面海拔。

2 静水压力体系的识别

当盆地持续沉降时，在连续沉积的地层中，可利用泥岩综合压实曲线（泥岩的声波时差、中子孔隙度、电阻率及密度测井曲线）来反映地层的压实和启闭情况[19]。欠压实作用会导致声波时差、密度、中子孔隙度以及电阻率等发生改变，在测井曲线上，具有在同一个深度形成拐点的响应规律[20-21]。沉积过程中，当泥岩测井数据随埋深呈规律性变化时，表明地层处于正常压实层段。此时孔隙流体可以自由排出，流体压力沿静水压力曲线由O点增加至B点（图2-a），反映出相对开放的流体压力体系[22-23]，此时声波时差与埋深具有式（4）的指数关系；当测井曲线出现拐点时，趋势突变，沉积过程中地层压实作用减弱甚至停止，孔隙度的降低滞缓。此时声波时差值基本不变，孔隙流体无法有效地排出，流体压力由A点至B′点快速增大，反映出相对封闭的压力体系（图2-b）。

式中Δt、Δt0分别表示任意埋深点和地表的声波时差，μs/m；c表示压实系数；H表示任意点的埋深，m。

式（4）也可表示为：

式中a、b表示经验系数。

当盆地经历构造抬升时，地层孔隙会发生回弹，地层压力降低，测井曲线也会发生相应的变化[24]。在原正常压实层段，孔隙回弹以及压力降低引起流体吸入。在地层抬升剥蚀he厚度的过程中，地层压力沿着静水压力曲线由C点降低至D点（图2-c）；在原欠压实层段，抬升初期，由于上覆负荷的减小，过剩压力由C′点迅速降低至E点（图2-d），此时有效应力不变，孔隙未发生回弹，声波时差不变。当流体压力降低至静水压力E点时（图2-d），地层欠压实作用结束，此时上覆负荷的持续减小会导致有效应力继续降低，此时孔隙发生回弹，声波时差增大，但由于流体无法及时吸入增大的孔隙体积内，导致孔隙压力由E点降低至D′点，此时流体压力会向右偏离出静水压力曲线，形成压力负异常（图2-d），此时地层维持相对封闭的压力体系。因此，构造抬升未影响测井曲线上拐点的位置以及地层的封闭性。通过读取现今泥岩的测井曲线，可识别开放体系地层，继而通过开放体系下的实测流体压力数据，利用式（3）计算水势面的海拔。

3 延安气田零水势面分布及压力体系划分

3.1 零水势面分布特征

通过对延安气田分布均匀的57口井进行泥岩测井曲线绘制结果分析，发现在上三叠统延长组一段（以下简称长1段，T3y1）至延长组六段（以下简称长6段，T3y6）的地层声波时差和中子孔隙度具有随埋深逐渐减小、密度和电阻率逐渐增大的趋势，反映出长1段至长6段地层为开放体系；延长组七段（以下简称长7段，T3y7）发育大段泥页岩，地层排水受到限制，测井曲线发生偏转，声波时差等突然增大，密度开始减小，反映出长7段下部地层为相对封闭的压力体系（图3）。此外，利用PetroMod盆地模拟软件对延安气田的地层埋藏压实情况进行了模拟，在不考虑生烃等其他产生地层过剩压力因素的情况下，模拟结果（图4）显示延安气田长7段地层具有一定的过剩压力，说明地层发生了欠压实。王震亮等[7]认为在延长组中段地层开始发生欠压实；姚泾利等[25]也提出在延长组的长7段开始出现超压。均表明长7段为压力体系的分界处，上部长1至长6段地层为静水压力体系。

整理分析延安气田的钻井压力数据，筛选出长6段及以上地层（开放体系）的流体压力，通过式（3）计算得到零水势面海拔，绘制延安气田地表及零水势面三维分布图（图5）。延安气田地表海拔起伏较大，在研究区西南部P177井—NJ2井、中部H42-3井—东部DT009井一带海拔较高；在研究区东南部Y275井区、东北部的Y328井区海拔较低，最低至900 m（图5-a）。零水势面的海拔变化较为平缓，具有一定规律。在南部N228井—N179井一带海拔较高，超过1 100 m，在北部Y328井区附近海拔较低，仅有680 m，整体上具有由西南部向其他方向降低的趋势，向北部的降低幅度和速度最快（图5-b）。对比地表与零水势面的分布发现，与地表相比，零水势面的变化相对平缓，其海拔多低于地表海拔，虽然由西南至东北的降低趋势相似，但零水势面与地表的分布并不一致。

3.2 地层异常压力体系分布特征

利用零水势面计算地层静水压力，结合实测流体压力，得到山西组现今地层压力体系的分布（图6）。在相对封闭的体系内，流体的排出受限、孔隙的回弹以及温度的降低等均会导致流体压力降低至异常低压[24]。封闭性较好的山西组地层在经历了构造抬升等降压作用之后，现今主要发育异常低压，异常压力具有由西北至东南逐渐减小的趋势，其低压异常值最小为－8.27 MPa，在西北部地区附近发育小幅度超压，过剩压力介于0～2.19 MPa。

鄂尔多斯盆地上古生界异常低压主要由构造抬升作用造成[6]，盆地在沉积历史中曾遭遇多期构造抬升和沉积间断，中新生代以来盆地主要经历了三叠纪末、中侏罗世末、侏罗纪末和早白垩世末4期构造抬升事件[26-28]，其中早白垩世末期构造抬升最为强烈，对鄂尔多斯盆地地层压力的演化产生了重要的影响[29]。笔者利用地层对比法，在研究区建立数条剖面，以盆地中西部剥蚀厚度较小的井作为基准井[30]，根据剖面上地层沉积的演化规律计算地层剥蚀量，并使所有井的计算厚度达到闭合，最终编制成研究区的地层剥蚀厚度分布图（图7）。延安气田地层剥蚀厚度变化趋势明显，剥蚀量由北西至南东逐渐增大，地层剥蚀厚度介于1 460～1 775 m。

异常压力的形成与地层的抬升剥蚀有关，地层剥蚀厚度越小，流体压力的降低量越小（图2-d）。研究区西北部剥蚀厚度较小，由于抬升未达到欠压实的结束深度，地层依然发育一定的超压（图7）；在研究区东南部，剥蚀厚度较大，地层抬升至欠压实结束深度以上，形成异常低压，且随着剥蚀厚度的逐渐增大，异常压力值越来越小（图6、7）。

3.3 零水势面确定的地质意义

零水势面起算的异常压力结果显示，在埋深为2 300 m以浅时，地层发育异常低压，异常压力随埋深的增大而增大；在埋深2 300～2 600 m发育微小超压，压力变化无规律；在埋深为2 600 m以深时，发育异常低压，异常压力随埋深而减小。对比地表起算与零水势面起算的流体压力异常值，发现在同一深度，由地表起算的压力均为负异常，最小低至－9.00 MPa，其值比零水势面起算的要小，存在0.07～3.57 MPa的压力计算误差；埋深在2 300 m附近时，地表起算的流体压力较小，部分井发育的超压被误认为异常低压；埋深在2 600 m以深时，地表起算形成的压力误差随埋深的增大而增大（图8）。

延安气田由地表起算的异常压力形成了一定的误差。埋深较小时，误差相对较小；埋深增大时，误差也随之增大，且会导致压力体系的误判。因此，在地表起伏相对较大的区域，零水势面的求取非常必要。

在抬升剥蚀过程中，由于地层温度和压力的降低会导致岩石、岩石孔隙和孔隙流体的体积发生变化，压力的降低可以用式（6）[24]表示。其中，地层泊松比、流体压缩系数、孔隙回弹系数以及剥蚀地层的密度等与剥蚀厚度的关系较小，降压量及异常低压的大小主要受地层剥蚀厚度的控制，二者应具有一定的相关性，即

分析发现，零水势面起算结果与地层剥蚀厚度的相关性相对较好，判定系数为0.62（图9-a）；地表起算结果与剥蚀厚度的相关判定系数仅0.42（图9-b）。表明地表起算异常压力时误差大，零水势面起算的异常压力更符合地质实际。

4 结论

1）延安气田零水势面与地表并不重合，多分布于地表之下。

2）零水势面起算结果显示延安气田山西组地层多为异常低压，分布于埋深2 400 m以浅和2 600 m以深异常压力由西北至东南逐渐降低；在西北部分布小幅度超压，过剩压力最高为2.19 MPa，埋深介于2 300～2 600 m。

3）由地表起算的异常压力的误差值介于0.07～3.57 MPa，埋深在2 600 m以深时，地表起算形成的压力误差随埋深的增大开始增大。

4）剥蚀厚度与零水势面起算的异常压力相关性更好，表明零水势面起算的异常压力更符合地质实际。