王 歡,王 琪,張功成,張 瑞,郝樂(lè)偉,馬曉峰

(1.中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730000;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京100049; 3.中國(guó)海洋石油研究總院,北京100027)

0 引言

蓋層是確保油氣成藏的主要條件之一,其中天然氣藏對(duì)蓋層的要求更加苛刻。由于泥巖具有較低的孔滲性,且塑性大,不易發(fā)生破裂,因此泥巖的封閉性能僅次于巖鹽和石膏,是作為優(yōu)質(zhì)蓋層的有利巖性[1-2]。目前,隨著測(cè)試手段的深入,泥巖蓋層研究方法多種多樣,但都可以歸結(jié)為對(duì)蓋層宏觀品質(zhì)和微觀封閉性的研究[3-4]。宏觀研究主要包括巖性、單層厚度、層段累積厚度以及沉積環(huán)境等,目的是確定泥巖蓋層在三維空間上的展布特征,劃分泥巖的有利分布區(qū)域[1];微觀研究的主要內(nèi)容是泥巖蓋層的物性封閉能力,主要參數(shù)包括排替壓力、滲透率、孔隙度、密度、比表面積、微孔結(jié)構(gòu)等[5]。研究發(fā)現(xiàn),排替壓力與其他參數(shù)均存在顯著的函數(shù)關(guān)系,因此通過(guò)研究排替壓力可以直接確定泥巖物性封閉能力[5]。瓊東南盆地在蓋層研究方面前人尚未做過(guò)區(qū)域性的綜合封閉性能評(píng)價(jià)。針對(duì)這一研究空白,筆者從宏觀分布以及微觀排替壓力兩方面入手,對(duì)瓊東南盆地梅山組泥巖蓋層封閉性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 地質(zhì)背景

瓊東南盆地位于海南島與西沙群島之間的海域,呈北東—南西向展布,面積約3×104km2,是發(fā)育在南海北部陸架上的新生代盆地(圖1)[6]。瓊東南盆地古近紀(jì)以來(lái)在構(gòu)造上先后經(jīng)歷了裂谷期、熱沉降期和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)3個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)階段[7]。地震解釋認(rèn)為,始新統(tǒng)中深湖相沉積是最老的地層。鉆井揭示最老的地層是裂谷期下漸新統(tǒng)崖城組,向上依次為上漸新統(tǒng)陵水組(裂谷期),熱沉降期的下中新統(tǒng)三亞組和中中新統(tǒng)梅山組,新構(gòu)造期上中新統(tǒng)黃流組、上新統(tǒng)鶯歌海組以及全新統(tǒng)樂(lè)東組(圖2)[7-8]。根據(jù)前人研究,發(fā)育于熱沉降階段的三亞組濱海、濁積扇砂巖與梅山組淺?！肷詈Ｏ嗄鄮r是盆地內(nèi)非常具有研究?jī)r(jià)值的一套區(qū)域性儲(chǔ)層與蓋層組合(圖2)[7]。

2 泥巖蓋層宏觀發(fā)育特征

2.1 沉積環(huán)境、儲(chǔ)層與蓋層組合以及泥巖分布

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.1 Tectonic Units Map of Qiongdongnan Basin

圖2 瓊東南盆地新生代地層發(fā)育特征及構(gòu)造演化階段劃分Fig.2 Diagram of the Characteristics of Cenozoic Strata and the Stages of Tectonic Evolution in Qiongdongnan Basin

瓊東南盆地進(jìn)入中新世以后,構(gòu)造背景已經(jīng)由晚漸新世裂陷晚期進(jìn)入坳陷期[9]。經(jīng)過(guò)晚漸新世較強(qiáng)烈的充填作用影響后,隆起與凹陷之間先存的地形差異大幅減小,隨著裂陷期的結(jié)束,T60界面(三亞組底界)以上斷層活動(dòng)基本趨于停止。進(jìn)入坳陷期后,盆地南、北兩緣均轉(zhuǎn)向主要由坳陷作用控制的、在寬緩地形背景下的沉積類型。到中中新世,梅山組的沉積物主要來(lái)自盆地北緣,南部除一些小型的隆起外基本不存在向盆地提供沉積物的大型物源[9-10]。根據(jù)對(duì)瓊東南盆地單井巖性資料以及地震相資料的研究,從中新世開(kāi)始,由于盆地各部位地形相繼趨緩,粗粒沉積物可延緩坡向盆地內(nèi)部運(yùn)移,因此三亞組到梅山組在單井巖性剖面上出現(xiàn)砂體增多的現(xiàn)象,同時(shí)在中央坳陷帶附近形成濁積砂體沉積。隨著相對(duì)海平面上升,梅山組沉積早期在砂巖之上沉積了一套淺?！肷詈Ｏ嗄鄮r,對(duì)三亞組頂部沉積的砂體起到了封蓋作用[10-12],其分布范圍主要包括陵水凹陷主體以及陵水低凸起南部、松南寶島凹陷主體以及松濤凸起東部和寶島凸起南部(圖3)。受地形控制,淺水區(qū)沉積物從北至南基本表現(xiàn)為由粗到細(xì)的粒度漸變,泥巖的橫向分布主要受相對(duì)海平面變化的影響,在沒(méi)有較大海平面上升的條件下,不宜形成泥巖對(duì)砂體在垂向上的覆蓋,因此相對(duì)于地形寬緩的地區(qū),在殘存的凸起部位以及中央坳陷帶與中部隆起帶之間,易形成砂、泥互層,是較為有利的勘探目標(biāo)。瓊東南盆地北部崖城凸起和南部深水區(qū)北礁低凸起周緣中新世發(fā)育生物礁,說(shuō)明兩處在這一時(shí)期均表現(xiàn)為水下或小型水上隆起,但是崖城凸起受北部三角洲的影響較小,沉積物基本沒(méi)有到達(dá)這一地區(qū),南部深水區(qū)更是缺少沉積物源,因此這些地區(qū)泥巖不發(fā)育[13]。

2.2 宏觀參數(shù)特征

從表1可以看出,中部隆起帶西側(cè)梅山組泥巖累積厚度不大,平均厚度約65 m,但中部隆起帶東側(cè)以及中央坳陷帶附近泥巖厚度顯著增加,平均厚度超過(guò)300 m;泥巖最大單層厚度同樣呈現(xiàn)上述規(guī)律,中部隆起帶西側(cè)平均厚度約15 m,中部隆起帶東側(cè)以及中央坳陷帶附近最大單層厚度平均約79 m;砂地比(砂巖厚度與所在地層厚度的比值)與上述規(guī)律相反,中部隆起帶西側(cè)較高,平均值約49%,中部隆起帶東側(cè)以及中央坳陷帶附近數(shù)值較低,平均約10.7%,泥巖品質(zhì)總體上呈現(xiàn)沿北東—南西向分布的特征(圖3)。

圖3 梅山組和三亞組一段泥地比分布Fig.3 Distribution of the Ratios of Thickness Between Mudstone and the Located Stratum in Meishan Formation and the First Member of Sanya Formation

表1 瓊東南盆地單井梅山組泥巖參數(shù)Tab.1 Parameters of Mudstone for Single Well in Meishan Formation of Qiongdongnan Basin

3 泥巖蓋層微觀發(fā)育特征

巖石樣品發(fā)生滲流時(shí)的壓力稱之為突破壓力(break through pressure);但在實(shí)驗(yàn)室條件下,在短時(shí)間使較大巖芯樣品發(fā)生滲流,需要的壓力較高,測(cè)得的突破壓力往往高于最低的突破壓力——排替壓力(displacement pressure,巖石中潤(rùn)濕相流體被非潤(rùn)濕相流體驅(qū)替所需要的最小壓力)[14]。排替壓力不能直接測(cè)得,只能通過(guò)2次或者2次以上試驗(yàn)的突破壓力進(jìn)行換算[14]。

本研究利用 Hao等對(duì)瓊東南盆地泥巖和砂巖樣品實(shí)測(cè)排替壓力所總結(jié)的泥巖排替壓力(Pdm)、砂巖排替壓力(Pds)與測(cè)井聲波時(shí)差(Δt)的關(guān)系公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算[15]。

泥巖排替壓力與聲波時(shí)差關(guān)系式為

砂巖排替壓力與聲波時(shí)差關(guān)系式為

利用式(1)、(2)分別計(jì)算瓊東南盆地三亞組一段砂巖和梅山組泥巖的排替壓力[15]。從圖4可以看出,砂巖和泥巖排替壓力均隨埋深增加而變大,而且梅山組泥巖排替壓力明顯大于三亞組一段砂巖,二者差值相對(duì)穩(wěn)定。利用排替壓力公式還計(jì)算了瓊東南盆地29口井梅山組泥巖和三亞組一段砂巖的排替壓力以及二者的排替壓力差(表1)。

當(dāng)烴柱浮力(Pg)大于儲(chǔ)層與蓋層排替壓力差(ΔPd)時(shí),其中的流體就會(huì)發(fā)生滲流,天然氣會(huì)通過(guò)蓋層逐漸散失;當(dāng)二者相等時(shí),烴柱高度即為蓋層封蓋烴柱的最大高度[16]。假設(shè)蓋層兩側(cè)的地層均為靜水壓力系統(tǒng)(研究所涉及井位均處于瓊東南盆地常壓部位,因此忽略地層剩余壓力[17]),則有

式中:H為氣藏幅度;g為重力加速度;ρw為地層水密度;ρg為天然氣密度。如果 Pg≥ΔPd,蓋層就不能封閉。

瓊東南盆地ρg為0.65～0.72 g/cm3,將ρw設(shè)定為1.1 g/cm3,于是有0.38 g/cm3<(ρw-ρg)< 0.45 g/cm3。將表1中砂巖和泥巖排替壓力差代入式(3),便可得出各井梅山組泥巖可封閉三亞組一段砂巖中氣柱的最大高度。理論上能夠封閉1 000 m以上氣柱高度的蓋層為 Ⅰ類;能夠封閉 5 00～1 000 m氣柱高度的蓋層為Ⅱ類;能夠封閉200～500 m氣柱的蓋層為Ⅲ類;能封閉100～200 m氣柱的蓋層為Ⅳ類;封閉能力小于100 m氣柱的蓋層被認(rèn)為不具備封閉氣田的能力[16]。據(jù)此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得出表1中各井泥巖蓋層微觀評(píng)價(jià)級(jí)別。

4 綜合評(píng)價(jià)

4.1 綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

根據(jù)前人對(duì)蓋層綜合封閉能力的研究[18-21],分別選取巖性、沉積環(huán)境、最大單層厚度、累積厚度、含砂量和排替壓力差5個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),并將這些參數(shù)從好至差分成4個(gè)不同等級(jí),分別賦予權(quán)值4、3、2、1(表2)。

圖4 泥巖和砂巖排替壓力與埋深關(guān)系Fig.4 Relationships Between Displacement Pressure and Depth of Mudstone and Sandstone

表2 蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)參數(shù)Tab.2 Comprehensive Evaluation Parameters of Sealing Ability of Caprock

YC13-1-4井三亞組一段4.8 m厚儲(chǔ)層的上覆蓋層來(lái)自梅山組泥巖,因此選取該井對(duì)影響蓋層綜合封閉性能各個(gè)參數(shù)的權(quán)重分配問(wèn)題進(jìn)行討論。統(tǒng)計(jì)顯示,此井梅山組泥巖累積厚度僅為54 m,最大單層厚度15 m,砂地比更高達(dá)68.6%,宏觀品質(zhì)過(guò)低;但是三亞組一段砂巖排替壓力為1.9 MPa,梅山組泥巖排替壓力為6.8 MPa,砂巖和泥巖排替壓力差達(dá)到4.8 MPa,可以封蓋高達(dá)1 088～1 289 m的天然氣柱。雖然YC13-1-4井梅山組泥巖蓋層宏觀性質(zhì)差,但仍然對(duì)下伏氣藏形成了有效封蓋。由此可以看出,瓊東南盆地泥巖蓋層微觀參數(shù)中的排替壓力在封蓋油氣過(guò)程中起主要作用,其他宏觀參數(shù)起次要作用。

將YC13-1-4井的宏觀與微觀參數(shù)代入表2,可以得到6個(gè)宏觀與微觀參數(shù)分別對(duì)應(yīng)的權(quán)值。將5個(gè)宏觀參數(shù)的權(quán)值取平均值,結(jié)果為2.8,微觀參數(shù)中的排替壓力差權(quán)值為4,二者相除結(jié)果為0.7。由此看出,在油氣封閉過(guò)程中,5個(gè)宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)中的排替壓力差所占權(quán)重分別為0.7和0.3。由于資料有限,很難對(duì)每個(gè)宏觀參數(shù)在油氣封閉過(guò)程中的貢獻(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì),因此各參數(shù)權(quán)重取平均值0.14(表2)。

根據(jù)權(quán)值與權(quán)重之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,總結(jié)出綜合權(quán)值評(píng)價(jià)公式為

式中:Q為蓋層綜合評(píng)價(jià)權(quán)值;ai為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)值,i=1,2,3,4,5;qi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重。

通過(guò)將各井目標(biāo)層段泥巖蓋層宏觀與微觀參數(shù)與表2比較便可獲得相應(yīng)的權(quán)值,再將權(quán)值和權(quán)重代入式(4),即可獲得該層段泥巖蓋層綜合評(píng)價(jià)權(quán)值。當(dāng)綜合評(píng)價(jià)權(quán)值為3～4時(shí),為好蓋層;當(dāng)綜合評(píng)價(jià)權(quán)值為2～3時(shí),為較好蓋層;當(dāng)綜合評(píng)價(jià)權(quán)值為1～2時(shí),為一般蓋層;當(dāng)綜合評(píng)價(jià)權(quán)值小于1時(shí),為差蓋層。

4.2 綜合評(píng)價(jià)步驟及結(jié)果

本研究重點(diǎn)篩選了梅山組內(nèi)較為純凈的泥巖層段,因此巖性等級(jí)均為好,權(quán)值取4;沉積環(huán)境參數(shù)按照單井沉積相研究結(jié)果與表2對(duì)照取值;最大單層厚度、累積厚度、砂地比和排替壓力差4個(gè)參數(shù)取表1中各井的數(shù)值與表2進(jìn)行對(duì)照并得出相應(yīng)權(quán)值。運(yùn)用上述方法得到29口井各參數(shù)所對(duì)應(yīng)的權(quán)值,并將權(quán)值和 6個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)應(yīng)的權(quán)重代入式(4),即可計(jì)算出29口井中梅山組泥巖對(duì)三亞組一段砂巖封閉能力的綜合權(quán)值評(píng)價(jià)結(jié)果(表3)。從表3可以看出,梅山組泥巖綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示出凹陷低、凸起高的特點(diǎn)。另外,所有井位綜合評(píng)價(jià)品質(zhì)均為好與較好,比單純宏觀或微觀評(píng)價(jià)結(jié)果要好,由此可見(jiàn)宏觀與微觀品質(zhì)在一定程度上起到了互補(bǔ)作用。

表3 蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 Results of the Comprehensive Evaluation on the Sealing Ability of Caprock

圖5為盆地北部綜合權(quán)值等值線分布圖。由于探井?dāng)?shù)量有限,所以當(dāng)某一無(wú)井區(qū)域與過(guò)井地區(qū)具有相同的沉積相特征時(shí),將有井地區(qū)的6個(gè)參數(shù)賦予無(wú)井地區(qū)。圖5顯示的綜合權(quán)值分布特征與瓊東南構(gòu)造單元的分帶特征相似,呈現(xiàn)北部坳陷帶綜合權(quán)值低、中部隆起帶高、中央坳陷帶略低向南部隆起逐漸升高,總體表現(xiàn)為凸起高凹陷低的特點(diǎn),有利于構(gòu)造油氣藏的封閉。

圖5 梅山組泥巖蓋層綜合品質(zhì)分布Fig.5 Distribution of Comprehensive Quality of Mudstone Caprock in Meishan Formation

5 結(jié)語(yǔ)

(1)梅山組泥巖蓋層集中發(fā)育于梅山組下部,以淺?！肷詈Ｏ嗄鄮r為主。在盆地北部泥巖厚度呈現(xiàn)西薄東厚的特征,沿北東—南西向分布,形成區(qū)域性分布的泥巖蓋層。

(2)梅山組泥巖蓋層與下伏三亞組一段砂巖儲(chǔ)層之間尤其在凸起部位具有較高的排替壓力差,蓋層物性封閉能力強(qiáng),按微觀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)總體上屬于Ⅰ、Ⅱ類。

(3)梅山組泥巖宏觀與微觀封閉能力相互補(bǔ)充。發(fā)育于凸起、低凸起周緣以及中央坳陷帶附近的泥巖蓋層綜合品質(zhì)均屬于較好與好類別,對(duì)三亞組一段分布于凸起周緣的濱海相砂體和發(fā)育于中央坳陷帶邊緣的濁積砂體起到了很好的封蓋作用。

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