石鴻翠，江晨曦，孫美靜，廖宗寶，程國秀，齊同勝

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.浙江大學(xué)地球科學(xué)系，浙江 杭州 310027；3.中海油研究總院，北京 100027）

鄂爾多斯盆地是中國第2大含氣盆地，目前上古生界的氣田多集中在盆地北部，如蘇里格氣田、烏審旗氣田、榆林氣田、大牛地氣田、米脂氣田、神木氣藏等[1]。南部地區(qū)在富古1、富古4及耀參1井奧陶系見天然氣流，在建1、鄂銅1井奧陶系見氣顯示，僅在鎮(zhèn)探1井上古生界獲工業(yè)性氣流。因此，加強南部地區(qū)的勘探具有重要意義。蓋層是烴類聚集的必要條件，其封閉性能直接影響氣藏的形成、規(guī)模及其保存條件[2]。盡管前人對鄂爾多斯盆地做了大量研究[1，3-12]，但主要是關(guān)于盆地構(gòu)造演化、沉積相與儲層及天然氣成藏特征方面，對盆地蓋層封閉性能與油氣聚集關(guān)系的研究很少，而對盆地南部泥巖蓋層封閉性能的系統(tǒng)評價至今仍是空白。為此，筆者嘗試從蓋層的宏觀發(fā)育特征、成巖及封閉性演化、微觀封閉能力3個方面進行分析并提出相應(yīng)的分類評價標(biāo)準，對鄂爾多斯盆地南部山西組、上石盒子組、下石盒子組及石千峰組泥巖封閉性能進行評價，以期為上古生界的天然氣勘探提供參考和依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西緣，是一個大型多旋回克拉通盆地，在太古代陸核地塊的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了中晚元古代克拉通拗拉谷、早古生代淺海臺地、晚古生代濱海平原、中生代內(nèi)陸盆地、新生代周邊斷陷5個構(gòu)造—沉積演化階段[4，13]。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部，東側(cè)與晉西撓褶帶相接，西側(cè)與天環(huán)坳陷相連，涉及伊陜斜坡和渭北隆起2個構(gòu)造單元。

在早古生代陸表海沉積后，研究區(qū)受加里東運動影響而隆升，遭受約140 Ma的風(fēng)化剝蝕。晚石炭世進入海陸交互階段，沉積了含煤碎屑巖及灰?guī)r、泥灰?guī)r建造，形成中上石炭統(tǒng)海相碳酸鹽巖氣源巖、本溪組古風(fēng)化殼區(qū)域蓋層和太原組局部蓋層；早二疊世山西組沉積時期海水退出，發(fā)育河湖相含煤建造和三角洲沉積，形成上古生界的石炭系—二疊系煤系氣源巖和良好的區(qū)域蓋層。早二疊世末期北部地區(qū)隆升，南北差異升降加劇，南部地區(qū)湖侵范圍增大，發(fā)育辮狀河、三角洲和穩(wěn)定的湖泊相泥巖沉積[11]。泥巖分布面積廣、厚度大、橫向連續(xù)性好、巖性純，形成石盒子組和石千峰組重要的區(qū)域性蓋層。南部地區(qū)上古生界具有良好的烴源條件及儲蓋組合，勘探潛力巨大。

2 宏觀評價參數(shù)

2.1 厚度

蓋層厚度是決定其宏觀展布范圍的重要指標(biāo)。厚度越大，表明沉積環(huán)境在區(qū)域上越穩(wěn)定，泥巖被斷裂破壞的可能性越小[14]，微滲漏空間不易溝通，從而抑制了烴類的運移散失速率，使其在漫長的地質(zhì)演化過程中得以聚集保存。鄂爾多斯盆地自早二疊世進入南北隆坳分區(qū)的演化階段，發(fā)育陸相湖泊—三角洲沉積體系，泥巖在上古生界各層系中廣泛分布，但厚度有一些差別（圖1）。山西組（P1s）泥巖累積厚度最小，一般小于100 m，北厚南薄。下石盒子組（P1x）泥巖累積厚度約為40～120 m，在慶陽—富縣—宜川一線以北厚度較大，以南厚度較小。上石盒子組（P2s）沉積時期，厚層泥巖的分布范圍向研究區(qū)的西部和南部擴展，普遍大于65 m，較薄泥巖分布在彬縣—銅川—富縣—宜川一線以南及以東地區(qū)。石千峰組（P2sh）沉積時期，南北差異升降加劇，南部湖盆面積更加廣泛，泥巖厚度加大，最大可達200 m，其中富縣、延安、銅川及宜川地區(qū)泥巖厚度均在135 m以上。從山西組到石千峰組，泥巖累積厚度高值由研究區(qū)的北部向西部、南部和東部遷移，厚度分布格局由南北差異變?yōu)闁|西差異，這可能與早二疊世秦嶺微板塊向華北板塊由東向西聚俯沖及晚二疊世西緣賀蘭拗拉槽萎縮聚斂有關(guān)。

2.2 成巖階段與封閉性演化

成巖作用控制著孔隙度、比表面等參數(shù)的變化，影響烴類演化、粘土礦物組成和排列方式，與泥巖封閉性密切相關(guān)。通過分析盆地地層埋藏史、熱演化史、孔隙度演化史，并參照前人對盆地成巖演化序列及泥巖封閉性演化的研究[3，15-18]，歸納了鄂爾多斯盆地南部上古生界泥巖成巖階段與封閉性演化模式（圖2）。早成巖A階段地層埋深小于900 m，孔隙度大于20%，基本上不具備毛細管封閉能力。進入晚成巖A1階段，泥巖處于固結(jié)狀態(tài)，孔隙度降低到10%以下，伊蒙混層中蒙脫石含量約為35%～50%，除具有較強的毛細管阻力外又兼?zhèn)浜軓姷乃苄耘c膨脹性，封閉性最好。晚成巖A2亞段，伊利石含量進一步增加，同時蒙脫石分解產(chǎn)生的鎂、鐵離子促進高嶺石向綠泥石轉(zhuǎn)化，綠泥石含量增加，泥巖的膨脹性與塑性減弱，封閉性能降低。晚成巖B階段開始，古地溫大于170℃，鏡質(zhì)組反射率（Ro）大于1.3%，泥巖進入高演化階段。傳統(tǒng)研究認為，泥巖在晚成巖A2期以后趨于致密化和脆化，封閉性能變差。然而，油氣勘探實踐證實，高演化泥巖仍可以成為氣藏的有效蓋層[19-20]。不少學(xué)者通過實驗證明[21-22]，隨著圍壓增加，巖石的塑性變形階段增長，泥巖在高溫高壓情況下，不是塑性降低，而是向塑性轉(zhuǎn)化，封閉能力增強[23]。鄂爾多斯盆地南部上古生界泥巖Ro值普遍大于1.3%，除西緣逆沖構(gòu)造帶和晉西撓褶帶在后期遭受強烈構(gòu)造擠壓外，內(nèi)部構(gòu)造簡單，泥巖脆性破裂的可能性小，推測其封閉性能較好。晚成巖C階段以后，Ro值大于2.0%，伊蒙混層礦物消失，泥巖逐漸向極低變質(zhì)作用轉(zhuǎn)化，抗張剪性變差，封蓋性能變差。

圖1 鄂爾多斯盆地南部泥巖厚度等值線分布Fig.1 The contour maps of mudstone thickness in south Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地南部上古生界泥巖成巖階段與封閉性演化模式Fig.2 Diagenesis stage and sealing capability evolution mode of mudstone in the Upper Paleozoic，south Ordos Basin

鄂爾多斯盆地?zé)崾泛吐癫厥焚Y料表明，盆地在早白堊世發(fā)生一次明顯的構(gòu)造熱事件[15，24-26]，早白堊世末期全盆隆升遭受剝蝕[27]。盆地古地表溫度取值為20℃，根據(jù)恢復(fù)的早白堊世末期地層剝蝕量和古地溫梯度，結(jié)合南部地區(qū)泥巖成巖演化模式，對上古生界泥巖在中生代晚期最大古埋深、古溫度及成巖演化程度的研究結(jié)果表明，南部渭北隆起的淳探1、永參1、耀參1等井區(qū)泥巖演化程度最低，處于晚成巖A2早期和晚成巖A2中晚期。山西組泥巖演化程度較高，大多已達到晚成巖C階段。石盒子組泥巖在整個研究區(qū)演化程度較一致，一般為晚成巖B期。石千峰組泥巖演化階段范圍較廣，在慶陽—富縣—延安所圍限的范圍之內(nèi)為晚成巖A2—晚成巖B期或晚成巖B期，其他地區(qū)為晚成巖A2晚期（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地南部早白堊世末期地溫梯度、地層剝蝕量及泥巖演化程度Table1 Geothermal gradient and strata erosion and mudstone evolution in Late Early Cretaceous，south Ordos Basin

3 微觀評價參數(shù)

3.1 孔隙度與滲透率

孔隙度與滲透率是反映蓋層微觀封閉性能的重要參數(shù)?？紫抖仍叫?，孔喉半徑越小，滲透率越低，毛細管力越大，蓋層封閉性越好；反之，封閉性越差。由于實測巖心數(shù)據(jù)較少，不能滿足整個研究區(qū)上古生界泥巖的孔隙度、滲透率研究。為此，利用測井聲波時差建立孔隙度解釋模型并對實測孔隙度與滲透率進行擬合，得到未取心層段的孔隙度和滲透率，進而對其分布特征進行分析。上古生界泥巖孔隙度一般為0.01%～3.8%，滲透率為0.005×10-3～0.025×10-3μm2。整體來看上石盒子組泥巖孔隙度較高，平均為0.96%，最大可達3.85%。其次為下石盒子組和山西組，兩者孔隙度分布范圍相近，平均為0.7%，最大值約為2.5%，最小值約為0.15%。石千峰組泥巖孔隙度最小，平均為0.68%，最小值低于0.01%。滲透率的變化規(guī)律與孔隙度相似，上石盒子組泥巖滲透率整體較高，平均為0.013×10-3μm2，最高達0.035×10-3μm2，其他3個組的滲透率均較小，最大值約為0.024×10-3～0.027×10-3μm2。

3.2 突破壓力

蓋層綜合評價中，突破壓力作為衡量毛細管封閉能力的尺度，一直是研究和應(yīng)用的重點[28]。通過實測突破壓力與聲波時差的函數(shù)關(guān)系計算出研究區(qū)各單井泥巖段的突破壓力后，便可得到突破壓力的垂向分布（圖3）。從圖3中可以看出，鄂爾多斯盆地南部地區(qū)上古生界泥巖突破壓力總體變化規(guī)律為西高東低、北高南低，且東西向突破壓力的降低速率要大于南北向。不同井及不同地區(qū)的泥巖突破壓力不同。以富古1井為界，研究區(qū)的西部即天環(huán)坳陷和伊陜斜坡的西部突破壓力相對較高，主要為15～20 MPa，局部達到20 MPa以上，其次是北部延安地區(qū)，突破壓力一般為10～20 MPa。富縣地區(qū)和渭北隆起除少數(shù)幾口井在局部表現(xiàn)出高值外，總體突破壓力較低，一般小于15 MPa。

縱向上各組泥巖的突破壓力分布存在差異。山西組、下石盒子組及石千峰組泥巖突破壓力除在渭北隆起區(qū)的耀參1、淳探1和黃深1井附近為5～15 MPa外，一般大于15 MPa，其中石千峰組和下石盒子組局部壓力大于20 MPa。而上石盒子組、石千峰組中下部、下石盒子組上部及山西組部分泥巖的突破壓力普遍較低，一般小于10 MPa。

圖3 鄂爾多斯盆地南部泥巖突破壓力垂向分布Fig.3 Vertical distribution of mudstone caprock breakthrough pressures in the Upper Paleozoic，south Ordos Basin

正常情況下，隨著深度增加，泥巖的壓實成巖作用增強，毛細管力增大。如果不均衡壓實、水熱增壓、粘土礦物脫水或烴類的大量生成使孔隙流體沒有及時排出，就會在泥巖內(nèi)部形成異常高壓[29-31]，巖石孔徑增大，突破壓力出現(xiàn)低值。晚三疊世—早侏羅世盆地快速沉降[1，32]，較高的沉積沉降速率、較大的沉積厚度，使泥巖在疊加壓實過程中排液受阻，石盒子組及石千峰組下部形成明顯的非均衡壓實帶[33-34]。早白堊世鄂爾多斯盆地巖石圈深部熱活動增強，受秦嶺造山帶陸內(nèi)俯沖的影響，盆地南部特別是富縣—黃陵—宜川—延安一帶成為主要的熱演化異常區(qū)[15，35]，構(gòu)造熱異常使水熱增壓、粘土礦物轉(zhuǎn)化脫水，加大了流體異常壓力。早二疊世山西組沉積時期為海陸過渡相至陸相的三角洲平原和湖沼相泥巖、煤及炭質(zhì)泥巖沉積，有機質(zhì)豐度高。早白堊世的構(gòu)造熱事件，使煤系烴源巖迅速升溫，達到生氣高峰，烴源巖生氣增壓，形成山西組泥巖內(nèi)部古高壓。因此，自三疊世開始，上古生界泥巖便發(fā)育過剩壓力[36]，上石盒子組及石千峰組、下石盒子組和山西組局部受超壓影響，突破壓力不按正常埋深規(guī)律變化，而是出現(xiàn)低值。

4 封閉性能評價

根據(jù)5個評價參數(shù)不同取值范圍對泥巖封閉性能的影響程度進行等級劃分，并將其由好至差賦予4，3，2，1的權(quán)值（表2），再根據(jù)5個參數(shù)對蓋層封閉性能的貢獻，對其進行權(quán)重分配；然后將各評價參數(shù)的權(quán)值與權(quán)重分別相乘再求和，得到泥巖封蓋性能評價的總權(quán)值；并規(guī)定總權(quán)值大于3.0的蓋層為Ⅰ類蓋層，總權(quán)值為2.5～3.0的為Ⅱ類蓋層，總權(quán)值為2.0～2.5的為Ⅲ類蓋層，總權(quán)值小于2.0的為Ⅳ類蓋層。

通過對研究區(qū)19口井泥巖封閉性能評價參數(shù)的處理，并參考李國平建議的標(biāo)準[37]，采用突破壓力大于等于0.5 MPa、泥巖厚度大于等于5 m作為有效厚度下限，對盆地南部山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組底部泥巖封閉性能進行了綜合評價（圖4）。石千峰組泥巖Ⅰ類蓋層發(fā)育，封閉性能最好；上石盒子組泥巖Ⅳ類蓋層分布廣泛，封閉性能最差；下石盒子、山西組泥巖除在局部發(fā)育Ⅰ類蓋層外，以Ⅱ類、Ⅲ類蓋層為主。石千峰組泥巖厚度大，微觀封閉能力強，特別是在鎮(zhèn)探1、黃深1井區(qū)，綜合評價權(quán)值達到3.5，而研究區(qū)的北部和宜2、耀參1井區(qū)，盡管泥巖發(fā)育，但微觀封閉能力小，且處于晚成巖A2晚期，泥巖的封蓋性能偏差。上石盒子組泥巖由于發(fā)育異常壓力，在整個上古生界泥巖中表現(xiàn)出孔隙度、滲透率最高，突破壓力最低的特征，除在研究區(qū)的西部和南部發(fā)育Ⅱ類蓋層外，物性封閉性能普遍很差。下石盒子組不同類型泥巖蓋層的分布區(qū)與上石盒子組相反，在研究區(qū)的西部和南部分布Ⅳ類蓋層，而北東方向發(fā)育Ⅰ類、Ⅱ類蓋層。山西組不同封閉性能的泥巖分布與成巖程度和突破壓力有較好的一致性，達到晚成巖C階段的泥巖為Ⅲ類、Ⅳ類蓋層，處于晚成巖B階段且突破壓力較大的泥巖發(fā)育Ⅰ類、Ⅱ類蓋層。鎮(zhèn)探1井區(qū)的山西組泥巖發(fā)育Ⅰ類蓋層，泥巖封閉性能強，這可能是在鎮(zhèn)探1井山1段獲工業(yè)性氣流的重要原因。

表2 鄂爾多斯盆地南部泥巖蓋層封閉性能評價標(biāo)準Table2 Evaluation standard of sealing capability of mudstone caprock in south Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地南部泥巖封閉性能綜合評價Fig.4 Comprehensive assessment of sealing capability of mudstone in south Ordos Basin

5 結(jié)束語

對蓋層封閉性能的評價既考慮了蓋層宏觀發(fā)育特征、不同成巖階段泥巖封閉性演化的定性特征，又對蓋層微觀封閉性參數(shù)做了定量分析，是綜合評價蓋層行之有效的方法。鄂爾多斯盆地南部石千峰組泥巖厚度大，微觀封閉能力強，Ⅰ類蓋層發(fā)育，封閉性能最好；上石盒子組泥巖由于發(fā)育異常壓力，孔隙度、滲透率高，突破壓力小，Ⅳ類蓋層分布廣泛，物性封閉能力最差；下石盒子組泥巖在研究區(qū)的西部和南部分布Ⅳ類蓋層，北東方向發(fā)育Ⅰ類、Ⅱ類蓋層；山西組達到晚成巖C階段的泥巖為Ⅲ類、Ⅳ類蓋層，處于晚成巖B階段且突破壓力較大的泥巖發(fā)育Ⅰ類、Ⅱ類蓋層。工業(yè)性氣流井分布在好的蓋層區(qū)內(nèi)，封閉性評價結(jié)果與勘探實踐相匹配，可以為南部地區(qū)的油氣勘探提供參考。

由于對研究區(qū)泥巖的封蓋性評價尚屬于初步嘗試，還存在著不足，如高演化泥巖在地層抬升后可能會因圍壓減小而產(chǎn)生破裂，泥巖封閉性演化模式還有待進一步證實和完善；超壓是非常重要的天然氣封蓋機理，蓋層超壓與毛細管力的綜合封閉能力還有待進一步研究。

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