蘇里格氣田下二疊統(tǒng)盒8段異常低壓成因及其分布特征

摘 要

摘要：蘇里格氣田下二疊統(tǒng)下石盒子組8段(盒8段)異常低壓明顯，但對(duì)其成因未達(dá)成共識(shí)。為此，統(tǒng)計(jì)分析了該區(qū)盒8段53口井的實(shí)測(cè)地層壓力，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)水層、產(chǎn)氣層以及氣水同產(chǎn)層的地層壓
摘要：蘇里格氣田下二疊統(tǒng)下石盒子組8段(盒8段)異常低壓明顯，但對(duì)其成因未達(dá)成共識(shí)。為此，統(tǒng)計(jì)分析了該區(qū)盒8段53口井的實(shí)測(cè)地層壓力，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)水層、產(chǎn)氣層以及氣水同產(chǎn)層的地層壓力系數(shù)在垂向上均無(wú)明顯變化規(guī)律，而在平面上呈南北向的條帶狀分布，形成多個(gè)異常低壓系統(tǒng)。應(yīng)用Fick氣體擴(kuò)散定律和盆地模擬技術(shù)，結(jié)合區(qū)域沉積、構(gòu)造演化和天然氣組成特征分析認(rèn)為，盒8段河道砂體分布的局限性為異常地層壓力的形成提供了必要封閉條件，天然氣擴(kuò)散作用雖然存在，但是擴(kuò)散損失影響相對(duì)較小。盒8段異常低壓的形成主要與晚白堊世以來(lái)的構(gòu)造抬升、地層剝蝕以及構(gòu)造熱事件的消失有關(guān)。
關(guān)鍵詞：蘇里格氣田；早二疊世；異常低壓；成因；天然氣擴(kuò)散；盆地模擬；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)
    鄂爾多斯盆地蘇里格氣田地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)的伊陜斜坡西部，氣田主力含氣層段為二疊系下石盒子組盒8段和山西組1段，在平面上顯示為近南北向的條帶狀氣藏。
    近年來(lái)勘探成果顯示，儲(chǔ)層中含氣性廣泛，地層壓力異常，顯示多種壓力系統(tǒng)并存，但以異常低壓為主，尤以盒8段儲(chǔ)層異常低壓最為明顯。前人雖然對(duì)盆地內(nèi)異常低壓進(jìn)行了大量研究，取得重要成果，但低壓成因并未達(dá)成共識(shí)[1～3]。異常低壓不僅影響了氣藏開(kāi)發(fā)，而且與氣藏的形成和分布有密切關(guān)系，研究其成因有助于進(jìn)一步擴(kuò)大蘇里格地區(qū)上古生界的勘探領(lǐng)域。
1 氣藏地質(zhì)特征
1.1 氣藏圈閉類(lèi)型
    蘇里格氣田盒8段屬于湖泊-三角洲沉積體系，砂體展布受近南北向的砂質(zhì)辮狀河流控制，砂體類(lèi)型主要為辮狀河河道砂壩、邊灘(點(diǎn)壩)砂體[4]。砂體呈透鏡體、厚層和薄層狀展布。透鏡狀砂體的厚度一般在5m左右，長(zhǎng)寬比小于5，主要分布在決口扇、河口壩、砂坪和廢棄河道等微相。厚層狀砂體分流河道沉積，復(fù)合砂體厚度在50m左右，寬15～20km，近南北向展布，非均質(zhì)性明顯。河道砂體在側(cè)向和上傾方向尖滅，形成相對(duì)獨(dú)立的巖性圈閉，而來(lái)源于下伏山西組-本溪組煤系烴源巖天然氣在盒8段不同砂體中聚集，形成巖性氣藏[5]。
1.2 儲(chǔ)層特征
    蘇里格氣田盒8段儲(chǔ)層主要為灰白色中-粗粒石英砂巖，其次為巖屑砂巖。儲(chǔ)層巖石成分成熟度一般較高，整體上呈“高填隙物含量、高成分成熟度和低結(jié)構(gòu)成熟度”的兩高一低的巖石學(xué)特征[6]。盒8段儲(chǔ)層經(jīng)過(guò)壓實(shí)、膠結(jié)等成巖作用，儲(chǔ)層物性大大降低。根據(jù)該區(qū)盒8段35口井約1600個(gè)樣品的物性資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，孔隙度范圍為0.16%～21.84%，平均值為7.57%?？紫额?lèi)型主要為殘余粒間孔和粒間溶孔，其次為粒內(nèi)溶孔、晶間孔。儲(chǔ)層滲透率主要分布范圍為0.1～3.16mD，屬低孔、低滲致密儲(chǔ)層。
1.3 氣水分布特征
    根據(jù)蘇里格地區(qū)盒8段53口探井試氣資料統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)氣井32口；產(chǎn)水井9口。水層厚度一般為1～3m。在縱向上氣層或水層除了呈相互獨(dú)立的分布外，同一砂層段中由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性的影響，水層與氣層的分布存在3種類(lèi)型：即氣層或水層、氣水互層和氣水同層。在平面上水層分布不連續(xù)，分布范圍不穩(wěn)定，氣水分布缺乏統(tǒng)一邊界。水層主要分布在蘇里格廟西北的蘇60、蘇51井區(qū)以及鄂6、鄂11井區(qū)，其次是烏審旗東北的召45、統(tǒng)27、統(tǒng)29等井區(qū)(圖1)。
 

2 異常低壓分布特征
2.1 平面分布特征
    根據(jù)蘇里格氣田盒8段53口井測(cè)壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，地層壓力系數(shù)為0.69～1.16，平均為0.82。根據(jù)李熙哲提出的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[7](壓力系數(shù)小于0.96的為異常低壓)，盒8段地層壓力系數(shù)總體上在0.81～0.87，屬于異常低壓。在平面上，盒8段地層壓力系數(shù)主要呈近南北向的條帶狀分布，在陜167、陜178井等局部處于常壓系統(tǒng)外，大部分地區(qū)處于異常低壓(圖1)。盒8段在相鄰井之間的地層壓力系數(shù)出現(xiàn)明顯變化，表明在平面上存在多個(gè)壓力系統(tǒng)。
2.2 縱向分布特征
    盒8段的原始地層壓力在22.5～42.5MPa。地層壓力總體上隨深度增加而呈線性升高，但地層壓力系數(shù)在縱向上缺乏明顯規(guī)律性。在2800～3800m的范圍內(nèi)，無(wú)論是水層、氣層還是氣水同產(chǎn)層，地層壓力系數(shù)隨深度增加的變化都比較分散(圖2)。這表明區(qū)內(nèi)異常低壓的分布不受埋深控制，而且與儲(chǔ)層孔隙流體相態(tài)之間也無(wú)直接聯(lián)系。

3 異常低壓的成因
    根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究，異常低壓的成因有多種，如構(gòu)造抬升與地層剝蝕、孔隙水化學(xué)作用引起的孔隙體積增加和壓力釋放、物性差異引起非均勻流而導(dǎo)致的流體排出、滲析作用、輕烴擴(kuò)散作用等[8]。蘇里格氣田由于地層平緩、儲(chǔ)層物性致密，地層水鹽度一般在50g/L左右，異常低壓的形成受化學(xué)滲透、地下水的非均衡流動(dòng)的影響很小?？紤]到蘇里格氣田在白堊紀(jì)末經(jīng)歷了強(qiáng)烈抬升剝蝕，盒8段異常低壓可能與下列因素有關(guān)。
3.1 地層抬升-剝蝕反彈作用
    Neuzil等認(rèn)為，當(dāng)上覆巖層被剝蝕時(shí)，與泥頁(yè)巖相鄰的砂巖儲(chǔ)層中的部分水將在橫向壓力梯度驅(qū)動(dòng)和毛細(xì)管力作用下向泥頁(yè)巖滲透即發(fā)生“倒灌回流”，從而進(jìn)一步降低了相鄰砂巖的流體壓力[9]。鄂爾多斯盆地自中生代以來(lái)，先后發(fā)生了4期地層抬升和地層剝蝕，其中白堊紀(jì)末期最強(qiáng)烈，在蘇里格地區(qū)的剝蝕厚度為800～1200m[10]。石盒子組泥巖現(xiàn)今仍然保持欠壓實(shí)狀態(tài)，即孔隙流體屬于超高壓狀態(tài)，難以使相鄰儲(chǔ)層孔隙流體發(fā)生“倒灌回流”到超壓泥巖中去。
剝蝕卸載雖然不可能使地層的孔隙度恢復(fù)壓實(shí)前的狀態(tài)，但是剝蝕卸載是巖石彈性壓縮的逆過(guò)程。當(dāng)?shù)貙犹齽兾g引起儲(chǔ)層孔隙體積擴(kuò)容時(shí)，孔隙中流體隨之膨脹，從而導(dǎo)致流體壓力降低。假設(shè)盒8段儲(chǔ)層的平均孔隙度取為8%，含氣飽和度為50%，當(dāng)上覆地層剝蝕1000m時(shí)，儲(chǔ)層孔隙體積反彈擴(kuò)容可使孔隙度增加到8.8%。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算，儲(chǔ)層孔隙中氣體壓力降低10%左右。換言之，上覆地層剝蝕約1000m，卸載膨脹作用可使壓力系數(shù)由1.0降低到0.9。
3.2 地層溫度降低——孔隙流體冷凝收縮作用
    蘇里格地區(qū)在燕山中晚期由于構(gòu)造熱事件的發(fā)生，古地溫梯度較高，介于3.6～4.0℃/100m，早白堊世末以來(lái)，燕山構(gòu)造熱事件消失，地溫梯度下降為現(xiàn)今的2.8～3.0℃/100m。晚白堊世以來(lái)，一方面地溫梯度逐漸降低，另一方面，地層抬升和剝蝕又進(jìn)一步使地層溫度降低。通過(guò)盆地模擬計(jì)算，蘇里格氣田盒8段從早白堊世末期到現(xiàn)今，由最高古地層溫度從170℃降低到110～120℃，地層溫度大約平均降低了50℃(圖3)。假設(shè)氣藏自早白堊世末至今不存在氣體的散失和注入，根據(jù)理想氣體熱力學(xué)方程計(jì)算，地層壓力降低到原來(lái)的86.5%。
 
3.3 天然氣的散失作用
    近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析、實(shí)際地質(zhì)剖面觀察及數(shù)學(xué)模擬研究表明，擴(kuò)散作用在天然氣在初次運(yùn)移、聚集成藏及保存過(guò)程中起到顯著作用[11～13]。對(duì)于含氣儲(chǔ)層而言，氣體質(zhì)量的散失與孔隙壓力降低呈線性關(guān)系。若以理想氣體計(jì)算，當(dāng)氣層氣體散失率達(dá)到50%時(shí)，地層壓力也隨之而降低一半。根據(jù)Fick氣體擴(kuò)散定律，在單位時(shí)間通過(guò)單位面積的氣體擴(kuò)散量與氣體擴(kuò)散系數(shù)、氣體濃度呈正比。在氣態(tài)烴中，擴(kuò)散系數(shù)隨分子量增加而倍數(shù)降低。天然氣大量擴(kuò)散，在天然氣常規(guī)組成和碳同位素組成上必然有所反映，表現(xiàn)為甲烷含量降低，碳同位素分餾變重。
    蘇里格氣田盒8段上覆地層雖然缺乏天然氣濃度封隔層，但直接蓋層較大，氣層埋深較大，氣體擴(kuò)散并不顯著。
具體證據(jù)為：①盒8段與下伏烴源巖發(fā)育的山西-本溪組的氣層壓力仍基本相似，均屬于異常低壓；②盒8段儲(chǔ)層含氣飽和度與地層壓力系數(shù)的關(guān)系也不明顯；③該區(qū)內(nèi)盒8段天然氣組成和碳同位素與下伏山西組基本相似(表1)。
 
    蘇里格氣田盒8段天然氣在充注成藏初期和早白堊世快速沉降時(shí)，由于壓實(shí)作用和地層溫度升高，孔隙流體壓力可能產(chǎn)生異常高壓。儲(chǔ)層中天然氣分子擴(kuò)散的影響雖然較小，但是在構(gòu)造抬升早期、伴隨微裂縫的產(chǎn)生，儲(chǔ)層孔隙中游離孔隙水和天然氣將以多相滲流方式散失，從而使孔隙流體壓力降低到常壓狀態(tài)。
4 結(jié)論
    1) 蘇里格地區(qū)盒8段砂體分布的局限性以及儲(chǔ)層物性致密和非均質(zhì)性，為異常地層壓力的形成提供了必要封閉條件。在相對(duì)封閉的砂體中，使儲(chǔ)層孔隙流體與地表水處于不同壓力系統(tǒng)。
    2) 在不同埋藏階段，盒8段儲(chǔ)層孔隙壓力受到不同地質(zhì)作用影響。在埋藏初期，儲(chǔ)層孔隙流體與沉積水體基本聯(lián)通而處于常壓環(huán)境。隨著埋藏深度增加，在壓實(shí)、膠結(jié)等成巖作用下而進(jìn)入相對(duì)封閉環(huán)境。天然氣大量充注和地層溫度升高的熱膨脹作用使儲(chǔ)層孔隙流體形成異常高壓。后期構(gòu)造抬升、微裂縫的產(chǎn)生以及儲(chǔ)層孔隙體積反彈擴(kuò)容、地層溫度降低引起儲(chǔ)層孔隙氣體收縮使異常高壓逐漸轉(zhuǎn)化為常壓和異常低壓。
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(本文作者：陳義才1 張勝2 魏新善3 劉新社3 趙惠濤3 1.成都理工大學(xué)；2.四川煤田地質(zhì)局141隊(duì)；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院)