0 引言
鄂尔多斯盆地天然气储量丰富，勘探开发潜力巨大。近年来，随着对鄂尔多斯盆地勘探范围不断加大，盆地东部已展现出多层系万亿立方米大气区雏形［1］。21世纪初已经发现榆林、子洲、米脂和神木—双山等大型气田，其中榆林气田探明天然气储量为1 807.5×108 m3，子洲气田探明天然气储量为1 151.97×108 m3［2］。不仅如此，近年来又在盆地东缘临兴—神府地区上古生界取得重大油气勘探突破，其中上石盒子组单井产气量高达2.088×104 m3/d，山西组单井产气量突破1.37×104 m3/d［3］。据估计，鄂尔多斯盆地东缘地区致密砂岩气资源量为1.4×1012 m3，探明储量为0.12×1012 m3［4］，可见该地区资源潜力巨大。尽管前人［4-8］对鄂尔多斯盆地东部做了大量研究，但是研究成果大多集中于盆地构造演化、沉积储层以及油气藏特征描述方面，对盖层的封闭性能研究相对薄弱。鄂尔多斯盆地东部位于晋西挠褶带内，构造背景复杂［2， 5］，因此天然气保存条件是油气成藏研究中不可忽视的问题。而盖层封闭性又是油气藏保存条件中最为关键的因素，盖层封闭能力的强弱以及发育的层位和分布特点，直接影响天然气在储集层中的聚集效率和保存时间［9-10］。为此本文通过对鄂尔多斯盆地东部地区上古生界盖层宏观展布、成岩演化与突破压力等方面的研究，对鄂尔多斯盆地东部山西组、上石盒子组和石千峰组泥岩封盖性能进行综合评价。相关研究成果可以完善该地区油气成藏和保存的研究，并为进一步的油气勘探开发提供理论依据。
1 研究区地质概况
研究区位于鄂尔多斯盆地东北部，其上古生界自下而上发育本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组（图1）。沉积环境由海陆过渡的潮坪相逐渐向陆相河流三角洲相转变。本溪组为障壁海岸—潮坪环境，岩性主要以碳酸盐岩、泥岩、细砂岩为主，上部发育厚层煤，底部为红色铝土矿［11］。太原组多为陆表海沉积，发育碳酸盐岩与碎屑岩互层的含煤沉积岩系［13］；山西组连续沉积太原组之上，沉积环境由海陆过渡相逐渐转变为陆相，岩性主要为中—粗粒砂岩、粉砂岩、泥岩和煤，内部发育多条煤线［13］。山西组细分为山1段和山2段，山2段为主要含气层，山1段上部多发育泥岩，下部可见气层［11］；下石盒子组为三角洲平原沉积，上部主要以碎屑砂岩为主［14］，底部与山西组以区域性的冲刷面接触；上石盒子组为三角洲平原沉积，岩性主要为泥岩［14］；石千峰组沉积环境完全转化为陆相河流沉积，岩性主要为紫红色砂泥岩互层的碎屑岩［15-16］。
研究区烃源岩主要为本溪组、太原组和山西组的煤层和炭质泥岩，其中主力烃源岩为本溪组和太原顶部煤层和山西组中部煤层［17-18］。主要储集层为本溪组、山西组、下石盒子组和石千峰组中的砂岩［19-20］。研究区上古生界主要发育3套主力盖层，分别为：①山西组泥岩，分布相对局限，是山2气藏、山1底部气藏以及本溪组源内气藏的直接盖层；②上石盒子组泥岩，分布较为广泛，对下伏的太原组、山西组和下石盒子组中的天然气起到区域封盖作用；③石千峰组泥岩，分布广泛，被视作整个上古生界区域性盖层（图1）［11］。太原组虽然也发育一定的泥岩和炭质泥岩，但由于太原组沉积时为潮坪—沼泽环境，水动力条件变化较快，泥岩和砂岩频繁互层，泥质烃源岩与致密砂岩储层、煤储层、泥质储层垂向上相互叠置［8，13］，使得太原组泥岩均一性较差，无法作为研究区的有效盖层。依据生储盖组合关系，研究区油气成藏类型可分为3种，分别为：本溪组、太原组和山西组生储盖组合相互叠置发育，为源内成藏；下石盒子组生储盖组合下生上储，为近源成藏；上石盒子组和石千峰组源储分离，为远源成藏［7］。
2 数据与方法
随着测试技术的不断发展，盖层的研究方法和手段多种多样，例如通过对盖层的渗透率、孔隙度、黏土含量、排替压力等方面的研究，实现盖层封闭性评价［21］。本文主要从以下3个方面对盖层封闭性能进行综合评价：①盖层的宏观分布，基于测井、录井和钻井资料，确定盖层泥岩厚度在空间展布特征；②盖层的成岩演化，依据各层系黏土矿物含量和镜质体反射率，判断盖层的成岩演化阶段，确定各层系泥岩塑性，进而判断盖层有效性；③盖层微观封闭性研究，以突破压力为评价指标判断盖层的封盖能力［22-25］。突破压力指的是天然气在盖层中渗漏作用开始时所对应的毛细管压力［25-26］。目前泥岩突破压力主要利用所取盖层岩心，通过压汞法、吸附法和直接排替法等实验方法，模拟盖层在地下的赋存状态来获得［24］。
本文实验利用东北石油大学地球科学学院储层参数综合测量实验室的TPYL-Ⅱ突破压力全自动测量仪对样品的突破压力进行实际测定。首先将垂直于盖层钻取的岩心，按照实验要求进行厚度的切割，并在研磨机上进行端面磨平处理，以保证岩心的规整。之后将岩心烘干、真空高压饱和处理96 h。饱和溶液采用煤油。取出岩心装入夹持器中，用高压泵加入围压。然后在夹持器一端充注气体，直到观测窗口出现气泡为止，期间压力值恒定，此时测试注入的压力即为突破压力。实验检测方法和标准依据中华人民共和国石油天然气行业标准SYT5748—2013《岩石气体突破压力测定方法》。
3 结果
3.1 盖层分布特征
研究区主要盖层层系为石千峰组、上石盒子组、山西组。盖层在平面上广泛分布，但厚度变化较大，区域分布各有差异。山西组泥岩累积厚度最小，平均厚度不足40 m，其中中部、东部地区厚度较大，约30~45 m，而最小处泥岩累计厚度小于20 m［图2（a）］。上石盒子泥岩累积厚度普遍大于120 m，最大厚度可达160 m，但南部局部地区泥岩累计厚度较薄，不足100 m［图2（b）］。石千峰组盖层主要分布于南部地区，厚度可达160 m以上，北部地区相对较薄，约为120~140 m［图2（c）］。这是由于石千峰组沉积时，南北差异沉降加剧，湖盆主要在南部发育［27］。整体上，研究区南部泥岩累积厚度普遍较大，其中又以石千峰组盖层最为明显。山西组和上石盒子组最大泥岩累积厚度在南部地区和北部地区均有分布，上石盒子组南部局部地区泥岩累积厚度较薄。一般来说，盖层厚度越大，其沉积环境稳定，均质性越好，封盖能力越强［31］。
3.2 盖层成岩阶段
成岩作用对泥岩的塑性具有影响，从而改变泥岩的封盖性［32］。通过对黏土矿物含量和镜质体反射率分析，可以确定成岩演化阶段，从而判断盖层封闭性。数据表明，山西组伊/蒙混层中蒙脱石相对含量为0%~10%［图3（a）］，镜质体反射率为0.7%~1.1%［图3（b）］，黏土矿物主要为伊利石和高岭石，说明山西组处于中成岩B期；石千峰组伊/蒙混层中蒙脱石相对含量为40%~60%［图3（c）］，因此石千峰组处于中成岩A期［3，11，13］；由于上石盒子组伊/蒙混层含量和镜质体反射率研究数据较少，无法有效判断其成岩作用，但考虑到上石盒子组介于山西组和石千峰组之间，而且这些地层经历的构造埋藏史基本一致，推测上石盒子组应介于中成岩A期到中成岩B期。虽然鄂尔多斯盆地受燕山作用影响，盆地在早白垩世末期，发生差异隆升剥蚀事件［33-36］，导致研究区同层段南北现今埋深存在差异，但根据本文研究，南北地区伊/蒙混层中黏土矿物相对含量并没有明显差异［图3（a），图3（c）］，因此推测其成岩作用受埋深影响较小，成岩阶段基本一致。
3.3 盖层突破压力
突破压力是评价盖层封闭性能力最直接、最关键的参数［22］。只有当泥岩突破压力大于储层的剩余压力和烃柱高度所产生的浮力垂向合力时，才能有效防止油气逸散［24］。林潼等 ［26］指出均质岩样的突破压力大小只和岩样本身性质有关，如样品内的孔隙度和喉道的分布、大小以及弯曲度等，与岩样长度无关。均质盖层对气体的封盖能力不直接受盖层厚度的影响，而是取决于其最大毛细管压力。本研究对研究区主要盖层的泥岩进行突破压力测试，结果表明山西组实测泥岩突破压力最高，为7.86~11.43 MPa，平均值为9.37 MPa；上石盒子组泥岩突破压力最低，为0.76~2.80 MPa，平均突破压力为2.00 MPa；石千峰组泥岩突破压力介于山西组和上石盒子组之间，为3.21~8.41 MPa，平均突破压力为5.29 MPa（表1）。
表1 泥岩实测突破压力Table 1 Measured breakthrough pressure of mudstone |
| 层位 | 井号 | 深度/m | 实测突破压力/MPa |
|---|---|---|---|
| 石千峰组 | W-27 | 1 429.6 | 5.13 |
| W-30 | 1 478.6 | 6.24 | |
| W-31 | 1 420.7 | 4.89 | |
| W-18 | 1 340.1 | 8.41 | |
| W-17 | 1 314.0 | 3.21 | |
| W-11 | 1 278.6 | 5.17 | |
| W-19 | 1 290.4 | 4.01 | |
| 上石盒子组 | W-27 | 1 648.6 | 0.76 |
| W-30 | 1 710.7 | 2.80 | |
| W-31 | 1 617.2 | 2.60 | |
| W-18 | 1 546.3 | 2.32 | |
| W-17 | 1 545.6 | 2.77 | |
| W-11 | 1 476.5 | 1.15 | |
| W-19 | 1 537.9 | 1.58 | |
| 山西组 | W-27 | 1 956.8 | 9.15 |
| W-30 | 1 968.2 | 9.63 | |
| W-31 | 1 856.7 | 9.75 | |
| W-18 | 1 787.3 | 9.40 | |
| W-17 | 1 720.2 | 7.86 | |
| W-11 | 1 756.0 | 8.31 | |
| W-19 | 1 762.3 | 11.43 |
Pa=261.42e-0.058Δ t
式中：P a为泥岩突破压力，MPa；Δt为泥岩的声波时差，μs/m。
根据预测模型计算出泥岩突破压力值，绘制出单井突破压力曲线图（图5），并依据各单井的突破压力值绘制出各盖层突破压力平面图（图6）。可以看出，山西组突破压力主要范围为7~9 MPa，但南部地区局部最大超过10 MPa，北部地区局部最小值不足6 MPa［图6（a）］；上石盒子组突破压力偏低，普遍不超过7 MPa，最高仅为8 MPa，而南部局部地区突破压力不足6 MPa［图6（b）］；石千峰组突破压力普遍在6 MPa以上，南部地区突破压力总体高于北部地区，局部地区突破压力超过10 MPa，而北部部分地区突破压力却不足4 MPa［图6（c）］。由此可见，山西组突破压力最高，石千峰组次之，上石盒子组最差（图5，图6）。而在平面分布上，每套盖层的突破压力分布趋势基本一致，南部地区突破压力较高，北部地区相对较低。
4 盖层综合评价
单井突破压力曲线和突破压力平面分布图显示，不同层突破压力差异明显。山西组突破压力最高，石千峰组次之，上石盒子组最低（图5，图6）。一般认为成岩作用会影响盖层的突破压力的大小［25，27，30］，随着成岩作用逐渐增强，泥岩孔隙内流体大量排出，孔隙度、渗透率逐渐降低。同时伊利石结晶度指数变小，孔隙度变小，导致岩石更加致密，排替压力逐渐增大，封闭性逐渐增强［25，37］。并且在一定深度范围内，伊利石、绿泥石、伊/蒙混层含量随深度增加，封盖层能力增强［31］；不仅如此，在后期构造稳定的地区，高演化泥岩在一定埋深下，仍具有良好的塑性，较好的封闭能力［32， 35］。在研究区，石千峰组处于中成岩A期，埋深在1 290~1 480 m之间（图7），蒙脱石相对含量为40%~60%［图3（c），图7］，塑性黏土矿物含量相对较高，因此石千峰组盖层具有较高的毛细管力以及很强的膨胀性和塑性［27-28］，导致石千峰组突破压力相对较高，在3.21~8.41 MPa之间（图7），整体封盖性较好；山西组成岩演化阶段较高，进入中成岩B期，埋深较大，超过了1 760 m，压实作用更加强烈，蒙脱石大量向伊利石转化，伊/蒙混层中蒙脱石含量急剧减少，含量在0%~10%之间［图3（a），图7］，使得泥岩渗透率急剧降低，泥岩盖层进一步致密。因此山西组泥岩突破压力更大，在7.86~11.43 MPa之间（图7），盖层封盖能力最好。
需要注意的是，上石盒子组盖层较石千峰组埋藏更深，在1 470~1 720 m之间（图7），且成岩演化介于中成岩A期到中成岩B期，但其突破压力远不及石千峰组（图5—图7）。针对这一异常现象，笔者对研究区33口井的岩心和录井资料统计分析，发现上石盒子组中广泛发育泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和砂质泥岩，与泥岩互层频繁出现，导致上石盒子组盖层整体均一性较差。以W-18井、W-19井、W-33井为例，上石盒子组粉砂岩、砂质泥岩广泛发育，泥岩单层厚度较薄，分布在2~4 m之间。并且粉砂岩和砂质泥岩与泥岩互层频繁，上石盒子组整体均一性较差。由于泥质粉砂岩与粉砂质泥岩含量总体偏高，因此导致盖层的抗压实能力增强，压实不充分，孔隙度相对较高，最终导致突破压力较低。反观石千峰组发育的纯泥岩厚度较大，单层厚度超过6 m，粉砂岩和砂质泥岩发育有限，因此石千峰组盖层均一性优于上石盒子组（图8，图9）。关于上石盒子组泥岩均一性差的原因，笔者认为由于研究区在上石盒子组沉积期，地形平缓，湖岸线变化快，河道频繁分叉改道，分流河道以及河道间湾相变频繁，使得泥岩、粉砂岩和砂质泥岩互层非常发育［5］，最终导致上石盒子组盖层均一性较差。另外，研究区在上石盒子组沉积时受大青山物源和兴盟物源影响，盖层中不稳定矿物（如长石、石榴子石）含量增加［36］，在后期地质作用影响下，上石盒子组泥岩盖层不稳定矿物易发生次生变化发生溶蚀（如长石的溶蚀作用），最终导致泥岩渗透率增大，盖层物性提高。据此推测这可能也是导致上石盒子组泥岩突破压力较低的原因之一。
研究区不同层系盖层封盖压力差异，也可以通过生产数据反映出来。在研究区南部的W-24井和W-29井石千峰组发现气层，单井产气量分别为0.89×104 m 3/d和0.04×104 m3/d（表2）。而这些井恰好位于上石盒子组突破压力的低值区（<6 MPa）［图6（b）］，表明下部气源穿过了上盒子组泥岩，进入了石千峰组底部的储层内。这是由于上石盒子突破压力较小，无法形成有效的封盖，使得下部天然气向上运移，穿过上石盒子组泥岩，在石千峰组底部储集层汇聚形成气藏。山西组及其下部层系产气量普遍较高，W-31井在本溪组产气量高达1.50×104 m 3/d，W-24井在太原组产气量突破1.21×104 m3 /d，W-27井在山西组产气量超过0.65×104 m3 /d。说明山西组盖层对下部天然气封盖作用较强，对其下伏储层中天然气保存较好。
表2 研究区钻井无阻流量统计Table 2 Statistical table of free flow rate in the study area |
| 井名 | 层位 | 无阻流量/（104 m3/d） |
|---|---|---|
| W-27 | 山西组 | 0.65 |
| W-30 | 太原组 | 0.93 |
| W-30 | 本溪组 | 0.4 |
| W-30 | 山西组 | 0.1 |
| W-31 | 本溪组 | 1.5 |
| W-23 | 本溪组 | 1.17 |
| W-23 | 太原组 | 0.76 |
| W-24 | 石千峰组 | 0.89 |
| W-29 | 石千峰组 | 0.04 |
| W-19 | 石千峰组 | 0.24 |
| W-33 | 山西组 | 1.1 |
| W-33 | 本溪组 | 0.11 |
对研究区不同盖层泥岩厚度、成岩作用以及封盖压力综合分析表明，山西组盖层埋深最大，泥岩压实彻底，处于中成岩B阶段，突破压力最大，为8~10 MPa。实际生产资料分析显示，山西组下部无阻流量在（0.11~1.50）×104 m3 /d之间，平均无阻流量为0.66×104 m3/d（表2），产量较高，进一步证明山西组盖层对下部天然气起到了良好的封盖作用。但是由于山西组泥岩厚度相对较薄（<40 m），分布范围局限，并不能形成良好的区域性盖层，只能作为局部性盖层对其下部天然气进行直接封盖，封盖能力有限。受天然气扩散作用影响，部分天然气从山西组下部储集层开始向上扩散［3］。虽然上石盒子组成岩阶段介于中成岩A期到中成岩B期，盖层相对较厚，但是多发育粉砂质泥岩，泥质粉砂岩和砂质泥岩互层，泥岩厚度较薄、均一性较差，导致突破压力最低，仅为5~6 MPa，并未对天然气形成有效的遮挡，封盖能力最差，最终导致山西组下部天然气穿过上石盒子组盖层，继续向上进行扩散。由于石千峰组泥岩厚度最大且分布稳定，厚度普遍超过120 m，成岩阶段处于中成岩A期，突破压力较大，普遍超过7 MPa，为上古生界气藏提供了良好的区域性盖层，封盖能力相对较好。因此向上逃逸的天然气，在石千峰组底部储集层中聚集形成一定规模气藏（W-24井、W-29井、W-19井），其平均无阻流量为0.39×104 m3 /d（表2）。
5 结论
（1）鄂尔多斯盆地东部地区泥岩盖层累计厚度在南部地区和北部地区分布存在一定差异，南部地区较厚，连续性好，北部地区相对较薄。石千峰组泥岩累积厚度普遍较厚，上石盒子组次之，山西组泥岩厚度最薄。
（2）研究区各层段盖层突破压力差异较大，山西组泥岩突破压力最大，平均实测突破压力为9.37 MPa；石千峰组次之，平均实测突破压力为5.29 MPa；上石盒子组最低，平均实测突破压力为2 MPa。在平面上，每套盖层突破压力分布趋势基本一致，南部地区突破压力最高，北部地区较低。
（3）石千峰组泥岩厚度最大，且处于中成岩A期，泥岩塑性高，其泥岩突破压力相对较高，盖层的封盖性能较好，为全区的区域盖层；而上石盒子组盖层相对较厚，成岩阶段介于中成岩A期到中成岩B期，但是泥岩、粉砂岩以及砂质泥岩互层频繁，泥岩非均一性强，盖层突破压力最低，对南部局部地区的油气并未形成有效封盖，盖层的封闭性最差；山西组盖层厚度较薄，但埋深较大，处于中成岩B阶段，盖层更加致密，其泥岩突破压力最高，封闭性能最好，为下伏本溪组—山西组源内成藏的油气提供直接盖层。
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