0 引言

盖层的封盖性能对天然气藏的形成与保存起着决定性作用，是决定气藏形成与保存的重要条件^[1]。勘探实践表明，因天然气更容易逸散，故气藏形成与保存所要求的盖层条件比油藏高得多。近年来，因研究的深入及天然气勘探开发需要，盖层封盖性能的研究也成为研究热点之一^[2]。国外对于盖层的研究主要集中于泥岩封闭机理、盖层完整性等方面对封盖性能的影响^[3]，如Lash^[4]研究了盖层封盖性能的演化、Teige等^[5]研究了盖层完整性的评价方法、Nygard等^[6]对泥岩盖层裂缝进行了研究，从而评价封盖性能。国内针对盖层的研究主要包括超压盖层定量评价研究^[7-8]、多参数盖层评价研究^[9-10]、盖层宏观与微观特征相结合研究^[11]、通过盖层突破压力与比表面积联合进行盖层研究^[12]及采用测井信息进行盖层封盖研究^[13]等。此外，泥岩盖层封盖性能研究目前主要采取的方法有：采用灰色关联分析将盖层各种参数结合起来对盖层封盖性能进行定量评价^[14]、对各类评价参数按影响程度赋权值并采用加权平均评价盖层封盖性能^[15]、选取评价参数并采用模糊综合评价方法研究盖层封盖性^[16]等。

尽管盖层研究取得了丰硕成果，但在鄂尔多斯盆地东南部对盖层封盖性能的研究较为匮乏，尚不能满足天然气勘探开发需要。因此，亟需对盆地东南部泥岩盖层封盖性能做出全面评价。本文主要选取泥岩厚度、泥岩孔隙度及渗透率、泥岩盖层排替压力4个参数，运用灰色理论系统方法对盆地东南部泥岩盖层进行综合定量评价，以填补本区盖层评价的空白，并为后续天然气勘探开发提供一定的指导。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地北起阴山、大青山，南抵秦岭，向西延伸至贺兰山、六盘山，东达吕梁山、太行山^[17]。盆地面积约32万km²，是我国第二大沉积盆地^[18]，蕴含丰富的油、气、煤炭等矿产资源。目前，盆地北部已经发现了苏里格、乌审旗、榆林、大牛地等大型气田^[19]。

鄂尔多斯盆地为克拉通盆地，构造简单，除盆地边缘断裂、褶皱较发育外，内部总体为一简单西倾大单斜^[20]，整体东南高、西北低，南北差异较小，构造发育少，仅在局部存在一些小的鼻隆构造。根据基岩埋深、现今构造等基本地质条件，盆地可划分为6个一级构造单元：伊盟隆起、渭北隆起、天环坳陷、晋西挠褶带、伊陕斜坡、西缘断褶带^[21](图 1)。

盆地内上古生界自下至上发育地层为：上石炭统本溪组，下二叠统太原组、山西组，中二叠统下石盒子组、上石盒子组，上二叠统石千峰组^[22]。山西组发育于太原组之上，以深灰色、灰黑色泥岩为主，砂岩大多为灰色、灰绿色粉砂岩、粉细砂岩，煤层广泛发育，厚度相差不大。

研究区位于鄂尔多斯盆地东南部，区域构造上位于伊陕斜坡内，总体地形较为平坦，地层总体东厚西薄、北厚南薄。

2 盖层封盖机理

盖层是指位于储集层上方、能阻止聚集中烃类流体向上逸散的岩层^[23]。目前，公认的泥岩盖层封盖机理主要有物性封闭、压力封闭以及烃浓度封闭。其中，物性封闭为最常见、最普遍的封闭机理^[24]。

物性封闭是由于盖层与储集层之间的物性差异引起毛细管压力的差异而造成盖层对油气的封闭作用^[25]。作为盖层最主要、最普遍的封闭机理，只要岩石物性上存在差异，就可形成一定的物性封闭(图 2)。

目前，评价盖层物性封闭能力的参数主要有盖层排替压力、渗透率、孔隙度以及微观孔隙结构等^[26]，天然气向上运移过程中，只有当驱使天然气运移的动力小于或者等于盖层排替压力时，盖层才能对天然气起封隔作用^[27]。

3 泥质岩盖层评价参数

盖层质量的好坏决定能否成藏及形成气藏的大小和数量，其空间展布范围控制着气藏的分布。封盖质量的好坏主要反映在微观封闭能力的强弱和宏观展布面积的大小上，当其封闭能力较强、展布面积较大时，对天然气的封盖较好^[28]。

为研究盖层封盖性能，选取泥岩盖层厚度、孔隙度、渗透率及排替压力4个参数对鄂尔多斯盆地东南部盖层封盖性能进行评价。

3.1 泥岩厚度

泥岩厚度为低能沉积环境的物质表现，可以很好地表征泥岩盖层空间的展布范围^[29]。一般情况下，泥岩单层厚度越大，空间展布范围也就越大；反之，则越小。

鄂尔多斯盆地东南部山西组曲流河三角洲发育，沉积物同时受南、北三角洲供源，水动力条件较弱，因此盆地山西组泥岩发育较广泛，且山2段与山1段泥岩在厚度与展布上存在一定的差异(图 3)。

山2段泥岩厚度最大值为56.5 m，平均值为32.6 m，北厚南薄，中部延安地区亦较厚，整体山2段泥岩厚度有从北向南减薄的趋势，南部富县、洛川等地周围因距南部三角洲较近，水动力较强，泥岩厚度最薄(图 3a)。山1段泥岩最大值为57.9 m，平均值为34.5 m，泥岩厚度40 m以上南北均有零星分布，以北东子州、子长及中部延安、安塞等地居多，其主要原因为研究区中部为南、北三角洲前缘末端，水动力较弱，砂体不发育，泥岩较厚，泥岩厚度较薄者主要分布于距南部三角洲较近的富县、黄陵等地区(图 3b)。

山西组泥岩厚度主要受三角洲发育情况及沉积相带控制：三角洲分流河道、河口坝等亚相砂岩较为发育，泥岩较薄；间湾、半深湖及沼泽等亚相水动力条件较弱，泥岩厚度较大且纯度较高。

3.2 盖层孔隙度及渗透率

泥岩孔隙度主要反映其压实程度，孔隙度越小，压实越致密，孔喉半径越小，渗透率越低，盖层封盖性能也越好；反之，则盖层封盖性能越差^[30]。孔隙度和渗透率对评价盖层的微观封闭性能非常重要。因此，为研究盖层的封盖性能，对鄂尔多斯盆地东南部山西组盖层的孔隙度及渗透率进行研究。由于本次研究缺乏泥岩压汞数据，故参考付广等^[31]对泥岩声波时差与孔隙度关系的研究及张文旗等^[32]对本研究区泥岩孔隙度、渗透率的研究成果，建立声波时差与孔隙度、渗透率之间的函数关系。

拟合泥岩孔隙度与声波时差之间的函数关系，可以得出两者之间的关系式为

式中：φ为泥岩孔隙度，%；Δt为泥岩声波时差，1/V。

渗透率与孔隙度一般情况下呈指数或幂函数关系，结合前人研究资料及实际取心资料，建立二者之间的关系模型为

式中，k为泥岩渗透率，mD^①。

① 豪达西(mD)为非法定计量单位，1 mD=10^-3 μm²，下同。

据上述关系模型研究整个区域山2段、山1段孔隙度和渗透率的变化范围，进而对其分布进行分析。山西组整体孔隙度为0~3%的，渗透率一般为0~4×10^-3 mD。山2段孔隙度分布相对集中，主要以0.500%~2.000%为主，整体孔隙度略高，最大值可达2.993%，平均值为1.308%；与孔隙度变化相似，山2段渗透率亦较大，最大值为3.700×10^-3 mD，最小值为0.014×10^-3 mD，平均值为1.600×10^-3 mD。山1段孔隙度分布相对分散，以0.500%~1.000%最发育，整体较山2段低，最大值为2.885%，平均值为1.141%；其渗透率分布相对集中，最大值可达3.600×10^-3 mD，最小值为0.011×10^-3 mD，平均值为1.400×10^-3 mD。

平面分布上(图 4)，盆地东南部山2段孔隙度和渗透率呈从南、北向中部增高的趋势，高值区主要集中于中部延安、吴旗以及延川等地，呈土豆状零星分布，主要与研究区中部为三角洲前缘前端，水动力较弱、泥岩发育较厚且较纯有关；低值区则以延长、石湾及黄龙等地为主(图 4a、b)。山1段孔隙度与渗透率东南部较低，中-西北偏高，高值主要集中于甘泉、志丹附近，子州、定边、吴旗等地周围低值区普遍发育(图 4c、d)。

由于盆地东南部山西组南北三角洲较为发育，且面积较广，朵体较大，砂质含量高，因此，导致山西组泥质纯度差，孔隙度及渗透率偏高，但局部盖层发育质量亦较好。

3.3 盖层排替压力

盖层排替压力是指岩石中润湿相流体(孔隙水)被非润湿相流体(油或气)排替所需要的最小压力，在数值上近似等于岩石中最大连通孔隙的毛细管压力，是评价盖层物性封闭能力最直接、最根本的参数。

借鉴李明瑞等^[33]对鄂尔多斯盆地石千峰组盖层排替压力与泥岩声波时差之间的函数关系研究，计算出研究区512口井的排替压力值，编制出山西组排替压力等值线图(图 5)。

盆地东南部山2段盖层排替压力主要集中在8~11 MPa的范围内，其余分布较少，排替压力较高值主要集中在北部靖边、子州等地区，西部定边周边少量分布，南部则主要以低值区为主(图 5a)。这主要是由于南部及西北、东北为三角洲发育地区，砂体发育较多、泥岩较少的缘故。总体来看，山2段排替压力大于9.75 MPa占40%以上，北部封盖性能较好，主要为靖边、子长、志丹等地区。

山1段排替压力主要集中于9~10 MPa范围内，普遍中等偏高。较高值分布于研究区中部安塞、志丹等地，从盆地中心向周围排替压力有逐渐减小的趋势，低值区主要在南部(图 5b)。总体上，山1段排替压力大于9.75 MPa的占大多数，且主要在中部地区，南、北部由于受三角洲的影响，泥岩厚度偏小，排替压力较低。

由排替压力剖面可知：1) 横剖面上(图 6a)，排替压力呈从西向东逐渐增大的趋势，A4井、A5井排替压力高值较多，含气性好；纵剖面上(图 6b)，排替压力由北向南呈减弱趋势，B3井高值较多。同时，含气性好的区域，排替压力一般为9.5 MPa以上。2) 横、纵剖面上(图 6c)，含气层较发育的井上下泥岩排替压力均较大，泥岩发育较纯。上部泥岩为含气层提供了很好的封盖条件，下部泥岩既阻止天然气向下逸散，同时也是天然气形成时优质的烃源岩，保证了天然气的生成与聚集，形成大型气藏。

4 封盖性能综合评价 4.1 封盖性能评价

随着对天然气藏研究的不断深入，目前已在琼东南盆地^[34]、松辽盆地^[35]、东营凹陷^[36]等诸多盆地开展了泥岩盖层评价研究。此次，为明晰盆地东南部山西组盖层的发育情况以及其对天然气的封盖性能，在前人研究基础上，采用灰色系统理论方法对盖层封盖性能进行评价。灰色理论系统是指既含已知又含未知的分析方法或系统^[37]，此方法在储层评价研究中应运较为广泛，主要包括子、母系列的选定、关联系数、关联度以及关联矩阵的计算等步骤。

1) 参数选定及子、母序列

本次评价选取的参数为盖层排替压力、泥岩厚度、盖层孔隙度及渗透率。母序列为按一定顺序排列的数量指标，即为所选用的评价参数，记为

子序列为各项参数值的有序排列，考虑主因素的m个子因素，则子序列为

2) 原始数据变换

确定了母、子序列后，构成原始数据矩阵：

对原始数据做变换以消除量纲间的差异。常用的变换方法有：初值化、归一化。

初值化方法表述如下：

归一化方法表述如下：

式中：i =1，2，…，m；t =1，2，3，…，n。

3) 计算关联系数和关联度

若记变换后的母序列为{X’_t⁽⁰⁾(0)}，子序列为{X’_t⁽⁰⁾(i)}，计算出同一观测时刻子因素与母因素观测值之间的绝对差及其极值分别为：

式中：i =1，2，…，m；t =1，2，3，…，n；Δ_t(i, 0) 为某一时刻比较序列的绝对差；Δ max、Δ min为所有比较序列各时刻绝对差中的最大值和最小值；、分别为关于t和i取极大值、极小值。因比较序列均相互相交，所以Δ min一般取0。

母序列与子序列的关联系数L_t (i，0) 为

式中，ρ为分辨系数，其目的是提高关联系数之间的差异显著性，ρ ∈(0，1)。而各子因素对母因素之间的关联度γ_i，0为

式中，γ_i，0的取值范围为0.1~1.0。子因素与母因素之间的关联度愈接近1，表明它们之间的关系愈紧密，反之亦然。

4) 权系数的确定

各因子的权系数为各项关联度与其总和之比：

综上，就得到各评价参数之间的相互关系，进而对盖层封盖性能全面综合打分，评价封盖性能好坏。

对选取的4个参数进行标准化(表 1)。其中，排替压力与泥岩厚度越大，盖层的封盖性能较高；渗透率与孔隙度越小，盖层封盖性越好。

据灰色理论，确定选取参数的权系数，将各参数标准化后的值与其对应的权系数相乘，就可得到各参数单项得分，将各单项得分相加可得综合得分。根据综合得分大小，将盆地东南部泥岩盖层分为4类(表 2)。其中，Ⅰ类盖层对天然气封盖性能最好，Ⅱ类盖层为较好，Ⅲ类为中等，Ⅳ类盖层封盖性能最差。

综合定量打分可得，山2段整体Ⅰ、Ⅱ类盖层发育较多，其中Ⅰ类盖层主要分布在盆地北部子州、子长地区，西部定边、中部延长以及南部黄龙等地区附近Ⅰ类盖层少量发育且呈南北向展布；Ⅱ类盖层则分布较为广泛，但以盆地北部较多；Ⅲ、Ⅳ类盖层则主要集中于研究区边缘地区(图 7a)。

山1段同山2段类似，Ⅰ类盖层则主要集中于北部子州、绥德等地，Ⅱ类盖层则广泛分布于研究区北部及东南部地区，Ⅲ、Ⅳ类盖层主要集中于研究区中偏西南部(图 7b)。随着海陆变迁与沉积物不断供给，盆地东南部山西组三角洲发育面积自山2段向山1段逐渐扩大，因此，山1段Ⅰ类盖层分布范围较山2段小，西部定边、中部志丹、延川等地区周围Ⅰ类盖层亦较发育，南部发育很少。与山2段相比，山1段Ⅱ类盖层分布面积较广。

泥岩盖层分布情况主要受三角洲发育情况限制，三角洲分流河道、河口坝等沉积亚相砂岩发育，泥岩较薄且泥质不纯，孔隙度及渗透率较大，盖层封盖性能较差，以Ⅲ、Ⅳ类盖层为主；泛滥平原、沼泽等亚相泥岩较发育且纯度高，排替压力大，Ⅰ、Ⅱ类盖层较发育，对天然气封盖性能较好。

天然气赋存过程中，Ⅰ、Ⅱ类盖层对天然气的封盖作用较好。鄂尔多斯盆地东南部山西组Ⅰ、Ⅱ类盖层发育可达50%以上，对天然气的封盖作用较好，这与山西组为研究区主要产气层段相呼应。

4.2 评价结果与实际勘探

盆地东南部天然气勘探开发及试气结果表明，随着盖层综合打分的增加，无阻流量增大，两者呈正相关性(图 8)。延长、子长、延安、志丹等地区附近单井日产气上万方，最高日产气可达两万多方，且高产井周边Ⅰ、Ⅱ类盖层较为发育，泥岩盖层封盖性能强，加之储层发育较好，这可能是在这些井山西组获得高产的重要原因。

因此，盖层评价结果与实际勘探开发情况呈较好的相关性，可以为后续的勘探提供一定指导作用。

5 结论

本文从盖层宏观发育特征及展布、泥岩盖层物性特征以及排替压力角度出发，对盖层封盖性能运用灰色理论进行综合打分研究。研究表明：

1) 山西组泥岩最厚57.9 m，泥岩以北东部较厚，且呈由北向南逐渐减薄的趋势；山西组整体泥岩孔隙度与渗透率偏高，泥岩厚度及其物性主要受控于三角洲亚相分布，分流河道、河口坝等亚相砂岩较发育，泥质不纯，故其孔、渗均较高；泛滥平原、沼泽等亚相泥岩较为发育，纯度高，故其孔、渗较低。

2) 盆地东南部山2段排替压力以8~11 MPa为主，以靖边、子州等地较高、南部较低；山1段排替压力主要集中于9~10 MPa范围内，呈由盆地中心向周围逐渐较小趋势，低值主要分布于南部。其主要原因为研究区南部等地离物源较近，砂岩较发育，泥质不纯，故其排替压力较低；中部等地主要为三角洲前缘沉积，水动力较弱，泥岩纯度较高，排替压力较大，封盖性能较好。

3) 经灰色理论打分评价，山西组整体盖层封盖性能较好，Ⅰ、Ⅱ类盖层分布较广泛，Ⅰ类盖层主要分布于盆地北部、北东部，中部延长、延安等地区周边。

研究表明，盖层封闭性评价结果与实际勘探结果吻合较好，可为后续的勘探开发提供参考。