范 明，陳宏宇，俞凌杰，張文濤，劉偉新，鮑云杰

(中國(guó)石油化工股份有限公司 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214151)

1 概述

理論上泥巖對(duì)天然氣的封蓋存在3種機(jī)理[1-10]，即毛管壓力封閉、超壓封閉及濃度封閉。這3種方式從本質(zhì)上來(lái)講主要是毛管壓力封閉，如果毛管壓力封閉失效，依靠其他2種方式對(duì)天然氣進(jìn)行封閉，其封閉能力是有限的，很難形成工業(yè)氣藏。因此毛管壓力封閉是天然氣蓋層封閉機(jī)理的本質(zhì)所在。目前用于評(píng)價(jià)天然氣蓋層封閉能力的評(píng)價(jià)參數(shù)主要有孔隙率、滲透率、擴(kuò)散系數(shù)以及決定封蓋能力的突破壓力等參數(shù)。泥巖蓋層對(duì)天然氣的封閉性能主要取決于泥巖在飽和地層水條件下對(duì)天然氣的突破壓力，也就是取決于泥巖對(duì)游離相天然氣的封蓋能力。

眾所周知，膏鹽巖是很好的蓋層，但是膏鹽巖的物性參數(shù)并不比泥巖好，其突破壓力往往只有幾兆帕，一般不大于10 MPa。而有些泥巖的突破壓力卻高達(dá)30 MPa，如果僅憑突破壓力大小就認(rèn)為泥巖比膏鹽巖的封蓋性能好，這顯然不合適。那么突破壓力值又該如何用來(lái)判斷蓋層的優(yōu)劣呢？如何綜合成巖作用、構(gòu)造演化、微觀指標(biāo)參數(shù)對(duì)蓋層的封蓋能力做出客觀的評(píng)價(jià)成為蓋層評(píng)價(jià)中的一個(gè)難點(diǎn)。目前常用的幾種單一指標(biāo)均存在一定的局限性，下面分別就常規(guī)參數(shù)局限性進(jìn)行分析。

2 泥巖常規(guī)參數(shù)特征及封蓋有效性評(píng)價(jià)的缺陷

2.1 孔隙率參數(shù)

孔隙率是蓋層評(píng)價(jià)中最基本的參數(shù)，普遍認(rèn)為泥巖蓋層的孔隙率越大，蓋層的封蓋性能越差。由于泥巖初始沉積時(shí)孔隙率高達(dá)50%以上，在早成巖階段，具有一定封蓋能力的泥巖仍可具有較高的孔隙率。如貴州黔南坳陷麻江紅花園組、翁項(xiàng)群加里東期古油藏的有效區(qū)域蓋層為翁四段泥巖，從區(qū)域沉積厚度看其厚度分布于260～450 m 之間，志留紀(jì)沉積末期其埋深一般在500 m，處于早成巖階段，因此，具備500 m埋深、累計(jì)厚250 m的泥巖可作為有效蓋層的條件[11]。

圖1 各時(shí)代泥巖樣品孔隙率統(tǒng)計(jì)

南方海相碳酸鹽巖地區(qū)志留系露頭剖面的泥巖由于受到風(fēng)化淋濾作用的影響，有時(shí)也會(huì)表現(xiàn)為較高孔隙率，盡管井下樣品不會(huì)有這么高的孔隙率，但對(duì)南方而言，樣品主要來(lái)自野外地質(zhì)剖面，所以對(duì)野外地質(zhì)樣品的評(píng)價(jià)才是蓋層評(píng)價(jià)的主體。筆者統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)不同地區(qū)的700多件泥巖樣品的孔隙率數(shù)據(jù)(圖1)，不管時(shí)代新老，野外地質(zhì)樣品的孔隙率變化范圍均較大。如貴州威信張家村—石坎剖面志留系泥巖樣品孔隙率高達(dá)32%，由此而推斷該地區(qū)志留系已不具封蓋能力則有失偏頗。而中生代樣品的孔隙率反而整體比其他樣品要低，這反映了風(fēng)化作用以及裂隙的影響會(huì)導(dǎo)致孔隙率參數(shù)變大，僅憑孔隙率參數(shù)很難用于評(píng)價(jià)深埋于地下的蓋層的封蓋性能。

2.2 滲透率參數(shù)

滲透率參數(shù)也是評(píng)價(jià)蓋層封蓋性能的常用參數(shù)，但是由于地表剖面樣品的滲透率是巖石應(yīng)力釋放后所表現(xiàn)出來(lái)的滲透性能，應(yīng)力的釋放導(dǎo)致泥巖微裂隙由非開(kāi)啟狀態(tài)變成了開(kāi)啟狀態(tài)，滲透率變大，這種變化帶有不均一性和偶然性(圖2)。同一層位的樣品，從外觀及其它參數(shù)看，沒(méi)太大差別，但由于微裂隙的存在，使得滲透率參數(shù)相差較大。所以用滲透率進(jìn)行蓋層評(píng)價(jià)時(shí)，若巖性相同，滲透率差別較大，表明該區(qū)蓋層樣品中微裂隙較為發(fā)育。若僅用滲透率參數(shù)劃定某一指標(biāo)，則很難客觀評(píng)價(jià)蓋層的封蓋性能。

圖2 各時(shí)代泥巖樣品滲透率統(tǒng)計(jì)

2.3 泥巖成巖作用對(duì)封蓋性能的影響

張長(zhǎng)江等[11]對(duì)南方志留系泥質(zhì)巖蓋層的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究表明，在所有成巖作用階段，泥巖的封蓋性能以中成巖期早期為最好，此時(shí)泥巖進(jìn)入固結(jié)階段，鏡質(zhì)體反射率為0.5%～0.65%；并以鏡質(zhì)體反射率作為一項(xiàng)指標(biāo)對(duì)泥巖的封蓋性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)(表1)。但僅以反射率作為泥巖封蓋性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)殓R質(zhì)體反射率是反應(yīng)泥巖中有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷過(guò)的最高溫度，而泥巖的封蓋性能與構(gòu)造破壞的關(guān)系更加密切。

2.4 突破壓力參數(shù)

在此，首先區(qū)分幾個(gè)反映蓋層封蓋能力的壓力參數(shù)：一是壓汞(含吸附)突破壓力[12-13]，二是驅(qū)替法突破壓力，三是排替壓力。有些學(xué)者將排替壓力與突破壓力相混，所以得到了不同的結(jié)論和劃分標(biāo)準(zhǔn)。

壓汞(含吸附)突破壓力的測(cè)定是通過(guò)壓汞法—吸附法聯(lián)合測(cè)得巖石的全孔徑毛管壓力曲線，在曲線以10%氣/水飽和度所對(duì)應(yīng)的壓力作為突破壓力，該方法不是直接采用氣/水兩相進(jìn)行測(cè)試，而是將氣/汞條件換算得到的氣/水條件下的毛管壓力曲線。盡管參數(shù)的獲得帶有一定主觀和經(jīng)驗(yàn)成分，但是作為蓋層的評(píng)價(jià)參數(shù)，突破壓力應(yīng)該是最直觀有效的。通常所說(shuō)的突破壓力即指該方法測(cè)定的突破壓力值。

表1 中國(guó)南方志留系泥巖蓋層評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]

氣驅(qū)替法測(cè)定突破壓力，即將巖心飽和地層水，在巖心后端用氣進(jìn)行驅(qū)替，驅(qū)替壓力不斷增加直至巖心后出現(xiàn)氣泡，這種方法更為直觀。盡管2種方法所測(cè)定的物理量都具有相同的物理意義，但由于方法的差別較大，所以測(cè)量值存在一定的差異，再加上氣驅(qū)法突破壓力測(cè)定周期較長(zhǎng)，測(cè)量值最大允許誤差可達(dá)15%，所以通常突破壓力是以壓汞法—吸附法聯(lián)合測(cè)定而得到。

排替壓力(孫明亮等[1])則是以壓汞法得到的毛管壓力曲線，在曲線變平緩的第一個(gè)拐點(diǎn)處的進(jìn)汞壓力則是排替壓力。由于該壓力值是壓汞時(shí)的進(jìn)汞壓力，并沒(méi)有換算為氣—水兩相條件下氣突破水的壓力，所以該值比壓汞法—吸附法聯(lián)合測(cè)定的突破壓力值要大5.25倍。該值不能作為蓋層的突破壓力參數(shù)，僅作為儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和油氣田開(kāi)發(fā)中常用的評(píng)價(jià)參數(shù)。

作為蓋層評(píng)價(jià)的主要參數(shù)，突破壓力應(yīng)該是最直觀有效的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示(圖3)，各時(shí)代蓋層的突破壓力差異較大，白堊系泥巖顯示的平均突破壓力高于其它地層，最高的突破壓力出現(xiàn)在志留系的泥巖中，由于壓汞法—吸附法聯(lián)合測(cè)定得到突破壓力主要受孔隙結(jié)構(gòu)的影響,而無(wú)法反應(yīng)裂隙發(fā)育的情況，所以很難用這一單一的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)蓋層的封蓋性能。

綜上所述，目前很難用單一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)蓋層的封蓋性能，必須采用多指標(biāo)體系進(jìn)行綜合判識(shí)。

圖3 各時(shí)代泥巖樣品突破壓力統(tǒng)計(jì)

3 突破壓力與比表面積聯(lián)合判識(shí)蓋層的封蓋性能

巖石比表面積是指單位重量?jī)?nèi)巖石總表面積，即巖石內(nèi)部的內(nèi)表面積和外部的外表面積之和，它是巖石顆粒大小、孔隙發(fā)育程度、壓實(shí)程度、膠結(jié)程度的綜合反映，而這些影響因素正是評(píng)價(jià)泥巖蓋層封蓋性能所必須的幾個(gè)重要方面。一般而言，巖石的內(nèi)表面積遠(yuǎn)大于巖石的外表面積。由于該參數(shù)一般不受裂隙的影響，測(cè)定結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，其大小又可以用于判斷成巖作用的強(qiáng)弱，而成巖作用的強(qiáng)弱往往反映了裂隙發(fā)育的程度，因此該參數(shù)可以配合突破壓力參數(shù)對(duì)泥巖蓋層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。不管是埋藏壓實(shí)還是構(gòu)造擠壓，對(duì)泥巖的成巖作用的影響，最終總是表現(xiàn)為巖石比表面積的變小。

一般認(rèn)為當(dāng)突破壓力小于0.5 MPa時(shí)，蓋層不具有封蓋性，所以0.5 MPa以下的樣品為非蓋層樣品。從大中型天然氣藏與突破壓力的關(guān)系[14-17]可以看出，大中型氣田資源豐度大于10×108m3/km2主要集中在1～15 MPa的突破壓力范圍內(nèi)(圖4)。也就是說(shuō)，有些突破壓力并不高的氣藏，資源豐度卻可以很高，而有些突破壓力很高的地區(qū)蓋層的封蓋性能并不一定好。這也說(shuō)明，微觀檢測(cè)得到的高突破壓力蓋層，其成巖演化程度可能相對(duì)較高，封蓋性能反而變差。

鄭德文等(1994)以突破壓力對(duì)蓋層等級(jí)進(jìn)行了人為規(guī)定：能夠封閉1 000 m以上氣柱高度的蓋層為Ⅰ類(lèi)；封閉500～1 000 m氣柱高度的蓋層為Ⅱ類(lèi)；封閉200～500 m氣柱高度的蓋層為Ⅲ類(lèi)；封閉100～200 m氣柱高度的蓋層為Ⅳ類(lèi)。

4 泥巖蓋層封蓋性能模板的建立

根據(jù)以上分析，結(jié)合前人對(duì)蓋層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了以比表面積和突破壓力聯(lián)合判斷蓋層封蓋性能的模板(圖5)。即以比表面積為橫坐標(biāo)，以突破壓力為縱坐標(biāo)，在該系統(tǒng)中分別劃分出4類(lèi)蓋層及非蓋層區(qū)。

圖4 資源豐度與突破壓力關(guān)系[17]

圖5 中上揚(yáng)子區(qū)志留系泥巖蓋層封蓋性能等級(jí)劃分

以中上揚(yáng)子區(qū)志留系泥巖為例，北川通口剖面位于龍門(mén)山構(gòu)造帶的中部，志留系泥巖輕微變質(zhì)，測(cè)得的突破壓力均較小，表明樣品中幾乎沒(méi)有原生孔隙。其中有一個(gè)樣品的突破壓力為0.33 MPa，壓汞法測(cè)得的孔隙結(jié)構(gòu)主要反映的是泥巖的微裂隙空間，所以其突破壓力較??；另一個(gè)樣品的突破壓力雖然達(dá)到2.98 MPa，理論上能封住300 m左右的天然氣氣柱，但其比表面積僅為6.03 m2/g，從該模板上看，僅能評(píng)價(jià)為Ⅳ類(lèi)蓋層。綜合評(píng)價(jià)，該區(qū)的志留系泥巖的封蓋性能很差，不具有封蓋條件。

湖北恩施白果鄉(xiāng)志留系龍馬溪組的碳質(zhì)泥巖，盡管其突破壓力僅為5.86 MPa，且孔隙率達(dá)到17.33%，但其比表面積達(dá)到19.24 m2/g，表明該區(qū)志留系泥巖中微孔較為發(fā)育，盡管孔隙率較大，但仍可作為較好的蓋層，在該模板中評(píng)價(jià)為Ⅱ類(lèi)蓋層。

習(xí)水縣良村鎮(zhèn)剖面的下志留統(tǒng)3個(gè)泥巖樣品，比表面積分別為12.16,15.31,18.22 m2/g；突破壓力分別為9.29,15.97,15.97 MPa，按照本模板，其蓋層類(lèi)型應(yīng)劃為Ⅰ-Ⅱ類(lèi)，表明該區(qū)下志留統(tǒng)泥巖具有較好的封蓋性能。

突破壓力與比表面積雙參數(shù)蓋層評(píng)價(jià)模板具有一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)用價(jià)值，可作為南方高演化地區(qū)蓋層樣品評(píng)價(jià)的模板，但是，由于在已知油氣藏的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中很少對(duì)泥巖蓋層進(jìn)行取心，即使取心也很少進(jìn)行比表面積的測(cè)定，因此該模板缺乏已知油氣藏實(shí)例的驗(yàn)證，對(duì)該模板的有效性還有待進(jìn)一步的資料加以證實(shí)和補(bǔ)充。

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