李永豪，曹 劍，胡文瑄，陸現(xiàn)彩，范 明，張殿偉，洪冬冬

(1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.中國(guó)石化 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； 3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083)

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膏鹽巖油氣封蓋性研究進(jìn)展

李永豪1，曹 劍1，胡文瑄1，陸現(xiàn)彩1，范 明2，張殿偉3，洪冬冬1

(1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2.中國(guó)石化 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； 3.中國(guó)石化 石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083)

膏鹽巖是全球范圍內(nèi)最為重要的一種油氣蓋層，越來(lái)越多的勘探實(shí)例顯示膏鹽巖油氣封蓋性差異顯著。為加強(qiáng)對(duì)這個(gè)科學(xué)問(wèn)題的理解，綜述了此領(lǐng)域的研究進(jìn)展。結(jié)果表明，膏鹽巖的成因主要有膏鹽盆和薩布哈兩種，分別呈環(huán)帶狀和平行岸線的帶狀分布。前者分布廣、厚度大，最具封蓋意義。膏鹽巖的封蓋機(jī)理主要包括物性、超壓和塑性三重封閉。膏鹽巖的溶蝕在垂向上可劃分為4個(gè)帶：頂部溶蝕帶、斷層溶蝕帶、層內(nèi)水溶蝕帶和底部溶蝕帶；平面上可劃分為3個(gè)區(qū)：巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶盆地。在評(píng)價(jià)膏鹽巖封蓋性時(shí)，要多方面綜合考慮。首先是內(nèi)因，即膏鹽巖的分布面積、完整度與厚度等。在此基礎(chǔ)上再分析溶蝕作用和構(gòu)造作用(外因)對(duì)封蓋性的影響。評(píng)價(jià)的定量化是發(fā)展趨勢(shì)，尤其是溶蝕和構(gòu)造作用(外因)對(duì)膏鹽巖封蓋性的影響，目前的研究還處于探索階段，這是今后工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

有效斷接厚度；溶蝕作用；構(gòu)造作用；膏鹽盆；膏鹽巖;油氣蓋層

膏鹽巖顧名思義是一種主要由膏巖和鹽巖類沉積巖組成的蒸發(fā)巖,因結(jié)構(gòu)致密,孔縫不發(fā)育,且具有極強(qiáng)的可塑性和流動(dòng)性,所以通常被視為優(yōu)質(zhì)的油氣封蓋層[1-7],是全球許多大型油氣田的主要蓋層[8-13]。根據(jù)Klemme統(tǒng)計(jì)，在全球334個(gè)大型油氣田中，以鹽巖和石膏為蓋層的占到了33%[14]。國(guó)內(nèi)最大的海相氣田(普光)和陸相氣田(庫(kù)車)也均是以膏鹽巖為蓋層，因此膏鹽巖的油氣封蓋性研究對(duì)于油氣勘探具有十分重要的意義。然而，長(zhǎng)久以來(lái)，該領(lǐng)域并無(wú)系統(tǒng)深入的研究，主要原因在于傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，膏鹽巖不象另一種主要的油氣蓋層泥頁(yè)巖發(fā)育孔縫[15]，而且又具有可塑性和強(qiáng)流動(dòng)性[16]，因此在蓋層研究中，只需刻劃膏鹽巖的分布即可[17]。

但是，越來(lái)越多的勘探實(shí)例，比如在中國(guó)南方，顯示并非有膏鹽巖分布的地區(qū)均為有利勘探區(qū)[18]。膏鹽巖在一定條件下，如流體環(huán)境中，易受溶蝕[19]，所以有必要加強(qiáng)對(duì)膏鹽巖油氣封蓋性的認(rèn)識(shí)。有鑒于此，本文綜述這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展，包括膏鹽巖成因模式、油氣封蓋性影響因素與評(píng)價(jià)等內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上分析未來(lái)研究方向，為今后的深入研究和勘探提供參考信息。

1 膏鹽巖成因

膏鹽巖的成因是膏鹽巖研究的基本內(nèi)容，它決定了膏鹽巖的分布，因此具有重要意義。其研究通常主要從探討鹽類物質(zhì)的來(lái)源和沉積環(huán)境著手[20]。一般而言，鹽類物質(zhì)來(lái)源主要有兩種。一是深部，即深部熱液/鹵水通過(guò)深大斷裂等通道上涌，將鹽類物質(zhì)攜帶至地表而沉積成鹽[21]。在這種情況下，膏鹽巖一般集中分布于大斷裂處[22]。另一種鹽類物質(zhì)是淺表來(lái)源，通常為蒸發(fā)成鹽。由于深部來(lái)源的膏鹽巖通常沿?cái)嗔逊植?，較易于識(shí)別和預(yù)測(cè)。因此，此處主要分析具有區(qū)域性分布特征的蒸發(fā)成鹽。

對(duì)于蒸發(fā)成鹽，前人已提出了多種成因觀點(diǎn)，如“潮上薩布哈”[23-24]、“高山深盆成鹽”[25]、“深水深盆”[26-27]、“干化深盆”[28]以及“表海臺(tái)地成鹽”[29]等。如此多的成鹽模式說(shuō)明了鹽類沉積的復(fù)雜性，但無(wú)論何種成因模式，有一點(diǎn)是公認(rèn)的，即這類膏鹽類沉積必須形成在水體的總蒸發(fā)量超過(guò)總補(bǔ)給量的環(huán)境中，干旱炎熱的氣候條件是必要的[30]。

地表蒸發(fā)成鹽的成因總體可歸結(jié)為“潮上薩布哈”和“水下濃縮沉淀”兩個(gè)大類。其中，潮上薩布哈型膏鹽巖主要發(fā)育于半干旱-干旱氣候條件下的潮上沉積環(huán)境，強(qiáng)蒸發(fā)作用導(dǎo)致潮上帶沉積物粒間水分減少，濃度增大而結(jié)晶沉淀出礦物。這類蒸發(fā)巖通常成層性較差，具有大量典型的礦物學(xué)與沉積學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，如硫酸鹽結(jié)核、石膏晶體和假晶、石鹽外殼、含潮坪卵石的礫巖、大量的侵蝕表面構(gòu)造、藻紋層、印模和干裂紋等[31-32]。平面上發(fā)育于靠陸一側(cè)，呈平行岸線的帶狀分布[33]。四川盆地東北部下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組的含膏鹽巖層系，屬于典型的潮上薩布哈型(圖1a)，基本上由薄層狀膏巖夾膏質(zhì)鮞粒云巖及泥晶云巖互層的蒸發(fā)潮坪旋回構(gòu)成[34-35]。層序內(nèi)膏鹽巖以不規(guī)則狀、腸狀為主，呈現(xiàn)與海岸線平行的帶狀分布，層序中的泥晶白云巖中含有數(shù)量不等的石膏、硬石膏結(jié)核、針狀和板狀晶體。許多潮上帶、潮間帶的相標(biāo)志存在于層序中，如各種暴露標(biāo)志、潮汐層理、潮道充填構(gòu)造、風(fēng)暴潮礫石、生屑層、藻紋層、不規(guī)則紋層、遞變紋層和變形紋層等[35]。部分層序泥晶白云巖中的石膏與硬石膏結(jié)核溶蝕后形成孔穴，從而成為良好的儲(chǔ)層。

相比而言，水下濃縮沉淀型膏鹽巖主要發(fā)育于半干旱-干旱氣候條件下的穩(wěn)定蓄水體(如潟湖、凹陷)內(nèi)，由強(qiáng)蒸發(fā)作用導(dǎo)致水體鹽度增加，高鹽度水體回流于低凹處而結(jié)晶析出鹽類沉積。這種成因的膏鹽巖通常表現(xiàn)出發(fā)育層位穩(wěn)定，成層性好，缺乏暴露標(biāo)志等基本特征。平面上，從沉積邊緣到中心，呈由泥巖—灰?guī)r—白云巖—膏巖—鹽巖過(guò)渡的環(huán)帶狀分布[34]。根據(jù)發(fā)育厚度和規(guī)模又可分出“蒸發(fā)潟湖”和“膏鹽盆”兩種類型[31]，顯然后者對(duì)油氣封蓋的意義更大。四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組，其膏鹽巖為典型的水下濃縮沉淀型(圖1b)，在盆地東南部和南部共存在3個(gè)厚度高值區(qū)，普遍在數(shù)十米以上。膏鹽巖圍繞這3個(gè)沉積中心呈環(huán)帶狀分布，厚度從中心向邊緣逐漸減小，為典型的膏鹽盆和蒸發(fā)潟湖沉積。龍王廟組井下膏鹽巖成層性較好，發(fā)育水平層理、塊狀層理和韻律層理等，且缺乏暴露標(biāo)志(膏鹽盆)。中寒武統(tǒng)陡坡寺組和中、上寒武統(tǒng)洗象池群的含膏鹽巖層展布特征與龍王廟組類似，反映了水下濃縮沉淀型膏鹽巖沉積的連續(xù)性，但厚度明顯減小，反映成鹽條件變差(蒸發(fā)潟湖)。

2 膏鹽巖油氣封蓋機(jī)理與控制因素

2.1 膏鹽巖油氣封蓋機(jī)理

如前所述，膏鹽巖類蒸發(fā)巖為石鹽、石膏等礦物從高鹽度水體中結(jié)晶析出所形成，因此通常結(jié)構(gòu)致密，孔隙度和滲透率極低，孔隙度多數(shù)在0.1%～0.3%，滲透率為10-9μm2級(jí)，最大喉道半徑小于1.8 nm[36]，因此具有極高的毛管突破壓力。如埋深較大的膏鹽巖排替壓力和突破壓力可超過(guò)30 MPa，有的甚至超過(guò)70 MPa(庫(kù)車坳陷克拉2井的突破壓力高達(dá)74 MPa)[37]，故具有很強(qiáng)的油氣封堵能力。

此外，從膏鹽巖的自身巖性變化看，以石膏為例，當(dāng)埋深大致超過(guò)2 000 m 時(shí)，會(huì)析出近一半體積的水，脫水轉(zhuǎn)變成硬石膏。這部分水因流通不暢而滯留在膏泥巖地層中,會(huì)引起泥巖欠壓實(shí)而形成超壓[37-40]。超壓與物性雙重封閉機(jī)制使得膏鹽巖的封閉性能極好，對(duì)鹽下油氣藏的保存極為有利。

圖1 典型膏鹽巖成因模式Fig.1 Typical genetic models of gypsolyte/saline rocksa.四川盆地東北部下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組薩布哈型[35];b.四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組水下濃縮沉淀型

膏鹽巖類巖石總體具有塑性特征[41]，因此不易被斷層切穿，可以有效地充填和封堵裂縫和小斷層，保護(hù)下伏的油氣藏不受破壞[42]，這種塑性和可流動(dòng)的特征還表現(xiàn)在膏鹽巖可以向上刺穿形成穹窿，對(duì)油氣產(chǎn)生側(cè)向封堵[43-44]，如以德國(guó)北部的Mittelplate油田為例，二疊系蒸發(fā)巖向上刺穿形成的穹窿對(duì)下侏羅統(tǒng)砂巖油藏形成了側(cè)向封堵作用[45](圖2)。膏鹽巖的塑性和可流動(dòng)特點(diǎn)使得膏鹽巖作為區(qū)域滑脫層，對(duì)鹽上和鹽下地層的構(gòu)造變形起著控制作用，形成一系列含油氣構(gòu)造圈閉，對(duì)油氣的聚集保存極為有利[46-47]。此外，當(dāng)膏鹽巖與鹽、泥層交互沉積時(shí)會(huì)大大增加鹽、泥巖的塑性，這也能提升膏鹽巖的封蓋性。

2.2 膏鹽巖油氣封蓋控制因素

研究表明，膏鹽巖的封蓋性受多種復(fù)雜因素影響，總體可分為兩類。首先是內(nèi)因，即膏鹽巖自身的發(fā)育規(guī)模、厚度和連續(xù)性；其次是外因，即其受溶蝕作用和構(gòu)造作用的影響。此外，考慮到膏鹽巖隨著成巖演化，在不同埋深條件下所處的脆性-塑性狀態(tài)不同，所以成巖演化階段也是一個(gè)重要的控制因素。

膏鹽巖的分布規(guī)模越廣，厚度越大，連續(xù)性越好，其封蓋性則越好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)40多個(gè)大、中型氣田中，中效氣藏[聚集速率介于10×106～100×106m3/(km2·Ma)]的膏鹽巖蓋層厚度均分布于40～100 m，而高效氣藏[聚集速率大于100×106m3/(km2·Ma)]的膏鹽巖蓋層厚度均大于100 m(圖3)[48]。此外，在研究膏鹽巖的封蓋性時(shí)，要考慮其分布的連續(xù)性，部分地方的缺失可能導(dǎo)致其封蓋性能降低甚至失效。如以四川盆地威遠(yuǎn)構(gòu)造，是盆地地表最大的構(gòu)造,但燈影組天然氣圈閉充滿度僅為25%,很重要的一個(gè)原因是20 Ma 以來(lái)威遠(yuǎn)構(gòu)造的隆升剝蝕，使得中-下三疊統(tǒng)區(qū)域性膏鹽巖蓋層遭到一定程度的剝蝕，其連續(xù)性受到破壞，進(jìn)而蓋層封蓋能力大大降低，保存條件變差，致使燈影組天然氣從威遠(yuǎn)構(gòu)造頂部地表下三疊統(tǒng)嘉陵江組天窗開(kāi)始泄漏和逸散[49]。膏鹽巖的發(fā)育規(guī)模、厚度以及連續(xù)性取決于區(qū)域構(gòu)造背景、古氣候條件和沉積格局。其中，構(gòu)造背景控制了區(qū)域沉積地形、沉積格局以及物源供應(yīng)，古氣候條件是膏鹽巖是否發(fā)育的決定性因素，而沉積格局和沉積古地形對(duì)于膏鹽巖的沉積規(guī)模起到了決定性作用。

圖2 Mittelplate油田東西向剖面蒸發(fā)巖側(cè)向封堵示意圖[42]Fig.2 Sketch map showing the lateral sealing of the evaporite rocks in the east-west section of the Mittelplate oil field[42]

如上所述，保存完好的膏鹽巖具有極好的油氣封蓋能力，但膏鹽巖極易被溶蝕[50-53]，在大氣降水、地層水等流體作用以及人類活動(dòng)(注水、開(kāi)采等)的影響下，膏鹽巖會(huì)發(fā)生巖溶作用，形成溶蝕洞穴、孔縫和溶蝕角礫等，甚至導(dǎo)致蒸發(fā)巖的局部缺失，孔隙度和滲透率升高，使蓋層的封蓋性顯著降低[44]。如鄂爾多斯盆地下奧陶統(tǒng)馬家溝組，馬五段發(fā)育碳酸鹽巖與膏鹽巖共生沉積，中奧陶世末，加里東運(yùn)動(dòng)使盆地整體抬升，膏鹽巖受到強(qiáng)烈溶蝕，孔隙度升高，形成溶蝕孔穴，甚至全部溶蝕形成空洞，喪失封蓋性能，成為儲(chǔ)集層[54]。除此之外，區(qū)域構(gòu)造作用也能對(duì)膏鹽巖封蓋性產(chǎn)生影響。具體而言，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，膏鹽巖發(fā)生側(cè)向流動(dòng)或向上刺穿，導(dǎo)致較薄的膏鹽巖蓋層在某些區(qū)域缺失而形成鹽焊接[55-56]，封蓋性受到破壞；但對(duì)于較厚的膏鹽巖蓋層，褶皺核部膏鹽巖增厚，而減薄處也不會(huì)斷裂形成鹽焊接，整體封蓋性較好。如橫跨土庫(kù)曼斯坦東部和烏茲別克斯坦西南部的阿姆河盆地，其天然氣資源總體相當(dāng)豐富，但在盆地內(nèi)查爾朱隆起南翼，因膏鹽巖蓋層較薄，斷裂構(gòu)造貫穿膏鹽巖層，向上斷至地表，成為油氣運(yùn)移通道，破壞了膏鹽巖蓋層的封蓋性能[57]。

圖3 中國(guó)部分大、中型氣田蓋層厚度與天然氣聚集速率關(guān)系[48]Fig.3 Statistics showing the relationship between the thickness of cap rocks and gas accumulation rate in some large and medium scale gas fields in China[48]

膏鹽巖在沉積后，要經(jīng)歷一系列的成巖演化，在埋深加大的過(guò)程中，石膏會(huì)脫水轉(zhuǎn)變成硬石膏，并且膏鹽巖由脆性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。當(dāng)膏鹽巖埋深較淺時(shí)，其處于脆性狀態(tài)，更易被斷層切穿，且容易遭受流體溶蝕淋濾；當(dāng)膏鹽巖埋深較大時(shí)，處于塑性狀態(tài)，在未經(jīng)受古溶蝕的情況下，其蓋層封閉性主要受構(gòu)造作用影響。因此，膏鹽巖的脆性-塑性轉(zhuǎn)換深度和時(shí)間是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。吳桐等[58]根據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則、Byerlee摩擦定律以及Goetze準(zhǔn)則[59-62]，估算了庫(kù)車坳陷庫(kù)姆格列木組膏巖由脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)換的埋深為1 740 m，脆-塑性向塑性轉(zhuǎn)換的埋深為3 400 m，為定量評(píng)價(jià)膏鹽巖的封蓋性提供了依據(jù)，但也有觀點(diǎn)認(rèn)為膏鹽巖本質(zhì)上是塑性流變的，因此無(wú)需研究其脆—塑性轉(zhuǎn)換特征[52-53]。因此，該問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

3 膏鹽巖溶蝕破壞模式

如前所述，膏鹽巖的溶蝕作用對(duì)其封蓋性影響較大。最近通過(guò)對(duì)下?lián)P子皖江地區(qū)三疊系周沖村組膏鹽巖研究發(fā)現(xiàn)，受區(qū)域流體活動(dòng)的影響，膏鹽巖的溶蝕作用在垂向上和平面上具有一定的變化特征，據(jù)此初步建立了膏鹽巖區(qū)域溶蝕破壞模式(圖4)。垂向上膏鹽巖溶蝕可劃分為4個(gè)帶，分別是頂部溶蝕帶、斷層溶蝕帶、層內(nèi)水溶蝕帶和底部溶蝕帶。頂部溶蝕帶位于膏鹽巖巖層頂部，來(lái)自地表的流體通過(guò)上層的松軟沉積物和砂巖層侵入到膏鹽巖層，對(duì)膏鹽巖進(jìn)行溶蝕。斷層溶蝕帶只在有斷層的地方發(fā)育，區(qū)域斷層連通至地表，地表流體順斷層往下侵入膏鹽巖層，對(duì)膏鹽巖進(jìn)行溶蝕，因膏鹽巖已被斷層切割破壞，導(dǎo)致流體對(duì)其更易溶蝕。層內(nèi)水溶蝕帶發(fā)生在膏鹽巖層內(nèi)，此溶蝕帶流體非外部侵入，而是來(lái)自層內(nèi)生物體或礦物在成巖演化中析出的水，溶蝕程度較輕，典型特征是硬石膏發(fā)生揉皺，斷續(xù)出現(xiàn)泥炭物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量豐富，易污手，出現(xiàn)條帶狀水化石膏。底部溶蝕帶發(fā)育在膏鹽巖層底部，因膏鹽巖極易溶蝕，在與下伏灰?guī)r接觸處，流體沿順層輸導(dǎo)層侵入膏鹽巖底部進(jìn)行溶蝕。

平面上，因所處構(gòu)造位置不同，又可對(duì)溶蝕進(jìn)行分區(qū)，劃分為巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶盆地。巖溶高地位于古地形較高的地方，局部發(fā)育溶蝕淺坑。巖溶斜坡位于巖溶盆地與巖溶高地間的斜坡區(qū)，廣泛發(fā)育溶蝕溝，斜坡的傾斜程度決定了斜坡區(qū)膏鹽巖的垂向溶蝕程度，越平緩，則流體滲透量越大，溶蝕越嚴(yán)重。巖溶盆地位于地形較低的地方，往往處于盆地中心，因流體匯聚，頂部溶蝕帶的溶蝕情況最為嚴(yán)重(圖4)。

尤其重要的是，在斷層發(fā)育的地方，因斷層切割破壞巖層，并且為流體提供了滲透通道，所以溶蝕有其獨(dú)有的特點(diǎn)(圖5)。原始膏鹽巖近水平沉積，在后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，地層抬升傾斜，區(qū)域應(yīng)力致使斷層發(fā)育，膏巖層被切割破碎，一方面使表層膏鹽巖溶蝕加劇，形成溶蝕空腔，上覆地層失去重力支撐，整體垮塌;另一面流體順斷層侵入，對(duì)斷層帶及斷層兩盤的膏鹽巖進(jìn)行溶蝕，形成斷層溶蝕帶。

4 膏鹽巖油氣封蓋性評(píng)價(jià)

對(duì)于膏鹽巖的油氣封蓋性研究而言，最終目標(biāo)是評(píng)價(jià)，應(yīng)用于勘探生產(chǎn)。我們認(rèn)為，在評(píng)價(jià)膏鹽巖封蓋性時(shí)，需要從內(nèi)因和外因兩方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

膏鹽巖在埋藏較深時(shí)，通常具有極高的突破壓力和排替壓力，且處于塑性狀態(tài)，古溶蝕的影響較弱，所以此時(shí)膏鹽巖的封蓋性主要受內(nèi)因(發(fā)育規(guī)模、厚度和連續(xù)性)，以及外因(構(gòu)造作用)的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球碳酸鹽巖大型油氣田中膏鹽巖蓋層厚度在1～10 m的占21.3%，10～20 m的占20.0%，20～50 m的占18.7%，50～100 m的占20.0%，大于100 m的占20.0%。最薄的在美國(guó)的Little Sand Draw油田，膏鹽巖蓋層僅有1.2 m，最厚的在俄羅斯的Markovo油田，可達(dá)1 300 m[63]。雖然較薄層的膏鹽巖也能對(duì)部分油氣田形成良好封蓋，但當(dāng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)于強(qiáng)烈時(shí)，較薄層的膏鹽巖在褶皺核部增厚，在翼部減薄甚至斷裂形成鹽焊接，造成膏鹽巖的封蓋性的減弱或失效[64]。因此在蓋層封蓋性評(píng)價(jià)時(shí)，要考慮構(gòu)造作用強(qiáng)度和蓋層厚度的關(guān)系。顯然，膏鹽巖的規(guī)模越廣，厚度越大，連續(xù)性越好，則其封蓋性越好，這取決于當(dāng)時(shí)的區(qū)域構(gòu)造背景、古氣候條件和沉積格局。因此，可通過(guò)分析區(qū)域沉積背景和鉆井資料，查清膏鹽巖的發(fā)育規(guī)模、厚度以及連續(xù)性。其次，膏鹽巖在埋藏超過(guò)一定深度后，處于塑性狀態(tài)，使得其即使在構(gòu)造作用強(qiáng)烈時(shí)，也不容易被斷層切穿，因此對(duì)油氣，尤其是對(duì)封蓋性要求很高的天然氣也具有良好的封蓋性。構(gòu)造作用主要是考慮鹽焊接的問(wèn)題。

圖4 典型膏鹽巖區(qū)域溶蝕破壞模式Fig.4 Typical model of dissolution of gypsolyte/saline rocks

圖5 膏鹽巖斷層溶蝕破壞模式Fig.5 Model of fault dissolution on evaporitesa.正常地層沉積；b.地層抬升，表生巖溶發(fā)育，侵蝕性流水順膏鹽巖層溶蝕成“空腔”；c.被溶空膏鹽巖層導(dǎo)致上覆地層失去重力支撐，而整體垮塌

膏鹽巖在埋藏深度較淺時(shí)，地層溫度較低，可能處于脆性狀態(tài)，其封蓋性跟埋藏較深時(shí)不同，主要受內(nèi)因(發(fā)育規(guī)模、厚度和連續(xù)性)，以及外因(溶蝕作用和構(gòu)造作用)的影響。埋藏較淺的膏鹽巖，其孔隙度和滲透率較深埋藏時(shí)高，突破壓力和排替壓力較低。如羌塘盆地，其地表膏鹽巖的突破壓力和排替壓力僅為幾兆帕，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于深埋藏狀態(tài)[65]。脆性的地層易被斷層所切穿，所以埋藏較淺的膏鹽巖易被斷層破壞，造成封蓋性失效。并且膏鹽巖在淺埋藏條件下非常易受到溶蝕[66]，常溫下膏鹽巖在100 g水中的溶解度大于兩百毫克，而同屬咸(鹽)水沉積體系的方解石和白云石僅為十幾毫克，因此埋藏較淺的膏鹽巖易被大氣水和地表水溶蝕淋濾，使其孔隙度和滲透率顯著升高，甚至局部區(qū)域缺失，嚴(yán)重降低其封蓋性。

綜合上述，可見(jiàn)在評(píng)價(jià)區(qū)域膏鹽巖封蓋性時(shí)，首先要分析內(nèi)因，查明其分布面積、完整度及厚度，在此基礎(chǔ)上，再分析溶蝕作用和構(gòu)造作用對(duì)封蓋性的影響。據(jù)此，基于對(duì)國(guó)內(nèi)外油氣田膏鹽巖蓋層發(fā)育規(guī)模、厚度、埋藏深度，溶蝕作用情況以及構(gòu)造作用破壞程度的統(tǒng)計(jì)分析，建立了簡(jiǎn)略的膏鹽巖油氣蓋層封蓋性評(píng)價(jià)表(表1)。發(fā)育規(guī)模主要根據(jù)盆地、坳陷及凹陷等盆地內(nèi)構(gòu)造單元面積進(jìn)行劃分，厚度主要根據(jù)孫明亮等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[48]，連續(xù)性可通過(guò)分析區(qū)域沉積格局以及后期的抬升剝蝕史，并結(jié)合實(shí)際勘探情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，溶蝕作用和構(gòu)造作用對(duì)蓋層封蓋性的影響目前還沒(méi)有較為理想的定量評(píng)價(jià)方法，這將是后期工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

5 研究展望

綜觀當(dāng)前膏鹽巖及其油氣封蓋性研究的現(xiàn)狀，今后很重要的一個(gè)研究方向是對(duì)封蓋性的定量評(píng)價(jià)，特別是新參數(shù)的開(kāi)拓，眾多研究人員在這方面已展開(kāi)了不少工作。

5.1 膏鹽巖厚度與封蓋性

對(duì)于膏鹽巖到底多厚才能對(duì)油氣形成封堵，實(shí)際上這與很多復(fù)雜因素有關(guān)，如油氣的性質(zhì)、構(gòu)造作用和溶蝕作用等。一般來(lái)說(shuō)，天然氣較石油更易擴(kuò)散，所以對(duì)蓋層的封蓋性能要求更高。如前文提及的美國(guó)Little Sand Draw油田，膏鹽巖蓋層僅有1.2 m，但這個(gè)厚度對(duì)于氣田而言往往不夠。根據(jù)孫明亮等對(duì)我國(guó)40多個(gè)大中型氣藏蓋層條件的分析，統(tǒng)計(jì)了蓋層厚度與天然氣聚集速率的關(guān)系，以及蓋層厚度與儲(chǔ)量豐度關(guān)系，初步建立了評(píng)價(jià)天然氣成藏有效性的蓋層基本標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明，要形成中效天然氣藏[聚集速率介于10×106～ 100×106m3/(km2·Ma)]，蓋層厚度必須大于40 m，蓋層排替壓力應(yīng)大于15 MPa，而要形成高效天然氣藏[聚集速率大于100×106m3/(km2·Ma)]，則需要厚度超過(guò)100 m的直接蓋層，蓋層的排替壓力不應(yīng)小于20 MPa[48]。

5.2 膏鹽巖脆性-塑性轉(zhuǎn)換與封蓋性

膏鹽巖的脆塑性狀態(tài)對(duì)其封蓋性的影響較大，隨著成巖演化，在埋深加大的過(guò)程中，其延展性逐漸從完全脆性轉(zhuǎn)變成塑性，塑性階段的膏鹽巖有著比脆性階段膏鹽巖更好的流動(dòng)性，以及更大的排替壓力和突破壓力[65]。對(duì)于膏鹽巖由脆性向塑性轉(zhuǎn)換深度定量計(jì)算，前人已經(jīng)進(jìn)行了一些探索，如吳桐等[57]估算了庫(kù)車坳陷庫(kù)姆格列木組膏巖脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)換的埋深為1 740 m，脆-塑性向塑性轉(zhuǎn)換的埋深相當(dāng)于3 400 m(圖6)。此外，李雙建等[68]運(yùn)用巖石變?yōu)樗苄詴r(shí)極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度趨于相同(即應(yīng)力降趨于零)這一原理，計(jì)算出硬石膏轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘呐R界圍壓為68.5 MPa，折合臨界深度為4 029 m。兩人都對(duì)膏鹽巖脆延轉(zhuǎn)換定量計(jì)算做了探索性的研究，但因?qū)嶋H地質(zhì)條件復(fù)雜多變，具體轉(zhuǎn)換深度還有不確定性。此外，還需注意的是，仍有學(xué)者認(rèn)為膏鹽巖總體屬于塑性，不存在脆性。

表1 膏鹽巖油氣蓋層封蓋性評(píng)價(jià)

5.3 淺埋藏膏鹽巖溶蝕與封蓋性

埋藏相對(duì)較淺的膏鹽巖容易遭受流體溶蝕，甚至局部區(qū)域完全溶解消失，形成鹽窗，嚴(yán)重破壞其封蓋性能。但目前溶蝕作用對(duì)膏鹽巖封蓋性影響還局限于地質(zhì)勘探描述上，定量評(píng)價(jià)工作還未有突破進(jìn)展。一個(gè)可行的方法是建立區(qū)域溶蝕模式(圖4，圖5)，結(jié)合區(qū)域流體來(lái)源和流量大小，以及膏鹽巖在此流體中的溶解度，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)的方法來(lái)定量分析區(qū)域內(nèi)膏鹽巖的溶蝕量和溶蝕程度，進(jìn)而分析其對(duì)膏鹽巖封蓋性的影響。

5.4 淺埋藏膏鹽巖孔隙流體壓力、斷層與封蓋性

對(duì)于處于相對(duì)淺埋藏狀態(tài)下的膏鹽巖蓋層，評(píng)價(jià)其油氣封蓋性時(shí)，除測(cè)量排替壓力和突破壓力外，還要考慮孔隙流體壓力和斷層對(duì)蓋層的破壞。蓋層與儲(chǔ)層界面處孔隙流體壓力增加導(dǎo)致蓋層破裂稱為水力破裂。Gaarenstroom等系統(tǒng)研究了北海盆地的油氣蓋層，確定了評(píng)價(jià)水力破裂的參數(shù)——保持力，即最小水平主應(yīng)力與孔隙流體壓力的差值。保持力越小，蓋層發(fā)生水力破裂的風(fēng)險(xiǎn)就越大，北海盆地中部蓋層發(fā)生水力破裂的臨界保持力為7 MPa[63]。

斷層對(duì)膏鹽巖蓋層的破壞，目前的研究可采用有效斷接厚度的概念來(lái)評(píng)價(jià)，即蓋層一旦被斷層錯(cuò)開(kāi)以后,起封閉作用的蓋層厚度就不再是原始的蓋層厚度,而是斷層兩盤蓋層與蓋層的對(duì)接厚度,稱為斷接厚度。斷接后蓋層的封閉能力由于受斷層緊閉程度的影響,其實(shí)際封閉能力必然小于(或等于)原蓋層相同厚度的封閉能力，將斷接厚度乘以斷層傾角的余弦值,并將其定義為有效斷接厚度[68]。呂延防等[64]計(jì)算了塔里木盆地庫(kù)車坳陷庫(kù)姆格列木群各點(diǎn)膏鹽巖蓋層的有效斷接厚度,據(jù)此做出了蓋層有效斷接厚度等值圖，并得出庫(kù)姆格列木群蓋層在庫(kù)車坳陷中-西部地區(qū)應(yīng)是有效蓋層,東秋5構(gòu)造及其以東地區(qū),庫(kù)姆格列木群蓋層均被斷層破壞,失去封蓋能力的結(jié)論，已被勘探所證實(shí)。

5.5 深埋藏膏鹽巖構(gòu)造作用與封蓋性

膏鹽巖當(dāng)處于相對(duì)深埋藏條件時(shí)，巖石基本性質(zhì)為塑性，其排替壓力和突破壓力極高，又因其埋藏較深，溶蝕作用對(duì)其影響較小，所以構(gòu)造作用是評(píng)價(jià)油氣封蓋性的主要影響因素。較薄層的膏鹽巖，強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)可使其褶皺翼部斷裂產(chǎn)生鹽焊接，整體封蓋性能遭受破壞；反之，較厚層的膏鹽巖則可以在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中仍保持其連續(xù)性，因此分析蓋層厚度與構(gòu)造作用強(qiáng)弱的關(guān)系變得尤為重要。目前對(duì)于塑性階段的膏鹽巖定量評(píng)價(jià)還處于探索階段，但隨計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，運(yùn)算能力得以大大提高，可以采用離散元建模的方法，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)區(qū)域內(nèi)膏鹽巖在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)變化進(jìn)行模擬。需要注意的是，實(shí)際地質(zhì)情況往往不是單一巖性，巖性和斷裂構(gòu)造作用復(fù)雜，構(gòu)造作用往往呈現(xiàn)多期、多方向性，因此實(shí)際工作中需要具體問(wèn)題具體分析。

圖6 庫(kù)車坳陷古近系庫(kù)姆格列木群膏巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(a)及脆塑性轉(zhuǎn)換臨界深度(b)[58]Fig.6 Stress-strain curves (a) and critical depth (b) of brittle-ductile transition of the Paleogene Kumugeliemu Group gypsolyte in the Kuqa Depression,Tarim Basin[58]

綜合上述，對(duì)于相對(duì)淺埋藏階段的膏鹽巖，可應(yīng)用保持力和有效斷接厚度來(lái)定量評(píng)價(jià)孔隙流體壓力和斷層對(duì)蓋層封蓋性的影響。相比而言，溶蝕作用對(duì)封閉性的影響還處于探索階段。對(duì)于相對(duì)深埋藏階段的塑性膏鹽巖，其封蓋性評(píng)價(jià)主要考慮厚度與構(gòu)造作用強(qiáng)度的關(guān)系，考慮是否存在鹽焊接以及其數(shù)量和規(guī)模，未來(lái)一個(gè)可行的方向是采用離散元建模方法對(duì)其進(jìn)行模擬?？傊?，膏鹽巖封蓋性的綜合評(píng)價(jià)難度很大，要考慮的參數(shù)較多，尚有很多工作需要進(jìn)一步開(kāi)展。

6 結(jié)論

1) 膏鹽巖是全球范圍內(nèi)最為重要的油氣蓋層，原始發(fā)育特征受其成因控制，主要有水下濃縮沉淀和潮上薩布哈兩種成因模式，其中水下濃縮沉淀的膏鹽盆成因膏鹽巖分布廣、厚度大，最具封蓋意義。

2) 膏鹽巖的封蓋機(jī)理包括物性、超壓和塑性三重封閉。封蓋性受多種復(fù)雜因素控制，總體可分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因即膏鹽巖的發(fā)育規(guī)模、厚度和連續(xù)性，外因即溶蝕作用、構(gòu)造作用和成巖演化的影響。

3) 膏鹽巖的溶蝕是破壞其封蓋性的重要影響因素，建立了溶蝕模式，垂向上可劃分為4個(gè)帶：頂部溶蝕帶、斷層溶蝕帶、層內(nèi)水溶蝕帶和底部溶蝕帶。平面上可劃分為3個(gè)區(qū)：巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶盆地。

4) 在評(píng)價(jià)膏鹽巖封蓋性時(shí)，首先要考慮膏鹽巖的分布面積、完整度、厚度(內(nèi)因)，在此基礎(chǔ)上，再分析溶蝕作用和構(gòu)造作用(外因)對(duì)封蓋性的影響。定量是今后膏鹽巖油氣封蓋性評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)，綜合評(píng)價(jià)難度很大，要考慮的參數(shù)較多，特別是溶蝕作用和構(gòu)造作用的影響還處于探索階段。

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(編輯 董 立)

Research advances on hydrocarbon sealing properties of gypsolyte/saline rocks

Li Yonghao1,Cao Jian1,Hu Wenxuan1,Lu Xiancai1,Fan Ming2,Zhang Dianwei3,Hong Dongdong1

(1.SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210023,China;2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPECPetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,Wuxi,Jiangsu214151,China; 3.PetroleumExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China)

Gypsolyte/saline rocks are one of the most important hydrocarbon cap rocks worldwide.More and more exploration cases indicate that their sealing properties are highly variable from well to well.To better understand the rocks and its implication as cap rocks,we present in this article an overview of the research advances in the industry.It shows that these rocks are mostly originated from evaporitic basins and sabkhas,largely presented themselves as annular rings or bands parallel to shorelines.The rocks of the former origin have been considered ideal cap rocks as they are usually widely distributed and big in thickness.The sealing mechanisms of the gypsolyte/saline rocks may be summarized as favorable physical properties,overpressure and plasticity.The dissolution of the rocks was recorded vertically by four zones: top dissolution zone,fault dissolution zone,intra-layer water dissolution zone and bottom dissolution zone,and horizontally by three zones: karst uplift,karst slope and karst basin.Many factors,such as the distribution area,integrity,thickness and etc.(the internal controlling factors for sealing properties),shall be taken into consideration during the evaluation of sea-ling properties of the rocks.The impacts of dissolution and tectonism (external controlling factors for sealing properties) on the sealing properties of the rocks are then analyzed.Current research is focused more on quantitative evaluation of the sealing capacity of the rocks,especially the impacts of dissolution and tectonism.The research is still in a stage of exploration and it is both challenging and exciting.

effective juxtaposition thickness,dissolution,tectonism,gypsolyte/saline rock,evaporitic basin,hydrocarbon cap rock

0253-9985(2016)05-0634-10

10.11743/ogg20160503

2016-04-06;

2016-08-20。

李永豪(1994—)，男，碩士研究生，石油地質(zhì)與油氣地球化學(xué)專業(yè)。E-mail:lyh369po@163.com。

簡(jiǎn)介：曹劍(1978—)，男，教授、博士生導(dǎo)師，石油地質(zhì)與有機(jī)地球化學(xué)。E-mail:jcao@nju.edu.cn。

國(guó)家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB214803)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05002-006-005)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41322017，41472100)。

TE122.2

A