趙 洪，秦蘭芝，王 輝，李 寧，李宣玥

1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 徐匯 200030 2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 海淀 100083

引 言

天然氣相對于液態(tài)石油具有分子小、活動性強(qiáng)等特點，因此，在天然氣成藏主控因素研究中蓋層是一個至關(guān)重要的評價因素[1]。統(tǒng)計表明，世界上約60%以上大氣田為泥質(zhì)巖封蓋層，40%的氣田為蒸發(fā)巖與其他巖類封閉[2]。中國以泥巖作為蓋層的大中型氣田約占總數(shù)的60%，膏鹽巖約占18%，而以泥頁巖和灰?guī)r、云巖為蓋層的較少，均占總數(shù)11%[3]。目前天然氣蓋層封閉機(jī)理主要有物性封閉、壓力封閉及烴濃度封閉等[4-5]，但物性封閉是其中最為重要的類型。因此，前人針對蓋層的研究多局限于泥巖、灰?guī)r及蒸發(fā)巖等類型[6-9]，而針對砂巖類蓋層研究較少，因為相對于砂巖，泥巖及膏巖類具有更大的排驅(qū)壓力而具有良好的封蓋條件。但近年來在中國不同的含油氣盆地均出現(xiàn)了良好的砂巖類蓋層，其有效性逐漸成為研究的重點[10-12]。前人研究表明對于物性較好的儲層，良好蓋層不一定需要泥巖，也不需要較厚的致密層[4]，砂巖類蓋層亦可以形成良好的蓋層條件[13]。針對多含油氣盆地的砂巖蓋層實驗表明，細(xì)砂巖與中砂巖等各種類型的砂巖均可具有較高的排驅(qū)壓力，成為有效蓋層[14]，多個含油氣盆地中砂巖蓋層下均具有良好的產(chǎn)能[15]。

目前西湖凹陷花港組發(fā)育砂泥巖交互式蓋層，蓋層中除了泥巖蓋層外，亦發(fā)育有粉砂巖，局部為細(xì)砂巖，其下均有效封閉了天然氣。前人在花港組蓋層的研究中往往關(guān)注多重泥質(zhì)蓋層的有效性[16]，往往忽略與之伴生的粉砂巖或細(xì)砂巖等砂巖蓋層[17]。由于花港組泥巖蓋層厚度相對較薄、橫向連續(xù)性較差，與之伴生的砂巖類蓋層必定成為泥巖蓋層的有利補(bǔ)充。但與此同時粉砂巖及細(xì)砂巖在大多情況下亦為花港組的有利儲層，因此，需要進(jìn)一步研究砂體如何形成良好的蓋層條件。本文采用巖芯、鏡下觀察及壓汞等分析方法為手段對砂巖類蓋層特征進(jìn)行分析，為西湖凹陷的下一步勘探目標(biāo)優(yōu)選提供技術(shù)支撐。

1 工區(qū)概況

西湖凹陷是東海陸架盆地中規(guī)模最大的新生代含油氣凹陷，凹陷總體構(gòu)造格架具有東西分帶、南北分塊的特點，北北東向斷裂和褶皺帶構(gòu)成近南北走向的一級構(gòu)造帶，包括西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)帶、東次凹及東部斷階帶等構(gòu)造區(qū)塊（圖1）。

圖1 西湖凹陷工區(qū)圖Fig.1 Area map of West Lake Sag

2 蓋層分布特征

2.1 蓋層宏觀分布特征

西湖凹陷花港組H1+H2段為花港組的區(qū)域性蓋層，不同地區(qū)、不同層位的蓋層厚度、橫向分布范圍以及橫向穩(wěn)定性均有差別?？傮w而言，這套蓋層覆蓋整個西湖凹陷，總厚度一般大于200.0 m，平均厚度約350.0 m。經(jīng)統(tǒng)計表明這套區(qū)域性蓋層中泥巖占比為56%，表現(xiàn)為良好的蓋層發(fā)育條件。但這套區(qū)域性蓋層中泥巖單層厚度變化較大，由0.5 m到57.0 m均有分布，單層泥巖平均厚度僅為8.6 m（表1）。蓋層縱向統(tǒng)計表明，西湖凹陷花港組蓋層中砂泥巖頻繁互層分布，呈現(xiàn)出典型的砂泥巖交互式發(fā)育特征。

表1 西湖凹陷花港組部分蓋層統(tǒng)計表Tab.2 West Lake Huagang group statistics cover West Lake Huagang group statistics cover depression

2.2 蓋層微觀分布特征

由蓋層宏觀分析可知，花港組蓋層存在泥巖厚度薄，橫向連續(xù)性差的特點，但是花港組蓋層仍然顯示出良好的油氣封閉能力。如中央反轉(zhuǎn)帶某構(gòu)造花港組蓋層厚度僅為30 m，且砂巖含量高達(dá)40%，泥巖與粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥質(zhì)細(xì)砂巖等頻繁互層，其下封閉氣柱高度超過200 m，因此除了泥質(zhì)蓋層外，砂巖類蓋層應(yīng)該起到了重要的作用。

本文針對巖芯、薄片觀察統(tǒng)計表明研究區(qū)主要有泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、含粉砂泥巖、泥巖、含泥粉砂巖以及細(xì)砂巖等多種巖性。為了針對砂巖類蓋層進(jìn)行研究，重點針對粉砂巖及細(xì)砂巖類蓋層進(jìn)行描述。

圖2 不同巖性蓋層巖芯特征Fig.2 Core features of different lithologic cap rocks

2.2.1 粉砂巖相

研究區(qū)可作為蓋層的粉砂巖巖芯顏色隨著顆粒粒度及泥質(zhì)含量的高低而變化，多為暗灰色，局部呈現(xiàn)灰黑色（圖2a），構(gòu)造上為塊狀層理或深色泥質(zhì)紋層特征（圖2c）。巖芯觀察中可見粉砂巖經(jīng)常與一定厚度的泥巖伴生，兩者常呈不等厚互層（圖2a）。

鏡下瀝青質(zhì)、炭質(zhì)少見，長英質(zhì)含量高，其中多為粉砂級別的石英顆粒，少量可達(dá)極細(xì)砂級別，粉砂顆粒含量一般大于泥質(zhì)含量，局部少量裂縫發(fā)育。

2.2.2 細(xì)砂巖相

研究區(qū)可作為蓋層的細(xì)砂巖少見厚度大于5 m以上，均不同程度的含有泥質(zhì)雜基及鈣質(zhì)膠結(jié)物，由于泥質(zhì)含量的不同，巖芯顏色由灰色到暗灰色不等（圖2b）。相對于粉砂巖巖芯具有更多的層理特征（圖2d），平行層理、斜層理等均多見。需要指出的是有效封閉油氣的細(xì)砂巖蓋層往往與粉砂巖與泥巖共同顯示遞變層理的特征，常見3種巖性混層分布（圖2b）。

鏡下觀察作為蓋層的細(xì)砂巖中泥質(zhì)及鈣質(zhì)含量較高，細(xì)砂巖一般呈懸浮狀發(fā)育于泥質(zhì)雜基與鈣質(zhì)膠結(jié)物中，膠結(jié)相對致密。

3 砂巖蓋層孔喉特征及突破壓力

3.1 砂巖蓋層的孔喉特征

氣體吸附實驗可以得到微孔和少數(shù)介孔對應(yīng)孔徑的孔隙度，高壓壓汞得到介孔和宏孔含量，將兩種技術(shù)手段結(jié)合起來，即可得到樣品點全部孔徑的分布曲線。研究表明，砂巖孔隙包含微孔（＜2 nm）、介孔（2～100 nm）和宏孔（＞100 nm）3個級別。C1井3 467.15 m處泥質(zhì)粉砂巖突破壓力為5.4 MPa，孔徑主要為150～850 nm，屬于宏孔級別，而微孔和介孔相對較少。C2井4 037.21 m處細(xì)砂巖突破壓力為2.2 MPa，孔徑分布廣，在70～100 nm、300～1 500 nm均有分布，以宏孔和介孔為主。C3井3 724.07 m處粉砂巖突破壓力為9.0 MPa，孔徑在 20～100 nm、100～1 000 nm，以介孔和微孔為主，宏孔次之（圖3）。砂巖樣品孔徑分布特征表明粉砂巖及細(xì)砂巖具有形成蓋層的孔隙特征。

壓汞法還可以得到粒間孔隙度、粒內(nèi)孔隙度、孔隙迂曲度、孔喉比等多種參數(shù)（表2）?？紫队厍仁橇黧w在多孔介質(zhì)中滲流時，流體質(zhì)點所走過的距離與孔隙介質(zhì)外形幾何長度之比。它是反映孔隙介質(zhì)內(nèi)部連通孔隙彎曲程度的特征參數(shù)，與巖石的多種物理性質(zhì)有關(guān)：迂曲度越大，滲透性越差[19]?？紫抖仁怯绊憹B透率的重要因素，孔隙度一般與滲透率呈現(xiàn)正相關(guān)性，但如果喉道過小，大孔隙度也會對應(yīng)低滲透率。因為喉道的幾何形狀、大小、分布、相互連通情況，以及孔隙與喉道間的配位關(guān)系等對滲透率具有很大影響?？缀肀仁怯绊憹B透率的重要因素，孔喉比越大，則表明喉道越小，滲透率越差，相應(yīng)的封閉性越強(qiáng)。D2井和D3井具有較高的迂曲度，其突破壓力均達(dá)到9.0 MPa以上，比其他3個點都高出很多。同時D2井樣品點與D3井相比，具有更大的孔喉比，導(dǎo)致其在具有更高的孔隙度的情況下突破壓力更大，封閉性更好。D4井突破壓力只有0.4 MPa，主要因為其孔滲性太高。

圖3 各樣品點孔徑分布曲線Fig.3 Aperture distribution curve

表2 壓汞法參數(shù)數(shù)據(jù)表（部分）Tab.2 Pressure mercury method parameter data sheet（part）

3.2 蓋層的突破壓力

沉積巖由沉積至成巖演化經(jīng)歷了由疏松到致密的演化過程，中等成巖作用對油氣的封閉性最為有利。成巖作用受埋深的影響，深度與突破壓力基本成對應(yīng)關(guān)系[20]，表現(xiàn)為隨著深度增加，封閉性增強(qiáng)、突破壓力變大。

研究區(qū)樣品深度與突破壓力存在一定的相關(guān)性（圖4a），突破壓力隨著深度的增加具有逐漸加大的特點。樣品在不同地區(qū)、同一深度下，突破壓力從小到大均有分布，總體來說突破壓力隨深度增加而升高，但也存在一定的差異：3 000 m以下蓋層的突破壓力整體升高，但突破壓力分布不均；3 800 m附近以下蓋層樣品的突破壓力表現(xiàn)為高值，基本均大于7.0 MPa。

圖4 突破壓力與不同位置蓋層、巖性及黏土礦物含量關(guān)系Fig.4 Breakthrough pressure and the relationship between the different locations cap rock,lithology and clay mineral content

不同巖性、深度與蓋層突破壓力也存在一定的關(guān)系，總體而言隨深度的增加，不同巖性樣品的突破壓力具有增加的趨勢。從樣品點的分布特征來看，泥質(zhì)含量越高、粒度越小，樣品點的突破壓力相對較大，而泥質(zhì)含量低、粒度大的砂巖突破壓力較小。埋深大于3 000 m時，不同類型的泥質(zhì)及含泥砂巖均具有較大的突破壓力，常見其突破壓力大于5.0 MPa，局部大于 10.0 MPa（圖4b），表明細(xì)砂巖及粉砂巖同樣可以成為有效蓋層。

不同黏土礦物含量的砂泥巖，隨深度增加而壓實作用加強(qiáng)，加之黏土礦物轉(zhuǎn)化作用及膠結(jié)物的發(fā)育導(dǎo)致突破壓力隨深度增加而升高。研究區(qū)砂巖能作為蓋層的關(guān)鍵條件之一便是砂巖中泥質(zhì)的發(fā)育，統(tǒng)計表明，成為蓋層的砂巖中黏土礦物含量往往高于 20%（圖4c）。

4 沉積成巖特征分析

4.1 沉積作用

沉積相控制著沉積厚度、巖石類型及組合、巖石原生孔隙等因素，在一定程度上決定了蓋層的封閉性。

西湖凹陷花港組主要為辮狀河沉積，其蓋層為湖泊相中的淺湖亞相沉積。研究區(qū)蓋層沉積相分布較單一，主要發(fā)育有淺湖相泥巖及開闊淺湖的灘壩沉積。統(tǒng)計表明不同沉積微相對蓋層的厚度、巖性組合等都有控制作用。研究區(qū)淺湖亞相砂泥巖互層，總厚度較大，泥巖單層厚度較小。其中淺湖相以泥巖發(fā)育為主，泥質(zhì)相對較純，砂質(zhì)含量較少；灘壩以砂巖為主，砂巖含量相對較高，主要由淺灰色粉、細(xì)砂巖及泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。

4.2 成巖作用

成巖作用對砂體具有一定的控制作用，前人研究表明研究區(qū)花港組目前處于中成巖A2期，少數(shù)可達(dá)中成巖B期。蓋層中的粉砂巖及細(xì)砂巖的成巖作用會直接影響巖石孔隙及物性等參數(shù)，進(jìn)而影響蓋層的封閉能力。本次研究以普通薄片和掃描電鏡觀察為主，結(jié)合陰極發(fā)光、熒光薄片觀察等技術(shù)方法，明確了研究區(qū)蓋層成巖作用對封閉性的控制。

4.2.1 壓實作用

壓實作用是蓋層成巖演化過程中最為重要的成巖作用之一[21-22]，主要表現(xiàn)為泥質(zhì)含量較低時石英、長石、巖屑以及鈣質(zhì)膠結(jié)物等剛性碎屑顆粒被壓碎、破裂，相鄰顆粒之間顯示很緊密的線—線或凹凸接觸關(guān)系（圖5a，圖5b）。壓實作用直接決定了粒間孔的大小，表現(xiàn)為壓實越強(qiáng)，粒間孔越小、喉道越窄。當(dāng)泥質(zhì)含量較高時，早期壓實作用更強(qiáng)，受到壓實作用后巖石顆粒緊密鑲嵌在泥質(zhì)雜基中。壓實作用導(dǎo)致少量脆性礦物及泥巖的破裂，但破裂總體影響較小，因此壓實作用是有利于蓋層封閉的成巖類型。

圖5 砂巖類蓋層樣品鏡下特征Fig.5 Sandstone type cap rock sample characteristics under microscope

4.2.2 膠結(jié)作用

砂巖蓋層的膠結(jié)作用主要包括：黏土以粒間充填物形式膠結(jié)顆粒粒間孔；由于早期壓實作用較強(qiáng)導(dǎo)致孔隙度降低，后期水巖作用較弱，因此硅質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)量整體較少，僅可見少量早期的硅質(zhì)及石英加大，晚期不發(fā)育。局部膠結(jié)作用部位早期少量粒間原生孔被逐漸充填、喉道被封堵等形成方解石充填及顆粒泥質(zhì)包殼等（圖5c），使得原生孔隙度、滲透率降低。但由于壓實作用有效的降低了砂巖蓋層的孔滲性，因此早期膠結(jié)作用對蓋層封閉性影響不大。

4.2.3 溶蝕作用

通過薄片及掃描電鏡觀察表明研究區(qū)砂巖蓋層僅見少量長石、巖屑、石英等碎屑顆粒的不完全溶蝕。溶蝕作用可以形成粒內(nèi)或粒間的溶蝕孔隙，可以大大提高巖石的孔滲性，改善巖石物性，但對于研究區(qū)而言，由于溶蝕作用整體較弱，對物性影響可忽略。

4.2.4 黏土礦物轉(zhuǎn)化作用

砂巖類蓋層中往往具有多泥質(zhì)條帶發(fā)育的特征（圖5d），黏土礦物在成巖作用過程中由于環(huán)境、溫壓的改變會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，其主要受成巖環(huán)境溫度、酸堿性的影響。研究區(qū)蓋層黏土礦物以伊/蒙混層和伊利石為主（圖5e），高嶺石及綠泥石含量較少（圖5f）。伊/蒙混層含量平均44.1%，伊利石平均39.1%，高嶺石平均4.8%，綠泥石平均12.0%。研究區(qū)發(fā)生的黏土礦物轉(zhuǎn)化作用以蒙脫石-伊/蒙混層-伊利石轉(zhuǎn)化為主。

黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用不僅在判斷成巖作用條件和階段中有重要意義，而且在黏土礦物隨著溫壓環(huán)境改變從高嶺石向伊/蒙混層、伊利石轉(zhuǎn)化的過程中，會發(fā)生微小的孔隙空間的變化[23-24]，但這種變化多集中于納米級的微孔隙，對蓋層整體的封閉性能影響不大。

通過砂巖類蓋層成巖作用研究可知，早期泥質(zhì)含量的發(fā)育程度決定了后期成巖演化的不同。對于砂巖類蓋層而言，早期泥質(zhì)的發(fā)育成為砂巖類形成蓋層奠定了基礎(chǔ)，晚期壓實及黏土轉(zhuǎn)換作用最終形成了西湖凹陷花港組砂巖類蓋層。

5 結(jié) 論

（1）前人針對蓋層的研究中往往關(guān)注于泥巖蓋層的有效性，針對砂巖類蓋層較少進(jìn)行研究，西湖凹陷厚度僅30 m的低泥地比砂泥巖交互式蓋層能封閉200 m以上的油氣表明，花港組并非僅為泥質(zhì)蓋層可以對油氣進(jìn)行遮擋。

（2）孔喉特征及突破壓力研究表明，與泥巖相伴的砂巖蓋層對油氣也具有良好的封閉條件。

（3）砂巖能否成為有效蓋層首先取決于其所處的沉積環(huán)境，砂巖與泥巖蓋層的組合類型與高泥質(zhì)含量的砂巖為形成砂巖類蓋層提供了先天條件。后期的壓實、黏土礦物轉(zhuǎn)換及膠結(jié)作用等共同導(dǎo)致砂巖物性變差，為后期形成優(yōu)質(zhì)蓋層提供了良好的發(fā)育條件。因此在針對其他地區(qū)進(jìn)行砂巖蓋層有效性研究過程中應(yīng)充分認(rèn)識到沉積環(huán)境與成巖作用對形成蓋層的控制作用，對砂巖類能否形成蓋層進(jìn)行綜合分析評定。

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