比表面積與突破壓力聯(lián)合確定泥巖蓋層評價標準

范 明，陳宏宇，俞凌杰，張文濤，劉偉新，鮑云杰

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

1 概述

理論上泥巖對天然氣的封蓋存在3種機理[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種方式對天然氣進行封閉，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理的本質(zhì)所在。目前用于評價天然氣蓋層封閉能力的評價參數(shù)主要有孔隙率、滲透率、擴散系數(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天然氣的突破壓力，也就是取決于泥巖對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30 MPa，如果僅憑突破壓力大小就認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判斷蓋層的優(yōu)劣呢？如何綜合成巖作用、構造演化、微觀指標參數(shù)對蓋層的封蓋能力做出客觀的評價成為蓋層評價中的一個難點。目前常用的幾種單一指標均存在一定的局限性，下面分別就常規(guī)參數(shù)局限性進行分析。

2 泥巖常規(guī)參數(shù)特征及封蓋有效性評價的缺陷

2.1 孔隙率參數(shù)

孔隙率是蓋層評價中最基本的參數(shù)，普遍認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孔隙率高達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、累計厚250 m的泥巖可作為有效蓋層的條件[11]。

圖1 各時代泥巖樣品孔隙率統(tǒng)計

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化淋濾作用的影響，有時也會表現(xiàn)為較高孔隙率，盡管井下樣品不會有這么高的孔隙率，但對南方而言，樣品主要來自野外地質(zhì)剖面，所以對野外地質(zhì)樣品的評價才是蓋層評價的主體。筆者統(tǒng)計了近年來不同地區(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，這反映了風化作用以及裂隙的影響會導致孔隙率參數(shù)變大，僅憑孔隙率參數(shù)很難用于評價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)也是評價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力釋放后所表現(xiàn)出來的滲透性能，應力的釋放導致泥巖微裂隙由非開啟狀態(tài)變成了開啟狀態(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。所以用滲透率進行蓋層評價時，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，則很難客觀評價蓋層的封蓋性能。

圖2 各時代泥巖樣品滲透率統(tǒng)計

2.3 泥巖成巖作用對封蓋性能的影響

張長江等[11]對南方志留系泥質(zhì)巖蓋層的動態(tài)評價研究表明，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，此時泥巖進入固結階段，鏡質(zhì)體反射率為0.5%～0.65%；并以鏡質(zhì)體反射率作為一項指標對泥巖的封蓋性能進行了評價(表1)。但僅以反射率作為泥巖封蓋性能的評價指標還遠遠不夠，因為鏡質(zhì)體反射率是反應泥巖中有機質(zhì)經(jīng)歷過的最高溫度，而泥巖的封蓋性能與構造破壞的關系更加密切。

2.4 突破壓力參數(shù)

在此，首先區(qū)分幾個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]，二是驅替法突破壓力，三是排替壓力。有些學者將排替壓力與突破壓力相混，所以得到了不同的結論和劃分標準。

壓汞(含吸附)突破壓力的測定是通過壓汞法—吸附法聯(lián)合測得巖石的全孔徑毛管壓力曲線，在曲線以10%氣/水飽和度所對應的壓力作為突破壓力，該方法不是直接采用氣/水兩相進行測試，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)驗成分，但是作為蓋層的評價參數(shù)，突破壓力應該是最直觀有效的。通常所說的突破壓力即指該方法測定的突破壓力值。

表1 中國南方志留系泥巖蓋層評價指標[11]

氣驅替法測定突破壓力，即將巖心飽和地層水，在巖心后端用氣進行驅替，驅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，所以測量值存在一定的差異，再加上氣驅法突破壓力測定周期較長，測量值最大允許誤差可達15%，所以通常突破壓力是以壓汞法—吸附法聯(lián)合測定而得到。

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拐點處的進汞壓力則是排替壓力。由于該壓力值是壓汞時的進汞壓力，并沒有換算為氣—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)，僅作為儲層評價和油氣田開發(fā)中常用的評價參數(shù)。

作為蓋層評價的主要參數(shù)，突破壓力應該是最直觀有效的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示(圖3)，各時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)合測定得到突破壓力主要受孔隙結構的影響,而無法反應裂隙發(fā)育的情況，所以很難用這一單一的指標來評價蓋層的封蓋性能。

綜上所述，目前很難用單一指標來評價蓋層的封蓋性能，必須采用多指標體系進行綜合判識。

圖3 各時代泥巖樣品突破壓力統(tǒng)計

3 突破壓力與比表面積聯(lián)合判識蓋層的封蓋性能

巖石比表面積是指單位重量內(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、壓實程度、膠結程度的綜合反映，而這些影響因素正是評價泥巖蓋層封蓋性能所必須的幾個重要方面。一般而言，巖石的內(nèi)表面積遠大于巖石的外表面積。由于該參數(shù)一般不受裂隙的影響，測定結果相對穩(wěn)定，其大小又可以用于判斷成巖作用的強弱，而成巖作用的強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)對泥巖蓋層進行綜合評價。不管是埋藏壓實還是構造擠壓，對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。

一般認為當突破壓力小于0.5 MPa時，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，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。這也說明，微觀檢測得到的高突破壓力蓋層，其成巖演化程度可能相對較高，封蓋性能反而變差。

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

4 泥巖蓋層封蓋性能模板的建立

根據(jù)以上分析，結合前人對蓋層的評價標準，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，以突破壓力為縱坐標，在該系統(tǒng)中分別劃分出4類蓋層及非蓋層區(qū)。

圖4 資源豐度與突破壓力關系[17]

圖5 中上揚子區(qū)志留系泥巖蓋層封蓋性能等級劃分

以中上揚子區(qū)志留系泥巖為例，北川通口剖面位于龍門山構造帶的中部，志留系泥巖輕微變質(zhì)，測得的突破壓力均較小，表明樣品中幾乎沒有原生孔隙。其中有一個樣品的突破壓力為0.33 MPa，壓汞法測得的孔隙結構主要反映的是泥巖的微裂隙空間，所以其突破壓力較?。涣硪粋€樣品的突破壓力雖然達到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，僅能評價為Ⅳ類蓋層。綜合評價，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，且孔隙率達到17.33%，但其比表面積達到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，在該模板中評價為Ⅱ類蓋層。

習水縣良村鎮(zhèn)剖面的下志留統(tǒng)3個泥巖樣品，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，其蓋層類型應劃為Ⅰ-Ⅱ類，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)蓋層評價模板具有一定的理論基礎和實用價值，可作為南方高演化地區(qū)蓋層樣品評價的模板，但是，由于在已知油氣藏的勘探開發(fā)過程中很少對泥巖蓋層進行取心，即使取心也很少進行比表面積的測定，因此該模板缺乏已知油氣藏實例的驗證，對該模板的有效性還有待進一步的資料加以證實和補充。

參考文獻:

[1] 孫明亮,柳廣弟,李劍. 氣藏的蓋層特征及劃分標準[J]. 天然氣工業(yè),2008,28(8)：36-38.

[2] 張蕾. 蓋層物性封閉力學機制新認識[J]. 天然氣地球科學,2010,21(1)：112-116.

[3] 楊殿軍. 超壓對泥巖蓋層封閉各種相態(tài)天然氣的作用研究[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2008,27(2)：12-15.

[4] 董忠良,張金功,王永詩,等. 油氣藏封蓋機制研究現(xiàn)狀[J]. 蘭州大學學報：自然科學版,2008,44(S1)：49-53.

[5] 魯雪松,蔣有錄,宋巖. 蓋層力學性質(zhì)及其應力狀態(tài)對蓋層封閉性能的影響：以克拉2氣田為例[J]. 天然氣工業(yè),2007,27(8)：48-51,56.

[6] 姜繼玉,姜艷春,趙玉珍. 烏爾遜凹陷大一段泥巖蓋層封蓋保存條件定量評價[J]. 大慶石油學院學報,2009,33(2)：36-39.

[7] 劉士忠,查明,曲江秀,等. 東營凹陷深層天然氣泥質(zhì)蓋層地質(zhì)特征及封蓋性研究[J]. 石油天然氣學報,2008,30(2)：390-393.

[8] 付廣,殷勤,杜影. 不同填充形式斷層垂向封閉性研究方法及其應用[J]. 大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2008,27(1)：1-5.

[9] 付廣. 泥巖蓋層的超壓封閉演化特征及封氣有效性[J]. 大慶石油學院學報,2007,31(5)：7-9,46.

[10] 呂延防,萬軍,沙子萱,等. 被斷裂破壞的蓋層封閉能力評價方法及其應用[J]. 地質(zhì)科學,2008,43(1)：162-174.

[11] 張長江,潘文蕾,劉光祥,等. 中國南方志留系泥質(zhì)巖蓋層動態(tài)評價研究[J]. 天然氣地球科學,2008,19(3)：301-310.

[12] 承秋泉,陳紅宇,范明,等. 蓋層全孔隙結構測定方法[J]. 石油實驗地質(zhì),2006,28(6)：604-608.

[13] 劉東鷹. 江蘇下?lián)P子區(qū)中—古生界蓋層突破壓力特征[J]. 石油實驗地質(zhì),2010,32(4):362-365.

[14] 付廣,劉江濤. 中國高效大中型氣田形成的封蓋保存條件[J]. 石油勘探與開發(fā),2006,33(6)：662-666.

[15] 胡國藝,汪曉波,王義鳳,等. 中國大中型氣田蓋層特征[J]. 天然氣地球科學,2009,20(2)：662-666.

[16] 金之鈞. 中國大中型油氣田的結構及分布規(guī)律[J]. 新疆石油地質(zhì),2008,29(3)：385-388.

[17] 呂延防,付廣,于丹. 中國大中型氣田蓋層封蓋能力綜合評價及其對成藏的貢獻[J]. 石油與天然氣地質(zhì),2005,26(6)：742-745,753.