比表面积与突破压力联合确定泥岩盖层评价标准

2011-12-24陈宏宇俞凌杰张文涛刘伟新鲍云杰

石油实验地质 2011年1期

范明，陈宏宇，俞凌杰，张文涛，刘伟新，鲍云杰

(中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214151)

1 概述

理论上泥岩对天然气的封盖存在3种机理[1-10]，即毛管压力封闭、超压封闭及浓度封闭。这3种方式从本质上来讲主要是毛管压力封闭，如果毛管压力封闭失效，依靠其他2种方式对天然气进行封闭，其封闭能力是有限的，很难形成工业气藏。因此毛管压力封闭是天然气盖层封闭机理的本质所在。目前用于评价天然气盖层封闭能力的评价参数主要有孔隙率、渗透率、扩散系数以及决定封盖能力的突破压力等参数。泥岩盖层对天然气的封闭性能主要取决于泥岩在饱和地层水条件下对天然气的突破压力，也就是取决于泥岩对游离相天然气的封盖能力。

众所周知，膏盐岩是很好的盖层，但是膏盐岩的物性参数并不比泥岩好，其突破压力往往只有几兆帕，一般不大于10 MPa。而有些泥岩的突破压力却高达30 MPa，如果仅凭突破压力大小就认为泥岩比膏盐岩的封盖性能好，这显然不合适。那么突破压力值又该如何用来判断盖层的优劣呢？如何综合成岩作用、构造演化、微观指标参数对盖层的封盖能力做出客观的评价成为盖层评价中的一个难点。目前常用的几种单一指标均存在一定的局限性，下面分别就常规参数局限性进行分析。

2 泥岩常规参数特征及封盖有效性评价的缺陷

2.1 孔隙率参数

孔隙率是盖层评价中最基本的参数，普遍认为泥岩盖层的孔隙率越大，盖层的封盖性能越差。由于泥岩初始沉积时孔隙率高达50%以上，在早成岩阶段，具有一定封盖能力的泥岩仍可具有较高的孔隙率。如贵州黔南坳陷麻江红花园组、翁项群加里东期古油藏的有效区域盖层为翁四段泥岩，从区域沉积厚度看其厚度分布于260～450 m 之间，志留纪沉积末期其埋深一般在500 m，处于早成岩阶段，因此，具备500 m埋深、累计厚250 m的泥岩可作为有效盖层的条件[11]。

图1 各时代泥岩样品孔隙率统计

南方海相碳酸盐岩地区志留系露头剖面的泥岩由于受到风化淋滤作用的影响，有时也会表现为较高孔隙率，尽管井下样品不会有这么高的孔隙率，但对南方而言，样品主要来自野外地质剖面，所以对野外地质样品的评价才是盖层评价的主体。笔者统计了近年来不同地区的700多件泥岩样品的孔隙率数据(图1)，不管时代新老，野外地质样品的孔隙率变化范围均较大。如贵州威信张家村—石坎剖面志留系泥岩样品孔隙率高达32%，由此而推断该地区志留系已不具封盖能力则有失偏颇。而中生代样品的孔隙率反而整体比其他样品要低，这反映了风化作用以及裂隙的影响会导致孔隙率参数变大，仅凭孔隙率参数很难用于评价深埋于地下的盖层的封盖性能。

2.2 渗透率参数

渗透率参数也是评价盖层封盖性能的常用参数，但是由于地表剖面样品的渗透率是岩石应力释放后所表现出来的渗透性能，应力的释放导致泥岩微裂隙由非开启状态变成了开启状态，渗透率变大，这种变化带有不均一性和偶然性(图2)。同一层位的样品，从外观及其它参数看，没太大差别，但由于微裂隙的存在，使得渗透率参数相差较大。所以用渗透率进行盖层评价时，若岩性相同，渗透率差别较大，表明该区盖层样品中微裂隙较为发育。若仅用渗透率参数划定某一指标，则很难客观评价盖层的封盖性能。

图2 各时代泥岩样品渗透率统计

2.3 泥岩成岩作用对封盖性能的影响

张长江等[11]对南方志留系泥质岩盖层的动态评价研究表明，在所有成岩作用阶段，泥岩的封盖性能以中成岩期早期为最好，此时泥岩进入固结阶段，镜质体反射率为0.5%～0.65%；并以镜质体反射率作为一项指标对泥岩的封盖性能进行了评价(表1)。但仅以反射率作为泥岩封盖性能的评价指标还远远不够，因为镜质体反射率是反应泥岩中有机质经历过的最高温度，而泥岩的封盖性能与构造破坏的关系更加密切。

2.4 突破压力参数

在此，首先区分几个反映盖层封盖能力的压力参数：一是压汞(含吸附)突破压力[12-13]，二是驱替法突破压力，三是排替压力。有些学者将排替压力与突破压力相混，所以得到了不同的结论和划分标准。

压汞(含吸附)突破压力的测定是通过压汞法—吸附法联合测得岩石的全孔径毛管压力曲线，在曲线以10%气/水饱和度所对应的压力作为突破压力，该方法不是直接采用气/水两相进行测试，而是将气/汞条件换算得到的气/水条件下的毛管压力曲线。尽管参数的获得带有一定主观和经验成分，但是作为盖层的评价参数，突破压力应该是最直观有效的。通常所说的突破压力即指该方法测定的突破压力值。

表1 中国南方志留系泥岩盖层评价指标[11]

气驱替法测定突破压力，即将岩心饱和地层水，在岩心后端用气进行驱替，驱替压力不断增加直至岩心后出现气泡，这种方法更为直观。尽管2种方法所测定的物理量都具有相同的物理意义，但由于方法的差别较大，所以测量值存在一定的差异，再加上气驱法突破压力测定周期较长，测量值最大允许误差可达15%，所以通常突破压力是以压汞法—吸附法联合测定而得到。

排替压力(孙明亮等[1])则是以压汞法得到的毛管压力曲线，在曲线变平缓的第一个拐点处的进汞压力则是排替压力。由于该压力值是压汞时的进汞压力，并没有换算为气—水两相条件下气突破水的压力，所以该值比压汞法—吸附法联合测定的突破压力值要大5.25倍。该值不能作为盖层的突破压力参数，仅作为储层评价和油气田开发中常用的评价参数。

作为盖层评价的主要参数，突破压力应该是最直观有效的。统计数据显示(图3)，各时代盖层的突破压力差异较大，白垩系泥岩显示的平均突破压力高于其它地层，最高的突破压力出现在志留系的泥岩中，由于压汞法—吸附法联合测定得到突破压力主要受孔隙结构的影响,而无法反应裂隙发育的情况，所以很难用这一单一的指标来评价盖层的封盖性能。

综上所述，目前很难用单一指标来评价盖层的封盖性能，必须采用多指标体系进行综合判识。

图3 各时代泥岩样品突破压力统计

3 突破压力与比表面积联合判识盖层的封盖性能

岩石比表面积是指单位重量内岩石总表面积，即岩石内部的内表面积和外部的外表面积之和，它是岩石颗粒大小、孔隙发育程度、压实程度、胶结程度的综合反映，而这些影响因素正是评价泥岩盖层封盖性能所必须的几个重要方面。一般而言，岩石的内表面积远大于岩石的外表面积。由于该参数一般不受裂隙的影响，测定结果相对稳定，其大小又可以用于判断成岩作用的强弱，而成岩作用的强弱往往反映了裂隙发育的程度，因此该参数可以配合突破压力参数对泥岩盖层进行综合评价。不管是埋藏压实还是构造挤压，对泥岩的成岩作用的影响，最终总是表现为岩石比表面积的变小。

一般认为当突破压力小于0.5 MPa时，盖层不具有封盖性，所以0.5 MPa以下的样品为非盖层样品。从大中型天然气藏与突破压力的关系[14-17]可以看出，大中型气田资源丰度大于10×108m3/km2主要集中在1～15 MPa的突破压力范围内(图4)。也就是说，有些突破压力并不高的气藏，资源丰度却可以很高，而有些突破压力很高的地区盖层的封盖性能并不一定好。这也说明，微观检测得到的高突破压力盖层，其成岩演化程度可能相对较高，封盖性能反而变差。

郑德文等(1994)以突破压力对盖层等级进行了人为规定：能够封闭1 000 m以上气柱高度的盖层为Ⅰ类；封闭500～1 000 m气柱高度的盖层为Ⅱ类；封闭200～500 m气柱高度的盖层为Ⅲ类；封闭100～200 m气柱高度的盖层为Ⅳ类。

4 泥岩盖层封盖性能模板的建立

根据以上分析，结合前人对盖层的评价标准，本文提出了以比表面积和突破压力联合判断盖层封盖性能的模板(图5)。即以比表面积为横坐标，以突破压力为纵坐标，在该系统中分别划分出4类盖层及非盖层区。

图4 资源丰度与突破压力关系[17]

图5 中上扬子区志留系泥岩盖层封盖性能等级划分

以中上扬子区志留系泥岩为例，北川通口剖面位于龙门山构造带的中部，志留系泥岩轻微变质，测得的突破压力均较小，表明样品中几乎没有原生孔隙。其中有一个样品的突破压力为0.33 MPa，压汞法测得的孔隙结构主要反映的是泥岩的微裂隙空间，所以其突破压力较小；另一个样品的突破压力虽然达到2.98 MPa，理论上能封住300 m左右的天然气气柱，但其比表面积仅为6.03 m2/g，从该模板上看，仅能评价为Ⅳ类盖层。综合评价，该区的志留系泥岩的封盖性能很差，不具有封盖条件。

湖北恩施白果乡志留系龙马溪组的碳质泥岩，尽管其突破压力仅为5.86 MPa，且孔隙率达到17.33%，但其比表面积达到19.24 m2/g，表明该区志留系泥岩中微孔较为发育，尽管孔隙率较大，但仍可作为较好的盖层，在该模板中评价为Ⅱ类盖层。

习水县良村镇剖面的下志留统3个泥岩样品，比表面积分别为12.16,15.31,18.22 m2/g；突破压力分别为9.29,15.97,15.97 MPa，按照本模板，其盖层类型应划为Ⅰ-Ⅱ类，表明该区下志留统泥岩具有较好的封盖性能。

突破压力与比表面积双参数盖层评价模板具有一定的理论基础和实用价值，可作为南方高演化地区盖层样品评价的模板，但是，由于在已知油气藏的勘探开发过程中很少对泥岩盖层进行取心，即使取心也很少进行比表面积的测定，因此该模板缺乏已知油气藏实例的验证，对该模板的有效性还有待进一步的资料加以证实和补充。

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