盖层封闭机理研究

俞凌杰，范 明，刘伟新，张文涛，陈宏宇

(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 研究现状

盖层封闭能力研究已成为石油天然气地质领域的热点之一[1-2]。目前，国内普遍认为天然气的封盖机理主要有毛管压力封闭、超压封闭和烃浓度封闭3种。在盖层综合评价中，突破压力作为衡量毛管封闭能力大小的尺度[3]，一直是研究和应用的重点，而厚度则作为重要的宏观评价参数。人们对盖层厚度与其封盖能力之间的关系进行了大量研究，但至今仍存在争议。一些学者认为盖层厚度与其毛管封闭能力无关，只是盖层厚度越大，其发生断裂的可能性越小[4-6]。但是，不少学者则认为盖层厚度与毛管封闭能力相关。袁际华等[7]将长度与突破压力值均接近的岩心柱进行拼接后重新测试样品的突破压力值，与先前4个岩心柱的算术和基本一致，并由此认为随着岩心长度增加，突破压力值将增大，毛管封闭能力也将增强。吕延防等[8-10]以不同长度的人造石英砂岩为样品，进行气体突破压力测试，结果表明，样品长度越长，突破压力值越大，即毛管封闭能力越强，且两者之间具有如下线性正相关关系：Pd=4H+0.093，式中：Pd为样品突破压力值；H为样品长度。

超压在沉积盆地中普遍存在，其成因主要归于：1)压实排液与沉积速率不平衡；2)水热增压作用；3)蒙脱石向伊利石转化的脱水作用；4)油气生成作用等[11]。超压对游离相、水溶相及扩散相天然气均存在很好的封闭机理。刘方槐[12]经过理论估算表明，压力系数为1.3的欠压实泥岩依靠超压封闭的气柱高度是靠毛细管阻力封闭气柱高度的11倍；当盖层压力系数为2.0时，则可高出37倍。吕延防等[8]对盖层的定量研究认为，盖层的封闭能力是吸附阻力与毛管压力之和，并且有吸附阻力等于2倍的超压值，即P=Pd+2ΔP。董忠良等[13]对油气藏盖层封盖机制的研究现状进行了总结，并认为超压增强盖层封闭能力的原因是欠压实层的超压与欠压实层自身的毛细管力之和远大于正常压实段的毛细管力。但是，对于超压在多大程度上能够提高盖层封闭能力，以及超压层与上下正常压实层之间的作用关系，还不是很清楚，对超压的模拟实验也开展较少。

笔者借助自主设计的气驱法突破压力仪，针对盖层厚度与毛管封闭能力的关系及超压对提高盖层封闭能力的关系这2个问题开展实验。一方面研究实验室可测长度范围内样品长度与突破压力的关系，另一方面研究超压对盖层封闭能力的作用，旨在更深入地认识盖层的封闭机理。

2 实验设备与方法

实验采用中国石化无锡石油地质研究所自行设计的TPY-1型气体法突破压力仪(图1)。岩心前端气源压力主要通过恒压恒流泵来实现连续稳定控制。为了在较大压力范围内提高压力精度，分别设置低中压容器和高压容器2个储压罐，并配置低压、中压、高压3个压力表，可以最高实现60 MPa的压力。这种分罐和分压力表的组合设计，既满足了突破压力的测试量程，同时也保证了压力数据的精度。出口端气体突破时的检测则采用红外气泡检测仪，并通过电脑软件自动记录气泡个数和每个气泡的采集时刻，可以方便地判断突破时的压力值，实现无人值守条件下的测量。另外，本仪器能够模拟地层条件下不同温度(小于150 ℃)和围压(小于60 MPa)条件的测试。为避免较高测试温度下(75～150 ℃)水的蒸发沸腾，在出口端设计了回压泵以及金属铜的散热部件。

样品经过烘干—抽真空并灌注饱和盐水—饱和盐水中加压(10～20 MPa)充分饱和后装入岩心夹持器中，并加上围压。之后在岩心出口端灌满饱和盐水，通气进行突破压力测定。为了保证实验的可重复性，采用遇水不易破碎的粉砂岩。实验选取牛武2井2个粉砂岩岩心样品，并钻取若干不同长度的岩心柱，预先对每个岩心柱的孔隙度和渗透率进行测定，并选取其中具有较一致物性特征的样品进行突破压力研究。

3 实验结果与讨论

3.1 样品长度与突破压力的关系

牛武2井不同长度粉砂岩岩心柱的基本特征及突破压力如表1所示。表中NW2-1样品3个长度分别为1.1,1.4,2.55 cm的岩心柱，其突破压力为0.57～0.59 MPa。NW2-5样品3个岩心柱长度分别为0.87,1.80,3.72 cm，其突破压力分别为1.39,1.42,1.44 MPa。长度变化在2～3倍，相同样品的突破压力值误差在5%以内，远低于规定的误差范围，说明突破压力值与样品长度无关。

图1 TPY-1型气体法突破压力仪示意

样品名称长度/cm孔隙度/%渗透率/10-3μm2突破压力/MPaNW2-1-11.107.590.053 90.57NW2-1-21.407.030.055 00.59NW2-1-32.556.800.054 10.59NW2-5-10.877.050.020 11.39NW2-5-21.806.220.025 31.42NW2-5-33.726.000.035 81.44NW2-5-1+NW2-5-22.671.43

从本质上说，突破压力是非润湿相流体(气体)在润湿相(饱和盐水)中形成连续通道时所需克服的最小阻力。对于非润湿相的气体，必须克服岩石的毛细管力才能进入岩石孔道。根据界面现象理论，毛细管力是由于表面张力作用，在气水两相的弯曲界面上存在的附加压力。由杨—拉普拉斯公式：

Pc=2σcosθ/r

式中：Pc为毛细管力；σ为气水界面张力；θ为润湿角；r为毛管半径。

可以看出，毛细管力的大小只与界面张力、润湿性及毛管半径有关，与样品长度无关。因此，突破压力作为表征毛管封闭能力的参数，与样品长度无关。在实际地质状况中，盖层厚度与毛管封闭能力无关。对于致密盖层，理论上只需要很小的厚度就能封盖住较大的气柱高度，但是盖层厚度太小则容易产生断裂。

从测试结果来看，上述不同长度样品的突破压力与前人研究结果存在矛盾。前人研究中，人造石英砂岩的突破压力值与长度呈正相关关系。同时，前人将岩心柱进行拼接后突破压力值明显增大。针对拼接实验，笔者也选取了NW2-5-1和NW2-5-2等2个岩心柱进行拼接，岩心柱中间夹高孔渗金属砂心。拼接后样品总长度2.67 cm，突破压力1.43 MPa，与原有岩心柱突破压力(1.39,1.42 MPa)几乎相等(表1)。

测试结果不一致，关键原因在于测试方法，而测试方法的差别则主要在于恒压时间的设定。前人对于岩石气体法突破压力测定，遵循的是石油天然气行业标准——岩石中气体突破压力测定标准方法(SY/T 5748-1995)，该方法对测试中的恒压时间及压力增幅做出了相应规定(表2)。但是，该方法对恒压时间的规定只是单纯按实验压力阶段划分，而没有考虑样品长度的影响，因此前人研究中低突破压力的不同长度的石英砂岩基本是按照恒压30 min进行测试的。然而在实验测试过程中发现，恒压30 min对于较短的岩心柱(小于1 cm)是合适的；但是当样品长度增大时，随着所需突破时间的增加，相应的恒压时间也应该延长。如果仍然采用恒压30 min，则导致原本前一个、甚至前几个压力值时就能突破，但是由于恒压时间太短，压力递增到更高时才突破。因此，从结果上看，突破压力随长度增加而增加，但其实突破压力值并没有增加，只是测量值随着长度增加而逐渐偏高，甚至偏高了一倍或者多倍。

本实验中，考虑样品长度对恒压时间的影响，设定新的实验测试参数(表3)。对于长度小于等于1 cm的样品，恒压时间采用表2标准方法中规定的值。但是，对于长度L>1 cm的样品，则在原有恒压时间的基础上，根据样品长度，按照L∶1的比例进行放大。NW2-5-1,NW2-5-2,NW2-5-3 岩心柱根据样品长度0.87,1.80,3.72 cm，分别设定恒压时间为30,54,111 min。同时，为了保证测试精度，将压力增幅控制在5%左右。最终3个岩心柱测得的突破压力值基本一致(表1)。如果按照行业标准S Y/T 5748-1995，将3个不同长度岩心柱的恒压时间都规定为30 min，则NW2-5-2和NW2-5-3这 2个较长岩心柱样品的突破压力值不可能是1.42和1.44 MPa，而是会远大于这个范围。

表2 岩石中气体突破压力测定

表3 根据样品长度设定的实验参数

因此，突破压力测试过程中对恒压时间的设定，除了需要划分实验压力阶段外，还必须考虑样品长度的影响。笔者只选用了较低突破压力的粉砂岩样品，初步证实按长度比例放大恒压时间基本可行。对于泥岩等高突破压力值的样品，可能这个比例还远远不够。 但是，只要恒压时间足够长，就能得到接近真实的样品突破压力，且突破压力与长度无关。

3.2 超压封闭实验模拟

选取先前已测得突破压力为1.39 MPa的样品NW2-5-1，在前端进气(P)、后端采用恒压水泵恒定水压(ΔP)条件下进行测试(图2)。未加水压时，样品的突破压力值Pd为1.39 MPa；施加不同的恒定水压值后，气体突破NW2-5-1样品的压力值均有显著提高(表4)。由表4可以看出，不同恒定水压条件下，气体突破样品的压力P基本满足关系式：P=Pd+ΔP。也就是说，气体突破NW2-5-1样品的压力值等于附加于样品后端的恒定水压值和样品突破压力值之和。

在超压模式图(图3)[14]中，超压泥岩盖层分为上、下致密层和中间欠压实层3个部分。上、下致密层属于正常压实，其内部孔隙流体压力为同地层的静水压力，孔隙度和渗透率低于中间欠压实层的孔隙度和渗透率。而中间欠压实层，大量孔隙流体因上、下致密层存在而滞留其中，并承受上覆地层的部分沉积载荷，从而产生较正常压实泥岩更高的孔隙流体压力，即形成超压。

图2 恒定水压下突破压力测试示意

恒定水压ΔP/MPa所需压力值P/MPa未加1.3912.4123.44

对于正常静水压力的盖层(图4)，由于突破过程中水力梯度逐渐降低，因此只要突破盖层底部，气体就能贯穿整个盖层。假设盖层底部B(或气藏顶部A)的深度为H，气—水界面深度为L，且气藏刚好达到盖层最大封闭能力，则气藏中的压力(Pg)等于气—水界面处的水压减去高度为h的气柱的重力，即：

Pg=ρwgL-ρggh

上述关系式也可表示为：

Pg=ρwgH+(ρw-ρg)gh

即：气藏中的压力等于盖层底部的静水压力与气藏浮力之和。因此，气藏中的压力与盖层底部静水压力之差为气柱产生的浮力F。如果浮力F大于盖层的突破压力，盖层就将被突破。但是对于存在超压的气藏(图5)，欠压实层中的超压ΔP附加于下致密段上，增加了下致密层顶部C的静水压力，因此气体要突破整个盖层，气藏中的压力必须也要增加ΔP。

图3 泥岩欠压实层产生的超压模式[14]

图4 正常静水压力的气藏

图5 具有超压封闭的气藏

如果气—水界面不变，气柱高度就要增加，即增加的浮力ΔF=ΔP。而且，气体只要突破了下致密层顶部C，就能贯穿整个盖层(前提是上致密层的突破压力小于下致密层)，与欠压实层自身的突破压力值无关，只与上下致密层的突破压力有关，这与董忠良等[13]所认识的不一致。同时，通过上述实验还认识到，超压与封盖能力之间的关系满足P=Pd+ΔP定量关系，而不是吕延防等[8]所得出的关系：P=Pd+2ΔP。但是，在实际地质状况下，超压要起增强封闭作用，超压层中的孔隙流体必须完全滞留于上下致密层内。一旦超压流体发生渗漏，超压封闭作用就将消失。

4 结论

1)利用自行研制的气驱法突破压力仪，对样品长度与突破压力之间的关系进行研究。结果表明，突破压力作为衡量岩石毛细管封闭能力的参数，与样品长度无关。比较前人的研究成果，矛盾根源在于测试方法上，而测试方法的差别在于突破压力测试中恒压时间的设定。前人工作中对于较长样品恒压时间太短，导致测试值随着长度增加而逐渐偏高，认为是突破压力逐渐增加，但其实突破压力并没有增加。本实验中根据样品长度比例放大恒压时间，得到接近真实的突破压力，并且与长度无关。因此，在实际地质状况下，厚度的增加并不能提高盖层的毛管封闭能力。

2)通过在样品一端恒定不同的水压值进行实验，发现气体突破样品所需的压力均增加，并且增加的压力值等于所恒定的水压值。结合实验及超压模式图认识到，超压之所以能够提高盖层的封闭能力，主要是其提高了气体突破下致密层泥岩所需的压力，并且增加的压力等于超压值，即满足P=Pd+ΔP定量关系，并且与欠压实层的突破压力值无关。这与前人认为的突破压力与欠压实层突破压力相关，以及突破压力P=Pd+2ΔP等认识均有所不同。

参考文献:

[1] 付广,张建英,赵荣. 泥质岩盖层微观封闭能力的综合评价方法及其应用[J]. 海相油气地质,1997,2(1):36-41.

[2] 张长江,潘文蕾,刘光祥,等. 中国南方志留系泥质岩盖层动态评价研究[J]. 天然气地球科学,2008,19(3):302-310.

[3] 刘东鹰. 江苏下扬子区中-古生界盖层突破压力特征[J]. 石油实验地质,2010,32(4):362-365.

[4] Watts N L. Theoretical aspects of cap-rock and fault seals for single- and two-phase hydrocarbon columns[J]. Marine and Petroleum Geology,1987,4(4):274-307.

[5] Ingram G M, Urai J L, Naylor M A. Sealing processes and top seal assessment[M]// Pederson P M, Koestler A G. Hydrocarbon seals-Importance for exploration and production, NPF special publication no.7. Amsterdam: Elsevier, 1997:165-174.

[6] Hildenbrand A, Schlömer S, Krooss B M. Gas breakthrough experiments on fine-grained sedimentary rocks[J]. Geo-fluids,2002,2(1):3-23.

[7] 袁际华,柳广弟,张英. 相对盖层厚度封闭效应及其应用[J]. 西安石油大学学报(自然科学版),2008,23(1):34-36.

[8] 吕延防,张绍臣,王亚明. 盖层封闭能力与盖层厚度定量关系[J]. 石油学报,2000,21(2):27-30.

[9] 付广,张发强,吕延防. 厚度在泥岩盖层封盖油气中的作用[J]. 天然气地球科学,1998,9(6):20-25.

[10] 付广,许凤鸣. 盖层厚度对封闭能力的控制作用[J]. 天然气地球科学,2003,14(3):186-190.

[11] 杨殿军. 超压对泥岩盖层封闭各种相态天然气的作用研究[J]. 大庆石油地质与开发,2008,27(2):12-15.

[12] 刘方槐.盖层在气藏保存和破坏中的作用及其评价方法[J]. 天然气地球科学,1991,2(5):220-232.

[13] 董忠良,张金功,王永诗,等. 油气藏封盖机制研究现状[J]. 兰州大学学报(自然科学版),2008,44(SI):49-53.

[14] 陈晓华,荆淑田. 超压泥岩盖层封闭游离相油气能力的评价方法[J]. 大庆石油学院学报,2008,32(2):107-109.