影响泥岩盖层封闭能力主控因素的物理模拟

汪 虓

（大庆油田有限责任公司 测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163314）

影响泥岩盖层封闭能力主控因素的物理模拟

汪 虓

（大庆油田有限责任公司 测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163314）

为定量研究影响泥岩盖层封闭能力的主控因素，采取物理模拟实验方法，利用不同压实成岩埋深和泥质质量分数的人造泥岩盖层样品，对其排替压力进行测试.结果表明：泥岩盖层排替压力与其泥质质量分数和压实成岩埋深之间具有正比关系，即泥质质量分数越大，压实成岩埋深越大，泥质盖层排替压力越大，封闭能力越强；反之，封闭能力越弱.该关系在大港油田沙一段中部盖层排替压力预测中的成功应用，证明其对预测泥岩盖层封闭能力分布具有指导意义.

泥岩盖层；排替压力；封闭能力；泥质质量分数；压实成岩埋深

0 引言

随着油气勘探的深入，对盖层封闭能力的研究，除井点处盖层封闭能力外，还要研究其平面上封闭能力的变化特征.为准确预测盖层封闭能力的平面变化规律，除需要钻井和地震资料方法及技术外，确定盖层封闭能力的影响因素及其函数关系十分重要.前人对盖层封闭能力的影响因素做过研究和探讨[1-5]，如付广[1]、鲁雪松[2]、张林晔[3]等分析影响岩石实测排替压力因素，即实验方法、实验时间、岩样长度、石油的环境条件和岩样特征.首先，这些研究所考虑的影响因素虽然很多，但缺少主控因素的确定，一些影响因素之间具有相关关系，它们对盖层封闭能力具有某些相同的作用.其次，这些研究主要是定性的，缺少定量研究，给盖层封闭能力平面分布预测带来困难.目前，预测盖层封闭能力平面分布的主要方式是通过实测岩石样品排替压力与地震、测井和岩石单一物性参数之间的关系，建立预测公式，如吕延防等[4]分析长垣以东地区各岩性盖层的排替压力随深度的变化规律，采用实测数据统计法建立长垣以东地区盖层排替压力与声波时差的关系；付广等[5]根据地震速度与声波速度具有相同的属性，利用泥岩排替压力与声波速度之间的函数关系，通过地震速度预测排替压力等.这些方法误差相对较大，且不同地区之间存在的差异性也较大.因此，开展影响泥岩盖层封闭能力主控因素的物理模拟实验，对于准确预测泥岩盖层封闭能力的平面变化具有指导意义.

1 主控因素

泥岩盖层封闭能力强弱主要受其纯度和压实成岩程度的制约，其纯度越高，泥岩盖层孔隙越小，排替压力越高，封闭能力越强；压实成岩程度越高，泥岩盖层越致密，孔渗性越差，排替压力越高，封闭能力越强[2，3，6-11].盖层纯度用泥质质量分数表示，泥质质量分数越大，表明泥岩盖层纯度越高；反之，越低.盖层压实成岩程度用压实成岩埋深表示，压实成岩埋藏深度越大，表明泥岩盖层压实成岩程度越高；反之，越低.因此，压实成岩埋深和泥质质量分数是影响泥岩盖层封闭能力的主控因素.

2 样品制作

模拟实验的材料主要为粉砂、黏土和水，其中粉砂为370目的石英砂，黏土为实际泥岩岩心粉碎和过筛后得到的，水为矿泉水.

将黏土和粉砂按设计比例（质量比）要求100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100分别进行混合，倒入适当的搅拌容器中，设置搅拌速度，启动搅拌机器，将不同比例黏土和粉砂混合搅拌后，用雾化器对其进行湿润，待达到一定湿度后停止搅拌；然后将黏土和粉砂混合物填入成岩模具中，加上压力棒，用手动压力泵按设计要求加压（0，5，10，15 MPa），以模拟其压实成岩埋深，对每个压力保持4 h不变，压力模拟装置见图1.

最后取出经压实得到的直径为2.5 cm的20块岩心柱，放入恒温箱中，控制加热温度40℃，直至将岩心烘干为止，得到20块进行模拟实验所需要人造不同压实成岩程度和泥质质量分数的泥岩盖层样品.

图1 人造泥岩盖层样品压实成岩埋深压力模拟装置

3 排替压力的测试及求取

将制作成的不同压实成岩程度和泥质质量分数的泥岩盖层样品进行抽真空，再进行饱和煤油处理；数天后取出，利用实验设备（见图2）对其进行排替压力测试，对每块样品加一定压力的高压空气；再对其进行2次排驱实验，获得2个实测的突破压力和突破时间，结果见表1.

图2 泥岩盖层排替压力测试实验装置

表1 人造泥岩盖层样品排替压力实测数据

续表1

根据表1实验结果，利用由伯肖定律推导泥岩盖层样品排替压力计算公式[12]，由2次突破压力和突破时间，计算得到每块样品的实测排替压力（见表1）：式中：pd为泥岩盖层排替压力；p1，p2分别为第1次和第2次实验所获得的泥岩盖层的突破压力；t1，t2分别为第1次和第2次实验高压空气穿过泥岩盖层的突破时间.

4 实验结果分析

由表1可以看出，20块人造泥岩盖层样品实测最大排替压力为2.11 MPa，最小为0.06 MPa，两者相差30余倍.将表1中20块人造泥岩盖层样品实测排替压力与其压实成岩埋深（地层压力）和泥质质量分数之间关系做图3（地层压力为成岩埋深和水密度的乘积，水密度取1）.

由图3可以看出，在相同的压实成岩埋深（地层压力）的条件下，泥岩盖层排替压力随着泥质质量分数增大而逐渐增大；反之，逐渐减小.在相同泥质质量分数条件下，泥岩盖层排替压力随着压实成岩埋深增大而逐渐增大；反之，逐渐减小.

5 现场应用

以大港油田沙一段中部泥岩盖层为例，利用泥岩盖层排替压力与压实成岩埋深及泥质质量分数之间的定量函数关系，研究其封闭能力的平面变化特征.大港油田位于渤海湾盆地黄骅凹陷中部，构造上包括歧口、板桥凹陷，板桥、南大港、塘沽新港潜山和沈青庄构造带，白东海2、歧东海Ⅰ、赵家堡海4断裂构造带，三木潜山和杨二庄裙边构造带的部分地区[13].

该油田从下至上发育有古生界、中生界和新生界古近系孔店组、沙河街组和东营组，新近系馆陶组和明化镇组及第四系地层，沙一段中部发育的泥岩盖层是大港油田油气主要区域性盖层，几乎全区发育，最大单层厚度为248.5 m，最小单层厚度为2.8 m，累计最大厚度达到500 m以上，主要分布在板桥凹陷和板桥断裂构造带之间，向其四周沙一段中部泥岩盖层厚度逐渐减小，在油田南部边界厚度减小，在100 m以下.其封闭能力的平面变化特征影响大港油田油气在平面分布数量的变化.

为研究沙一段中部泥岩盖层封闭能力的平面变化，选取大港油田不同层位的33块泥岩盖层样品进行排替压力实测，结果见表2.由表2可以看出，沙一段中部泥岩盖层样品仅有6块，难以反映其封闭能力的变化特征.通过计算33块泥岩盖层样品的泥质质量分数（见表2），根据模拟实验得到泥岩盖层排替压力与其压实成岩埋深和泥质质量分数之间的关系（见图3），可以得到大港油田泥岩盖层排替压力与其压实成岩埋深和泥质质量分数之间的关系，见图4和式（2）.式中：Z为泥岩盖层压实成岩埋深；R为泥岩盖层泥质质量分数.

表2 大港油田泥岩盖层排替压力实测数据

图3 不同泥质质量分数下人造泥岩盖层样品排替压力与其压实成岩埋深（压力）之间关系

图4 大港油田泥岩盖层排替压力与其泥质质量分数和压实成岩埋深乘积之间关系

由式（2），按照4 km×4 km网格，选取大港油田沙一段中部泥岩盖层压实成岩埋深，利用自然伽马曲线计算泥质质量分数，可以得到大量的沙一段中部泥岩盖层排替压力数据点，将其做图得到排替压力平面分布（见图5）.由图5可以看出，由于受东西向洼隆相间构造形态的影响，沙一段中部泥岩盖层的排替压力由南向北呈现为升高—降低—升高—降低—升高的波动趋势.主要存在4个泥岩盖层排替压力大于7.5 MPa的高值分布区，均呈北东—南西走向的长条状分布，分别位于板桥凹陷北部、歧口主凹东北部、南大港潜山构造带西部及其东部[14-15].其中板桥凹陷北部泥岩盖层排替压力最大为15 MPa；歧口主凹东北部的泥岩盖层排替压力高值分布区面积最大.2个高值分布区中间夹持区域一般泥岩盖层排替压力相对较低，如板桥断裂构造带和北大港潜山构造带处，平均泥岩盖层排替压力为4.5 MPa左右.主体部位泥岩盖层排替压力凹陷中心部位向边缘逐渐减小，在沧县隆起部位其排替压力减小为0 MPa.

根据歧口地区排替压力预测公式，计算该区30个气藏盖层的排替压力，建立排替压力与气藏日产气量之间关系（见图6），两者之间具有正相关关系，即随着盖层封闭能力增强，气藏日产气量逐渐增大；反之，逐渐减小.由此证明，泥岩盖层对油气的富集程度起着重要的控制作用，并且利用排替压力预测公式计算的气藏封闭能力符合地质规律，具有很强的适用性.

图5 大港油田沙一段中部泥岩盖层排替压力平面分布

图6 歧口凹陷气藏盖层排替压力与日产气量关系

6 结论

（1）实测人造泥岩盖层样品排替压力与其泥质质量分数和压实成岩埋深之间具正相关关系，即泥质质量分数越大，压实成岩埋深越大，泥岩盖层排替压力越大；反之，越小.

（2）将泥岩盖层排替压力与其压实成岩埋深和泥质质量分数之间关系，在大港油田沙一段中部泥岩盖层平面排替压力预测中进行应用，歧口地区30个气藏盖层排替压力与其日产气量之间的关系表明，泥岩盖层对于油气的富集程度起着重要的控制作用，且利用排替压力预测公式计算出的气藏封闭能力符合地质规律.

[1]付广，吕延防，付晓飞.泥岩盖层浓度封闭演化特征——以松辽盆地下白垩统泥岩为例[J].地质科学，2003，38（2）：165-171.

[2]鲁雪松，蒋有录，宋岩.盖层力学性质及其应力状态对盖层封闭性能的影响——以克拉2气田为例[J].天然气工业，2007，27（8）：48-56.

[3]张林晔，包友书，刘庆，等.盖层物性封闭能力与油气流体物理性质关系探讨[J].中国科学地球科学，2010，40（1）：28-33.

[4]吕延防，陈章明，万龙贵.利用声波时差计算盖岩排替压力[J].石油勘探与开发，1994，2（21）：43-47.

[5]付广，姜振学，陈章明，等.松辽盆地三肇地区青山口组泥岩盖层的封闭特征[J].天然气地球科学，1995，6（2）：14-19.

[6]李剑，严启团，张英，等.柴达木盆地三湖地区第四系生物气盖层封闭机理的特殊性[J].中国科学，2007，37（增刊Ⅱ）：36-42.

[7]付广.泥岩盖层的超压封闭演化特征及封气有效性[J].大庆石油学院学报，2007，31（5）：7-11.

[8]姜振学，付广，梁海龙.三肇地区青山口组泥岩盖层封气有效性研究[J].大庆石油学院学报，1996，20（2）：19-23.

[9]胡明，尺建功，吕延防，等.徐家围子断陷徐深21区块盖层封闭能力演化与天然气成藏的关系[J].大庆石油学院学报，2010，34（1）：24-28.

[10]Dnilo R V，Tadeusz J U.Simulated annealing wavelet estimation via fourth order cumulant matching[J].Geophysics，1996，61（6）：1939-1948.

[11]Vapnik V N.Estimation of dependences based on empirical data[M].Berlin：Spring Verlag，1982.

[12]邓祖佑，王少昌，姜正龙，等.天然气封盖层的突破压力[J].石油与天然气地质，2000，21（2）：136-138.

[13]董艳蕾，朱筱敏，滑双君，等.黄骅拗陷沙河街组一段下亚段混合沉积成因类型及演化模式[J].石油与天然气地质，2011，32（1）：98-107.

[14]祁鹏任，任建业，史双双，等.歧口凹陷沿岸带新生代构造特征及其形成机制[J].石油学报，2010，31（6）：683-691.

[15]黄传炎，王华，吴永平，等.歧口凹陷第三系层序格架下的油气藏富集规律[J].吉林大学学报：地球科学版，2010，4（5）：986-994.

Physical simulating of main controlling factor influencing sealing ability of mudstone caprock/2012，36（3）：13-18

WANG Xiao
（Test Technology Services Company，Daqing Oilfield Co.Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163314，China）

To study main controlling factors influencing sealing ability of mudstone caprock，using manmade mudstone caprock sample with different compaction diagenetic depth and mudstone constant，their displacement pressures were measured by physical simulating experiment method.It is considered that displacement pressure of mudstone caprock has direct proportion relation with mudstone content，com-paction diagenetic depth，the bigger mudstone content is，the bigger the compaction diagenetic depth is，the bigger displacement pressure of mudstone caprock is，and the stronger sealing ability of mudstone caprock is；on the contrary，the weaker sealing ability of mudstone caprock is.Applying results that the quantitative relation was used to forecast displacement pressure of the Middle of Es1z mudstone caprock in Dagang oilfield indicates that the quantitative relationship is of important significance to forecast sealing ability of mudstone caprock in plane.

mudstone caprock；displacement pressure；sealing ability；mudstone content；compaction diagenetic depth

TE122.1

A

1000-1891（2012）03-0013-06

2012-03-05；

陆雅玲

国家科技重大专项（2008ZX05007-003）

汪 虓（1970-），男，工程师，主要从事测试技术工程方面的研究.