沉积岩平行层面与垂直层面方向热导率与孔隙连通性之间的关系

龚建洛，张金功，惠 涛，黄传卿，张林晔，孙志刚，陈晓军

1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，西安 710069

2.延长石油国际勘探开发工程有限公司，西安 710075

3.中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东 东营 257000

0 引言

地热是影响沉积盆地石油与天然气生成、运移、聚集、保存的重要因素，也是影响地热水及相关固体矿产形成与分布的重要因素［1－11］。在大地热流一定的条件下，沉积盆地中岩石热导率及其在平行层面和垂直层面方向的差异对热流的传递和地温分布有重要影响［12－16］：一方面，岩石热导率越高，所分配的热流相对就越多，地温相应的也越高；另一方面，岩石平行层面和垂直层面方向热导率的差异会影响大地热流在纵向和横向上的热流分配，进而导致盆地纵向与横向上地温的差异。由于沉积岩一般为多孔介质，在油气勘探和开发过程中，与沉积岩孔隙连通性（孔隙性和渗透性）有关的研究方法多样，研究程度较高，数据较多；相比之下，沉积岩热导率的研究手段较为单一、研究程度较低、数据较少。基于以上原因，研究者们［17－31］试图通过分析沉积岩孔隙连通性（孔隙性和渗透性）与热导率的关系来研究沉积岩的热导率，用于分析盆地的地温场特征［32－34］。在这一研究领域，前人对沉积岩热导率与孔隙连通性（孔隙和渗透率）的相关性进行了大量研究，但对沉积岩平行层面与垂直层面方向热导率差异与孔隙连通性差异之间的关系还没有进行深入分析，这大大地制约了对含油气盆地热传递和地温场的精细研究。

渤海湾盆地沾化凹陷是富含油气的中、新生代沉积凹陷。目前，在沾化凹陷已经发现了孤岛、渤南、桩西等大、中型油气田，其含油层位有太古宇、下古生界、上古生界、中生界、新生界古近系沙河街组、东营组、新近系馆陶组、明化镇组，古近系沙三段泥页岩中也发现了工业性油气藏。此外，孤岛等地区还发现了良好的地热水资源。笔者依据对沾化凹陷盖层古近系泥质岩、粉砂岩和砂岩及凹陷基底奥陶系白云岩平行层面与垂直层面方向热导率的差异和孔隙连通性特征研究，探讨了沉积岩平行层面和垂直层面方向热导率差异与孔隙连通性特征之间的关系，并分析了其在沉积盆地热传递过程和地温分布特征研究中的意义。

1 研究区地质概况

沾化凹陷区位于山东省东北部，为济阳坳陷的次级构造单元，东南与垦东-青坨子凸起相接，南部地层与陈家庄凸起呈超覆接触，西北与车镇凹陷毗邻，北与埕子口凸起相连，具有北断南超的特点，是在古生代地层基础上发育的中、新生代箕状断陷盆地（图1）。其中，下古生界以浅海相碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）为主，上古生界以海陆交互相和湖泊-河流相砂岩、泥质岩为主，中、新生界以湖泊与河流相砂岩、泥质岩为主。

2 实验样品及研究方法

此次研究选取沾化凹陷中岩性具代表性的样品共4组，分别是泥质岩、粉砂岩、砂岩和白云岩，实验样品基本特征见表1。对每组样品进行了平行层面和垂直层面方向的热导率（k）测试实验和孔隙连通性特征分析（图2）。

表1 样品基本特征Table 1 Basic characteristics of experimental samples

图1 沾化凹陷构造位置与盆地结构简图Fig.1 Sketch map showing the tectonic location and basin architecture of Zhanhua Depression

图2 实验样品的采集及测试分析过程示意图Fig.2 Sketch map showing the sampling method and the testing process

热导率实验采用的是瞬态热丝法，使用的仪器为HP－K高温高压导热系数测定仪，在室温（25℃）和常压（无环压）条件下，分别对4组样品在干燥含气状态、饱和水状态（饱和水类型：KCl溶液；饱和水矿化度：30g/L；水饱和度：100%）和饱和油状态（饱和油类型：煤油；油饱和度：100%）下的平行层面和垂直层面方向热导率进行了测试。

对岩石孔隙连通性差异特征研究，采用铸体薄片中平行层面与垂直层面方向孔隙连通特征观察和平行层面与垂直层面方向岩石渗透率（K）测试相结合的方法。铸体薄片为垂直岩石层面切片，该方向切片能反映出平行层面和垂直层面方向上岩石孔隙结构与岩石矿物颗粒的排列方式；分别磨制了泥质岩、粉砂岩、砂岩和白云岩垂直岩石层铸体薄片，并对这4块薄片平行层面和垂直层面方向上岩石孔隙结构与矿物颗粒的排列方式进行了观察。岩石平行层面和垂直层面方向上的渗透率差异可直接反映孔隙的连通性差异特征。为了分析岩石平行层面和垂直层面方向的渗透率，在室温（25℃）和常压条件下，对泥质岩全直径岩心样品进行了平行层面和垂直层面方向的渗透率测试；另对采集的粉砂岩、砂岩和白云岩的平行层面样品和垂直层面样品分别进行了渗透率测试。

根据对以上4组样品平行层面和垂直层面方向热导率测试结果及孔隙连通性特征的观察结果，对比分析了岩石平行层面和垂直层面方向热导率的差异与孔隙连通性特征之间的关系。

3 沉积岩平行层面与垂直层面方向热导率的差异

样品在干燥含气状态、饱和水状态、饱和油状态下，热导率实验结果见表2和图3。

从表2和图3热导率实验结果来看，沉积岩平行层面与垂直层面方向热导率的差异特征表现为两类：K1样品（泥质岩）、K2样品（粉砂岩）、K3样品（砂岩）平行层面方向热导率均高于垂直层面方向热导率；K4样品（白云岩）平行层面方向热导率均低于垂直层面方向热导率。

4 沉积岩孔隙连通性差异特征

4.1 K1样品（泥质岩）孔隙连通性差异特征

K1样品（泥质岩）颗粒细小，为微晶-隐晶结构，矿物颗粒的排列具有较弱的定向特征，主要沿平行层面方向排列。由于泥质岩颗粒细小、结构致密，主要发育微孔隙，铸体薄片中孔隙特征不明显。泥质岩全直径岩心渗透率测试结果显示，平行层面方向渗透率为17.200×10－3μm2（造成平行层面方向渗透率偏大的原因是因为全直径泥质岩样品中发育平行层面微裂缝（图4）），垂直层面方向渗透率为0.247×10－3μm2，平行层面方向渗透率与垂直层面方向渗透率比值为69.636（图5）。以上特征表明，K1样品（泥质岩）孔隙连通性特征表现为平行层面方向好于垂直层面方向。

4.2 K2样品（粉砂岩）孔隙连通性差异特征

K2样品（粉砂岩）颗粒的长轴方向基本平行于层面方向，云母、炭屑呈条状，顺层分布。薄片中可见孔隙主要为粒间孔，呈扁平状或条状，孔隙的长轴方向主要平行于岩层层面方向，主要沿平行于岩层层面方向连通。渗透率测量显示，平行层面方向渗透率为0.570×10－3μm2，垂直层面方向渗透率为0.370×10－3μm2，平行层面方向渗透率与垂直层面方向渗透率比值为1.541（图5）。以上特征表明，K2样品（粉砂岩）孔隙连通性特征表现为平行层面方向好于垂直层面方向。

表2 平行层面与垂直层面方向热导率Table 2 Horizontal and vertical thermal conductivities

图3 样品平行层面与垂直层面方向热导率Fig.3 Map of horizontal and vertical thermal conductivities

图4 K1样品（泥质岩）平行层面方向微裂缝发育特征（单偏光）Fig.4 Characteristic of the horizontal fracture of sample K1（argillaceous rock）

4.3 K3样品（砂岩）孔隙连通性差异特征

K3样品（砂岩）陆源碎屑和长石矿物颗粒的长轴方向基本平行于层面方向。薄片中可见孔隙主要为粒间孔，绕颗粒分布，呈扁平状或条状，孔隙的长轴方向主要沿平行于岩层层面的方向连通。渗透率测量显示，平行层面方向渗透率为0.789×10－3μm2，垂直层面方向渗透率为0.696×10－3μm2，平行层面方向渗透率与垂直层面方向渗透率比值为1.134（图5）。以上特征表明，K3样品（砂岩）孔隙连通性特征表现为平行层面方向好于垂直层面方向。

4.4 K4样品（白云岩）孔隙连通性差异特征

K4样品（白云岩）为嵌晶状晶粒结构，不具定向性排列特征，发育垂向、近垂向裂缝，部分被方解石充填。孔隙以裂缝为主，主要沿近垂直层面方向连通。渗透率测量显示，平行层面方向渗透率为0.464×10－3μm2，垂直层面方向渗透率为0.948×10－3μm2，平行层面方向渗透率与垂直层面方向渗透率比值为0.489（图5）。以上特征表明，K4样品（白云岩）孔隙连通性特征表现为平行层面方向差于垂直层面方向。

4.5 沉积岩平行层面与垂直层面方向孔隙连通性差异的原因分析

沉积岩平行层面与垂直层面方向孔隙连通性的差异主要受岩石孔隙类型和分布的影响。

岩石中裂缝不发育时，组成岩石的颗粒排列特征与孔隙的定向分布有密切关系。一般碎屑岩中矿物颗粒的长轴平行于岩层层面，这种排列造成孔隙沿平行层面方向主要以扁平状结构为主。孔隙的长轴平行岩层层面方向，反映在孔隙结构和分布特征上就是孔隙主要沿平行层面方向分布，在单位长度上平行层面方向上孔喉个数少于垂直层面方向上孔喉个数。这就导致了岩石孔隙连通性平行层面方向好于垂直层面方向（如K2样品（粉砂岩）和K3样品（砂岩））。

当沉积岩中发育裂缝时，平行裂缝面的方向是孔隙连通性好的方向。当裂缝面平行于岩层层面时，沉积岩平行层面方向的孔隙连通性要好于垂直层面方向（如K1样品（泥质岩））；当裂缝面垂直于岩层层面时，沉积岩垂直层面方向孔隙连通性要好于平行层面方向（如K4样品（白云岩））。

5 沉积岩平行层面与垂直层面方向热导率差异与孔隙连通性差异关系分析

对比沉积岩平行层面与垂直层面方向的热导率实验结果和孔隙连通性特征（图5），样品K1、K2、K3平行层面方向的热导率大于垂直层面方向，孔隙连通性特征表现为平行层面方向好于垂直层面方向；样品K4平行层面方向的热导率小于垂直层面方向，孔隙连通性特征表现为平行层面方向差于垂直层面方向。

对比结果表明，沉积岩平行层面与垂直层面方向热导率差异和孔隙连通性特征之间有明显的正相关性，具体表现为：孔隙的连通性较好的方向，热导率较高；孔隙的连通性较差的方向，热导率较低。

6 意义

在目前技术条件下进行的含油气盆地勘探和开发过程中，沉积岩孔隙连通性参数（孔隙度和渗透率）可以通过地震、测井、录井及岩心测试等多种技术和方法有效获得，研究程度较高，相关参数数据也较多。相比之下，沉积岩热导率参数和盆地地温资料的获取手段有限，热导率参数主要依靠钻井岩心的实验室测量获取，盆地地温资料主要依靠钻井测温和大地热流测量；这种情况制约了含油气盆地地温分布研究及预测，也影响了更为精细的油气勘探和开发。而根据笔者的研究结果，沉积岩平行层面和垂直层面方向热导率的差异与沉积岩孔隙连通性差异有正相关关系，因此，可以通过分析沉积盆地中沉积岩孔隙连通性差异来分析沉积盆地沉积岩热导率差异，进而更为精细地研究和预测沉积盆地热传导和地温分布特征。

图5 样品平行层面和垂直层面方向热导率差异与孔隙连通性差异对比图Fig.5 Map showing the comparisons between the thermal conductivity difference and the pore connectivity difference in the direction of parallel and perpendicular to the bedding planes of samples

7 结论

1）沾化凹陷泥质岩、粉砂岩和砂岩的平行层面方向热导率大于垂直层面方向热导率；白云岩的平行层面方向热导率小于垂直层面方向热导率。

2）沾化凹陷泥质岩、粉砂岩、砂岩及白云岩平行层面和垂直层面方向热导率的差异与孔隙连通性差异有密切关系，两者之间具正相关性。孔隙的连通性较好方向，热导率相对较高；孔隙的连通性较差的方向，热导率相对较低。

本项研究的部分测试实验在中石化重点实验室胜利油田地质科学院实验分析测试中心完成，实验得到了闵令元、王建、张红欣高级工程师的大力支持，在此表示衷心的感谢。

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