砂岩在西湖凹陷花港组交互式盖层中的作用初探

赵 洪，秦兰芝，王 辉，李 宁，李宣玥

1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 徐汇 200030 2.中国石油勘探开发研究院，北京 海淀 100083

引 言

天然气相对于液态石油具有分子小、活动性强等特点，因此，在天然气成藏主控因素研究中盖层是一个至关重要的评价因素[1]。统计表明，世界上约60%以上大气田为泥质岩封盖层，40%的气田为蒸发岩与其他岩类封闭[2]。中国以泥岩作为盖层的大中型气田约占总数的60%，膏盐岩约占18%，而以泥页岩和灰岩、云岩为盖层的较少，均占总数11%[3]。目前天然气盖层封闭机理主要有物性封闭、压力封闭及烃浓度封闭等[4-5]，但物性封闭是其中最为重要的类型。因此，前人针对盖层的研究多局限于泥岩、灰岩及蒸发岩等类型[6-9]，而针对砂岩类盖层研究较少，因为相对于砂岩，泥岩及膏岩类具有更大的排驱压力而具有良好的封盖条件。但近年来在中国不同的含油气盆地均出现了良好的砂岩类盖层，其有效性逐渐成为研究的重点[10-12]。前人研究表明对于物性较好的储层，良好盖层不一定需要泥岩，也不需要较厚的致密层[4]，砂岩类盖层亦可以形成良好的盖层条件[13]。针对多含油气盆地的砂岩盖层实验表明，细砂岩与中砂岩等各种类型的砂岩均可具有较高的排驱压力，成为有效盖层[14]，多个含油气盆地中砂岩盖层下均具有良好的产能[15]。

目前西湖凹陷花港组发育砂泥岩交互式盖层，盖层中除了泥岩盖层外，亦发育有粉砂岩，局部为细砂岩，其下均有效封闭了天然气。前人在花港组盖层的研究中往往关注多重泥质盖层的有效性[16]，往往忽略与之伴生的粉砂岩或细砂岩等砂岩盖层[17]。由于花港组泥岩盖层厚度相对较薄、横向连续性较差，与之伴生的砂岩类盖层必定成为泥岩盖层的有利补充。但与此同时粉砂岩及细砂岩在大多情况下亦为花港组的有利储层，因此，需要进一步研究砂体如何形成良好的盖层条件。本文采用岩芯、镜下观察及压汞等分析方法为手段对砂岩类盖层特征进行分析，为西湖凹陷的下一步勘探目标优选提供技术支撑。

1 工区概况

西湖凹陷是东海陆架盆地中规模最大的新生代含油气凹陷，凹陷总体构造格架具有东西分带、南北分块的特点，北北东向断裂和褶皱带构成近南北走向的一级构造带，包括西部斜坡带、西次凹、中央反转带、东次凹及东部断阶带等构造区块（图1）。

图1 西湖凹陷工区图Fig.1 Area map of West Lake Sag

2 盖层分布特征

2.1 盖层宏观分布特征

西湖凹陷花港组H1+H2段为花港组的区域性盖层，不同地区、不同层位的盖层厚度、横向分布范围以及横向稳定性均有差别。总体而言，这套盖层覆盖整个西湖凹陷，总厚度一般大于200.0 m，平均厚度约350.0 m。经统计表明这套区域性盖层中泥岩占比为56%，表现为良好的盖层发育条件。但这套区域性盖层中泥岩单层厚度变化较大，由0.5 m到57.0 m均有分布，单层泥岩平均厚度仅为8.6 m（表1）。盖层纵向统计表明，西湖凹陷花港组盖层中砂泥岩频繁互层分布，呈现出典型的砂泥岩交互式发育特征。

表1 西湖凹陷花港组部分盖层统计表Tab.2 West Lake Huagang group statistics cover West Lake Huagang group statistics cover depression

2.2 盖层微观分布特征

由盖层宏观分析可知，花港组盖层存在泥岩厚度薄，横向连续性差的特点，但是花港组盖层仍然显示出良好的油气封闭能力。如中央反转带某构造花港组盖层厚度仅为30 m，且砂岩含量高达40%，泥岩与粉砂岩、泥质粉砂岩及泥质细砂岩等频繁互层，其下封闭气柱高度超过200 m，因此除了泥质盖层外，砂岩类盖层应该起到了重要的作用。

本文针对岩芯、薄片观察统计表明研究区主要有泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、含粉砂泥岩、泥岩、含泥粉砂岩以及细砂岩等多种岩性。为了针对砂岩类盖层进行研究，重点针对粉砂岩及细砂岩类盖层进行描述。

图2 不同岩性盖层岩芯特征Fig.2 Core features of different lithologic cap rocks

2.2.1 粉砂岩相

研究区可作为盖层的粉砂岩岩芯颜色随着颗粒粒度及泥质含量的高低而变化，多为暗灰色，局部呈现灰黑色（图2a），构造上为块状层理或深色泥质纹层特征（图2c）。岩芯观察中可见粉砂岩经常与一定厚度的泥岩伴生，两者常呈不等厚互层（图2a）。

镜下沥青质、炭质少见，长英质含量高，其中多为粉砂级别的石英颗粒，少量可达极细砂级别，粉砂颗粒含量一般大于泥质含量，局部少量裂缝发育。

2.2.2 细砂岩相

研究区可作为盖层的细砂岩少见厚度大于5 m以上，均不同程度的含有泥质杂基及钙质胶结物，由于泥质含量的不同，岩芯颜色由灰色到暗灰色不等（图2b）。相对于粉砂岩岩芯具有更多的层理特征（图2d），平行层理、斜层理等均多见。需要指出的是有效封闭油气的细砂岩盖层往往与粉砂岩与泥岩共同显示递变层理的特征，常见3种岩性混层分布（图2b）。

镜下观察作为盖层的细砂岩中泥质及钙质含量较高，细砂岩一般呈悬浮状发育于泥质杂基与钙质胶结物中，胶结相对致密。

3 砂岩盖层孔喉特征及突破压力

3.1 砂岩盖层的孔喉特征

气体吸附实验可以得到微孔和少数介孔对应孔径的孔隙度，高压压汞得到介孔和宏孔含量，将两种技术手段结合起来，即可得到样品点全部孔径的分布曲线。研究表明，砂岩孔隙包含微孔（＜2 nm）、介孔（2～100 nm）和宏孔（＞100 nm）3个级别。C1井3 467.15 m处泥质粉砂岩突破压力为5.4 MPa，孔径主要为150～850 nm，属于宏孔级别，而微孔和介孔相对较少。C2井4 037.21 m处细砂岩突破压力为2.2 MPa，孔径分布广，在70～100 nm、300～1 500 nm均有分布，以宏孔和介孔为主。C3井3 724.07 m处粉砂岩突破压力为9.0 MPa，孔径在 20～100 nm、100～1 000 nm，以介孔和微孔为主，宏孔次之（图3）。砂岩样品孔径分布特征表明粉砂岩及细砂岩具有形成盖层的孔隙特征。

压汞法还可以得到粒间孔隙度、粒内孔隙度、孔隙迂曲度、孔喉比等多种参数（表2）。孔隙迂曲度是流体在多孔介质中渗流时，流体质点所走过的距离与孔隙介质外形几何长度之比。它是反映孔隙介质内部连通孔隙弯曲程度的特征参数，与岩石的多种物理性质有关：迂曲度越大，渗透性越差[19]。孔隙度是影响渗透率的重要因素，孔隙度一般与渗透率呈现正相关性，但如果喉道过小，大孔隙度也会对应低渗透率。因为喉道的几何形状、大小、分布、相互连通情况，以及孔隙与喉道间的配位关系等对渗透率具有很大影响。孔喉比是影响渗透率的重要因素，孔喉比越大，则表明喉道越小，渗透率越差，相应的封闭性越强。D2井和D3井具有较高的迂曲度，其突破压力均达到9.0 MPa以上，比其他3个点都高出很多。同时D2井样品点与D3井相比，具有更大的孔喉比，导致其在具有更高的孔隙度的情况下突破压力更大，封闭性更好。D4井突破压力只有0.4 MPa，主要因为其孔渗性太高。

图3 各样品点孔径分布曲线Fig.3 Aperture distribution curve

表2 压汞法参数数据表（部分）Tab.2 Pressure mercury method parameter data sheet（part）

3.2 盖层的突破压力

沉积岩由沉积至成岩演化经历了由疏松到致密的演化过程，中等成岩作用对油气的封闭性最为有利。成岩作用受埋深的影响，深度与突破压力基本成对应关系[20]，表现为随着深度增加，封闭性增强、突破压力变大。

研究区样品深度与突破压力存在一定的相关性（图4a），突破压力随着深度的增加具有逐渐加大的特点。样品在不同地区、同一深度下，突破压力从小到大均有分布，总体来说突破压力随深度增加而升高，但也存在一定的差异：3 000 m以下盖层的突破压力整体升高，但突破压力分布不均；3 800 m附近以下盖层样品的突破压力表现为高值，基本均大于7.0 MPa。

图4 突破压力与不同位置盖层、岩性及黏土矿物含量关系Fig.4 Breakthrough pressure and the relationship between the different locations cap rock,lithology and clay mineral content

不同岩性、深度与盖层突破压力也存在一定的关系，总体而言随深度的增加，不同岩性样品的突破压力具有增加的趋势。从样品点的分布特征来看，泥质含量越高、粒度越小，样品点的突破压力相对较大，而泥质含量低、粒度大的砂岩突破压力较小。埋深大于3 000 m时，不同类型的泥质及含泥砂岩均具有较大的突破压力，常见其突破压力大于5.0 MPa，局部大于 10.0 MPa（图4b），表明细砂岩及粉砂岩同样可以成为有效盖层。

不同黏土矿物含量的砂泥岩，随深度增加而压实作用加强，加之黏土矿物转化作用及胶结物的发育导致突破压力随深度增加而升高。研究区砂岩能作为盖层的关键条件之一便是砂岩中泥质的发育，统计表明，成为盖层的砂岩中黏土矿物含量往往高于 20%（图4c）。

4 沉积成岩特征分析

4.1 沉积作用

沉积相控制着沉积厚度、岩石类型及组合、岩石原生孔隙等因素，在一定程度上决定了盖层的封闭性。

西湖凹陷花港组主要为辫状河沉积，其盖层为湖泊相中的浅湖亚相沉积。研究区盖层沉积相分布较单一，主要发育有浅湖相泥岩及开阔浅湖的滩坝沉积。统计表明不同沉积微相对盖层的厚度、岩性组合等都有控制作用。研究区浅湖亚相砂泥岩互层，总厚度较大，泥岩单层厚度较小。其中浅湖相以泥岩发育为主，泥质相对较纯，砂质含量较少；滩坝以砂岩为主，砂岩含量相对较高，主要由浅灰色粉、细砂岩及泥质粉砂岩构成。

4.2 成岩作用

成岩作用对砂体具有一定的控制作用，前人研究表明研究区花港组目前处于中成岩A2期，少数可达中成岩B期。盖层中的粉砂岩及细砂岩的成岩作用会直接影响岩石孔隙及物性等参数，进而影响盖层的封闭能力。本次研究以普通薄片和扫描电镜观察为主，结合阴极发光、荧光薄片观察等技术方法，明确了研究区盖层成岩作用对封闭性的控制。

4.2.1 压实作用

压实作用是盖层成岩演化过程中最为重要的成岩作用之一[21-22]，主要表现为泥质含量较低时石英、长石、岩屑以及钙质胶结物等刚性碎屑颗粒被压碎、破裂，相邻颗粒之间显示很紧密的线—线或凹凸接触关系（图5a，图5b）。压实作用直接决定了粒间孔的大小，表现为压实越强，粒间孔越小、喉道越窄。当泥质含量较高时，早期压实作用更强，受到压实作用后岩石颗粒紧密镶嵌在泥质杂基中。压实作用导致少量脆性矿物及泥岩的破裂，但破裂总体影响较小，因此压实作用是有利于盖层封闭的成岩类型。

图5 砂岩类盖层样品镜下特征Fig.5 Sandstone type cap rock sample characteristics under microscope

4.2.2 胶结作用

砂岩盖层的胶结作用主要包括：黏土以粒间充填物形式胶结颗粒粒间孔；由于早期压实作用较强导致孔隙度降低，后期水岩作用较弱，因此硅质及钙质胶结量整体较少，仅可见少量早期的硅质及石英加大，晚期不发育。局部胶结作用部位早期少量粒间原生孔被逐渐充填、喉道被封堵等形成方解石充填及颗粒泥质包壳等（图5c），使得原生孔隙度、渗透率降低。但由于压实作用有效的降低了砂岩盖层的孔渗性，因此早期胶结作用对盖层封闭性影响不大。

4.2.3 溶蚀作用

通过薄片及扫描电镜观察表明研究区砂岩盖层仅见少量长石、岩屑、石英等碎屑颗粒的不完全溶蚀。溶蚀作用可以形成粒内或粒间的溶蚀孔隙，可以大大提高岩石的孔渗性，改善岩石物性，但对于研究区而言，由于溶蚀作用整体较弱，对物性影响可忽略。

4.2.4 黏土矿物转化作用

砂岩类盖层中往往具有多泥质条带发育的特征（图5d），黏土矿物在成岩作用过程中由于环境、温压的改变会发生相互转化，其主要受成岩环境温度、酸碱性的影响。研究区盖层黏土矿物以伊/蒙混层和伊利石为主（图5e），高岭石及绿泥石含量较少（图5f）。伊/蒙混层含量平均44.1%，伊利石平均39.1%，高岭石平均4.8%，绿泥石平均12.0%。研究区发生的黏土矿物转化作用以蒙脱石-伊/蒙混层-伊利石转化为主。

黏土矿物的转化作用不仅在判断成岩作用条件和阶段中有重要意义，而且在黏土矿物随着温压环境改变从高岭石向伊/蒙混层、伊利石转化的过程中，会发生微小的孔隙空间的变化[23-24]，但这种变化多集中于纳米级的微孔隙，对盖层整体的封闭性能影响不大。

通过砂岩类盖层成岩作用研究可知，早期泥质含量的发育程度决定了后期成岩演化的不同。对于砂岩类盖层而言，早期泥质的发育成为砂岩类形成盖层奠定了基础，晚期压实及黏土转换作用最终形成了西湖凹陷花港组砂岩类盖层。

5 结 论

（1）前人针对盖层的研究中往往关注于泥岩盖层的有效性，针对砂岩类盖层较少进行研究，西湖凹陷厚度仅30 m的低泥地比砂泥岩交互式盖层能封闭200 m以上的油气表明，花港组并非仅为泥质盖层可以对油气进行遮挡。

（2）孔喉特征及突破压力研究表明，与泥岩相伴的砂岩盖层对油气也具有良好的封闭条件。

（3）砂岩能否成为有效盖层首先取决于其所处的沉积环境，砂岩与泥岩盖层的组合类型与高泥质含量的砂岩为形成砂岩类盖层提供了先天条件。后期的压实、黏土矿物转换及胶结作用等共同导致砂岩物性变差，为后期形成优质盖层提供了良好的发育条件。因此在针对其他地区进行砂岩盖层有效性研究过程中应充分认识到沉积环境与成岩作用对形成盖层的控制作用，对砂岩类能否形成盖层进行综合分析评定。

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