影响泥岩盖层质量的主要因素及评价新思路

娄 敏, 杨香华, 尤 丽, 代 龙, 王 宁, 邱凌越

(1.中海石油(中国)有限公司 上海分公司，上海200335；2.中国地质大学 资源学院，武汉430074；3.中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江524057;4.中国石油大学，北京102249)

传统的泥岩盖层评价一般是通过室内试验获取盖层的突破压力、物性(孔隙度、渗透率等)、微孔分布、排驱压力、扩散系数等参数，用来评价盖层的封闭性[1-5]。目前以上方法对实验样品要求较高，测试周期较长，成本也相对较高。本文利用铸体薄片、扫描电镜、X射线衍射、高压压汞、突破压力等资料，从常规物性定量的角度同时结合沉积成岩定性的角度，综合评价泥岩盖层的封闭性，为泥岩盖层的评价提供了一种新思路。

东方区和乐东区的中新统黄流组、梅山组是莺歌海盆地天然气勘探主力层系。相比于石油，天然气对盖层封闭性的要求更高，盖层的质量对天然气的保存有着至关重要的影响。区域沉积研究表明，中新统发育重力流水道-海底扇沉积体，东方区和乐东区无论在地温梯度及超压形成时间上均存在显著差异[6-7]。前人在莺歌海盆地做过大量研究工作，但主要在构造演化、储层以及成藏等方面，对盖层的研究较少。而且前期研究忽略了储、盖层之间的内在联系及其相互控制，不同性质储集体对互层泥岩盖层封闭性的影响差异较大；反过来，泥岩的微观结构与沉积特征也记录了储集体的沉积学信息。本文在前人研究的基础上，基于盖层岩石学特征、微观沉积学特征并结合传统盖层测试评价研究区盖层封闭性，为东方区和乐东区油气勘探提供科学依据。

1 地质背景

莺歌海盆地位于南海北部大陆架的西北部，该盆地大体呈NNW-SSE向菱形分布，由莺歌海凹陷、河内凹陷、莺东斜坡、莺西斜坡和临高凸起5个构造单元组成(图1)[8-9]。本次研究的东方区和乐东区油气资源丰富，是莺歌海盆地油气勘探的重要区域。该区新近系梅山组(Nm)和黄流组(Nh)发育的海相砂岩与泥岩可形成良好的储盖组合，勘探潜力较大。

图1 莺歌海盆地地质概况图Fig.1 Geological map of Yinggehai Basin

图2 研究区各类岩性厚度分布图Fig.2 The thickness distribution of various lithology in the study area

研究区泥岩盖层主要发育在黄流组以及梅山组第一段(简称“梅一段”)。利用录井资料，对研究区8口井的不同层段泥岩厚度进行统计(图2)。结果表明泥岩在平面分布广泛，但在不同层位厚度变化较大。泥岩累计厚度主要集中在100～200 m，但在一些地区并不缺乏300 m以上的厚层泥岩或粉砂质泥岩。如东方区和乐东区黄流组第一段(简称“黄一段”)中，B2井黄一段泥岩最厚，厚度近400 m；其次是A3井，黄一段泥岩厚达332 m；B4井、B3井泥岩厚度较薄，砂岩较发育。在层位上，黄一段泥岩厚度相对较大，黄二段、梅一段和梅二段泥岩的厚度相对较小。

2 盖层封闭性评价方法

2.1 利用传统的泥岩物性定量评价盖层

从岩心、室内试验，我们可以获取盖层的突破压力、盖层物性、排驱压力、扩散系数、中值压力等参数，用来评价盖层的封闭性。突破压力是天然气刺穿盖层所需要的最小压力。盖层岩石的渗透率和突破压力是衡量其封盖能力的主要参数。渗透率越小、突破压力越大，越有利于盖层封闭。排驱压力是非润湿相开始进入岩样的压力，它反映了孔隙喉道的集中程度，也反映了喉道的大小。排驱压力是评价岩石渗透性好坏的主要参数之一，渗透性好的岩石，排驱压力较低。扩散系数是沿扩散方向在单位时间内通过单位岩石面积的扩散流的流量与浓度梯度的比率。在地质条件下，只要存在浓度梯度，就会有扩散运移。扩散系数越低，盖层封闭性越好。高压压汞测试是盖层封闭性分析的一种重要手段[10]。研究区毛管压力曲线整体位于右上方，一般压汞曲线越靠右上方，盖层岩石越致密，封闭性越好。根据压汞曲线形态，可以分为3种类型(图3)：Ⅰ类压汞曲线，岩石最致密，盖层封闭性最好；Ⅱ类压汞曲线，次之；Ⅲ类压汞曲线，盖层封闭性最差。本次研究综合考虑突破压力、盖层物性、排驱压力、扩散系数等参数将盖层封闭性分为好、中和差3类，典型样品的评价参数见表1。

图3 研究区压汞曲线类型Fig.3 Types of mercury injection curve in the study area

A2井深度3 165 m的样品和A7井深度3 050 m样品发育人工裂缝。

利用扫描电镜观察研究区壁芯样品，发现了大量人工裂缝(图4)，可能为取样时产生。这表明仅仅利用壁芯样品进行传统的物性分析测试(压汞测试、突破压力等测试)，其分析结果可能受后期样品人工破坏的影响，不能反映岩石在地下真实的封闭性能。因此，传统的实验室泥岩物性测试评价盖层也具有一定的局限性，当样品发育人工裂缝的时候，其评价结果仅具有参考意义，我们还需结合其他资料综合判断。通过分析已知封闭性等级的样品的沉积和成岩特征，可以发现不同质量的盖层在沉积和成岩特征上存在巨大差异。因此，我们可以建立不同质量盖层的沉积成岩特征评价标准，进而评价未进行传统物性分析测试样品的封闭性。

2.2 利用泥岩盖层的成岩特征定性评价封闭性

2.2.1 泥岩的组成与盖层质量的关系

依据全岩中黏土矿物、碳酸盐类和长英质矿物组分的含量，将细粒岩初步划分为10类[11]，东方区泥岩类型主要为含黏土粉砂质泥岩，乐东区泥岩类型主要为粉砂质泥岩、含黏土粉砂质泥岩、混合细粒岩以及含钙粉砂质泥岩(图5)。好盖层和中等盖层多为含黏土粉砂质泥岩；差盖层主要为粉砂质泥岩和含黏土粉砂质泥岩。泥质岩中黏土矿物的组合类型和含量、碳酸盐的含量和长英质矿物组分的含量直接影响着盖层的封闭能力。

黏土矿物对岩石封闭性能的影响与可塑性、吸水性等有关。可塑性越强，吸水性越强，黏土矿物的封闭性越好。一般来说，蒙脱石的可塑性最强，伊/蒙混层和伊利石其次，绿泥石和高岭石最弱；蒙脱石的吸水性最强，伊/蒙混层和高岭石其次，伊利石和绿泥石最弱。因此，黏土矿物组成与含量在一定程度上对岩石封闭能力产生影响[12]。研究区泥岩中黏土矿物主要有伊/蒙混层、伊利石、绿泥石以及少量的高岭石。对研究区不同质量泥岩盖层的黏土矿物类型进行统计(图6)，结果表明好盖层中伊/蒙混层相对含量高，绿泥石相对含量较低。差盖层中伊/蒙混层相对含量较低，绿泥石相对含量较高。一般来说，随含砂量增加，泥质岩的孔隙度和渗透率增大，封盖性能减弱。研究区好盖层和中等盖层的长英质含量较低，而差盖层的长英质含量较高(图7)。碳酸盐矿物在泥质岩中主要以胶结物形式存在，常堵塞泥质岩中的原始孔隙，使岩石变得致密，从而增加其封闭性。钙质泥岩封闭性能往往比相同成岩强度的泥质岩好；但碳酸盐含量过高时，导致泥质岩脆性增强，会发育裂缝而降低其封闭性能，成为差盖层。研究区好盖层和中等盖层的碳酸盐含量中等，而差盖层的碳酸盐含量较低或偏高(图7)。

图4 研究区壁芯样品人工裂缝发育情况Fig.4 The development of artificial fractures in core samples(A)发育人工裂缝，A1井，深度3 031 m，扫描电镜照片; (B)发育人工裂缝放大图,A1井，深度3 031 m，扫描电镜照片; (C)发育人工裂缝和黄铁矿,A7井，深度3 050 m， 扫描电镜照片; (D)发育人工裂缝和黄铁矿,A6井，深度3 184 m，扫描电镜照片

图5 研究区泥岩矿物组成三角图Fig.5 Triangle diagram for mineral compositions of mudstone in the study area(据柳波等[11]修改)a.黏土岩; b.硅质黏土岩; c.灰质黏土岩; d.粉砂质泥岩; e.含黏土粉砂质泥岩; f.含钙粉砂质泥岩; g.灰岩; h.黏土质灰岩; i.粉砂质灰岩; j.混合细粒岩

2.2.2 泥岩的成岩阶段与盖层质量的关系

Gareth R.L.Chalmers等[13]选取了加拿大西南部的British Columbia和Alberta盆地部分泥质成因的贫有机质样品，研究无机岩石孔隙在成岩及变质阶段所发生的变化。从不同热演化阶段泥岩孔隙结构分析(图8)可以看出：泥岩的孔隙度与伊利石结晶度指数呈正相关关系。此外，中孔(2～50 nm)所占体积比与伊利石结晶度指数呈正相关，而大孔(>50 nm)和微孔(<2 nm)所占体积比与伊利石结晶度指数呈负相关。伊利石结晶度指数越低，岩石热演化程度越高。表明随着岩石的热演化程度增加，中孔的占比减小，而微孔和大孔的占比增大，且孔隙度一直减小。因此，伊利石结晶度指数越低，孔隙度越低，岩石越致密，盖层质量越好。

图6 不同质量泥岩盖层的黏土矿物类型Fig.6 Clay mineral types of mudstone caprock of different quality

图7 不同质量泥岩盖层的岩矿组成交会图Fig.7 Cross plot of rock and ore compositions of mudstone caprock of different quality

图8 不同热演化阶段泥岩孔隙结构分析Fig.8 Analysis of pore structure of mudstone in different thermal evolution stages(据Gareth R.L.Chalmers等[13]修改)

伊利石结晶度是伊利石雏晶厚度的度量，通常用X射线衍射图上伊利石(001)反射峰的形状来测定。本次研究采用Kubler指数(伊利石反射峰的半高宽值)来计算研究区泥岩样品的伊利石结晶度[14]。

通过研究区泥岩的伊利石结晶度指数和伊/蒙混层中蒙脱石的占比交汇图(图9)可以看出：研究区成岩阶段主要处于中成岩A期，少部分处于中成岩B期；东方区泥岩的伊利石结晶度指数总体上低于乐东区。伊利石结晶度的影响因素较多，伊利石层间蒙皂石的出现常会加宽1 nm衍射峰，从而加大Kubler指数[15]。研究区伊利石结晶度Kubler指数偏高的样品是由于伊/蒙混层占比过高，伊利石退化为蒙皂石所致。总体上，随着成岩作用越强，伊利石结晶度指数变小，孔隙度变小，岩石更致密，盖层封闭性更好。在不考虑碎屑颗粒含量、裂缝等因素影响下，仅从伊利石结晶度指数看，东方区泥岩的封闭性优于乐东区泥岩。

图9 研究区泥岩伊利石结晶度的分布Fig.9 The distribution of crystallinity of illite in mudstonea区成岩强度大，但伊利石结晶度指数也大，由于伊/蒙混层占比过高所致; b区为A3井黄流组第二段泥岩，成岩演化程度高

2.3 利用泥岩的沉积特征定性评价封闭性

对于泥页岩中的微孔隙，国内外学者做了大量的研究[16-21]。研究区泥页岩中发育大量微孔和微裂缝，依据成因可以划分为：无机孔、有机孔和微裂缝。其中，无机孔包括粒间孔、粒内孔、黏土矿物层间孔和黄铁矿晶间孔。各类孔隙的形态及特征见表2。

依据孔隙的大小，可以划分为大孔、中孔、微孔、纳米孔、皮米孔[22]。粒间孔和溶蚀孔多为大孔，晶间孔和有机质孔为小孔。在生烃门限附近，受有机酸的影响，泥岩中长石、碳酸盐颗粒被有机酸溶蚀，形成有机酸溶孔(图10-B)，溶蚀作用较强时可形成铸模孔(图10-A)。有机质在演化过程中还会生成一系列有机质微孔(图10-C)。此外，高岭石、黄铁矿发育晶间孔(图10-E、F)，碎屑颗粒边缘发育贴粒缝，长石等硅酸盐矿物发育溶蚀缝(图10-D)。大孔主要为粒间孔和溶蚀孔，有机质孔和黏土矿物层间孔为小孔。研究区优质盖层泥岩较致密，微孔发育，大孔和中孔不发育，裂缝多被充填(图10-K、L)。相比优质盖层，质量较差的泥岩盖层微孔隙十分发育(图10-G、H)，主要为溶蚀孔(图10- J)。除了孔隙发育外，还发育大量微裂缝(图10-I)，可能由于底辟作用形成。

图10 研究区盖层微观孔隙特征Fig.10 The characteristics of microscopic pores in caprock (A)大孔，孔径15～20 μm，为颗粒溶蚀形成的铸模孔,A2井，深度3 376 m，扫描电镜; (B)中孔，孔径6～9 μm，为有机酸溶孔,A3井，深度3 792 m，扫描电镜; (C)有机质微孔，孔径750 nm,A3井，深度3 792 m，扫描电镜; (D)颗粒溶蚀缝，缝宽2～3 μm，B1井，深度3 792 m，扫描电镜; (E)高岭石晶间孔，孔径50 nm～1 μm,B5井，深度4 480 m，扫描电镜; (F)黄铁矿晶间孔，孔径50 nm～1 μm,B2井，深度3 766 m，扫描电镜; (G)微孔极为发育,B1井，深度4 082 m，铸体薄片; (H)微孔极为发育,A3井，深度3 860 m，扫描电镜; (I)碳元素扫描，显示裂缝的分布,B2井，深度3 410 m，元素扫描; (J)碳酸盐颗粒溶蚀,B1井，深度4 052 m，扫描电镜; (K)岩石较致密， 微孔隙不发育, A2井，深度3 274 m，铸体薄片; (L)岩石较致密，微孔隙不发育,A3井，深度3 550 m，扫描电镜

表2 各类孔隙的形态及特征Table 2 The morphology and characteristics of all kinds of pores

在压汞资料对盖层定量评价的基础上，利用扫描电镜可以定性评价盖层的封闭性。盖层质量越好，微孔发育越少，排驱压力越高(图11)。研究区盖层可以分为3类：第一类盖层岩石较致密，微孔和微裂缝不发育，盖层质量好。第二类盖层岩石发育少量微孔和微裂缝，主要为微裂缝和杂基微孔，盖层质量中等。第三类盖层岩石发育大量微孔和微裂缝，主要为次生溶孔、杂基微孔和微裂缝，多为低速泥岩，盖层质量较差。

通过扫描电镜可以详细解剖泥岩的微观沉积学特征，有效揭示泥岩沉积的水动力特征与陆源碎屑供给状况。研究区泥岩中发育重力流二次搬运的碎屑颗粒。通过扫描电镜观察发现，有孔虫壳体在重力流的搬运下多发生一定程度的破碎(图12-A、B)以及碎屑重力流纹层(图12-C)，具有典型的重力流背景下泥岩的发育特征。优质泥岩盖层中碎屑颗粒细且均匀分布，以悬移沉降为主，有孔虫化石完整且含量高(图12-D、E)。中等-低质量盖层中，碎屑颗粒细且大小不一，或定向排列，受重力流或二次搬运的影响较大，常见有孔虫化石碎片(图12-F、G、H)。

受重力流沉积作用影响，A2井泥岩中石英等陆源碎屑颗粒多，大小混杂，具有正粒序排列特征(图12-H)，体现了重力搬运的特点；A7井黄一段泥岩受重力流搬运影响较大，可见黄铁矿及石英、钙质碎片混合条带状分布(图12-I)；A7井泥岩中见金红石、黄铁矿与陆源碎屑颗粒混杂分布(图12-J)；B5井与A3井泥岩中均见重晶石与陆源碎屑颗粒混杂分布，B5井距离物源较近，受水下冲刷的影响较大，而A3井可能受到重力流的影响较大(图12-K)；B4井泥岩中重晶石呈条带状分布，受重力流或牵引流冲刷的影响较小(图12-L)。通过泥岩微观岩石结构与微观沉积学特征分析，认为东方区泥岩受重力流水道的影响较大，泥岩中碎屑颗粒大小悬殊，普遍含有陆源碎屑颗粒、破碎的钙质化石碎片、含黄铁矿与重晶石的泥质颗粒，陆源石英碎屑颗粒、长石碎屑颗粒与钙质化石碎片颗粒混杂在一起，揭示了重力流二次搬运的特点；乐东区低速泥岩中，陆源碎屑含量相对较低，碎屑颗粒细且均匀分布，有孔虫化石完整，重晶石呈条带状分布，体现了陆源碎屑悬移沉积的特点。

图12 研究区盖层微观沉积学特征Fig.12 The microscopic sedimentological characteristics of caprocks(A)发育破碎有孔虫壳体,A4井，深度2 918 m，扫描电镜; (B)发育二次搬运的有孔虫壳体,A1井，深度3 047 m，扫描电镜; (C)发育重力流碎屑纹层,A1井，深度3 047 m，扫描电镜; (D)有孔虫壳体较完整,A2井，深度3 135 m，扫描电镜; (E)碎屑颗粒大小均匀,A6井，深度3 148 m，扫描电镜; (F)有孔虫壳体较破碎,A7井，深度3 010 m，扫描电镜; (G)碎屑颗粒大小不一,A6井，深度3 164 m，扫描电镜; (H)陆源碎屑大小混杂,A1井，深度3 075 m，铸体薄片; (I)陆源碎屑、钙质化石碎片与黄铁矿条带,A7井，深度3 050 m，扫描电镜; (J)金红石、黄铁矿与陆源碎屑颗粒混杂分布,A7井，深度3 050 m，扫描电镜; (K)重晶石与陆源碎屑颗粒混杂分布,A3井，深度3 814 m，扫描电镜;(L)条带状分布的重晶石,B4井，深度3 885 m，扫描电镜

3 盖层封闭性综合评价

在前面研究的基础上，对研究区8口井泥岩的封闭性进行综合评价(图13)。总体上东方区盖层的质量优于乐东区盖层。东方区盖层厚度多数为200～300 m，乐东区盖层厚度多数为100～200 m，总体上东方区盖层厚度大于乐东区盖层。岩石类型方面，东方区泥岩类型多为含黏土粉砂质泥岩，而乐东区泥岩类型中除了含黏土粉砂质泥岩，还含有部分粉砂质泥岩。沉积作用方面，东方区水道砂岩较不发育，受重力流影响小，泥岩中碎屑颗粒悬移沉降的泥岩，成分均一，粒度均匀；而乐东区重力流水道发育，且靠近泥底辟，盖层中易产生微裂缝。伊利石结晶度方面，东方区泥岩伊利石结晶指数低于乐东区泥岩，伊利石结晶度指数越低，盖层孔隙度越低，封闭性越好。从盖层厚度、岩石类型、沉积作用、伊利石结晶度4个方面分析，均表明东方区盖层质量更好。

图13 黄流组盖层质量平面分布图Fig.13 Plane distribution of caprock quality of Huangliu Formation

盖层质量在垂向上分布也具有差异性，从黄二段到黄一段，东方区海底扇发育规模变大，东方区北部(A1井和A2井)盖层质量变差，东方区南部(A3井)盖层质量好。乐东区B2井受重力流影响变小，泥岩厚度增大，盖层质量变好；B5井从三角洲相过渡为滨海相，盖层质量有所改善，但总体受陆源碎屑供给作用强烈，盖层质量较差；B4井和B3井盖层质量中等，从黄一段到黄二段变化不大；B1井受重力流影响较大，黄一段和黄二段盖层质量均较差。

4 结 论

a.利用突破压力、盖层物性、排驱压力、扩散系数、中值压力等参数定量分析将研究区盖层划分为3类。不同质量的盖层在沉积和成岩上存在巨大的差异。Ⅰ、Ⅱ类盖层多为含黏土粉砂质泥岩，黏土含量较高，碳酸盐含量中等，长石和石英含量较低；伊利石结晶度较低。微观上，泥岩较致密，微孔发育，大孔和中孔不发育，裂缝多被充填；

泥岩受重力流和牵引流影响较小，均质性较好。Ⅲ类盖层主要为粉砂质泥岩和含黏土粉砂质泥岩，黏土含量较低，长石和石英含量较高，伊利石结晶度偏高；微观上，泥岩铸模孔和微裂缝更发育，有机质含量更高；泥岩受重力流和牵引流影响较大，均质性较差。

b.盖层的分布、物质组成、形成的环境和后期成岩作用的改造对盖层的封闭性有较大的影响。因此，盖层的质量与厚度、岩石成分、沉积作用和伊利石结晶度有关。盖层厚度越大，盖层质量越好；岩石成分中，黏土矿物含量越高，长石和石英含量越低，碳酸盐含量中等，盖层质量越好；牵引流和重力流作用强烈对盖层有破坏作用，碎屑颗粒悬移沉降的泥岩，成分均一，粒度均匀，盖层封闭性好。伊利石结晶度指数越小，盖层质量越好。

c.总体上，在相同层位，东方区盖层质量优于乐东区盖层；在同一地区，黄流组第一段盖层质量比黄流组第二段盖层质量更好。