蓋層封閉機(jī)理研究

俞凌杰，范 明，劉偉新，張文濤，陳宏宇

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214151)

1 研究現(xiàn)狀

蓋層封閉能力研究已成為石油天然氣地質(zhì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1-2]。目前，國內(nèi)普遍認(rèn)為天然氣的封蓋機(jī)理主要有毛管壓力封閉、超壓封閉和烴濃度封閉3種。在蓋層綜合評(píng)價(jià)中，突破壓力作為衡量毛管封閉能力大小的尺度[3]，一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，而厚度則作為重要的宏觀評(píng)價(jià)參數(shù)。人們對(duì)蓋層厚度與其封蓋能力之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，但至今仍存在爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為蓋層厚度與其毛管封閉能力無關(guān)，只是蓋層厚度越大，其發(fā)生斷裂的可能性越小[4-6]。但是，不少學(xué)者則認(rèn)為蓋層厚度與毛管封閉能力相關(guān)。袁際華等[7]將長度與突破壓力值均接近的巖心柱進(jìn)行拼接后重新測(cè)試樣品的突破壓力值，與先前4個(gè)巖心柱的算術(shù)和基本一致，并由此認(rèn)為隨著巖心長度增加，突破壓力值將增大，毛管封閉能力也將增強(qiáng)。呂延防等[8-10]以不同長度的人造石英砂巖為樣品，進(jìn)行氣體突破壓力測(cè)試，結(jié)果表明，樣品長度越長，突破壓力值越大，即毛管封閉能力越強(qiáng)，且兩者之間具有如下線性正相關(guān)關(guān)系：Pd=4H+0.093，式中：Pd為樣品突破壓力值；H為樣品長度。

超壓在沉積盆地中普遍存在，其成因主要?dú)w于：1)壓實(shí)排液與沉積速率不平衡；2)水熱增壓作用；3)蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的脫水作用；4)油氣生成作用等[11]。超壓對(duì)游離相、水溶相及擴(kuò)散相天然氣均存在很好的封閉機(jī)理。劉方槐[12]經(jīng)過理論估算表明，壓力系數(shù)為1.3的欠壓實(shí)泥巖依靠超壓封閉的氣柱高度是靠毛細(xì)管阻力封閉氣柱高度的11倍；當(dāng)蓋層壓力系數(shù)為2.0時(shí)，則可高出37倍。呂延防等[8]對(duì)蓋層的定量研究認(rèn)為，蓋層的封閉能力是吸附阻力與毛管壓力之和，并且有吸附阻力等于2倍的超壓值，即P=Pd+2ΔP。董忠良等[13]對(duì)油氣藏蓋層封蓋機(jī)制的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并認(rèn)為超壓增強(qiáng)蓋層封閉能力的原因是欠壓實(shí)層的超壓與欠壓實(shí)層自身的毛細(xì)管力之和遠(yuǎn)大于正常壓實(shí)段的毛細(xì)管力。但是，對(duì)于超壓在多大程度上能夠提高蓋層封閉能力，以及超壓層與上下正常壓實(shí)層之間的作用關(guān)系，還不是很清楚，對(duì)超壓的模擬實(shí)驗(yàn)也開展較少。

筆者借助自主設(shè)計(jì)的氣驅(qū)法突破壓力儀，針對(duì)蓋層厚度與毛管封閉能力的關(guān)系及超壓對(duì)提高蓋層封閉能力的關(guān)系這2個(gè)問題開展實(shí)驗(yàn)。一方面研究實(shí)驗(yàn)室可測(cè)長度范圍內(nèi)樣品長度與突破壓力的關(guān)系，另一方面研究超壓對(duì)蓋層封閉能力的作用，旨在更深入地認(rèn)識(shí)蓋層的封閉機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

實(shí)驗(yàn)采用中國石化無錫石油地質(zhì)研究所自行設(shè)計(jì)的TPY-1型氣體法突破壓力儀(圖1)。巖心前端氣源壓力主要通過恒壓恒流泵來實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定控制。為了在較大壓力范圍內(nèi)提高壓力精度，分別設(shè)置低中壓容器和高壓容器2個(gè)儲(chǔ)壓罐，并配置低壓、中壓、高壓3個(gè)壓力表，可以最高實(shí)現(xiàn)60 MPa的壓力。這種分罐和分壓力表的組合設(shè)計(jì)，既滿足了突破壓力的測(cè)試量程，同時(shí)也保證了壓力數(shù)據(jù)的精度。出口端氣體突破時(shí)的檢測(cè)則采用紅外氣泡檢測(cè)儀，并通過電腦軟件自動(dòng)記錄氣泡個(gè)數(shù)和每個(gè)氣泡的采集時(shí)刻，可以方便地判斷突破時(shí)的壓力值，實(shí)現(xiàn)無人值守條件下的測(cè)量。另外，本儀器能夠模擬地層條件下不同溫度(小于150 ℃)和圍壓(小于60 MPa)條件的測(cè)試。為避免較高測(cè)試溫度下(75～150 ℃)水的蒸發(fā)沸騰，在出口端設(shè)計(jì)了回壓泵以及金屬銅的散熱部件。

樣品經(jīng)過烘干—抽真空并灌注飽和鹽水—飽和鹽水中加壓(10～20 MPa)充分飽和后裝入巖心夾持器中，并加上圍壓。之后在巖心出口端灌滿飽和鹽水，通氣進(jìn)行突破壓力測(cè)定。為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，采用遇水不易破碎的粉砂巖。實(shí)驗(yàn)選取牛武2井2個(gè)粉砂巖巖心樣品，并鉆取若干不同長度的巖心柱，預(yù)先對(duì)每個(gè)巖心柱的孔隙度和滲透率進(jìn)行測(cè)定，并選取其中具有較一致物性特征的樣品進(jìn)行突破壓力研究。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 樣品長度與突破壓力的關(guān)系

牛武2井不同長度粉砂巖巖心柱的基本特征及突破壓力如表1所示。表中NW2-1樣品3個(gè)長度分別為1.1,1.4,2.55 cm的巖心柱，其突破壓力為0.57～0.59 MPa。NW2-5樣品3個(gè)巖心柱長度分別為0.87,1.80,3.72 cm，其突破壓力分別為1.39,1.42,1.44 MPa。長度變化在2～3倍，相同樣品的突破壓力值誤差在5%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于規(guī)定的誤差范圍，說明突破壓力值與樣品長度無關(guān)。

圖1 TPY-1型氣體法突破壓力儀示意

樣品名稱長度/cm孔隙度/%滲透率/10-3μm2突破壓力/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

從本質(zhì)上說，突破壓力是非潤濕相流體(氣體)在潤濕相(飽和鹽水)中形成連續(xù)通道時(shí)所需克服的最小阻力。對(duì)于非潤濕相的氣體，必須克服巖石的毛細(xì)管力才能進(jìn)入巖石孔道。根據(jù)界面現(xiàn)象理論，毛細(xì)管力是由于表面張力作用，在氣水兩相的彎曲界面上存在的附加壓力。由楊—拉普拉斯公式：

Pc=2σcosθ/r

式中：Pc為毛細(xì)管力；σ為氣水界面張力；θ為潤濕角；r為毛管半徑。

可以看出，毛細(xì)管力的大小只與界面張力、潤濕性及毛管半徑有關(guān)，與樣品長度無關(guān)。因此，突破壓力作為表征毛管封閉能力的參數(shù)，與樣品長度無關(guān)。在實(shí)際地質(zhì)狀況中，蓋層厚度與毛管封閉能力無關(guān)。對(duì)于致密蓋層，理論上只需要很小的厚度就能封蓋住較大的氣柱高度，但是蓋層厚度太小則容易產(chǎn)生斷裂。

從測(cè)試結(jié)果來看，上述不同長度樣品的突破壓力與前人研究結(jié)果存在矛盾。前人研究中，人造石英砂巖的突破壓力值與長度呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，前人將巖心柱進(jìn)行拼接后突破壓力值明顯增大。針對(duì)拼接實(shí)驗(yàn)，筆者也選取了NW2-5-1和NW2-5-2等2個(gè)巖心柱進(jìn)行拼接，巖心柱中間夾高孔滲金屬砂心。拼接后樣品總長度2.67 cm，突破壓力1.43 MPa，與原有巖心柱突破壓力(1.39,1.42 MPa)幾乎相等(表1)。

測(cè)試結(jié)果不一致，關(guān)鍵原因在于測(cè)試方法，而測(cè)試方法的差別則主要在于恒壓時(shí)間的設(shè)定。前人對(duì)于巖石氣體法突破壓力測(cè)定，遵循的是石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——巖石中氣體突破壓力測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法(SY/T 5748-1995)，該方法對(duì)測(cè)試中的恒壓時(shí)間及壓力增幅做出了相應(yīng)規(guī)定(表2)。但是，該方法對(duì)恒壓時(shí)間的規(guī)定只是單純按實(shí)驗(yàn)壓力階段劃分，而沒有考慮樣品長度的影響，因此前人研究中低突破壓力的不同長度的石英砂巖基本是按照恒壓30 min進(jìn)行測(cè)試的。然而在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，恒壓30 min對(duì)于較短的巖心柱(小于1 cm)是合適的；但是當(dāng)樣品長度增大時(shí)，隨著所需突破時(shí)間的增加，相應(yīng)的恒壓時(shí)間也應(yīng)該延長。如果仍然采用恒壓30 min，則導(dǎo)致原本前一個(gè)、甚至前幾個(gè)壓力值時(shí)就能突破，但是由于恒壓時(shí)間太短，壓力遞增到更高時(shí)才突破。因此，從結(jié)果上看，突破壓力隨長度增加而增加，但其實(shí)突破壓力值并沒有增加，只是測(cè)量值隨著長度增加而逐漸偏高，甚至偏高了一倍或者多倍。

本實(shí)驗(yàn)中，考慮樣品長度對(duì)恒壓時(shí)間的影響，設(shè)定新的實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)(表3)。對(duì)于長度小于等于1 cm的樣品，恒壓時(shí)間采用表2標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定的值。但是，對(duì)于長度L>1 cm的樣品，則在原有恒壓時(shí)間的基礎(chǔ)上，根據(jù)樣品長度，按照L∶1的比例進(jìn)行放大。NW2-5-1,NW2-5-2,NW2-5-3 巖心柱根據(jù)樣品長度0.87,1.80,3.72 cm，分別設(shè)定恒壓時(shí)間為30,54,111 min。同時(shí)，為了保證測(cè)試精度，將壓力增幅控制在5%左右。最終3個(gè)巖心柱測(cè)得的突破壓力值基本一致(表1)。如果按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)S Y/T 5748-1995，將3個(gè)不同長度巖心柱的恒壓時(shí)間都規(guī)定為30 min，則NW2-5-2和NW2-5-3這 2個(gè)較長巖心柱樣品的突破壓力值不可能是1.42和1.44 MPa，而是會(huì)遠(yuǎn)大于這個(gè)范圍。

表2 巖石中氣體突破壓力測(cè)定

表3 根據(jù)樣品長度設(shè)定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

因此，突破壓力測(cè)試過程中對(duì)恒壓時(shí)間的設(shè)定，除了需要?jiǎng)澐謱?shí)驗(yàn)壓力階段外，還必須考慮樣品長度的影響。筆者只選用了較低突破壓力的粉砂巖樣品，初步證實(shí)按長度比例放大恒壓時(shí)間基本可行。對(duì)于泥巖等高突破壓力值的樣品，可能這個(gè)比例還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 但是，只要恒壓時(shí)間足夠長，就能得到接近真實(shí)的樣品突破壓力，且突破壓力與長度無關(guān)。

3.2 超壓封閉實(shí)驗(yàn)?zāi)M

選取先前已測(cè)得突破壓力為1.39 MPa的樣品NW2-5-1，在前端進(jìn)氣(P)、后端采用恒壓水泵恒定水壓(ΔP)條件下進(jìn)行測(cè)試(圖2)。未加水壓時(shí)，樣品的突破壓力值Pd為1.39 MPa；施加不同的恒定水壓值后，氣體突破NW2-5-1樣品的壓力值均有顯著提高(表4)。由表4可以看出，不同恒定水壓條件下，氣體突破樣品的壓力P基本滿足關(guān)系式：P=Pd+ΔP。也就是說，氣體突破NW2-5-1樣品的壓力值等于附加于樣品后端的恒定水壓值和樣品突破壓力值之和。

在超壓模式圖(圖3)[14]中，超壓泥巖蓋層分為上、下致密層和中間欠壓實(shí)層3個(gè)部分。上、下致密層屬于正常壓實(shí)，其內(nèi)部孔隙流體壓力為同地層的靜水壓力，孔隙度和滲透率低于中間欠壓實(shí)層的孔隙度和滲透率。而中間欠壓實(shí)層，大量孔隙流體因上、下致密層存在而滯留其中，并承受上覆地層的部分沉積載荷，從而產(chǎn)生較正常壓實(shí)泥巖更高的孔隙流體壓力，即形成超壓。

圖2 恒定水壓下突破壓力測(cè)試示意

恒定水壓ΔP/MPa所需壓力值P/MPa未加1.3912.4123.44

對(duì)于正常靜水壓力的蓋層(圖4)，由于突破過程中水力梯度逐漸降低，因此只要突破蓋層底部，氣體就能貫穿整個(gè)蓋層。假設(shè)蓋層底部B(或氣藏頂部A)的深度為H，氣—水界面深度為L，且氣藏剛好達(dá)到蓋層最大封閉能力，則氣藏中的壓力(Pg)等于氣—水界面處的水壓減去高度為h的氣柱的重力，即：

Pg=ρwgL-ρggh

上述關(guān)系式也可表示為：

Pg=ρwgH+(ρw-ρg)gh

即：氣藏中的壓力等于蓋層底部的靜水壓力與氣藏浮力之和。因此，氣藏中的壓力與蓋層底部靜水壓力之差為氣柱產(chǎn)生的浮力F。如果浮力F大于蓋層的突破壓力，蓋層就將被突破。但是對(duì)于存在超壓的氣藏(圖5)，欠壓實(shí)層中的超壓ΔP附加于下致密段上，增加了下致密層頂部C的靜水壓力，因此氣體要突破整個(gè)蓋層，氣藏中的壓力必須也要增加ΔP。

圖3 泥巖欠壓實(shí)層產(chǎn)生的超壓模式[14]

圖4 正常靜水壓力的氣藏

圖5 具有超壓封閉的氣藏

如果氣—水界面不變，氣柱高度就要增加，即增加的浮力ΔF=ΔP。而且，氣體只要突破了下致密層頂部C，就能貫穿整個(gè)蓋層(前提是上致密層的突破壓力小于下致密層)，與欠壓實(shí)層自身的突破壓力值無關(guān)，只與上下致密層的突破壓力有關(guān)，這與董忠良等[13]所認(rèn)識(shí)的不一致。同時(shí)，通過上述實(shí)驗(yàn)還認(rèn)識(shí)到，超壓與封蓋能力之間的關(guān)系滿足P=Pd+ΔP定量關(guān)系，而不是呂延防等[8]所得出的關(guān)系：P=Pd+2ΔP。但是，在實(shí)際地質(zhì)狀況下，超壓要起增強(qiáng)封閉作用，超壓層中的孔隙流體必須完全滯留于上下致密層內(nèi)。一旦超壓流體發(fā)生滲漏，超壓封閉作用就將消失。

4 結(jié)論

1)利用自行研制的氣驅(qū)法突破壓力儀，對(duì)樣品長度與突破壓力之間的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果表明，突破壓力作為衡量巖石毛細(xì)管封閉能力的參數(shù)，與樣品長度無關(guān)。比較前人的研究成果，矛盾根源在于測(cè)試方法上，而測(cè)試方法的差別在于突破壓力測(cè)試中恒壓時(shí)間的設(shè)定。前人工作中對(duì)于較長樣品恒壓時(shí)間太短，導(dǎo)致測(cè)試值隨著長度增加而逐漸偏高，認(rèn)為是突破壓力逐漸增加，但其實(shí)突破壓力并沒有增加。本實(shí)驗(yàn)中根據(jù)樣品長度比例放大恒壓時(shí)間，得到接近真實(shí)的突破壓力，并且與長度無關(guān)。因此，在實(shí)際地質(zhì)狀況下，厚度的增加并不能提高蓋層的毛管封閉能力。

2)通過在樣品一端恒定不同的水壓值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣體突破樣品所需的壓力均增加，并且增加的壓力值等于所恒定的水壓值。結(jié)合實(shí)驗(yàn)及超壓模式圖認(rèn)識(shí)到，超壓之所以能夠提高蓋層的封閉能力，主要是其提高了氣體突破下致密層泥巖所需的壓力，并且增加的壓力等于超壓值，即滿足P=Pd+ΔP定量關(guān)系，并且與欠壓實(shí)層的突破壓力值無關(guān)。這與前人認(rèn)為的突破壓力與欠壓實(shí)層突破壓力相關(guān)，以及突破壓力P=Pd+2ΔP等認(rèn)識(shí)均有所不同。

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