泥質(zhì)巖蓋層的研究

王一軍，張金功，席 輝

(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069;2.中國石油測(cè)井油氣評(píng)價(jià)中心，陜西西安710077)

泥質(zhì)巖蓋層的研究

王一軍1，張金功1，席 輝2

(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069;2.中國石油測(cè)井油氣評(píng)價(jià)中心，陜西西安710077)

前人對(duì)泥質(zhì)巖進(jìn)行了大量的研究，主要集中在泥質(zhì)巖的巖石成分、成巖作用、孔隙結(jié)構(gòu)、封閉機(jī)理及蓋層的類型及分布等幾個(gè)方面。泥質(zhì)巖所含礦物主要是粘土礦物，陸源碎屑礦物。泥質(zhì)巖中的成巖作用主要是壓實(shí)作用、粘土礦物轉(zhuǎn)化作用等。泥質(zhì)巖孔隙結(jié)構(gòu)主要包括孔隙大小、孔隙類型、連通性等方面。封閉機(jī)理主要分為物性封閉機(jī)理、超壓封閉機(jī)理和烴濃度封閉機(jī)理三種。蓋層分為區(qū)域蓋層、局部蓋層和隔層。對(duì)前人研究成果進(jìn)行了綜合分析，并指出存在的問題:對(duì)被裂縫、斷層改造的泥質(zhì)巖蓋層研究比較薄弱。

泥質(zhì)巖;巖石成分;成巖作用;孔隙結(jié)構(gòu);封閉機(jī)理

蓋層是位于儲(chǔ)集層之上的能夠封蓋儲(chǔ)集層使其中的油氣免于向上逸散的保護(hù)層。從巖性來看，主要分為三大類，即泥質(zhì)巖、蒸發(fā)巖和致密灰?guī)r，其中又以泥質(zhì)巖為最主要的蓋層(何光玉等，1997)。前人對(duì)泥質(zhì)巖的巖石成分、成巖作用、孔隙結(jié)構(gòu)、封閉機(jī)理和蓋層的類型及分布等方面進(jìn)行了大量的研究。

1 泥質(zhì)巖的地質(zhì)特征

1.1 泥質(zhì)巖巖石成分

泥質(zhì)巖物質(zhì)成分比較復(fù)雜，所含礦物主要是粘土礦物，其次是陸源碎屑礦物和自生的非粘土礦物，以及在有些情況下還含有機(jī)物質(zhì)(如煤、瀝青質(zhì)、腐殖質(zhì)等)。粘土礦物成分中分布最廣的是伊利石，其次是蒙皂石、綠泥石、高嶺石和各種混層粘土礦物。陸源碎屑礦物有石英、長石及少量的重礦物。自生礦物含量一般不到5%，主要是鐵、錳、鋁的氧化物和氫氧化物(赤鐵礦、褐鐵礦)、碳酸鹽(方解石、白云石)、硫化物(黃鐵礦)、硫酸鹽(石膏、硬石膏)及鹽類礦物。

趙杏媛、王行信等(1995)對(duì)粘土礦物做了很多工作，研究得出:在華北地區(qū)、華南地區(qū)、海域地區(qū)、東北地區(qū)、中部地區(qū)、西部地區(qū)所含粘土礦物大致相同，常見的粘土礦物有蒙皂石、伊利石/蒙皂石無序間層、伊利石/蒙皂石有序間層、伊利石、高嶺石、綠泥石等，不同的地區(qū)礦物成分及組合略有不同。

李建青等(1990)柴達(dá)木盆地泥質(zhì)巖中的粘土礦物主要為伊利石等組成的混合物。

據(jù)李春梅(1993)的研究，江漢盆地潛江凹陷潛江組鹽間泥巖以泥質(zhì)碳酸鹽、碳酸鹽質(zhì)泥巖為主，粘土礦物以伊利石為主。

?？傡鞯?1996)認(rèn)為濟(jì)陽坳陷下第三系泥質(zhì)巖主要粘土礦物以蒙皂石和伊/蒙混層為主，伊利石含量居次而高嶺石和綠泥石的含量一般較低。

蔡進(jìn)功等(2004)通過XRD分析指出濟(jì)陽坳陷第三系泥質(zhì)巖粘土礦物是組成泥巖的主要礦物，但含量變化范圍較大。粘土礦物以蒙皂石和伊利石/蒙皂石層礦物為主，含量高達(dá)50%，表明粘土礦物形成的介質(zhì)條件以偏弱堿性為主。其次伊利石礦物含量較高?？蛇_(dá)20%，高嶺石和綠泥石含量一般較低，尤其是綠泥石含量，很少超過10%。第三，從垂向上變化來看，伊利石/蒙皂石混層礦物自淺至深其含量變化不大，但混層比降低為15%～20%。蒙皂石礦物只在淺層出現(xiàn)，隨深度增加而消失。伊利石礦物淺層含量較低，深層含量增加，可達(dá)60%。

1.2 成巖作用

成巖作用主要主要是壓實(shí)作用、粘土礦物轉(zhuǎn)化作用、壓溶作用等。

壓實(shí)作用使泥質(zhì)沉積物固結(jié)成巖，而且使巖石的成分、結(jié)構(gòu)和物性都發(fā)生變化，因而是泥質(zhì)巖中最主要的成巖作用。泥質(zhì)巖孔隙度隨深度的變化能反應(yīng)泥質(zhì)巖的壓實(shí)程度。

Ridke(1974)編制的世界頁巖和泥質(zhì)沉積物孔隙度隨深度不變化曲線(圖1)。由圖看出，雖然不同地區(qū)泥質(zhì)沉積物孔隙度起始值和變化區(qū)間不同，但隨深度變化大都表現(xiàn)為先快后慢的趨勢(shì)。

圖1 頁巖和泥質(zhì)沉積物孔隙和埋藏深度間的關(guān)系(據(jù) Rieke等，1974)

何炳俊(1981)、王行信(1985)、陳發(fā)景等(1989)、張博全等(1982)、張金功等(1996)對(duì)泥巖孔隙度變化曲線進(jìn)行了研究，雖然各階段對(duì)應(yīng)的深度及地層時(shí)代差別很大，但最下一個(gè)緩慢變化帶的孔隙度值主要在4%～6%之間。

粘土礦物轉(zhuǎn)化作用是泥質(zhì)沉積物隨著埋深的加大，壓力和地溫增高，層間水的釋放及層間陽離子的移出，引起了粘土礦物的重結(jié)晶和轉(zhuǎn)化。

據(jù)付廣等(1996)研究泥質(zhì)巖成巖過程中，粘土礦物成分及其組合在此過程中也不斷地演化，粘土礦物按下列順序進(jìn)行演化:蒙脫石→伊利石→綠泥石→高嶺石，其中各過渡階段出現(xiàn)混層礦物組合。

據(jù)Fuchtbauer(1978)實(shí)驗(yàn)得出:壓實(shí)作用和脫水作用經(jīng)常是同時(shí)進(jìn)行，幾乎貫穿整個(gè)成巖過程，粘土礦物轉(zhuǎn)化作用通常發(fā)生在成巖中、后期。隨深度變化粘土礦物轉(zhuǎn)化分為三個(gè)階段如表1。

表1

壓溶作用是指在壓力作用下，泥質(zhì)巖內(nèi)發(fā)生的溶解作用。包含有物理作用和化學(xué)作用兩方面。

泥質(zhì)巖的成巖階段劃分前人做了大量的研究，主要有兩種分類方法。一種是主要考慮粘土礦物的轉(zhuǎn)化、巖石的孔隙類型、有機(jī)質(zhì)成熟度、古溫度等幾方面進(jìn)行劃分的，不同的學(xué)者有不同的認(rèn)識(shí)(如表2)。

表2 成巖階段劃分

《成巖階段劃分規(guī)范》主要的依據(jù)為:a自生礦物分布、形成順序;b粘土礦物組合、伊利石/蒙皂石(I/S)混層粘土礦物的轉(zhuǎn)化;c巖石的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特點(diǎn)及孔隙類型;d有機(jī)質(zhì)成熟度;e古溫度:流體包裹體均一溫度、自生礦物形成溫度、伊利石/蒙皂石(I/S)混層粘土礦物的演化。

曾允孚等研究認(rèn)為沉積巖形成作用指沉積物形成(沉積作用)、沉積物轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e巖(同生和成巖作用)及沉積巖的變化直至轉(zhuǎn)變?yōu)樽冑|(zhì)巖(后生作用)，以及沉積物抬升到近地表而遭受表生作用的全過程。由于粘土或有機(jī)質(zhì)對(duì)沉積期后的條件變化反映最靈敏，所以粘土沉積物和粘土質(zhì)巖石(泥質(zhì)巖)常作為壓力變化的良好標(biāo)志;煤和碳質(zhì)有機(jī)物(烴類)對(duì)溫度變化最靈敏，因而鏡質(zhì)組反射率和折光率常作為成巖、后生變化階段細(xì)分的重要標(biāo)志。

另一種是按照泥質(zhì)巖孔隙度隨深度的變化規(guī)律進(jìn)行劃分的。孔隙度隨深度的變化規(guī)律可大致分為兩種類型，一種是兩段式，即表現(xiàn)為快速降低和緩慢降低兩段。另一種為四段式，即表現(xiàn)為快－慢－快－慢四段式降低，如表3所示。

表3 壓實(shí)階段劃分

1.3 孔隙結(jié)構(gòu)

對(duì)泥質(zhì)巖孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要是從孔隙大小、孔隙類型、連通性等方面著手。前人對(duì)此做了大量的研究。

由細(xì)小顆粒組成的泥質(zhì)巖，其孔隙幾何形態(tài)基本上也可看作是由一系列狹小的吼道聯(lián)通的、或是孤立的不規(guī)則孔隙體系，其主要特征是孔隙十分狹小。

1.3.1 孔隙大小

?？傡鞯?1996)根據(jù)對(duì)濟(jì)陽坳陷生油巖孔隙直徑的實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合Momper(1978)的資料，編制了泥巖孔徑和流體質(zhì)點(diǎn)有效直徑(以nm表示)大小的六級(jí)圖(圖3)。從圖中知，正構(gòu)烷烴和苯的分子有效直徑小于0.5 nm，環(huán)烷酸的分子直徑接近于1 nm，一般雜環(huán)結(jié)構(gòu)分子直徑也不到3 nm，只有瀝青質(zhì)分子的直徑可達(dá)到5～10 nm以上。

圖2 松遼盆地的泥巖孔隙度—深度關(guān)系曲線(據(jù)王行信，1985)

圖3 泥質(zhì)巖孔徑和流體質(zhì)點(diǎn)有效直徑(nm)大小的六級(jí)圖(據(jù) J.A.Momper1978原圖有所增刪)

目前還不能直接度量泥質(zhì)巖孔隙的三維空間大小，而只能憑借一些間接方法來推算。Cahen等人(1965)利用Brumauer－Emett－Teller方法測(cè)得表面積，然后求得“薩哈拉頁巖”的孔隙直徑平均大約為5 nm(1nm=10－9m)。

Slabaugh和Stump(1964)測(cè)定了取自太平洋的現(xiàn)代沉積樣品，其所有的孔隙幾乎都小于5 nm。

Jungten與Karwell等人據(jù)所測(cè)定的泥質(zhì)巖進(jìn)泵壓力和與內(nèi)表面有關(guān)的吸附能力進(jìn)行推算，得出泥質(zhì)巖在2 000 m左右時(shí)孔隙直徑大約為50～100(1=10－10m)。

Hinch(1980)根據(jù)路易斯安那地區(qū)Cameron Parish油田所測(cè)頁巖的孔隙度和表面積，也計(jì)算得出在3 000 ft處的孔隙直徑大約為100，而當(dāng)埋深大約增大到11 000 ft時(shí)下降到25。

據(jù)王秉海等(1992)研究，濟(jì)陽坳陷生油巖粒間孔隙半徑在3 000 m以上的深度范圍內(nèi)，隨深度增加由大變小，由100～6 000降至12～110，但在3 000 m以下，孔隙半徑隨深度變化不大。高瑞祺(1984)研究表明，松遼盆地古龍凹陷青山口組泥巖孔隙直徑先是隨深度增加而減少，但在2 000多m處有一增大峰值。

1.3.2 孔隙類型

泥質(zhì)巖主要由粘土礦物組成。粘土礦物從幾何意義上來講，可以粗略地看成是二維的片狀礦物。

Power(1967)把泥巖想象成扁平礦物的堆積體，孔隙也就是這些扁平礦物之間的規(guī)則孔隙。

據(jù)王秉海等(1992)的研究，泥巖的粒間孔隙并非為規(guī)則的扁平狀，而是呈葉狀、草狀、花瓣?duì)罨蛉喟櫟能浖垹?。孔隙的形態(tài)也就是由這些菜葉、花瓣、軟紙所圍限的不規(guī)則空間，有的呈花瓣間孔狀，有的呈蜂窩孔洞網(wǎng)絡(luò)狀，孔隙很多，也很大。

1.3.3 孔隙連通性

王新洲等(1996)對(duì)此進(jìn)行了研究。他認(rèn)為濟(jì)陽坳陷下第三系泥質(zhì)生油巖在2 200 m之上，孔隙的扁平度差，連通性好，評(píng)價(jià)孔寬可大于1.72 μm，而在2 200 m之下，孔隙的扁平度增大，連通性變差。(如圖4)。

圖4 濟(jì)陽坳陷泥巖孔隙的連通狀況(據(jù)王新洲等，1996)

2 泥質(zhì)巖蓋層的封蓋機(jī)理

2.1 物性封閉機(jī)理

物性封閉(郝石生等，1995;呂延防等，1996;趙文智等，1999)也有人稱之為毛細(xì)封閉(李國平，1996)，對(duì)于其封閉機(jī)理研究不同學(xué)者略有不同。

郝石生等(1995)、呂延防等(1996)、龐雄奇等(1993)和趙文智等(1999)認(rèn)為蓋層與儲(chǔ)層之間的毛細(xì)管壓力差(ΔPC)(即排替壓力差)封堵油氣滲漏穿透蓋層，而形成這種毛細(xì)管壓差的根本原因是蓋層巖石和儲(chǔ)層巖石之間存在明顯的物性差異，即蓋層巖石較儲(chǔ)層巖石具有更小的孔喉半徑。蓋層與儲(chǔ)層孔喉半徑的差別越大，毛細(xì)管壓力差值越大，物性封閉能力也越強(qiáng)，也就能封閉更高的油柱，克服具有更大運(yùn)移動(dòng)力的油氣滲漏穿透蓋層。

李國平等(1996)定義為靠蓋層的毛細(xì)管力(PA)阻止油氣滲漏的封閉。認(rèn)為烴柱產(chǎn)生的浮力(Pf)、有時(shí)還存在剩余壓力(△Pt)、水動(dòng)力(±Pw)以及儲(chǔ)層的排替壓力(Pr)構(gòu)成了油氣運(yùn)移的能動(dòng)力，蓋層的毛細(xì)管力構(gòu)成了阻止油氣滲漏的抑制力(PA)，抑制力的大小決定了油氣的富集程度。當(dāng)能動(dòng)力大于抑制力時(shí)，油氣就會(huì)滲漏;當(dāng)能動(dòng)力等于抑制力時(shí)，油氣封閉與滲漏剛好處于平衡;當(dāng)能動(dòng)力小于抑制力時(shí)，油氣被封閉下來。

2.2 超壓封閉機(jī)理

超壓封閉(郝石生等，1995;呂延防等，1996)是指靠孔隙流體的超壓阻止油氣滲漏的封閉，也有人稱之為壓力封閉(龐雄奇，1993;李國平，1996;趙文智等，1999)。由于上、下壓實(shí)泥巖段為正常壓實(shí)，其內(nèi)孔隙流體壓力應(yīng)為靜水壓力;而中間欠壓實(shí)泥巖段具有異常高壓對(duì)下伏向上滲濾運(yùn)移的油氣流體形成超壓封閉。

超壓封閉和毛細(xì)管封閉密切相關(guān)，且由不同原因產(chǎn)生的超壓其封閉機(jī)制也存在一定差別，李國平(1996)認(rèn)為，對(duì)于由欠壓實(shí)作用產(chǎn)生的異常高壓封閉，欠壓實(shí)地層的頂?shù)讓佑捎趬簩?shí)比較充分，毛細(xì)管力仍然較大，而欠壓實(shí)地層的毛細(xì)管力則較低，但由于異常高的孔隙流體壓力的存在，毛細(xì)管力與異常高壓兩者之和明顯大于底部壓實(shí)段泥巖的毛細(xì)管力，因而能夠封閉油氣;而對(duì)于由非欠壓實(shí)作用(水熱增壓作用、烴源巖大量生烴作用、蒙脫石脫水作用、大地構(gòu)造作用等)產(chǎn)生的異常高壓封閉，地層的毛細(xì)管力均較大，在地層中過剩的孔隙壓力和較大的毛細(xì)管力的共同作用下，地層具有較強(qiáng)的封閉性。

2.3 烴濃度封閉機(jī)理

烴濃度封閉是指蓋層中存在足夠高的烴濃度從而有效的地阻礙儲(chǔ)層中的烴發(fā)生擴(kuò)散損失。郝石生等(1995)和付廣等(1999)根據(jù)不同情況下蓋層含氣濃度的變化，將泥巖蓋層的烴濃度封閉分為抑制封閉作用、替代封閉作用和延緩作用三種封閉模式:①抑制封閉作用:泥巖蓋層除具生烴能力外，內(nèi)部還具有異?？紫读黧w壓力的情況下，抑制下伏儲(chǔ)氣層中的天然氣向上擴(kuò)散運(yùn)移，使得下伏地層中的天然氣在泥巖蓋層下聚集，并逐漸向游離相態(tài)轉(zhuǎn)變。②替代封閉作用:泥巖蓋層只具有生烴能力，內(nèi)部不具異?？紫读黧w壓力的情況下，向地表發(fā)生擴(kuò)散的天然氣首先來自泥巖蓋層，替代下伏儲(chǔ)氣層中天然氣的補(bǔ)給。③延緩作用:當(dāng)泥巖蓋層不具有生烴能力時(shí)，氣藏與其之間具有最大的含氣濃度差，泥質(zhì)蓋層阻止擴(kuò)散相天然氣的能力相對(duì)較弱，只能依靠自身品質(zhì)的優(yōu)劣來減弱天然氣的擴(kuò)散作用。

3 泥質(zhì)巖蓋層的評(píng)價(jià)

3.1 蓋層的類型

根據(jù)蓋層的連通情況，可將蓋層分為區(qū)域蓋層、局部蓋層和隔層。區(qū)域蓋層分布面積廣，厚度大，橫向穩(wěn)定性好;局部蓋層分布面積小，位于圈閉儲(chǔ)集層上方，橫向分布不穩(wěn)定;隔層存在于圈閉內(nèi)，厚度也小得多。

3.2 蓋層的劃分標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)李明誠(1994)對(duì)蓋層微觀封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)等級(jí)劃分，如表4:

表4

據(jù)付廣、陳章明、呂延防等(1998)研究得出泥質(zhì)巖蓋層宏觀展布評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表5:

表5 等級(jí)劃分(權(quán)值)

3.3 蓋層的破壞

付廣等(1998)認(rèn)為泥質(zhì)巖蓋層能否在空間上保持連續(xù)展布，除了要受到自身形成條件的限制外，還要受到后期斷裂破壞的影響。如果泥質(zhì)巖蓋層遭受到后期的斷裂改造，其空間連續(xù)性則受到斷層封閉與開啟性的影響，如果斷層封閉性好，仍然可以保持其空間上的連續(xù)性，否則其空間展布的連續(xù)性將遭破壞。

4 存在問題

對(duì)前人的研究成果進(jìn)行了綜合分析，得出前人主要是對(duì)孔隙性泥質(zhì)巖蓋層進(jìn)行了大量的研究。應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)被裂縫、斷層改造的泥質(zhì)巖蓋層的研究。

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P539.4

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1004－1184(2012)03－0215－05

2012－04－05

王一軍(1986－)，男，陜西榆林人，主攻方向:油氣成藏機(jī)理與富集規(guī)律。