黏土礦物組合類型對(duì)泥巖蓋層排替壓力的影響
——以三水盆地布三段為例

唐鑫萍

1.中國(guó)石油大港油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，天津 300280 2.中油(天津)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)有限公司，天津 300280

作為油氣成藏的必須要素，蓋層在油氣聚集過(guò)程中起到封擋油氣的作用，因而成為石油地質(zhì)研究的關(guān)鍵內(nèi)容[1-3]。早期的蓋層評(píng)價(jià)以巖性、厚度、滲透率等參數(shù)為主[4,5]，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，排替壓力是蓋層封閉性能的核心參數(shù)[6-8]，進(jìn)而可將其作為劃分蓋層級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)[9-12]。排替壓力的測(cè)試需要采用柱狀巖心樣品，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中取心和試驗(yàn)比較只能針對(duì)少數(shù)井段進(jìn)行，為了對(duì)未測(cè)試井段進(jìn)行排替壓力的預(yù)測(cè)，需要將試驗(yàn)測(cè)試所得的排替壓力與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、乃至地震數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)分析[13-17]，而這些響應(yīng)分析的前提，是排替壓力的影響因素研究。近年來(lái)的研究表明，排替壓力的影響因素有埋深、巖性、黏土礦物含量等[18-21]，筆者在前人研究基礎(chǔ)上，以三水盆地布心組三段(以下簡(jiǎn)稱布三段)為例開(kāi)展巖石礦物分析，然后針對(duì)不同黏土礦物組合的泥巖開(kāi)展排替壓力測(cè)試，進(jìn)而分析排替壓力特征及其影響因素。

1 地質(zhì)背景

圖1 三水盆地古近系構(gòu)造區(qū)劃簡(jiǎn)圖Fig.1 Tectonic division map of Paleogene in Sanshui Basin

三水盆地位于廣東省中部，面積3375km2[22]。構(gòu)造位置處于華南陸塊南緣，形成于晚白堊世時(shí)期華南大陸東南緣的伸展、破裂作用，沉積了白堊系、古近系、第四系地層[23-25]。古近系構(gòu)造層內(nèi)可分為5個(gè)構(gòu)造單元，包括北部的南邊向斜、南部的華涌凹陷、西部斜坡、西北部寶月背斜、東部斜坡等(見(jiàn)圖1)。盆地從古近紀(jì)晚期至新近紀(jì)均處于抬升階段，使其缺失新近系地層，亦使原古近系地層受到強(qiáng)烈剝蝕[26，27]。正因如此，殘余古近系地層的封閉性能成為油氣能否聚集成藏、能否得以保存的關(guān)鍵因素。

盆地內(nèi)最主要的生儲(chǔ)蓋組合發(fā)育于古近系布心組，其中暗色泥巖集中發(fā)育于布心組二段(以下簡(jiǎn)稱布二段)，是盆地已發(fā)現(xiàn)的最主要烴源巖；儲(chǔ)層集中發(fā)育于布三段下部，主要由三角洲砂體、湖相碳酸鹽巖組成；蓋層主要發(fā)育于布三段中上部，其中的泥巖地層相當(dāng)于遮擋下伏儲(chǔ)層的一層“被子”[26，27]。前人研究表明，布三段中上部的泥巖厚度70～100m，泥巖最大連續(xù)厚度約30～50m，且在全盆地內(nèi)穩(wěn)定分布，從厚度和分布規(guī)律來(lái)看，可作為區(qū)域蓋層[28，29]。

2 研究方法

從三水盆地不同地區(qū)4口井的布三段中上部泥巖中采集巖心樣品，其中2口井位于盆地西北部的寶月背斜，2口井位于盆地東南部的東部斜坡-華涌凹陷。為盡可能減少深度差異和泥質(zhì)含量對(duì)排替壓力的影響，盡量采集相近埋深的巖心樣品，采樣時(shí)結(jié)合巖心描述與測(cè)井曲線，選擇泥巖巖性較純的巖心(自然伽馬測(cè)井為平直的高值段、電阻率為平直的低值段)。

首先開(kāi)展巖石薄片、X射線衍射全巖礦物分析。從巖心樣品中挑選出泥質(zhì)含量大于90%的巖心樣品進(jìn)行黏土礦物X射線衍射試驗(yàn)，從而確定黏土礦物組合類型。

再將這些樣品用于排替壓力試驗(yàn)。排替壓力測(cè)試采用PYC-1型排替壓力測(cè)量?jī)x器，對(duì)飽和煤油后的樣品進(jìn)行氣體突破壓力測(cè)量，得到氣體排驅(qū)巖石樣品孔隙內(nèi)煤油的排替壓力，詳細(xì)過(guò)程參見(jiàn)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石氣體突破壓力測(cè)定方法》(SY/T 5748—2013)[30]。

3 研究結(jié)果

3.1 泥巖中黏土礦物類型

從布三段中上部泥巖巖心樣品中挑選出了11個(gè)泥質(zhì)含量大于90%的進(jìn)行試驗(yàn)。黏土礦物X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果表明，泥巖黏土礦物類型主要有伊利石、高嶺石、綠泥石、伊-蒙混層等4種：伊利石含量介于64.7%～68.5%之間，平均66.3%(指黏土礦物的相對(duì)質(zhì)量含量，下同)；高嶺石含量介于13.6%～19.8%之間，平均17.6%；綠泥石含量介于4.6%～14.6%之間，平均9.0%；伊-蒙混層含量介于1.4%～13.4%之間，平均7.0%(見(jiàn)表1)。

表1 三水盆地布三段泥巖黏土礦物X射線衍射分析數(shù)據(jù)

為盡可能減少深度差異的影響，應(yīng)盡量采集相近埋深的巖心樣品，但受沉積和構(gòu)造因素影響，同一層位在不同地區(qū)埋深畢竟不同。實(shí)際樣品的埋深介于1028.7～1243.5m，最大相差214.8m，還是有一定的深度差異。為此，需要分析這些深度差異對(duì)于黏土礦物含量、排替壓力大小的影響。同一地區(qū)的黏土礦物隨著埋深的增加、溫度和壓力的變化，黏土礦物中伊利石、高嶺石、伊-蒙混層等會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化。例如高嶺石，在富K+離子流體環(huán)境會(huì)轉(zhuǎn)化成伊利石，在富Mg2+離子條件下會(huì)轉(zhuǎn)化成綠泥石，從而導(dǎo)致各個(gè)黏土礦物含量的變化[10]。從該區(qū)不同埋深的伊利石、高嶺石含量變化圖(見(jiàn)圖2)中可見(jiàn)，隨埋深的增大，伊利石總體呈增加趨勢(shì)、高嶺石呈減少趨勢(shì)，這與黏土礦物通常的分布規(guī)律相符合；但無(wú)論是伊利石還是高嶺石，與深度的相關(guān)性均不大，表現(xiàn)為弱的相關(guān)性，說(shuō)明這些樣品黏土礦物含量隨深度的變化有限。

據(jù)文獻(xiàn)[31]研究，三水盆地南部華涌地區(qū)布心組泥巖類型的黏土礦物為伊利石+高嶺石+綠泥石組合，幾乎不含伊-蒙混層；另?yè)?jù)文獻(xiàn)[32]研究，三水盆地西北部寶月背斜布三段地層的黏土礦物為伊利石+高嶺石+伊-蒙混層組合，并含少量綠泥石。也就是說(shuō)，2個(gè)地區(qū)的研究揭示了不同的礦物組合類型，而且體現(xiàn)在伊-蒙混層和綠泥石含量的差異上。該研究表明，布三段泥巖有2種不同的黏土礦物組合類型，類型1為伊利石+高嶺石+伊-蒙混層組合，主要分布于盆地西北部寶月背斜；類型2為伊利石+高嶺石+綠泥石組合，主要分布于盆地東南部東部斜坡-華涌凹陷地區(qū)；總體與前人研究相近。

圖2 三水盆地布三段泥巖不同埋深的黏土礦物含量圖Fig.2 Clay mineral content map of mudstone at different burial depths in Bu3 member of Sanshui Basin

3.2 排替壓力特征

針對(duì)上述不同黏土礦物組合的泥巖，開(kāi)展了排替壓力測(cè)試。所采用的測(cè)試方法中，排替壓力為泥巖垂向的排替壓力，可反映泥巖垂直地層方向的封閉能力。測(cè)出的排替壓力是泥巖飽和煤油后的數(shù)值，鑒于地下地層通常飽和地下水，需進(jìn)行排替壓力轉(zhuǎn)化。前人通過(guò)試驗(yàn)得出，常溫泥巖飽和水的排替壓力是飽和煤油的2.6倍，而且，泥巖在地下溫度環(huán)境與室溫環(huán)境的排替壓力有所差別，需要進(jìn)行溫度校正，采取的地溫校正公式如下[33-35]：

式中：pd為溫度校正后最終的泥巖排替壓力，MPa；po為室溫下泥巖飽和水后樣品的排替壓力，MPa；T1為室溫(該試驗(yàn)為25℃)，℃；H為埋深，m；G為地溫梯度，℃/hm，參考前人研究，取三水盆地平均地溫梯度3.2℃/hm。

相比而言，地下油藏逸散速度較慢，對(duì)蓋層要求相對(duì)較低；而氣藏容易逸散，對(duì)蓋層要求高。同等條件下的蓋層如果能封擋氣藏，一般也能封擋油藏。所以油氣蓋層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更多地是針對(duì)氣藏進(jìn)行制定[35]。胡國(guó)藝等[36]、LU等[37]總結(jié)了中國(guó)主要含氣盆地的蓋層排替壓力，結(jié)果表明，各氣田實(shí)測(cè)蓋層排替壓力總體在6～12MPa之間，大中型氣田蓋層的排替壓力較高，大體分布在10～30MPa之間；并根據(jù)相關(guān)排替壓力指征總結(jié)了蓋層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)蓋層排替壓力大于10MPa時(shí)，封閉性能最佳，為 Ⅰ 類蓋層；排替壓力在5～10MPa之間時(shí)，封閉性能中等，為 Ⅱ 類蓋層；排替壓力在1～5MPa之間時(shí)，封閉性能一般，為 Ⅲ 類蓋層。

依據(jù)前文所述試驗(yàn)步驟及計(jì)算方法，求得樣品的排替壓力。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得飽和煤油泥巖的排替壓力為4.63～8.85MPa，平均6.47MPa；經(jīng)地溫校正后的排替壓力為7.43～13.76MPa，平均10.25MPa(見(jiàn)表2)；考慮到地溫校正后的排替壓力是地下條件下最具有代表性的封閉性能指征，因此下述排替壓力統(tǒng)一指地溫校正后的排替壓力。

從表2中可看出，寶月背斜的樣品排替壓力明顯較東部斜坡-華涌凹陷排替壓力高，前者泥巖樣品排替壓力介于9.51～13.76MPa，平均11.40MPa，為 Ⅰ 類蓋層指征；后者泥巖排替壓力介于7.43～9.69MPa，平均8.87MPa，為 Ⅱ 類蓋層指征。

表2 三水盆地布三段泥巖排替壓力

圖3 三水盆地布三段泥巖排替壓力與埋深關(guān)系圖 Fig.3 Relationship between displacement pressure and burial depth of mudstone in Bu3 member of Sanshui Basin

布三段泥巖樣品排替壓力與埋深關(guān)系的分析表明，排替壓力與埋深相關(guān)性很弱(見(jiàn)圖3)，說(shuō)明這些樣品的排替壓力的差異與埋深關(guān)系不大。結(jié)合盆地演化分析，原古近系上部地層受到了強(qiáng)烈的剝蝕，前人研究表明三水盆地剝蝕厚度介于1000～1800m之間，平均1200m[26,27]。也就是說(shuō)，布三段泥巖具有“現(xiàn)今淺埋、曾經(jīng)深埋”的特點(diǎn)，雖樣品現(xiàn)今埋深1150m左右，但其古埋深約2350m左右，據(jù)前人研究[34-36]，通常埋深2000m以下巖石已較致密，排替壓力受深度影響已不如淺層顯著。因此巖石樣品的排替壓力的變化主要是由于上述的黏土礦物組合類型的不同。

3.3 不同黏土礦物類型的排替壓力分析

綜合前文分析，寶月背斜、東部斜坡-華涌凹陷具有不同的黏土礦物組合，而寶月背斜樣品排替壓力明顯較東部斜坡-華涌凹陷排替壓力高，且排替壓力其他的影響因素諸如埋深、泥質(zhì)含量等均被排除，說(shuō)明了不同的黏土礦物組合對(duì)排替壓力造成了明顯影響。伊利石+高嶺石+伊-蒙混層組合的泥巖樣品排替壓力介于9.51～13.76MPa之間，平均11.40MPa，為Ⅰ類蓋層指征；伊利石+高嶺石+綠泥石組合的泥巖排替壓力介于7.43～9.69MPa之間，平均8.87MPa，為Ⅱ類蓋層指征。

鑒于不同黏土礦物組合對(duì)排替壓力造成了明顯影響，分別開(kāi)展了研究區(qū)樣品中4類黏土礦物(伊-蒙混層、綠泥石、高嶺石、伊利石)各自與排替壓力的關(guān)系分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，布三段泥巖樣品蓋層排替壓力與伊-蒙混層含量成正比，相關(guān)性較好；而排替壓力與綠泥石含量成反比，相關(guān)性亦較好；排替壓力與高嶺石含量亦成反比，相關(guān)性較弱。也就是說(shuō)，當(dāng)泥巖黏土礦物中伊-蒙混層含量升高時(shí)，泥巖蓋層排替壓力較高，封閉能力較強(qiáng)；當(dāng)泥巖黏土礦物中綠泥石、高嶺石含量升高時(shí)，泥巖蓋層排替壓力降低，封閉能力明顯降低。

圖4 三水盆地布三段泥巖排替壓力與各類黏土礦物含量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between mudstone displacement pressure and various clay mineral contents in Bu3 member of Sanshui Basin

相比之下，伊利石的含量與泥巖蓋層排替壓力相關(guān)性更弱。按照相關(guān)性分析，黏土礦物對(duì)排替壓力影響程度由強(qiáng)到弱的排序?yàn)榫G泥石>伊-蒙混層>高嶺石>伊利石。

近年來(lái)的研究表明，黏土礦物在地層水環(huán)境下具有潤(rùn)濕性和膨脹性，會(huì)造成連通孔隙、喉道半徑的減小，滲透性能降低，蓋層封閉能力增強(qiáng)；而不同黏土礦物具有不同的潤(rùn)濕性和膨脹性，通常排序?yàn)槊擅撌?伊-蒙混層>高嶺石>伊利石>綠泥石[35,36]。黏土礦物的成分不同，泥巖的膨脹性、可塑性和封閉性也不同，從而造成排替壓力的區(qū)別。當(dāng)泥巖中黏土礦物以蒙脫石等潤(rùn)濕性強(qiáng)的礦物為主時(shí)，泥巖蓋層的封閉能力較強(qiáng)；當(dāng)綠泥石等潤(rùn)濕性較弱的礦物含量較高時(shí)，蓋層的封閉能力明顯降低。

研究區(qū)數(shù)據(jù)分析表明，黏土礦物組合對(duì)于排替壓力的影響較為顯著，具體表現(xiàn)為：當(dāng)黏土礦物中伊-蒙混層含量升高時(shí)，泥巖蓋層排替壓力較高，封閉能力較強(qiáng)；當(dāng)泥巖黏土礦物中綠泥石、高嶺石含量升高時(shí)，泥巖蓋層排替壓力降低，封閉能力相應(yīng)降低；這3種黏土礦物的膨脹性、可塑性的排序?yàn)橐?蒙混層>高嶺石>綠泥石，因此其含量對(duì)于泥巖蓋層封閉性產(chǎn)生直接影響。

4 結(jié)論

1)布三段泥巖黏土礦物類型主要有伊利石、高嶺石、綠泥石、伊-蒙混層等4種，形成2種不同的黏土礦物組合類型：類型1為伊利石+高嶺石+伊-蒙混層組合，主要分布于盆地西北部寶月背斜地區(qū)；類型2為伊利石+高嶺石+綠泥石組合，主要分布于盆地東南部東部斜坡-華涌凹陷。

2)采自布三段1150m左右的全部泥巖樣品排替壓力介于7.43～13.76MPa之間，平均10.25MPa；其中黏土礦物組合類型1的泥巖樣品排替壓力介于9.51～13.76MPa之間，平均11.40MPa，為Ⅰ類蓋層指征；黏土礦物組合類型2的泥巖排替壓力介于7.43～9.69MPa之間，平均8.87MPa，為Ⅱ類蓋層指征。

3)數(shù)據(jù)分析表明，黏土礦物組合對(duì)于排替壓力的影響較為顯著，具體表現(xiàn)為：當(dāng)黏土礦物中伊-蒙混層含量升高時(shí)，泥巖蓋層排替壓力較高，封閉能力較強(qiáng)；當(dāng)黏土礦物中綠泥石、高嶺石含量升高時(shí)，泥巖蓋層排替壓力降低，封閉能力相應(yīng)降低；這3種黏土礦物的膨脹性、可塑性的排序?yàn)橐?蒙混層>高嶺石>綠泥石，其含量對(duì)于泥巖蓋層封閉性產(chǎn)生直接影響。