埋藏過程中膏巖封閉有效性演化特征——以塔里木盆地寒武系深層膏巖蓋層為例

林潼，王銅山，潘文慶，袁文芳，李秋芬，馬衛(wèi)

埋藏過程中膏巖封閉有效性演化特征——以塔里木盆地寒武系深層膏巖蓋層為例

林潼1，王銅山1，潘文慶2，袁文芳2，李秋芬1，馬衛(wèi)1

（1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000）

膏巖作為優(yōu)質(zhì)的油氣蓋層已經(jīng)得到了普遍認(rèn)同，但并非所有的膏巖層都具有封閉油氣的能力，膏巖作為油氣的封蓋層需要一定的地質(zhì)條件。以塔里木盆地膏巖蓋層為研究對象，對采自井下巖心和露頭的膏巖樣品開展了顯微觀察、物性分析、突破壓力測試以及三軸應(yīng)力試驗(yàn)。研究結(jié)果認(rèn)為：①初始形成的膏巖和鹽巖都具有非常強(qiáng)的物性封閉能力，但是在埋藏演化過程中石膏發(fā)生脫水作用后逐漸向硬石膏轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中形成的孔隙空間使得物性封閉能力減弱；②塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)內(nèi)石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化的最大深度在2 000 m附近，脫水后的硬石膏抗剪切能力與未脫水的石膏相比存在顯著差異；③膏巖在埋藏演化過程中受地層溫度和圍壓的影響封閉性發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，最終能否成為優(yōu)質(zhì)蓋層取決于埋藏條件下膏巖的封閉能力與抗剪切能力。

脫水作用；突破壓力；封閉性能；三軸應(yīng)力試驗(yàn)；石膏；硬石膏；膏巖蓋層；塔里木盆地

全球許多巨型油氣田的發(fā)現(xiàn)都與膏鹽巖有著密切關(guān)系［1-3］。例如，巴西東海岸坎普斯盆地和桑托斯盆地深水領(lǐng)域［4］、美國的墨西哥灣盆地［5］，以及西非被動(dòng)大陸邊緣盆地［6］等都勘探發(fā)現(xiàn)了與膏鹽巖有關(guān)的大型油氣田。中國塔里木盆地庫車坳陷古近系—新近系中發(fā)育巨厚的膏鹽巖層，在膏鹽巖層下勘探發(fā)現(xiàn)了大北和克深等大型氣田；臺(tái)盆區(qū)寒武系鹽下近年來也取得了突破，W-zhs1井在鹽下白云巖中獲得了工業(yè)性油氣流［7］，W-kt1井在鹽下吾松格爾組獲得40×104m3/d工業(yè)氣流。四川盆地的普光氣田和元壩氣田勘探證實(shí)三疊系的膏巖對其保存具有關(guān)鍵作用［8］；而威遠(yuǎn)氣田在古老的震旦系燈影組和寒武系儲(chǔ)層中能夠聚集油氣并保存至今，更是與上覆的中寒武統(tǒng)含膏泥巖有著直接關(guān)系。金之鈞等［1，8］統(tǒng)計(jì)認(rèn)為四川盆地9個(gè)大型氣田中有7個(gè)氣田的蓋層均與膏巖有關(guān)，具有膏巖蓋層的大氣田探明儲(chǔ)量占大氣田總探明儲(chǔ)量的86.8 %。

膏巖和鹽巖在不同條件下封閉性能存在著顯著差異，但是許多學(xué)者在研究膏巖和鹽巖蓋層過程中并沒有將它們區(qū)分開來，而是籠統(tǒng)地稱為膏鹽巖［8-11］。通過對全球與膏鹽巖層（體）發(fā)育有關(guān)的大型油氣田統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，膏鹽巖作為蓋層或側(cè)向遮擋體時(shí)主要以鹽巖為主，純膏巖作為蓋層的很少，并且當(dāng)膏巖作為封蓋層時(shí)多以膏泥巖為主。北美墨西哥灣盆地以鹽丘型為主的油氣圈閉［5］，鹽構(gòu)造形成的側(cè)向遮擋是油氣保存的關(guān)鍵［11-12］。南美桑托斯盆地發(fā)現(xiàn)的巨型油氣田——圖皮氣田（探明石油可采儲(chǔ)量約8.9×108t）蓋層為阿普特期阿利（Ariri）組鹽巖，厚度為100～200 m，橫向連續(xù)分布，膏巖含量很少；緊鄰桑托斯盆地北部的坎普斯盆地油氣藏分布同樣也明顯受鹽巖分布和鹽構(gòu)造影響，鹽巖的塑性流動(dòng)所形成的大量鹽構(gòu)造圈閉是油氣聚集區(qū)。雖然膏巖和鹽巖都可以形成于蒸發(fā)環(huán)境，但兩者不論在成因與分布［13-14］還是在物理化學(xué)性質(zhì)上都存在著顯著差異［15-16］，區(qū)別評價(jià)兩者的封蓋能力對油氣保存條件的判別具有重要的意義。

膏巖和鹽巖的晶體結(jié)構(gòu)決定了它們都具有非常好的封閉性和塑性，但單獨(dú)就膏巖而言并不是所有膏巖層下都能穩(wěn)定保存油氣。如四川盆地川東南地區(qū)古生界海相地層具有良好的油氣勘探前景，生-儲(chǔ)-蓋組合優(yōu)越，中寒武統(tǒng)膏巖埋深2 700 m，累計(jì)厚度16 m，鉆探過程中膏巖層下油氣顯示活躍，但由于膏巖層被齊岳山斷裂錯(cuò)開，失去了封閉性，因而未能有效保存油氣［9］。塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)W-zhs1井取得重大發(fā)現(xiàn)以后，圍繞膏巖和鹽巖蓋層之下的勘探相繼失利，如W-st1井膏巖埋深1 680 m，累計(jì)厚度57 m，封閉能力差是導(dǎo)致該井失利的主要原因。通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的油氣田蓋層分析可以發(fā)現(xiàn)，相比鹽巖、泥質(zhì)膏巖和膏鹽巖，純膏巖作為油氣蓋層很少存在。同樣具有封閉性與塑性的膏巖在地層條件下封閉性卻比鹽巖差很多，這種現(xiàn)象在深部勘探時(shí)必須重視。

本文重點(diǎn)對膏巖蓋層的封閉有效性進(jìn)行研究，開展了膏巖樣品的顯微觀察與三軸應(yīng)力試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合區(qū)域埋藏演化史指出膏巖層必須在一定的地質(zhì)條件下才會(huì)對油氣形成有效的封閉能力。

圖1　塔里木盆地中寒武統(tǒng)沉積相與采樣位置分布

表1　塔里木盆地膏巖、鹽巖樣品的物性與突破壓力值

1　樣品采集與處理

1.1　樣品采集

采集了塔里木盆地井下巖心和露頭剖面的膏巖樣品，采樣位置見圖1，樣品數(shù)據(jù)見表1。采集樣品的層位包括中寒武統(tǒng)阿瓦塔格組、石炭系卡拉沙依組和古新統(tǒng)阿瓦特組。其中露頭采集的膏巖樣品巖性為石膏，井下采集的樣品巖性為硬石膏。同時(shí)為了對比膏巖和鹽巖的封閉能力，本研究還采集了井下和露頭的鹽巖樣品。

1.2　樣品處理與測試

為了滿足蓋層試驗(yàn)分析要求，本研究所有獲取的柱塞樣品都是按照平行于巖心的軸面（野外樣品垂直于巖層面），通過數(shù)控鋼絲切割獲取，既保證了試驗(yàn)的要求，又保留了樣品真實(shí)的特性。將柱塞樣兩端打磨，使端面與軸線垂直，柱塞巖品制作全過程未接觸水。柱塞樣孔隙度和滲透率值在中國石油勘探開發(fā)研究院儲(chǔ)層滲流試驗(yàn)室測定，儀器型號(hào)為PoroPerm—200，測定依據(jù)SYT5336—2006“巖心分析方法”。三軸應(yīng)力加載破壞全過程氣測滲透率試驗(yàn)在四川大學(xué)水利水電學(xué)院完成，采用MTS815 Flex GT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合低滲透性巖石滲透測試裝備，將兩部分高精度試驗(yàn)設(shè)備耦合，開展氣-固耦合下滲透力學(xué)行為研究。該試驗(yàn)系統(tǒng)基本參數(shù)如下：①軸向加載最大4 600 kN；②軸向、環(huán)向引伸計(jì)量程分別為±5.0 mm和+8.0 ～ -2.5 mm；③圍壓3最大140 MPa；④試驗(yàn)溫度最高200 ℃；⑤壓力加載系統(tǒng)振動(dòng)頻率5 Hz以上。其中滲透測試設(shè)備的壓差傳感器量程范圍-700 ～ 700 kPa，最大滲透壓可達(dá)到10 MPa，滲透率最小測量精度可以達(dá)到0.000 000 1×10-3μm2。突破壓力的測試?yán)弥袊涂碧介_發(fā)研究院天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)試驗(yàn)室自主研發(fā)設(shè)計(jì)的高溫高壓氣體突破壓力測定儀測定，可實(shí)施最大圍壓65 MPa，最高溫度120 ℃，氣體充注壓力范圍在0 ～ 40 MPa。

2　膏巖巖石學(xué)特征

野外露頭和井下巖心標(biāo)本觀察顯示，膏巖發(fā)育有塊狀、斜紋層狀、揉皺狀、礫狀及纖維狀構(gòu)造。顯微鏡和掃描電鏡觀察顯示，膏巖晶型以長條狀為主，其次為粒狀和放射狀，粒度分布在0.1 ～ 0.2 mm，晶粒自形程度較好，呈半自形-他形，集合體呈長條狀或板狀分布。井下樣品晶粒主要為硬石膏，平均含量大于85 %，其次為少量石膏和白云石（或少量方解石）。石膏和硬石膏共生伴存常見，硬石膏發(fā)育假立方解理，干涉色可達(dá)三級(jí)（圖2a），粒間溶蝕孔隙發(fā)育；石膏干涉色為一級(jí)灰白，呈板狀或片狀集合體。掃描電鏡下可見硬石膏短條狀晶體上密集發(fā)育的解理縫（圖2b，c）。鏡下可見在石膏和硬石膏共存的部位發(fā)育瀝青質(zhì)條帶（圖2d—f）。

3　膏巖封閉能力測試

封閉能力是評價(jià)蓋層有效性的關(guān)鍵。蓋層的封閉性是油氣能否成藏并保存的重要條件之一。蓋層的封閉機(jī)理主要有物性封閉、超壓封閉與烴溶度封閉，由于膏巖蓋層不具有生烴能力，因而物性封閉是膏巖蓋層封閉的主要方式。目前對物性封閉能力開展評價(jià)的參數(shù)很多，付廣等［17-18］指出與蓋層封閉能力有關(guān)的參數(shù)有巖石的突破壓力、孔隙度、滲透率、密度、比表面積以及喉道半徑等。通過對比前人的大量工作可以發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)都與巖石的突破壓力值有著明顯的相關(guān)性。因此，利用蓋層樣品的突破壓力參數(shù)可以很好地評價(jià)蓋層的封閉能力與有效性。

測量突破壓力的試驗(yàn)方法很多，包括壓汞法（間接法）［19-20］、分步法［21］、連續(xù)法［22-23］、驅(qū)替法［24］以及脈沖法［25］，這些方法都存在著各自的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)［17，26-27］。本研究試驗(yàn)采用直接測試方法中的驅(qū)替法進(jìn)行突破壓力值的測試。試驗(yàn)過程首先將巖樣在30 MPa條件下抽真空48 h后，進(jìn)行飽和煤油處理；然后將樣品放入夾持器中，在夾持器一端充注氣體，間隔一定的時(shí)間不斷增加充注壓力，每次加壓后穩(wěn)定一段時(shí)間，觀察巖樣的突破情況，直至觀察到夾持器另一端有氣泡冒出，此時(shí)氣體的充注壓力即為樣品的突破壓力。試驗(yàn)的方法和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYT5748—2013《巖石氣體突破壓力測定方法》。

表1是在實(shí)驗(yàn)室條件下依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法對本研究采集的膏巖和鹽巖開展突破壓力測試獲取的數(shù)值。試驗(yàn)結(jié)果顯示膏巖的突破壓力值遠(yuǎn)小于鹽巖的相應(yīng)值。鹽巖樣品（W-bt5-1，O-awt）在經(jīng)過48 h的突破試驗(yàn)后，壓力達(dá)到23.9 MPa氣體仍未突破樣品，顯示出超致密性與強(qiáng)封閉能力。而膏巖的突破壓力值均較低，平均值僅2.7 MPa。范明等［28］在評價(jià)蒸發(fā)巖蓋層過程中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了膏巖相對于泥巖具有較低的突破壓力值現(xiàn)象，但認(rèn)為這可能是選用壓汞法試驗(yàn)造成的錯(cuò)誤結(jié)論。

圖2　塔里木盆地寒武系巖心石膏、硬石膏微觀形態(tài)照片與結(jié)構(gòu)特征

a.W-st1-1井，埋深1 675.10 m，正交偏光鏡，石膏與硬石膏共生，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，晶體呈板狀和粒狀，硬石膏干涉色達(dá)三級(jí)，石膏干涉色一級(jí)灰；b.W-st1-1井，埋深675.10 m，掃描電鏡，硬石膏晶體；c.b圖的放大；d.W-zhs5-2井，埋深6 193.95 m，單偏光鏡，細(xì)-粉晶結(jié)構(gòu)，硬石膏和石膏呈長條狀或板狀分布，含瀝青質(zhì)條帶；e.d圖的正交偏光；f.e圖的放大an.硬石膏；g.石膏

本研究還開展了變溫度條件下硬石膏的突破壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果得出硬石膏樣品在30，50，70，90和110 ℃條件下的突破壓力值分別為0.55，0.55，0.58，0.55和0.56 MPa。依據(jù)公式：

式中：為突破壓力，MPa；為水與氣體之間的表面張力，N/m；為樣品喉道半徑，μm；為氣-水-巖接觸角，（°）。

理論上，當(dāng)和不變的情況下，隨溫度的升高逐漸變?。?9］，值應(yīng)該減小，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示硬石膏的突破壓力值基本不受溫度影響，其原因還有待研究。依據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，可以用常溫下試驗(yàn)室測試的硬石膏突破壓力值代表深埋條件下硬石膏的突破壓力。

4　石膏抗剪切能力測試

影響巖石蓋層封閉性能的另一個(gè)重要因素是巖石的抗破裂能力。盡管蓋層巖石的微觀封閉能力很強(qiáng)，但是當(dāng)巖石產(chǎn)生裂縫后其遮擋油氣的能力將喪失［30］。因而測試巖石的抗剪切能力是評價(jià)蓋層有效性的關(guān)鍵。利用巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對圓柱形巖石試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)是研究巖石強(qiáng)度和變形特性的主要手段之一［31-32］，然而該方法應(yīng)用在油氣藏蓋層評價(jià)中卻很少［33］。利用三軸應(yīng)力壓縮試驗(yàn)?zāi)軌蚰M不同地層條件下蓋層巖石的脆-塑轉(zhuǎn)變過程。大量的三軸應(yīng)力壓縮試驗(yàn)顯示，隨著圍壓的增大，巖石逐漸從脆性向塑性轉(zhuǎn)變，當(dāng)巖石變?yōu)樗苄詴r(shí)其殘余抗壓強(qiáng)度趨同于極限抗壓強(qiáng)度。因此可以通過三軸應(yīng)力試驗(yàn)中應(yīng)變曲線的形態(tài)變化來判斷巖石是否達(dá)到塑變狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)變曲線的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度近于一條水平線上時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)的圍壓即為蓋層巖石脆性向塑性轉(zhuǎn)化的邊界圍壓。利用公式（2）求取該圍壓值對應(yīng)的地層深度，以此來判斷該套蓋層是否處于塑性變形階段。

圖3　塔里木盆地露頭石膏樣品在不同溫度與圍壓條件下的三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

a.圍壓5 MPa； b.圍壓15 MPa；c.圍壓25 MPa；d.圍壓35 MPa

圍＝0.010 133（巖－水） （2）

式中：圍為蓋層的圍壓，MPa；為蓋層的埋藏深度，m；巖為蓋層上覆巖石的骨架密度，g/cm3；水為上覆地層流體的密度，g/cm3。

對露頭石膏樣品（O-xhz）開展室溫、60 ℃和110 ℃條件下不同圍壓的三軸應(yīng)力加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖上可以看出，隨著圍壓的升高，石膏抗壓的能力逐漸增大。且當(dāng)圍壓值大于25 MPa以后，石膏的應(yīng)變曲線上沒有顯示出差應(yīng)力值下降的趨勢，表明石膏已經(jīng)形成了塑性的特征。因而，針對本研究采集的石膏樣品可以認(rèn)為25 MPa的圍壓是該石膏由脆性向塑性轉(zhuǎn)化的邊界圍壓值。利用公式（2）計(jì)算對應(yīng)的脆-塑轉(zhuǎn)換邊界地層深度為1 650 m。同時(shí)，溫度似乎對石膏的脆-塑轉(zhuǎn)化臨界圍壓沒有太大的影響，但是對石膏的抗壓強(qiáng)度卻具有明顯的影響，表現(xiàn)為溫度升高，抗壓強(qiáng)度降低。

5　三軸應(yīng)力加載全過程氣測滲透率試驗(yàn)

三軸應(yīng)力加載全過程中氣測滲透值的測定能夠反映出樣品在應(yīng)力加載過程中氣密性特征，對評價(jià)蓋層動(dòng)態(tài)演化過程中的封閉性，特別是當(dāng)蓋層達(dá)到塑性以后的封閉能力具有重要的判定作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示，石膏在受力后發(fā)生了軸向應(yīng)變，伴隨著軸向應(yīng)變石膏的滲透率值在不斷地增大（圖4）。在110 ℃和15 MPa圍壓時(shí)，石膏受應(yīng)力的作用在初始的軸向應(yīng)變階段即表現(xiàn)出微裂縫形成和滲透率大幅增大的特征，而后在應(yīng)變過程中滲透率值增長緩慢；而當(dāng)圍壓值大于或者等于臨界圍壓25 MPa時(shí)，在相同的溫度條件下，石膏的滲透率值呈緩慢增長，并且隨著應(yīng)變的增大滲透率值逐漸增加。從本研究試驗(yàn)可以看出，在應(yīng)力的作用下不論石膏是處于脆性還是塑性變形階段，只要是軸向應(yīng)變在增大，石膏的滲透率值就會(huì)不斷地增加。這說明前人所提出的塑性變形階段蓋層具有較好封閉性的觀點(diǎn)對石膏而言并非如此，石膏在應(yīng)力形變過程中滲透率值是逐漸增大的。

6　討論

6.1　石膏脫水過程中封閉能力的變化

圖4　塔里木盆地露頭石膏樣品在不同圍壓條件下三軸應(yīng)力加載全過程中氣測滲透率值變化

a.溫度110 ℃，圍壓15 MPa； b.溫度110 ℃，圍壓25 MPa；c.溫度110 ℃，圍壓35 MPa

圖5　石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化過程中巖石礦物的顯微變化特征照片（據(jù)文獻(xiàn)［39］修改）

a.沃爾泰拉石膏長方體，中心白色為未脫水的石膏，外部藍(lán)色為脫水后充注藍(lán)色環(huán)氧樹脂的染色石膏；b. a圖中箭頭所指示部位在正交偏光鏡下的特征，三級(jí)干涉色的為硬石膏，一級(jí)灰的為石膏；c.a圖箭頭所指示部位掃描電鏡下的特征

本研究過程中同樣也發(fā)現(xiàn)硬石膏中存在較多的孔隙空間。圖6為硬石膏（樣品W-zhs5-2）的CT掃描成像圖，硬石膏局部發(fā)育密集的孔隙，表明硬石膏已經(jīng)發(fā)生了部分的溶蝕改造作用。同時(shí)在本區(qū)地層中膏質(zhì)白云巖內(nèi)可見較多的膏?？住＿@些現(xiàn)象都說明本區(qū)硬石膏的孔隙空間明顯增多，對油氣的遮擋封閉能力可能下降。薄片中（W-zhs5-1）觀察到硬石膏和石膏共生位置普遍存在有瀝青質(zhì)條帶（圖2d—f），說明石膏向硬石膏轉(zhuǎn)換過程中形成的孔隙空間為同期或者后期的油氣充注提供了聚集場所。這種現(xiàn)象說明硬石膏的封閉能力可能已經(jīng)喪失，是否還能作為本區(qū)中、下寒武統(tǒng)油氣藏的封蓋層值得探討。

圖6　塔里木盆地W-zhs5井寒武系巖心硬石膏CT掃描展示的內(nèi)部孔隙空間

a.CT掃描透視圖，紅色代表孔隙，灰色代表礦物；b.樣品中孔隙立體展布，紅色代表孔隙

6.2　膏巖的脆-塑轉(zhuǎn)換條件

石膏和硬石膏的抗剪切能力具有顯著的差異。李雙建和黃英華［9，32］對硬石膏開展三軸應(yīng)力試驗(yàn)，結(jié)果顯示硬石膏的脆-塑轉(zhuǎn)化圍壓分別為50.0 MPa和68.5 MPa。卓勤功等［42］通過對塔里木盆地庫車凹陷阿克蘇膏鹽礦采集的石膏樣品開展了變溫和變壓三軸應(yīng)力測試，認(rèn)為當(dāng)圍壓達(dá)到20 MPa及溫度100 ℃時(shí)，石膏出現(xiàn)由脆性向塑性轉(zhuǎn)變的特征。俞凌杰等［38］利用川東北三疊系石膏礦中取得的大塊自然石膏巖樣，在室溫條件下選擇2.5，5.0，10.0和20.0 MPa，4個(gè)圍壓點(diǎn)進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果顯示石膏均表現(xiàn)出明顯的延性特征，石膏的脆-塑轉(zhuǎn)化邊界圍壓小于等于2.5 MPa。本試驗(yàn)得出的石膏邊界圍壓值25 MPa與文獻(xiàn)［38］和文獻(xiàn)［41］膏巖試驗(yàn)脆-塑邊界圍壓值略有差異，但遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)［32］和文獻(xiàn)［9］的硬石膏試驗(yàn)值。因而，判斷地層條件下膏巖是否位于塑性變形區(qū)間時(shí)需要區(qū)別對待不同的巖性，石膏的邊界圍壓值低，硬石膏的邊界圍壓值高。深埋條件下石膏由于發(fā)生脫水轉(zhuǎn)變成硬石膏，蓋層的塑性邊界圍壓值也相應(yīng)地發(fā)生改變。根據(jù)前人三軸應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)果值推算，硬石膏的抗剪切埋藏深度至少大于3 300 m（60 MPa圍壓對應(yīng)值），該值大于石膏的1 650 m。

6.3　有效膏巖蓋層形成條件

膏巖能否成為有效的蓋層，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①物性封閉能力，即蓋層巖石致密，突破壓力值高，具有較小的孔隙度和滲透率值；②蓋層抗剪切能力強(qiáng)，不易產(chǎn)生斷層和微裂縫，同時(shí)在形變過程中封閉性能不發(fā)生明顯的降低。多數(shù)情況下蓋層有效性評價(jià)僅針對蓋層巖石的物性與突破壓力，很少考慮蓋層的抗剪切能力，對形變過程中的封閉性評價(jià)幾乎從未涉及。然而對構(gòu)造作用強(qiáng)烈地區(qū)，蓋層有效性評價(jià)必須考慮到斷層對蓋層的破壞作用。三軸應(yīng)力試驗(yàn)顯示，在不同的圍壓條件下，巖石受到擠壓產(chǎn)生不同的形變特征，當(dāng)圍壓足夠大時(shí)，巖石發(fā)生脆性向塑性的轉(zhuǎn)變，此時(shí)無論加載多大的應(yīng)力巖石都不會(huì)產(chǎn)生明顯的剪切縫，可以認(rèn)為在該條件下蓋層具有較好的完整性。但是蓋層是否依舊具有初期的封閉性需要通過應(yīng)力加載全過程滲透率值變化特征來判斷。依據(jù)本研究試驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)為膏巖在形變過程中發(fā)生了滲透率值的明顯增大，但是當(dāng)圍壓大于脆性向塑性轉(zhuǎn)變的臨界圍壓時(shí)，滲透率增長緩慢，如果初始的滲透率值較低并且后期形變范圍較小，以及增長的滲透率值仍能滿足油氣的封閉條件，那么理論上膏巖仍然為有效的蓋層。

雖然石膏和硬石膏可以共存于深層或超深層，但許多學(xué)者［34，43］的研究都證實(shí)石膏開始向硬石膏轉(zhuǎn)化的溫度大致為42～60 ℃。Hardie［44］在試驗(yàn)室開展石膏轉(zhuǎn)化成硬石膏時(shí)溫度與水活性之間的關(guān)系研究，認(rèn)為水活性強(qiáng)度與轉(zhuǎn)化溫度具有很好的正相關(guān)性，鹽度越高，轉(zhuǎn)化溫度越低，在海水條件下（活性強(qiáng)度=0.93）石膏轉(zhuǎn)化成硬石膏的溫度為51.9 ℃。MacDonald［45］指出壓力越大，石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化的溫度就越高，高壓力有利于石膏的保存。Serafeimidis［43］考慮地層壓力、孔隙流體壓力對石膏和硬石膏平衡溫度的影響，編制出不同深度條件下石膏與硬石膏的平衡溫度。本研究利用Serafeimidis的成果，取塔里木盆地地溫梯度22 ℃/km，計(jì)算當(dāng)孔隙流體壓力與固體巖石壓力一致時(shí)，石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化的深度為1 345 m；當(dāng)孔隙流體壓力為巖石骨架壓力的1/2.3時(shí)，轉(zhuǎn)化深度為2 055 m?？梢哉J(rèn)為在沒有發(fā)生地層超壓時(shí)，2 055 m是塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)石膏向硬石膏轉(zhuǎn)化的最大深度，在該深度下需要重新考慮硬石膏對油氣藏保存的影響。雖然地層條件下石膏脫水后產(chǎn)生的孔隙在壓實(shí)過程中大部分消失，但仍會(huì)保存部分孔隙，同時(shí)石膏從致密轉(zhuǎn)變成多孔使得巖石的封閉能力下降，對油氣保存起破壞作用。

利用盆地模擬軟件重建研究區(qū)W-zhs5井的埋藏?zé)嵫莼穲D，結(jié)合石膏脫水條件和三軸應(yīng)力測試結(jié)果編制塔里木盆地中寒武統(tǒng)膏巖地層埋藏演化過中的蓋層有效性變化圖。原生石膏沉淀后晶體顆粒較大，以沃爾泰拉石膏為例，晶體大小為45～123 μm，顆粒之間晶隙清晰，不發(fā)育孔隙。在沒有構(gòu)造作用的情況下能夠作為穩(wěn)定的密封層（圖7，①區(qū)），但是這種淺埋的石膏抗剪切能力弱，當(dāng)應(yīng)力值超過石膏最大抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石將產(chǎn)生剪切縫。當(dāng)埋藏深度處的溫度達(dá)到石膏向硬石膏轉(zhuǎn)變的邊界溫度值時(shí)（52 ℃），石膏開始脫水并產(chǎn)生大量的孔隙，封閉能力下降（圖7，②區(qū)）。即使石膏埋藏深度達(dá)到1 650 m，受巖層圍壓的作用石膏從脆性向塑性轉(zhuǎn)化，形成柔塑性特征，也仍未能形成有效的封閉能力。圖7的③區(qū)位于溫度52 ℃以上，以硬石膏為主，不僅物性封閉能力下降了，抗剪切能力也發(fā)生了改變，不再是原生石膏的封閉能力與應(yīng)力性質(zhì)。硬石膏在未到達(dá)塑性條件下受到構(gòu)應(yīng)力作用時(shí)易產(chǎn)生斷層和裂縫，所以圖7的③區(qū)處于應(yīng)力破壞和孔隙度增加雙重作用的蓋層無效區(qū)間。后期持續(xù)深埋過程中（如圖7的④區(qū)）當(dāng)硬石膏埋藏深度達(dá)到脆-塑轉(zhuǎn)化的邊界壓力值時(shí)（50 MPa，對應(yīng)深度3 300 m），硬石膏重新具備了柔塑性，在壓實(shí)作用下孔隙空間減少，晶體排列緊密，重新具備了一定的封閉能力，但能否形成有效的油氣蓋層需要進(jìn)一步的研究。而后，受區(qū)域構(gòu)造抬升的作用，硬石膏蓋層被抬升到脆-塑邊界深度以上，受構(gòu)造應(yīng)力作用再次產(chǎn)生裂縫或斷層（圖7，⑤區(qū)），之前封閉于硬石膏層之下的油氣藏可能遭受破壞而泄露。巖心中硬石膏內(nèi)發(fā)現(xiàn)的瀝青條帶可能是在該期抬升過程中產(chǎn)生的。假設(shè)硬石膏沒有發(fā)生風(fēng)化淋濾作用，隨后的埋藏過程中硬石膏又將從脆性向柔塑性轉(zhuǎn)化，之前形成的裂縫在應(yīng)力作用下重新閉合，蓋層重新恢復(fù)封閉性能；抬升過程中如果發(fā)生硬石膏的溶蝕，則后期硬石膏蓋層封閉有效性將極大喪失。

理論上，只有在溫度小于52 ℃，埋深大于1 650 m的條件下，石膏才能形成有效的石膏蓋層。而本區(qū)膏巖在埋藏過程中全部表現(xiàn)出無效蓋層的演化特征，因此，基于塔里木盆地中、下寒武統(tǒng)膏巖的埋藏演化史，可以得出膏巖蓋層在塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)作為油氣的封閉蓋層是無效的。這也很好地解釋了前面提到W-st1井勘探失利的原因。因此，可以依據(jù)不同地區(qū)地層埋藏演化特征來判別膏巖蓋層的有效性。

圖7　塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)膏巖層埋藏演化過程中蓋層有效性的變化

7　結(jié)論

1）膏巖和鹽巖具有不同的巖石物理特征，兩者的封閉能力有著顯著差異。鹽巖和未發(fā)生脫水作用的原生石膏蓋層封閉能力較強(qiáng)，而發(fā)生脫水以后的硬石膏蓋層封閉能力相對較弱。

2）石膏和硬石膏具有完全不同的抗剪切能力。石膏的邊界圍壓值較低，在25 MPa左右；硬石膏的邊界圍壓值較高，大于50 MPa。

3）埋藏演化過程中，膏巖蓋層的封閉能力在不斷地發(fā)生改變。1 650 m以淺時(shí)，石膏雖然具有很好的封閉能力，但是抗剪切能力弱，在構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育區(qū)不適合作為有效蓋層；地層溫度高于52 ℃，將發(fā)生石膏向硬石膏的脫水轉(zhuǎn)換，封閉能力下降，蓋層遭受破壞；3 300 m以深當(dāng)硬石膏的物性封閉能力較強(qiáng)時(shí)，可以作為油氣封閉的有效蓋層；當(dāng)后期抬升超過3 300 m時(shí)，硬石膏蓋層可能重新產(chǎn)生裂縫而導(dǎo)致油氣的泄漏；再次的深埋，未溶蝕的硬石膏層又將從脆性向柔塑性轉(zhuǎn)化，蓋層封閉能力可能會(huì)重新形成。

4）塔里木盆地中、下寒武統(tǒng)中膏巖蓋層不具有油氣封閉的有效性，因此在針對寒武系鹽下勘探過程中應(yīng)該尋找其他類型的儲(chǔ)蓋組合，盡量避開以純膏巖為蓋層的成藏組合。

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Evaluation of sealing effectiveness of gypsolyte during burial：A case study of the gypsolyte caprock in deep Cambrian, Tarim Basin

Lin Tong1，Wang Tongshan1，Pan Wenqing2，Yuan Wenfang2，Li Qiufen1，Ma Wei1

（1，，100083，；2，，，841000，）

Gypsolyte has been widely accepted as a superior caprock for oil and gas reservoirs. However，not all gypsolytes are of effective sealing capacity，to which certain geological conditions are in need. The core and outcrop gypsolyte samples taken from the Tarim Basin are applied to carry out scanning electron microscopy （SEM），physical property analysis，breakthrough pressure test and triaxial stress test. The results suggest that （1） both gypsolyte and saline rock initially formed are of strong sealing capacity，which tends to grow weaker as the gypsum under dehydration transforms into anhydrite during evolution under burial，and the spaces formed thereby undermine its sealing performance；（2） The maximum burial depth at which gypsum-to-anhydrite transformation occurs is about 2000 m in the Tarim Basin，and the anhydrite developed under dehydration is significantly different from the initial gypsum in terms of shear resistance；（3） During the evolution process under burial，the sealing properties of gypsolyte are constantly changing under different formation temperatures and confining pressures，and it all depends on the sealing capacity and shear resistance of the gypsolyte under burial whether the gypsolyte can be eventually developed into effective caprock.

dehydration，breakthrough pressure，sealing capacity，triaxial stress test，gypsum，anhydrite，gypsolyte caprock，Tarim Basin

TE122.2

A

0253-9985（2021）06-1354-11

10.11743/ogg20210610

2020-08-17；

2021-10-06。

林潼（1980—），男，博士、高級(jí)工程師，油氣地質(zhì)研究與實(shí)驗(yàn)。E?mail：lintong1980@163.com。

國家科技重大專項(xiàng)（2017ZX05008006-001）；中國石油天然氣集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目（2021DJ0604）。

（編輯 梁 慧）