油氣藏蓋層封閉性研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

付曉飛，吳 桐，呂延防，柳少波，田 華，盧明旭(1.東北石油大學(xué) 非常規(guī)油氣成藏與開(kāi)發(fā)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，黑龍江 大慶 1618；2.黑龍江省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)“斷層變形、封閉性及與流體運(yùn)移”，黑龍江 大慶 1618；.中國(guó)石油 勘探開(kāi)發(fā)研究院 石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究中心，北京 10008；.中國(guó)石油 大慶油田有限責(zé)任公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 16511)

油氣藏蓋層封閉性研究是伴隨石油地質(zhì)理論的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來(lái)的，大致可分為3個(gè)階段(圖1)。油氣封蓋概念建立階段(1966年以前)，油氣勘探由露頭區(qū)轉(zhuǎn)入覆蓋區(qū)，背斜聚油理論指導(dǎo)油氣勘探，認(rèn)識(shí)到浮力是油氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?，泥巖蓋層在油氣成藏中起到重要的作用，以1966年Smith提出蓋層和斷層封閉性概念為標(biāo)志，開(kāi)始探索蓋層封閉性和斷層封閉性問(wèn)題[1]。蓋層封閉機(jī)理探索階段(1966—1996)，構(gòu)造圈閉的復(fù)雜性和巖性圈閉的隱蔽性導(dǎo)致鉆探失利，促使勘探家考慮油氣運(yùn)聚后的保存問(wèn)題，以1987年Watts提出蓋層毛細(xì)管封閉機(jī)理和水力封閉機(jī)理為標(biāo)志[2]，開(kāi)始系統(tǒng)研究蓋層和斷層封閉機(jī)理并進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。1983美國(guó)地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)年(AAPG)召開(kāi)蓋層和油氣保存方面的專題研討會(huì)，Downey認(rèn)為蓋層研究要從微觀和宏觀兩方面進(jìn)行[3]；Grunau認(rèn)為頁(yè)巖和蒸發(fā)巖是有效蓋層[4]，沉積環(huán)境、擴(kuò)散速率和裂縫形成演化是蓋層評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。1996年呂延防等人又提出了超壓封閉機(jī)理和烴濃度封閉機(jī)理[5]，針對(duì)不同封閉機(jī)理建立了利用排替壓力、有效應(yīng)力和抗張強(qiáng)度、異?？紫读黧w壓力和擴(kuò)散系數(shù)評(píng)價(jià)封閉能力方法，依據(jù)蓋層宏觀發(fā)育特征和微觀封閉能力，建立了蓋層封閉性評(píng)價(jià)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。蓋層與斷層封閉性定量評(píng)價(jià)階段(1997—2013)，斷層附近大量有效的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和鉆探失利形成的矛盾，使地質(zhì)學(xué)家開(kāi)始考慮如何定量評(píng)價(jià)斷層和蓋層封閉性。以呂延防出版的“油氣藏封蓋研究”為標(biāo)志，建立了蓋層封閉能力定量評(píng)價(jià)方法[5]，初步建立了蓋層完整性評(píng)價(jià)思路[6-11]，指出蓋層完整性破壞因素有構(gòu)造破裂(斷裂錯(cuò)斷、亞地震斷層與砂體匹配、構(gòu)造裂縫)和水力破裂作用。認(rèn)識(shí)到蓋巖脆-韌性特征是控制蓋層完整性的關(guān)鍵因素，提出了利用密度-應(yīng)變[7,10]、BRI和OCR[8-9,12]、Byerlee摩擦定律和Goetze’s準(zhǔn)則定量判斷泥頁(yè)巖和膏鹽巖脆-韌性轉(zhuǎn)換定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[13]。蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)演化研究階段(2014—)，伴隨常規(guī)油氣由中淺層轉(zhuǎn)向深層，多旋回盆地油氣多期成藏和改造迫切需要開(kāi)展蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)演化研究，加之非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)，在蓋巖脆-韌性定量表征基礎(chǔ)上，金之鈞提出了泥頁(yè)巖蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)演化過(guò)程評(píng)價(jià)方法[14]。此外，地球物理新技術(shù)在蓋層完整性評(píng)價(jià)中也逐漸得到應(yīng)用[15]。迄今為止，針對(duì)蓋層封閉能力的研究在封閉機(jī)理和評(píng)價(jià)方法上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，勘探目標(biāo)也由常規(guī)油氣藏向非常規(guī)和深層油氣藏?cái)U(kuò)展，未來(lái)對(duì)蓋層封閉能力的研究必定從定性轉(zhuǎn)為定量評(píng)價(jià)，從靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，從過(guò)去僅依據(jù)宏觀發(fā)育特征和微觀封閉機(jī)理評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)為從潤(rùn)濕性改變、構(gòu)造破裂和水力破裂等對(duì)不同成巖程度和不同脆韌性蓋層完整性的評(píng)價(jià)。

圖1 油氣藏蓋層封閉性理論研究進(jìn)展Fig.1 Theoretical research progress in reservoir caprock sealing properties

1 蓋層發(fā)育特征及封閉能力

1.1 巖性

統(tǒng)計(jì)表明，大中型油氣田蓋層主要巖性為泥巖、膏鹽巖和碳酸鹽巖，泥頁(yè)巖最為常見(jiàn)[16-17](圖2)。不同巖性蓋層封閉的最大烴柱高度存在明顯差異[6](圖3a)，膏巖封閉烴柱高度最大，其次為泥巖和碳酸鹽巖，砂巖最小。我國(guó)陸相盆地不同巖性蓋層排替壓力也存在差異，封閉能力依然遵循膏巖、泥巖、碳酸鹽巖和砂巖依次變差的規(guī)律(圖3b)。但膏巖、泥巖和碳酸鹽巖均能封閉住幾千米的烴柱高度，因此，巖性不是蓋層封閉性定量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。

1.2 蓋層分布范圍

蓋層按分布范圍可分為區(qū)域性蓋層和局部性蓋層[5]。區(qū)域性蓋層遍布在含油氣盆地或坳陷的大部分地區(qū)，厚度大、面積廣且分布穩(wěn)定；局部性蓋層指分布在局部構(gòu)造上的蓋層。深湖-半深湖相、潟湖相通常發(fā)育質(zhì)純、厚度較大、分布面積廣的區(qū)域性蓋層[5]，河流相、三角州相、濱淺湖相等通常形成砂-泥薄互層、厚度較小、分布面積小的局部性蓋層。因此說(shuō)沉積環(huán)境是決定蓋層宏觀發(fā)育程度的關(guān)鍵因素。僅從蓋層和烴源巖分布范圍看，蓋層可分為三級(jí)：好的蓋層分布范圍大于烴源巖的范圍，中等的蓋層分布范圍與烴源巖的面積相當(dāng)，差的蓋層分布范圍遠(yuǎn)小于烴源巖面積。

1.3 蓋層厚度

從毛細(xì)管封閉機(jī)理講，蓋層厚度與其封閉能力無(wú)直接的函數(shù)關(guān)系[2,18]。但一些研究者認(rèn)為蓋層厚度與烴柱高度之間存在某些聯(lián)系[19]，即蓋層厚度影響其空間分布[5]，厚度越大，沉積環(huán)境越穩(wěn)定，均質(zhì)性越好，橫向分布的面積越廣，欠壓實(shí)并導(dǎo)致超壓形成的可能性越大，斷裂越不容易導(dǎo)致蓋層滲漏。從厚度影響分布的角度看，厚度越大，越有利于油氣的保存。因此，無(wú)論是氣田還是油田，直接蓋層的厚度與可封蓋的最大烴柱高度總體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖4)。

1.4 單層厚度和蓋地比

單層厚度和蓋地比是反映蓋層“純度”的參數(shù)，同一層位的蓋層單層厚度越大，蓋地比越高，縱向連續(xù)分布蓋層的厚度越大，封閉能力越強(qiáng)[20]。King利用逾滲理論研究了疊置砂體間連通性問(wèn)題(不考慮斷裂)，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)砂地比特征門(mén)限值，低于該門(mén)限值砂體之間基本不連通[21]。Jackson等人提出一個(gè)薄層砂泥巖互層的儲(chǔ)層模型[22]，估計(jì)水平的逾滲閾值為0.28(C0)，垂直的逾滲閾值為0.5(C)。這意味著泥質(zhì)巖蓋層的蓋地比為35%～50%時(shí)，垂向不連通；統(tǒng)計(jì)中西部前陸盆地氣藏之上蓋層的泥地比發(fā)現(xiàn)，封住天然氣所需最小的泥地比為40%～60%[20]，當(dāng)有小斷層和裂縫存在的時(shí)候，最小的泥地比可能升高。根據(jù)蓋地比蓋層品質(zhì)可分為三級(jí)(圖5)：蓋地比小于1-C的蓋層為封閉能力差的蓋層，蓋地比介于1-C和1-C0時(shí)為封閉能力中等的蓋層，蓋地比大于1-C0時(shí)為封閉能力強(qiáng)的蓋層。

1.5 蓋層的巖石力學(xué)特征

泥巖脆性指數(shù)(BRI)、超固結(jié)比(OCR)、巖石內(nèi)摩擦角和巖石密度是蓋層脆-韌性評(píng)價(jià)的主要參數(shù)。脆性指數(shù)為BRI=UCS/UCSNC，UCSNC是正常固結(jié)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，UCS是超固結(jié)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，當(dāng)BRI大于2時(shí)，巖石更容易發(fā)生脆性破裂[9](圖6)。巖石在地質(zhì)歷史時(shí)期受到過(guò)的最大有效應(yīng)力稱為前固結(jié)應(yīng)力，而前固結(jié)應(yīng)力與現(xiàn)在有效應(yīng)力之比定義為超固結(jié)比。Nygard等人利用OCR對(duì)北海盆地的泥巖進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)OCR大于2.5時(shí)，巖石發(fā)生滲漏的風(fēng)險(xiǎn)增加[12]。巖石比表面積是指單位重量?jī)?nèi)巖石內(nèi)表面積和外表面積之和，它是巖石粒徑、孔隙度、壓實(shí)程度和膠結(jié)程度的綜合反映，巖石比表面積增加，內(nèi)摩擦角減小，更易表現(xiàn)為韌性，表面積大于300 m2/g指示了膠結(jié)作用較弱，為韌性巖石。大多數(shù)沉積盆地內(nèi)的頁(yè)巖密度小于2.1 g/cm3，只發(fā)生韌性變形；若密度大于2.1 g/cm3，在足夠的應(yīng)變下將發(fā)生脆性破裂[6]。脆性巖石在變形過(guò)程中易于形成裂縫，與蓋層內(nèi)薄砂體相配合，形成連續(xù)的滲漏通道。研究表明，當(dāng)砂泥薄互層蓋層中裂縫的數(shù)量超過(guò)泥巖層數(shù)量的5倍時(shí)，由砂巖層和裂縫構(gòu)成的“之字型”運(yùn)移通道導(dǎo)致油氣穿越蓋層垂向運(yùn)移[9]。

圖3 不同巖性蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)比[6]Fig.3 Parameter comparison for various lithological caprock sealing capacitiesa.世界不同巖性蓋層封閉烴柱高度對(duì)比;b.中國(guó)不同巖性蓋層排替壓力對(duì)比[6]

圖4 直接蓋層厚度與封閉烴柱高度的關(guān)系Fig.4 Relationship between the thickness of direct caprock and the height of hydrocarbon columna.油田;b.氣田

圖5 渤海灣盆地王家崗油田砂地比與砂體幾何連通概率關(guān)系模型[23]Fig.5 Probability model of relationship between sand-stratum ratio and sand body geometric connectivity of Wang jiagang oilfield,Bohai Bay Basin[23]

圖6 頁(yè)巖脆性指數(shù)及發(fā)生破裂的臨界條件[9]Fig.6 Brittle indexes and fracture critical conditions of shale[9]

2 蓋層封閉機(jī)理及封閉能力動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

2.1 毛細(xì)管封閉能力及定量評(píng)價(jià)

蓋層多為水潤(rùn)濕或水飽和的，且具有較高的毛細(xì)管壓力，因此能封閉住一定的烴柱高度[2]。毛細(xì)管壓力定義為在儲(chǔ)-蓋層接觸面上油壓力和水壓力的差異。只有當(dāng)油氣柱產(chǎn)生的浮壓超過(guò)毛細(xì)管進(jìn)入壓力時(shí)，毛細(xì)管封閉失效，油氣突破蓋層垂向運(yùn)移[2](圖7)。

表征毛細(xì)管封閉能力的參數(shù)包括孔隙度、滲透率、孔喉半徑和排替壓力[5]。泥頁(yè)巖原始孔隙度可達(dá)60%～80%，隨著埋深的增加而逐漸減小，埋深為0.5～1 km后下降到35%，埋深為3.5～4.0 km下降到5%左右(圖8a)。Khanin測(cè)試泥質(zhì)巖滲透率為(10-6～10-2)×10-3μm，滲透率隨著埋深、有效應(yīng)力增加或泥質(zhì)含量的增加而逐漸降低[24](圖8b)。滲透率和孔隙度之間沒(méi)有明顯的正相關(guān)關(guān)系[25-26]。北海盆地白堊蓋層孔喉半徑為5～160 nm，且隨著埋藏深度增加而逐漸減小，超過(guò)3 000 m普遍小于30 nm[27]。松遼盆地深層和中淺層泥巖蓋層孔喉半徑存在差異[28](圖9)，中淺層泥巖孔喉半徑為0.8～200 nm，峰值普遍為1～2 nm，深層泥巖孔喉半徑為0.8～40 nm，峰值范圍為1～6 nm。排替壓力定義為潤(rùn)濕性流體被非潤(rùn)濕性流體驅(qū)替所需的最小壓力[5]，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)法、壓汞法、測(cè)井和地震資料等手段獲得。排替壓力與孔隙度[14]、滲透率[8]和泥質(zhì)含量[5]之間存在定量關(guān)系，是定量預(yù)測(cè)蓋層封閉能力演化過(guò)程的基礎(chǔ)[14]。

影響蓋層毛細(xì)管封閉能力的因素主要有4方面。一是成巖程度影響，泥巖壓實(shí)歷經(jīng)快速壓實(shí)、穩(wěn)定壓實(shí)、突變壓實(shí)和緊密壓實(shí)四個(gè)階段[28]，封閉能力在突變壓實(shí)和緊密壓實(shí)階段最強(qiáng)。深層泥質(zhì)巖蓋層處于緊密壓實(shí)階段，對(duì)應(yīng)中成巖晚期和晚成巖階段，化學(xué)膠結(jié)作用強(qiáng)烈，孔喉半徑很小，封閉能力增強(qiáng)，但泥質(zhì)巖脆性增強(qiáng)，裂縫導(dǎo)致滲漏的可能性增大[2,8,24]。二是流體性質(zhì)影響，氣的界面張力隨深度增加的速率與油不同，相同蓋層封閉氣可能多于油。深層處于高溫高壓環(huán)境，多以凝析油和氣為主，對(duì)蓋層封閉能力影響需要進(jìn)一步探討。三是界面張力影響，油-水界面張力隨著溫度增加而減小，隨著壓力增加變化不大；氣-水界面張力隨溫度和壓力升高而降低，深層蓋層封閉油氣能力受界面張力影響而降低。四是潤(rùn)濕性影響，蓋層能夠封閉住油氣是因其為水潤(rùn)濕的，但原油中的極性化合物可改變巖石的潤(rùn)濕性[29-31]，如顆粒表面吸附的有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物導(dǎo)致油潤(rùn)濕，去掉后變?yōu)樗疂?rùn)濕[31]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)束縛水可以通過(guò)油層進(jìn)入蓋層[32-33]，酸性化合物從油中分離出進(jìn)入殘留水中，水?dāng)y帶酸性化合物進(jìn)入蓋層中，導(dǎo)致水膜破裂，吸附到礦物表面，導(dǎo)致局部變?yōu)橛蜐?rùn)濕，減小毛細(xì)管壓力，從而形成不連續(xù)的微滲漏空間。五是儲(chǔ)層超壓的影響，當(dāng)儲(chǔ)層存在超壓時(shí)，蓋層封閉能力減小，相當(dāng)于蓋層毛細(xì)管壓力要抵消儲(chǔ)層超壓。1998年Bj?rkum等人提出不同觀點(diǎn)：認(rèn)為連續(xù)水相可以從油層向上覆蓋層中運(yùn)移[34]。油層中水相和蓋層中水相壓力差是極小的，因此封閉層之下烴類并不受儲(chǔ)層超壓的影響，在水潤(rùn)濕的儲(chǔ)層中的水相是流動(dòng)的，烴類界面之下水層的超壓可以傳遞到儲(chǔ)層-封閉層的界面，因此超壓水潤(rùn)濕性儲(chǔ)層并不比正常壓力儲(chǔ)層更容易發(fā)生毛細(xì)管滲漏。

圖7 蓋層封閉機(jī)理模式[2]Fig.7 Schematic diagram of caprock sealing mechanism pattern[2]

圖8 不同類型泥巖孔隙度(a)與滲透率(b)隨深度的變化規(guī)律Fig.8 Variation of porosity and permeability with depth for different mudstones

泥質(zhì)巖蓋層在埋藏-抬升過(guò)程中，物性和封閉能力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，埋藏過(guò)程中，泥質(zhì)巖蓋層孔隙度逐漸降低，封閉能力逐漸增強(qiáng)[14]；抬升過(guò)程中由于裂縫產(chǎn)生[35]，孔隙度變化不大，但滲透率明顯增加?；谂盘鎵毫涂紫抖?、滲透率之間的定量關(guān)系，Jin等人建立了泥質(zhì)巖蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程定量評(píng)價(jià)方法[14](圖10)。

2.2 水力封閉機(jī)理及封閉能力演化過(guò)程

水力破裂指由于孔隙流體壓力增加導(dǎo)致的巖石破裂作用，包括了孔隙流體對(duì)完整巖石和原有裂縫的水力作用[2,36]，且水力破裂是由孔隙流體導(dǎo)致的一種張性破裂[36-37]。根據(jù)有效差應(yīng)力與巖石抗張強(qiáng)度之比的不同，將巖石脆性破裂分為：張性破裂、張性剪切破裂和剪切破裂，不同類型的脆性破裂需要不同的孔隙壓力[37]。

圖9 松遼盆地泥質(zhì)巖蓋層孔喉半徑分布[28]Fig.9 Pore throat radius distribution of argillaceous caprock in the Songliao Basin[28]

圖10 泥巖封閉能力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程定量評(píng)價(jià)方法[14]Fig.10 Quantitative evaluation method for the change of caprock sealing properties [14]a.泥巖毛細(xì)管力和孔隙度的關(guān)系;b.泥巖毛細(xì)管力和滲透率的關(guān)系;c.泥巖毛細(xì)管力隨地質(zhì)歷史時(shí)間的變化關(guān)系

在孔隙流體壓力增加的過(guò)程中，有效應(yīng)力降低，有效差應(yīng)力不變，表現(xiàn)為應(yīng)力圓向靠近破裂包絡(luò)線方向移動(dòng)，位移量等于孔隙流體壓力的增加量(Δp=p2-p1)，但應(yīng)力圓的大小不變。當(dāng)應(yīng)力圓與破裂包絡(luò)線相切于(-T，0)時(shí)，發(fā)生水力破裂，形成與最小主應(yīng)力σ3方向垂直的水力裂縫。因此，水力破裂準(zhǔn)則表示為：

(1)

也就是說(shuō)，當(dāng)孔隙流體壓力大于最小主應(yīng)力與巖石抗張強(qiáng)度之和，即當(dāng)最小有效主應(yīng)力表現(xiàn)為張力且大于巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生水力破裂[9,12,37-38]。對(duì)墨西哥灣超壓泥巖和挪威Snorre油田研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔隙流體壓力大于最小主應(yīng)力，即接近靜巖壓力的85%和82%時(shí)，泥巖發(fā)生水力破裂，形成垂直的水力裂縫[39-40]。因此，在對(duì)水力破裂機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出了評(píng)價(jià)水力破裂風(fēng)險(xiǎn)的定量方法[41-42]。Gaarenstroom定義最小水平主應(yīng)力σh與孔隙流體壓力p之差為保持力[41]，孔隙流體壓力越大則保持力就越小，相應(yīng)水力破裂的風(fēng)險(xiǎn)就越大。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)保持力低于7 MPa時(shí)，水力破裂的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)明顯增加。

Leach研究表明，油氣主要分布在超壓帶頂界及稍下部位，頂部之下勘探成功率逐漸減小[43]。隨著埋藏深度增加，盡管地層壓力明顯增大，但超壓在深層并不容易引起蓋層破裂，淺層很小超壓即可引起蓋層破裂，超壓引起的蓋層破裂可能不是超壓盆地深層油氣勘探潛力的主要制約因素。按著超壓演化、地層破裂壓力和油氣充注時(shí)間關(guān)系，可將超壓圈閉按含油氣性分為四種情況(圖11)：充滿型圈閉、欠充滿圈閉、散失型圈閉和未充注圈閉[11]。

3 蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)化定量表征

無(wú)論是泥質(zhì)巖還是膏鹽巖蓋層，隨著埋藏深度增加，成巖程度、物性及溫壓環(huán)境發(fā)生改變，蓋層均發(fā)生力學(xué)性質(zhì)變化，變形歷經(jīng)3個(gè)過(guò)程：脆性、脆-韌性和韌性(圖12a)。不同變形階段蓋層封閉能力及破裂方式不同，蓋層頂部封閉能力存在差異[13]。

3.1 蓋層脆-韌性變形影響因素

膏鹽巖脆韌性變形的主要影響因素是圍壓[44-50]和溫度[49]，其次是加載速率[44,50-51]、流體壓力[46,51]、組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)[45]。保持單一變量原則，隨圍壓增加膏鹽巖向脆-韌性域甚至向韌性域轉(zhuǎn)變；同理，溫度越高膏鹽巖韌性變形特征越明顯。實(shí)驗(yàn)證實(shí)加載速率足夠大(大于5×10-9/s)時(shí)鹽巖就會(huì)發(fā)生脆性變形[52]，但在大多數(shù)鹽構(gòu)造背景下應(yīng)變速率很少大于10-12/s，只有在孔隙流體超壓條件下，鹽巖才會(huì)發(fā)生脆性破裂[51]，否則，孔隙流體對(duì)膏鹽巖的脆韌性影響可以忽略[46]。由于鹽巖的可塑性大于膏巖，因此發(fā)生脆韌性變形的難易程度為:鹽巖>含鹽夾層的膏巖>純膏巖。此外，粗粒硬石膏樣品比細(xì)粒樣品更易發(fā)生脆韌性變形，平行于面理方向壓縮比垂直于面理方向壓縮更易發(fā)生脆韌性變形[45]。

圖11 超壓圈閉類型模式[11]Fig.11 Schematic diagrams showing the types of overpressured reservoirs[11].a.充滿型圈閉;b.欠充滿圈閉;c.散失型圈閉;d.未充注圈閉

圖12 巖石脆韌性轉(zhuǎn)化應(yīng)力-應(yīng)變曲線及不同圍壓下實(shí)驗(yàn)變形曲線特征Fig.12 Stress-strain curves for the rock brittle-ductile transition and the variation of the curves under varying confining pressures in experimentsa.不同脆韌性巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線模式[55];b,c.啟莫里階泥巖和含油頁(yè)巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(數(shù)值為有效垂直固結(jié)應(yīng)力)[12];d,e,f.庫(kù)車坳陷純膏 巖、含鹽泥巖和含泥鹽巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(數(shù)值為圍壓)

對(duì)于泥頁(yè)巖而言，除以上因素外，礦物成分[53]、成巖作用[9-10]和流體性質(zhì)[12]也影響脆-韌性轉(zhuǎn)化。泥頁(yè)巖中石英為典型的脆性礦物，其含量越高，泥頁(yè)巖脆性程度越高，Jarvie等人提出了利用巖石礦物分析法判斷巖石脆性程度[54]。頁(yè)巖在未固結(jié)-半固結(jié)成巖階段密度很低，在大多數(shù)沉積盆地的圍壓范圍內(nèi)只發(fā)生韌性變形而不會(huì)發(fā)生脆性破裂。如果頁(yè)巖的密度大于2.1 g/cm3，在足夠的應(yīng)變下將發(fā)生脆性破裂，為此，提出了利用密度定量判斷泥頁(yè)巖脆韌性變形定量評(píng)價(jià)方法[6,9-10]。對(duì)比研究表明，含油泥巖比純泥巖更容易發(fā)生韌性變形(圖12b，c)[12-13]，在15 MPa圍壓條件下即發(fā)生韌性變形。

3.2 蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)化階段表征

3.2.1 膏鹽巖脆-韌性定量表征

影響膏鹽巖脆-韌性的主要因素是圍壓和溫度，依據(jù)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)可以獲得不同圍壓和溫度條件下的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度[55](圖12d,f)。巖石力學(xué)中，脆性破裂的表征方法有庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則、格里菲斯準(zhǔn)則、修正格里菲斯準(zhǔn)則以及摩爾-庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則。摩爾-庫(kù)侖破裂包絡(luò)線一般為二次曲線[56]，為巖石不同溫度壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線上峰值強(qiáng)度(剪切破裂強(qiáng)度)的二次擬合曲線。Byerlee摩擦定律是一個(gè)與巖石類型和滑動(dòng)面粗糙度等完全無(wú)關(guān)，適用于自然界各種摩擦滑動(dòng)現(xiàn)象[57]。在差應(yīng)力(σ1-σ3)和圍壓σ3坐標(biāo)中，低圍壓下巖石體現(xiàn)出純脆性破裂，峰值破裂曲線是直線，斜率與破裂后的滑動(dòng)摩擦曲線相近。隨著圍壓增大，巖石中部分礦物體現(xiàn)出塑性變形，巖石的內(nèi)摩擦角及滑動(dòng)摩擦角都減??；當(dāng)巖石破裂強(qiáng)度與圍壓恰好滿足Byerlee定律時(shí)，即摩爾-庫(kù)侖破裂包絡(luò)線與Byerlee摩擦滑動(dòng)曲線相交時(shí)，巖石開(kāi)始從脆性向脆-韌性轉(zhuǎn)變。因此，Byerlee摩擦滑動(dòng)定律標(biāo)志著脆性破裂的結(jié)束(圖13)。應(yīng)力降是指巖石破裂峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的差值[58]，微觀上脆性和脆韌性變形巖石普遍存在微破裂和聲發(fā)射，從應(yīng)力-應(yīng)變曲線上看具有明顯的應(yīng)力降。隨著圍壓的增加，巖石塑性成分逐漸增多，應(yīng)力降逐漸減小，當(dāng)圍壓增加到某一臨界值時(shí)，應(yīng)力降為零，即巖石殘余強(qiáng)度破裂包絡(luò)線與摩爾庫(kù)侖破裂包絡(luò)線相交時(shí)，巖石開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性變形，不發(fā)生脆性破裂。Goetze研究表明，當(dāng)應(yīng)力降為零時(shí)，大部分?jǐn)?shù)據(jù)表明所施加圍壓約與破裂強(qiáng)度相近時(shí)，標(biāo)志著半脆性向塑流過(guò)渡的轉(zhuǎn)變[58]。

圖13 厘定巖石脆韌性變形階段模式(a)、脆韌性轉(zhuǎn)化臨界圍壓(b)及庫(kù)車坳陷庫(kù)姆格列木組膏巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線(c)Fig.13 Schematic diagram showing the brittle-ductile deformation stage of rock,the stress-strain curves and brittle-ductile transition critical confining pressure of Kumugeliemu Formation gypsolyte in the Kuqa Depression

利用此方法，付曉飛厘定了庫(kù)車膏巖脆-韌性轉(zhuǎn)化圍壓[13]。結(jié)果表明，膏巖脆韌性轉(zhuǎn)換臨界圍壓明顯低于含鹽泥巖，即相同圍壓條件下，泥巖表現(xiàn)為脆性時(shí)，膏巖可能已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇囗g性甚至韌性。因此，以膏巖脆韌性轉(zhuǎn)換臨界圍壓作為庫(kù)姆格列木組區(qū)域蓋層的脆韌性轉(zhuǎn)換的臨界條件，分別為46 MPa和90 MPa。

3.2.2 泥頁(yè)巖脆-韌性定量表征

隨著埋藏深度增加，泥巖經(jīng)歷更復(fù)雜的脆-韌性轉(zhuǎn)化過(guò)程。在大多數(shù)沉積盆地的圍壓范圍內(nèi)，頁(yè)巖的密度在大致小于2.1 g/cm3的情況下，只發(fā)生韌性變形而不會(huì)發(fā)生脆性破裂[9,13]。如果頁(yè)巖的密度大于2.1 g/cm3，在足夠的應(yīng)變下將發(fā)生脆性破裂。Corcoran和Dore利用密度和破裂時(shí)應(yīng)變定量判斷泥頁(yè)巖脆-韌性轉(zhuǎn)化過(guò)程[10](圖14)。脆性階段，密度大于2.5 g/cm3，破裂前應(yīng)變小于3%。過(guò)渡階段，密度介于2.5～2.25 g/cm3，應(yīng)變介于5%～8%。韌性階段，密度小于2.25 g/cm3，應(yīng)變大于8%。但Nyg?rd等人研究表明，固結(jié)泥巖在15 MPa時(shí)開(kāi)始從脆性變形向韌性變形轉(zhuǎn)化[12]。綜合考慮這些因素，泥頁(yè)巖脆-韌性轉(zhuǎn)化可能分為多個(gè)階段。淺埋未固結(jié)-半固結(jié)成巖階段，密度普遍小于2.1 g/cm3，主要發(fā)生韌性變形。固結(jié)成巖階段，受圍壓和溫度影響經(jīng)歷脆、過(guò)渡和韌性轉(zhuǎn)化(圖12b)[9-10]；化學(xué)成巖作用導(dǎo)致泥頁(yè)巖在高圍壓條件下，不經(jīng)歷韌性變形而直接發(fā)生脆性破裂；抬升過(guò)程，泥頁(yè)巖為超固結(jié)成巖階段，伴隨壓力釋放和圍壓降低，泥巖變脆，易于發(fā)生破裂。Ingram 1997年提出利用超固結(jié)比定量判斷破裂發(fā)生的條件，認(rèn)為OCR大于2.5時(shí)蓋層破裂導(dǎo)致滲漏的風(fēng)險(xiǎn)增加[8,12,14,59]。

圖14 利用泥巖密度和破裂時(shí)應(yīng)變判斷脆韌性[10]Fig.14 Ductility and brittleness distinguished by means of mudstone density(g/cm3)and fracturing strain[10]

4 蓋層完整性評(píng)價(jià)

蓋層完整性破壞通常由潤(rùn)濕性改變和破裂作用形成微滲漏空間引起的[6]，分為五種類型(圖15)。

4.1 潤(rùn)濕性改變

蓋層內(nèi)孔隙規(guī)模流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明[60]，垂向運(yùn)移的殘留水進(jìn)入油層和蓋層的接觸面，油中酸性化合物從油中分離出進(jìn)入殘留水中，水?dāng)y帶酸性化合物進(jìn)入蓋層中，這種流動(dòng)發(fā)生在不連續(xù)、狹窄的通道中，酸性極性化合物形成有機(jī)-金屬化合物，貼附在礦物表面，導(dǎo)致水膜破裂，有機(jī)-金屬化合物導(dǎo)致局部潤(rùn)濕性改變，變?yōu)橛蜐?rùn)濕，減小毛細(xì)管壓力，促使局部油和氣進(jìn)入蓋層。

4.2 斷裂破壞作用

斷裂在不同脆-韌性蓋層中變形機(jī)制不同，封閉能力評(píng)價(jià)方法也不同。脆性階段,脆性域的蓋層由于破裂作用易被斷層破壞，隨著斷距的增大，裂縫的密度逐漸增大,直至互相連通后油氣就會(huì)通過(guò)斷層發(fā)生垂向運(yùn)移[61]。野外觀察證實(shí)脆性的膏鹽巖一般會(huì)形成貫通性的大斷層,其斷裂帶通常被斷層角礫巖和軟的斷層泥充填，如意大利亞平寧山脈北部三疊系蒸發(fā)巖內(nèi)的脆性斷層[62]。基于裂縫垂向連通程度受控于蓋層厚度和斷距，提出斷接厚度來(lái)定量表征裂縫垂向連通性，即平行于斷面的蓋層厚度與斷層位移的差值[63]。該值越大，裂縫垂向?qū)芰υ讲?。處于脆性域的蓋層存在臨界的斷接厚度值，該值越大封閉能力越強(qiáng)。

脆-韌性階段，蓋巖發(fā)育典型的涂抹結(jié)構(gòu)，只要涂抹保持連續(xù)性，斷層垂向就是封閉的。通過(guò)泥巖涂抹系數(shù)SSF(Shale smear factor)，即斷距與泥巖厚度的比率[64]，可以預(yù)測(cè)涂抹的發(fā)育程度，實(shí)現(xiàn)斷層封閉性定量評(píng)價(jià)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為[64-66]，泥巖涂抹的連續(xù)性受控于斷距與泥巖厚度的比率，小規(guī)模斷層(斷距小于15 m)[66]泥巖涂抹連續(xù)SSF值變化范圍為1～50，通常泥巖層厚度為0～10 cm，斷距為3 cm至幾分米[64]。對(duì)于規(guī)模較大的斷層(斷距大于15m)，泥巖涂抹保持連續(xù)性的臨界值較小，一般為4～8[65-67]，但也有SSF值為6～20的斷層保持連續(xù)的泥巖涂抹[67]。Takahashi通過(guò)高溫高壓物理模擬表明[68]，有效正應(yīng)力為30 MPa，當(dāng)SSF大于4.9時(shí)，粉砂巖形成的涂抹失去連續(xù)性；有效應(yīng)力提高到40 MPa，涂抹保持連續(xù)性的臨界SSF值為6.6。因此，泥巖隨著埋深增加，泥巖涂抹越發(fā)育，且容易保持連續(xù)性。

圖15 蓋層完整性影響因素模式Fig.15 Schematic diagram of factors affecting the caprock integrity

韌性階段,鹽巖具有流動(dòng)特征，伴隨斷裂逆沖滑動(dòng)，鹽巖沿著斷面流動(dòng)，并在逆沖帶前鋒擠出，此階段的斷層垂向封閉。但是在差異壓實(shí)作用下，韌性的鹽巖向構(gòu)造高部位(低應(yīng)力區(qū))流動(dòng)和局部集中，使得上覆地層發(fā)生隆起，形成鹽構(gòu)造；同時(shí)在相對(duì)薄的或厚度變化劇烈的鹽巖區(qū)，鹽巖的蠕動(dòng)作用會(huì)形成一些塑性斷層斷穿鹽層，形成鹽巖缺失區(qū)，即“鹽窗”[69]。鹽窗的形成為在鹽巖區(qū)域性蓋層之下的油氣向鹽上及鹽間運(yùn)移調(diào)整提供了通道。從巴西坎波斯盆地和濱里海盆地Sagizski區(qū)塊的剖面圖中可以看出，鹽上油氣藏的分布與鹽窗的發(fā)育位置具有極好的相關(guān)性[69-70]。

4.3 亞地震斷層與砂體連通

通過(guò)二維和三維地震解釋，可以清楚地識(shí)別出大尺度斷裂作用，小尺度斷裂作用也能夠通過(guò)空間上孤立的一維井資料來(lái)進(jìn)行識(shí)別。但是對(duì)于中尺度的斷裂作用(位移大約在幾分米到30 m之間)，常稱為亞地震斷層，通常既不能從地震數(shù)據(jù)上識(shí)別，也不能從井資料上識(shí)別[71]。然而，這種中尺度的斷裂作用是控制油氣沿蓋層滲漏的主要因素[72]。蓋層內(nèi)亞地震斷裂與砂體連通可形成有效的滲漏通道[8]，數(shù)值模擬證實(shí)砂泥互層蓋層垂向封閉性取決于裂縫數(shù)量和泥巖層層數(shù)?；跀嗔焉L(zhǎng)冪率規(guī)律和斷層長(zhǎng)度與斷距關(guān)系，結(jié)合最大單層泥巖厚度分布，可以定量厘定蓋層垂向滲漏最小斷距和斷層頻數(shù)。Ingram提出當(dāng)斷層條數(shù)(斷距大于最大單層泥巖厚度)是泥巖層層數(shù)5倍時(shí)，蓋層垂向滲漏風(fēng)險(xiǎn)極大[8]。

4.4 構(gòu)造裂縫連通

泥頁(yè)巖蓋層常含有大量的微裂縫，其在正常應(yīng)力狀態(tài)下往往是孤立與閉合的，彼此不連通，蓋層可以很好地封閉油氣。當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，就會(huì)形成新的微裂縫或閉合裂縫重新張開(kāi)，從而使微裂縫相互連通形成微滲漏空間。引起這種應(yīng)力發(fā)生變化的機(jī)制主要有構(gòu)造擠壓、構(gòu)造抬升以及異常高壓流體等[73]。例如，在層狀泥頁(yè)巖中發(fā)育有大量的與層面高角度相交或近垂直的構(gòu)造裂縫，裂縫的形成與分布受巖層的控制，裂縫通常在巖層內(nèi)發(fā)育，并終止層面上，很少穿越巖層界面，裂縫高度一般等于裂隙化巖層的厚度[74-75]。在一定的巖層厚度范圍內(nèi)，裂縫的平均間距與裂隙化巖層的平均厚度呈較好的線性關(guān)系，其比值稱作裂縫間距比率(FSR)，裂縫間距比率與巖石的應(yīng)變呈正比。根據(jù)大量野外露頭實(shí)測(cè)，當(dāng)FSR<1.17時(shí)，在巖層中只發(fā)育這種層控裂縫，它們是孤立的、不連通的。當(dāng)FSR>1.17時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)貫穿裂縫，且貫穿裂縫的頻率與FSR呈正比，說(shuō)明應(yīng)變的增加導(dǎo)致裂縫發(fā)生連通，從而形成滲漏通道。構(gòu)造抬升作用沒(méi)有改變最大主應(yīng)力，但是使最小主應(yīng)力降低，造成應(yīng)力莫爾圓變大與包絡(luò)線相交，致使巖石中容易產(chǎn)生破裂，使裂縫發(fā)生連通，從而形成滲漏空間。

4.5 水力破裂

當(dāng)儲(chǔ)層孔隙流體壓力超過(guò)圍巖的最小圍壓時(shí)，蓋層破裂形成裂縫或原有裂縫張開(kāi)，構(gòu)成了由高壓沉積物到上覆地層的高滲透性通道[38]。大量的流體通過(guò)裂縫進(jìn)行運(yùn)移，發(fā)生流體排放活動(dòng)，隨著流體經(jīng)裂縫流出，孔隙流體壓力降低，引起礦物膠結(jié)沉淀，裂縫的寬度減小，滲透率降低，最終裂縫閉合，流體排放活動(dòng)終止[8-9]。一旦裂縫閉合，蓋層會(huì)一直保持非滲透性，直到深部運(yùn)移來(lái)的流體使孔隙流體壓力增加至破裂為止，新的排放活動(dòng)開(kāi)始從而周期性地循環(huán)。對(duì)于相對(duì)堅(jiān)硬的蓋層，裂縫會(huì)在20～50年內(nèi)保持張開(kāi)狀態(tài)[76]。Caillet以挪威Snorre油田為例,研究發(fā)現(xiàn)蓋層中含有與儲(chǔ)層內(nèi)油氣同源的油氣。根據(jù)漏失實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)儲(chǔ)層頂部的孔隙流體壓力達(dá)到靜巖壓力的82%，近似等于最小水平應(yīng)力時(shí)，發(fā)生水力破裂導(dǎo)致泥巖的滲透性增加，油氣從儲(chǔ)層中逃逸出來(lái)。

5 蓋層研究存在的主要問(wèn)題

盡管蓋層封閉性研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但仍有許多問(wèn)題需要深入探索，主要包括以下幾方面。

不同級(jí)別蓋層與油氣保存。對(duì)鄂爾多斯盆地深部油氣成藏研究表明，石炭系-二疊系煤系地層為區(qū)域性蓋層，上組合直接蓋層為本溪組鋁土質(zhì)泥巖，下組合直接蓋層為石炭系煤系地層，儲(chǔ)層內(nèi)部還發(fā)育膏鹽巖和泥云巖隔層，三級(jí)蓋層對(duì)油氣保存均起作用;研究表明，對(duì)裂縫改造的致密儲(chǔ)層斷層油氣藏而言，油氣富集受控于區(qū)域性蓋層，油氣緊鄰區(qū)域性蓋層分布[20];對(duì)常規(guī)儲(chǔ)層斷層油氣藏而言，油氣富集受控于直接蓋層，區(qū)域性蓋層起到油氣充注的頂部封閉作用;厘定三級(jí)蓋層分布，結(jié)合典型油氣藏解剖，剖析不同級(jí)別蓋層對(duì)油氣保存作用，對(duì)油氣勘探才能起到指導(dǎo)作用。

影響蓋層封閉能力的宏觀地質(zhì)因素，蓋層厚度、巖性組合和蓋地比對(duì)封閉能力的影響缺少數(shù)據(jù)支撐；按著毛細(xì)管封閉機(jī)理，蓋層厚度并非是封閉的主控因素[2]，但一些盆地依然顯示油氣藏分布在厚度較大蓋層范圍[19-20]，可能與蓋層巖性組合有關(guān)。依據(jù)巖性組合可將泥質(zhì)巖蓋層分為3類：一是質(zhì)純泥巖，如松遼盆地青一段和嫩一二段泥巖蓋層，單層厚度可達(dá)百米，含砂量不超過(guò)10%[28]；二是砂泥互層泥巖，如柴達(dá)木盆地區(qū)域性蓋層[20]；三是致密砂礫巖，如松遼盆地徐家圍子斷陷火山巖氣藏頂部營(yíng)城組四段砂礫巖蓋層。蓋地比是蓋層質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[6]，應(yīng)用砂體連通性原理和砂體-亞地震斷層連通性去定量評(píng)價(jià)蓋層品質(zhì)是未來(lái)蓋層研究的重要領(lǐng)域之一[9,77]。

泥頁(yè)巖巖石物理特征及成巖演化階段，泥頁(yè)巖蓋層礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)、物性特征和力學(xué)性質(zhì)等因素決定的巖石物理特征及成巖演化階段缺少有效數(shù)據(jù)。受巖心資料和實(shí)驗(yàn)手段限制，對(duì)泥頁(yè)巖蓋層測(cè)試難度大，缺少統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，極大限制了對(duì)蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)[14]。

蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),盡管Jin等人建立了蓋層毛細(xì)管封閉能力動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法[14]，但埋藏過(guò)程中泥質(zhì)巖蓋層的孔隙度在一定范圍內(nèi)變化不大，能否與毛細(xì)管壓力是正相關(guān)關(guān)系，還需要利用不同埋藏深度蓋層樣品去驗(yàn)證。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)證實(shí)抬升過(guò)程中滲透率增大[78]，但不是數(shù)量級(jí)變化，導(dǎo)致抬升過(guò)程中滲透率變化的核心地質(zhì)因素還是裂縫。如何定量評(píng)價(jià)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，僅利用OCR大于2.5去判斷仍缺乏理論依據(jù)[12]。Hao等人建立了水力封閉動(dòng)態(tài)演化模型[11]，但并沒(méi)得到油田驗(yàn)證，因此需要開(kāi)展巖石破裂條件和古壓力恢復(fù)研究，才能建立能應(yīng)用到油田的地質(zhì)模型。

蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)化過(guò)程及破裂條件定量表征，埋藏過(guò)程中，膏鹽巖脆-韌性變形轉(zhuǎn)化分3個(gè)階段，即脆性階段、脆-韌性階段和韌性階段。抬升階段與埋藏過(guò)程呈現(xiàn)對(duì)稱式反方向變化[13]。但泥頁(yè)巖脆-韌性轉(zhuǎn)化影響因素很多，當(dāng)密度低于2.1 g/cm3時(shí)發(fā)生韌性變形[6,9-10]，固結(jié)成巖后受圍壓和溫度影響較大，也要經(jīng)歷脆、脆-韌性和韌性變形[12];特定礦物組成和化學(xué)成巖作用也可能導(dǎo)致韌性變形階段缺失。抬升過(guò)程，伴隨壓力釋放，超固結(jié)的泥巖會(huì)變脆。影響泥頁(yè)巖脆-韌性變形的因素多而復(fù)雜，加之泥頁(yè)巖樣品難以制備，目前研究相對(duì)薄弱。

深層斷層對(duì)油氣的輸導(dǎo)及保存,經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的研究，對(duì)斷層輸導(dǎo)和保存作用有了一定認(rèn)識(shí)[79,80]，但針對(duì)蓋層內(nèi)斷裂帶結(jié)構(gòu)研究還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)[80]，特別是斷裂在不同脆-韌性蓋層內(nèi)變形機(jī)制、斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)和封閉性評(píng)價(jià)方法還不全面[81]。付曉飛等人深入研究了不同脆-韌性膏鹽巖中斷裂帶結(jié)構(gòu)及封閉能力評(píng)價(jià)方法[13]，Holland解剖了超固結(jié)泥巖斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封閉能力演化規(guī)律，對(duì)脆-韌性泥巖涂抹發(fā)育規(guī)律開(kāi)展了系統(tǒng)研究[64-65,67-68,81]，但均缺少合理的定量評(píng)價(jià)方法，對(duì)斷裂輸導(dǎo)和保存作用動(dòng)態(tài)演化過(guò)程研究仍較薄弱。

蓋層完整性定量評(píng)價(jià)，斷裂、構(gòu)造裂縫和水力裂縫是導(dǎo)致蓋層完整性破壞的主因，目前僅從機(jī)理探討了對(duì)蓋層完整性影響[8-9]，缺少能夠應(yīng)用到地下的定量評(píng)價(jià)方法。

6 蓋層研究趨勢(shì)

6.1 斷裂和蓋層耦合控藏機(jī)理和控藏模式

斷裂和蓋層是油氣保存條件的關(guān)鍵因素[5]。由于斷裂對(duì)儲(chǔ)層具有反向改造作用[82]，致密儲(chǔ)層中斷裂帶為高滲透性油氣運(yùn)移通道[83]，油氣聚集側(cè)向封閉靠巖性對(duì)接；對(duì)盤(pán)若為區(qū)域性蓋層才能形成規(guī)模性聚集，因此斷裂和區(qū)域性蓋層是致密儲(chǔ)層油氣保存關(guān)鍵因素[82]。高孔性儲(chǔ)層中斷裂帶為低滲透性的[79,84-87]，油氣聚集側(cè)向封閉靠斷層巖[85,88]，因此斷裂和直接蓋層、局部蓋層、區(qū)域性蓋層均能有效封閉油氣。伴隨油氣精細(xì)勘探，在大尺度沉積微相研究的基礎(chǔ)上，深入開(kāi)展油氣藏解剖，進(jìn)而明確直接蓋層、局部性蓋層、區(qū)域性蓋層和斷裂耦合配置及控藏機(jī)理和控藏模式。

6.2 不同類型蓋巖成巖演化及封閉能力動(dòng)態(tài)演化過(guò)程

成巖演化階段劃分是蓋層巖石封閉能力動(dòng)態(tài)演化的基礎(chǔ)。常規(guī)油氣勘探階段針對(duì)中淺層蓋層取心相對(duì)較多。伴隨非常規(guī)油氣勘探深入，深層烴源巖成為重要的勘探目的層，取心越來(lái)越多。具備測(cè)試不同埋藏深度和不同抬升幅度的蓋巖物性、孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積、排替壓力、地球化學(xué)和巖石力學(xué)等參數(shù)條件。依據(jù)各種參數(shù)對(duì)埋藏和抬升的響應(yīng)[14]，考慮將成巖階段在傳統(tǒng)的埋藏物理壓實(shí)、化學(xué)成巖、變質(zhì)階段和抬升階段基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分，結(jié)合斷裂和裂縫形成演化及對(duì)蓋層破壞，深入研究蓋巖封閉能力動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

6.3 蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)化過(guò)程定量表征及斷裂和裂縫形成演化

在埋藏和抬升過(guò)程中蓋層巖石力學(xué)發(fā)生明顯變化[13]，但在什么條件下蓋層發(fā)生脆-韌性轉(zhuǎn)化依然是個(gè)難題，需要通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)、聲發(fā)射特征、微觀變形機(jī)理和蓋層內(nèi)構(gòu)造變形特征研究來(lái)建立蓋層脆-韌性轉(zhuǎn)化過(guò)程定量表征方法?；诼额^區(qū)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖，分析斷裂和裂縫在不同巖石力學(xué)特征蓋層段變形機(jī)制及形成演化規(guī)律，才能搞清斷裂和裂縫對(duì)蓋層破壞作用。

6.4 蓋層完整性控制因素及定量評(píng)價(jià)

由界面張力、潤(rùn)濕性和儲(chǔ)層超壓引起蓋層毛細(xì)管封閉能力降低導(dǎo)致油氣散失并沒(méi)得到有效證實(shí)，而由于構(gòu)造變動(dòng)產(chǎn)生的斷裂和裂縫引起油氣藏破壞實(shí)例很多[89]，蓋層完整性評(píng)價(jià)成為保存條件研究的核心[75]。影響蓋層完整性的因素包括斷裂、構(gòu)造裂縫、水力裂縫、亞地震斷層和砂體的連通?；趲r層能干性差異形成的力學(xué)界面對(duì)裂縫和斷裂擴(kuò)展影響和斷裂源于裂縫遞進(jìn)發(fā)展原理，合理解釋斷裂和有效預(yù)測(cè)亞地震及裂縫分布；基于原地應(yīng)力場(chǎng)特征和破裂機(jī)理，有效預(yù)測(cè)斷裂和裂縫啟閉性[90]，成為解決蓋層完整性的有效手段。

7 結(jié)論

1) 蓋層封閉機(jī)理主要包括毛細(xì)管封閉和水力封閉機(jī)理。蓋層毛細(xì)管封閉能力主要受成巖程度、流體性質(zhì)、界面張力、潤(rùn)濕性和儲(chǔ)層超壓的影響。多期構(gòu)造演化的盆地蓋層封閉能力是變化的，埋藏過(guò)程中伴隨壓實(shí)成巖和化學(xué)成巖程度增強(qiáng)，蓋層孔隙度逐漸降低，毛細(xì)管壓力逐漸增大；抬升過(guò)程由于裂縫的產(chǎn)生，滲透率明顯增加，毛細(xì)管壓力減小，利用孔隙度、滲透率與毛細(xì)管壓力之間的定量關(guān)系可以分別判斷蓋層在埋藏和抬升階段封閉能力變化。蓋層水力破裂主要受最小水平主應(yīng)力與孔隙流體壓力的控制，應(yīng)用保持力定量評(píng)價(jià)水力破裂風(fēng)險(xiǎn)，保持力越小，風(fēng)險(xiǎn)越高。

2) 蓋層脆韌性變形階段厘定是研究蓋層頂部封閉能力的基礎(chǔ)。對(duì)于膏鹽巖蓋層，應(yīng)用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則、拜爾利摩擦定律和應(yīng)力降規(guī)律定量判斷脆韌性轉(zhuǎn)換的臨界圍壓。而泥巖脆-韌性轉(zhuǎn)化過(guò)程更為復(fù)雜，在淺埋未固結(jié)-半固結(jié)成巖階段，密度普遍小于2.1 g/cm3，主要發(fā)生韌性變形；固結(jié)成巖階段，受圍壓和溫度影響經(jīng)歷脆性、脆韌性和韌性變形；化學(xué)成巖階段泥頁(yè)巖在高圍壓條件下不經(jīng)歷韌性變形而直接發(fā)生脆性破裂；抬升過(guò)程，泥頁(yè)巖為超固結(jié)成巖階段，泥巖變脆，易于發(fā)生破裂，目前普遍認(rèn)為OCR等于2.5是蓋層破裂滲漏的臨界。

3) 影響蓋層完整性的因素主要包括5個(gè)方面。一是潤(rùn)濕性改變形成的微滲漏空間。二是斷裂的破壞，野外露頭證實(shí)斷裂在脆性蓋層中變形產(chǎn)生大量裂縫，利用斷接厚度判斷斷裂垂向封閉性；斷裂在脆-韌性蓋層中變形產(chǎn)生涂抹，利用SSF判斷斷裂垂向封閉性。三是亞地震斷層與砂體形成的滲漏空間，當(dāng)亞地震斷層條數(shù)為砂巖層數(shù)5倍時(shí)形成連續(xù)性滲漏通道。四是構(gòu)造裂縫連通形成的滲漏空間，當(dāng)FSR>1.17時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)貫穿裂縫，F(xiàn)SR越大，裂縫連通程度越大。五是水力破裂形成的間歇性滲漏空間。

4) 隨著勘探向非常規(guī)油氣藏和深層油氣藏?cái)U(kuò)展，蓋層對(duì)油氣的保存顯得更為重要，需要建立一套完善的適用于不同類型盆地、不同巖石類型蓋層的成巖演化階段和脆韌性階段劃分方法，明確不同成巖程度和脆韌性蓋層封閉能力評(píng)價(jià)參數(shù)，從而開(kāi)展蓋層封閉能力動(dòng)態(tài)演化定量評(píng)價(jià)。此外，還需要開(kāi)展油氣藏精細(xì)解剖，明確不同級(jí)別蓋層和斷裂耦合配置及控藏機(jī)理和控藏模式；合理解釋斷裂、有效預(yù)測(cè)亞地震斷層和裂縫分布，基于原地應(yīng)力場(chǎng)和破裂機(jī)理準(zhǔn)確恢復(fù)古應(yīng)力，有效預(yù)測(cè)斷裂和裂縫啟閉性，從而定量評(píng)價(jià)蓋層完整性。

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