碳酸鹽巖蓋層突破壓力的影響因素分析

張 璐，國(guó)建英，林 潼，謝增業(yè)，楊春龍,2，董才源,2，郭澤清,2，郝愛勝

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司 天然氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065007)

蓋層的封閉性能是油氣能否成藏并保存的重要條件之一，除了傳統(tǒng)的膏鹽巖和泥頁(yè)巖外，大量研究證明碳酸鹽巖在一定條件下也可以作為油氣的封蓋層[1]。早在1974年，前蘇聯(lián)的迪曼彼喬拉地區(qū)就發(fā)現(xiàn)了以石炭系、二疊系的大套灰?guī)r作為蓋層的油氣藏[2]。相比較泥頁(yè)巖，碳酸鹽巖蓋層封閉能力較易受到地球化學(xué)反應(yīng)的影響，但毛細(xì)管封閉仍是其封閉的基礎(chǔ)，也是最普遍的機(jī)理。20世紀(jì)70年代，國(guó)外學(xué)者BERG和 SCHOWALTER提出蓋層的毛細(xì)管封閉阻擋了下伏油氣向上運(yùn)移，蓋層與儲(chǔ)集層之間的物性差異引起毛細(xì)管壓力的差異而造成蓋層對(duì)油氣的封閉作用[3-4]。一直以來，突破壓力作為衡量毛管封閉能力大小的尺度，在蓋層綜合評(píng)價(jià)中一直是研究和應(yīng)用的重點(diǎn)[5]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過不同方式測(cè)定了巖石樣品的突破壓力[6-13]，但前人以碳酸鹽巖為樣品的突破壓力測(cè)試研究較少，難以指導(dǎo)碳酸鹽巖作為油氣封蓋層的評(píng)價(jià)研究，同時(shí)勘探的深入需要進(jìn)一步分析深層—超深層環(huán)境下碳酸鹽巖蓋層是否具有封閉能力。本文通過對(duì)塔里木盆地多種巖性的碳酸鹽巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在分析巖性差異的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的溫度條件，探討碳酸鹽巖突破壓力的影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)挑選了塔里木盆地寒武系—奧陶系共77塊不同巖性的碳酸鹽巖樣品，部分樣品特征見表1。樣品孔隙度分布在0.02%～19.31%，滲透率分布在(0.000 8～0.684 0)×10-3μm2。從顯微特征可見(圖1)，所選樣品大部分較致密，晶粒間發(fā)育溶孔，部分顆粒結(jié)晶表面有溶蝕現(xiàn)象，致密云巖白云石晶粒結(jié)晶粗大，自形程度好，接觸緊密。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試前將樣品切割為直徑2.5 cm左右的標(biāo)準(zhǔn)柱塞樣并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前處理。測(cè)試方法按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石氣體突破壓力測(cè)定方法：SY/T 5748—2013》中的要求進(jìn)行，圍壓設(shè)置為40 MPa。

2 影響因素分析

突破壓力的大小取決于巖石自身的巖性差異、礦物組成、顆粒結(jié)構(gòu)、孔隙發(fā)育特征以及裂縫的充填狀態(tài)等[14-19]。然而，巖石在地層條件下的賦存條件也與突破壓力值有密切關(guān)系，因此，分析相同樣品在不同實(shí)驗(yàn)條件下的變化對(duì)說明埋藏條件下巖石的封閉性能有重要作用。

2.1 巖石特征

2.1.1 巖性特征

塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖樣品突破壓力分析顯示(圖2)，膏質(zhì)云巖、泥質(zhì)云巖、泥晶灰?guī)r和泥晶云巖的平均突破壓力均大于5 MPa，是塔里木盆地的主要碳酸鹽巖蓋層；其他巖類如顆粒灰?guī)r、顆粒白云巖等雖有個(gè)別樣品突破壓力較高，但絕大多數(shù)都小于5 MPa，總體屬于非蓋層。

表1 塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖部分蓋層樣品基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of Cambrian-Ordovician carbonate samples in Tarim Basin

圖1 塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖部分實(shí)驗(yàn)樣品掃描電鏡下的顯微特征Fig.1 Micro-scale characteristics of Cambrian-Ordovician carbonate samples in Tarim Basin under scanning electron microscope (SEM)

圖2 塔里木盆地不同巖性碳酸鹽巖平均突破壓力Fig.2 Average breakthrough pressure of carbonate rocks in Tarim Basin with different lithologies

2.1.2 巖石物性

物性直接反映了蓋層巖石的致密程度。從分析數(shù)據(jù)看(圖3)，巖石的孔隙度、滲透率與突破壓力均為負(fù)相關(guān)的關(guān)系，巖石的孔滲越大，氣體越容易通過巖石進(jìn)行逸散。與孔隙度相比，滲透率與突破壓力的關(guān)系更為明顯。

2.1.3 微裂縫發(fā)育情況

微觀上巖石結(jié)構(gòu)對(duì)封閉能力有一定影響，裂縫是影響突破壓力值的關(guān)鍵。膏質(zhì)云巖中僅見少量溶蝕縫，且溶蝕縫被硬石膏完全填充[20]，因此具有較高的封閉能力。泥晶云巖基質(zhì)孔隙不發(fā)育，在微裂縫不發(fā)育時(shí)可以作為較好的封蓋層。圖4為一組不同裂縫發(fā)育情況的泥晶灰?guī)r，當(dāng)裂縫較多且被部分充填時(shí)，突破壓力最小，為2.89 MPa；當(dāng)壓溶縫和構(gòu)造裂縫分別被泥質(zhì)和亮晶方解石充填時(shí)，突破壓力為7.84 MPa；當(dāng)巖石不發(fā)育構(gòu)造裂縫時(shí)，突破壓力最高，為14 MPa。

2.2 實(shí)驗(yàn)溫度

根據(jù)排替壓力公式，理論上排替壓力的大小除受到最大連通孔喉半徑影響外，還受到氣水界面張力以及不同相態(tài)接觸角的影響。

(1)

式中:Pc為排替壓力，Pa；σ為烴水界面張力，N/m；θ為接觸角，(°)；r為最大孔隙半徑，μm；

根據(jù)SCHOWALTER[4]和趙國(guó)英等[21]有關(guān)界面張力的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)油水界面張力與氣水界面張力有一定的差異性，但在相同壓力條件下，不論油—水、氣—水的界面張力值與溫度都具有線性關(guān)系(圖5)，隨著溫度的升高，巖石內(nèi)部孔隙中流體的界面張力隨之減小。

圖3 塔里木盆地碳酸鹽巖孔隙度、滲透率與突破壓力的關(guān)系Fig.3 Correlation between porosity, permeability and breakthrough pressure of carbonate rocks in Tarim Basin

圖4 塔里木盆地寒武系—奧陶系泥晶灰?guī)r裂縫特征Fig.4 Fracture characteristics of Cambrian-Ordovician micrite limestones in Tarim Basin

可見，溫度會(huì)對(duì)巖石的突破壓力造成一定影響，然而突破壓力與溫度的關(guān)系是否適用于所有巖性，前人在此方面研究較少。為了系統(tǒng)分析碳酸鹽巖突破壓力與溫度的關(guān)系，本次研究分別選取了塔中地區(qū)含泥膏質(zhì)云巖、粉細(xì)晶含灰云巖、膏質(zhì)云巖、泥晶顆?；?guī)r、泥晶生屑灰?guī)r、亮晶藻砂屑灰?guī)r、亮晶砂屑灰?guī)r這7種碳酸鹽巖樣品，分別測(cè)試在30，50，70，90，110 ℃條件下的突破壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出，亮晶砂屑灰?guī)r突破壓力受溫度的影響最小。膏質(zhì)云巖、粉細(xì)晶含灰云巖以及泥晶顆?；?guī)r突破壓力與溫度之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即隨著溫度的升高，樣品的突破壓力略有下降。含泥膏質(zhì)云巖與泥晶生屑灰?guī)r突破壓力隨著溫度的升高明顯增大。

圖5 20 MPa下溫度對(duì)界面張力的影響 數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[21] 。Fig.5 Effect of temperature on interfacial tension at the pressure of 20 MPa

可見大部分碳酸鹽巖突破壓力隨溫度的增加有降低趨勢(shì)。筆者認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象主要有以下兩個(gè)原因：(1)由于溫度增加導(dǎo)致氣水界面張力降低，從而使巖石突破壓力測(cè)定結(jié)果變小。(2)從分子熱運(yùn)動(dòng)角度分析，溫度改變主要影響氣體熱運(yùn)動(dòng)的均方根速度以及平均自由行程。在其他條件相對(duì)不變的條件下，溫度增加，氣體分子的運(yùn)動(dòng)速率增大，活性增強(qiáng)，均方根速度也隨之顯著增大，平均自由行程隨之緩慢增加，在各種因素的綜合影響下，表現(xiàn)為氣體突破樣品的速度加快。

少數(shù)樣品趨勢(shì)相反，經(jīng)礦物組成鑒定發(fā)現(xiàn)這兩塊樣品的泥質(zhì)含量較高(表2)。為確定是泥質(zhì)含量的影響，進(jìn)行了其他巖性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)(圖7)[22]。圖7中的紅線為泥巖，可見確實(shí)有隨溫度升高泥巖樣品突破壓力增加的趨勢(shì)，而砂巖有降低的趨勢(shì)。據(jù)分析[23]，泥巖在小于200 ℃時(shí)，溫度升高產(chǎn)生的熱蒸發(fā)作用與熱膨脹作用，均可使內(nèi)部微裂縫開度減小甚至閉合，微孔隙收縮，從而提高泥巖的密實(shí)程度。

在地層環(huán)境下，埋深的增加會(huì)導(dǎo)致地溫增大，除少部分含泥碳酸鹽巖外，大部分碳酸鹽巖突破壓力會(huì)減小。因此，埋深增加是碳酸鹽巖蓋層保存的不利條件，在深層—超深層地區(qū)的碳酸鹽巖蓋層應(yīng)考慮其泥質(zhì)含量。

2.3 樣品長(zhǎng)度

前人從不同角度闡述了蓋層厚度對(duì)蓋層封閉能力的影響，研究認(rèn)為巖石的突破壓力與巖樣長(zhǎng)度之間存在線性相關(guān)性[24-27]，考慮到邊界層阻力對(duì)蓋層封閉能力的影響，蓋層的厚度越大，原油通過蓋層所需的啟動(dòng)壓力也越大[25]。俞凌杰等[27]實(shí)驗(yàn)得出了不同結(jié)論，認(rèn)為突破壓力僅與巖石自身特性有關(guān)，而與長(zhǎng)度關(guān)系不大。

圖6 塔里木盆地不同碳酸鹽巖類突破壓力隨溫度變化關(guān)系Fig.6 Correlation between breakthrough pressure and temperature for different carbonate rocks in Tarim Basin

表2 塔里木盆地不同碳酸鹽巖樣品礦物組成Table 2 Mineral compositions of different types of carbonate rocks in Tarim Basin

圖7 不同巖性突破壓力隨溫度變化關(guān)系 泥巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[22]。Fig.7 Correlation between breakthrough pressure and temperature for different lithologies

根據(jù)突破壓力的計(jì)算公式(公式1)，理論上巖石的突破壓力值與樣品的厚度無關(guān)，僅與自身所具有的喉道半徑值有關(guān)。在前人研究的基礎(chǔ)上，為了更準(zhǔn)確地了解蓋層厚度與蓋層封閉能力的關(guān)系以及巖性對(duì)蓋層封閉能力的影響，本次設(shè)計(jì)不同樣品長(zhǎng)度的恒壓實(shí)驗(yàn)，即以較小的壓力注入，保持注入壓力不變，觀察是否被突破。分析長(zhǎng)中短不同長(zhǎng)度樣品在恒壓條件下的突破時(shí)間，共完成了3種巖性的分析測(cè)試。

用增壓法測(cè)定時(shí)，非均質(zhì)性對(duì)樣品的突破壓力影響很大，突破壓力值與長(zhǎng)度的關(guān)系較為混亂，呈波浪形變化[28]。然而，以恒定較小的壓力去進(jìn)行氣體注入時(shí)，樣品的突破時(shí)間隨著長(zhǎng)度增加有增大的趨勢(shì)(圖8)。

實(shí)驗(yàn)證明，不同長(zhǎng)度的樣品都可以在一個(gè)較小的注入壓力下被氣體突破，只是突破時(shí)間不同，但增壓法由于實(shí)驗(yàn)方法的限制，長(zhǎng)樣品在還未突破的時(shí)候就升壓至下一壓力梯度，導(dǎo)致長(zhǎng)樣品的突破壓力值較高，因此有部分學(xué)者得出突破壓力會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而增加的結(jié)論。

圖8 塔里木盆地不同碳酸鹽巖樣品 恒壓條件下樣品的長(zhǎng)度與突破時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Correlation between length and breakthrough time of different carbonate rocks in Tarim Basin under constant pressure

實(shí)驗(yàn)樣品的長(zhǎng)度無法模擬地層中蓋層的厚度。在非均質(zhì)性地層中，大小喉道層段相互疊置，地層總體突破壓力受小喉道層段控制，因此蓋層厚度越大，大喉道的連通幾率越小，特別是對(duì)于微小裂縫在縱向上的連通蓋層幾率越小，封閉性能就越好。同時(shí)蓋層厚度越大，沉積環(huán)境越穩(wěn)定，越容易出現(xiàn)欠壓實(shí)造成的超壓封閉現(xiàn)象[29]。因此，蓋層的厚度影響著油氣的保存條件，蓋層厚度越大，其封閉能力就越強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)影響碳酸鹽巖突破壓力的巖石特征主要為巖性、物性及裂縫發(fā)育情況。滲透率低、裂縫發(fā)育少的膏質(zhì)及泥質(zhì)云巖、泥晶灰?guī)r(云巖)是優(yōu)質(zhì)的蓋層。

(2)碳酸鹽巖樣品突破壓力在實(shí)驗(yàn)中主要受到溫度的影響，大部分樣品隨溫度的升高而減小，樣品長(zhǎng)度對(duì)結(jié)果影響不明顯。因此，在根據(jù)蓋層突破壓力評(píng)價(jià)封閉性能的時(shí)候，要考慮地溫的影響。

(3)泥質(zhì)含量是碳酸鹽巖蓋層封閉能力的重要影響因素，因此泥質(zhì)含量應(yīng)為預(yù)測(cè)碳酸鹽巖蓋層突破壓力的主要參數(shù)。