泥巖蓋層排替壓力特征及其影響因素
——以三水盆地古近系布三段為例

唐 鑫 萍

(中國(guó)石油大港油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院)

0 引 言

蓋層以其封擋油氣的性能而在油氣運(yùn)移、聚集過(guò)程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[1-3]。近年來(lái)的研究表明，評(píng)價(jià)蓋層封閉性的主要參數(shù)為巖性、厚度、滲透率、排替壓力等，其中排替壓力被認(rèn)為是關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)樗芍苯臃从硟?chǔ)集層中的油氣驅(qū)替蓋層中的原始流體(一般是水)所需要的“門檻”壓力[4-5]。目前對(duì)于油氣藏蓋層的研究以巖石學(xué)分析、沉積相研究、測(cè)井孔滲參數(shù)計(jì)算等方法為主，針對(duì)排替壓力的研究還比較少[6-10]。

與中深層油氣藏相比，淺層油氣藏所處的地層致密程度較低，逸散風(fēng)險(xiǎn)更大，因此蓋層封閉性對(duì)于該類油氣藏勘探研究至關(guān)重要。三水盆地布三段埋深僅600～1 800 m，較淺的埋深背景，使油氣藏具有一定的逸散風(fēng)險(xiǎn)，蓋層封閉性成為油氣能否成藏、能否保存的關(guān)鍵因素，對(duì)于該區(qū)油氣勘探研究至關(guān)重要。為此，本文以三水盆地布心組泥巖蓋層為研究對(duì)象，開(kāi)展排替壓力測(cè)試，結(jié)合巖石礦物組分分析，開(kāi)展排替壓力特征及其影響因素研究。

1 地質(zhì)背景

三水盆地位于廣東省中部地區(qū)，地跨廣州市、佛山市、肇慶市，面積3 375 km2[11](圖1)。構(gòu)造位置處于華南陸塊南緣，形成于晚白堊世時(shí)期華南陸緣的伸展、破裂作用，沉積了白堊系、古近系、第四系地層。盆地在古近紀(jì)晚期至新近紀(jì)時(shí)期均處于抬升剝蝕階段，使其缺失新近系地層，亦使原古近系上部地層受到了強(qiáng)烈的剝蝕[12-13]。也正因如此，相對(duì)于同年代正常沉積的地層而言，三水盆地殘余地層的埋深較淺。盆地主要的含油層系為古近系下始新統(tǒng)布心組，其地質(zhì)年代相當(dāng)于渤海灣盆地孔店組、蘇北盆地阜寧組；整個(gè)布心組地層埋深介于600～2 000 m之間，與孔店組、阜寧組通常大于3 000 m的埋深相比明顯較淺[14-15]。

圖1 三水盆地地理位置示意

布心組賦存了盆地內(nèi)最主要的一套生儲(chǔ)蓋組合：布二段為暗色泥巖烴源巖集中發(fā)育段，是盆地已發(fā)現(xiàn)的一套最主要的烴源巖；布三段下部發(fā)育的以三角洲為優(yōu)勢(shì)相的砂體是盆地已發(fā)現(xiàn)的最主要的油氣儲(chǔ)集層；布三段中上部的泥質(zhì)巖地層則是下伏砂體的一層類似于“被子”的區(qū)域蓋層(圖2)[16-17]。前人對(duì)布三段中上部的泥質(zhì)巖分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，表明其具有70～100 m的厚度，最大泥巖連續(xù)厚度為30～50 m，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[18-19]。本文在前人蓋層“定性”研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展定量的排替壓力研究。

圖2 三水盆地古近系生儲(chǔ)蓋組合綜合柱狀圖

2 研究方法

從三水盆地4口井的布三段中上部泥質(zhì)巖中采集12個(gè)巖心樣品，考慮到布三段地層埋深在三水盆地內(nèi)部跨度較大，采集了不同埋深的樣品。將所有樣品分作2份，一份用于排替壓力測(cè)試，另一份用于X射線衍射、掃描電鏡等巖石礦物分析。排替壓力測(cè)試過(guò)程參見(jiàn)SY/T 5748-2013《巖石氣體突破壓力測(cè)定方法》[20]，對(duì)飽和煤油后的樣品進(jìn)行氣體突破壓力測(cè)定，得到氣體排驅(qū)巖石樣品孔隙中煤油的排替壓力。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 排替壓力特征

實(shí)驗(yàn)原始測(cè)試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)行排替壓力值轉(zhuǎn)化。前人大量實(shí)驗(yàn)表明，常溫泥巖飽和水后的排替壓力是飽和煤油后的2.6倍[21-22]，而且，泥巖在地下溫度與室溫有所差距，需要進(jìn)行溫度校正，采取的地溫校正公式如下[23]：

Pd=Pw(To+32.5)/(To+GH/100+32.5)

式中:Pd為溫度校正后最終的泥巖排替壓力，MPa；Pw為室溫下泥巖飽和水樣品的排替壓力，MPa；To為室溫，℃(本次實(shí)驗(yàn)為25℃)；H為埋深，m；G為地溫梯度，三水盆地0～500 m地溫梯度2.8℃/hm、500～1 200 m地溫梯度2.4℃/hm、1 200～2 500 m地溫梯度3.9℃/hm，取平均地溫梯度3.2℃/hm。

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)及計(jì)算方法，求得試驗(yàn)樣品的排替壓力(表1)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)得飽和煤油泥巖樣品的排替壓力值3.58～12.71 MPa，平均值7.98 MPa；經(jīng)飽和水換算及地溫校正后的排替壓力值6.67～16.36 MPa，平均值11.83 MPa?？紤]到地溫校正后的排替壓力是地下條件下最具有封閉性能的表征，下文的排替壓力統(tǒng)一指地溫校正后的排替壓力。

表1 三水盆地布三段泥質(zhì)巖排替壓力值及巖石礦物成分

巖石薄片分析表明，泥質(zhì)巖由泥質(zhì)(黏土礦物)、粉砂質(zhì)(石英、長(zhǎng)石、巖屑)、灰質(zhì)(方解石)、白云質(zhì)(白云石)幾類礦物組成。泥質(zhì)(黏土礦物)含量56%～95%，巖性定名為泥巖、灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖的樣品各占4個(gè)。

與石油相比，天然氣分子(CH4)更小、活動(dòng)性更強(qiáng)，對(duì)蓋層封閉性能要求更高。一般情況下，同等埋深的蓋層如果能封擋氣藏，一般也能封擋油藏，所以蓋層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更多地是針對(duì)氣藏進(jìn)行制定[23-24]。胡國(guó)藝等[25]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)蓋層排替壓力值總體在6～12 MPa之間，大中型氣田蓋層的排替壓力較高，大體分布在10～30 MPa之間，據(jù)此總結(jié)了蓋層評(píng)價(jià)指標(biāo)：當(dāng)蓋層排替壓力大于10 MPa時(shí)，封閉性能最好，為Ⅰ類；排替壓力在5～10 MPa之間時(shí)，封閉性能中等，為Ⅱ類；排替壓力在1～5 MPa之間時(shí)，封閉性能一般，為Ⅲ類。

對(duì)照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，三水盆地布三段12個(gè)泥質(zhì)巖樣品中5個(gè)樣品排替壓力在5～10 MPa之間，為Ⅱ類蓋層；7個(gè)樣品排替壓力值大于10 MPa，可劃為Ⅰ類-Ⅱ類蓋層，與上述蓋層數(shù)值相比，排替壓力值較高。另外，石油地質(zhì)行業(yè)一般將埋深小于1 500 m的油氣藏定義為淺層油氣藏[26]，三水盆地布三段埋深介于600～1 800 m之間，總體埋藏較淺，因此該段泥巖總體具有“較淺埋深、較高排替壓力”的特點(diǎn)。

3.2 排替壓力影響因素

排替壓力測(cè)試僅能針對(duì)有限的巖心樣品進(jìn)行，為開(kāi)展區(qū)域范圍內(nèi)的蓋層分析，需要建立起排替壓力測(cè)試值與區(qū)域內(nèi)普遍具有的錄井、測(cè)井、地震資料的響應(yīng)關(guān)系[27-28]，而這些響應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)，是排替壓力的影響因素。本文從埋深、黏土礦物含量(泥質(zhì)含量)、黏土礦物類型3方面對(duì)蓋層排替壓力影響因素開(kāi)展研究。

3.2.1 埋深

布三段埋深為600～1 800 m之間的泥巖蓋層排替壓力隨埋深有一定的增加趨勢(shì)，但相關(guān)性不大，其r2=0.328 4，表現(xiàn)為較弱的相關(guān)性(圖3)。從巖石演化角度來(lái)看，最初的泥質(zhì)松散沉積物在沉積埋藏之后，逐漸趨于致密，埋藏到一定深度，才具有封閉性能。據(jù)前人研究，一般泥巖埋深至 1 000 m左右，總孔隙度由 70%降低到30%，排替壓力升至1 MPa；埋藏到2 000 m左右時(shí)，泥巖的孔隙度基本小于10%，排替壓力升至約5 MPa；當(dāng)埋深從2 000 m增加到5 000 m時(shí)，物性降低變緩，泥巖的孔隙度基本達(dá)到極限，孔隙度減小量在5%以內(nèi)，這一階段排替壓力變化有限，泥巖封閉能力僅能得到有限的增強(qiáng)[29]，而且，隨著埋深增大、泥巖脆性增強(qiáng)，極易受到后期構(gòu)造應(yīng)力作用產(chǎn)生裂縫，使其封閉能力變差。因此，泥巖封閉能力與埋深的關(guān)系具有雙重性，需視具體情況而定。

圖3 三水盆地布三段泥巖排替壓力與埋深關(guān)系

結(jié)合盆地埋藏演化資料可知，盆地在古近紀(jì)晚期至新近紀(jì)均處于抬升剝蝕階段，使其缺失新近系地層，亦使原古近系上部地層受到強(qiáng)烈的剝蝕。前人經(jīng)過(guò)大量研究，計(jì)算三水盆地剝蝕厚度為1 000～1 800 m，平均1 200 m[16-17]。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)，雖現(xiàn)今埋深600～1 800 m，但其古埋深1 800～3 000 m，該埋深區(qū)間內(nèi)巖石已較致密，排替壓力受深度影響已不如淺層顯著。

3.2.2 黏土礦物含量

在排替壓力測(cè)試基礎(chǔ)上，結(jié)合巖礦分析，發(fā)現(xiàn)布三段泥巖蓋層排替壓力與黏土礦物含量成正比，且相關(guān)性好，其r2=0.857 7(圖4)。黏土礦物含量對(duì)于排替壓力的貢獻(xiàn)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面黏土礦物顆粒較細(xì)、可塑性強(qiáng)、吸水易膨脹，這些都有利于提高巖石的致密程度和排替壓力[30]；另一方面，三水盆地布三段泥質(zhì)巖組分除黏土礦物外，基本為粉砂質(zhì)、灰質(zhì)、云質(zhì)，這些均是脆性礦物，相比黏土礦物，受到構(gòu)造應(yīng)力時(shí)更易形成裂縫，故黏土礦物含量的增加，意味著脆性礦物產(chǎn)生裂縫的幾率降低。

圖4 三水盆地布三段泥巖排替壓力與泥質(zhì)含量關(guān)系

3.2.3 黏土礦物類型

考慮到布三段泥巖蓋層排替壓力與黏土礦物含量具有良好的正比關(guān)系，本文開(kāi)展了黏土礦物成分研究，以剖析不同成分的黏土礦物類型對(duì)蓋層排替壓力的影響。實(shí)驗(yàn)分析表明，三水盆地黏土礦物主要有伊利石、高嶺石、I/S混層(伊蒙混層)、綠泥石。掃描電鏡下，伊利石礦物集合體呈片絲狀、高嶺石礦物集合體呈書(shū)頁(yè)狀、伊蒙混層礦物集合體呈蜂窩狀(圖5)。

X射線衍射分析結(jié)果表明(表2)：在601.7～1 889.4 m深度范圍內(nèi)伊利石含量63.5%～81.1%，平均相對(duì)含量71.3%，總體隨埋深增大而增多；高嶺石含量3.4%～21.8%，平均11.5%，總體隨埋深增大而減少；I/S混層6.2%～16.2%，平均11.3%，總體隨埋深增大而增多；綠泥石含量較少，介于1.9%～9.3%之間，平均5.8%，總體隨埋深增大而減少；I/S混層的S含量在14.8%～22.5%之間，平均17.56%。黏土礦物呈現(xiàn)中成巖階段早期的特征。

綜上可知，巖石樣品經(jīng)歷了1 800～3 000 m古埋深，依據(jù)平均地溫梯度3.2℃/hm計(jì)算，巖石樣品經(jīng)歷了57.6～96℃的古溫度，與中成巖階段早期特征吻合。

3.3 討論

近年來(lái)的研究表明，不同黏土礦物具有不同的潤(rùn)濕性和膨脹性，蒙脫石>伊/蒙混層>高嶺石>伊利石>綠泥石[31]。黏土礦物的成分和含量不同，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或伊利石為主時(shí)，泥巖蓋層的滲透率較低，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的含量較高時(shí)，蓋層的滲透率明顯增大，排替壓力降低，封閉能力明顯降低。布三段泥巖蓋層排替壓力與伊利石含量成正比，且r2=0.549 3，二者相關(guān)性較好。排替壓力與綠泥石含量成反比，且r2=0.649 9，二者相關(guān)性亦較好(圖6)。

圖5 三水盆地布三段泥巖掃描電鏡成像圖

布三段泥質(zhì)巖黏土礦物以伊利石、高嶺石、伊/蒙混層礦物為主，就平均值而言，三者之和達(dá)到了94.2%，而綠泥石僅占黏土礦物總量的5.8%(表2)。研究區(qū)伊利石、高嶺石、伊/蒙混層礦物組成的礦物組合具有很強(qiáng)的潤(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)。

排替壓力影響因素綜合分析表明，曾經(jīng)歷較深的埋藏、黏土礦物含量較高、黏土礦物組合類型較好，這3個(gè)因素是三水盆地布三段泥巖雖然埋藏較淺但具有較高排替壓力的原因。

該區(qū)有利蓋層分布應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮黏土礦物含量、礦物組合吸水膨脹性2個(gè)因素。

該研究突破了以往“埋藏越深、排替壓力越大”的籠統(tǒng)認(rèn)識(shí)，可為該區(qū)有利蓋層條件預(yù)測(cè)和其他地區(qū)泥巖蓋層研究提供參考。

表2 三水盆地布三段泥巖中黏土礦物的X射線衍射分析數(shù)據(jù)

圖6 三水盆地布三段泥巖排替壓力與伊利石含量和綠泥石含量關(guān)系

4 結(jié) 論

本文針對(duì)三水盆地布三段泥質(zhì)巖開(kāi)展的排替壓力實(shí)驗(yàn)分析及其影響因素研究，取得了以下結(jié)果。

(1)布三段泥巖埋深600～1 800 m，排替壓力介于6.67～16.36 MPa之間，平均值11.83 MPa，呈現(xiàn)Ⅰ-Ⅱ類蓋層特征，總體具有“較淺埋深、較高排替壓力”的特點(diǎn)。

(2)布三段泥巖蓋層排替壓力隨埋深有一定的增加趨勢(shì)，但相關(guān)性較弱，結(jié)合前人盆地演化研究分析表明，布三段泥巖具有“現(xiàn)今淺埋、曾經(jīng)深埋”的特點(diǎn)，推測(cè)樣品古埋深1 800～3 000 m，由于該埋深區(qū)間內(nèi)巖石較致密，排替壓力受深度影響已不甚顯著。

(3)泥巖蓋層排替壓力與黏土礦物含量成正比，且相關(guān)性好；布三段泥巖黏土礦物以伊利石為主、其次為高嶺石與伊蒙混層，該黏土礦物組合類型吸水膨脹性較好，有利于提高泥巖蓋層排替壓力。

(4)排替壓力影響因素綜合分析表明，曾經(jīng)歷較深的埋藏、黏土礦物含量較高、黏土礦物組合類型較好，這3個(gè)因素是三水盆地布三段泥巖雖然埋藏較淺但具有較高排替壓力的原因。該區(qū)有利蓋層分布應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮黏土礦物含量、礦物組合吸水膨脹性2個(gè)因素。