影響泥巖蓋層封閉能力主控因素的物理模擬

汪 虓

（大慶油田有限責任公司 測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163314）

影響泥巖蓋層封閉能力主控因素的物理模擬

汪 虓

（大慶油田有限責任公司 測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163314）

為定量研究影響泥巖蓋層封閉能力的主控因素，采取物理模擬實驗方法，利用不同壓實成巖埋深和泥質質量分數的人造泥巖蓋層樣品，對其排替壓力進行測試.結果表明：泥巖蓋層排替壓力與其泥質質量分數和壓實成巖埋深之間具有正比關系，即泥質質量分數越大，壓實成巖埋深越大，泥質蓋層排替壓力越大，封閉能力越強；反之，封閉能力越弱.該關系在大港油田沙一段中部蓋層排替壓力預測中的成功應用，證明其對預測泥巖蓋層封閉能力分布具有指導意義.

泥巖蓋層；排替壓力；封閉能力；泥質質量分數；壓實成巖埋深

0 引言

隨著油氣勘探的深入，對蓋層封閉能力的研究，除井點處蓋層封閉能力外，還要研究其平面上封閉能力的變化特征.為準確預測蓋層封閉能力的平面變化規律，除需要鉆井和地震資料方法及技術外，確定蓋層封閉能力的影響因素及其函數關系十分重要.前人對蓋層封閉能力的影響因素做過研究和探討[1-5]，如付廣[1]、魯雪松[2]、張林曄[3]等分析影響巖石實測排替壓力因素，即實驗方法、實驗時間、巖樣長度、石油的環境條件和巖樣特征.首先，這些研究所考慮的影響因素雖然很多，但缺少主控因素的確定，一些影響因素之間具有相關關系，它們對蓋層封閉能力具有某些相同的作用.其次，這些研究主要是定性的，缺少定量研究，給蓋層封閉能力平面分布預測帶來困難.目前，預測蓋層封閉能力平面分布的主要方式是通過實測巖石樣品排替壓力與地震、測井和巖石單一物性參數之間的關系，建立預測公式，如呂延防等[4]分析長垣以東地區各巖性蓋層的排替壓力隨深度的變化規律，采用實測數據統計法建立長垣以東地區蓋層排替壓力與聲波時差的關系；付廣等[5]根據地震速度與聲波速度具有相同的屬性，利用泥巖排替壓力與聲波速度之間的函數關系，通過地震速度預測排替壓力等.這些方法誤差相對較大，且不同地區之間存在的差異性也較大.因此，開展影響泥巖蓋層封閉能力主控因素的物理模擬實驗，對于準確預測泥巖蓋層封閉能力的平面變化具有指導意義.

1 主控因素

泥巖蓋層封閉能力強弱主要受其純度和壓實成巖程度的制約，其純度越高，泥巖蓋層孔隙越小，排替壓力越高，封閉能力越強；壓實成巖程度越高，泥巖蓋層越致密，孔滲性越差，排替壓力越高，封閉能力越強[2，3，6-11].蓋層純度用泥質質量分數表示，泥質質量分數越大，表明泥巖蓋層純度越高；反之，越低.蓋層壓實成巖程度用壓實成巖埋深表示，壓實成巖埋藏深度越大，表明泥巖蓋層壓實成巖程度越高；反之，越低.因此，壓實成巖埋深和泥質質量分數是影響泥巖蓋層封閉能力的主控因素.

2 樣品制作

模擬實驗的材料主要為粉砂、黏土和水，其中粉砂為370目的石英砂，黏土為實際泥巖巖心粉碎和過篩后得到的，水為礦泉水.

將黏土和粉砂按設計比例（質量比）要求100∶0、80∶20、60∶40、40∶60、20∶80、0∶100分別進行混合，倒入適當的攪拌容器中，設置攪拌速度，啟動攪拌機器，將不同比例黏土和粉砂混合攪拌后，用霧化器對其進行濕潤，待達到一定濕度后停止攪拌；然后將黏土和粉砂混合物填入成巖模具中，加上壓力棒，用手動壓力泵按設計要求加壓（0，5，10，15 MPa），以模擬其壓實成巖埋深，對每個壓力保持4 h不變，壓力模擬裝置見圖1.

最后取出經壓實得到的直徑為2.5 cm的20塊巖心柱，放入恒溫箱中，控制加熱溫度40℃，直至將巖心烘干為止，得到20塊進行模擬實驗所需要人造不同壓實成巖程度和泥質質量分數的泥巖蓋層樣品.

圖1 人造泥巖蓋層樣品壓實成巖埋深壓力模擬裝置

3 排替壓力的測試及求取

將制作成的不同壓實成巖程度和泥質質量分數的泥巖蓋層樣品進行抽真空，再進行飽和煤油處理；數天后取出，利用實驗設備（見圖2）對其進行排替壓力測試，對每塊樣品加一定壓力的高壓空氣；再對其進行2次排驅實驗，獲得2個實測的突破壓力和突破時間，結果見表1.

圖2 泥巖蓋層排替壓力測試實驗裝置

表1 人造泥巖蓋層樣品排替壓力實測數據

續表1

根據表1實驗結果，利用由伯肖定律推導泥巖蓋層樣品排替壓力計算公式[12]，由2次突破壓力和突破時間，計算得到每塊樣品的實測排替壓力（見表1）：式中：pd為泥巖蓋層排替壓力；p1，p2分別為第1次和第2次實驗所獲得的泥巖蓋層的突破壓力；t1，t2分別為第1次和第2次實驗高壓空氣穿過泥巖蓋層的突破時間.

4 實驗結果分析

由表1可以看出，20塊人造泥巖蓋層樣品實測最大排替壓力為2.11 MPa，最小為0.06 MPa，兩者相差30余倍.將表1中20塊人造泥巖蓋層樣品實測排替壓力與其壓實成巖埋深（地層壓力）和泥質質量分數之間關系做圖3（地層壓力為成巖埋深和水密度的乘積，水密度取1）.

由圖3可以看出，在相同的壓實成巖埋深（地層壓力）的條件下，泥巖蓋層排替壓力隨著泥質質量分數增大而逐漸增大；反之，逐漸減小.在相同泥質質量分數條件下，泥巖蓋層排替壓力隨著壓實成巖埋深增大而逐漸增大；反之，逐漸減小.

5 現場應用

以大港油田沙一段中部泥巖蓋層為例，利用泥巖蓋層排替壓力與壓實成巖埋深及泥質質量分數之間的定量函數關系，研究其封閉能力的平面變化特征.大港油田位于渤海灣盆地黃驊凹陷中部，構造上包括歧口、板橋凹陷，板橋、南大港、塘沽新港潛山和沈青莊構造帶，白東海2、歧東海Ⅰ、趙家堡海4斷裂構造帶，三木潛山和楊二莊裙邊構造帶的部分地區[13].

該油田從下至上發育有古生界、中生界和新生界古近系孔店組、沙河街組和東營組，新近系館陶組和明化鎮組及第四系地層，沙一段中部發育的泥巖蓋層是大港油田油氣主要區域性蓋層，幾乎全區發育，最大單層厚度為248.5 m，最小單層厚度為2.8 m，累計最大厚度達到500 m以上，主要分布在板橋凹陷和板橋斷裂構造帶之間，向其四周沙一段中部泥巖蓋層厚度逐漸減小，在油田南部邊界厚度減小，在100 m以下.其封閉能力的平面變化特征影響大港油田油氣在平面分布數量的變化.

為研究沙一段中部泥巖蓋層封閉能力的平面變化，選取大港油田不同層位的33塊泥巖蓋層樣品進行排替壓力實測，結果見表2.由表2可以看出，沙一段中部泥巖蓋層樣品僅有6塊，難以反映其封閉能力的變化特征.通過計算33塊泥巖蓋層樣品的泥質質量分數（見表2），根據模擬實驗得到泥巖蓋層排替壓力與其壓實成巖埋深和泥質質量分數之間的關系（見圖3），可以得到大港油田泥巖蓋層排替壓力與其壓實成巖埋深和泥質質量分數之間的關系，見圖4和式（2）.式中：Z為泥巖蓋層壓實成巖埋深；R為泥巖蓋層泥質質量分數.

表2 大港油田泥巖蓋層排替壓力實測數據

圖3 不同泥質質量分數下人造泥巖蓋層樣品排替壓力與其壓實成巖埋深（壓力）之間關系

圖4 大港油田泥巖蓋層排替壓力與其泥質質量分數和壓實成巖埋深乘積之間關系

由式（2），按照4 km×4 km網格，選取大港油田沙一段中部泥巖蓋層壓實成巖埋深，利用自然伽馬曲線計算泥質質量分數，可以得到大量的沙一段中部泥巖蓋層排替壓力數據點，將其做圖得到排替壓力平面分布（見圖5）.由圖5可以看出，由于受東西向洼隆相間構造形態的影響，沙一段中部泥巖蓋層的排替壓力由南向北呈現為升高—降低—升高—降低—升高的波動趨勢.主要存在4個泥巖蓋層排替壓力大于7.5 MPa的高值分布區，均呈北東—南西走向的長條狀分布，分別位于板橋凹陷北部、歧口主凹東北部、南大港潛山構造帶西部及其東部[14-15].其中板橋凹陷北部泥巖蓋層排替壓力最大為15 MPa；歧口主凹東北部的泥巖蓋層排替壓力高值分布區面積最大.2個高值分布區中間夾持區域一般泥巖蓋層排替壓力相對較低，如板橋斷裂構造帶和北大港潛山構造帶處，平均泥巖蓋層排替壓力為4.5 MPa左右.主體部位泥巖蓋層排替壓力凹陷中心部位向邊緣逐漸減小，在滄縣隆起部位其排替壓力減小為0 MPa.

根據歧口地區排替壓力預測公式，計算該區30個氣藏蓋層的排替壓力，建立排替壓力與氣藏日產氣量之間關系（見圖6），兩者之間具有正相關關系，即隨著蓋層封閉能力增強，氣藏日產氣量逐漸增大；反之，逐漸減小.由此證明，泥巖蓋層對油氣的富集程度起著重要的控制作用，并且利用排替壓力預測公式計算的氣藏封閉能力符合地質規律，具有很強的適用性.

圖5 大港油田沙一段中部泥巖蓋層排替壓力平面分布

圖6 歧口凹陷氣藏蓋層排替壓力與日產氣量關系

6 結論

（1）實測人造泥巖蓋層樣品排替壓力與其泥質質量分數和壓實成巖埋深之間具正相關關系，即泥質質量分數越大，壓實成巖埋深越大，泥巖蓋層排替壓力越大；反之，越小.

（2）將泥巖蓋層排替壓力與其壓實成巖埋深和泥質質量分數之間關系，在大港油田沙一段中部泥巖蓋層平面排替壓力預測中進行應用，歧口地區30個氣藏蓋層排替壓力與其日產氣量之間的關系表明，泥巖蓋層對于油氣的富集程度起著重要的控制作用，且利用排替壓力預測公式計算出的氣藏封閉能力符合地質規律.

[1]付廣，呂延防，付曉飛.泥巖蓋層濃度封閉演化特征——以松遼盆地下白堊統泥巖為例[J].地質科學，2003，38（2）：165-171.

[2]魯雪松，蔣有錄，宋巖.蓋層力學性質及其應力狀態對蓋層封閉性能的影響——以克拉2氣田為例[J].天然氣工業，2007，27（8）：48-56.

[3]張林曄，包友書，劉慶，等.蓋層物性封閉能力與油氣流體物理性質關系探討[J].中國科學地球科學，2010，40（1）：28-33.

[4]呂延防，陳章明，萬龍貴.利用聲波時差計算蓋巖排替壓力[J].石油勘探與開發，1994，2（21）：43-47.

[5]付廣，姜振學，陳章明，等.松遼盆地三肇地區青山口組泥巖蓋層的封閉特征[J].天然氣地球科學，1995，6（2）：14-19.

[6]李劍，嚴啟團，張英，等.柴達木盆地三湖地區第四系生物氣蓋層封閉機理的特殊性[J].中國科學，2007，37（增刊Ⅱ）：36-42.

[7]付廣.泥巖蓋層的超壓封閉演化特征及封氣有效性[J].大慶石油學院學報，2007，31（5）：7-11.

[8]姜振學，付廣，梁海龍.三肇地區青山口組泥巖蓋層封氣有效性研究[J].大慶石油學院學報，1996，20（2）：19-23.

[9]胡明，尺建功，呂延防，等.徐家圍子斷陷徐深21區塊蓋層封閉能力演化與天然氣成藏的關系[J].大慶石油學院學報，2010，34（1）：24-28.

[10]Dnilo R V，Tadeusz J U.Simulated annealing wavelet estimation via fourth order cumulant matching[J].Geophysics，1996，61（6）：1939-1948.

[11]Vapnik V N.Estimation of dependences based on empirical data[M].Berlin：Spring Verlag，1982.

[12]鄧祖佑，王少昌，姜正龍，等.天然氣封蓋層的突破壓力[J].石油與天然氣地質，2000，21（2）：136-138.

[13]董艷蕾，朱筱敏，滑雙君，等.黃驊拗陷沙河街組一段下亞段混合沉積成因類型及演化模式[J].石油與天然氣地質，2011，32（1）：98-107.

[14]祁鵬任，任建業，史雙雙，等.歧口凹陷沿岸帶新生代構造特征及其形成機制[J].石油學報，2010，31（6）：683-691.

[15]黃傳炎，王華，吳永平，等.歧口凹陷第三系層序格架下的油氣藏富集規律[J].吉林大學學報：地球科學版，2010，4（5）：986-994.

Physical simulating of main controlling factor influencing sealing ability of mudstone caprock/2012，36（3）：13-18

WANG Xiao
（Test Technology Services Company，Daqing Oilfield Co.Ltd.，Daqing，Heilongjiang 163314，China）

To study main controlling factors influencing sealing ability of mudstone caprock，using manmade mudstone caprock sample with different compaction diagenetic depth and mudstone constant，their displacement pressures were measured by physical simulating experiment method.It is considered that displacement pressure of mudstone caprock has direct proportion relation with mudstone content，com-paction diagenetic depth，the bigger mudstone content is，the bigger the compaction diagenetic depth is，the bigger displacement pressure of mudstone caprock is，and the stronger sealing ability of mudstone caprock is；on the contrary，the weaker sealing ability of mudstone caprock is.Applying results that the quantitative relation was used to forecast displacement pressure of the Middle of Es1z mudstone caprock in Dagang oilfield indicates that the quantitative relationship is of important significance to forecast sealing ability of mudstone caprock in plane.

mudstone caprock；displacement pressure；sealing ability；mudstone content；compaction diagenetic depth

TE122.1

A

1000-1891（2012）03-0013-06

2012-03-05；

陸雅玲

國家科技重大專項（2008ZX05007-003）

汪 虓（1970-），男，工程師，主要從事測試技術工程方面的研究.