沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導率與孔隙連通性之間的關系

龔建洛，張金功，惠 濤，黃傳卿，張林曄，孫志剛，陳曉軍

1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，西安 710069

2.延長石油國際勘探開發工程有限公司，西安 710075

3.中國石化勝利油田分公司地質科學研究院，山東 東營 257000

0 引言

地熱是影響沉積盆地石油與天然氣生成、運移、聚集、保存的重要因素，也是影響地熱水及相關固體礦產形成與分布的重要因素［1－11］。在大地熱流一定的條件下，沉積盆地中巖石熱導率及其在平行層面和垂直層面方向的差異對熱流的傳遞和地溫分布有重要影響［12－16］：一方面，巖石熱導率越高，所分配的熱流相對就越多，地溫相應的也越高；另一方面，巖石平行層面和垂直層面方向熱導率的差異會影響大地熱流在縱向和橫向上的熱流分配，進而導致盆地縱向與橫向上地溫的差異。由于沉積巖一般為多孔介質，在油氣勘探和開發過程中，與沉積巖孔隙連通性（孔隙性和滲透性）有關的研究方法多樣，研究程度較高，數據較多；相比之下，沉積巖熱導率的研究手段較為單一、研究程度較低、數據較少。基于以上原因，研究者們［17－31］試圖通過分析沉積巖孔隙連通性（孔隙性和滲透性）與熱導率的關系來研究沉積巖的熱導率，用于分析盆地的地溫場特征［32－34］。在這一研究領域，前人對沉積巖熱導率與孔隙連通性（孔隙和滲透率）的相關性進行了大量研究，但對沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導率差異與孔隙連通性差異之間的關系還沒有進行深入分析，這大大地制約了對含油氣盆地熱傳遞和地溫場的精細研究。

渤海灣盆地沾化凹陷是富含油氣的中、新生代沉積凹陷。目前，在沾化凹陷已經發現了孤島、渤南、樁西等大、中型油氣田，其含油層位有太古宇、下古生界、上古生界、中生界、新生界古近系沙河街組、東營組、新近系館陶組、明化鎮組，古近系沙三段泥頁巖中也發現了工業性油氣藏。此外，孤島等地區還發現了良好的地熱水資源。筆者依據對沾化凹陷蓋層古近系泥質巖、粉砂巖和砂巖及凹陷基底奧陶系白云巖平行層面與垂直層面方向熱導率的差異和孔隙連通性特征研究，探討了沉積巖平行層面和垂直層面方向熱導率差異與孔隙連通性特征之間的關系，并分析了其在沉積盆地熱傳遞過程和地溫分布特征研究中的意義。

1 研究區地質概況

沾化凹陷區位于山東省東北部，為濟陽坳陷的次級構造單元，東南與墾東-青坨子凸起相接，南部地層與陳家莊凸起呈超覆接觸，西北與車鎮凹陷毗鄰，北與埕子口凸起相連，具有北斷南超的特點，是在古生代地層基礎上發育的中、新生代箕狀斷陷盆地（圖1）。其中，下古生界以淺海相碳酸鹽巖（石灰巖、白云巖）為主，上古生界以海陸交互相和湖泊-河流相砂巖、泥質巖為主，中、新生界以湖泊與河流相砂巖、泥質巖為主。

2 實驗樣品及研究方法

此次研究選取沾化凹陷中巖性具代表性的樣品共4組，分別是泥質巖、粉砂巖、砂巖和白云巖，實驗樣品基本特征見表1。對每組樣品進行了平行層面和垂直層面方向的熱導率（k）測試實驗和孔隙連通性特征分析（圖2）。

表1 樣品基本特征Table 1 Basic characteristics of experimental samples

圖1 沾化凹陷構造位置與盆地結構簡圖Fig.1 Sketch map showing the tectonic location and basin architecture of Zhanhua Depression

圖2 實驗樣品的采集及測試分析過程示意圖Fig.2 Sketch map showing the sampling method and the testing process

熱導率實驗采用的是瞬態熱絲法，使用的儀器為HP－K高溫高壓導熱系數測定儀，在室溫（25℃）和常壓（無環壓）條件下，分別對4組樣品在干燥含氣狀態、飽和水狀態（飽和水類型：KCl溶液；飽和水礦化度：30g/L；水飽和度：100%）和飽和油狀態（飽和油類型：煤油；油飽和度：100%）下的平行層面和垂直層面方向熱導率進行了測試。

對巖石孔隙連通性差異特征研究，采用鑄體薄片中平行層面與垂直層面方向孔隙連通特征觀察和平行層面與垂直層面方向巖石滲透率（K）測試相結合的方法。鑄體薄片為垂直巖石層面切片，該方向切片能反映出平行層面和垂直層面方向上巖石孔隙結構與巖石礦物顆粒的排列方式；分別磨制了泥質巖、粉砂巖、砂巖和白云巖垂直巖石層鑄體薄片，并對這4塊薄片平行層面和垂直層面方向上巖石孔隙結構與礦物顆粒的排列方式進行了觀察。巖石平行層面和垂直層面方向上的滲透率差異可直接反映孔隙的連通性差異特征。為了分析巖石平行層面和垂直層面方向的滲透率，在室溫（25℃）和常壓條件下，對泥質巖全直徑巖心樣品進行了平行層面和垂直層面方向的滲透率測試；另對采集的粉砂巖、砂巖和白云巖的平行層面樣品和垂直層面樣品分別進行了滲透率測試。

根據對以上4組樣品平行層面和垂直層面方向熱導率測試結果及孔隙連通性特征的觀察結果，對比分析了巖石平行層面和垂直層面方向熱導率的差異與孔隙連通性特征之間的關系。

3 沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導率的差異

樣品在干燥含氣狀態、飽和水狀態、飽和油狀態下，熱導率實驗結果見表2和圖3。

從表2和圖3熱導率實驗結果來看，沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導率的差異特征表現為兩類：K1樣品（泥質巖）、K2樣品（粉砂巖）、K3樣品（砂巖）平行層面方向熱導率均高于垂直層面方向熱導率；K4樣品（白云巖）平行層面方向熱導率均低于垂直層面方向熱導率。

4 沉積巖孔隙連通性差異特征

4.1 K1樣品（泥質巖）孔隙連通性差異特征

K1樣品（泥質巖）顆粒細小，為微晶-隱晶結構，礦物顆粒的排列具有較弱的定向特征，主要沿平行層面方向排列。由于泥質巖顆粒細小、結構致密，主要發育微孔隙，鑄體薄片中孔隙特征不明顯。泥質巖全直徑巖心滲透率測試結果顯示，平行層面方向滲透率為17.200×10－3μm2（造成平行層面方向滲透率偏大的原因是因為全直徑泥質巖樣品中發育平行層面微裂縫（圖4）），垂直層面方向滲透率為0.247×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為69.636（圖5）。以上特征表明，K1樣品（泥質巖）孔隙連通性特征表現為平行層面方向好于垂直層面方向。

4.2 K2樣品（粉砂巖）孔隙連通性差異特征

K2樣品（粉砂巖）顆粒的長軸方向基本平行于層面方向，云母、炭屑呈條狀，順層分布。薄片中可見孔隙主要為粒間孔，呈扁平狀或條狀，孔隙的長軸方向主要平行于巖層層面方向，主要沿平行于巖層層面方向連通。滲透率測量顯示，平行層面方向滲透率為0.570×10－3μm2，垂直層面方向滲透率為0.370×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為1.541（圖5）。以上特征表明，K2樣品（粉砂巖）孔隙連通性特征表現為平行層面方向好于垂直層面方向。

表2 平行層面與垂直層面方向熱導率Table 2 Horizontal and vertical thermal conductivities

圖3 樣品平行層面與垂直層面方向熱導率Fig.3 Map of horizontal and vertical thermal conductivities

圖4 K1樣品（泥質巖）平行層面方向微裂縫發育特征（單偏光）Fig.4 Characteristic of the horizontal fracture of sample K1（argillaceous rock）

4.3 K3樣品（砂巖）孔隙連通性差異特征

K3樣品（砂巖）陸源碎屑和長石礦物顆粒的長軸方向基本平行于層面方向。薄片中可見孔隙主要為粒間孔，繞顆粒分布，呈扁平狀或條狀，孔隙的長軸方向主要沿平行于巖層層面的方向連通。滲透率測量顯示，平行層面方向滲透率為0.789×10－3μm2，垂直層面方向滲透率為0.696×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為1.134（圖5）。以上特征表明，K3樣品（砂巖）孔隙連通性特征表現為平行層面方向好于垂直層面方向。

4.4 K4樣品（白云巖）孔隙連通性差異特征

K4樣品（白云巖）為嵌晶狀晶粒結構，不具定向性排列特征，發育垂向、近垂向裂縫，部分被方解石充填。孔隙以裂縫為主，主要沿近垂直層面方向連通。滲透率測量顯示，平行層面方向滲透率為0.464×10－3μm2，垂直層面方向滲透率為0.948×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為0.489（圖5）。以上特征表明，K4樣品（白云巖）孔隙連通性特征表現為平行層面方向差于垂直層面方向。

4.5 沉積巖平行層面與垂直層面方向孔隙連通性差異的原因分析

沉積巖平行層面與垂直層面方向孔隙連通性的差異主要受巖石孔隙類型和分布的影響。

巖石中裂縫不發育時，組成巖石的顆粒排列特征與孔隙的定向分布有密切關系。一般碎屑巖中礦物顆粒的長軸平行于巖層層面，這種排列造成孔隙沿平行層面方向主要以扁平狀結構為主。孔隙的長軸平行巖層層面方向，反映在孔隙結構和分布特征上就是孔隙主要沿平行層面方向分布，在單位長度上平行層面方向上孔喉個數少于垂直層面方向上孔喉個數。這就導致了巖石孔隙連通性平行層面方向好于垂直層面方向（如K2樣品（粉砂巖）和K3樣品（砂巖））。

當沉積巖中發育裂縫時，平行裂縫面的方向是孔隙連通性好的方向。當裂縫面平行于巖層層面時，沉積巖平行層面方向的孔隙連通性要好于垂直層面方向（如K1樣品（泥質巖））；當裂縫面垂直于巖層層面時，沉積巖垂直層面方向孔隙連通性要好于平行層面方向（如K4樣品（白云巖））。

5 沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導率差異與孔隙連通性差異關系分析

對比沉積巖平行層面與垂直層面方向的熱導率實驗結果和孔隙連通性特征（圖5），樣品K1、K2、K3平行層面方向的熱導率大于垂直層面方向，孔隙連通性特征表現為平行層面方向好于垂直層面方向；樣品K4平行層面方向的熱導率小于垂直層面方向，孔隙連通性特征表現為平行層面方向差于垂直層面方向。

對比結果表明，沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導率差異和孔隙連通性特征之間有明顯的正相關性，具體表現為：孔隙的連通性較好的方向，熱導率較高；孔隙的連通性較差的方向，熱導率較低。

6 意義

在目前技術條件下進行的含油氣盆地勘探和開發過程中，沉積巖孔隙連通性參數（孔隙度和滲透率）可以通過地震、測井、錄井及巖心測試等多種技術和方法有效獲得，研究程度較高，相關參數數據也較多。相比之下，沉積巖熱導率參數和盆地地溫資料的獲取手段有限，熱導率參數主要依靠鉆井巖心的實驗室測量獲取，盆地地溫資料主要依靠鉆井測溫和大地熱流測量；這種情況制約了含油氣盆地地溫分布研究及預測，也影響了更為精細的油氣勘探和開發。而根據筆者的研究結果，沉積巖平行層面和垂直層面方向熱導率的差異與沉積巖孔隙連通性差異有正相關關系，因此，可以通過分析沉積盆地中沉積巖孔隙連通性差異來分析沉積盆地沉積巖熱導率差異，進而更為精細地研究和預測沉積盆地熱傳導和地溫分布特征。

圖5 樣品平行層面和垂直層面方向熱導率差異與孔隙連通性差異對比圖Fig.5 Map showing the comparisons between the thermal conductivity difference and the pore connectivity difference in the direction of parallel and perpendicular to the bedding planes of samples

7 結論

1）沾化凹陷泥質巖、粉砂巖和砂巖的平行層面方向熱導率大于垂直層面方向熱導率；白云巖的平行層面方向熱導率小于垂直層面方向熱導率。

2）沾化凹陷泥質巖、粉砂巖、砂巖及白云巖平行層面和垂直層面方向熱導率的差異與孔隙連通性差異有密切關系，兩者之間具正相關性。孔隙的連通性較好方向，熱導率相對較高；孔隙的連通性較差的方向，熱導率相對較低。

本項研究的部分測試實驗在中石化重點實驗室勝利油田地質科學院實驗分析測試中心完成，實驗得到了閔令元、王建、張紅欣高級工程師的大力支持，在此表示衷心的感謝。

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