蓋層封堵油氣的機理研究

李傳亮，朱蘇陽，劉東華

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都610599；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057）

0 引言

地層巖石的孔隙中最初都飽和了地層水，油氣生成后在水的浮力作用下向上或側向上運移，遇到圈閉后聚集起來形成油氣藏。圈閉是油氣聚集的地質場所。若沒有圈閉，油氣會一直向地表運移，到達地面后以油苗的形式散失掉。

圈閉有3個構成要素：儲層、蓋層和遮擋層［1］。儲層是圈閉中能夠儲集油氣的巖石層，蓋層是阻止油氣向上運移的巖石層，遮擋層是阻止油氣側向運移的巖石層。遮擋層與蓋層的作用基本相同，都起到了封堵油氣的作用。

蓋層在油氣聚集中起到了十分重要的作用［2-4］。關于蓋層的封堵機理，石油地質學界有3個基本認識［5-6］：烴濃度封堵、超壓封堵和物性封堵。物性封堵是通過毛管壓力來實現的，因此也叫毛管壓力封堵。通過巖石潤濕性分析，對毛管壓力封堵、烴濃度封堵與超壓封堵機理的深入探討，研究蓋層真正的封堵機理，以期推動蓋層評價研究。

1 毛管壓力

當油水（氣水或油氣）2種非互溶流體共存于毛細管中時，重力分異作用會導致流體分（異）層：油在上，水在下，中間為油水分界面。由于油水與毛細管壁的親和程度不同，毛細管表現出了不同的潤濕特性，最終導致油水界面呈現出不同的形態。如果毛細管為中性潤濕，油水界面則呈水平狀態［圖1（a）］。如果毛細管親油，油水界面則呈下凹或上凸狀態［圖1（b）］。如果毛細管親水，油水界面則呈上凹或下凸狀態［圖 1（c）］。

如果在油水界面上方緊挨油水界面的地方測量油相壓力，在油水界面下方緊挨油水界面的地方測量水相壓力［圖1（a）］，測量結果會出現下面3種情況。

（1）對于中性潤濕毛細管的水平油水界面［圖1（a）］，兩側的油、水相壓力相等，即

式中：po為油相壓力，MPa；pw為水相壓力，MPa。

在這種情況下，水平的油水界面可以保持靜止狀態。

圖1 毛細管中的油水界面形態Fig.1 Typesof oil-water contact in capillaries

（2）對于親油毛細管的下凹油水界面［圖1（b）］，油相壓力低于水相壓力，即

在這種情況下，油水界面會被水相壓力拱起，并推動油水界面向上移動。可是，彎曲的油水界面存在一個附加壓力，該壓力在毛細管中被稱作毛管壓力［7］，計算公式為

式中：pc為毛管壓力，MPa；σ為油水界面張力，N/m；θ為潤濕角，（°）；r為毛細管半徑，μm。

毛管壓力指向非濕相一側，即向下［圖1（b）］，與水油壓差的方向正好相反，毛管壓力與水油壓差達到平衡后，油水界面即可靜止。

（3）對于親水毛細管的上凹油水界面［圖1（c）］，油相壓力高于水相壓力，即

在這種情況下，油水界面會被油相壓力壓彎，并推動油水界面向下移動。可是，親水毛細管的毛管壓力向上，與油水壓差的方向正好相反，毛管壓力與油水壓差達到平衡后，油水界面即可靜止。

地下的巖石由許多不同半徑的毛細管組成，流體可在這些毛細管中流動，由于地下沒有親油的巖石［8-9］（地下的巖石都親水），因此，［圖 1（a）］和［圖 1（b）］的情況都不會出現，只有［圖 1（c）］才會出現。

地下巖石最初都飽和了地層水，油氣是后來運移進入的。由于巖石親水，油氣為非潤濕相，因此，油氣運移進入巖石孔隙時毛管壓力表現為阻力。根據式（3），粗管的毛管壓力低，細管的毛管壓力高，因此，油氣會首先進入大孔隙，然后依次進入中孔隙和小孔隙，一些微細孔隙因毛管壓力太高致使油氣無法進入［圖2（a）］。隨著巖石含油飽和度的增大或含水飽和度（Sw）的減小，毛管壓力是不斷升高的［圖 2（b）］。

圖2 巖石油水分布（a）與毛管壓力曲線（b）①大孔隙；②中孔隙；③小孔隙；④微孔隙Fig.2 Distribution of oil and water in rocks（a）and capillary pressure curve（b）

圖2 （b）中毛管壓力曲線上的排驅（門檻）壓力（pcd）［7］，是巖石中最大孔隙的毛管壓力，也是巖石中最小的毛管壓力，即油氣進入巖石須要克服的最小阻力。若油水壓差小于排驅壓力，油則無法進入巖石孔隙，大于排驅壓力時才能進入。

巖石的毛管壓力曲線形態基本上都如圖2（b）所示，但圖2（b）是用非濕相流體驅替濕相流體（油驅水）測得的，而且是從大孔隙向小孔隙驅替時測得的，可用于研究油氣從儲集層向蓋層的運移問題。若研究油氣從烴源巖小孔隙向儲集層大孔隙的運移問題，圖2（b）就不能使用了，因為這時候沒有排驅壓力了。若研究濕相流體驅替非濕相流體（水驅油），圖 2（b）也不能使用，但是，圖 2（b）中的毛管壓力曲線卻經常被誤用。

2 毛管壓力封堵

2.1 親水巖石

油氣在均勻毛細管中的運移基本不受毛管壓力的影響［10］，因為油滴頂端和底端的毛管壓力大小相等方向相反，對油滴的作用相互抵消，油滴會在浮力的作用下向上運移［圖3（a）］。均質地層的孔隙大小相當，可視為均勻孔隙，油氣可以在其中自由運移而不受阻擋［圖3（b）］。物性變化不大的泥巖地層或砂巖地層都可視為均質地層。

圖3 均勻孔隙（a）和均質地層（b）Fig.3 Uniform pore（a）and homogeneous formation（b）

實際的地層都是非均質的，地層的非均質性宏觀上表現為巖性差異（砂巖和泥巖）和物性差異（高滲和低滲），微觀上表現為顆粒大小和孔隙開度的差異，如泥巖的細粒小孔和砂巖的粗粒大孔。當兩種不同孔隙開度的巖石層遇到一起時，就構成了非均質地層，其中孔隙開度相對較大的巖石層可作為儲集層，孔隙開度相對較小的巖石層可作為蓋層，儲層在下、蓋層在上，構成一個儲蓋組合［圖4（a）］。儲層和蓋層的孔隙開度也沒有絕對的界限，只有相對大小。泥巖可以給砂巖作蓋層，細砂巖也可以給粗砂巖作蓋層［11］。

圖4 儲蓋組合（a）及蓋層封堵機理（b）Fig.4 Reservoir rock and cap-rock assemblage（a）and sealing mechanism of cap-rocks（b）

圖4 （a）代表一個圈閉，也是一個儲蓋組合，儲層和蓋層構成了非均質地層。若地層中只有單相流體（油或水），則流體可以在孔隙中自由流動，只是在儲層和蓋層中的流動能力不同而已。若油水兩相流體同時存在，則只有潤濕相流體（水）可以在地層中自由流動，不僅可以在儲層中流動，也可以在蓋層中流動，而非濕相流體（油）則只能在儲層中流動，不能在蓋層中流動，蓋層對油起到了封堵作用。蓋層的封堵機理可用圖4（b）的毛細管組合加以說明，圖4（b）上面的細管代表蓋層孔隙，下面的粗管代表儲層孔隙。蓋層的孔隙半徑較小，因此，毛管壓力較高，用pc1表示。儲層的孔隙半徑較大，因此，毛管壓力較低，用pc2表示。顯然，pc1＞pc2。當油滴在儲層中運移到蓋層時，上面受到一個蓋層毛管壓力的阻擋作用，下面受到一個儲層毛管壓力的上推作用，同時還受到浮力的上推作用。若浮力與儲層毛管壓力之和小于蓋層毛管壓力，油滴則無法運移進入蓋層孔隙而被阻擋下來。因此，蓋層封堵油氣的力學條件為

式中：pc1為蓋層毛管壓力，MPa；pc2為儲層毛管壓力，MPa；Δρwo為水油密度差，g/cm3；g 為重力加速度，m/s2；ho為油柱高度，km。

式（5）也可以寫成下面的形式

由式（6）可以看出，只要油柱受到的浮力小于蓋層與儲層的毛管壓力之差，就可以聚集成藏了。圈閉中聚集的油量越多，油柱高度越大，油柱受到的浮力也就越大，當浮力大于蓋層與儲層毛管壓力之差時，油就會突破蓋層。因此，一個儲蓋組合有一個允許的最大（臨界）油柱高度，超過該油柱高度，油就會進入蓋層孔隙繼續向上運移從而散失掉。由式（6）可以得出臨界油柱高度的計算公式為

式中：hoc為臨界油柱高度，km。

由式（7）可以看出，地層的非均質性越強，儲蓋層的物性差異越大，蓋層與儲層毛管壓力的差值就越大，臨界油柱高度也就越大，圈閉可以聚集的油量也就越多。因此，地層的非均質性成就了石油工業，均質地層不能聚集油氣。

圖5為式（7）計算的臨界油柱高度曲線圖版，該圖版顯示了臨界油柱高度隨蓋層和儲層毛管壓力差值的變化曲線，曲線參數為水油密度差，上面3條（密度差分別為 0.3，0.4，0.5 g/cm3）為油藏的臨界油柱高度曲線，下面3條（密度差分別為0.6，0.7，0.8 g/cm3）為氣藏的臨界氣柱高度曲線。圖版顯示，蓋層越致密，蓋層的毛管壓力越高或蓋層與儲層毛管壓力的差值越大，臨界油柱高度就越大，意味著圈閉可以聚集的油氣數量就越多。圖版同時顯示，在相同的蓋層與儲層毛管壓力條件下，氣藏的臨界高度小于油藏，說明氣體對蓋層條件的要求更加苛刻。當然，氣水界面張力通常大于油水界面張力，這也有助于蓋層對天然氣的封堵。

圖5 臨界油柱高度圖版Fig.5 Curvesof critical oil column height

2.2 親油巖石

如果巖石親油，情況就完全不同了，此時蓋層不僅不能封堵油氣，而且還會加速油氣的散失。圖6為親油巖石孔隙中的油水分布及油水界面形態圖。油滴頂端受到一個蓋層毛管壓力的上拉作用，油滴底端受到一個儲層毛管壓力的下拉作用，油滴同時還受到浮力的上推作用。顯然，油滴受到的上拉作用大于下拉作用，即下式恒成立

由式（8）可以看出，油滴遇到蓋層時停不下來會繼續向上運移，蓋層根本無法封堵油氣，圈閉也無法聚集油氣。因此，地層巖石的親水性成就了石油工業，親油巖石無法封堵和聚集油氣。

圖6 親油巖石孔隙中的油水分布Fig.6 Distribution of oil and water in oil-wet rocks

2.3 烴源巖排烴

所謂的烴源巖排烴，實際上就是油氣從烴源巖向儲集巖的運移過程，也就是所謂的油氣初次運移。若油氣的初次運移十分順暢，則烴源巖的排烴效率就會很高。烴源巖與蓋層巖石類似，通常都是致密的巖石類別，孔隙相對較小，而儲集巖的孔隙則相對較大。圖7為烴源巖與儲集巖的孔隙組合以及油氣初次運移圖。圖7（a）上面的粗管代表儲集巖孔隙，下面的細管代表烴源巖孔隙。烴源巖生成的油滴在孔隙中運移時，頂端受到一個毛管壓力的下推作用，底端受到一個毛管壓力的上推作用，二者相互抵消，油滴在浮力的作用下向上運移。當油滴運移到烴源巖與儲集巖的交界處［圖7（b）］，孔隙變粗，油滴頂端受到下推作用的毛管壓力變小，油滴運移的動力增強，運移速度加快。因此，油氣的初次運移沒有任何障礙，可以順利進行，并不存在［參見圖2（b）］所示毛管壓力曲線的排驅（門檻）壓力。

圖7 油氣初次運移Fig.7 Primary migration of oil and gas

油氣在烴源巖中進行初次運移的動力為浮力，運移方向向上，不受毛管壓力的控制。進入儲集層后開始二次運移，二次運移的動力依然為浮力，運移方向依然向上，遇到蓋層后受到毛管壓力的阻止開始側向上運移，進入圈閉后聚集起來形成油氣藏。油氣可以從烴源巖小孔隙運移進入儲集巖大孔隙，卻不能從儲集巖大孔隙運移進入蓋層小孔隙，這就是受毛管壓力作用的結果。正是這種作用才保證了油氣的聚集和油氣藏的形成。圖8顯示了油氣初次運移和二次運移以及聚集成藏的全過程。

2.4 巖性圈閉封堵

圖8 油氣運移與聚集成藏圖①初次運移；②二次運移；③油氣聚集Fig.8 Migration and accumulation of oil and gas

地下存在一些孤立的砂體，砂體周圍被泥巖包裹，這樣的砂體即形成所謂的巖性圈閉［圖9（a）］。砂體為儲集層，周圍的泥巖（圍巖）既是蓋層，又是烴源層。砂體下面的烴源層生成的油氣運移進入圈閉后聚集起來形成巖性油氣藏，同時把砂體里面的地層水排出。巖性圈閉是一個封閉的系統，但只封閉油氣，不封閉地層水。油氣只進不出，灌滿后就會升壓或憋壓，油相壓力不斷升高，油水壓差不斷增大［圖9（b）］。只要油水壓差不超過圍巖的毛管壓力，油就會聚集起來。因此，巖性圈閉封堵油氣的力學條件為

圖9 巖性圈閉封堵圖Fig.9 Sealing of lithologic traps

當油水壓差超過圍巖的毛管壓力時，油就會突破進入圍巖孔隙從而散失掉。突破是從砂體的頂部開始的，因為頂部的油水壓差大于底部的油水壓差［10］。因此，巖性圈閉有一個允許的最高（臨界）壓力，由式（9）可以得出巖性圈閉的臨界壓力公式

式中：poc為巖性圈閉的臨界壓力，MPa。

油相壓力可以用壓力系數表示，即po=αpw，代入式（10），得臨界壓力系數公式

式中：α為壓力系數，無因次；αc為臨界壓力系數，無因次。

由式（11）可以看出，巖性圈閉的臨界壓力系數與圍巖的毛管壓力有關，而圍巖的毛管壓力又與圍巖的物性有關。圍巖越致密，孔隙越小，毛管壓力就越高，圈閉的臨界壓力系數也就越高。圖10為巖性圈閉的臨界壓力系數計算圖版，圖版的曲線參數為靜水壓力，20 MPa對應2 000 m的地層埋深（較淺），40 MPa對應4 000 m的地層埋深（中等），60 MPa對應6 000 m的地層埋深（較深）。

圖10 巖性圈閉臨界壓力系數圖版Fig.10 Curves of critical pressure factor of lithologic traps

由圖10可以看出，只有在毛管壓力特別高時，即圍巖特別致密時，地層中才有可能達到較高的壓力系數（異常高壓），像克拉2氣藏的壓力系數為2.0，蓋層為致密膏鹽層［12］。若圍巖為普通泥巖，毛管壓力較低，臨界壓力系數也較低，若有較多的油氣運移進入憋壓，很快就會突破蓋層進行卸壓，以至于形不成異常高壓。只有封閉的地層才可能出現異常高壓，開放的地層不會出現［13］。當然，封閉的地層也可能是正常壓力，這取決于運移進入的油氣數量和圍巖的封堵條件。大多數的異常高壓地層都與油氣聚集有關，水層出現異常高壓的情況極其少見。

3 烴濃度封堵問題

蓋層與儲層都是多孔介質，都有孔隙，只是蓋層的孔隙開度較小、儲層的孔隙開度較大而已。雖然蓋層的孔隙較小，但通常大于油氣分子［14］。若地層只有單相流體（油、氣或水），則可以穿過蓋層流動，即蓋層不能封堵流體分子，當然也不能封堵油氣分子。流體分子通常是無孔不入的。

若地層存在油水兩相，由于巖石的親水特性和毛管壓力的作用，油氣只能存在于儲集層中，蓋層中沒有油氣只有地層水。也就是說兩相流體共存時，非濕相流體優先選擇進入相對較大的孔隙，而濕相流體則優先選擇進入較小的孔隙。蓋層對油氣起到了封堵作用，圈閉中才有了油氣聚集。蓋層能夠封堵油氣，卻不能封堵地層水；蓋層不能封堵油氣分子，卻能封堵油氣相（圖11）。

圖11 油氣藏及烴的水溶液Fig.11 Reservoir and aqueoussolution of hydrocarbons

油氣藏周圍的地層水中溶解了少量烴分子，是烴的水溶液。烴在地層水中的溶解度非常低［15］，否則，地下就沒有油氣聚集了，油氣全部溶解到水中去了。圈閉中一旦有了油氣聚集，說明周圍的地層水全部被烴飽和了，是烴的飽和水溶液，即蓋層水的烴濃度已經達到了烴在水中的溶解度，不可能再升高了。若蓋層水的烴濃度低于溶解度，則不會有油氣聚集出現［10］。若蓋層同時也是烴源層，則生烴過程會提高蓋層水的烴濃度，但最高也只能達到（不可能超過）烴在水中的溶解度，溶解度是烴濃度的上限值，多余的生烴量會聚集成油滴或氣泡向上運移出烴源層［10］。油藏中的烴濃度為100%，蓋層水的烴濃度極低，如何進行烴濃度封堵呢？顯然，所謂的烴濃度封堵是不可能發生的事情。

4 超壓封堵問題

圖4表示出儲蓋組合中的油水分布，蓋層水的壓力低于儲層中油的壓力，這個壓力差值由蓋層毛管壓力平衡后油氣才能聚集起來形成油氣藏。若蓋層水超壓，勢必把油水界面壓彎，然后向下驅替油柱［圖12（a）］。油水在儲集層中進行重力分異后，油氣再次向上運移到儲層的頂部聚集起來［圖12（b）］。地層水的壓縮系數很小，即使蓋層存在一定的超壓，排出少量的水即可卸壓，蓋層水不可能長期處于超壓狀態。若蓋層因生烴增壓，由于過程緩慢增壓幅度有限，而且是一邊生烴一邊排烴的，壓力并不能在蓋層中累積，而是轉化成了上覆儲層的流體壓力，上覆儲層能否超壓，取決于儲層的封閉情況以及蓋層的生烴量。如果油氣聚集在了儲層的頂部，說明蓋層沒有超壓［圖12（b）］。如果蓋層超壓了，油氣則不會聚集在儲層的頂部，而是與蓋層有一定距離，油藏頂部會有一個產水段［圖12（a）］，然而，礦場上并沒有出現過這種情況，產水段通常都位于油藏的底部。由此可見，蓋層超壓的說法并沒有得到生產實踐的支持。

圖12 蓋層超壓封堵機理分析Fig.12 Overpressure sealing mechanism of cap-rocks

蓋層超壓的說法來自于欠壓實。石油地質學一直認為深層泥巖存在欠壓實現象，欠壓實是由地層憋壓或超壓引起的［5，16］。實際上這是采用等效深度法計算出的結果［17-18］，并沒有經過實踐的檢驗。泥巖地層的滲透率極低，流體流動困難，很難測到壓力資料，至今也沒有一個實際測壓數據顯示泥巖地層出現了超壓現象。泥巖地層的流體壓力都是用孔隙度數據通過等效深度法計算出來的，泥巖的孔隙度又是用聲波時差（或其他）測井數據計算出來的［17，19］。這里有 2 個環節出了問題。第一，巖石的孔隙度跟壓力沒有關系，而等效深度法卻人為建立了二者之間的關系，并用其計算地層壓力。實際上，異常高壓地層的孔隙度并不一定高，異常低壓地層的孔隙度也不一定低。同一個深度只有一個壓力，卻有很多孔隙度。顯然，孔隙度與地層壓力的關系被誤用了。第二，聲波時差與孔隙度關系的應用范圍被無限擴展了。聲波時差與孔隙度的關系只能在特定巖性條件下進行使用，此時的骨架性質和流體性質變化不大，這樣才能有較好的應用效果，油藏評價中一直使用該關系。油藏評價通常只是針對某個具體的砂層進行的，砂層的性質變化不大。可是，把這種關系無限擴展至盆地的整個沉積厚度就非常欠妥了，在深度跨度較大的情況下，巖性和物性都發生了很大的變化，即使都是泥巖，有機質含量也不相同，因此才出現了許多奇異的現象，如欠壓實和油氣倒灌等。有些泥巖地層的聲波時差高，是因為高孔隙度所致，而有些則是因為高有機質含量所致［20］，但卻統統解釋為了高孔隙度，然后再用等效深度法進一步解釋出地層的欠壓實現象，這樣一來幾乎所有的深層地層皆為異常高壓地層，實際上并非如此。由于粒度分布的非均勻性，孔隙度的波動變化十分正常，但都不是超壓所致。泥巖地層是否為異常高壓無法證實，而砂巖地層很容易被測壓資料所證實，大量的鉆探測試結果顯示異常高壓地層極少，絕大多數地層都是正常壓力。相對于正常壓力流體，超壓流體不僅不會增大聲波時差，相反還會減小聲波時差。很顯然，泥巖地層的超壓現象是一個假象，是由于計算方法不當所致，并非真的存在。蓋層沒有超壓，也就不存在所謂的超壓封堵。

5 結論

（1）油氣聚集是蓋層封堵的結果，蓋層通過毛管壓力把油氣封堵在儲集層中聚集起來，油氣可以從烴源巖小孔隙運移進入儲集層大孔隙，卻不能從儲集層大孔隙運移進入蓋層小孔隙。蓋層與儲層的毛管壓力差值越大，能夠封堵的油氣數量就越多。

（2）蓋層水的烴濃度極低，不可能超過油氣藏的烴濃度，因此也不可能對油氣進行烴濃度封堵。蓋層可以封堵油氣，卻不能封堵地層水；蓋層可以封堵油氣相，卻不能封堵油氣分子。

（3）蓋層超壓是用等效深度法計算出的結果，是一個假象，并非真的超壓，也不能對油氣進行超壓封堵。