蓋層封閉機理研究

俞凌杰，范 明，劉偉新，張文濤，陳宏宇

(中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214151)

1 研究現狀

蓋層封閉能力研究已成為石油天然氣地質領域的熱點之一[1-2]。目前，國內普遍認為天然氣的封蓋機理主要有毛管壓力封閉、超壓封閉和烴濃度封閉3種。在蓋層綜合評價中，突破壓力作為衡量毛管封閉能力大小的尺度[3]，一直是研究和應用的重點，而厚度則作為重要的宏觀評價參數。人們對蓋層厚度與其封蓋能力之間的關系進行了大量研究，但至今仍存在爭議。一些學者認為蓋層厚度與其毛管封閉能力無關，只是蓋層厚度越大，其發生斷裂的可能性越小[4-6]。但是，不少學者則認為蓋層厚度與毛管封閉能力相關。袁際華等[7]將長度與突破壓力值均接近的巖心柱進行拼接后重新測試樣品的突破壓力值，與先前4個巖心柱的算術和基本一致，并由此認為隨著巖心長度增加，突破壓力值將增大，毛管封閉能力也將增強。呂延防等[8-10]以不同長度的人造石英砂巖為樣品，進行氣體突破壓力測試，結果表明，樣品長度越長，突破壓力值越大，即毛管封閉能力越強，且兩者之間具有如下線性正相關關系：Pd=4H+0.093，式中：Pd為樣品突破壓力值；H為樣品長度。

超壓在沉積盆地中普遍存在，其成因主要歸于：1)壓實排液與沉積速率不平衡；2)水熱增壓作用；3)蒙脫石向伊利石轉化的脫水作用；4)油氣生成作用等[11]。超壓對游離相、水溶相及擴散相天然氣均存在很好的封閉機理。劉方槐[12]經過理論估算表明，壓力系數為1.3的欠壓實泥巖依靠超壓封閉的氣柱高度是靠毛細管阻力封閉氣柱高度的11倍；當蓋層壓力系數為2.0時，則可高出37倍。呂延防等[8]對蓋層的定量研究認為，蓋層的封閉能力是吸附阻力與毛管壓力之和，并且有吸附阻力等于2倍的超壓值，即P=Pd+2ΔP。董忠良等[13]對油氣藏蓋層封蓋機制的研究現狀進行了總結，并認為超壓增強蓋層封閉能力的原因是欠壓實層的超壓與欠壓實層自身的毛細管力之和遠大于正常壓實段的毛細管力。但是，對于超壓在多大程度上能夠提高蓋層封閉能力，以及超壓層與上下正常壓實層之間的作用關系，還不是很清楚，對超壓的模擬實驗也開展較少。

筆者借助自主設計的氣驅法突破壓力儀，針對蓋層厚度與毛管封閉能力的關系及超壓對提高蓋層封閉能力的關系這2個問題開展實驗。一方面研究實驗室可測長度范圍內樣品長度與突破壓力的關系，另一方面研究超壓對蓋層封閉能力的作用，旨在更深入地認識蓋層的封閉機理。

2 實驗設備與方法

實驗采用中國石化無錫石油地質研究所自行設計的TPY-1型氣體法突破壓力儀(圖1)。巖心前端氣源壓力主要通過恒壓恒流泵來實現連續穩定控制。為了在較大壓力范圍內提高壓力精度，分別設置低中壓容器和高壓容器2個儲壓罐，并配置低壓、中壓、高壓3個壓力表，可以最高實現60 MPa的壓力。這種分罐和分壓力表的組合設計，既滿足了突破壓力的測試量程，同時也保證了壓力數據的精度。出口端氣體突破時的檢測則采用紅外氣泡檢測儀，并通過電腦軟件自動記錄氣泡個數和每個氣泡的采集時刻，可以方便地判斷突破時的壓力值，實現無人值守條件下的測量。另外，本儀器能夠模擬地層條件下不同溫度(小于150 ℃)和圍壓(小于60 MPa)條件的測試。為避免較高測試溫度下(75～150 ℃)水的蒸發沸騰，在出口端設計了回壓泵以及金屬銅的散熱部件。

樣品經過烘干—抽真空并灌注飽和鹽水—飽和鹽水中加壓(10～20 MPa)充分飽和后裝入巖心夾持器中，并加上圍壓。之后在巖心出口端灌滿飽和鹽水，通氣進行突破壓力測定。為了保證實驗的可重復性，采用遇水不易破碎的粉砂巖。實驗選取牛武2井2個粉砂巖巖心樣品，并鉆取若干不同長度的巖心柱，預先對每個巖心柱的孔隙度和滲透率進行測定，并選取其中具有較一致物性特征的樣品進行突破壓力研究。

3 實驗結果與討論

3.1 樣品長度與突破壓力的關系

牛武2井不同長度粉砂巖巖心柱的基本特征及突破壓力如表1所示。表中NW2-1樣品3個長度分別為1.1,1.4,2.55 cm的巖心柱，其突破壓力為0.57～0.59 MPa。NW2-5樣品3個巖心柱長度分別為0.87,1.80,3.72 cm，其突破壓力分別為1.39,1.42,1.44 MPa。長度變化在2～3倍，相同樣品的突破壓力值誤差在5%以內，遠低于規定的誤差范圍，說明突破壓力值與樣品長度無關。

圖1 TPY-1型氣體法突破壓力儀示意

樣品名稱長度/cm孔隙度/%滲透率/10-3μm2突破壓力/MPaNW2-1-11.107.590.053 90.57NW2-1-21.407.030.055 00.59NW2-1-32.556.800.054 10.59NW2-5-10.877.050.020 11.39NW2-5-21.806.220.025 31.42NW2-5-33.726.000.035 81.44NW2-5-1+NW2-5-22.671.43

從本質上說，突破壓力是非潤濕相流體(氣體)在潤濕相(飽和鹽水)中形成連續通道時所需克服的最小阻力。對于非潤濕相的氣體，必須克服巖石的毛細管力才能進入巖石孔道。根據界面現象理論，毛細管力是由于表面張力作用，在氣水兩相的彎曲界面上存在的附加壓力。由楊—拉普拉斯公式：

Pc=2σcosθ/r

式中：Pc為毛細管力；σ為氣水界面張力；θ為潤濕角；r為毛管半徑。

可以看出，毛細管力的大小只與界面張力、潤濕性及毛管半徑有關，與樣品長度無關。因此，突破壓力作為表征毛管封閉能力的參數，與樣品長度無關。在實際地質狀況中，蓋層厚度與毛管封閉能力無關。對于致密蓋層，理論上只需要很小的厚度就能封蓋住較大的氣柱高度，但是蓋層厚度太小則容易產生斷裂。

從測試結果來看，上述不同長度樣品的突破壓力與前人研究結果存在矛盾。前人研究中，人造石英砂巖的突破壓力值與長度呈正相關關系。同時，前人將巖心柱進行拼接后突破壓力值明顯增大。針對拼接實驗，筆者也選取了NW2-5-1和NW2-5-2等2個巖心柱進行拼接，巖心柱中間夾高孔滲金屬砂心。拼接后樣品總長度2.67 cm，突破壓力1.43 MPa，與原有巖心柱突破壓力(1.39,1.42 MPa)幾乎相等(表1)。

測試結果不一致，關鍵原因在于測試方法，而測試方法的差別則主要在于恒壓時間的設定。前人對于巖石氣體法突破壓力測定，遵循的是石油天然氣行業標準——巖石中氣體突破壓力測定標準方法(SY/T 5748-1995)，該方法對測試中的恒壓時間及壓力增幅做出了相應規定(表2)。但是，該方法對恒壓時間的規定只是單純按實驗壓力階段劃分，而沒有考慮樣品長度的影響，因此前人研究中低突破壓力的不同長度的石英砂巖基本是按照恒壓30 min進行測試的。然而在實驗測試過程中發現，恒壓30 min對于較短的巖心柱(小于1 cm)是合適的；但是當樣品長度增大時，隨著所需突破時間的增加，相應的恒壓時間也應該延長。如果仍然采用恒壓30 min，則導致原本前一個、甚至前幾個壓力值時就能突破，但是由于恒壓時間太短，壓力遞增到更高時才突破。因此，從結果上看，突破壓力隨長度增加而增加，但其實突破壓力值并沒有增加，只是測量值隨著長度增加而逐漸偏高，甚至偏高了一倍或者多倍。

本實驗中，考慮樣品長度對恒壓時間的影響，設定新的實驗測試參數(表3)。對于長度小于等于1 cm的樣品，恒壓時間采用表2標準方法中規定的值。但是，對于長度L>1 cm的樣品，則在原有恒壓時間的基礎上，根據樣品長度，按照L∶1的比例進行放大。NW2-5-1,NW2-5-2,NW2-5-3 巖心柱根據樣品長度0.87,1.80,3.72 cm，分別設定恒壓時間為30,54,111 min。同時，為了保證測試精度，將壓力增幅控制在5%左右。最終3個巖心柱測得的突破壓力值基本一致(表1)。如果按照行業標準S Y/T 5748-1995，將3個不同長度巖心柱的恒壓時間都規定為30 min，則NW2-5-2和NW2-5-3這 2個較長巖心柱樣品的突破壓力值不可能是1.42和1.44 MPa，而是會遠大于這個范圍。

表2 巖石中氣體突破壓力測定

表3 根據樣品長度設定的實驗參數

因此，突破壓力測試過程中對恒壓時間的設定，除了需要劃分實驗壓力階段外，還必須考慮樣品長度的影響。筆者只選用了較低突破壓力的粉砂巖樣品，初步證實按長度比例放大恒壓時間基本可行。對于泥巖等高突破壓力值的樣品，可能這個比例還遠遠不夠。 但是，只要恒壓時間足夠長，就能得到接近真實的樣品突破壓力，且突破壓力與長度無關。

3.2 超壓封閉實驗模擬

選取先前已測得突破壓力為1.39 MPa的樣品NW2-5-1，在前端進氣(P)、后端采用恒壓水泵恒定水壓(ΔP)條件下進行測試(圖2)。未加水壓時，樣品的突破壓力值Pd為1.39 MPa；施加不同的恒定水壓值后，氣體突破NW2-5-1樣品的壓力值均有顯著提高(表4)。由表4可以看出，不同恒定水壓條件下，氣體突破樣品的壓力P基本滿足關系式：P=Pd+ΔP。也就是說，氣體突破NW2-5-1樣品的壓力值等于附加于樣品后端的恒定水壓值和樣品突破壓力值之和。

在超壓模式圖(圖3)[14]中，超壓泥巖蓋層分為上、下致密層和中間欠壓實層3個部分。上、下致密層屬于正常壓實，其內部孔隙流體壓力為同地層的靜水壓力，孔隙度和滲透率低于中間欠壓實層的孔隙度和滲透率。而中間欠壓實層，大量孔隙流體因上、下致密層存在而滯留其中，并承受上覆地層的部分沉積載荷，從而產生較正常壓實泥巖更高的孔隙流體壓力，即形成超壓。

圖2 恒定水壓下突破壓力測試示意

恒定水壓ΔP/MPa所需壓力值P/MPa未加1.3912.4123.44

對于正常靜水壓力的蓋層(圖4)，由于突破過程中水力梯度逐漸降低，因此只要突破蓋層底部，氣體就能貫穿整個蓋層。假設蓋層底部B(或氣藏頂部A)的深度為H，氣—水界面深度為L，且氣藏剛好達到蓋層最大封閉能力，則氣藏中的壓力(Pg)等于氣—水界面處的水壓減去高度為h的氣柱的重力，即：

Pg=ρwgL-ρggh

上述關系式也可表示為：

Pg=ρwgH+(ρw-ρg)gh

即：氣藏中的壓力等于蓋層底部的靜水壓力與氣藏浮力之和。因此，氣藏中的壓力與蓋層底部靜水壓力之差為氣柱產生的浮力F。如果浮力F大于蓋層的突破壓力，蓋層就將被突破。但是對于存在超壓的氣藏(圖5)，欠壓實層中的超壓ΔP附加于下致密段上，增加了下致密層頂部C的靜水壓力，因此氣體要突破整個蓋層，氣藏中的壓力必須也要增加ΔP。

圖3 泥巖欠壓實層產生的超壓模式[14]

圖4 正常靜水壓力的氣藏

圖5 具有超壓封閉的氣藏

如果氣—水界面不變，氣柱高度就要增加，即增加的浮力ΔF=ΔP。而且，氣體只要突破了下致密層頂部C，就能貫穿整個蓋層(前提是上致密層的突破壓力小于下致密層)，與欠壓實層自身的突破壓力值無關，只與上下致密層的突破壓力有關，這與董忠良等[13]所認識的不一致。同時，通過上述實驗還認識到，超壓與封蓋能力之間的關系滿足P=Pd+ΔP定量關系，而不是呂延防等[8]所得出的關系：P=Pd+2ΔP。但是，在實際地質狀況下，超壓要起增強封閉作用，超壓層中的孔隙流體必須完全滯留于上下致密層內。一旦超壓流體發生滲漏，超壓封閉作用就將消失。

4 結論

1)利用自行研制的氣驅法突破壓力儀，對樣品長度與突破壓力之間的關系進行研究。結果表明，突破壓力作為衡量巖石毛細管封閉能力的參數，與樣品長度無關。比較前人的研究成果，矛盾根源在于測試方法上，而測試方法的差別在于突破壓力測試中恒壓時間的設定。前人工作中對于較長樣品恒壓時間太短，導致測試值隨著長度增加而逐漸偏高，認為是突破壓力逐漸增加，但其實突破壓力并沒有增加。本實驗中根據樣品長度比例放大恒壓時間，得到接近真實的突破壓力，并且與長度無關。因此，在實際地質狀況下，厚度的增加并不能提高蓋層的毛管封閉能力。

2)通過在樣品一端恒定不同的水壓值進行實驗，發現氣體突破樣品所需的壓力均增加，并且增加的壓力值等于所恒定的水壓值。結合實驗及超壓模式圖認識到，超壓之所以能夠提高蓋層的封閉能力，主要是其提高了氣體突破下致密層泥巖所需的壓力，并且增加的壓力等于超壓值，即滿足P=Pd+ΔP定量關系，并且與欠壓實層的突破壓力值無關。這與前人認為的突破壓力與欠壓實層突破壓力相關，以及突破壓力P=Pd+2ΔP等認識均有所不同。

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