碳酸鹽巖蓋層突破壓力的影響因素分析

張 璐，國建英，林 潼，謝增業，楊春龍,2，董才源,2，郭澤清,2，郝愛勝

(1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油天然氣集團有限公司 天然氣成藏與開發重點實驗室，河北 廊坊 065007)

蓋層的封閉性能是油氣能否成藏并保存的重要條件之一，除了傳統的膏鹽巖和泥頁巖外，大量研究證明碳酸鹽巖在一定條件下也可以作為油氣的封蓋層[1]。早在1974年，前蘇聯的迪曼彼喬拉地區就發現了以石炭系、二疊系的大套灰巖作為蓋層的油氣藏[2]。相比較泥頁巖，碳酸鹽巖蓋層封閉能力較易受到地球化學反應的影響，但毛細管封閉仍是其封閉的基礎，也是最普遍的機理。20世紀70年代，國外學者BERG和 SCHOWALTER提出蓋層的毛細管封閉阻擋了下伏油氣向上運移，蓋層與儲集層之間的物性差異引起毛細管壓力的差異而造成蓋層對油氣的封閉作用[3-4]。一直以來，突破壓力作為衡量毛管封閉能力大小的尺度，在蓋層綜合評價中一直是研究和應用的重點[5]。國內外眾多學者通過不同方式測定了巖石樣品的突破壓力[6-13]，但前人以碳酸鹽巖為樣品的突破壓力測試研究較少，難以指導碳酸鹽巖作為油氣封蓋層的評價研究，同時勘探的深入需要進一步分析深層—超深層環境下碳酸鹽巖蓋層是否具有封閉能力。本文通過對塔里木盆地多種巖性的碳酸鹽巖進行實驗測試，在分析巖性差異的基礎上，結合不同的溫度條件，探討碳酸鹽巖突破壓力的影響因素。

1 實驗樣品及測試方法

實驗挑選了塔里木盆地寒武系—奧陶系共77塊不同巖性的碳酸鹽巖樣品，部分樣品特征見表1。樣品孔隙度分布在0.02%～19.31%，滲透率分布在(0.000 8～0.684 0)×10-3μm2。從顯微特征可見(圖1)，所選樣品大部分較致密，晶粒間發育溶孔，部分顆粒結晶表面有溶蝕現象，致密云巖白云石晶粒結晶粗大，自形程度好，接觸緊密。

實驗測試前將樣品切割為直徑2.5 cm左右的標準柱塞樣并進行實驗前處理。測試方法按照行業標準《巖石氣體突破壓力測定方法：SY/T 5748—2013》中的要求進行，圍壓設置為40 MPa。

2 影響因素分析

突破壓力的大小取決于巖石自身的巖性差異、礦物組成、顆粒結構、孔隙發育特征以及裂縫的充填狀態等[14-19]。然而，巖石在地層條件下的賦存條件也與突破壓力值有密切關系，因此，分析相同樣品在不同實驗條件下的變化對說明埋藏條件下巖石的封閉性能有重要作用。

2.1 巖石特征

2.1.1 巖性特征

塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖樣品突破壓力分析顯示(圖2)，膏質云巖、泥質云巖、泥晶灰巖和泥晶云巖的平均突破壓力均大于5 MPa，是塔里木盆地的主要碳酸鹽巖蓋層；其他巖類如顆粒灰巖、顆粒白云巖等雖有個別樣品突破壓力較高，但絕大多數都小于5 MPa，總體屬于非蓋層。

表1 塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖部分蓋層樣品基本參數Table 1 Basic parameters of Cambrian-Ordovician carbonate samples in Tarim Basin

圖1 塔里木盆地寒武系—奧陶系碳酸鹽巖部分實驗樣品掃描電鏡下的顯微特征Fig.1 Micro-scale characteristics of Cambrian-Ordovician carbonate samples in Tarim Basin under scanning electron microscope (SEM)

圖2 塔里木盆地不同巖性碳酸鹽巖平均突破壓力Fig.2 Average breakthrough pressure of carbonate rocks in Tarim Basin with different lithologies

2.1.2 巖石物性

物性直接反映了蓋層巖石的致密程度。從分析數據看(圖3)，巖石的孔隙度、滲透率與突破壓力均為負相關的關系，巖石的孔滲越大，氣體越容易通過巖石進行逸散。與孔隙度相比，滲透率與突破壓力的關系更為明顯。

2.1.3 微裂縫發育情況

微觀上巖石結構對封閉能力有一定影響，裂縫是影響突破壓力值的關鍵。膏質云巖中僅見少量溶蝕縫，且溶蝕縫被硬石膏完全填充[20]，因此具有較高的封閉能力。泥晶云巖基質孔隙不發育，在微裂縫不發育時可以作為較好的封蓋層。圖4為一組不同裂縫發育情況的泥晶灰巖，當裂縫較多且被部分充填時，突破壓力最小，為2.89 MPa；當壓溶縫和構造裂縫分別被泥質和亮晶方解石充填時，突破壓力為7.84 MPa；當巖石不發育構造裂縫時，突破壓力最高，為14 MPa。

2.2 實驗溫度

根據排替壓力公式，理論上排替壓力的大小除受到最大連通孔喉半徑影響外，還受到氣水界面張力以及不同相態接觸角的影響。

(1)

式中:Pc為排替壓力，Pa；σ為烴水界面張力，N/m；θ為接觸角，(°)；r為最大孔隙半徑，μm；

根據SCHOWALTER[4]和趙國英等[21]有關界面張力的實驗，可以發現油水界面張力與氣水界面張力有一定的差異性，但在相同壓力條件下，不論油—水、氣—水的界面張力值與溫度都具有線性關系(圖5)，隨著溫度的升高，巖石內部孔隙中流體的界面張力隨之減小。

圖3 塔里木盆地碳酸鹽巖孔隙度、滲透率與突破壓力的關系Fig.3 Correlation between porosity, permeability and breakthrough pressure of carbonate rocks in Tarim Basin

圖4 塔里木盆地寒武系—奧陶系泥晶灰巖裂縫特征Fig.4 Fracture characteristics of Cambrian-Ordovician micrite limestones in Tarim Basin

可見，溫度會對巖石的突破壓力造成一定影響，然而突破壓力與溫度的關系是否適用于所有巖性，前人在此方面研究較少。為了系統分析碳酸鹽巖突破壓力與溫度的關系，本次研究分別選取了塔中地區含泥膏質云巖、粉細晶含灰云巖、膏質云巖、泥晶顆粒灰巖、泥晶生屑灰巖、亮晶藻砂屑灰巖、亮晶砂屑灰巖這7種碳酸鹽巖樣品，分別測試在30，50，70，90，110 ℃條件下的突破壓力。實驗結果見圖6。從圖6中可以看出，亮晶砂屑灰巖突破壓力受溫度的影響最小。膏質云巖、粉細晶含灰云巖以及泥晶顆粒灰巖突破壓力與溫度之間呈現負相關，即隨著溫度的升高，樣品的突破壓力略有下降。含泥膏質云巖與泥晶生屑灰巖突破壓力隨著溫度的升高明顯增大。

圖5 20 MPa下溫度對界面張力的影響 數據引自文獻[21] 。Fig.5 Effect of temperature on interfacial tension at the pressure of 20 MPa

可見大部分碳酸鹽巖突破壓力隨溫度的增加有降低趨勢。筆者認為出現該現象主要有以下兩個原因：(1)由于溫度增加導致氣水界面張力降低，從而使巖石突破壓力測定結果變小。(2)從分子熱運動角度分析，溫度改變主要影響氣體熱運動的均方根速度以及平均自由行程。在其他條件相對不變的條件下，溫度增加，氣體分子的運動速率增大，活性增強，均方根速度也隨之顯著增大，平均自由行程隨之緩慢增加，在各種因素的綜合影響下，表現為氣體突破樣品的速度加快。

少數樣品趨勢相反，經礦物組成鑒定發現這兩塊樣品的泥質含量較高(表2)。為確定是泥質含量的影響，進行了其他巖性的相關實驗(圖7)[22]。圖7中的紅線為泥巖，可見確實有隨溫度升高泥巖樣品突破壓力增加的趨勢，而砂巖有降低的趨勢。據分析[23]，泥巖在小于200 ℃時，溫度升高產生的熱蒸發作用與熱膨脹作用，均可使內部微裂縫開度減小甚至閉合，微孔隙收縮，從而提高泥巖的密實程度。

在地層環境下，埋深的增加會導致地溫增大，除少部分含泥碳酸鹽巖外，大部分碳酸鹽巖突破壓力會減小。因此，埋深增加是碳酸鹽巖蓋層保存的不利條件，在深層—超深層地區的碳酸鹽巖蓋層應考慮其泥質含量。

2.3 樣品長度

前人從不同角度闡述了蓋層厚度對蓋層封閉能力的影響，研究認為巖石的突破壓力與巖樣長度之間存在線性相關性[24-27]，考慮到邊界層阻力對蓋層封閉能力的影響，蓋層的厚度越大，原油通過蓋層所需的啟動壓力也越大[25]。俞凌杰等[27]實驗得出了不同結論，認為突破壓力僅與巖石自身特性有關，而與長度關系不大。

圖6 塔里木盆地不同碳酸鹽巖類突破壓力隨溫度變化關系Fig.6 Correlation between breakthrough pressure and temperature for different carbonate rocks in Tarim Basin

表2 塔里木盆地不同碳酸鹽巖樣品礦物組成Table 2 Mineral compositions of different types of carbonate rocks in Tarim Basin

圖7 不同巖性突破壓力隨溫度變化關系 泥巖數據引自文獻[22]。Fig.7 Correlation between breakthrough pressure and temperature for different lithologies

根據突破壓力的計算公式(公式1)，理論上巖石的突破壓力值與樣品的厚度無關，僅與自身所具有的喉道半徑值有關。在前人研究的基礎上，為了更準確地了解蓋層厚度與蓋層封閉能力的關系以及巖性對蓋層封閉能力的影響，本次設計不同樣品長度的恒壓實驗，即以較小的壓力注入，保持注入壓力不變，觀察是否被突破。分析長中短不同長度樣品在恒壓條件下的突破時間，共完成了3種巖性的分析測試。

用增壓法測定時，非均質性對樣品的突破壓力影響很大，突破壓力值與長度的關系較為混亂，呈波浪形變化[28]。然而，以恒定較小的壓力去進行氣體注入時，樣品的突破時間隨著長度增加有增大的趨勢(圖8)。

實驗證明，不同長度的樣品都可以在一個較小的注入壓力下被氣體突破，只是突破時間不同，但增壓法由于實驗方法的限制，長樣品在還未突破的時候就升壓至下一壓力梯度，導致長樣品的突破壓力值較高，因此有部分學者得出突破壓力會隨著長度的增加而增加的結論。

圖8 塔里木盆地不同碳酸鹽巖樣品 恒壓條件下樣品的長度與突破時間的關系Fig.8 Correlation between length and breakthrough time of different carbonate rocks in Tarim Basin under constant pressure

實驗樣品的長度無法模擬地層中蓋層的厚度。在非均質性地層中，大小喉道層段相互疊置，地層總體突破壓力受小喉道層段控制，因此蓋層厚度越大，大喉道的連通幾率越小，特別是對于微小裂縫在縱向上的連通蓋層幾率越小，封閉性能就越好。同時蓋層厚度越大，沉積環境越穩定，越容易出現欠壓實造成的超壓封閉現象[29]。因此，蓋層的厚度影響著油氣的保存條件，蓋層厚度越大，其封閉能力就越強。

3 結論

(1)影響碳酸鹽巖突破壓力的巖石特征主要為巖性、物性及裂縫發育情況。滲透率低、裂縫發育少的膏質及泥質云巖、泥晶灰巖(云巖)是優質的蓋層。

(2)碳酸鹽巖樣品突破壓力在實驗中主要受到溫度的影響，大部分樣品隨溫度的升高而減小，樣品長度對結果影響不明顯。因此，在根據蓋層突破壓力評價封閉性能的時候，要考慮地溫的影響。

(3)泥質含量是碳酸鹽巖蓋層封閉能力的重要影響因素，因此泥質含量應為預測碳酸鹽巖蓋層突破壓力的主要參數。