第四章油氣蓋層及生儲(chǔ)蓋組合

第四章油氣蓋層及生儲(chǔ)蓋組合1

要形成油氣藏，就必須使運(yùn)載層中運(yùn)移的油氣不能向上散失掉或要防止油氣藏中油氣向上滲漏逸散而被破壞，那么在運(yùn)載層（儲(chǔ)集層）的上方就要有一套致密的、不滲透的、連續(xù)的地層把儲(chǔ)集層中的油氣保護(hù)起來。這種覆蓋在儲(chǔ)集層之上能夠阻止油氣向上逸散的細(xì)粒致密巖層稱為蓋層。蓋層的好壞及分布，直接影響著油氣在儲(chǔ)集層中的聚集和保存，決定了含油氣系統(tǒng)的有效范圍，是含油氣系統(tǒng)重要組成部分?！锷w層是指位于儲(chǔ)集層上方，能夠阻止儲(chǔ)集層中的烴類流體向上逸散的巖層?！?/p>

一、蓋層（caprocks

）的概念及類型蓋層的類型因劃分依據(jù)不同而有不同的分類方案。（一）按巖性特征分類（二）按產(chǎn)狀和作用分類（三）按縱向分布位置關(guān)系分類

（一）、按巖性特征分類按巖性特征蓋層可分為泥頁巖類、蒸發(fā)巖類和致密灰?guī)r3種。常見蓋層的巖石類型有泥巖、頁巖、石膏和硬石膏、鹽巖、含膏或含鹽的軟泥巖與泥巖、泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)細(xì)粉砂巖以及致密灰?guī)r等。常見的蓋層有：石膏和鹽巖占33%，泥巖、頁巖占65%，致密灰?guī)r占2%（334個(gè)大油氣田的統(tǒng)計(jì)）。

我國絕大多數(shù)油氣田的蓋層為泥頁巖。如大慶油田的主力油層的蓋層；其次是蒸發(fā)巖，如川南三疊系以碳酸鹽巖為產(chǎn)層的氣田，蓋層是石膏層。

（二）、按產(chǎn)狀和作用分類

按照產(chǎn)狀和作用可將蓋層分為3類（據(jù)陳榮書，1994）：區(qū)域蓋層（Regioncaprocks）它是指穩(wěn)定覆蓋在油氣田上方的區(qū)域性非滲透巖層。區(qū)域蓋層可以遍布凹陷或盆地的大部分地區(qū)，具有厚度大、分布面積廣、橫向穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。區(qū)域蓋層一般與圈閉儲(chǔ)集層不直接接觸，它的作用是將油氣運(yùn)移限制在一定的地層單元內(nèi)，對(duì)盆地或地區(qū)的油氣聚集起著十分重要的作用，在很大程度上決定著盆地的含油氣豐度與油氣性質(zhì)。圈閉蓋層（Trap

caprocks）它是指直接位于圈閉儲(chǔ)集層上面的非滲透巖層。它對(duì)圈閉中的油氣起著直接的封蓋作用。圈閉蓋層又稱局部蓋層，簡稱蓋層。隔層（Interlayer）它是指存在于圈閉內(nèi)，對(duì)油氣有封隔作用的非滲透巖層。它影響著油氣藏中的油氣以及壓力的分布規(guī)律。

（三）、按縱向分布位置關(guān)系分類

按蓋層縱向分布位置關(guān)系可以分為直接蓋層和上覆蓋層兩類。（1）直接蓋層：它是指緊鄰儲(chǔ)集層之上的蓋層。一般是圈閉蓋層，但也可以是區(qū)域性蓋層（2）上覆蓋層：它是指直接蓋層之上的所有非滲透性巖層。上覆蓋層一般是區(qū)域性蓋層，對(duì)區(qū)域性油氣的聚集分布和保存起重要作用?！锒⑸w層的封閉機(jī)理（Sealmechanismsofcaprocks

）蓋層較致密，巖石孔徑小，滲透性差；無或少開啟裂縫，即使產(chǎn)生裂縫，由于其可朔性較好，也容易彌合成為閉合裂縫；蓋層問題一直是石油地質(zhì)學(xué)研究的薄弱環(huán)節(jié)。過去曾單純地認(rèn)為蓋層之所以具有封隔性，是由于蓋層巖性致密、無裂縫、滲透性差所致?，F(xiàn)在從蓋層的微觀性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)：蓋層能封隔油氣的重要原因之一是蓋層具有較高的排驅(qū)壓力。目前已公認(rèn)蓋層的封閉機(jī)理有物性封閉、超壓封閉及烴濃度封閉（張厚福，1998），但以物性封閉最為常見。蓋層大多巖性致密、顆粒極細(xì)、孔隙半徑很小，油氣要通過蓋層進(jìn)行運(yùn)移，必須首先排替其中的水，克服毛細(xì)管壓力的阻力，如果不能克服該阻力則被封堵于蓋層之下，直到聚集的油氣高度足夠大，向上的浮力達(dá)到所需排驅(qū)壓力時(shí)（所謂排驅(qū)壓力指巖石中非潤濕相流體排驅(qū)潤濕相所需要的最小壓力），油氣才能穿過蓋層。由毛細(xì)管壓力公式Pc=2σcosθ/γ看，巖石越致密，孔喉半徑越小，巖石的毛細(xì)管壓力越大，封堵力越強(qiáng)。這種依靠蓋層巖石的毛細(xì)管壓力對(duì)油氣運(yùn)移的阻止作用稱為物性封閉。

（一）、物性封閉（毛細(xì)管壓力封閉）當(dāng)油氣從大孔隙進(jìn)入小孔隙，或穿越孔隙喉道時(shí)，將在油（或氣）柱（絲）兩端形成毛細(xì)管壓力差ΔPc

：ΔPc巖石越致密，孔喉半徑越小，巖石的毛細(xì)管壓力越大，封堵力越強(qiáng)。伯格（Berg，1975）提出下式用以確定石油上浮的臨界油柱高度：

如果油柱的浮壓超過蓋層的油水排替壓力，則油氣就穿過蓋層。美國阿拉帕契亞地區(qū)百英尺砂巖剖面圖

（二）、超壓封閉（superpressureseals）

超壓封閉是依靠蓋層孔隙流體中的異常高壓，對(duì)下伏油氣層起到有效封閉作用。超壓封閉一般指的是泥頁巖蓋層。在沉積盆地的壓實(shí)過程中，正常情況下，泥質(zhì)巖的壓實(shí)程度隨深度的增加而增強(qiáng)。隨著埋深的增加，泥巖中的流體被排出，巖石孔隙度變小，巖石變得致密。但在快速沉降和快速沉積條件下，厚層的泥頁巖由于壓實(shí)與排水作用不平衡導(dǎo)致“欠壓實(shí)”現(xiàn)象。一般在厚層泥巖中，首先在與滲透性儲(chǔ)集層接觸的附近壓實(shí)排水，隨著排水的發(fā)生，泥巖中的片狀礦物定向排列，孔隙度和滲透率降低，在泥巖四周形成致密層。致密層的形成阻礙了厚層泥巖內(nèi)部流體的排出，使得厚層泥巖內(nèi)部保留了高孔隙度。

（二）、超壓封閉（superpressureseals）真炳欽次通過對(duì)美國7241個(gè)砂巖油藏的統(tǒng)計(jì)，最理想的排流厚度為泥巖層上下15米，也就是說，當(dāng)泥巖厚度大于30米時(shí)，上覆沉積物堆積速度過快，泥巖就會(huì)排水不暢，出現(xiàn)“欠壓實(shí)”現(xiàn)象。這時(shí)，隨著上覆沉積負(fù)荷進(jìn)一步加大，泥巖內(nèi)部的高孔隙流體承擔(dān)了部分本應(yīng)由巖石骨架顆粒承擔(dān)的上覆沉積負(fù)荷的一部分重量，從而出現(xiàn)泥巖內(nèi)部的流體壓力大于相同深度的靜水壓力，形成異常高壓。

（三）、烴濃度封閉蓋層烴濃度封閉的三種模式：（1）蓋層為非生烴層；（2）蓋層為生烴層，但不存在欠壓實(shí)超壓；（3）蓋層為生烴層，且存在欠壓實(shí)超壓；★三、蓋層評(píng)價(jià)蓋層封閉油氣的機(jī)理有物性封閉、超壓封閉及烴濃度封閉，但油氣蓋層封閉往往是以上兩種或兩種以上組合形成的復(fù)合封閉。不論哪種封閉機(jī)理或復(fù)合封閉機(jī)理，都需要一定的物性封閉條件。也就是說物性封閉是超壓封閉或烴濃度封閉存在的基礎(chǔ)。所以目前評(píng)價(jià)蓋層的參數(shù)主要為評(píng)價(jià)蓋層物性封閉能力和影響物性封閉能力的參數(shù)，參數(shù)主要有蓋層巖性、單層厚度、累計(jì)厚度、孔隙度、滲透率、密度、比表面積、微孔隙結(jié)構(gòu)、孔吼中值半徑、壓汞中值壓力、排替壓力、泥巖中膨脹性礦物的含量、遮蓋系數(shù)、成巖強(qiáng)度、蓋層的力學(xué)參數(shù)等。下面介紹蓋層評(píng)價(jià)一些常用的參數(shù)及對(duì)蓋層封閉能力有效性影響：1、巖性：蓋層巖性的不同決定了排替壓力大小差異巖性特征可以作為定性評(píng)價(jià)蓋層的一個(gè)參數(shù)。油氣的蓋層巖性主要有泥頁巖類、蒸發(fā)巖類和致密灰?guī)r類3種類型。一般來說，蒸發(fā)巖類是最好的蓋層；泥頁巖類越純（含砂越少）封閉性越好；致密灰?guī)r含泥質(zhì)封閉性要好。

（一）、蓋層的巖礦性質(zhì)2、泥巖中膨脹性礦物的含量泥巖的封閉性取決于它的膨脹性。膨脹性粘土礦物含量越高，泥巖的封閉性能越強(qiáng)。目前主要采用X衍射分析技術(shù)分析泥巖中的粘土礦物含量。粘土礦物的膨脹性以蒙脫石﹥伊/蒙混層﹥高嶺石﹥伊利石﹥綠泥石順序排列。所以高含蒙脫石的泥巖封閉性強(qiáng)。

（一）、蓋層的巖礦性質(zhì)3、巖石的塑性塑性強(qiáng)的巖石相比脆性巖石不易產(chǎn)生斷裂和裂縫，封閉能力更強(qiáng)。巖石的塑性強(qiáng)度排列如下表：此外，粘土礦物的種類和含量也會(huì)影響到巖石的塑性強(qiáng)度，粘土礦物含量越高，塑性越強(qiáng)，相同含量情況下，蒙脫石＞高嶺石＞伊利石＞綠泥石。同時(shí)在一定深度范圍內(nèi)（3000m±），隨深度增加，塑性增強(qiáng)，超過該深度范圍，隨深度增加，泥巖韌性變差。因此，鹽巖、石膏巖是最優(yōu)質(zhì)的蓋層；泥巖巖次之，質(zhì)純泥頁巖優(yōu)，含蒙脫石多者優(yōu)；燧石層最差。

（一）、蓋層的巖礦性質(zhì)表4-1巖石朔性排列順序朔性巖性高

低巖鹽石膏層富含干酪根頁巖粘土質(zhì)頁巖粉砂質(zhì)頁巖碳酸鹽質(zhì)泥巖燧石1、孔隙大小和滲透性孔隙大小是評(píng)價(jià)蓋層最常用也是較有效的參數(shù)。因?yàn)榭紫洞笮〖仁怯绊懪膨?qū)壓力的重要參數(shù)，也是制約石油及天然氣擴(kuò)散的重要參數(shù)。涅斯捷洛夫（Нестелов，1975）根據(jù)蓋層孔徑的大小，把蓋層分為三個(gè)等級(jí)：①巖石孔徑小于5×10-6cm時(shí)，可作油層或氣層的蓋層；②巖石孔徑在5×10-6～2×10-4cm之間時(shí)，只能作油層的蓋層，不能作為氣層的蓋層；③巖石孔徑大于2×10-4cm時(shí)，油氣均可逸散，一般不能作為蓋層。滲透率通常作為評(píng)價(jià)儲(chǔ)集層的一個(gè)重要參數(shù)，一般認(rèn)為大于0.01×10-3μm2的巖石不具備封閉能力。滲透率作為評(píng)價(jià)一個(gè)蓋層參數(shù)來說，精度一般要求達(dá)到10-9μm2，數(shù)值越小，說明封閉能力越強(qiáng)。

（二）、物理性質(zhì)2、排替壓力前面講了毛細(xì)管壓力的公式，但蓋層的孔隙大小不一，在評(píng)價(jià)蓋層的物性封閉能力時(shí)，通常采用蓋層的最大連通孔隙半徑計(jì)算其毛細(xì)管壓力。我們把蓋層的最大連通孔隙所具有的毛細(xì)管壓力作為排替壓力。如果油氣克服了排替壓力（最大連通孔隙所具有的毛細(xì)管壓力），蓋層對(duì)油氣就失去了封閉能力。排替壓力越大，蓋層的封閉能力越強(qiáng)。研究排替壓力有吸附法、壓汞法和直接驅(qū)替法等。

排替壓力是目前國內(nèi)外進(jìn)行蓋層封閉能力定量評(píng)價(jià)的一個(gè)最主要參數(shù)，但尚無一個(gè)統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。一般把排替壓力1Mpa作為泥巖蓋層封閉油氣的下限值（李國平等，1990）。趙慶波等(1994)研究認(rèn)為,當(dāng)排替壓力大于15MPa時(shí),泥質(zhì)蓋層能封住超高壓氣藏,當(dāng)排替壓力為10-15MPa時(shí),能封住高壓氣藏,當(dāng)排替壓力為5-10MPa時(shí),能封住常壓氣藏,當(dāng)排替壓力小于5MPa時(shí),只能封住低壓氣藏。

（二）、物理性質(zhì)1、蓋層的厚度及連續(xù)性蓋層厚度要多大才能達(dá)到有效封閉油氣藏的基本要求，即蓋層厚度是否存在可以定量確定的下限？涅斯捷洛夫?qū)ιw層的厚度問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算后指出：油氣通過1米厚的粘土蓋層所需油藏壓力差達(dá)120×101325Pa（約120at），因此，從理論上推算只要1米厚的粘土層就足已能起到封閉油氣的作用。如果考慮地質(zhì)時(shí)間漫長，也只需幾米厚就足夠了。列別托（1977）曾對(duì)西高加索地區(qū)下白堊統(tǒng)油層的泥巖蓋層作過統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為埋深在1200-3000米范圍內(nèi)，5-10m厚的泥巖可起到良好的蓋層作用。據(jù)松遼盆地的經(jīng)驗(yàn)，泥巖厚度小于20米者，一般不能作為蓋層；而川南三疊系氣藏的石膏蓋層厚度一般僅20米左右，在長垣壩和高木頂兩個(gè)氣田，6-10米厚的石膏蓋層也能封隔獨(dú)立的工業(yè)氣藏。依諾澤姆采夫研究了古比雪夫地區(qū)下石炭統(tǒng)B2層油藏之上厚薄不等的蓋層對(duì)石油的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該區(qū)石油密度隨蓋層厚度增大而有規(guī)律的減小，但只要一到25米，石油密度基本就不變（圖4-4），因此認(rèn)為該區(qū)蓋層的有效厚度下限是25米。

（三）、蓋層的分布由此可見，理論上厚度對(duì)蓋層的封閉作用不是主要的，起主導(dǎo)作用的是排替壓力的大小和裂縫（特別是開啟裂縫）的發(fā)育程度。但統(tǒng)計(jì)表明國內(nèi)外大中型氣田均具有較大的蓋層厚度，且蓋層厚度與封閉的天然氣柱高度、天然氣的儲(chǔ)量豐度成正相關(guān)關(guān)系。從保存油氣的角度看，厚度大的蓋層一般分布上比較穩(wěn)定，易形成區(qū)域性蓋層；蓋層厚度大，不易被小斷層錯(cuò)斷，不易形成連通的微裂縫；厚度大的泥巖，其中的流體不易排出，從而形成異常壓力，即具有物性封閉又具有超壓封閉，導(dǎo)致封閉能力的增加。2、埋深

（三）、蓋層的分布據(jù)Прозорович等研究認(rèn)為：泥巖在1500-2500到4000m區(qū)間具有最佳封閉能力。泥質(zhì)巖蓋層封閉性演化模式1.蒙脫石2.伊蒙混層3.伊利石4.綠泥石5.高嶺石6.伊蒙混層隨著埋深加大，壓實(shí)程度增高，孔隙度、滲透率隨之減小，蓋層的排驅(qū)壓力增大，封閉性增高，與此同時(shí)，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，析出4個(gè)H2O，降低了巖石的韌性（朔性）分類級(jí)別孔隙度（%）滲透率（μm2）突破壓力（MPa）中值半徑（nm）擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）封閉能力Ⅰ＜2＜10-8＞15＜2＜10-8好Ⅱ2～510-8～10-715～102～510-8～10-7較好Ⅲ5～1010-7～10-610～55～1010-7～10-6一般Ⅳ＞10＞10-6＜5＞10＞10-6差蓋層物性封閉微觀評(píng)價(jià)分級(jí)的參考標(biāo)準(zhǔn)（李明誠，2004）突破壓力（MPa）突破時(shí)間Ta（104y/M）遮蓋系數(shù)Kf（%）參與突破的孔隙半徑孔隙集中范圍（nm）分散系數(shù)L（%）級(jí)別半徑（nm）含量（%）＞20＞1.8＞3500＜7＜51.0～3.2＜3Ⅰ20～151.8～1.33500～25007～9.5≤51.3～3.23.0～3.5Ⅱ＜15＜1.3＜2500＞9.5≥51.0～3.23.2～6.3＞3.5Ⅲ地礦部石油地質(zhì)中心實(shí)驗(yàn)所提供的泥質(zhì)蓋層分類評(píng)價(jià)表★四、生儲(chǔ)蓋組合生儲(chǔ)蓋組合是指在地層剖面中緊密相鄰的包括生油層、儲(chǔ)集層和蓋層的一個(gè)有規(guī)律的組合，稱為一個(gè)生儲(chǔ)蓋組合。由于在實(shí)際地層剖面中，巖性往往是過渡的、互層的、厚薄不均一的，所以對(duì)生儲(chǔ)蓋組合的劃分也不是截然的。一般取相近的主要生油層、主要儲(chǔ)集層和蓋層，劃為一個(gè)生儲(chǔ)蓋組合。在任何一個(gè)地區(qū)，正確劃分生儲(chǔ)蓋組合，對(duì)于預(yù)測(cè)可能的油氣藏類型，指出有利的勘探地區(qū)具有重要的意義。

（一）、概念1、

根據(jù)生、儲(chǔ)層空間和時(shí)間上的接觸關(guān)系分類

（二）、生儲(chǔ)蓋組合的分類在研究生、儲(chǔ)、蓋組合關(guān)系時(shí)，根據(jù)生、儲(chǔ)層空間和時(shí)間上的接觸關(guān)系，把生儲(chǔ)