石油天然气地质学第5章盖层研究

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1、第 五 章 油 气 藏 盖 层 研 究第 一 节 盖 层 概 述一 、 盖 层 概 念 1. 定 义 ： 位 于 储 集 层 之 上 ， 阻 止 油 气 向 上 运 移 的 致 密不 渗 透 岩 层 。 盖 层 的 概 念 和 渗 透 率 一 样 是 相 对 的 。 一 定 岩 性 、 一 定 厚度 的 岩 层 在 一 定 的 油 藏 能 量 下 能 充 当 盖 层 ， 但 在 油 藏 能 量 更高 的 情 况 下 则 有 可 能 被 穿 透 ， 不 能 作 盖 层 。 即 ： 盖 层 的 有 效 性 是 相 对 的 。 2. 盖 层 分 类 局 部 ： 含 油 气 盆 地 的 局 部 隆 起

2、 上 （ 1） 按 分 布 规 模 区 域 ： 含 油 气 盆 地 全 区 覆 盖 相 对 均 质 盖 层 （ 其 它 岩 性 夹 层 25 ） 按 成 分 不 均 质 盖 层 （ 其 它 岩 性 夹 层 25 ） 陆 源 成 因 ： 含 泥 质 、 粉 砂 质 盖 层 化 学 成 因 ： 含 岩 盐 、 石 膏 、 硬 石 膏 按 成 因 冰 冻 成 因 ： 含 冰 冻 砂 、 粉 砂 混 合 成 因 ： 灰 泥 、 膏 盐 、 灰 盐 、 膏 灰 、 泥 冰 特 殊 盖 层 ： 水 合 物 盖 层 沥 青 盖 层 3 盖 层 封 闭 烃 类 的 机 理 ： 毛 细 管 力 封 闭 具 有

3、较 高 的 排 替 压 力 而 阻 止 烃 类 逸 散 超 压 封 闭 异 常 高 的 孔 隙 压 力 而 阻 止 烃 类 逸 散 (3) 烃 浓 度 封 闭 生 烃 地 层 以 高 浓 度 阻 止 下 伏 油 气 向 上 扩 散 运移 。 特 点 ： 毛 细 管 力 封 闭 ： 一 般 只 能 遮 挡 游 离 相 的 烃 ， 难 以 封 堵 水 溶 相 及 扩 散 相 烃 ； 对 于 石 油 比 天 然 气 更 重 要 ， 气 易 溶 于 水 ； 在 泥 岩 压 实 阶 段 的 晚 期 更 为 重 要 ； 特 点 ： 异 常 高 压 可 以 封 闭 任 何 相 态 的 烃 类 ； 对 天 然

4、 气 的 封 闭 作 用 比 对 石 油 更 重 要 ； 在 泥 岩 压 实 阶 段 的 中 期 更 重 要 ； (3) 烃 浓 度 封 闭 主 要 封 闭 以 扩 散 方 式 向 上 运 移 的 烃 类 ； 盖 层 的 烃 浓 度 越 高 ， 封 闭 扩 散 的 能 力 越 强 ； 本 身 是 烃 源 岩 ， 同 样 具 有 毛 管 压 力 封 闭 ； 从 世 界 现 有 油 田 来 看 ， 可 作 盖 层 的 岩 性 有 ： (1) 泥 （ 页 ） 岩 与 碎 屑 岩 储 层 并 存 ； (2) 岩 盐 石 膏 （ 硬 石 膏 ） 多 发 育 在 碳 酸 盐 岩 剖 面 ； (3) 泥 灰

5、 岩 、 泥 质 石 灰 岩 、 石 灰 岩 裂 缝 不 发 育 地 区 ； (4) 冰 冻 砂 岩 、 致 密 砂 岩 少 见据 统 计 (H.D.Klemme,1977),世 界 上 334个 大 油 气 田 中 泥 页 岩 盖 层 占 65 ， 蒸 发 岩 类 占 33 ， 致 密 灰 岩 类 占 2 1. 泥 质 （ 页 ） 岩 类 盖 层 特 点 ： 分 布 广 、 数 量 多 、 最 常 见 ， 几 乎 产 于 各 种 沉 积 环 境 中 。 苏 联 对 泥 质 岩 盖 层 研 究 较 详 细 ， 对 其 成 分 、 分 散 度 、 结 构 构 造特 点 与 其 遮 挡 能 力 的

6、 关 系 作 了 较 多 研 究 。 影 响 该 类 盖 层 的 因 素 ： 膨 胀 性 矿 物 （ 尤 其 是 蒙 脱 石 ） 越 多 ， 盖 层 质 量 就 越 好 ， 遮 挡力 越 强 ， 所 需 的 厚 度 越 小 。 粒 度 组 分 ： 分 散 性 （ 粉 碎 程 度 ） 越 高 ， 其 渗 透 率 就 越 低 ， 遮挡 能 力 就 越 强 。 含 砂 质 、 粉 砂 质 等 杂 质 会 大 大 降 低 泥 质 盖 层 的 遮 挡 能 力 ； 矿 物 成 份 ： 蒙 脱 石 吸 收 容 量 大 ， 因 此 遮 挡 力 强 ； 2. 岩 盐 、 石 膏 （ 硬 石 膏 ） 类 盖 层

7、该 类 盖 层 是 高 质 量 的 盖 层 ， 可 遮 挡 高 压 气 藏 。 它 们 所 遮 挡 的 油 藏 的 充 填 程 度 最 为 饱 满 （ 常 达 80100 ）油 气 藏 高 度 大 。 含 盐 岩 层 随 深 度 增 大 塑 性 增 大 ， 由 于 “ 流 动 效应 ” ， 它 们 能 愈 合 裂 缝 、 断 裂 ， 使 油 气 不 致 流 失 。 单 独 由 石 膏 （ 特 别 是 硬 石 膏 ） 组 成 的 盖 层 ， 其 遮 挡 能 力 不如 盐 岩 。 石 膏 与 岩 盐 塑 性 是 硬 石 膏 的 三 倍 ， 所 以 由 硬 石 膏 组 成的 盖 层 的 油 藏 油

8、柱 高 度 不 大 ， 油 充 满 系 数 小 。 只 有 石 膏 与 岩 盐结 合 或 成 互 层 ， 才 能 大 幅 度 提 高 遮 挡 能 力 。 3. 碳 酸 盐 类 盖 层 通 常 是 指 碳 酸 盐 岩 占 半 数 至 纯 由 碳 酸 盐 岩 组 成 的 一 些 非 渗透 性 岩 石 ， 如 泥 质 石 灰 岩 、 硫 酸 盐 化 灰 岩 、 石 灰 岩 等 。4. 砂 岩 盖 层 ： 致 密 砂 岩 或 饱 含 水 砂 岩 。5. 冰 冻 成 因 盖 层 ： 见 于 永 久 冻 土 带 。盖 层 遮 挡 能 力 排 序 ： 岩 盐 含 盐 的 混 合 岩 类 泥 （ 页 ） 岩

9、石 膏 （ 硬 石 膏 稍 次） 砂 质 泥 岩 泥 灰 岩 泥 质 灰 岩 及 硫 酸 盐 化 石 灰 岩 石 灰 岩含 少 量 泥 质 ） 泥 质 粉 砂 致 密 砂 岩 冰 冻 岩 。 三 、 盖 层 遮 挡 能 力 与 厚 度 的 关 系 依 诺 泽 姆 采 夫 研 究 了 古 比 雪 夫 地 区 C油 藏 之 上 厚 薄 不 等 的盖 层 对 石 油 的 影 响 。 1. 石 油 密 度 随 盖 层 厚 度 增加 而 减 小 。 但 只 说 明 该 区 25M不足 以 保 护 石 油 的 氧 化 ，厚 度 达 一 定 值 之 后 ， 密度 再 不 增 大 ， 说 明 油 藏已 得 到

10、 充 分 保 护 。 三 、 盖 层 遮 挡 能 力 与 厚 度 的 关 系 2. 溶 解 气 组 分 变 化 25M内 甲 烷 含 量 随 厚度 增 大 而 增 大 ， 线 性 关系 。 25M时 不 再 影 响 。 重 烃 随 厚 度 上 升 而下 降 ， 到 25M时 不 变 。 说 明 ， 25M是 理 想 厚度 ， 但 是 并 不 是 所 有 地区 都 应 具 有 25M的 理 想厚 度 才 能 作 盖 层 。 结 论 ： 厚 度 不 是 决 定 因 素 。 厚 度 与 油 藏 高 度 无 对 比 关 系 。 一 般 认 为 ， 盖 层 厚 度 与 封 闭 能 力 之 间 ， 没 有

11、 绝 对 关 系 。 涅 斯 捷 洛 夫 对 盖 层 的 厚 度 问 题 进 行 了 实 验 和 理 论 计 算 后指 出 ， 只 要 有 1米 厚 的 粘 土 层 作 盖 层 ， 就 能 起 到 封 闭 油 气 的 作用 。 如 果 再 加 上 时 间 因 素 ， 也 只 需 要 几 米 厚 就 足 够 了 。 别 列 托 对 西 高 加 索 区 下 白 垩 统 油 层 的 盖 层 进 行 了 统 计 和分 析 ， 认 为 埋 深 在 1200-3000米 范 围 内 ， 5-10米 厚 的 泥 岩 可 封闭 。我 国 ： 松 辽 盆 地 ： 泥 岩 盖 层 厚 度 下 限 20m 川 南

12、三 叠 系 气 藏 石 膏 盖 层 下 限 6 10m 以 上 是 对 泥 岩 而 言 ， 对 化 学 岩 却 无 人 涉 足 。 四 、 盖 层 遮 挡 能 力 与 深 度 的 关 系 盖 层 遮 挡 性 能 除 与 岩 性 、 厚 度 有 密 切 关 系 外 ， 还 与 埋 藏深 度 有 关 。 影 响 因 素 有 ： 1、 岩 石 埋 深 增 加 ， 岩 石 的 压 缩 作 用 增 强 岩 石 密 度 增 大， 体 积 缩 小 ， 孔 隙 管 道 结 构 发 生 变 化 ， 孔 隙 管 道 截 面 积 变 小， 增 强 了 盖 层 遮 挡 能 力 。 当 深 度 不 大 ， 约 1000

13、M时 ， 泥 质 盖 层 中 粉 砂 质 含 量 的 多 寡对 其 影 响 较 大 。 含 量 上 升 ， 遮 挡 下 降 。 当 深 度 达 3000M或 更 深 时 ， 压 实 作 用 强 烈 ， 导 致 孔 隙 度 大大 减 小 ， 使 泥 质 粉 砂 岩 与 粉 砂 质 泥 岩 的 遮 挡 能 力 变 得 很 相 近。 表 1 埋 深 不 同 的 岩 石 孔 隙 管 道 直 径 渗 透 率 和 贯 穿 压 力 对 比粉 砂 质 泥 岩 (粉 砂 组 份 20 ) 泥 质 粉 砂 岩样号 深 度m 优 势孔 隙m 最 大孔 隙m 渗 透率md 贯穿压力 样号 深 度m 优 势孔 隙m 最

14、 大孔 隙m 渗 透率md 贯穿压力4 980 0.032-0.08 0.064-0.1 2.8 10 -4 18 7 1059 0.032-0.08 0.064-0.13 24 10-4 95 1800 0.025-0.05 0.04-0.064 8.5 10-5 30 8 1850 0.02-0.064 0.05-0.1 4.8 10-5 306 3400 0.013-0.03 0.05-0.064 4.4 10-5 50 9 3780 0.02-0.064 0.5-0.064 5 10-5 76 2. 高 温 高 压 泥 岩 在 高 温 高 压 下 发 生 压 缩 、 脱 水 作 用 ，

15、 变 成 硬 泥 岩 （泥 板 岩 ） ， 其 塑 性 降 低 ， 岩 性 变 脆 ， 并 出 现 裂 隙 。 若 裂 隙 不是 孤 立 的 ， 则 会 显 著 降 低 泥 岩 的 遮 挡 能 力 。 E.M.乌 斯 （ 苏 .高 加 索 天 研 所 )认 为 :泥 岩 在 成 岩 后 生 作 用的 早 期 是 流 体 挡 板 ， 进 入 深 处 （ 4000-6000M） 后 会 开 裂 变 成渗 透 层 。 对 西 西 伯 利 亚 中 生 界 剖 面 的 研 究 ， 泥 质 盖 层 在 15002500M深 度 性 能 最 佳 。 第 二 节 盖 层 的 分 类 评 价一 、 盖 层 的

16、分 类 评 价 1. A.A.哈 宁 的 盖 层 分 类 评 价 哈 宁 根 据 实 验 数 据 编 制 了 一 个 泥 质 岩 评 价 表 。 这 是 对 盖层 所 作 的 首 次 划 分 尝 试 。 分 类 依 据 ： 孔 隙 直 径 、 渗 滤 性 质 、 气 体 贯 穿 压 力 。 存 在 问 题 ： 用 煤 油 饱 和 岩 样 与 地 层 条 件 根 本 不 同 。 地层 条 件 下 作 为 盖 层 的 泥 岩 虽 然 与 油 气 直 接 接 触 ， 但 盖 层 中 通常 含 有 水 ， 这 种 水 处 于 毛 管 中 ， 是 难 以 置 换 出 来 的 。 划 分 过 细 泥 岩

17、遮 挡 能 力 评 价 表 （ 哈 宁 ）组 气 体 绝 对 渗 透 率 (MD) 通 过 饱 和 煤 油 岩 石 的 气 体 贯 穿 压 力 (Kg/cm2) 遮 挡 能 力 A 10-6 120 非 常 高 B 10-5 80 高 C 10-4 55 中 D 10-3 30 偏 低 E 10 -2 5 低F 10-1 0.01 无 遮 挡 能力 R.A皮 利 普 建 议 的 岩 石 遮 挡 能 力 评 价 表类 气 体 绝 对渗 透 率 (MD) 遮 挡 系 数(1/K ) 通 过 饱 和 水岩 石 的 气 体贯 穿 压 力 差 P(K g/c2) 遮 挡 能力 10-5 105 400

18、高 10 -5-10-3 105-103 150-400 中 10-3 103 150 低 二 、 评 价 盖 层 遮 挡 能 力 的 一 些 常 用 参 数 指 标 1. 厚 度 ： 泥 岩 厚 25m为 理 想 厚 度 在 某 些 情 况 下 （ Pk值 较 高 、 Na+含 量 高 、 膨 胀 性 矿 物 含 量高 ， 裂 隙 少 时 ） 56M厚 的 泥 岩 也 可 成 为 工 业 油 气 藏 的 盖 层 。 对 于 石 膏 、 硬 石 膏 层 、 某 些 油 区 资 料 20M厚 才 可 靠 。 2. 贯 穿 压 力 （ P贯 ） 与 贯 穿 压 差 （ 贯 ） 贯 气 体 贯 穿

19、饱 和 煤 油 的 岩 石 所 需 压 力 。 盖 层 贯 穿 时 其 上 、 下 之 压 力 差 。 这 两 个 数 值 越 大 ， 盖 层 遮 挡 能 力 越 强 。 3. 渗 透 率 K 对 于 储 层 ， 一 般 小 于 1md就 不 再 分 析 具 体 数 值 了 。 而 对 于 盖层 ， 其 渗 透 率 精 度 则 要 求 达 到 10-6md， 数 值 越 小 ， 说 明 遮 挡 能力 越 强 。 一 般 大 于 0.01md的 岩 石 就 被 认 为 无 遮 挡 能 力 ， 不 能 作盖 层 。 4. 遮 挡 系 数 1/K K的 倒 数 1/K， 因 为 K太 小 （ 0.1

20、0.001md） 使 用 不 方 便 ，1/K则 为 整 数 ， 数 值 越 大 ， 遮 挡 越 强 。 5. 孔 隙 管 道 的 直 径 (d) 可 根 据 N.N.涅 斯 切 罗 夫 公 式 来 估 算 ， 由 一 定 粒 级 的 均 匀颗 粒 组 成 的 孔 隙 管 道 直 径 ： 式 中 ： n 泥 质 颗 粒 面 积 M 孔 隙 度 d 孔 隙 管 道 的 平 均 直 径 一 般 说 来 ， d越 小 ， 盖 层 遮 挡 能 力 就 越 强 。nMnd 3 1 6. 泥 岩 中 膨 胀 性 矿 物 的 含 量 蒙 脱 石 含 量 越 高 ， 遮 挡 能 力 越 强 ， 对 盖 层 厚

21、 度 的 要 求 相应 可 以 降 低 。 7. 泥 质 盖 层 的 砂 质 、 粉 砂 质 百 分 含 量 及 泥 质 系 数 呈 夹 层 或 杂 质 形 式 出 现 于 泥 质 盖 层 中 的 砂 、 粉 砂 含 量 越高 ， 遮 挡 力 越 差 。 泥 质 系 数 -泥 岩 总 厚 度 /盖 层 总 厚 度 。 系 数 越 大 ， 遮 挡能 力 越 强 。 8. 盖 层 中 交 换 Na+含 量 Na +含 量 高 ， 则 膨 胀 性 、 吸 水 性 、 塑 性 都 好 ， 遮 挡 能 力强 （ 此 指 标 尚 有 争 议 ） 。 9. 盖 层 的 分 散 度 分 散 度 （ 粉 碎 程

22、 度 ） 越 高 ， 其 渗 透 率 就 越 小 。 10. 盖 层 岩 石 塑 性 塑 性 大 ， 盖 层 好 。 不 易 产 生 裂 缝 。 塑 性 大 小 顺 序 ： 盐 岩 硬 石 膏 富 有 机 质 页 岩 页 岩 粉砂 质 页 岩 钙 质 页 岩 燧 石 岩 泥 岩 塑 性 的 影 响 ： 粘 土 矿 物 种 类 和 含 量 韧 性 大 小 顺 序 ： 蒙 脱 石 高 岭 石 伊 利 石 绿 泥 石 11. 孔 隙 毛 细 压 力 （ P K） PK越 大 ， 遮 挡 越 强 。 盖 层 毛 细 压 力 储 层 毛 细 压 力 油 藏 能 量 ， 则 油 藏 就 能 保存 下 来

23、。 第 三 节 盖 层 研 究 新 方 法一 、 声 波 时 差 测 井 法 评 价 泥 岩 盖 层 封 闭 性 声 波 速 度 的 大 小 与 岩 性 有 关 ， 尤 其 对 岩 石 的 孔 隙 结 构 反 映更 为 灵 敏 。 泥 岩 颗 粒 小 ， 孔 隙 半 径 与 喉 道 半 径 差 别 不 大 ， 且 孔 隙 大 小分 布 较 均 匀 ， 因 此 泥 岩 孔 隙 度 大 小 反 映 了 喉 道 半 径 的 变 化 ， 与渗 透 率 、 排 替 压 力 关 系 密 切 。 大 量 统 计 资 料 表 明 ， 声 波 时 差 值 越 大 ， 泥 岩 孔 隙 度 越 大 ，则 排 替 压

24、 力 越 小 ； 所 以 ， 泥 岩 声 波 时 差 值 与 其 封 闭 性 之 间 有 较好 的 对 应 关 系 。 郝 石 生 、 陈 章 明 、 吕 延 防 等 （ 1995） ： 以 松 辽 盆 地 的 数 据为 例 ， 总 结 了 泥 岩 、 粉 砂 质 泥 岩 和 泥 质 粉 砂 岩 的 排 替 压 力 与 声波 时 差 之 间 的 对 应 经 验 公 式 ： 4.77143.150714.07.247 tPdc 0.45745.130745.0108 tP dsc 2.45.12075.070 tPdcs优 点 ： 解 决 了 盖 层 样 品 不 足 的 矛 盾 ， 不 仅 节

25、省 经 费 与 时 间 ， 而且 可 以 对 每 口 井 钻 遇 的 层 连 续 采 样 、 评 价 。缺 点 ： 受 到 井 数 量 的 限 制 ， 难 以 在 面 上 扩 展 到 一 个 盆 地 （ 或 凹陷 ） 评 价 泥 岩 盖 层 的 封 闭 性 。 第 三 节 盖 层 研 究 新 方 法二 、 地 震 层 速 度 法 评 价 泥 岩 盖 层 封 闭 性 将 上 述 声 波 时 差 与 排 替 压 力 关 系 式 转 化 为 声 波 速 度 与 排 替压 力 关 系 式 ， 再 将 校 正 后 的 地 震 层 速 度 取 代 声 波 速 度 即 可 算 出排 替 压 力 值 。 由 于 地 震 速 度 与 声 波 速 度 二 者 常 有 一 定 的 系 统 误 差 ， 一 般地 震 速 度 往 往 大 于 声 波 速 度 ， 需 进 行 误 差 校 正 。 先 算 出 相 应 点 位 的 排 替 压 力 值 ， 最 后 编 制 排 替 压 力 等 值 线图 ， 便 可 对 盖 层 封 闭 性 作 出 全 区 评 价 。 此 外 ， 比 较 正 常 压 实 段 与 欠 压 实 段 泥 岩 的 声 波 速 度 或 地 震层 速 度 ， 也 可 对 泥 岩 盖 层 超 压 封 闭 作 出 评 价 。