第四章--油气盖层及生储盖组合

第四章油气盖层及生储盖组合1要形成油气藏，就必须使运载层中运移的油气不能向上散失掉或要防止油气藏中油气向上渗漏逸散而被破坏，那么在运载层（储集层）的上方就要有一套致密的、不渗透的、连续的地层把储集层中的油气保护起来。这种覆盖在储集层之上能够阻止油气向上逸散的细粒致密岩层称为盖层。盖层的好坏及分布，直接影响着油气在储集层中的聚集和保存，决定了含油气系统的有效范围，是含油气系统重要组成部分。★盖层是指位于储集层上方，能够阻止储集层中的烃类流体向上逸散的岩层。★一、盖层（caprocks）的概念及类型盖层的类型因划分依据不同而有不同的分类方案。（一）按岩性特征分类（二）按产状和作用分类（三）按纵向分布位置关系分类（一）、按岩性特征分类按岩性特征盖层可分为泥页岩类、蒸发岩类和致密灰岩3种。常见盖层的岩石类型有泥岩、页岩、石膏和硬石膏、盐岩、含膏或含盐的软泥岩与泥岩、泥灰岩和泥质灰岩、泥质细粉砂岩以及致密灰岩等。常见的盖层有：石膏和盐岩占33%，泥岩、页岩占65%，致密灰岩占2%（334个大油气田的统计）。我国绝大多数油气田的盖层为泥页岩。如大庆油田的主力油层的盖层；其次是蒸发岩，如川南三叠系以碳酸盐岩为产层的气田，盖层是石膏层。（二）、按产状和作用分类按照产状和作用可将盖层分为3类（据陈荣书，1994）：区域盖层（Regioncaprocks）它是指稳定覆盖在油气田上方的区域性非渗透岩层。区域盖层可以遍布凹陷或盆地的大部分地区，具有厚度大、分布面积广、横向稳定性好等特点。区域盖层一般与圈闭储集层不直接接触，它的作用是将油气运移限制在一定的地层单元内，对盆地或地区的油气聚集起着十分重要的作用，在很大程度上决定着盆地的含油气丰度与油气性质。圈闭盖层（Trapcaprocks）它是指直接位于圈闭储集层上面的非渗透岩层。它对圈闭中的油气起着直接的封盖作用。圈闭盖层又称局部盖层，简称盖层。隔层（Interlayer）它是指存在于圈闭内，对油气有封隔作用的非渗透岩层。它影响着油气藏中的油气以及压力的分布规律。（三）、按纵向分布位置关系分类按盖层纵向分布位置关系可以分为直接盖层和上覆盖层两类。（1）直接盖层：它是指紧邻储集层之上的盖层。一般是圈闭盖层，但也可以是区域性盖层（2）上覆盖层：它是指直接盖层之上的所有非渗透性岩层。上覆盖层一般是区域性盖层，对区域性油气的聚集分布和保存起重要作用。★二、盖层的封闭机理（Sealmechanismsofcaprocks）盖层较致密，岩石孔径小，渗透性差；无或少开启裂缝，即使产生裂缝，由于其可朔性较好，也容易弥合成为闭合裂缝；盖层问题一直是石油地质学研究的薄弱环节。过去曾单纯地认为盖层之所以具有封隔性，是由于盖层岩性致密、无裂缝、渗透性差所致。现在从盖层的微观性质研究发现：盖层能封隔油气的重要原因之一是盖层具有较高的排驱压力。目前已公认盖层的封闭机理有物性封闭、超压封闭及烃浓度封闭（张厚福，1998），但以物性封闭最为常见。盖层大多岩性致密、颗粒极细、孔隙半径很小，油气要通过盖层进行运移，必须首先排替其中的水，克服毛细管压力的阻力，如果不能克服该阻力则被封堵于盖层之下，直到聚集的油气高度足够大，向上的浮力达到所需排驱压力时（所谓排驱压力指岩石中非润湿相流体排驱润湿相所需要的最小压力），油气才能穿过盖层。由毛细管压力公式Pc=2σcosθ/γ看，岩石越致密，孔喉半径越小，岩石的毛细管压力越大，封堵力越强。这种依靠盖层岩石的毛细管压力对油气运移的阻止作用称为物性封闭。（一）、物性封闭（毛细管压力封闭）当油气从大孔隙进入小孔隙，或穿越孔隙喉道时，将在油（或气）柱（丝）两端形成毛细管压力差ΔPc：ptcγ1γ1cos2P－ΔPc－孔隙半径喉道半径—pt岩石越致密，孔喉半径越小，岩石的毛细管压力越大，封堵力越强。伯格（Berg，1975）提出下式用以确定石油上浮的临界油柱高度：如果油柱的浮压超过盖层的油水排替压力，则油气就穿过盖层。美国阿拉帕契亚地区百英尺砂岩剖面图（二）、超压封闭（superpressureseals）超压封闭是依靠盖层孔隙流体中的异常高压，对下伏油气层起到有效封闭作用。超压封闭一般指的是泥页岩盖层。在沉积盆地的压实过程中，正常情况下，泥质岩的压实程度随深度的增加而增强。随着埋深的增加，泥岩中的流体被排出，岩石孔隙度变小，岩石变得致密。但在快速沉降和快速沉积条件下，厚层的泥页岩由于压实与排水作用不平衡导致“欠压实”现象。一般在厚层泥岩中，首先在与渗透性储集层接触的附近压实排水，随着排水的发生，泥岩中的片状矿物定向排列，孔隙度和渗透率降低，在泥岩四周形成致密层。致密层的形成阻碍了厚层泥岩内部流体的排出，使得厚层泥岩内部保留了高孔隙度。（二）、超压封闭（superpressureseals）真炳钦次通过对美国7241个砂岩油藏的统计，最理想的排流厚度为泥岩层上下15米，也就是说，当泥岩厚度大于30米时，上覆沉积物堆积速度过快，泥岩就会排水不畅，出现“欠压实”现象。这时，随着上覆沉积负荷进一步加大，泥岩内部的高孔隙流体承担了部分本应由岩石骨架颗粒承担的上覆沉积负荷的一部分重量，从而出现泥岩内部的流体压力大于相同深度的静水压力，形成异常高压。（三）、烃浓度封闭盖层烃浓度封闭的三种模式：（1）盖层为非生烃层；（2）盖层为生烃层，但不存在欠压实超压；（3）盖层为生烃层，且存在欠压实超压；★三、盖层评价盖层封闭油气的机理有物性封闭、超压封闭及烃浓度封闭，但油气盖层封闭往往是以上两种或两种以上组合形成的复合封闭。不论哪种封闭机理或复合封闭机理，都需要一定的物性封闭条件。也就是说物性封闭是超压封闭或烃浓度封闭存在的基础。所以目前评价盖层的参数主要为评价盖层物性封闭能力和影响物性封闭能力的参数，参数主要有盖层岩性、单层厚度、累计厚度、孔隙度、渗透率、密度、比表面积、微孔隙结构、孔吼中值半径、压汞中值压力、排替压力、泥岩中膨胀性矿物的含量、遮盖系数、成岩强度、盖层的力学参数等。下面介绍盖层评价一些常用的参数及对盖层封闭能力有效性影响：1、岩性：盖层岩性的不同决定了排替压力大小差异岩性特征可以作为定性评价盖层的一个参数。油气的盖层岩性主要有泥页岩类、蒸发岩类和致密灰岩类3种类型。一般来说，蒸发岩类是最好的盖层；泥页岩类越纯（含砂越少）封闭性越好；致密灰岩含泥质封闭性要好。（一）、盖层的岩矿性质2、泥岩中膨胀性矿物的含量泥岩的封闭性取决于它的膨胀性。膨胀性粘土矿物含量越高，泥岩的封闭性能越强。目前主要采用X衍射分析技术分析泥岩中的粘土矿物含量。粘土矿物的膨胀性以蒙脱石﹥伊/蒙混层﹥高岭石﹥伊利石﹥绿泥石顺序排列。所以高含蒙脱石的泥岩封闭性强。（一）、盖层的岩矿性质3、岩石的塑性塑性强的岩石相比脆性岩石不易产生断裂和裂缝，封闭能力更强。岩石的塑性强度排列如下表：此外，粘土矿物的种类和含量也会影响到岩石的塑性强度，粘土矿物含量越高，塑性越强，相同含量情况下，蒙脱石＞高岭石＞伊利石＞绿泥石。同时在一定深度范围内（3000m±），随深度增加，塑性增强，超过该深度范围，随深度增加，泥岩韧性变差。因此，盐岩、石膏岩是最优质的盖层；泥岩岩次之，质纯泥页岩优，含蒙脱石多者优；燧石层最差。（一）、盖层的岩矿性质表4-1岩石朔性排列顺序朔性岩性高低岩盐石膏层富含干酪根页岩粘土质页岩粉砂质页岩碳酸盐质泥岩燧石1、孔隙大小和渗透性孔隙大小是评价盖层最常用也是较有效的参数。因为孔隙大小既是影响排驱压力的重要参数，也是制约石油及天然气扩散的重要参数。涅斯捷洛夫（Нестелов，1975）根据盖层孔径的大小，把盖层分为三个等级：①岩石孔径小于5×10-6cm时，可作油层或气层的盖层；②岩石孔径在5×10-6～2×10-4cm之间时，只能作油层的盖层，不能作为气层的盖层；③岩石孔径大于2×10-4cm时，油气均可逸散，一般不能作为盖层。渗透率通常作为评价储集层的一个重要参数，一般认为大于0.01×10-3μm2的岩石不具备封闭能力。渗透率作为评价一个盖层参数来说，精度一般要求达到10-9μm2，数值越小，说明封闭能力越强。（二）、物理性质2、排替压力前面讲了毛细管压力的公式，但盖层的孔隙大小不一，在评价盖层的物性封闭能力时，通常采用盖层的最大连通孔隙半径计算其毛细管压力。我们把盖层的最大连通孔隙所具有的毛细管压力作为排替压力。如果油气克服了排替压力（最大连通孔隙所具有的毛细管压力），盖层对油气就失去了封闭能力。排替压力越大，盖层的封闭能力越强。研究排替压力有吸附法、压汞法和直接驱替法等。排替压力是目前国内外进行盖层封闭能力定量评价的一个最主要参数，但尚无一个统一的分级标准。一般把排替压力1Mpa作为泥岩盖层封闭油气的下限值（李国平等，1990）。赵庆波等(1994)研究认为,当排替压力大于15MPa时,泥质盖层能封住超高压气藏,当排替压力为10-15MPa时,能封住高压气藏,当排替压力为5-10MPa时,能封住常压气藏,当排替压力小于5MPa时,只能封住低压气藏。（二）、物理性质1、盖层的厚度及连续性盖层厚度要多大才能达到有效封闭油气藏的基本要求，即盖层厚度是否存在可以定量确定的下限？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：油气通过1米厚的粘土盖层所需油藏压力差达120×101325Pa（约120at），因此，从理论上推算只要1米厚的粘土层就足已能起到封闭油气的作用。如果考虑地质时间漫长，也只需几米厚就足够了。列别托（1977）曾对西高加索地区下白垩统油层的泥岩盖层作过统计分析，认为埋深在1200-3000米范围内，5-10m厚的泥岩可起到良好的盖层作用。据松辽盆地的经验，泥岩厚度小于20米者，一般不能作为盖层；而川南三叠系气藏的石膏盖层厚度一般仅20米左右，在长垣坝和高木顶两个气田，6-10米厚的石膏盖层也能封隔独立的工业气藏。依诺泽姆采夫研究了古比雪夫地区下石炭统B2层油藏之上厚薄不等的盖层对石油的影响，结果发现该区石油密度随盖层厚度增大而有规律的减小，但只要一到25米，石油密度基本就不变（图4-4），因此认为该区盖层的有效厚度下限是25米。（三）、盖层的分布由此可见，理论上厚度对盖层的封闭作用不是主要的，起主导作用的是排替压力的大小和裂缝（特别是开启裂缝）的发育程度。但统计表明国内外大中型气田均具有较大的盖层厚度，且盖层厚度与封闭的天然气柱高度、天然气的储量丰度成正相关关系。从保存油气的角度看，厚度大的盖层一般分布上比较稳定，易形成区域性盖层；盖层厚度大，不易被小断层错断，不易形成连通的微裂缝；厚度大的泥岩，其中的流体不易排出，从而形成异常压力，即具有物性封闭又具有超压封闭，导致封闭能力的增加。2、埋深（三）、盖层的分布据Прозорович等研究认为：泥岩在1500-2500到4000m区间具有最佳封闭能力。泥质岩盖层封闭性演化模式1.蒙脱石2.伊蒙混层3.伊利石4.绿泥石5.高岭石6.伊蒙混层随着埋深加大，压实程度增高，孔隙度、渗透率随之减小，盖层的排驱压力增大，封闭性增高，与此同时，蒙脱石向伊利石转化，析出4个H2O，降低了岩石的韧性（朔性）分类级别孔隙度（%）渗透率（μm2）突破压力（MPa）中值半径（nm）扩散系数（cm2/s）封闭能力Ⅰ＜2＜10-8＞15＜2＜10-8好Ⅱ2～510-8～10-715～102～510-8～10-7较好Ⅲ5～1010-7～10-610～55～1010-7～10-6一般Ⅳ＞10＞10-6＜5＞10＞10-6差盖层物性封闭微观评价分级的参考标准（李明诚，2004）突破压力（MPa）突破时间Ta（104y/M）遮盖系数Kf（%）参与突破的孔隙半径孔隙集中范围（nm）分散系数L（%）级别半径（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地矿部石油地质中心实验所提供的泥质盖