馬存飛, 董春梅, 林承焰, 尹 鶴, 謝晶晶,欒國強(qiáng), 曾 芳, 孫小龍, 沈正春

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580;2.山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580;3.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依834000; 4.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200335;5.中國石化勝利油田物探研究院,山東東營 257022)

在油氣成藏要素中,生烴是基礎(chǔ),圈閉是條件,保存是關(guān)鍵,而蓋層封閉性是保存條件研究的核心內(nèi)容[1]。其中,蓋層厚度對(duì)油氣的保存具有積極作用,是評(píng)價(jià)蓋層封閉性的主要參數(shù)之一[2-9]。為了更確切地反映蓋層厚度對(duì)油氣封閉性的影響,曹成潤[10]提出了蓋層有效封蓋厚度的概念,即對(duì)發(fā)育一定傾角的蓋層來講,當(dāng)無斷層和裂縫破壞時(shí)蓋層中能夠封閉油氣的鉛直厚度。呂延防[11]、付廣等[12-13]分別提出并應(yīng)用了蓋層斷接有效厚度的概念,即蓋層被斷層破壞后,斷層兩盤的蓋層未被完全錯(cuò)開,彼此仍對(duì)接的那部分厚度。上述蓋層有效厚度的定義從幾何角度出發(fā),重點(diǎn)考慮了蓋層的產(chǎn)狀和斷裂的發(fā)育情況,適用于均質(zhì)的蓋層。當(dāng)蓋層巖性不純、局部發(fā)育微裂縫或物性與儲(chǔ)層差異性較小時(shí),蓋層內(nèi)部的非均質(zhì)性同樣導(dǎo)致封閉能力的差異性,形成封閉能力強(qiáng)的部分、封閉能力弱的部分和無封閉能力的部分。筆者在前人研究基礎(chǔ)上,將蓋層有效厚度定義為“剔除由斷層破壞、微裂縫發(fā)育和蓋層非均質(zhì)性等因素導(dǎo)致的蓋層中不具有封閉性的部分,得到真正具有封閉性部分的鉛直厚度”,并利用X氣藏實(shí)際數(shù)據(jù),對(duì)蓋層有效厚度的內(nèi)涵、計(jì)算方法、檢驗(yàn)及應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 蓋層有效厚度的內(nèi)涵

蓋層是指位于儲(chǔ)層之上阻止油氣向上運(yùn)移的致密巖層。在砂泥巖互層發(fā)育且厚度很大的地層剖面中,由于缺少穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)層控制,劃分蓋層的發(fā)育段是困難的。油氣藏存在于一定的流體系統(tǒng)中,處于該系統(tǒng)中的蓋層具有關(guān)鍵的封閉效應(yīng),而穩(wěn)定分布的區(qū)域性蓋層(標(biāo)準(zhǔn)層)、地層界限(通常是不整合)和大型斷裂等均是控制流體系統(tǒng)的邊界?；诖?本文中定義蓋層發(fā)育段是在地層格架內(nèi),儲(chǔ)層頂部到地層界限(級(jí)別通常為“組”及以上)或大型斷裂。不同類型的油氣藏,定義蓋層發(fā)育段的方法相同,但斷層油氣藏和地層油氣藏比較特殊。具體來講,背斜油氣藏和巖性油氣藏中蓋層發(fā)育段定義為儲(chǔ)層頂部到區(qū)域性蓋層、地層界限或大型斷裂,而斷層油氣藏和地層油氣藏除了存在蓋層封閉作用之外,斷層和不整合也可能具有獨(dú)立封閉能力,此時(shí)需要分析斷層和不整合的結(jié)構(gòu)及其對(duì)油氣的封閉作用,判斷斷層和不整合之上或側(cè)向的地層是否對(duì)油氣藏具有封閉貢獻(xiàn),從而更合理地確定蓋層發(fā)育段。

蓋層封閉能力受沉積環(huán)境、成巖作用和斷裂等宏觀因素控制,具體受孔隙結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)等微觀因素影響[14]。蓋層的微觀封閉機(jī)制包括物性封閉、烴濃度封閉和超壓封閉3種[15]。X氣藏蓋層不具備生烴能力,且不發(fā)育超壓,因此蓋層封閉能力主要為物性封閉。通常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的毛細(xì)管力近似為突破壓力或排替壓力來表征蓋層物性封閉能力[16],根據(jù)毛細(xì)管力產(chǎn)生機(jī)制,當(dāng)流體性質(zhì)一定時(shí),毛細(xì)管力主要受孔喉半徑影響,故蓋層物性封閉能力主要受孔隙結(jié)構(gòu)控制。

泥質(zhì)巖蓋層和砂巖儲(chǔ)層在孔喉類型及大小、壁面特征、孔喉比、迂曲度、連通情況、孔滲和束縛水飽和度等孔隙結(jié)構(gòu)方面的差異性是物性封閉產(chǎn)生的根本,是蓋層有效厚度的微觀基礎(chǔ)。泥質(zhì)巖蓋層中孔喉類型以粉砂級(jí)或黏土級(jí)碎屑顆粒粒間孔和黏土礦物晶間孔為主,富有機(jī)質(zhì)泥巖中還發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔[17]，孔喉尺度主要為納米級(jí),壁面粗糙,迂曲度大,孔喉配位數(shù)低,連通性差,而砂巖儲(chǔ)層中孔喉類型主要為砂級(jí)碎屑顆粒粒間(溶)孔和粒內(nèi)(溶)孔,尺度為微米級(jí),壁面光滑,迂曲度小,孔喉配位數(shù)高,連通性好,由此造成泥質(zhì)巖蓋層較砂巖儲(chǔ)層孔滲低,束縛水飽和度高,故突破壓力大,產(chǎn)生物性封閉(圖1)。

泥質(zhì)巖蓋層的非均質(zhì)性導(dǎo)致了蓋層物性封閉能力的差異性,是蓋層有效厚度的宏觀條件。對(duì)于單套蓋層來講,由于巖性不純、夾層及紋層發(fā)育或裂縫存在使得蓋層內(nèi)部具有強(qiáng)非均質(zhì)性,造成孔隙結(jié)構(gòu)的差異性,導(dǎo)致蓋層內(nèi)部物性封閉能力具有差異性,從而產(chǎn)生封閉能力強(qiáng)弱不同的部分和無封閉能力的部分。對(duì)于砂泥巖互層發(fā)育的多套蓋層來講,不僅單套蓋層內(nèi)部存在非均質(zhì)性,而且蓋層之間也存在非均質(zhì)性,形成具有不同封閉能力的蓋層,甚至由于砂體側(cè)向連接造成蓋層封閉能力失效，因此蓋層內(nèi)部和蓋層之間的非均質(zhì)性導(dǎo)致蓋層物性封閉能力的差異性,而只有那些具有封閉能力的部分對(duì)封閉油氣才是有貢獻(xiàn)的,其單層厚度或累加厚度為有效厚度。

圖1 泥質(zhì)巖蓋層和砂巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)差異性對(duì)比Fig.1 Difference comparison of pore structure between argillaceous cap rock and sandstone reservoir

2 蓋層有效厚度的計(jì)算

蓋層和儲(chǔ)層具有相對(duì)性,因此蓋層有效厚度求取的關(guān)鍵是建立蓋層和儲(chǔ)層的判別標(biāo)準(zhǔn)。本文中的研究思路是利用泥質(zhì)巖蓋層和砂巖儲(chǔ)層的分析測(cè)試資料,通過對(duì)比首先確定蓋層和儲(chǔ)層的界限,具體參數(shù)包括突破壓力、巖性(粒度)、孔隙度和滲透率,進(jìn)而建立蓋層的物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);然后利用測(cè)井資料和分析測(cè)試資料建立評(píng)價(jià)參數(shù)的解釋模型,識(shí)別巖性和計(jì)算孔隙度、滲透率及突破壓力;最后參照物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)綜合確定蓋層中不具有封閉性的部分,并從蓋層厚度中剔除,從而得到有效厚度。本文中以X氣藏為例介紹蓋層有效厚度的計(jì)算方法。X氣藏構(gòu)造平緩,斷裂不發(fā)育,圈閉類型屬于大型寬緩背斜,閉合高度大且天然氣充注程度高。氣藏埋深3 000～4 000 m,其上部為正常壓力系統(tǒng),而下部發(fā)育異常超壓,地溫梯度較高,約為3～4℃/100 m。蓋層屬于辮狀河三角洲泛濫平原沉積,非均質(zhì)性強(qiáng),突出表現(xiàn)為砂泥巖薄互層發(fā)育、累積厚度大且內(nèi)部巖性不純,包含泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含泥粉砂巖和粉砂巖等,其中以粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主。蓋層巖石中碎屑顆粒粒度范圍跨度大,介于黏土級(jí)～巨砂級(jí)別(小于0.003 9～2 mm),但主要分布在細(xì)粉砂～粗粉砂范圍內(nèi)(0.003 9～0.062 5 mm)。此外,蓋層粉砂含量高、彈性模量大、脆性強(qiáng),裂縫較發(fā)育。

2.1 蓋層物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

2.1.1 突破壓力界限

在蓋層物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立過程中,蓋層和儲(chǔ)層的界限是首要解決的問題,而兩者的本質(zhì)區(qū)別體現(xiàn)在孔喉結(jié)構(gòu)的差異上,由此導(dǎo)致突破壓力不同,故突破壓力是劃分蓋層和儲(chǔ)層的有效指標(biāo)。X氣藏蓋層和儲(chǔ)層的突破壓力測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明97.7%以上的砂巖儲(chǔ)層突破壓力小于2 MPa,而泥質(zhì)巖蓋層的突破壓力普遍大于2 MPa,兩者的數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)線的交點(diǎn)約為2 Ma(圖2),據(jù)此判斷兩者的突破壓力界限為2 MPa。

圖2 泥質(zhì)巖蓋層和砂巖儲(chǔ)層突破壓力分布Fig.2 Breakthrough pressure distribution of argillaceous cap rock and sandstone reservoir

蓋層的作用是阻止油氣運(yùn)移,其結(jié)果是在儲(chǔ)層中形成油氣聚集。當(dāng)油氣供給充足時(shí),對(duì)于一套砂泥巖組合,在油氣充注過程中如果上覆泥質(zhì)巖的封閉能力比下伏砂巖大,那么它能夠捕獲一部分油氣,且封閉性越強(qiáng)捕獲的油氣越多,含油氣情況越好。相反地,如果上覆泥質(zhì)巖的封閉能力與下伏砂巖相近或更低,那么它顯然是不具有封閉能力的,無法捕獲油氣。所以，儲(chǔ)層中含油氣好壞在一定程度上可以反映蓋層的封閉能力,特別是油水同層或氣水同層對(duì)判斷蓋層和儲(chǔ)層的突破壓力界限有重要作用。對(duì)于油水同層或氣水同層,隨著蓋層突破壓力減小,封閉能力減弱,儲(chǔ)層中的油氣不斷散失,含油氣飽和度降低,而當(dāng)蓋層突破壓力降低到不能封閉油氣時(shí),油水同層或氣水同層將變?yōu)樗畬?。換言之,在油水同層或氣水同層中存在一個(gè)最低的突破壓力,使得油水同層或氣水同層保持穩(wěn)定,若蓋層低于該突破壓力,氣水同層將會(huì)消失而變?yōu)樗畬?此時(shí)蓋層失效而變?yōu)閮?chǔ)層，因此油水同層或氣水同層中直接蓋層的突破壓力下限可以作為蓋層和儲(chǔ)層的界限。X氣藏儲(chǔ)層中含油氣性包括氣層、氣水同層、干層和水層,其中氣層的直接蓋層的突破壓力大于4 MPa,氣水同層的直接蓋層的突破壓力下限約2 MPa(圖3),故將2 MPa作為蓋層和儲(chǔ)層的突破壓力界限是可靠的。

圖3 不同含油氣性儲(chǔ)層的直接蓋層的突破壓力Fig.3 Breakthrough pressure of direct cap rock of different oil-bearing reservoir

2.1.2 臨界巖性(粒度)

由于蓋層的物性封閉能力主要受孔隙結(jié)構(gòu)控制,而巖性是影響孔隙結(jié)構(gòu)的主要因素,故突破壓力與巖性之間存在良好的相關(guān)性。隨著巖石中碎屑顆粒粒度變粗,孔喉增大,孔隙結(jié)構(gòu)變好,突破壓力降低,物性封閉能力減弱(圖4)。具體來講,粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)細(xì)—極細(xì)粉砂巖的碎屑顆粒粒度小于0.015 625 mm,突破壓力均大于8 MPa,物性封閉能力好;泥質(zhì)中粉砂巖的碎屑顆粒粒度為0.015 625～0.031 25 mm,突破壓力最小值為4 MPa,物性封閉能力中等;泥質(zhì)粗粉砂巖的碎屑顆粒粒度為0.031 25～0.062 5 mm,突破壓力下限約2 MPa,物性封閉能力差;泥質(zhì)極細(xì)砂巖的碎屑顆粒粒度為0.062 5～0.125 mm,突破壓力為1～2 MPa,物性封閉能力極差;細(xì)砂巖的碎屑顆粒粒度為0.125～0.25 mm,突破壓力小于1 MPa,一般沒有物性封閉能力,但當(dāng)細(xì)砂巖中存在少量灰質(zhì)時(shí),突破壓力能夠增大至約1.5 MPa(圖4)。從突破壓力和巖性的相關(guān)關(guān)系能夠看出泥質(zhì)粗粉砂巖的突破壓力下限約2 MPa,這與蓋層和儲(chǔ)層的突破壓力界限一致,因此泥質(zhì)粗粉砂巖可以作為判別蓋層和儲(chǔ)層的臨界巖性,其中碎屑顆粒粒度比粗粉砂小的巖性,如粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)細(xì)—極細(xì)粉砂巖和泥質(zhì)中粉砂巖的突破壓力最大值、平均值和最小值均大于2 MPa,物性封閉能力更強(qiáng),而碎屑顆粒粒度較粗粉砂大的巖性,如泥質(zhì)極細(xì)砂巖、灰質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖的突破壓力最小值均小于2 MPa,通常物性封閉能力極差或不具有物性封閉能力(圖5)。

圖4 不同巖性的突破壓力分布Fig.4 Breakthrough pressure distribution of different lithologies

圖5 不同巖性突破壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Statistical results of breakthrough pressure of different lithologies

2.1.3 物性界限

與突破壓力類似,孔隙度和滲透率也主要受巖性和孔隙結(jié)構(gòu)影響,三者具有良好的相關(guān)性[16]。隨著巖性變粗,孔隙度增加,滲透率增大,而突破壓力減小,物性封閉能力減弱。當(dāng)孔隙度和滲透率增加到一定值時(shí),突破壓力降低到臨界標(biāo)準(zhǔn),蓋層將失去物性封閉能力。當(dāng)突破壓力界限為2 MPa時(shí),蓋層的孔隙度和滲透率分別為6%和0.02×10-3μm2(圖6、7),這與臨界巖性泥質(zhì)粗粉砂巖的孔隙度上限和滲透率上限吻合(圖8)。泥質(zhì)中粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)—極細(xì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖的孔隙度上限和滲透率上限均小于6%和0.02×10-3μm2,并且依次降低,而突破壓力下限則依次增加,物性封閉能力逐漸增強(qiáng),屬于蓋層;泥質(zhì)極細(xì)砂巖、灰質(zhì)砂巖和細(xì)砂巖的孔隙度上限和滲透率上限均大于6%和0.02×10-3μm2,并且逐漸升高,而突破壓力均小于2 MPa,通常不具有物性封閉能力,屬于儲(chǔ)層(圖6～8)。

圖6 巖性-突破壓力-孔隙度關(guān)系Fig.6 Relationship of lithology-breakthrough pressure-porosity

圖7 巖性-突破壓力-滲透率關(guān)系Fig.7 Relationship of lithology-breakthrough pressure-permeability

圖8 巖性-滲透率-孔隙度關(guān)系Fig.8 Relationship of lithology-permeability-porosity

在蓋層突破壓力、巖性(粒度)和物性界限確定的基礎(chǔ)上,根據(jù)參數(shù)之間的關(guān)系(圖4、圖6～8),采用突破壓力下限、優(yōu)勢(shì)巖性(粒度)、孔隙度上限和滲透率上限等指標(biāo)進(jìn)一步對(duì)蓋層物性封閉分級(jí)評(píng)價(jià),將蓋層物性封閉劃分為Ⅰ～Ⅴ 5個(gè)等級(jí)(表1),其中Ⅰ～Ⅲ級(jí)蓋層突破壓力大于2 MPa,優(yōu)勢(shì)巖性為泥質(zhì)粗粉砂巖或更細(xì),孔隙度小于6%,滲透率小于0.02×10-3μm2,均具有一定的物性封閉能力,劃分為蓋層;而Ⅳ、Ⅴ級(jí)蓋層突破壓力小于2 MPa,優(yōu)勢(shì)巖性較泥質(zhì)粗粉砂巖更粗,孔隙度大于6%,滲透率大于0.02×10-3μm2,一般不具有物性封閉能力,劃分為儲(chǔ)層。

表1 X氣藏蓋層物性封閉分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Hierarchical evaluation criteria of cap rocks capillary sealing of X gas reservoir

表1 X氣藏蓋層物性封閉分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

物性封閉等級(jí)突破壓力下限/MPa優(yōu)勢(shì)巖性(粒度)物性上限孔隙度φ/%滲透率k/10-3μm2封閉性判斷Ⅰ?8粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)細(xì)—極細(xì)粉砂巖?3.5?0.006Ⅱ4～8泥質(zhì)中粉砂巖3.5～4.50.006～0.008Ⅲ2～4泥質(zhì)粗粉砂巖4.5～60.008～0.02蓋層Ⅳ1～2泥質(zhì)極細(xì)砂巖、灰質(zhì)細(xì)砂巖6～80.02～0.04Ⅴ?1細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖?8?0.04儲(chǔ)層

2.2 蓋層物性封閉評(píng)價(jià)參數(shù)的測(cè)井解釋

2.2.1 測(cè)井巖性識(shí)別

巖性定名方法有兩種,一種是基于碎屑顆粒粒度的定名,通過薄片鑒定或粒度分析實(shí)現(xiàn),而另一種是基于碎屑顆粒含量的定名,通過薄片鑒定或全巖礦物衍射測(cè)試實(shí)現(xiàn)。利用常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算巖石中碎屑顆粒粒度是困難的,而計(jì)算碎屑顆粒含量已得到普遍應(yīng)用[19],故利用自然伽馬曲線建立巖石的泥質(zhì)含量模型進(jìn)行全井段解釋,并按照基于碎屑顆粒含量的三級(jí)命名原則將X氣藏蓋層巖性劃分為泥巖、含砂泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、含泥砂巖和砂巖[20]。計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中,Vsh為泥質(zhì)含量,%;HGCUR為希爾奇(Hilchie)指數(shù),與地質(zhì)年代有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),老地層取2,第三系地層取3.7;IGR為自然伽馬相對(duì)值;GR為目的層的自然伽馬值,API;GRmin為純砂巖的自然伽馬最小值,API;GRmax為純泥巖的自然伽馬最大值,API。

在巖性識(shí)別過程中,由于測(cè)井資料對(duì)巖性(粒度)識(shí)別的尺度達(dá)不到薄片鑒定的精度,并且無法識(shí)別層理構(gòu)造,導(dǎo)致薄片鑒定的巖性種類比測(cè)井解釋的巖性種類更多,即利用測(cè)井解釋的一種巖性中可能包含了多種通過薄片鑒定獲得的巖性,因此需要建立兩種識(shí)別尺度下的巖性對(duì)應(yīng)關(guān)系。在應(yīng)用測(cè)井資料識(shí)別巖性后,通過與薄片鑒定的巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸類,最終確定了X氣藏蓋層中九種主要巖性的歸屬(表2)。從顆粒優(yōu)勢(shì)粒度統(tǒng)計(jì)來看,含泥砂巖和砂巖中顆粒優(yōu)勢(shì)粒度大于粗粉砂,根據(jù)蓋層物性封閉的巖性(粒度)標(biāo)準(zhǔn)判斷含泥砂巖和砂巖不具有封閉性,而泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖中顆粒優(yōu)勢(shì)粒度均小于粗粉砂,具有封閉性，因此利用自然伽馬曲線解釋的泥質(zhì)砂巖是判別蓋層和儲(chǔ)層的另一巖性(含量)標(biāo)準(zhǔn),這為常規(guī)測(cè)井資料求取蓋層有效厚度提供了重要依據(jù)。

表2 X氣藏蓋層9種主要巖性的測(cè)井解釋和薄片鑒定對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relation between logginginterpretation and thin section authentication of ninetypes of primary cap rocks lithologiesof X gas reservoir

表2 X氣藏蓋層9種主要巖性的測(cè)井解釋和薄片鑒定對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relation between logginginterpretation and thin section authentication of ninetypes of primary cap rocks lithologiesof X gas reservoir

測(cè)井解釋巖性薄片鑒定巖性薄片優(yōu)勢(shì)粒度測(cè)量封閉性判斷泥巖砂質(zhì)泥巖泥質(zhì)砂巖含泥砂巖砂巖塊狀泥巖塊狀含粉砂泥巖塊狀粉砂質(zhì)泥巖紋層狀粉砂質(zhì)泥巖塊狀泥質(zhì)粉砂巖紋層狀泥質(zhì)粉砂巖塊狀含泥粉砂巖紋層狀含泥粉砂巖塊狀砂巖黏土至細(xì)粉砂細(xì)粉砂至中粉砂中粉砂至粗粉砂粗粉砂至極細(xì)砂極細(xì)砂至粗砂蓋層儲(chǔ)層

2.2.2 孔隙度、滲透率和突破壓力的測(cè)井計(jì)算

測(cè)井曲線是巖石骨架、孔隙結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)的綜合響應(yīng),不同測(cè)井曲線反映巖石不同的性質(zhì),其中聲波時(shí)差與孔隙度之間具有很好的線性關(guān)系,而孔隙度和滲透率、滲透率和突破壓力之間存在良好的指數(shù)或冪函數(shù)關(guān)系。為了盡可能地提高測(cè)井解釋模型的精度,本文中利用聲波時(shí)差和孔隙度測(cè)試數(shù)據(jù)分構(gòu)造帶建立了蓋層孔隙度模型(圖9(a)),并根據(jù)孔隙度與滲透率、滲透率與突破壓力之間的函數(shù)關(guān)系依次建立了滲透率和突破壓力模型(圖9(b)、(c)),最終實(shí)現(xiàn)全井段求取蓋層的孔隙度、滲透率和突破壓力(圖10)。

2.3 蓋層有效厚度的求取

利用測(cè)井解釋模型依次獲得蓋層的巖性、孔隙度、滲透率和突破壓力后,參照蓋層物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1),綜合判斷蓋層中每一種巖性的物性封閉等級(jí),將不具有物性封閉能力的Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)剔除,并把具有封閉能力的Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí)累加,從而獲得蓋層有效厚度。由于影響蓋層物性封閉的因素多樣且彼此間存在非線性變化關(guān)系,基于回歸方法建立的測(cè)井解釋模型不可避免地存在誤差,造成單一標(biāo)準(zhǔn)獲得的評(píng)價(jià)結(jié)果存在不一致的情況,故在評(píng)價(jià)過程中首先參考模型精度和解釋結(jié)果可信度較高的巖性數(shù)據(jù),其次是突破壓力,而孔隙度和滲透率作為輔助,最后考慮其他可能的地質(zhì)因素綜合判斷物性封閉等級(jí)。圖10所示的X氣藏a、b兩套蓋層中,含泥砂巖部分對(duì)應(yīng)的孔隙度大于6%、滲透率大于0.02×10-3μm2、突破壓力小于2 MPa,不滿足成為蓋層的標(biāo)準(zhǔn),物性封閉等級(jí)評(píng)價(jià)為Ⅳ級(jí),而在c套蓋層下部的泥質(zhì)砂巖中,巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡分析和聲波時(shí)差響應(yīng)均表明微裂縫發(fā)育,導(dǎo)致蓋層局部失去封閉能力,微裂縫發(fā)育部分的物性封閉等級(jí)綜合判斷為Ⅳ級(jí)。剔除蓋層中Ⅳ級(jí)部分并將Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級(jí)累加后,單套蓋層的有效厚度為4～10 m。

圖9 X氣藏蓋層物性封閉評(píng)價(jià)參數(shù)測(cè)井解釋模型Fig.9 Logging interpretation model of evaluation parameters of cap rocks capillary sealing

圖10 X氣藏蓋層物性封閉測(cè)井綜合解釋Fig.10 Comprehensive logging interpreation of cap rocks capillary sealing of X gas reservoir

3 蓋層有效厚度的檢驗(yàn)及應(yīng)用

盡管蓋層有效性與蓋層厚度、蓋層物性具有良好的正相關(guān)關(guān)系,但是還存在其他影響因素,如蓋層分布、斷裂發(fā)育、圈閉閉合高度和油氣充注程度等。蓋層有效性受蓋層分布規(guī)模和分布樣式影響,而這與沉積環(huán)境有關(guān)。河流、三角洲平原等沉積環(huán)境中形成的蓋層,單層厚度小且與砂巖互層,橫向分布不穩(wěn)定而造成砂-砂對(duì)接。由于油氣運(yùn)移總是選擇阻力最小的路徑,故油氣在砂巖內(nèi)橫向運(yùn)移過程中容易繞過上覆蓋層而散失。前三角洲、半深湖—深湖等穩(wěn)定沉積環(huán)境中形成的蓋層,單層厚度大,平面分布穩(wěn)定,油氣很難繞過運(yùn)移而被封蓋。特別是當(dāng)蓋層被垂向開啟性斷裂切穿時(shí),油氣將沿著斷裂散失,導(dǎo)致蓋層封閉性失效。蓋層的有效性評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)在圈閉有效性基礎(chǔ)上開展,如果圈閉是無效的或閉合高度很小,那么討論蓋層有效性是沒有意義的。蓋層有效性還與含油氣高度或油氣充注程度密切相關(guān),油氣藏高度大,充注程度高,產(chǎn)生的浮力大,對(duì)蓋層的要求條件就高。當(dāng)浮力大于蓋層封閉阻力時(shí),蓋層將被突破,甚至可能造成蓋層完全失效。因此,油氣藏含油氣高度是直觀判斷蓋層有效性、定量評(píng)價(jià)蓋層封閉能力的實(shí)用指標(biāo)。綜上,蓋層有效性是計(jì)算蓋層有效厚度的基礎(chǔ),但蓋層有效性受多種地質(zhì)因素影響,故在具體計(jì)算過程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種因素,確定蓋層有效或失效的關(guān)鍵因素,合理求取蓋層有效厚度,并采用大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法建立蓋層有效厚度與蓋層封閉性的聯(lián)系。

蓋層厚度與封閉的烴柱高度存在明顯正相關(guān)關(guān)系[21-23],并且在實(shí)驗(yàn)和理論方面證實(shí)了該種關(guān)系的存在[24-27]。然而,烴柱高度除受蓋層封閉性影響之外,還受油氣充注、儲(chǔ)層性質(zhì)和斷裂發(fā)育等多種因素影響,因而一定厚度的蓋層只能封閉一個(gè)最大烴柱高度。X氣藏蓋層厚度與其封閉的氣柱高度相關(guān)關(guān)系可以檢驗(yàn)蓋層有效厚度求取的合理性。當(dāng)統(tǒng)計(jì)的蓋層中包括砂巖或含泥砂巖時(shí),相關(guān)關(guān)系圖中存在一個(gè)隨著蓋層厚度增加而氣柱高度不變的無效段(圖11(a)、(b)),且剔除砂巖后無效段變短(圖11(b)),而當(dāng)繼續(xù)剔除含泥砂巖后無效段消失,氣柱高度表現(xiàn)出符合氣藏實(shí)際情況的變化特征(圖11(b)),而此時(shí)的蓋層厚度正是有效厚度，因此蓋層有效厚度計(jì)算方法具有良好的適用性,采用有效厚度評(píng)價(jià)蓋層的封閉性更準(zhǔn)確。

圖11 蓋層有效厚度計(jì)算方法驗(yàn)證Fig.11 Test of calculation method of cap rocks effective thickness

對(duì)于非均質(zhì)性強(qiáng)的蓋層,由于存在物性封閉能力差異,如何評(píng)價(jià)整套蓋層的物性封閉能力是困難的,其關(guān)鍵問題是怎樣反映整套蓋層中不同部分的物性封閉貢獻(xiàn)。由于突破壓力是表征蓋層物性封閉能力的有效指標(biāo),本文中利用蓋層中具有封閉能力的各部分的有效厚度和突破壓力,采用有效厚度加權(quán)平均的方法獲得整套蓋層的等效突破壓力。具體方法是以蓋層中的巖性為基本單元,根據(jù)物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),綜合評(píng)價(jià)其物性封閉等級(jí),剔除不具有物性封閉部分,進(jìn)而獲得具有封閉能力部分的單層有效厚度和累加有效厚度,同時(shí)利用突破壓力曲線讀取相應(yīng)的單層突破壓力(或取算術(shù)平均值)。將單層有效厚度占累加有效厚度的比值作為權(quán)系數(shù)對(duì)相應(yīng)的單層突破壓力進(jìn)行加權(quán)平均,最終獲得整套蓋層的等效突破壓力。計(jì)算公式為

(3)

(4)

顯然,等效突破壓力是蓋層中不同部分的物性封閉貢獻(xiàn)疊加,體現(xiàn)了有效厚度和突破壓力的雙重作用,同時(shí)能夠直觀反映整套蓋層的封閉能力,能夠簡單而有效地評(píng)價(jià)蓋層的整體物性封閉等級(jí)。圖10所示的X氣藏中3套蓋層的等效突破壓力為4～8 MPa,整體物性封閉能力中等,為Ⅱ級(jí)。

4 結(jié) 論

(1)提出蓋層有效厚度的概念,即剔除由斷層破壞、微裂縫發(fā)育和蓋層非均質(zhì)性等因素導(dǎo)致的蓋層中不具有封閉性的部分,得到真正具有封閉性部分的鉛直厚度。

(2)泥質(zhì)巖蓋層和砂巖儲(chǔ)層在孔隙結(jié)構(gòu)方面的差異性是物性封閉產(chǎn)生的根本,是蓋層有效厚度的微觀基礎(chǔ),蓋層非均質(zhì)性是蓋層有效厚度的宏觀條件,最終形成物性封閉能力強(qiáng)的部分、物性封閉能力弱的部分和無封閉能力的部分,而只有那些具有封閉能力的部分才對(duì)封閉油氣是有貢獻(xiàn)的,其單層厚度或累加厚度為有效厚度。

(3)提出一種蓋層有效厚度的計(jì)算方法,包括蓋層物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立、蓋層物性封閉評(píng)價(jià)參數(shù)的測(cè)井解釋和蓋層有效厚度的求取3個(gè)步驟。應(yīng)用有效厚度計(jì)算方法,X氣藏泥質(zhì)巖蓋層和砂巖儲(chǔ)層的突破壓力分布以及氣水同層的直接蓋層對(duì)應(yīng)的突破壓力下限表明蓋層和儲(chǔ)層的突破壓力界限為2 MPa,突破壓力界限標(biāo)定的巖性(粒度)和不同巖性突破壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明臨界巖性(粒度)是泥質(zhì)粗粉砂巖,突破壓力界限和臨界巖性(粒度)標(biāo)定的孔隙度界限約6%、滲透率界限約0.02×10-3μm2,進(jìn)而將蓋層物性封閉能力劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個(gè)等級(jí),其中Ⅰ～Ⅲ具有封閉性,Ⅳ和Ⅴ不具有封閉性;參照蓋層物性封閉評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),綜合評(píng)價(jià)蓋層中每種巖性的物性封閉等級(jí),剔除不具有封閉能力的Ⅳ和Ⅴ,最終獲得單套蓋層的有效厚度為4～10 m。

(4)依次剔除蓋層中的砂巖、含泥砂巖后,氣柱高度和蓋層厚度相關(guān)關(guān)系圖中的無效段消失,氣柱高度表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,由此證明有效厚度計(jì)算方法是適用的。利用單層有效厚度和累加有效厚度對(duì)單層突破壓力進(jìn)行加權(quán)平均,獲得整套蓋層的等效突破壓力,有效地確定X氣藏蓋層的整體物性封閉能力為中等。

[1] 李明誠,李偉,蔡峰,等.油氣成藏保存條件的綜合研究[J].石油學(xué)報(bào),1997,18(2):41-47.

LI Mingcheng, LI Wei, CAI Feng, et al. Integrative study of preservation conditions of oil and gas pools[J]. Acta Petrolei Sinica, 1997,18(2):41-47.

[2] 李雙建,沃玉進(jìn),周雁,等.影響高演化泥巖蓋層封閉性的主控因素分析[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2001,85(10):1691-1697.

LI Shuangjian, WO Yujin, ZHOU Yan, et al. Controlling factors affect sealing capability of well-developed muddy cap rock[J]. Acta Geologica Sinica, 2001,85(10):1691-1697.

[3] 張立含,周廣勝.氣藏蓋層封氣能力評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)及應(yīng)用:以我國46個(gè)大中型氣田為例[J].沉積學(xué)報(bào),2010,28(2):388-394.

ZHANG Lihan, ZHOU Guangsheng. Improvement and application of the methods of gas reservoir cap sealing ability[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2010,28(2):388-394.

[4] 薛永超,程林松,付廣.大慶長垣以東地區(qū)登二段泥質(zhì)巖蓋層封氣能力綜合評(píng)價(jià)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2005,35(5):626-630.

XUE Yongchao, CHENG Linsong, FU Guang. Comprehensive evaluation of gas sealing ability of the lower Denglouku Formation(K1d2) mudstone cap-rock in the east of the Daqing placanticline[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2005,35(5):626-630.

[5] 付廣,胡明,于丹.火山巖蓋層類型及封氣能力:以松遼盆地徐家圍子斷陷為例[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2010,40(2):237-244.

FU Guang, HU Ming, YU Dan. Volcanic cap rock type and evaluation of sealing gas ability: an example of Xujiaweizi Depression[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2010,40(2):237-244.

[6] 侯連華,劉澤容,王京紅.蓋層封閉能力的定量評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1996,20(6):1-4.

HOU Lianhua, LIU Zerong, WANG Jinghong. Quantitative evaluation method for seal property of cap formation[J]. Journal of the University of Petroleum, China(Edition of Natural Science), 1996,20(6):1-4.

[7] 付廣,張發(fā)強(qiáng),呂延防.厚度在泥巖蓋層封蓋油氣中的作用[J].天然氣地球科學(xué),1998,9(6):20-25.

FU Guang, ZHANG Faqiang, Lü Yanfang. The role in sealing oil and gas of cap rock thickness[J]. Natural Gas Geoscience, 1998,9(6):20-25.

[8] 史集建,李麗麗,呂延防,等.致密砂巖氣田蓋層封閉能力綜合評(píng)價(jià):以四川盆地廣安氣田為例[J].石油與天然氣地質(zhì),2013,34(3):307-314.

SHI Jijian, LI Lili, Lü Yanfang, et al. Comprehensive evaluation on the sealing ability of cap rocks in tight sandstone gas field:a case study from Guangan gas field in the Sichuan Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2013,34(3):307-314.

[9] 張雷,朱倫葳,盧雙舫,等.徐家圍子斷陷火山巖天然氣蓋層差異特征[J].石油與天然氣地,2015,36(1):7-16.

ZHANG Lei, ZHU Lunwei, LU Shuangfang, et al. Differential characteristics of cap rocks of volcanic gas reservoirs in the Xujiaweizi fault-depression, Songliao Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2015,36(1):7-16.

[10] 曹成潤,呂延防,陳章明.蓋層有效封蓋厚度定量分析[J].中國海上油氣(地質(zhì)),1998,12(5):328-331.

CAO Chengrun, Lü Yanfang, CHEN Zhangming. Quantitative analysis of effective seal rock thickness[J]. China Offshore Oil and Gas(Geology), 1998,12(5):328-331.

[11] 呂延防,萬軍,沙子萱,等.被斷裂破壞的蓋層封閉能力評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用[J].地質(zhì)科學(xué),2008,43(1):162-174.

Lü Yanfang, WAN Jun, SHA Zixuan, et al. Evaluation method for seal ability of cap rock destructed by faulting and its application[J]. Chinese Journal of Geology, 2008,43(1):162-174.

[12] 付廣,王浩然,胡欣蕾.斷裂帶蓋層油氣封蓋斷接厚度下限的預(yù)測(cè)方法及其應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,39(3):30-37.

FU Guang, WANG Haoran, HU Xinlei. Prediction method and application of cap rock faulted contact thickness lower limit for oil-gas sealing in fault zone[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2015,39(3):30-37.

[13] 付廣,張博為,吳偉.區(qū)域性泥巖蓋層阻止油氣沿輸導(dǎo)斷裂運(yùn)移機(jī)制及其判別方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(3):36-43.

FU Guang, ZHANG Bowei, WU Wei. Mechanism and detection of regional mudstone caprock sealing oil and gas migration along transporting fault[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2016,40(3):36-43.

[14] ARMITAGE P J, WORDEN R H, FAULKNER D R, et al. Diagenetic and sedimentary controls on porosity in Lower Carboniferous fine-grained lithologies, Krechba field, Algeria: a petrological study of a caprock to a carbon capture site[J]. Marine and Petroleum Geology, 2010,27(7):1395-1410.

[15] 孫明亮,柳廣弟,李劍.氣藏的蓋層特征及劃分標(biāo)準(zhǔn)[J].天然氣工業(yè),2008,28(8):36-38.

SUN Mingliang, LIU Guangdi, LI Jian. Features of cap rocks of gas pools and criteria of identification[J]. Natural Gas Industry, 2008,28(8):36-38.

[16] 石鴻翠,周江羽,王龍樟,等.鄂爾多斯南部上古生界泥巖突破壓力測(cè)井解釋及區(qū)域預(yù)測(cè)[J].物探與化探,2014,38(1):63-70.

SHI Hongcui, ZHOU Jiangyu, WANG Longzhang, et al. Logging interpretation and regional prediction of mudstone breakthrough pressures in the upper Paleozoic south Ordos Basin[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2014,38(1):63-70.

[17] 馬存飛,董春梅,欒國強(qiáng),等.蘇北盆地古近系泥頁巖有機(jī)質(zhì)孔發(fā)育特征及影響因素[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(3):1-13.

MA Cunfei, DONG Chunmei, LUAN Guoqiang et al. Characteristics and influencing factors of organic-matter pores in paleogene shale，Subei Basin. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2017,41(3):1-13.

[18] JIN Z, YUAN Y, SUN D, et al. Models for dynamic evaluation of mudstone/shale cap rocks and their applications in the Lower Paleozoic sequences, Sichuan Basin, SW China[J]. Marine and Petroleum Geology, 2014,49:121-128.

[19] 雍世和,張超謨.測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋[M].東營:石油大學(xué)出版社,1996.

[20] 姜在興.沉積學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001.

[21] 童曉光,牛嘉玉.區(qū)域蓋層在油氣聚集中的作用[J].石油勘探與開發(fā),1989,16(4):1-8.

TONG Xiaoguang, NIU Jiayu. Effects of regional cap formation on oil and gas accumulation[J]. Petroleum Exploration and Development, 1989,16(4):1-8.

[22] 龐雄奇,付廣,萬龍貴,等.蓋層封油氣性綜合定量評(píng)價(jià):盆地模擬在蓋層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1993.

[23] 蔣有錄.油氣藏蓋層厚度與所封蓋烴柱高度關(guān)系問題探討[J].天然氣工業(yè),1998,18(2):20-23.

JIANG Youlu. A discussion on the relation between the cap rock thickness of oil & gas reservoir and its hydrocarbon column height[J]. Natural Gas Industry, 1998,18(2):20-23.

[24] 袁際華,柳廣弟,張英.相對(duì)蓋層厚度封閉效應(yīng)及其應(yīng)用[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,23(1):34-36.

YUAN Jihua, LIU Guangdi, ZHANG Ying. Thickness sealing effect of relative cap rock and its application[J]. Journal of Xian Shiyou University(Natural Science Edition), 2008,23(1):34-36.

[25] 呂延防,張紹臣,王亞明.蓋層封閉能力與蓋層厚度的定量關(guān)系[J].石油學(xué)報(bào),2000,21(2):27-30.

Lü Yanfang, ZHANG Shaochen, WANG Yaming. Research of quantitative relations between sealing ability and thickness of cap rock[J]. Acta Petrolei Sinica, 2000,21(2):27-30.

[26] 付廣,許鳳鳴.蓋層厚度對(duì)封閉能力控制作用分析[J].天然氣地球科學(xué),2003,14(3):186-190.

FU Guang, XU Fengming. Quantitative research on controlling of thickness to seal abilities of cap rock[J]. Natural Gas Geoscience, 2003,14(3):186-190.

[27] 張林曄,包友書,劉慶,等.蓋層物性封閉能力與油氣流體物理性質(zhì)關(guān)系探討[J].中國科學(xué):地球科學(xué),2010,40(1):28-33.

ZHANG Linye, BAO Youshu, LIU Qing, et al. Effects of hydrocarbon physical properties on cap rocks capillary sealing ability[J]. Scientia Sinica(Terrae), 2010,40(1):28-33.