第二章 蓋層對各種相態(tài)天然氣封閉特征

1、第二章 蓋層對各種相態(tài)天然氣封閉特征對游離相態(tài)天然氣封閉特征毛細(xì)管封閉（1） 封閉機(jī)理通常情況下，地下巖石中的孔隙是被水所飽和的，游離相的油氣要通過蓋層巖石孔隙運移，就必須排替其中的孔隙水，此時要克服的力就是毛細(xì)管力。蓋層之所以能夠封閉住儲集層中的油氣，是因為蓋層巖石與儲集層巖石之間存在明顯的物性差異。即蓋層巖石較儲集層巖石具有更小的孔喉半徑，所以可由下式進(jìn)行計算:Pc=2cos (2-1)Pc蓋層巖石與儲集層巖石的排替壓力差，Pa；r蓋層巖石中最大連通孔喉半徑，m;r儲集層巖石中的最大連通孔喉半徑，m；潤濕角，度；油氣水界面張力，N/m;由式2-1可以看出，蓋層與儲集層巖石之間的排替壓力差越

2、大，蓋層封閉能力越強(qiáng)，反之則越差。（2） 封閉特征 圖2-1 濱北地區(qū)青一段排替壓力分布 圖2-2 濱北地區(qū)嫩一段排替壓力分布fig.2-1 the distribution of the displacement fig.2-2 the distribution of the displacementpressure of qn1 caprock in binbei region pressure of n1 caprock in binbei region 根據(jù)泥巖實測排替壓力與埋深之間的關(guān)系，利用埋深對濱北地區(qū)青山口組和嫩一、二段泥巖排替壓力進(jìn)行了計算結(jié)果如圖2-1，2-2所示。由圖2-

3、1中可以看出，濱北地區(qū)青一段排替壓力為0.22.6Mpa,高值區(qū)主要分布在黑魚泡凹陷中心處，排替壓力大于。由此向東，向北，向西排替壓力值逐漸降低，在北部和東部地區(qū)排替壓力達(dá)到最小，小于。由圖2-2可以看出，濱北地區(qū)嫩一段泥巖蓋層排替壓力為，高值區(qū)主要分布于黑魚泡凹陷中心處，排替壓力大于，由此四周排替壓力值逐漸降低，在工區(qū)北部和東部地區(qū)排替壓力達(dá)到最小，小于，全區(qū)排替壓力都小于1。異?？紫读黧w壓力（1） 封閉機(jī)理當(dāng)泥質(zhì)巖厚度較大，沉積速率較快時，在上覆沉積載荷的作用下，使其四周與滲透性儲集層相鄰的部分泥巖首先被迅速壓實排出孔隙水，使其孔隙度和滲透率降低，形成致密層(如圖2-3)。該致密層會阻滯厚

4、層泥質(zhì)巖內(nèi)部大量孔隙流體（水，油氣）的及時排出。由于大量孔隙流體的滯留，延緩泥質(zhì)巖內(nèi)部成巖作用的進(jìn)行，造成其具有與埋深不相適應(yīng)的孔隙流體壓力。這種壓力可形成對油氣的封閉。 圖2-3 欠壓實泥質(zhì)巖蓋層內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-3 the sketch map to internal structure of uncompacted異?？紫读黧w壓力可由兩種機(jī)制增壓形成，即水熱增壓和流體增加承壓。由于欠壓實泥巖蓋層四周致密層的形成，使其內(nèi)部形成了一個封閉體，如圖2-3造成其內(nèi)高壓孔隙流體與四周正常壓實孔隙水分隔于不同的壓力系統(tǒng)內(nèi)。隨著封閉體的進(jìn)一步埋深，上覆沉積物的增加，雖然其體積不變或變化很小，但

5、其內(nèi)部流體的溫度卻要隨區(qū)域地溫場的增高而不斷升高。因此，這一過程可以近似地看作是一個“等容增溫”過程。在這一過程中必然導(dǎo)致欠壓實泥質(zhì)巖內(nèi)部流體發(fā)生膨脹，體積增大，壓力升高。而流體增加承壓是在欠壓實泥質(zhì)巖蓋層內(nèi)部可形成一個封閉體后，這個封閉體內(nèi)的孔隙流體隨著埋深是不斷增加的。所有增加流體的來源主要有兩個：一個是由于粘土礦物蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化（約在27003700m）造成的，這種轉(zhuǎn)化可使粘土顆粒中最后幾層束縛水解吸，并搬運至粒間成為自由水，使封閉體內(nèi)的流體增加。另一個是由于油氣的生成造成的，隨著欠壓實泥質(zhì)巖蓋層的埋深增加。地溫升高，其內(nèi)的有機(jī)質(zhì)在高溫的作用下向油氣轉(zhuǎn)化，油氣大量生成，也可以使封閉體

6、內(nèi)的流體增多。粘土礦物脫出的大量結(jié)合水和生成的大量油氣由于受四周致密層的阻止，不能及時排出泥質(zhì)巖蓋層，封閉體內(nèi)的流體量逐漸增加，這些流體除了隨地溫升高膨脹而使欠壓實泥巖蓋層內(nèi)部增壓外，還會因其自身的加入，使孔隙內(nèi)流體量增大，承受上覆更多的沉積載荷的重量而使其內(nèi)欠壓實泥巖蓋層內(nèi)部進(jìn)一步增壓。（2） 封閉特征 圖2-4 濱北地區(qū)青山口組異?？紫读黧w壓力分布圖 圖2-5 濱北地區(qū)嫩一、二段異?？紫读黧w壓力分布圖利用各探井聲波時差數(shù)據(jù)對濱北地區(qū)青山口組和嫩一、二段泥巖蓋層異?？紫读黧w壓力進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖2-4和圖2-5所示。由圖2-4可以看出，濱北地區(qū)青山口組泥巖蓋層的異?？紫读黧w壓力主要分布于通

7、1克山拜泉一線以南，高值區(qū)主要分布于黑魚泡凹陷中心處，異常孔隙流體壓力大于22Mpa，由表2-2判斷可知，由此壓力向四周逐漸降低，到烏裕爾凹陷壓力降為4 。其它地區(qū)壓力<1。由圖2-5可以看出，濱北地區(qū)嫩一、二段泥質(zhì)巖蓋層的異?？紫读黧w壓力分布范圍比青山口組大。主要分布于通1井區(qū)北安拜泉一線以南。高值區(qū)主要分布于黑魚泡凹陷中心處，異?？紫读黧w壓力大于18Mpa。黑魚泡凹陷封閉好，北部傾和東部隆起區(qū)異?？紫读黧w壓力<1， 西部斜坡區(qū)沒有超壓分布。對水溶相天然氣封閉特征封閉機(jī)理水溶相天然氣以溶解形式存在于孔隙水中，其表現(xiàn)形式是水相，泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣的封閉，實際上是對孔隙水的封閉

8、?？紫端c巖石之間無接口張力作用，所以不存在毛細(xì)管力作用，即泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣無毛管力作用，而只能憑借自身對孔隙水的吸附作用來阻止或滯留水溶相天然氣的運移散失。如圖2-5所示。圖2-6礦物顆粒與孔隙水類型之間關(guān)系示意圖Fig. 2-6 The relation between grain of clay mineral and types of pore water為了描述吸附力對水溶相天然氣擴(kuò)散的影響，采用下面的方程式：gradp gradp> (2-2)=0 gradp<式中: 孔隙水泥質(zhì)巖蓋層中的流動速度，m/s;K泥質(zhì)巖蓋層滲透率孔隙水粘度，pa/sGradp孔隙水壓

9、力梯度，pa/m起動壓力梯度，常數(shù)如圖2-6所示，當(dāng)孔隙水壓力梯度大于起始壓力梯度時，流體才開始流動。當(dāng) gradp<時，流體不運動。起始壓力梯度就是破壞吸附膜或水化膜的附加力作用，即泥質(zhì)巖蓋層阻止水溶相天然氣的作用力。 值的大小主要與泥質(zhì)巖蓋層中粘土礦物顆粒對孔隙水的吸附能力大小有關(guān)。 圖2-7孔隙水流動速度與壓力梯度關(guān)系圖Fig 2-7 The relation between flow velocity of pore water and gradient of pressure剛剛沉積的泥質(zhì)巖蓋層，由于孔隙大，在粘土顆粒之間存在著大量的自由水，如圖2-9a所示，它們可以自由流動。

10、當(dāng)攜帶天然氣的地下水欲通過泥質(zhì)巖蓋層孔隙發(fā)生滲濾運移時，由于粘土顆粒對自由水不存在吸附力，地下水很容易排替自由水而通過其發(fā)生滲濾運移，使水溶相天然氣發(fā)生散失。故此時，泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣不能形成封閉作用。這一時期應(yīng)與泥質(zhì)巖的快速壓實階段相對應(yīng)。如圖2-8所示（王行信，1993）所示。 圖2-9 泥質(zhì)巖蓋孔隙水特征與壓實成巖程度之間關(guān)系 圖2-10 泥質(zhì)巖壓實階段與脫水特征之間對關(guān)系Fig .2-9 the relation between pore water characteristics and Fig.2-10 the relation between compaction stag

11、es andcompaction diagenetic degree of mudstone caprock dehydration characteristics of mudstone 隨著泥質(zhì)巖蓋層壓實成巖程度的提高，自由水逐漸被壓實排出，當(dāng)自由水完全被排出時，如圖2-9b所示，此時泥質(zhì)巖蓋層孔隙水中只剩結(jié)合水，因結(jié)合水受到粘土顆粒的吸附作用，攜帶天然氣的地下水欲能過泥質(zhì)巖蓋層孔隙發(fā)生滲濾運移時，就必須排替其內(nèi)的結(jié)合水，即克服粘土顆粒的吸附作用，才能通過泥質(zhì)巖蓋層發(fā)生滲濾運移，否則，地下水的滲流運移將被阻止，泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣隨著泥質(zhì)巖蓋層壓實成巖程度的提高，自由水逐漸被壓實排出，

12、當(dāng)自由水完全被排出時，如圖2-9b所示，此時泥質(zhì)巖蓋層孔隙水中只剩結(jié)合水，因結(jié)合水受到粘土顆粒的吸附作用，攜帶天然氣的地下水欲能通過泥質(zhì)巖蓋層孔隙發(fā)生滲濾運移時，就必須排替其內(nèi)的結(jié)合水，即克服粘土顆粒的吸附作用，才能通過泥質(zhì)巖蓋層發(fā)生滲濾運移，否則，地下水的滲流運移將被阻止，泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣起到封閉作用，這一成巖階段可將其稱之為泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣封閉的形成階段，對應(yīng)時期為泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣封閉能力的形成時期。這一時期應(yīng)與泥質(zhì)巖蓋層快速壓實階段結(jié)束，穩(wěn)定壓實階段的開始處相對應(yīng)，如圖2-10所示。隨著泥質(zhì)巖蓋層壓實成巖作用的進(jìn)行，孔隙進(jìn)一步減小，結(jié)合水的不斷向外排出，泥質(zhì)巖蓋層

13、孔隙內(nèi)所含剩余的結(jié)合水被粘土顆粒的吸附作用越來越強(qiáng)，如圖2-9c所示。攜帶天然氣的地下水欲通過泥質(zhì)巖蓋層孔隙發(fā)生滲濾運移時，所需要的能量越大，表明泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣的封閉能力越強(qiáng)。這與泥質(zhì)巖蓋層的穩(wěn)定壓實階段突變壓實階段緊密壓實階段是相對應(yīng)的，如圖2-10所示。由上述分析可以看出，壓實成巖程度是影響泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣封閉能力的主要因素，因此，可以根據(jù)蓋層壓實成巖程度的高低，利用其與泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣封閉能力之間的對應(yīng)關(guān)系，間接地判斷泥質(zhì)巖蓋層對水溶相天然氣的封閉能力的強(qiáng)弱，具體標(biāo)準(zhǔn)如表2-3所示。壓實成巖階段快速壓實階段穩(wěn)定壓實階段突變壓實階段緊密壓實階段封閉等級無差中等好表

14、2-3通過壓實成巖作用判斷蓋層對水溶相天然氣封閉能力圖2-8 松遼盆地泥質(zhì)巖脫水特征（據(jù)王行信，1993）Fig.2-8 the dehydration characteristics of mudstone in Songliao Basin明顯較嫩一、二段泥質(zhì)巖蓋層之下葡萄花油層氣藏（四站、朝57井區(qū)塊氣藏）多的一個重要原因之一。封閉特征本文通過對濱北地區(qū)的76口井的埋深進(jìn)行統(tǒng)計，以魚1井為例，利用蓋層埋深與壓實成巖程度之間的關(guān)系來判斷蓋層對水溶相天然氣封閉能力的好差。如表2-4所示。表2-4 魚1井各套蓋層埋深及壓實成巖程度蓋層層位K1qn1K1n1K1n2埋深1893.51957113

15、11286壓實成巖程度緊密壓實突變壓實突變壓實封閉能力評價好中等中等 由圖2-8可知，當(dāng)埋深處于大約1800m以下時，為深埋藏緩慢脫水帶，即與緊密壓實階段相對應(yīng)，封閉好; 當(dāng)埋深處于1100m1800m之間時，對應(yīng)層間水快速脫水帶，與突變壓實階段相對應(yīng)，封閉中等。魚1井青山口組對應(yīng)埋深為1893.51957m，為緊密壓實階段，所以封閉性好。而嫩一、二段分別為1286和113111286m，為突變壓實階段，封閉中等。對擴(kuò)散相天然氣的封閉特征封閉機(jī)理1. 抑制濃度封閉作用當(dāng)蓋層即具有生烴能力，內(nèi)部還應(yīng)具有異?？紫读黧w壓力的情況時，(如圖2-13b所示)由于泥巖蓋層內(nèi)異?？紫读黧w壓力的存在，造成其內(nèi)

16、孔隙水中的含氣濃度明顯大于正常壓實地層孔隙水中的含氣濃度，使原來向上遞減的含氣濃度出現(xiàn)向下遞減，其欠壓實主帶以下部分生成的天然氣在此向下遞減的含氣濃度的作用下向下伏儲氣層中擴(kuò)散運移，抑制了下伏儲氣層中天然氣的向上擴(kuò)散運移，使下伏儲氣層中擴(kuò)散相的天然氣在泥巖蓋層之下聚集，這種作用就是抑制濃度封閉作用。抑制濃度大小可由式3-16求得。2. 替代濃度封閉作用當(dāng)泥巖蓋層只具有生氣能力，不具有異?？紫读黧w壓力時，(如圖2-13a所示)由于泥巖蓋層內(nèi)孔隙流體壓力為靜水壓力，再加上溫壓的影響使其孔隙水的含氣濃度仍然小于下伏地層孔隙水中的含氣濃度，天然氣在此濃度的作用下向地表方向擴(kuò)散運移。如果泥巖蓋層不具生烴

17、能力，那么向地表發(fā)生擴(kuò)散運移的天然氣都應(yīng)來自下伏儲氣層。而當(dāng)泥巖蓋層具生烴能力，且已開始生烴時，由于其距地表近所以向地表發(fā)生擴(kuò)散的天然氣應(yīng)首先來自泥巖蓋層。在含氣濃度差一定的條件下，天然氣向地表的擴(kuò)散量也就是一個定值。由于向上擴(kuò)散的天然氣已來自了泥巖蓋層，所以也就不需要下伏儲氣層中天然氣的補(bǔ)給。使下伏儲氣層中擴(kuò)散相的天然氣在泥巖蓋層之下聚集，并逐漸向游離相轉(zhuǎn)變，因為這種封閉作用是由于泥巖蓋層中天然氣擴(kuò)散的替代引起的，故本文將其稱之為替代封閉作用。圖2-13烴濃度封閉模式圖封閉特征當(dāng)泥巖具有異?？紫读黧w壓力時，如濱北地區(qū)黑魚泡凹陷及周邊地區(qū)青山口組和嫩一、二段具有抑制封閉作用，不具異?？紫读黧w壓

18、力時， 只具有生烴能力則以替代封閉作用為主。 圖2-11濱北地區(qū)青山口組泥巖異常含氣 圖2-12濱北地區(qū)嫩江組泥巖異常含氣濃度平面分布 濃度平面分布Fig.2-11 gas bearing abnormaly concentration Fig.2-12 gas bearing abnormaly concentrationdistribution of q mudstone caprock in binbei dstribution of n mudstone caprock in binbei region region 由圖2-11中可以看出，青山口組泥巖異常含氣濃度主要分布在通2通1克2 拜4一線以南地區(qū)，異常含氣濃度高值區(qū)主要分布于黑魚泡凹陷中心處和東5井區(qū)，最大值大于3/m3，由表2-5泥質(zhì)巖蓋層對擴(kuò)散相天然氣抑制濃度封閉作用評價標(biāo)準(zhǔn)可知，該區(qū)封閉性好。在通2通1克2拜4一線到林深1-魚7-魚10-魚4一線之間異常含氣濃度在0.5-1.0,封閉為較好。由此向北異常含氣濃度逐漸減小，在通2通1克2拜4