泥质岩盖层的研究

王一军，张金功，席 辉

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，地质学系，陕西 西安 710069;2.中国石油测井油气评价中心，陕西西安710077)

泥质岩盖层的研究

王一军1，张金功1，席 辉2

(1.西北大学 大陆动力学国家重点实验室，地质学系，陕西 西安 710069;2.中国石油测井油气评价中心，陕西西安710077)

前人对泥质岩进行了大量的研究，主要集中在泥质岩的岩石成分、成岩作用、孔隙结构、封闭机理及盖层的类型及分布等几个方面。泥质岩所含矿物主要是粘土矿物，陆源碎屑矿物。泥质岩中的成岩作用主要是压实作用、粘土矿物转化作用等。泥质岩孔隙结构主要包括孔隙大小、孔隙类型、连通性等方面。封闭机理主要分为物性封闭机理、超压封闭机理和烃浓度封闭机理三种。盖层分为区域盖层、局部盖层和隔层。对前人研究成果进行了综合分析，并指出存在的问题:对被裂缝、断层改造的泥质岩盖层研究比较薄弱。

泥质岩;岩石成分;成岩作用;孔隙结构;封闭机理

盖层是位于储集层之上的能够封盖储集层使其中的油气免于向上逸散的保护层。从岩性来看，主要分为三大类，即泥质岩、蒸发岩和致密灰岩，其中又以泥质岩为最主要的盖层(何光玉等，1997)。前人对泥质岩的岩石成分、成岩作用、孔隙结构、封闭机理和盖层的类型及分布等方面进行了大量的研究。

1 泥质岩的地质特征

1.1 泥质岩岩石成分

泥质岩物质成分比较复杂，所含矿物主要是粘土矿物，其次是陆源碎屑矿物和自生的非粘土矿物，以及在有些情况下还含有机物质(如煤、沥青质、腐殖质等)。粘土矿物成分中分布最广的是伊利石，其次是蒙皂石、绿泥石、高岭石和各种混层粘土矿物。陆源碎屑矿物有石英、长石及少量的重矿物。自生矿物含量一般不到5%，主要是铁、锰、铝的氧化物和氢氧化物(赤铁矿、褐铁矿)、碳酸盐(方解石、白云石)、硫化物(黄铁矿)、硫酸盐(石膏、硬石膏)及盐类矿物。

赵杏媛、王行信等(1995)对粘土矿物做了很多工作，研究得出:在华北地区、华南地区、海域地区、东北地区、中部地区、西部地区所含粘土矿物大致相同，常见的粘土矿物有蒙皂石、伊利石/蒙皂石无序间层、伊利石/蒙皂石有序间层、伊利石、高岭石、绿泥石等，不同的地区矿物成分及组合略有不同。

李建青等(1990)柴达木盆地泥质岩中的粘土矿物主要为伊利石等组成的混合物。

据李春梅(1993)的研究，江汉盆地潜江凹陷潜江组盐间泥岩以泥质碳酸盐、碳酸盐质泥岩为主，粘土矿物以伊利石为主。

祝总祺等(1996)认为济阳坳陷下第三系泥质岩主要粘土矿物以蒙皂石和伊/蒙混层为主，伊利石含量居次而高岭石和绿泥石的含量一般较低。

蔡进功等(2004)通过XRD分析指出济阳坳陷第三系泥质岩粘土矿物是组成泥岩的主要矿物，但含量变化范围较大。粘土矿物以蒙皂石和伊利石/蒙皂石层矿物为主，含量高达50%，表明粘土矿物形成的介质条件以偏弱碱性为主。其次伊利石矿物含量较高。可达20%，高岭石和绿泥石含量一般较低，尤其是绿泥石含量，很少超过10%。第三，从垂向上变化来看，伊利石/蒙皂石混层矿物自浅至深其含量变化不大，但混层比降低为15%～20%。蒙皂石矿物只在浅层出现，随深度增加而消失。伊利石矿物浅层含量较低，深层含量增加，可达60%。

1.2 成岩作用

成岩作用主要主要是压实作用、粘土矿物转化作用、压溶作用等。

压实作用使泥质沉积物固结成岩，而且使岩石的成分、结构和物性都发生变化，因而是泥质岩中最主要的成岩作用。泥质岩孔隙度随深度的变化能反应泥质岩的压实程度。

Ridke(1974)编制的世界页岩和泥质沉积物孔隙度随深度不变化曲线(图1)。由图看出，虽然不同地区泥质沉积物孔隙度起始值和变化区间不同，但随深度变化大都表现为先快后慢的趋势。

图1 页岩和泥质沉积物孔隙和埋藏深度间的关系(据 Rieke等，1974)

何炳俊(1981)、王行信(1985)、陈发景等(1989)、张博全等(1982)、张金功等(1996)对泥岩孔隙度变化曲线进行了研究，虽然各阶段对应的深度及地层时代差别很大，但最下一个缓慢变化带的孔隙度值主要在4%～6%之间。

粘土矿物转化作用是泥质沉积物随着埋深的加大，压力和地温增高，层间水的释放及层间阳离子的移出，引起了粘土矿物的重结晶和转化。

据付广等(1996)研究泥质岩成岩过程中，粘土矿物成分及其组合在此过程中也不断地演化，粘土矿物按下列顺序进行演化:蒙脱石→伊利石→绿泥石→高岭石，其中各过渡阶段出现混层矿物组合。

据Fuchtbauer(1978)实验得出:压实作用和脱水作用经常是同时进行，几乎贯穿整个成岩过程，粘土矿物转化作用通常发生在成岩中、后期。随深度变化粘土矿物转化分为三个阶段如表1。

表1

压溶作用是指在压力作用下，泥质岩内发生的溶解作用。包含有物理作用和化学作用两方面。

泥质岩的成岩阶段划分前人做了大量的研究，主要有两种分类方法。一种是主要考虑粘土矿物的转化、岩石的孔隙类型、有机质成熟度、古温度等几方面进行划分的，不同的学者有不同的认识(如表2)。

表2 成岩阶段划分

《成岩阶段划分规范》主要的依据为:a自生矿物分布、形成顺序;b粘土矿物组合、伊利石/蒙皂石(I/S)混层粘土矿物的转化;c岩石的结构、构造特点及孔隙类型;d有机质成熟度;e古温度:流体包裹体均一温度、自生矿物形成温度、伊利石/蒙皂石(I/S)混层粘土矿物的演化。

曾允孚等研究认为沉积岩形成作用指沉积物形成(沉积作用)、沉积物转变为沉积岩(同生和成岩作用)及沉积岩的变化直至转变为变质岩(后生作用)，以及沉积物抬升到近地表而遭受表生作用的全过程。由于粘土或有机质对沉积期后的条件变化反映最灵敏，所以粘土沉积物和粘土质岩石(泥质岩)常作为压力变化的良好标志;煤和碳质有机物(烃类)对温度变化最灵敏，因而镜质组反射率和折光率常作为成岩、后生变化阶段细分的重要标志。

另一种是按照泥质岩孔隙度随深度的变化规律进行划分的。孔隙度随深度的变化规律可大致分为两种类型，一种是两段式，即表现为快速降低和缓慢降低两段。另一种为四段式，即表现为快－慢－快－慢四段式降低，如表3所示。

表3 压实阶段划分

1.3 孔隙结构

对泥质岩孔隙结构的研究主要是从孔隙大小、孔隙类型、连通性等方面着手。前人对此做了大量的研究。

由细小颗粒组成的泥质岩，其孔隙几何形态基本上也可看作是由一系列狭小的吼道联通的、或是孤立的不规则孔隙体系，其主要特征是孔隙十分狭小。

1.3.1 孔隙大小

祝总祺等(1996)根据对济阳坳陷生油岩孔隙直径的实测结果，结合Momper(1978)的资料，编制了泥岩孔径和流体质点有效直径(以nm表示)大小的六级图(图3)。从图中知，正构烷烃和苯的分子有效直径小于0.5 nm，环烷酸的分子直径接近于1 nm，一般杂环结构分子直径也不到3 nm，只有沥青质分子的直径可达到5～10 nm以上。

图2 松辽盆地的泥岩孔隙度—深度关系曲线(据王行信，1985)

图3 泥质岩孔径和流体质点有效直径(nm)大小的六级图(据 J.A.Momper1978原图有所增删)

目前还不能直接度量泥质岩孔隙的三维空间大小，而只能凭借一些间接方法来推算。Cahen等人(1965)利用Brumauer－Emett－Teller方法测得表面积，然后求得“萨哈拉页岩”的孔隙直径平均大约为5 nm(1nm=10－9m)。

Slabaugh和Stump(1964)测定了取自太平洋的现代沉积样品，其所有的孔隙几乎都小于5 nm。

Jungten与Karwell等人据所测定的泥质岩进泵压力和与内表面有关的吸附能力进行推算，得出泥质岩在2 000 m左右时孔隙直径大约为50～100(1=10－10m)。

Hinch(1980)根据路易斯安那地区Cameron Parish油田所测页岩的孔隙度和表面积，也计算得出在3 000 ft处的孔隙直径大约为100，而当埋深大约增大到11 000 ft时下降到25。

据王秉海等(1992)研究，济阳坳陷生油岩粒间孔隙半径在3 000 m以上的深度范围内，随深度增加由大变小，由100～6 000降至12～110，但在3 000 m以下，孔隙半径随深度变化不大。高瑞祺(1984)研究表明，松辽盆地古龙凹陷青山口组泥岩孔隙直径先是随深度增加而减少，但在2 000多m处有一增大峰值。

1.3.2 孔隙类型

泥质岩主要由粘土矿物组成。粘土矿物从几何意义上来讲，可以粗略地看成是二维的片状矿物。

Power(1967)把泥岩想象成扁平矿物的堆积体，孔隙也就是这些扁平矿物之间的规则孔隙。

据王秉海等(1992)的研究，泥岩的粒间孔隙并非为规则的扁平状，而是呈叶状、草状、花瓣状或揉皱的软纸状。孔隙的形态也就是由这些菜叶、花瓣、软纸所围限的不规则空间，有的呈花瓣间孔状，有的呈蜂窝孔洞网络状，孔隙很多，也很大。

1.3.3 孔隙连通性

王新洲等(1996)对此进行了研究。他认为济阳坳陷下第三系泥质生油岩在2 200 m之上，孔隙的扁平度差，连通性好，评价孔宽可大于1.72 μm，而在2 200 m之下，孔隙的扁平度增大，连通性变差。(如图4)。

图4 济阳坳陷泥岩孔隙的连通状况(据王新洲等，1996)

2 泥质岩盖层的封盖机理

2.1 物性封闭机理

物性封闭(郝石生等，1995;吕延防等，1996;赵文智等，1999)也有人称之为毛细封闭(李国平，1996)，对于其封闭机理研究不同学者略有不同。

郝石生等(1995)、吕延防等(1996)、庞雄奇等(1993)和赵文智等(1999)认为盖层与储层之间的毛细管压力差(ΔPC)(即排替压力差)封堵油气渗漏穿透盖层，而形成这种毛细管压差的根本原因是盖层岩石和储层岩石之间存在明显的物性差异，即盖层岩石较储层岩石具有更小的孔喉半径。盖层与储层孔喉半径的差别越大，毛细管压力差值越大，物性封闭能力也越强，也就能封闭更高的油柱，克服具有更大运移动力的油气渗漏穿透盖层。

李国平等(1996)定义为靠盖层的毛细管力(PA)阻止油气渗漏的封闭。认为烃柱产生的浮力(Pf)、有时还存在剩余压力(△Pt)、水动力(±Pw)以及储层的排替压力(Pr)构成了油气运移的能动力，盖层的毛细管力构成了阻止油气渗漏的抑制力(PA)，抑制力的大小决定了油气的富集程度。当能动力大于抑制力时，油气就会渗漏;当能动力等于抑制力时，油气封闭与渗漏刚好处于平衡;当能动力小于抑制力时，油气被封闭下来。

2.2 超压封闭机理

超压封闭(郝石生等，1995;吕延防等，1996)是指靠孔隙流体的超压阻止油气渗漏的封闭，也有人称之为压力封闭(庞雄奇，1993;李国平，1996;赵文智等，1999)。由于上、下压实泥岩段为正常压实，其内孔隙流体压力应为静水压力;而中间欠压实泥岩段具有异常高压对下伏向上渗滤运移的油气流体形成超压封闭。

超压封闭和毛细管封闭密切相关，且由不同原因产生的超压其封闭机制也存在一定差别，李国平(1996)认为，对于由欠压实作用产生的异常高压封闭，欠压实地层的顶底层由于压实比较充分，毛细管力仍然较大，而欠压实地层的毛细管力则较低，但由于异常高的孔隙流体压力的存在，毛细管力与异常高压两者之和明显大于底部压实段泥岩的毛细管力，因而能够封闭油气;而对于由非欠压实作用(水热增压作用、烃源岩大量生烃作用、蒙脱石脱水作用、大地构造作用等)产生的异常高压封闭，地层的毛细管力均较大，在地层中过剩的孔隙压力和较大的毛细管力的共同作用下，地层具有较强的封闭性。

2.3 烃浓度封闭机理

烃浓度封闭是指盖层中存在足够高的烃浓度从而有效的地阻碍储层中的烃发生扩散损失。郝石生等(1995)和付广等(1999)根据不同情况下盖层含气浓度的变化，将泥岩盖层的烃浓度封闭分为抑制封闭作用、替代封闭作用和延缓作用三种封闭模式:①抑制封闭作用:泥岩盖层除具生烃能力外，内部还具有异常孔隙流体压力的情况下，抑制下伏储气层中的天然气向上扩散运移，使得下伏地层中的天然气在泥岩盖层下聚集，并逐渐向游离相态转变。②替代封闭作用:泥岩盖层只具有生烃能力，内部不具异常孔隙流体压力的情况下，向地表发生扩散的天然气首先来自泥岩盖层，替代下伏储气层中天然气的补给。③延缓作用:当泥岩盖层不具有生烃能力时，气藏与其之间具有最大的含气浓度差，泥质盖层阻止扩散相天然气的能力相对较弱，只能依靠自身品质的优劣来减弱天然气的扩散作用。

3 泥质岩盖层的评价

3.1 盖层的类型

根据盖层的连通情况，可将盖层分为区域盖层、局部盖层和隔层。区域盖层分布面积广，厚度大，横向稳定性好;局部盖层分布面积小，位于圈闭储集层上方，横向分布不稳定;隔层存在于圈闭内，厚度也小得多。

3.2 盖层的划分标准

据李明诚(1994)对盖层微观封闭能力评价参数等级划分，如表4:

表4

据付广、陈章明、吕延防等(1998)研究得出泥质岩盖层宏观展布评价标准，如表5:

表5 等级划分(权值)

3.3 盖层的破坏

付广等(1998)认为泥质岩盖层能否在空间上保持连续展布，除了要受到自身形成条件的限制外，还要受到后期断裂破坏的影响。如果泥质岩盖层遭受到后期的断裂改造，其空间连续性则受到断层封闭与开启性的影响，如果断层封闭性好，仍然可以保持其空间上的连续性，否则其空间展布的连续性将遭破坏。

4 存在问题

对前人的研究成果进行了综合分析，得出前人主要是对孔隙性泥质岩盖层进行了大量的研究。应该加强对被裂缝、断层改造的泥质岩盖层的研究。

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1004－1184(2012)03－0215－05

2012－04－05

王一军(1986－)，男，陕西榆林人，主攻方向:油气成藏机理与富集规律。