黏土矿物组合类型对泥岩盖层排替压力的影响——以三水盆地布三段为例

唐鑫萍

1.中国石油大港油田分公司勘探开发研究院，天津 300280 2.中油(天津)国际石油勘探开发技术有限公司，天津 300280

作为油气成藏的必须要素，盖层在油气聚集过程中起到封挡油气的作用，因而成为石油地质研究的关键内容[1-3]。早期的盖层评价以岩性、厚度、渗透率等参数为主[4,5]，随着研究的深入，人们发现，排替压力是盖层封闭性能的核心参数[6-8]，进而可将其作为划分盖层级别的标准[9-12]。排替压力的测试需要采用柱状岩心样品，实际生产过程中取心和试验比较只能针对少数井段进行，为了对未测试井段进行排替压力的预测，需要将试验测试所得的排替压力与测井数据、乃至地震数据进行响应分析[13-17]，而这些响应分析的前提，是排替压力的影响因素研究。近年来的研究表明，排替压力的影响因素有埋深、岩性、黏土矿物含量等[18-21]，笔者在前人研究基础上，以三水盆地布心组三段(以下简称布三段)为例开展岩石矿物分析，然后针对不同黏土矿物组合的泥岩开展排替压力测试，进而分析排替压力特征及其影响因素。

1 地质背景

图1 三水盆地古近系构造区划简图Fig.1 Tectonic division map of Paleogene in Sanshui Basin

三水盆地位于广东省中部，面积3375km2[22]。构造位置处于华南陆块南缘，形成于晚白垩世时期华南大陆东南缘的伸展、破裂作用，沉积了白垩系、古近系、第四系地层[23-25]。古近系构造层内可分为5个构造单元，包括北部的南边向斜、南部的华涌凹陷、西部斜坡、西北部宝月背斜、东部斜坡等(见图1)。盆地从古近纪晚期至新近纪均处于抬升阶段，使其缺失新近系地层，亦使原古近系地层受到强烈剥蚀[26，27]。正因如此，残余古近系地层的封闭性能成为油气能否聚集成藏、能否得以保存的关键因素。

盆地内最主要的生储盖组合发育于古近系布心组，其中暗色泥岩集中发育于布心组二段(以下简称布二段)，是盆地已发现的最主要烃源岩；储层集中发育于布三段下部，主要由三角洲砂体、湖相碳酸盐岩组成；盖层主要发育于布三段中上部，其中的泥岩地层相当于遮挡下伏储层的一层“被子”[26，27]。前人研究表明，布三段中上部的泥岩厚度70～100m，泥岩最大连续厚度约30～50m，且在全盆地内稳定分布，从厚度和分布规律来看，可作为区域盖层[28，29]。

2 研究方法

从三水盆地不同地区4口井的布三段中上部泥岩中采集岩心样品，其中2口井位于盆地西北部的宝月背斜，2口井位于盆地东南部的东部斜坡-华涌凹陷。为尽可能减少深度差异和泥质含量对排替压力的影响，尽量采集相近埋深的岩心样品，采样时结合岩心描述与测井曲线，选择泥岩岩性较纯的岩心(自然伽马测井为平直的高值段、电阻率为平直的低值段)。

首先开展岩石薄片、X射线衍射全岩矿物分析。从岩心样品中挑选出泥质含量大于90%的岩心样品进行黏土矿物X射线衍射试验，从而确定黏土矿物组合类型。

再将这些样品用于排替压力试验。排替压力测试采用PYC-1型排替压力测量仪器，对饱和煤油后的样品进行气体突破压力测量，得到气体排驱岩石样品孔隙内煤油的排替压力，详细过程参见石油天然气行业标准《岩石气体突破压力测定方法》(SY/T 5748—2013)[30]。

3 研究结果

3.1 泥岩中黏土矿物类型

从布三段中上部泥岩岩心样品中挑选出了11个泥质含量大于90%的进行试验。黏土矿物X射线衍射试验结果表明，泥岩黏土矿物类型主要有伊利石、高岭石、绿泥石、伊-蒙混层等4种：伊利石含量介于64.7%～68.5%之间，平均66.3%(指黏土矿物的相对质量含量，下同)；高岭石含量介于13.6%～19.8%之间，平均17.6%；绿泥石含量介于4.6%～14.6%之间，平均9.0%；伊-蒙混层含量介于1.4%～13.4%之间，平均7.0%(见表1)。

表1 三水盆地布三段泥岩黏土矿物X射线衍射分析数据

为尽可能减少深度差异的影响，应尽量采集相近埋深的岩心样品，但受沉积和构造因素影响，同一层位在不同地区埋深毕竟不同。实际样品的埋深介于1028.7～1243.5m，最大相差214.8m，还是有一定的深度差异。为此，需要分析这些深度差异对于黏土矿物含量、排替压力大小的影响。同一地区的黏土矿物随着埋深的增加、温度和压力的变化，黏土矿物中伊利石、高岭石、伊-蒙混层等会发生转化。例如高岭石，在富K+离子流体环境会转化成伊利石，在富Mg2+离子条件下会转化成绿泥石，从而导致各个黏土矿物含量的变化[10]。从该区不同埋深的伊利石、高岭石含量变化图(见图2)中可见，随埋深的增大，伊利石总体呈增加趋势、高岭石呈减少趋势，这与黏土矿物通常的分布规律相符合；但无论是伊利石还是高岭石，与深度的相关性均不大，表现为弱的相关性，说明这些样品黏土矿物含量随深度的变化有限。

据文献[31]研究，三水盆地南部华涌地区布心组泥岩类型的黏土矿物为伊利石+高岭石+绿泥石组合，几乎不含伊-蒙混层；另据文献[32]研究，三水盆地西北部宝月背斜布三段地层的黏土矿物为伊利石+高岭石+伊-蒙混层组合，并含少量绿泥石。也就是说，2个地区的研究揭示了不同的矿物组合类型，而且体现在伊-蒙混层和绿泥石含量的差异上。该研究表明，布三段泥岩有2种不同的黏土矿物组合类型，类型1为伊利石+高岭石+伊-蒙混层组合，主要分布于盆地西北部宝月背斜；类型2为伊利石+高岭石+绿泥石组合，主要分布于盆地东南部东部斜坡-华涌凹陷地区；总体与前人研究相近。

图2 三水盆地布三段泥岩不同埋深的黏土矿物含量图Fig.2 Clay mineral content map of mudstone at different burial depths in Bu3 member of Sanshui Basin

3.2 排替压力特征

针对上述不同黏土矿物组合的泥岩，开展了排替压力测试。所采用的测试方法中，排替压力为泥岩垂向的排替压力，可反映泥岩垂直地层方向的封闭能力。测出的排替压力是泥岩饱和煤油后的数值，鉴于地下地层通常饱和地下水，需进行排替压力转化。前人通过试验得出，常温泥岩饱和水的排替压力是饱和煤油的2.6倍，而且，泥岩在地下温度环境与室温环境的排替压力有所差别，需要进行温度校正，采取的地温校正公式如下[33-35]：

式中：pd为温度校正后最终的泥岩排替压力，MPa；po为室温下泥岩饱和水后样品的排替压力，MPa；T1为室温(该试验为25℃)，℃；H为埋深，m；G为地温梯度，℃/hm，参考前人研究，取三水盆地平均地温梯度3.2℃/hm。

相比而言，地下油藏逸散速度较慢，对盖层要求相对较低；而气藏容易逸散，对盖层要求高。同等条件下的盖层如果能封挡气藏，一般也能封挡油藏。所以油气盖层评价标准更多地是针对气藏进行制定[35]。胡国艺等[36]、LU等[37]总结了中国主要含气盆地的盖层排替压力，结果表明，各气田实测盖层排替压力总体在6～12MPa之间，大中型气田盖层的排替压力较高，大体分布在10～30MPa之间；并根据相关排替压力指征总结了盖层评价标准：当盖层排替压力大于10MPa时，封闭性能最佳，为 Ⅰ 类盖层；排替压力在5～10MPa之间时，封闭性能中等，为 Ⅱ 类盖层；排替压力在1～5MPa之间时，封闭性能一般，为 Ⅲ 类盖层。

依据前文所述试验步骤及计算方法，求得样品的排替压力。实验室测得饱和煤油泥岩的排替压力为4.63～8.85MPa，平均6.47MPa；经地温校正后的排替压力为7.43～13.76MPa，平均10.25MPa(见表2)；考虑到地温校正后的排替压力是地下条件下最具有代表性的封闭性能指征，因此下述排替压力统一指地温校正后的排替压力。

从表2中可看出，宝月背斜的样品排替压力明显较东部斜坡-华涌凹陷排替压力高，前者泥岩样品排替压力介于9.51～13.76MPa，平均11.40MPa，为 Ⅰ 类盖层指征；后者泥岩排替压力介于7.43～9.69MPa，平均8.87MPa，为 Ⅱ 类盖层指征。

表2 三水盆地布三段泥岩排替压力

图3 三水盆地布三段泥岩排替压力与埋深关系图 Fig.3 Relationship between displacement pressure and burial depth of mudstone in Bu3 member of Sanshui Basin

布三段泥岩样品排替压力与埋深关系的分析表明，排替压力与埋深相关性很弱(见图3)，说明这些样品的排替压力的差异与埋深关系不大。结合盆地演化分析，原古近系上部地层受到了强烈的剥蚀，前人研究表明三水盆地剥蚀厚度介于1000～1800m之间，平均1200m[26,27]。也就是说，布三段泥岩具有“现今浅埋、曾经深埋”的特点，虽样品现今埋深1150m左右，但其古埋深约2350m左右，据前人研究[34-36]，通常埋深2000m以下岩石已较致密，排替压力受深度影响已不如浅层显著。因此岩石样品的排替压力的变化主要是由于上述的黏土矿物组合类型的不同。

3.3 不同黏土矿物类型的排替压力分析

综合前文分析，宝月背斜、东部斜坡-华涌凹陷具有不同的黏土矿物组合，而宝月背斜样品排替压力明显较东部斜坡-华涌凹陷排替压力高，且排替压力其他的影响因素诸如埋深、泥质含量等均被排除，说明了不同的黏土矿物组合对排替压力造成了明显影响。伊利石+高岭石+伊-蒙混层组合的泥岩样品排替压力介于9.51～13.76MPa之间，平均11.40MPa，为Ⅰ类盖层指征；伊利石+高岭石+绿泥石组合的泥岩排替压力介于7.43～9.69MPa之间，平均8.87MPa，为Ⅱ类盖层指征。

鉴于不同黏土矿物组合对排替压力造成了明显影响，分别开展了研究区样品中4类黏土矿物(伊-蒙混层、绿泥石、高岭石、伊利石)各自与排替压力的关系分析结果如图4所示。由图4可知，布三段泥岩样品盖层排替压力与伊-蒙混层含量成正比，相关性较好；而排替压力与绿泥石含量成反比，相关性亦较好；排替压力与高岭石含量亦成反比，相关性较弱。也就是说，当泥岩黏土矿物中伊-蒙混层含量升高时，泥岩盖层排替压力较高，封闭能力较强；当泥岩黏土矿物中绿泥石、高岭石含量升高时，泥岩盖层排替压力降低，封闭能力明显降低。

图4 三水盆地布三段泥岩排替压力与各类黏土矿物含量关系图Fig.4 Relationship between mudstone displacement pressure and various clay mineral contents in Bu3 member of Sanshui Basin

相比之下，伊利石的含量与泥岩盖层排替压力相关性更弱。按照相关性分析，黏土矿物对排替压力影响程度由强到弱的排序为绿泥石>伊-蒙混层>高岭石>伊利石。

近年来的研究表明，黏土矿物在地层水环境下具有润湿性和膨胀性，会造成连通孔隙、喉道半径的减小，渗透性能降低，盖层封闭能力增强；而不同黏土矿物具有不同的润湿性和膨胀性，通常排序为蒙脱石>伊-蒙混层>高岭石>伊利石>绿泥石[35,36]。黏土矿物的成分不同，泥岩的膨胀性、可塑性和封闭性也不同，从而造成排替压力的区别。当泥岩中黏土矿物以蒙脱石等润湿性强的矿物为主时，泥岩盖层的封闭能力较强；当绿泥石等润湿性较弱的矿物含量较高时，盖层的封闭能力明显降低。

研究区数据分析表明，黏土矿物组合对于排替压力的影响较为显著，具体表现为：当黏土矿物中伊-蒙混层含量升高时，泥岩盖层排替压力较高，封闭能力较强；当泥岩黏土矿物中绿泥石、高岭石含量升高时，泥岩盖层排替压力降低，封闭能力相应降低；这3种黏土矿物的膨胀性、可塑性的排序为伊-蒙混层>高岭石>绿泥石，因此其含量对于泥岩盖层封闭性产生直接影响。

4 结论

1)布三段泥岩黏土矿物类型主要有伊利石、高岭石、绿泥石、伊-蒙混层等4种，形成2种不同的黏土矿物组合类型：类型1为伊利石+高岭石+伊-蒙混层组合，主要分布于盆地西北部宝月背斜地区；类型2为伊利石+高岭石+绿泥石组合，主要分布于盆地东南部东部斜坡-华涌凹陷。

2)采自布三段1150m左右的全部泥岩样品排替压力介于7.43～13.76MPa之间，平均10.25MPa；其中黏土矿物组合类型1的泥岩样品排替压力介于9.51～13.76MPa之间，平均11.40MPa，为Ⅰ类盖层指征；黏土矿物组合类型2的泥岩排替压力介于7.43～9.69MPa之间，平均8.87MPa，为Ⅱ类盖层指征。

3)数据分析表明，黏土矿物组合对于排替压力的影响较为显著，具体表现为：当黏土矿物中伊-蒙混层含量升高时，泥岩盖层排替压力较高，封闭能力较强；当黏土矿物中绿泥石、高岭石含量升高时，泥岩盖层排替压力降低，封闭能力相应降低；这3种黏土矿物的膨胀性、可塑性的排序为伊-蒙混层>高岭石>绿泥石，其含量对于泥岩盖层封闭性产生直接影响。