有效扩散系数测定及地质应用指什么？
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发布时间：2022-04-21 17:50
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时间：2023-07-01 04:03
油气进入圈闭后，由于烃柱浮力、水动力及储层超压（合称储层剩余压力）的作用促使流体继续运移甚至散失而使油气藏遭到破坏。盖层的主要作用就是阻滞油气逸散，保护油气聚集，是形成油气藏的必要条件之一。当盖层排替压力大于储层流体的剩
表3—1 油气盖层分布一览表
续表
图3—1 盖层封闭条件示意图
余压力时，就可以有效地阻止油气的纵向散失，称为静态封闭（图3—1）；反之，油气就可能通过盖层逸散，此时盖层以其微细孔喉和较低的渗透性，依其粘滞阻力发挥阻滞油气运移的作用，称为动态封闭。天然气分子量小，粘度低，流动性大，即使没有压差存在，在浓度梯度作用下还会进行扩散运移，如果盖层自身即是烃源层，具有较高的烃浓度，或具有较强的吸附能力，降低了储盖层间的浓度梯度，则可减缓甚至抑止油气的扩散散失，称为浓度封闭。
在地质历史过程中，油气的聚集与散失在很大程度上取决于盖层的封盖性能，微观封盖能力主要通过物性、岩矿、地化、岩石力学和突破压力及扩散系数等专项参数（表3—2）来评价，前面几项参数已被述及，且在盖层评价中亦十分重要，只是研究对象及应用角度不同。本节主要针对盖层分析评价的专项分析参数即突破压力、有效扩散系数、比表面、微孔分布、粒度分析等参数的测定及其地质应用进行介绍。
表3—2 盖层评价分析项目一览表
1.突破压力测定及地质应用突破压力是指非润湿相流体排驱润湿相流体的最小压力，采用岩心驱替法测定。排替压力是指岩石中最大连通孔径所对应的最小毛细管压力，是样品的固有参数，一般采用压汞法测定。
盖层的排替压力是静态封闭压力，当储层剩余压力小于盖层的排替压力时，油气则完全被阻滞，不能通过盖层散失。岩心驱替法测定的突破压力是排替压力与粘滞阻力之和，为动态封闭压力，其中粘滞阻力Pμ是流体在运动过程中毛细管壁产生的粘滞力，其大小与最大毛细管半径Ro、运移路径长度L、流体粘度μ和时间t有关：
对于特定岩心和流体系统，突破时间越长则粘滞力越小，突破压力越接近于排替压力，当t→+ω时，Pμ→0，突破压力即等于排替压力。用岩心驱替法测定盖层样品的突破压力时，通过控制突破时间即可求得排替压力。
采用压汞法确定盖层样品的排替压力目前仍存在较大分歧（杨家琦等，1995），张义纲（1991）、邓宗淮（1990）和肖无然（1990）等立足于Berg（1975）、Xahuh（1973）、Downey Schmwalter（1980）等对烃类饱和度大于10%左右时才能发生二次运移的观点，提出过汞饱和度为10%所对应的毛细管压力Pc即为盖层的排替压力。实际上在压汞试验中，汞总是优先进入最大量级的孔隙喉道，汞的排替压力Pdc应以进汞曲线开始出现稳定阶段时对应的毛细管压力来确定。经驱替实验证实，应用稳定进汞曲线确定排替压力更接近实际，由此采用Pdc做为压汞法排替压力。
在盖层中往往初始饱和的是水，封盖的是油或气，因此在油气藏盖层评价时需要将压汞法测定的排替压力换算为烃水的排替压力。对于微孔隙发育的盖岩，还可用氧吸附法测定的孔分布求排替压力（肖元然，1990）。
1）突破压力的影响因素（1）沉积环境的影响。
沉积环境控制了沉积物的物质组成及其结构，由此引起盖层封闭能力的差异。在水体面积较大、稳定的沉积环境中形成的泥质岩盖层质纯，颗粒细小，砂质含量低，微孔发育，突破压力高，如深海相、深湖相沉积的泥页岩具有较高的封盖能力；在近物源、水体较动荡的沉积环境中形成的泥质岩质不纯，微细孔隙含量偏高，突破压力低，如河流环境形成的泥岩封盖性能差。吐哈盆地侏罗系地层泥质岩盖层突破压力随含砂量的增加，突破压力降低（图3—2）。
图3—2 不同含砂量泥岩突破压力图
碳酸盐岩盖层受沉积环境的影响主要与泥质含量有关，纯灰岩性脆，易产生裂隙而降低封盖能力，而泥灰岩则塑性条件相对较好不易产生裂隙，如在鄂尔多斯盆地深水斜坡、斜坡及泻湖相形成的碳酸盐岩盖层。
（2）成岩阶段的影响。
在不同的成岩阶段，泥质岩盖层的封盖能力也发生明显的变化。泥质岩中矿物成分转化十分明显，早成岩阶段蒙脱石含量高，具有较强的膨胀性，但压实程度较低，封盖性一般；晚成岩A期蒙脱石大量转化为伊/蒙混层，受压实作用强，具有基质状、紊流状或层流状微结构，孔隙水平定向、孔隙度低，渗透性差、封盖性能好；晚成岩期粘土矿物以伊利石和高岭石为主，坚硬、性脆，其封盖性能取决于构造运动的强弱及裂隙发育程度（表3—3）。
膏岩成岩阶段主要分为四期，早成岩期石膏脱水变为硬石膏，自形膏岩矿物呈压实定向排列；晚成岩A期硬石膏重结晶，由自形晶变为柱状、板状、板片状半自形晶；晚成岩B期在侧向挤压作用下，硬石膏重新变形，重结晶形成糖粒状它形巨晶结构；退后生成岩期使膏岩暴露地表，由于表生风化淋滤作用，退化为变水石膏及石膏。
表3—3 泥质岩盖层与成岩阶段关系表（据赵庆波）
硬石膏具有微孔隙发育，渗透率低，排替压力高的特点，在地层条件下易发生塑性变形，不易形成裂隙，具有极强的封闭能力。某盆地侏罗系硬石膏在围压50MPa，温度为70℃时突破压力达25～32MPa，而变水石膏突破压力为5～10MPa，石膏突破压力在5MPa以下。
（3）温度及压力条件的影响。
突破压力随温度及压力条件变化也十分显著，主要表现为由于地层埋深增加，孔隙被压缩，特别是塑性大的膏岩变化尤其明显（表3—4），随着温度及压力的提高，突破压力增大52%～525%，泥岩和灰岩变化相对较小。
2）突破压力在地质评价中的应用突破压力由于受沉积环境、成岩作用、地层温压条件及构造应力作用等多种因素的影响，虽具有一定规律，但也不尽然。同一地区同一沉积环境，不同埋深、不同物质组成，其突破压力也可能差异较大。因此在进行盖层评价时应根据研究区内各种地质条件的影响程度，结合储层及其它实测资料进行评价。
表3—4 不同模拟条件下突破压力变化表
排替压力主要是阻滞油气的渗流运移，是毛细封闭的重要评价参数。排替压力越高，突破压力越大或突破时间越长，则表明盖层的最大连通孔径越小，毛细阻力越大，封盖能力越强。除了上述直接测定参数外，还可用相对封闭压力、封盖系数及封盖气柱高度等参数将储层和盖层纳入同一系统中进行分析评价，这样结果将更加可靠。
（1）相对封闭压力：
盖层封闭压力与储层剩余压力的差值，即：Pr1=Pd-ΔPres；或采用盖层封闭压力与储层剩余压力的比值，即：Pr2=Pd/ΔPres。
（2）封盖系数：
除了用压力评价外，还可以用时间做评价参数，根据普赛尔公式，突破时间由3—2式确定。假设取样的样品与地质条件下盖层岩石孔隙结构一致，由此可以根据实测突破时间计算穿越盖层的突破时间：
式中tw——盖层的突破时间，s；H——盖层厚度，cm。
如果气藏的形成时间为t，则定义封盖系数为：tW与t的比值。
（3）封闭烃柱高度：
在不考虑地层超压及水动力条件下，盖层封闭油气的条件是Pdc≥PF，由此可得封闭的最大烃柱高度为：
式中THC——封闭最大烃柱高度，m；ρW、ρHC——水和烃的密度，g/cm3；g——重力加速度，9.8m2/s。
2.有效扩散系数测定及地质应用扩散是指在浓度梯度作用下，气体分子由高浓度区通过各种介质向低浓度区自由迁移达到浓度平衡的一种物理过程。扩散快慢以扩散系数来表述，岩石的有效扩散系数是指沿扩散方向，在单位时间通过单位面积岩石的扩散流的流量与浓度梯度的比率。油气藏中，储层与盖层之间存在的浓度梯度会促使天然气通过盖层进行扩散运移，成为油气散失的另一方式。
扩散系数的大小反映了扩散运移速率的快慢，如常规孔渗资料一样，可用其评价盖层的质量好坏。扩散系数越小，则通过盖层的散失速度越慢，封盖性能越好。同理还可用其它间接参数来进行盖层评价，主要参数有扩散速率因子、扩散阻滞时间和扩散阻滞系数（杨家琦等，1995）等参数。当然，最有效、最直观的盖层评价指标是扩散散失量及浓度封闭因子。
1）扩散速率因子扩散运移不仅受岩石扩散系数影响，还受盖层厚度和时间的影响。扩散速率因子定义为单位浓度差下的扩散通量密度，即扩散系数与盖层厚度的比值：
2）扩散阻滞时间及阻滞系数扩散速率为VD，则气体穿越厚度为L的盖层所用的时间为tD，tD越小，表明气体越不易穿越盖层进行扩散运移，由此，定义时间tD为扩散阻滞时间：
如果tD大于气藏形成时间，则说明气藏形成后扩散前缘至今还未穿越盖层，气藏基本未遭受破坏，这反映了盖层对扩散运移的抑制能力，反之则说明存在扩散散失，二者之比称为扩散阻滞系数：
ED越大，盖层对扩散的阻滞能力越强，油气保存越好。
3.比表面和微孔分布的测定及地质应用做为盖层的岩类，如盐岩、石膏、泥质岩等，微孔特别发育，特别是小于100nm的孔隙占的比例很大，因此具有极大的比表面，同时其连通性差，迂曲度大，从而导致渗透率低、突破压力高、封闭能力好。然而用常规方法难以测定如此微小的孔隙含量，采用液氮吸附法则可很好地描述微细孔隙分布规律，评价盖层的封盖能力。
吸附法可给出较多有意义的参数用于盖层封盖能力评价，主要参数包括：
（1）吸附等温线：由于岩石的孔隙形态不同，其吸/脱附时中毛细凝聚过程也不一样，表现在吸附等温线中即吸附和脱附回线的形态各异，将吸附等温线归纳为五种类型，分别对应不同的孔隙结构形态（图3—3）。
图3—3 各种类型吸附回线及其所反映的各种孔隙结构A类：两分支的分离位于中等压力处，分支很陡，反映的定向端开放的管状毛细孔；B类：分支在饱和蒸汽压处很陡，脱附分支在中等相对压力处也很陡，反映的是具平行狭板状毛细孔；C类：分支开在中等压力处，反映的是一种典型的锥形或双锥形孔；D类：反映四面开放的尖劈形毛细孔；E类：吸附分支缓慢上升，而脱附分支在中等压力处很陡，表明具有墨水瓶形的孔隙。
开放性孔隙和细颈瓶形孔隙产生吸附回线而封闭笥孔隙将不产生吸附回线。
（2）根据吸附等温线获得的样品孔隙分布，依据不同孔径范围的孔隙所占的比例可判别孔隙发育程度，同时还可计算出平均孔径、中值半径、优势孔径范围等参数用于对比评价。平均孔径越小，优势孔径越低，则表明微孔越发育，其封盖性能就越好。
（3）比表面是单位质量岩石孔隙的总表面积，其值越大，表明微孔所占比例越高，对烃气的吸附能力也越强，越易对油气形成封闭。
4.泥质岩粒度的测定及应用由于受沉积环境的影响，泥质岩的颗粒均较细，但在不同的沉积相带中，其颗粒组成又有较大的差异。不同的组成，造成其形成的岩石孔隙结构不同，其力学性质也有所差异，从而影响到盖层的封盖能力。泥质岩中最大颗粒一般100～300nm，激光法测定粒径范围为0.1～500μm或更宽，采用激光法测试其粒度构成是行之有效的方法。
粒度分析主要给出粒度频率分布曲线和累积曲线，以及粒度中值、平均孔径或含砂量等参数，主要反映沉积时水动力条件，是沉积环境的具体体现。
在不同沉积环境下泥质岩粒度分布不同，深海相泥岩颗粒较细，粒度中值一般为8～10μm，而河流相泥质岩颗粒相对较粗，均质程度差，粒度中值在12～18μm以上（图3—4）。
在不同的沉积环境条件下，粒度分布不同，其成岩后孔隙结构、孔隙连通性等都有所差异，粒度分析利于更好地评价和预测泥质岩盖层的封盖性能。
总之，盖层的主要作用是阻滞油气的散失，其封闭方式主要包括毛细封闭（静态和动态封闭）和浓度封闭。评价其封闭能力的实验参数有：有孔隙度、渗透率及毛管压力等物性参数，X—衍射、薄片分析等岩矿参数，有机碳及R。等地化参数和杨氏模量及泊松比等力学参数。这些参数用于评价盖层的基本属性，判识其是否能够做为盖层，同时还有一些专项分析参数，如突破压力、有效扩散系数、封闭烃柱高度、封盖系数、扩散阻滞系数等用于定量评价盖层的封盖能力。将储盖层进行系统评价时可用相对封闭压力系数，浓度封闭因子等参数进行综合评价。在进行封盖层评价时，可以从中选择主要参数进行综合分析，既要分析盖层本身的封闭性能，又要考虑储盖层的配置关系，并需结合区域地质特点才能对封盖层进行合理、准确的评价。
图3—4 不同沉积环境泥岩盖层粒度及孔径分布特征图
