龔建洛，張金功，惠 濤，黃傳卿，張林曄，孫志剛，陳曉軍

1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，西安 710069

2.延長(zhǎng)石油國(guó)際勘探開發(fā)工程有限公司，西安 710075

3.中國(guó)石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營(yíng) 257000

0 引言

地?zé)崾怯绊懗练e盆地石油與天然氣生成、運(yùn)移、聚集、保存的重要因素，也是影響地?zé)崴跋嚓P(guān)固體礦產(chǎn)形成與分布的重要因素［1－11］。在大地?zé)崃饕欢ǖ臈l件下，沉積盆地中巖石熱導(dǎo)率及其在平行層面和垂直層面方向的差異對(duì)熱流的傳遞和地溫分布有重要影響［12－16］：一方面，巖石熱導(dǎo)率越高，所分配的熱流相對(duì)就越多，地溫相應(yīng)的也越高；另一方面，巖石平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異會(huì)影響大地?zé)崃髟诳v向和橫向上的熱流分配，進(jìn)而導(dǎo)致盆地縱向與橫向上地溫的差異。由于沉積巖一般為多孔介質(zhì)，在油氣勘探和開發(fā)過程中，與沉積巖孔隙連通性（孔隙性和滲透性）有關(guān)的研究方法多樣，研究程度較高，數(shù)據(jù)較多；相比之下，沉積巖熱導(dǎo)率的研究手段較為單一、研究程度較低、數(shù)據(jù)較少。基于以上原因，研究者們［17－31］試圖通過分析沉積巖孔隙連通性（孔隙性和滲透性）與熱導(dǎo)率的關(guān)系來研究沉積巖的熱導(dǎo)率，用于分析盆地的地溫場(chǎng)特征［32－34］。在這一研究領(lǐng)域，前人對(duì)沉積巖熱導(dǎo)率與孔隙連通性（孔隙和滲透率）的相關(guān)性進(jìn)行了大量研究，但對(duì)沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率差異與孔隙連通性差異之間的關(guān)系還沒有進(jìn)行深入分析，這大大地制約了對(duì)含油氣盆地?zé)醾鬟f和地溫場(chǎng)的精細(xì)研究。

渤海灣盆地沾化凹陷是富含油氣的中、新生代沉積凹陷。目前，在沾化凹陷已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了孤島、渤南、樁西等大、中型油氣田，其含油層位有太古宇、下古生界、上古生界、中生界、新生界古近系沙河街組、東營(yíng)組、新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組，古近系沙三段泥頁巖中也發(fā)現(xiàn)了工業(yè)性油氣藏。此外，孤島等地區(qū)還發(fā)現(xiàn)了良好的地?zé)崴Y源。筆者依據(jù)對(duì)沾化凹陷蓋層古近系泥質(zhì)巖、粉砂巖和砂巖及凹陷基底奧陶系白云巖平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異和孔隙連通性特征研究，探討了沉積巖平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率差異與孔隙連通性特征之間的關(guān)系，并分析了其在沉積盆地?zé)醾鬟f過程和地溫分布特征研究中的意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

沾化凹陷區(qū)位于山東省東北部，為濟(jì)陽坳陷的次級(jí)構(gòu)造單元，東南與墾東-青坨子凸起相接，南部地層與陳家莊凸起呈超覆接觸，西北與車鎮(zhèn)凹陷毗鄰，北與埕子口凸起相連，具有北斷南超的特點(diǎn)，是在古生代地層基礎(chǔ)上發(fā)育的中、新生代箕狀斷陷盆地（圖1）。其中，下古生界以淺海相碳酸鹽巖（石灰?guī)r、白云巖）為主，上古生界以海陸交互相和湖泊-河流相砂巖、泥質(zhì)巖為主，中、新生界以湖泊與河流相砂巖、泥質(zhì)巖為主。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及研究方法

此次研究選取沾化凹陷中巖性具代表性的樣品共4組，分別是泥質(zhì)巖、粉砂巖、砂巖和白云巖，實(shí)驗(yàn)樣品基本特征見表1。對(duì)每組樣品進(jìn)行了平行層面和垂直層面方向的熱導(dǎo)率（k）測(cè)試實(shí)驗(yàn)和孔隙連通性特征分析（圖2）。

表1 樣品基本特征Table 1 Basic characteristics of experimental samples

圖1 沾化凹陷構(gòu)造位置與盆地結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch map showing the tectonic location and basin architecture of Zhanhua Depression

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品的采集及測(cè)試分析過程示意圖Fig.2 Sketch map showing the sampling method and the testing process

熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)采用的是瞬態(tài)熱絲法，使用的儀器為HP－K高溫高壓導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，在室溫（25℃）和常壓（無環(huán)壓）條件下，分別對(duì)4組樣品在干燥含氣狀態(tài)、飽和水狀態(tài)（飽和水類型：KCl溶液；飽和水礦化度：30g/L；水飽和度：100%）和飽和油狀態(tài)（飽和油類型：煤油；油飽和度：100%）下的平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率進(jìn)行了測(cè)試。

對(duì)巖石孔隙連通性差異特征研究，采用鑄體薄片中平行層面與垂直層面方向孔隙連通特征觀察和平行層面與垂直層面方向巖石滲透率（K）測(cè)試相結(jié)合的方法。鑄體薄片為垂直巖石層面切片，該方向切片能反映出平行層面和垂直層面方向上巖石孔隙結(jié)構(gòu)與巖石礦物顆粒的排列方式；分別磨制了泥質(zhì)巖、粉砂巖、砂巖和白云巖垂直巖石層鑄體薄片，并對(duì)這4塊薄片平行層面和垂直層面方向上巖石孔隙結(jié)構(gòu)與礦物顆粒的排列方式進(jìn)行了觀察。巖石平行層面和垂直層面方向上的滲透率差異可直接反映孔隙的連通性差異特征。為了分析巖石平行層面和垂直層面方向的滲透率，在室溫（25℃）和常壓條件下，對(duì)泥質(zhì)巖全直徑巖心樣品進(jìn)行了平行層面和垂直層面方向的滲透率測(cè)試；另對(duì)采集的粉砂巖、砂巖和白云巖的平行層面樣品和垂直層面樣品分別進(jìn)行了滲透率測(cè)試。

根據(jù)對(duì)以上4組樣品平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果及孔隙連通性特征的觀察結(jié)果，對(duì)比分析了巖石平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異與孔隙連通性特征之間的關(guān)系。

3 沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異

樣品在干燥含氣狀態(tài)、飽和水狀態(tài)、飽和油狀態(tài)下，熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2和圖3。

從表2和圖3熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異特征表現(xiàn)為兩類：K1樣品（泥質(zhì)巖）、K2樣品（粉砂巖）、K3樣品（砂巖）平行層面方向熱導(dǎo)率均高于垂直層面方向熱導(dǎo)率；K4樣品（白云巖）平行層面方向熱導(dǎo)率均低于垂直層面方向熱導(dǎo)率。

4 沉積巖孔隙連通性差異特征

4.1 K1樣品（泥質(zhì)巖）孔隙連通性差異特征

K1樣品（泥質(zhì)巖）顆粒細(xì)小，為微晶-隱晶結(jié)構(gòu)，礦物顆粒的排列具有較弱的定向特征，主要沿平行層面方向排列。由于泥質(zhì)巖顆粒細(xì)小、結(jié)構(gòu)致密，主要發(fā)育微孔隙，鑄體薄片中孔隙特征不明顯。泥質(zhì)巖全直徑巖心滲透率測(cè)試結(jié)果顯示，平行層面方向滲透率為17.200×10－3μm2（造成平行層面方向滲透率偏大的原因是因?yàn)槿睆侥噘|(zhì)巖樣品中發(fā)育平行層面微裂縫（圖4）），垂直層面方向滲透率為0.247×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為69.636（圖5）。以上特征表明，K1樣品（泥質(zhì)巖）孔隙連通性特征表現(xiàn)為平行層面方向好于垂直層面方向。

4.2 K2樣品（粉砂巖）孔隙連通性差異特征

K2樣品（粉砂巖）顆粒的長(zhǎng)軸方向基本平行于層面方向，云母、炭屑呈條狀，順層分布。薄片中可見孔隙主要為粒間孔，呈扁平狀或條狀，孔隙的長(zhǎng)軸方向主要平行于巖層層面方向，主要沿平行于巖層層面方向連通。滲透率測(cè)量顯示，平行層面方向滲透率為0.570×10－3μm2，垂直層面方向滲透率為0.370×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為1.541（圖5）。以上特征表明，K2樣品（粉砂巖）孔隙連通性特征表現(xiàn)為平行層面方向好于垂直層面方向。

表2 平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率Table 2 Horizontal and vertical thermal conductivities

圖3 樣品平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率Fig.3 Map of horizontal and vertical thermal conductivities

圖4 K1樣品（泥質(zhì)巖）平行層面方向微裂縫發(fā)育特征（單偏光）Fig.4 Characteristic of the horizontal fracture of sample K1（argillaceous rock）

4.3 K3樣品（砂巖）孔隙連通性差異特征

K3樣品（砂巖）陸源碎屑和長(zhǎng)石礦物顆粒的長(zhǎng)軸方向基本平行于層面方向。薄片中可見孔隙主要為粒間孔，繞顆粒分布，呈扁平狀或條狀，孔隙的長(zhǎng)軸方向主要沿平行于巖層層面的方向連通。滲透率測(cè)量顯示，平行層面方向滲透率為0.789×10－3μm2，垂直層面方向滲透率為0.696×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為1.134（圖5）。以上特征表明，K3樣品（砂巖）孔隙連通性特征表現(xiàn)為平行層面方向好于垂直層面方向。

4.4 K4樣品（白云巖）孔隙連通性差異特征

K4樣品（白云巖）為嵌晶狀晶粒結(jié)構(gòu)，不具定向性排列特征，發(fā)育垂向、近垂向裂縫，部分被方解石充填?？紫兑粤芽p為主，主要沿近垂直層面方向連通。滲透率測(cè)量顯示，平行層面方向滲透率為0.464×10－3μm2，垂直層面方向滲透率為0.948×10－3μm2，平行層面方向滲透率與垂直層面方向滲透率比值為0.489（圖5）。以上特征表明，K4樣品（白云巖）孔隙連通性特征表現(xiàn)為平行層面方向差于垂直層面方向。

4.5 沉積巖平行層面與垂直層面方向孔隙連通性差異的原因分析

沉積巖平行層面與垂直層面方向孔隙連通性的差異主要受巖石孔隙類型和分布的影響。

巖石中裂縫不發(fā)育時(shí)，組成巖石的顆粒排列特征與孔隙的定向分布有密切關(guān)系。一般碎屑巖中礦物顆粒的長(zhǎng)軸平行于巖層層面，這種排列造成孔隙沿平行層面方向主要以扁平狀結(jié)構(gòu)為主?？紫兜拈L(zhǎng)軸平行巖層層面方向，反映在孔隙結(jié)構(gòu)和分布特征上就是孔隙主要沿平行層面方向分布，在單位長(zhǎng)度上平行層面方向上孔喉個(gè)數(shù)少于垂直層面方向上孔喉個(gè)數(shù)。這就導(dǎo)致了巖石孔隙連通性平行層面方向好于垂直層面方向（如K2樣品（粉砂巖）和K3樣品（砂巖））。

當(dāng)沉積巖中發(fā)育裂縫時(shí)，平行裂縫面的方向是孔隙連通性好的方向。當(dāng)裂縫面平行于巖層層面時(shí)，沉積巖平行層面方向的孔隙連通性要好于垂直層面方向（如K1樣品（泥質(zhì)巖））；當(dāng)裂縫面垂直于巖層層面時(shí)，沉積巖垂直層面方向孔隙連通性要好于平行層面方向（如K4樣品（白云巖））。

5 沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率差異與孔隙連通性差異關(guān)系分析

對(duì)比沉積巖平行層面與垂直層面方向的熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果和孔隙連通性特征（圖5），樣品K1、K2、K3平行層面方向的熱導(dǎo)率大于垂直層面方向，孔隙連通性特征表現(xiàn)為平行層面方向好于垂直層面方向；樣品K4平行層面方向的熱導(dǎo)率小于垂直層面方向，孔隙連通性特征表現(xiàn)為平行層面方向差于垂直層面方向。

對(duì)比結(jié)果表明，沉積巖平行層面與垂直層面方向熱導(dǎo)率差異和孔隙連通性特征之間有明顯的正相關(guān)性，具體表現(xiàn)為：孔隙的連通性較好的方向，熱導(dǎo)率較高；孔隙的連通性較差的方向，熱導(dǎo)率較低。

6 意義

在目前技術(shù)條件下進(jìn)行的含油氣盆地勘探和開發(fā)過程中，沉積巖孔隙連通性參數(shù)（孔隙度和滲透率）可以通過地震、測(cè)井、錄井及巖心測(cè)試等多種技術(shù)和方法有效獲得，研究程度較高，相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)也較多。相比之下，沉積巖熱導(dǎo)率參數(shù)和盆地地溫資料的獲取手段有限，熱導(dǎo)率參數(shù)主要依靠鉆井巖心的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量獲取，盆地地溫資料主要依靠鉆井測(cè)溫和大地?zé)崃鳒y(cè)量；這種情況制約了含油氣盆地地溫分布研究及預(yù)測(cè)，也影響了更為精細(xì)的油氣勘探和開發(fā)。而根據(jù)筆者的研究結(jié)果，沉積巖平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異與沉積巖孔隙連通性差異有正相關(guān)關(guān)系，因此，可以通過分析沉積盆地中沉積巖孔隙連通性差異來分析沉積盆地沉積巖熱導(dǎo)率差異，進(jìn)而更為精細(xì)地研究和預(yù)測(cè)沉積盆地?zé)醾鲗?dǎo)和地溫分布特征。

圖5 樣品平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率差異與孔隙連通性差異對(duì)比圖Fig.5 Map showing the comparisons between the thermal conductivity difference and the pore connectivity difference in the direction of parallel and perpendicular to the bedding planes of samples

7 結(jié)論

1）沾化凹陷泥質(zhì)巖、粉砂巖和砂巖的平行層面方向熱導(dǎo)率大于垂直層面方向熱導(dǎo)率；白云巖的平行層面方向熱導(dǎo)率小于垂直層面方向熱導(dǎo)率。

2）沾化凹陷泥質(zhì)巖、粉砂巖、砂巖及白云巖平行層面和垂直層面方向熱導(dǎo)率的差異與孔隙連通性差異有密切關(guān)系，兩者之間具正相關(guān)性。孔隙的連通性較好方向，熱導(dǎo)率相對(duì)較高；孔隙的連通性較差的方向，熱導(dǎo)率相對(duì)較低。

本項(xiàng)研究的部分測(cè)試實(shí)驗(yàn)在中石化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室勝利油田地質(zhì)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試中心完成，實(shí)驗(yàn)得到了閔令元、王建、張紅欣高級(jí)工程師的大力支持，在此表示衷心的感謝。

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