水力封闭原理及影响因素

对于水力封闭的概念，不同人给了不同的定义：watts 在 1987 年指出：对于封闭烃柱浮压而言，盖层毛细管进入压力非常高，除非盖层破裂才能导致封闭破坏，裂缝的形成类似于天然水力压裂，因此称这类封闭为水力封闭；而许怀先在 2001 年《石油地质实验测试技术与应用》书中定义盖层的水力封闭还要依靠于盖层的毛细管封闭能力，只有岩石的破裂先于流体通过毛细管运移散失的盖层才能称为水力封闭盖层，否则为毛管封闭盖层。

总之，无论是哪种解释，水力封闭就是指在毛管力非常大的情况下，孔隙中的流体压力首先达到了岩石的抗张强度，而发生水力破裂，此时岩石对烃类的封闭作用被称为水力封闭。即：盖层的毛细管压力足够大，大于盖层岩石的水力破裂压力（对于盖层的封闭性是否为水力封闭还要先分析毛细管封闭能力）

水力封闭机理

参见：岩石破裂准则

1987年Watts系统论述了盖层和断层封闭机理及封闭能力的理论计算方法，认为水力封闭的盖层具有极高的排替压力（即毛细管封闭能力），在地层压力逐渐增加的过程中，流体难以通过毛细管渗漏方式有效地卸载孔隙流体压力，致使盖层所受有效应力逐渐降低，并最终发生水力破裂形成微裂缝。依据格里菲斯-库伦破裂准则（图3.11A），裂缝的形成仅与地应力场或流体压力相关，也就是说差应力的增大（图3.11B）或流体压力的增大（图3.11C）都会导致岩石破裂。

脆性岩石的破裂准则

破裂模式	岩石破裂准则	应力条件
张性破裂（水力破裂）	\(P=\sigma_3+T\)	\((\sigma_1-\sigma_3)<4T\)
张性和剪性混合破裂	\(P=\sigma_n+{(4T^2-\tau^2)\over4T}\)	4T<\((\sigma_1-\sigma_3)<6T\)
剪切破裂	\(P=\sigma_n+{(C-\tau)\over\mu}\)	6T<\((\sigma_1-\sigma_3)<4T\)

上表展示了脆性岩石的破裂准则。受差应力大小的影响，裂缝可分为剪切缝和张性缝，当岩石所受差应力大于4倍抗张强度时，岩石破裂符合库伦剪切破裂准则，形成剪切缝；反之，符合格里菲斯破裂准则（Griffith），形成张性缝。

对于垂向主应力为最大主应力的地区，差应力是垂向主应力与水平主应力的差值（σV-σH），脆性岩石在浅埋条件下多形成张性缝，深埋下则易形成剪切缝。盖层埋深控制了岩石破裂方式，而流体压力的变化直接控制了岩石破裂的风险，在储层原始压力条件下，随附加流体压力的增加，岩石所受有效应力降低，破裂风险逐渐升高。

水力破裂的影响因素

水力破裂是脆性破裂的表现形式之一，通常以张性破裂的形式发生。对于膏盐岩这种非渗透性盖层，水力破裂形成的裂缝构成了大量油气运移的高渗透性通道。根据孔隙流体压力与静水压力之间的关系，孔隙流体压力可以分为正常孔隙流体压力和异常孔隙流体压力。当孔隙流体压力处于异常时，将孔隙流体压力与相同埋深处的静水压力的差值称为超压。膏盐岩中的流体超压很普遍，接近于静岩压力，它有利于形成水力破裂，其成因主要有两方面:

1.变质反应

膏盐岩在埋深过程中石膏转变为硬石膏释放出束缚水导致体积增大约38%，反应方程式为:

CaSO₄·2H₂O→CaSO₄+2H₂O

石膏与硬石膏的转化发生在70-150°C，因此当膏盐岩埋深在2-3km时所有的石膏都会脱水，释放的流体可能产生水力破裂。另一个是光卤石转变为钾石盐导致大量流体从光卤石层流出并使体积增加约40%，反应方程式为:

KMgCl₃·6H₂O+4H₂O→KCl+Mg₂⁺+₂Cl^-+10H₂O

由变质反应形成的流体超压能导致扩散膨胀，形成互相连通的裂缝网，大大增加了渗透率，从而使油气发生渗漏。

2.石油和天然气的生成

膏盐岩的页岩夹层中石油和天然气的生成也能使体积大幅度增加，从而导致流体超压。

英国北部Cleveland盆地泽希斯坦统蒸发岩Boulby矿中具有宽度达10cm的张性矿脉，其内充填自形钾盐晶体，说明流体超压的存在(上图a和b)。加拿大魁北克维宪期MagdalenIsland盐矿的盐岩中有含油气包裹体，说明有流体流经盐岩，深色的为角砾状的盐岩，其中包含的矿脉是含铁变红的岩盐和钾盐，这种角砾岩化作用说明了有促使裂缝形成的超压的存在(上图c)。巴西东北部Sergipe-Alagoas盆地阿普特期Taquari–Vassouras钾盐矿中断裂面上有宽达6cm的裂缝，其中含有超压的甲烷气体且裂缝周围是2cm的自形立方岩盐晶体，超压的甲烷气就是有机质丰富的泥页岩成熟形成的(上图d)。

阿曼南部盐盆下寒武纪Ara盐岩的透射光显微照片中可观察到晶界和晶内微裂缝内充满油包裹体转化而来的固体沥青，证明了流体超压的存在。