本研究由时欣磊（第一作者，成都理工大学硕士生）、申小冬（通讯作者，成都理工大学副教授）、宋鹏、王宇（中海石油（中国）有限公司海南分公司）、梁浩然、陈安清、曹海洋、徐眆昊、侯明才、徐国盛（均来自油气藏地质及开发工程全国重点实验室（成都理工大学））共同完成。该研究于2026年1月15日在《矿物岩石》（Mineralogy and Petrology）期刊以网络首发形式在线发表，其英文标题为“Experimental Study on the Breakthrough Pressure of Loose Sediments in the Ultra-Deep-Water and Ultra-Shallow Layers of the Qiongdongnan Basin”。
学术背景
该研究隶属于石油与天然气地质学，特别是盖层评价与深海天然气资源勘探领域。研究的核心动因源于南海琼东南盆地的一项重大勘探发现：超深水（水深超过1500米）超浅层（埋深小于300米）的陵水36-1千亿立方米级大气田。传统观点认为，在这种环境下的地层（主要是未固结或弱胶结的松散沉积物）封盖能力弱，难以形成大型气藏。然而，陵水36-1气田的存在挑战了这一认知，表明这些松散沉积物可能具备有效的封盖能力。然而，学界此前对于此类超深水超浅层未固结沉积物的封盖能力缺乏基于实际样品的实验评价，封盖机理亦不清晰。突破压力（Breakthrough Pressure）是定量评价盖层封堵气体能力的核心参数，但现有的测试方法和装置主要针对固结岩心设计，无法直接应用于松散沉积物，且缺乏标准的样品制备方法。因此，本研究旨在通过自主研发的实验装置和方法，系统测试琼东南盆地目标区松散沉积物的突破压力与渗透率，探究其封盖能力及主控因素，最终建立相关定量关系，为该类气藏的盖层评价提供实验依据和理论指导。研究目标明确，即填补该领域实验数据的空白，阐明超深水超浅层天然气得以大规模聚集的关键封盖机理。
详细研究流程
研究流程可概括为四个相互关联的核心环节：1) 实验装置与方法的自主开发与验证；2) 样品制备；3) 系列物性参数测试；4) 数据分析与关系建模。
环节一：实验装置与方法开发及验证。针对松散沉积物测试的难题，研究团队自主研发了一套多功能驱替装置。该装置的核心是多功能岩心夹持器，其创新之处在于设计了可替换的内部结构：结构1用于常规固结岩心；结构2（粗填砂管，内径25mm）和结构3（细填砂管）则专门用于不同量的未固结样品。本研究主要采用结构2。该夹持器最高耐压50 MPa，温度范围-20~150°C，可模拟地下温压条件。样品制备方法也经过了专门设计，通过载压室恒压推动柱塞压缩泥浆状样品，模拟地质环境下有效上覆应力（Effective Overburden Stress）的压实过程，直至达到压实平衡状态，从而制备出能代表原位物性的实验样品。为验证新装置和方法的可靠性，研究从三方面进行了验证：第一，使用伊利石样品，分别用新方法和常规固结岩心方法测试渗透率，结果一致且重复性好；第二，对某一实际样品测得的渗透率与已有测井数据高度吻合；第三，在低于突破压力的条件下对样品进行长时间保压测试，样品未被突破，证明了实验结果的稳定性。
环节二：样品制备。研究使用了两类研究对象：一是从陵水36-1区实际采集的4块泥质沉积物和4块砂质沉积物（共8个天然样品）；二是人工配制样品，用于探究特定因素（如黏土类型与含量、水合物饱和度）的影响。人工样品由石英砂与蒙脱石或伊利石按不同比例混合而成。对于含水合物样品，研究团队建立了详细的制备流程：先制备含水样品，在夹持器中通入过量甲烷气体，通过降温（从15°C降至0.5°C）促使水合物生成，并通过压力变化判断反应完成，进而根据物质守恒公式计算水合物饱和度。
环节三：实验测试。在制备好的样品上，系统开展了三项关键测试，均在自主研发的装置上完成：1) 液测渗透率：使用3.5% NaCl溶液模拟地层水，在恒压条件下驱替，通过测量出口端液体流量和压差，依据达西定律计算。2) 突破压力：参照行业标准《SYT5748-2020 岩石气体突破压力测定方法》，采用分步升压法，向样品入口端逐步增加甲烷气体压力，直至出口端观察到均匀连续的气泡冒出，此时的气-液两相压差即为突破压力。3) 气测渗透率：在部分实验中，通过测量恒定压差下的气体流量进行计算，作为辅助验证。
环节四：数据分析与关系建模。在获得大量实验数据后，研究者系统分析了不同因素（静水压力、有效上覆应力、水合物饱和度、黏土类型与含量）对样品厚度、渗透率和突破压力的影响规律。最终，综合所有泥质沉积物（包括天然和人工样品）的测试数据，建立了突破压力与液测渗透率之间的量化关系曲线，并识别出关键特征。
主要结果
实验结果丰富且层次分明，逐步揭示了不同因素的作用机制。
首先，工区样品的基础封盖性能得以量化。泥质沉积物表现出良好的封盖能力：突破压力介于1.25至2.13 MPa之间，液测渗透率极低（0.0060×10⁻³至0.0450×10⁻³ μm²）。相反，砂质沉积物在无水合物时封盖能力很弱：突破压力普遍低于0.3 MPa，渗透率较高（0.1037×10⁻³至0.6940×10⁻³ μm²）。这从实验上证实了研究区泥质沉积物是有效的盖层，而纯砂质层难以单独封盖气体。这一结果为理解陵水36-1气田的储盖组合提供了直接数据支撑。
其次，外界条件的影响得以澄清。实验表明，静水压力（模拟不同水深条件） 对松散沉积物的突破压力无明显影响。因为改变孔隙流体压力并未改变沉积物的骨架结构和压实状态。这一发现简化了实验条件，并为不同水深环境的评价提供了参考。
第三，地层压实作用的影响显著。通过改变有效上覆应力（模拟不同埋深压实）测试泥质沉积物，发现随着有效应力的增加，样品被显著压缩（厚度下降26%-44%），渗透率急剧下降，而突破压力大幅上升（例如，#1829.2样品从0.7 MPa增至6.9 MPa）。这归因于压实导致孔喉半径变小，毛细管力增强。该结果明确了埋深（压实效应）是控制泥质盖层封盖能力的关键地质因素。
第四，水合物的改善作用被定量揭示。针对砂质沉积物，研究发现低饱和度水合物（低于40%）对提升突破压力作用有限。然而，当水合物饱和度达到62%时，突破压力可从0.1 MPa提升至0.6 MPa，封盖能力增强超过6倍。这表明，在琼东南盆地满足水合物形成的低温高压环境中，水合物通过胶结颗粒、封堵孔隙，能显著改善砂质层的封盖性能，这可能是该区超浅层气藏得以保存的重要机理之一。
第五，黏土矿物的关键作用被深入探究。人工配样实验表明，无论是膨胀性强的蒙脱石还是研究区含量高的伊利石，其含量的增加都能显著提高突破压力、降低渗透率。特别是伊利石含量超过40%时，渗透率会出现骤降。这从矿物学角度阐明了黏土含量是控制沉积物封盖能力的本质内在因素。
最后，基于以上所有泥质样品的实验数据，研究建立了突破压力与液测渗透率之间的经验关系。该关系曲线揭示了一个重要规律：在渗透率为0.1×10⁻³ μm²附近存在一个明显拐点。当渗透率低于此临界值时，突破压力对渗透率的降低变得极为敏感，会急剧上升，意味着封盖能力显著增强；而当渗透率高于此值时，突破压力始终很低，样品基本不具备封盖能力。这一量化关系为快速预测泥质盖层的封盖能力提供了一个实用的判别指标。
结论与价值
本研究得出以下核心结论：1) 琼东南盆地陵水36-1区超深水超浅层泥质沉积物具备良好的天然气封盖能力，而砂质沉积物在无水合物时封盖能力弱。2) 沉积物的突破压力主要受有效上覆应力（压实作用）、黏土矿物含量和水合物饱和度的显著影响，而静水压力影响不大。3) 建立了泥质沉积物突破压力与渗透率的量化关系，并确定了0.1×10⁻³ μm²这一关键的渗透率拐点值。
该研究的科学价值在于，首次通过系统的实验测试，定量评价了南海超深水超浅层典型松散沉积物的封盖能力，揭示了水合物形成和黏土含量对增强封盖能力的关键作用，从实验力学角度解释了陵水36-1大型气田得以形成的封盖机理。在应用价值上，研究自主研发的测试装置和样品制备方法为同类松散沉积物的实验研究提供了技术方案；所建立的突破压力-渗透率关系及确定的临界渗透率拐点，可为类似深水区浅层天然气藏的盖层评价、勘探目标优选与资源潜力评估提供直接的实验依据和快速预测工具。
研究亮点
本研究的亮点突出体现在三个方面：1) 研究对象的特殊性：聚焦于传统认为封盖能力差的“超深水超浅层未固结松散沉积物”，回应了重大勘探发现提出的科学问题。2) 方法学的创新性：自主研发出适用于松散沉积物测试的多功能驱替装置和配套的样品制备方法，解决了该领域长期存在的技术瓶颈，并通过多角度验证了其可靠性。3) 发现的系统性：不仅获得了基础物性参数，还系统揭示了静水压力、有效应力、水合物、黏土矿物等多因素影响规律，并最终提炼出具有普适意义的定量关系与临界判别指标，完成了从现象描述到机理阐释再到定量预测的完整研究链条。
其他有价值内容
论文中对天然气水合物（Natural Gas Hydrate）在沉积物中的两种赋存模式（孔隙型、裂隙型）及在研究区以孔隙型为主的说明，以及对前人关于深海泥、块体流、含水合物地层三类盖层封盖能力理论估算的介绍，为理解研究背景提供了有益的学术语境。此外，文中对突破压力测试方法（如分步法、连续法、压汞法等）的总结表格，也具有一定的资料参考价值。