碎屑巖沉降埋藏演化過(guò)程中的變化研究淺析

王 曄，張金功，南 煜，李昀龍

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069;2.中國(guó)石油青海油田分公司，甘肅 敦煌736202)

在含油氣盆地中，松散沉積物在沉降埋藏演化過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷了從壓實(shí)、膠結(jié)到破裂的過(guò)程。經(jīng)典的沉積學(xué)用成巖作用來(lái)表述這一過(guò)程，即碎屑沉積物從沉積后到變質(zhì)前這一漫長(zhǎng)階段所發(fā)生的各種物理、化學(xué)及生物化學(xué)變化。按照中國(guó)石油天然氣行業(yè)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)(2003)將成巖作用劃分為五個(gè)階段:同生成巖階段、早成巖階段(包括A、B兩個(gè)亞期)、中成巖階段(包括A、B兩個(gè)亞期)、晚成巖階段和表生成巖階段，主要包括壓實(shí)作用、壓溶作用、膠結(jié)作用、溶解作用、交代作用等。從工程地質(zhì)上講，巖石力學(xué)性質(zhì)的變化階段與應(yīng)力變化密切相關(guān)，巖石在外荷作用下首先產(chǎn)生變形，隨著荷載的不斷增加，變形也不斷增加，當(dāng)荷載達(dá)到或超過(guò)某一限度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致巖石破裂。

1 壓實(shí)作用及孔隙度－深度曲線的研究

壓實(shí)作用是指沉積物沉積后在其上覆水層或沉積層的重荷下，或在構(gòu)造形變應(yīng)力的作用下，發(fā)生水分排出、孔隙度降低、體積縮小的作用。泥質(zhì)巖類在壓實(shí)過(guò)程中由于壓實(shí)流體未能及時(shí)排出或排出受阻，孔隙體積不能隨壓力增大而變小，使其中流體也承受了上覆地層的負(fù)荷，出現(xiàn)孔隙流體壓力高于相應(yīng)靜水壓力的現(xiàn)象，產(chǎn)生該現(xiàn)象的過(guò)程叫欠壓實(shí)作用。Wyllie(1963)研究發(fā)現(xiàn)，聲波時(shí)差與孔隙度存在線性關(guān)系，提出用聲波時(shí)差隨深度的變化來(lái)反映壓實(shí)作用的過(guò)程，并得到廣泛的應(yīng)用。

1.1 泥巖的孔隙度－深度曲線變化特征

Athy(1930)指出，在正常壓實(shí)條件下泥巖與埋深存在指數(shù)關(guān)系。現(xiàn)今人們?cè)诜治瞿鄮r(甚至砂巖)的壓實(shí)程度時(shí)，大多都用指數(shù)關(guān)系式來(lái)表達(dá)泥巖孔隙度與埋深的定量關(guān)系［1］。

泥巖孔隙度隨埋深變化規(guī)律可大致分成兩種類型。一種為兩段式，即表現(xiàn)為快速降低和緩慢降低兩段;另一種為四段式，即表現(xiàn)為快－慢－快－慢四段式降低。

Rieke和Chilingarian(1974)［2］編制的世界頁(yè)巖和泥質(zhì)沉積物孔隙度隨深度變化曲線(見(jiàn)圖1)即屬第一類。由圖1不難看出，雖然不同地區(qū)泥質(zhì)沉積物的孔隙度起始值和變化區(qū)間不同，但隨深度變化大都表現(xiàn)出先快后慢的趨勢(shì)。

圖1 頁(yè)巖和泥質(zhì)沉積物孔隙度和埋藏深度之間的關(guān)系(據(jù)Rieke等，1974)

何炳俊(1981)、王行信(1985)、張博全(1982)等學(xué)者也對(duì)四階段泥巖孔隙度變化曲線進(jìn)行了研究(見(jiàn)圖2、圖3)，雖然各階段所對(duì)應(yīng)的深度及地層時(shí)代差別很大，但不難看出快－慢－快 － 慢四段式的趨勢(shì)［3－5］。

圖2 渤海灣盆地下第三系泥巖壓實(shí)曲線圖(據(jù)何炳俊，1982)

圖3 松遼盆地的泥巖孔隙度－深度關(guān)系曲線(據(jù)王行信，1985)

1.2 砂巖的孔隙度－深度曲線變化特征

貝豐(1983)、Pittman(1991)、等研究了砂巖孔隙度隨深度(或壓力)的變化特征，其總的趨勢(shì)是，隨深度的增加，砂巖孔隙度減小，但砂巖孔隙度隨深度的變化相對(duì)緩慢(見(jiàn)圖4、圖5)［6－7］。

圖4 純石英砂的壓實(shí)曲線(據(jù)貝豐，1985)

圖5 分選很好含不同巖屑的壓實(shí)作用模式圖(據(jù)Pittman，1991)

1.3 砂巖和泥巖的孔隙度對(duì)比

砂巖和泥巖孔隙度隨深度的變化曲線存在很大的差別，主要表現(xiàn)在泥巖孔隙度隨深度降低的幅度較大，特別是在埋深較淺的部位(見(jiàn)圖6、圖7)。

圖6 渤海灣盆地泥巖孔隙度與砂巖孔隙度對(duì)比(楊緒充，1993)

圖7 前高加索和前里海凹陷中生界和上古生界砂巖和泥巖

孔隙度與埋深的關(guān)系(據(jù)Lapinskaya和Proshlyakov，1970)

McCulloh(1967)和Selley(1978)分析了許多地區(qū)砂巖、泥巖孔隙度與埋深關(guān)系的資料，認(rèn)為孔隙度都是隨埋深的增加總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，淺部(500 m以上)孔隙度急劇降低，深部(3 000 m以下)孔隙度變化很?。?、9］。砂質(zhì)沉積物在埋藏深度較小時(shí)，顆粒為松散堆積，孔隙度很高。隨著埋深的加大，特別是在壓實(shí)初期的淺部，孔隙度降低很快。當(dāng)埋藏到一定深度后，由于顆粒之間已緊密接觸，加之膠結(jié)作用的產(chǎn)生，砂巖的孔隙度變化比較慢。

1.4 影響因素

Scherer(1987)分析了世界各地差別很大的砂巖孔隙度數(shù)據(jù)后認(rèn)識(shí)到，影響砂巖孔隙度變化的因素很多，除了埋深，礦物屬性和分選性也是影響孔隙度變化的重要因素［10］。Schmoker and Gautier(1988)建立了時(shí)間、溫度或鏡質(zhì)體反射率與儲(chǔ)層性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，指出巖石成分、地層溫度和時(shí)間對(duì)儲(chǔ)層性質(zhì)的控制作用，砂巖孔隙度損失可以表示為時(shí)間－溫度指數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系［11］。Von Gonten and Choulhary(1969)通過(guò)類似研究也認(rèn)為溫度升高使壓實(shí)作用增強(qiáng)，可明顯增大巖石的壓縮率［12］。S.Bloch and J.H.Mcgowen(1991)討論了地層埋藏史對(duì)砂巖孔隙度的影響，所研究的兩套白堊系砂巖由于經(jīng)歷不同的埋藏史而使保存下來(lái)的孔隙度差異較大［13］。王旭(1993)研究了塔里木盆地東北地區(qū)三疊系、侏羅系砂巖的壓實(shí)作用，認(rèn)為壓實(shí)作用主要受控于巖石特征、沉積背景、埋藏史等三種因素［14］。壽建峰(2006)提出了我國(guó)含油氣盆地碎屑巖成巖壓實(shí)機(jī)制的多樣性，既有上覆巖柱引起的壓實(shí)效應(yīng)(靜巖壓實(shí)效應(yīng))，也有盆地?zé)崃骺刂频膲簩?shí)效應(yīng)(熱壓實(shí)效應(yīng))、地層流體性質(zhì)影響的壓實(shí)效應(yīng)(流體壓實(shí)效應(yīng))以及構(gòu)造變形引起的壓實(shí)效應(yīng)(構(gòu)造壓實(shí)效應(yīng))，以上四種成巖壓實(shí)作用貫穿于整個(gè)成巖過(guò)程［15］。劉震(2007)認(rèn)為，在壓實(shí)作用階段，除了埋深，時(shí)間也是影響孔隙度變化的重要因素［16］。

2 巖石力學(xué)性質(zhì)的研究

目前，巖石力學(xué)性質(zhì)的研究主要應(yīng)用在鉆井工程與工藝［17］油氣田開(kāi)發(fā)工程［18］和煤炭礦業(yè)開(kāi)采［19］等。通過(guò)模擬地層條件進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得巖石力學(xué)參數(shù)，為地層巖石破裂壓力預(yù)測(cè)、油層套管外載計(jì)算及設(shè)計(jì)、油井酸化壓裂、地應(yīng)力預(yù)測(cè)等提供依據(jù)。

2.1 巖石力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算

巖石的力學(xué)參數(shù)包括強(qiáng)度參數(shù)和彈性參數(shù)。強(qiáng)度參數(shù)有:抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度、剪切模量;彈性參數(shù)包括:彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角等。目前，巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法主要有2種，即動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)法。動(dòng)態(tài)法是通過(guò)測(cè)定超聲波穿過(guò)巖樣的速度而得到相關(guān)參數(shù);靜態(tài)法是通過(guò)對(duì)巖石樣品進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)測(cè)定其變形而得到相關(guān)參數(shù)。一般需通過(guò)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)相結(jié)合的方法系統(tǒng)分析研究區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)特征。

2.1.1 地層條件下巖石力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

目前，國(guó)內(nèi)常用的巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定儀器主要有:MTS巖石物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，美國(guó)Terra Tek公司的巖石力學(xué)三軸應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)和美國(guó)GCTS公司研制的RTR－1000型伺服控制(靜)動(dòng)三軸巖石測(cè)試系統(tǒng)。

根據(jù)模擬實(shí)際目的層的條件(包括地層圍壓、加溫、飽水及改變樣品方向等)，進(jìn)行孔隙飽和(不飽和)介質(zhì)、變圍壓的不同巖性樣品進(jìn)行單軸、三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)巖石的力學(xué)參數(shù)［20、21］。2.1.2 測(cè)井資料計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)

在巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算中，主要利用聲波速度和全波列測(cè)井資料中的縱、橫波速度來(lái)計(jì)算巖石的力學(xué)參數(shù)，即動(dòng)態(tài)法(Elton Frost，1986、Nathan Stein，1988)。有了巖石彈性參數(shù)和井壁應(yīng)力等參數(shù)，可以進(jìn)一步得到鉆井和采油作業(yè)所需的一些參數(shù)，可以使其達(dá)到最佳效果。

2.2 巖石力學(xué)性質(zhì)變化階段與應(yīng)力的關(guān)系

Lane和Bieniawski(1970)根據(jù)裂隙巖石的三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線，將巖塊受到垂向載荷作用下的變形、破壞過(guò)程分為五個(gè)階段(見(jiàn)圖8):

圖8 巖石受到垂向載荷作用的變形破壞階段(據(jù)Lane，1970)

(1)壓密階段:巖體中原有張開(kāi)的結(jié)構(gòu)面逐漸閉合，充填物被壓密，壓縮變形具非線性特征，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈緩坡下凹形(OA)。

(2)彈性變形階段:經(jīng)壓密后，巖體可由不連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為似連續(xù)介質(zhì)，進(jìn)入彈性變形階段(AB)，過(guò)程長(zhǎng)短與巖性堅(jiān)硬程度相關(guān)。

(3)穩(wěn)定破裂發(fā)展階段:超過(guò)彈性極限(屈服點(diǎn))之后，巖體進(jìn)入塑性變形階段，巖體內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)微破裂、且隨應(yīng)力差的增大而發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力保持不變時(shí)，破裂也停止發(fā)展。由于微破裂的出現(xiàn)，巖體體積壓縮速率減緩，而軸向應(yīng)變速率和側(cè)向應(yīng)變速率則有所增高(BC)。

(4)不穩(wěn)定的破裂發(fā)展階段:進(jìn)入本階段后，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，由于破裂過(guò)程中所造成的壓力集中效應(yīng)顯著，即使工作應(yīng)力保持不變，破裂仍會(huì)不斷地累進(jìn)性發(fā)展，通常某些最薄弱的環(huán)節(jié)首先破壞，應(yīng)力重分布的結(jié)果又引起次薄弱環(huán)節(jié)破壞，依次進(jìn)行下去直至整體破壞。體積應(yīng)變轉(zhuǎn)為膨脹，軸應(yīng)變速率和側(cè)向應(yīng)變速率加速地增大(CD)。

(5)強(qiáng)度喪失并完全破壞階段:巖體內(nèi)部的微破裂面發(fā)展為貫通性破壞面，巖體強(qiáng)度迅速減弱，變形繼續(xù)發(fā)展，直至巖體被分成相互脫離的塊體而完全破壞(DE)。

陳子光［22］(1986)認(rèn)為，一般情況下巖石從開(kāi)始加載到破裂的整個(gè)過(guò)程可以分成彈性階段、非彈性階段(擴(kuò)容階段)和破壞(后)階段。

張倬元等［23］(1994)根據(jù)巖石在不同應(yīng)力水平下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變(變形)規(guī)律，將巖石受力變形破壞過(guò)程劃分為五個(gè)階段:壓密階段、彈性變形階段、穩(wěn)定的破裂階段、不穩(wěn)定的破裂階段、完全破裂階段。

張梅英等［24］(1998)在單軸壓縮過(guò)程中巖石變形破壞機(jī)理實(shí)驗(yàn)中提出，巖樣受力后，隨壓力的增加，其變形破壞是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，分為3個(gè)階段:壓密階段、微裂紋的萌生和擴(kuò)展階段、斷裂破壞階段。

3 巖石破裂(裂縫)的研究

從巖石力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)講，裂縫是指巖石中失去結(jié)合力的一種地質(zhì)界面。因?yàn)閹r石破裂是導(dǎo)致其失去結(jié)合力的過(guò)程，于是裂縫被視為破裂作用的結(jié)果。裂縫作為油氣運(yùn)移的主要通道和良好的儲(chǔ)集空間，具有不同的形成機(jī)制和特點(diǎn)。前人對(duì)裂縫已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，Nelson(1985)［25］根據(jù)實(shí)驗(yàn)，按巖石力學(xué)成因可分為剪破裂裂縫、拉張破裂裂縫、擴(kuò)張破裂裂縫。根據(jù)與構(gòu)造作用的關(guān)系又可分為構(gòu)造裂縫(次生)和非構(gòu)造裂縫(原生)。

考慮到裂縫形成的力學(xué)作用，進(jìn)而直觀地反映出形成裂縫時(shí)的地質(zhì)環(huán)境及相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)，Sterans和Friedman(1972)［26］根據(jù)地質(zhì)成因，把裂縫分為構(gòu)造裂縫(成因上與褶皺有關(guān)的裂縫)和區(qū)域裂縫(成因上與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)的裂縫)。

非構(gòu)造成因的裂縫可分為與溶蝕有關(guān)的裂縫［27、28］、成巖收縮縫［29］和與重力有關(guān)的裂縫［30］、差異壓實(shí)縫［28］等類型。

4 結(jié)語(yǔ)

巖石破裂的實(shí)質(zhì)是巖石在受力過(guò)程中微裂紋的萌生、擴(kuò)展直至貫通的結(jié)果，是巖石微觀結(jié)構(gòu)變形破壞的累積宏觀反映。許多學(xué)者從不同的專業(yè)角度進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究并取得了一定的認(rèn)識(shí)，但從松散沉積物到成巖演化的角度去研究巖石力學(xué)性質(zhì)，在石油地質(zhì)中的研究相對(duì)較少，具體表現(xiàn)在:

(1)砂、泥沉積物沉積時(shí)是塑性的，在盆地演化過(guò)程中沉積物固結(jié)成巖有向彈性轉(zhuǎn)化的過(guò)程，成巖后還會(huì)發(fā)生破裂，碎屑巖沉降埋藏過(guò)程中力學(xué)性質(zhì)的變化特征研究不夠系統(tǒng)。目前對(duì)成巖作用的研究，主要還是單獨(dú)進(jìn)行的，并且大都只是在成巖作用中作簡(jiǎn)短描述或進(jìn)行簡(jiǎn)略的定性研究。

(2)對(duì)于巖石力學(xué)性質(zhì)的研究，“工程地質(zhì)”側(cè)重近地表?xiàng)l件，“構(gòu)造地質(zhì)”側(cè)重應(yīng)力與變形變位，“油藏工程”側(cè)重于井筒周圍及油氣層，巖石的力學(xué)變化階段主要是單純的根據(jù)巖石的受力情況劃分的。

(3)對(duì)于裂縫的研究主要集中在類型和形成機(jī)制(成因)方面。

在含油氣盆地中，生儲(chǔ)蓋組合的本質(zhì)是不同巖性、不同結(jié)構(gòu)巖石的組合。在盆地演化過(guò)程中，巖石必然經(jīng)歷了壓實(shí)、回彈與破裂的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程勢(shì)必對(duì)油氣藏的形成與分布產(chǎn)生重要的影響。因此，在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同類型、不同結(jié)構(gòu)巖石沉降埋藏過(guò)程中的力學(xué)性質(zhì)演化特征的研究。

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