劉明潔,劉震,劉靜靜,蔡長(zhǎng)娥,張勝斌

中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,102249

內(nèi)容提要: 近年來(lái),隨著致密砂巖油氣藏研究的不斷深入,亟需明確致密砂巖儲(chǔ)層致密化機(jī)理,從而更好地利于致密砂巖油氣藏的勘探與開(kāi)發(fā)。機(jī)械壓實(shí)作用通常被理解為中淺層砂巖所經(jīng)歷的主要成巖作用,而深層的機(jī)械壓實(shí)作用長(zhǎng)期以來(lái)被人們所忽視。為探討機(jī)械壓實(shí)作用在砂巖致密過(guò)程中的作用及對(duì)致密化的影響程度,本次研究以鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組致密砂巖為例,通過(guò)井孔淺層與深層孔隙度變化趨勢(shì)分析、鏡下巖石結(jié)構(gòu)的證據(jù)和砂巖壓實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面對(duì)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層機(jī)械壓實(shí)作用特征進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)砂巖在深層與淺層壓實(shí)減孔趨勢(shì)一致或平行；隨著上覆壓力的增加,砂巖一直表現(xiàn)為減孔效應(yīng)且機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度隨埋深的增加而變大；薄片特征顯示延長(zhǎng)組致密砂巖機(jī)械壓實(shí)作用存在分級(jí)特征,不同級(jí)別的壓實(shí)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)一定的鏡下壓實(shí)特征,通過(guò)統(tǒng)計(jì)薄片數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)樣品都處于壓實(shí)作用與膠結(jié)作用對(duì)孔隙度影響評(píng)價(jià)圖(Houseknecht圖版)的左下區(qū)域。結(jié)果表明砂巖在埋藏致密化過(guò)程中自始至終存在機(jī)械壓實(shí)作用,并且機(jī)械壓實(shí)作用是導(dǎo)致砂巖致密減孔最重要的原因,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)膠結(jié)作用產(chǎn)生的減孔效應(yīng)。由于砂巖孔隙度演化不僅與埋深有關(guān),同樣受到地質(zhì)時(shí)間的影響,本次研究通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立了砂巖孔隙度時(shí)間埋深雙元函數(shù)模型,進(jìn)而通過(guò)孔隙度雙元函數(shù)可以對(duì)壓實(shí)減孔進(jìn)行定量分析,表征機(jī)械壓實(shí)作用對(duì)砂巖致密化過(guò)程的影響程度。

隨著成巖作用和成巖動(dòng)力學(xué)研究的不斷深入 (Johnson,1920；Carothers and Kharaka,1978；Surdam et al.,1984,1989；Ehrenberg,1990,1993；鮮本忠等,2004；李忠等,2006；劉寶珺,2009；Bj?rlykke and Jahren,2012),儲(chǔ)層成巖作用對(duì)儲(chǔ)層原始物性的改造決定了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能,而儲(chǔ)集性能又是油氣成藏的關(guān)鍵因素,因而在油氣勘探領(lǐng)域儲(chǔ)層物性變化過(guò)程逐漸為眾多學(xué)者所重視(肖麗華等,2003；張雪芬等,2013)。目前對(duì)砂巖儲(chǔ)層成巖作用的研究大多集中在定性的描述和分析階段,勘探開(kāi)發(fā)中過(guò)多關(guān)注儲(chǔ)層特征的表征(白玉寶,1996；羅靜蘭等,2001；邱隆偉等,2001；張鼐等,2008；Gier et al., 2008; 王瑞飛等,2008, 2009；柳益群等,2009； Khidir and Catuneanu, 2010)。依據(jù)動(dòng)態(tài)成藏觀點(diǎn),現(xiàn)今儲(chǔ)層物性并不能代表成藏期油氣充注時(shí)儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能,因此只有定量分析砂巖儲(chǔ)層所經(jīng)歷的成巖作用過(guò)程,明確不同成巖作用對(duì)砂巖成巖過(guò)程的影響程度,才能有助于開(kāi)展成藏條件分析,并更好地指導(dǎo)油氣勘探。與其他成巖作用相比,壓實(shí)作用主要表現(xiàn)為使砂巖孔隙度變小,是指沉積物沉積后在其上覆水體或沉積層的重荷下,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(Makowitz et al., 2006)。

對(duì)于砂巖壓實(shí)作用的研究,前人除了對(duì)砂巖儲(chǔ)層壓實(shí)作用特征進(jìn)行表征外,還對(duì)壓實(shí)作用其他方面做了大量的工作。李忠等(2009)通過(guò)對(duì)塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷的研究,分析壓實(shí)作用與構(gòu)造應(yīng)變的關(guān)系,提出了砂巖儲(chǔ)層改造的構(gòu)造樣式,探討了構(gòu)造應(yīng)變與砂巖成巖的構(gòu)造非均質(zhì)性。Souque等(2011)研究阿塞拜疆Apsheron半島構(gòu)造作用對(duì)砂巖機(jī)械壓實(shí)的控制,認(rèn)為構(gòu)造作用一方面促進(jìn)壓實(shí)使砂巖致密物性變差,一方面又因砂巖致密化易產(chǎn)生裂縫從而改善砂巖物性。Gutierrez 和 Wangen(2005)通過(guò)對(duì)沉積盆地壓實(shí)作用和超壓作用模型的研究,指出超壓能導(dǎo)致欠壓實(shí)和不均衡壓實(shí),表現(xiàn)出高孔隙度特征。Houseknecht(1987)通過(guò)砂巖壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)砂巖孔隙度降低相對(duì)重要性的對(duì)比,指出在決定最終孔隙度方面壓實(shí)作用比膠結(jié)作用重要得多,強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行儲(chǔ)層砂巖分析和埋藏成巖作用模擬時(shí),必須結(jié)合對(duì)壓實(shí)作用的評(píng)估。Lander 和 Walderhaug(1999)、劉國(guó)勇等(2006)及操應(yīng)長(zhǎng)等(2011)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)砂巖壓實(shí)作用進(jìn)行研究,再現(xiàn)了壓實(shí)作用過(guò)程,以此定性分析了壓實(shí)作用對(duì)砂巖儲(chǔ)層物性的影響。

可以看出,前人研究主要集中于壓實(shí)作用定性的描述、分析、模擬及趨勢(shì)性預(yù)測(cè),而針對(duì)機(jī)械壓實(shí)作用在砂巖致密化過(guò)程中所起的作用及影響程度的定量研究工作相對(duì)比較少。筆者近年來(lái)在致密砂巖油氣藏的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際資料與深層壓實(shí)終止論不符,在深部的致密砂巖中仍可見(jiàn)砂巖壓實(shí)現(xiàn)象。通過(guò)前人大量研究成果的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)深部砂巖儲(chǔ)層仍存在機(jī)械壓實(shí)證據(jù)(Milliken, 1994;Fisher et al., 1999; Chuhan et al., 2002; Makowitz and Milliken, 2002)。

本文以砂巖孔隙度演化趨勢(shì)、砂巖鏡下結(jié)構(gòu)和砂巖壓實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn),針對(duì)機(jī)械壓實(shí)作用在砂巖致密化過(guò)程中所起的作用及影響程度進(jìn)行分析,進(jìn)而利用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)對(duì)機(jī)械壓實(shí)作用進(jìn)行定量化研究,通過(guò)砂巖儲(chǔ)層孔隙度演化來(lái)表征機(jī)械壓實(shí)作用在成巖過(guò)程中的影響程度。

1 井孔砂巖孔隙度演化趨勢(shì)

孔隙度—深度趨勢(shì)可以提供機(jī)械壓實(shí)作用發(fā)生的證據(jù)(Ramm,1992;Giles,1997)。整體上,井孔砂巖孔隙度隨埋深增大而減小,符合Athy(1930)模型。在中淺層由于不考慮砂巖孔隙度增孔效應(yīng),在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的孔隙度與直線坐標(biāo)下的埋藏深度交會(huì)圖上,會(huì)表現(xiàn)出孔隙度隨埋深增加正比例減小的趨勢(shì)。本文選取鄂爾多斯盆地典型井(圖1),分析半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下砂巖孔隙度與埋深關(guān)系,對(duì)比深層與中淺層砂巖孔隙度演化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)兩個(gè)現(xiàn)象,即一是深層砂巖壓實(shí)趨勢(shì)與中淺層砂巖壓實(shí)趨勢(shì)完全一致,二是深層砂巖壓實(shí)減孔趨勢(shì)與中淺層砂巖壓實(shí)趨勢(shì)平行。

1.1 深層砂巖壓實(shí)趨勢(shì)與中淺層壓實(shí)趨勢(shì)完全一致

長(zhǎng)期以來(lái),很多人認(rèn)為機(jī)械壓實(shí)作用只發(fā)生在中淺層,到了深層機(jī)械壓實(shí)作用就消失了(Ramm,1992；Ramm and Bj?rlykke,1994; Giles,1997, Bernaud et al., 2006; Mondol et al., 2007;Agersborg et al., 2011)。但是實(shí)際上在砂巖孔隙度與埋深圖上可以看到深層仍然存在減孔現(xiàn)象,而且深層減孔趨勢(shì)與中淺層減孔壓實(shí)趨勢(shì)重合。以鄂爾多斯盆地南部鎮(zhèn)涇地區(qū)HH38井為例,分析砂巖孔隙度深度關(guān)系(圖2a)可以發(fā)現(xiàn),在次生孔隙發(fā)育帶之上,砂巖孔隙度在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下隨埋深增加呈線性遞減趨勢(shì),進(jìn)入次生孔隙發(fā)育帶后,砂巖由于溶蝕增孔效應(yīng)孔隙度變大,孔隙度偏離正常壓實(shí)趨勢(shì),越過(guò)次生孔隙發(fā)育帶后,孔隙度仍保持隨埋深增加而線性減小的趨勢(shì),且與次生孔隙發(fā)育帶之上的正常壓實(shí)趨勢(shì)完全一致。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元圖Fig. 1 The structure unites of Ordos Basin

1.2 深層砂巖壓實(shí)減孔趨勢(shì)與中淺層壓實(shí)減孔趨勢(shì)平行

深層砂巖壓實(shí)減孔趨勢(shì)還可表現(xiàn)出另外一種現(xiàn)象,即表現(xiàn)為深層砂巖減孔趨勢(shì)與中淺層壓實(shí)減孔趨勢(shì)平行的特征。分析鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)Y71井砂巖孔隙度深度關(guān)系圖(圖2b)、準(zhǔn)噶爾盆地MS1井壓實(shí)曲線(圖3a)和準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系砂巖埋深與孔隙度關(guān)系(圖3b)表明：在次生孔隙發(fā)育帶之上,半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下中淺層砂巖孔隙度隨埋深增加呈線性遞減趨勢(shì),進(jìn)入次生孔隙發(fā)育帶后,砂巖由于溶蝕增孔效應(yīng)孔隙度變大而偏離正常壓實(shí)趨勢(shì),此后隨著埋深的增加,在溶蝕增孔的基礎(chǔ)上孔隙度始終保持隨埋深增加而線性減小趨勢(shì),呈現(xiàn)出深層砂巖相對(duì)于中淺層砂巖壓實(shí)趨勢(shì)整體平行偏移的特點(diǎn)。

從上述兩種情況表明,在砂巖沉積后的埋藏過(guò)程中始終存在著機(jī)械壓實(shí)作用。機(jī)械壓實(shí)作用不僅在中淺層中存在,在長(zhǎng)期以來(lái)被人們所忽視的深層依然存在,為致密砂巖儲(chǔ)層的形成提供了有利條件。

圖2 鄂爾多斯盆地砂巖孔隙度深度關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between depth and porosity of sandstone in Ordos Basin (a)HH38井；(b)Y71井 (a)well HH38; (b) well Y71

2 致密砂巖儲(chǔ)層鏡下機(jī)械壓實(shí)作用特征

致密砂巖儲(chǔ)層鏡下礦物顆粒表現(xiàn)出的特征能反映砂巖所經(jīng)受的機(jī)械壓實(shí)作用。本次研究通過(guò)鏡下薄片的觀察,分析了鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密砂巖的機(jī)械壓實(shí)作用特征,并通過(guò)對(duì)壓實(shí)作用與膠結(jié)作用對(duì)孔隙度影響程度評(píng)價(jià),明確了砂巖儲(chǔ)層致密化的主控因素。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地淺層砂巖與深層砂巖壓實(shí)趨勢(shì)關(guān)系Fig. 3 Relationship of sandstone compaction trend between shallow layer and deep zone in Jungar Basin (a)MS1井壓實(shí)曲線；(b)準(zhǔn)噶爾盆地腹部侏羅系砂巖埋深與孔隙度關(guān)系圖(據(jù)金振奎等,2011,有修改) (a)compaction curve of well MS1; (b) Relationship between burial depth and porosity of Jurassic sandstone in central Jungar Basin (from Jin Zhenkui, 2011, modified)

2.1 致密砂巖機(jī)械壓實(shí)作用定量分級(jí)

本次研究從埋藏深度、顆粒接觸類(lèi)型比例、塑性顆粒變形角度和長(zhǎng)石顆粒變形破裂程度等方面對(duì)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度進(jìn)行了定量分級(jí),將機(jī)械壓實(shí)作用劃分為弱壓實(shí)(Ⅰ級(jí))、中弱壓實(shí)(Ⅱ級(jí))和中等壓實(shí)(Ⅲ級(jí))三類(lèi)(表1),特征如下。

(1)弱壓實(shí)(Ⅰ級(jí))：延長(zhǎng)組弱壓實(shí)(Ⅰ級(jí))主要變現(xiàn)為埋深<1200m,顆粒點(diǎn)接觸比例>75%,線接觸比例<25%,無(wú)凹凸接觸(圖4a),塑性云母顆粒變形角度<30°(圖4b),無(wú)長(zhǎng)石顆粒變形破裂現(xiàn)象。

表1 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密砂巖機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度定量分級(jí)表Table 1 The quantitative table of the mechanical compaction grading to the tight sandstone of Yanchang Formation in Ordos Basin

(2)中弱壓實(shí)(Ⅱ級(jí))：延長(zhǎng)組弱壓實(shí)(Ⅱ級(jí))主要變現(xiàn)為埋深1200～1700m,顆粒點(diǎn)接觸比例50%～75%,線接觸比例25%～50%,無(wú)凹凸接觸(圖4c),塑性云母顆粒變形角度30°～45°(圖4d),可見(jiàn)長(zhǎng)石顆粒變形為主(圖4e)。

(3)中等壓實(shí)(Ⅲ級(jí))：延長(zhǎng)組弱壓實(shí)(Ⅲ級(jí))主要變現(xiàn)為埋深1700～2200m,點(diǎn)接觸比例<25%,線接觸比例50%～75%,凹凸接觸比例<25%(圖4f),塑性云母顆粒變形角度>45°(圖4g),可見(jiàn)長(zhǎng)石顆粒破裂為主(圖4h)。

通過(guò)對(duì)延長(zhǎng)組致密砂巖儲(chǔ)層機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度定量研究可以發(fā)現(xiàn),隨埋深的增加機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度變大。由于機(jī)械壓實(shí)作用是不可逆的,不存在深部成巖之后抬升淺保存可能；同時(shí)一定的埋深對(duì)應(yīng)著特定的機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度及特征,排除了淺部成巖深部保存的可能。因而研究表明機(jī)械壓實(shí)作用一直存在于致密砂巖儲(chǔ)層成巖過(guò)程中。

2.2 砂巖儲(chǔ)層致密化的主控因素

壓實(shí)作用和膠結(jié)作用是導(dǎo)致砂巖減孔最主要的原因 (Wilson and McBride, 1988; Lundegard,1992; Ehrenberg , 1995; 壽建峰等,2006),但砂巖儲(chǔ)層致密化的主控因素一直認(rèn)識(shí)不清(Houseknecht, 1987 ; Pate,1989; Ehrenberg,1989)。本次研究以鄂爾多斯延長(zhǎng)組致密砂巖為例利用Houseknecht(1987)圖版,通過(guò)鏡下薄片統(tǒng)計(jì),定量評(píng)估壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)孔隙度影響,繪制了壓實(shí)作用和膠結(jié)作用相對(duì)作用大小圖版(圖5)。從圖中可以看出,樣品數(shù)據(jù)主要分布在圖版左下區(qū)域,表明砂巖儲(chǔ)層在致密化過(guò)程中主要受壓實(shí)作用控制。

3 致密砂巖壓實(shí)作用實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

本文利用雙軸承壓壓實(shí)作用模擬實(shí)驗(yàn),在測(cè)定不同壓力條件(上覆地層壓力和側(cè)向地層壓力)對(duì)應(yīng)的砂巖孔隙度數(shù)據(jù),通過(guò)分析有效應(yīng)力和砂巖孔隙度之間的關(guān)系,來(lái)證明機(jī)械壓實(shí)作用一直存在于砂巖儲(chǔ)層致密化過(guò)程中。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理、裝置及方法

3.1.1 實(shí)驗(yàn)基本原理

雙軸承壓實(shí)驗(yàn)就是給砂巖樣品施加一個(gè)軸壓和一個(gè)圍壓來(lái)分別模擬側(cè)向地層壓力和上覆地層壓力,其中圍壓是由人工控制的,以5MPa的增量逐漸增加,軸壓則是通過(guò)地下巖層的平衡關(guān)系來(lái)確定。在此過(guò)程中,利用超聲波測(cè)量?jī)x直接測(cè)定與圍壓和軸壓相對(duì)應(yīng)的砂巖孔隙度值。

3.1.2實(shí)驗(yàn)裝置

砂巖樣品雙軸承壓實(shí)驗(yàn)裝置包括圍壓監(jiān)測(cè)設(shè)備、軸壓監(jiān)測(cè)設(shè)備、流壓監(jiān)測(cè)設(shè)備、巖心夾持器、以及超聲波測(cè)量?jī)x等。

本次實(shí)驗(yàn)最大圍壓Pw可達(dá)40MPa,軸壓由關(guān)系式Pz=Pw·γ/(1-γ)計(jì)算得到,γ是動(dòng)態(tài)泊松比,由縱橫波速度來(lái)確定。樣品在夾持器中的受力如圖6所示。

3.1.3實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬不同埋深條件下的上覆壓力和側(cè)向地層壓力,測(cè)算與上覆壓力對(duì)應(yīng)的砂巖巖芯樣品的孔隙度值,進(jìn)而通過(guò)換算得到有效應(yīng)力與砂巖孔隙度的關(guān)系。隨著有效應(yīng)力的變化,當(dāng)砂巖孔隙度逐漸減小至10%以下成為致密砂巖時(shí),分析這一過(guò)程中孔隙度與有效應(yīng)力之間的關(guān)系,進(jìn)而明確機(jī)械壓實(shí)作用是否影響了砂巖致密化過(guò)程。

圖4 鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組致密砂巖機(jī)械壓實(shí)作用鏡下特征Fig. 4 The tight sandstones characteristics of the microscope in Upper Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin (a) 應(yīng)1井,1163m,×5,單偏光；(b)塞129井,1142m,×10,單偏光；(c)塞193井,1539m,×10,單偏光；(d)鐮34井,1356m,×20,正交光；(e)塞404井,1280m,×20,正交光；(f)西33井,1996.5m,×5,單偏光；(g)西128井,1987.55m,×10,單偏光；(h)西180井,2112.1m,×20,正交光 (a) well Ying1,1163m, ×5, single polar; (b) well Sai129, 1142m,×10, single polar; (c) well Sai193, 1539m,×10, single polar; (d)well Lian34, 1356m,×20, Orthogonal light; (e) well Sai404, 1280m,×20, Orthogonal light; (f) well Xi33, 1996.5m,×5, single polar; (g) well Xi128, 1987.55m,×10, single polar; (h) well Xi180, 2112.1m,×20, Orthogonal light

圖5 鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組壓實(shí)作用與膠結(jié)作用對(duì)孔隙度影響評(píng)價(jià)圖Fig. 5 The effect evaluation map of the compaction and the cementation to the Upper Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin (a) 西峰地區(qū)延長(zhǎng)組；(b) 安塞地區(qū)延長(zhǎng)組 (a) Yanchang Formation of Xifeng Area; (b) Yanchang Formation of Ansai Area

圖6 雙軸承壓壓實(shí)作用模擬實(shí)驗(yàn)砂巖樣品受力示意圖Fig. 6 Scheme of force analysis to sandstone sample during simulation experiment

圖7 鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組X17井 孔隙度與有效壓力關(guān)系圖Fig. 7 The relationship map between porosity and effective stress of the Upper Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組為例,對(duì)長(zhǎng)8段砂巖樣品進(jìn)行壓實(shí)作用模擬。

由于實(shí)驗(yàn)中的圍壓代表上覆地層負(fù)荷壓力,利用Terzaghi(1925)模型計(jì)算有效應(yīng)力,進(jìn)而分析有效應(yīng)力與孔隙度關(guān)系(圖7)可知,孔隙度與有效應(yīng)力呈現(xiàn)出良好的冪函數(shù)關(guān)系,表明隨著有效應(yīng)力增大,砂巖孔隙度會(huì)逐漸變小,并且當(dāng)砂巖孔隙度減小到10%以下成為致密砂巖后,隨著有效壓力的增加,孔隙度繼續(xù)保持減小的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象與常見(jiàn)的覆壓實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)覆壓逐漸超過(guò)現(xiàn)今埋深的等效壓力后,孔隙度仍然持續(xù)減小的趨勢(shì)一致(圖8)。

通過(guò)壓實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)表明：隨著砂巖的埋深,上覆地層負(fù)荷的增加,機(jī)械壓實(shí)作用一直會(huì)對(duì)砂巖孔隙度表現(xiàn)出減小的效應(yīng),一直存在于砂巖儲(chǔ)層致密化過(guò)程中。

4 壓實(shí)作用階段砂巖孔隙度演化定量模型分析

盡管Athy(1930)提出了正常壓實(shí)條件下的泥巖孔隙度與埋深之間存在指數(shù)關(guān)系,這一模型同樣被廣泛地運(yùn)用到砂巖研究中,而眾多研究者嘗試通過(guò)薄片觀察統(tǒng)計(jì)建立壓實(shí)作用的減孔模型(Stephenson et al., 1992; Ehrenberg et al., 1995; Paxton et al., 2002)。但隨著研究的不斷深入,越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)為砂巖孔隙度不僅與埋深有關(guān),同樣受到地質(zhì)時(shí)間的影響(Maxwell,1964; Schere, 1987; Hayes, 1991; Ehrenberg et al., 2009)。本文試圖根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo),證實(shí)埋深和埋藏時(shí)間對(duì)地層孔隙度有很大的影響,提出了壓實(shí)作用過(guò)程中地層孔隙度受埋深和埋藏時(shí)間雙重作用控制的數(shù)學(xué)模型。

由巖石力學(xué)基本理論可知,巖體是由巖塊及各巖塊之間的弱面和不連續(xù)面構(gòu)成,而巖塊是連續(xù)的巖石塊體,是組成巖體的基本實(shí)體?？紫督Y(jié)構(gòu)型巖塊受載時(shí)表現(xiàn)出復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)：當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),由于巖塊中原子和離子的熱運(yùn)動(dòng),彈性變形會(huì)消失,進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?應(yīng)力隨之減小。但由于巖塊中存在內(nèi)摩擦,加載后不能立即達(dá)到最終的變形,而是隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加,即蠕變效應(yīng)。

顯然,孔隙性地層在埋藏壓實(shí)過(guò)程中所發(fā)生的變形既不是純彈性變形也不是純塑性變形, 而是存在內(nèi)摩擦作用的粘彈塑性變形。既然孔隙性地層的受力變形過(guò)程是粘彈塑性變形過(guò)程,那么其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系就不能用簡(jiǎn)單的胡克定律(完全彈性變形模型)來(lái)表示,也不能用完全塑性變形模型來(lái)表示,而需要用粘彈塑性應(yīng)力應(yīng)變模型來(lái)表達(dá)。筆者認(rèn)為,粘彈塑性應(yīng)力應(yīng)變模型是最適用于砂泥巖地層壓實(shí)變形的應(yīng)力應(yīng)變模型,其中Bingham模型更適合于表達(dá)砂泥巖地層的受力變形過(guò)程。Bingham粘彈塑性應(yīng)力應(yīng)變模型的形式如下:

(1)

ε≈?φ

(2)

另有,地層垂向受力與地層平均密度成正比,即：

σ=ρsgZ

(3)

其中：ρs為地層平均密度,g/cm3,Z為地層埋深,m。因此,(1)式變?yōu)?

(4)

從(4)式可以看出,地層孔隙度的變化率與埋深和埋藏速率有關(guān)。因此,可以認(rèn)為地層孔隙度的變化必然與埋藏時(shí)間有關(guān)。

圖8 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)長(zhǎng)8砂巖孔隙度變化率與覆壓關(guān)系圖Fig. 8 The relationship map between changing rate of sandstone porosity and overburden pressure within the 8th Member, Yanchang Formation,Zhenjing aera,Ordos basin

對(duì)于一個(gè)埋藏速率為k的等速埋藏過(guò)程,對(duì)(4)式兩邊求積分,將得到下式

(5)

φ0為初始孔隙度,%。顯然,在一個(gè)等速埋藏階段,地下地層的孔隙度不但與階段最終埋深Z有關(guān),而且與經(jīng)歷的階段總時(shí)間t有關(guān),另外與該變形階段的初始孔隙度φ0也有關(guān)系。從 (5)式也可以看出,對(duì)于一定的巖層和給定的階段,A、B、C和φ0這 4項(xiàng)參數(shù)可以視為常量,這樣地層孔隙度就變成埋藏深度和經(jīng)歷時(shí)間的雙元函數(shù) (6式 )。這個(gè)函數(shù)屬于二次曲線形式,相對(duì)比較復(fù)雜：

φ=αZ+bZt+ct+φ0

(6)

從(6)式中可以看出,在一個(gè)等速埋藏過(guò)程中孔隙度在受埋深影響的同時(shí),也受到埋藏時(shí)間的影響,而且埋深與埋藏時(shí)間對(duì)孔隙度影響作用的級(jí)別是相同的。從這個(gè)意義講,埋藏時(shí)間對(duì)孔隙度的影響作用是相當(dāng)大的,相同埋深時(shí)不同埋藏時(shí)間所對(duì)應(yīng)的孔隙度完全不相同。

由于地層沉積埋藏過(guò)程一般不為等速埋藏形式,埋藏過(guò)程變化比較復(fù)雜。但地層沉積埋藏過(guò)程總是按時(shí)間先后逐層疊加上覆地層,這樣可以把一個(gè)埋藏速率變化復(fù)雜的埋藏過(guò)程視為若干個(gè)等速埋藏子過(guò)程的疊加,這樣在每一個(gè)等速埋藏階段其孔隙度變化就符合(6)式,即地層孔隙度是埋深和經(jīng)歷時(shí)間的雙元函數(shù)。

5 討論

砂巖壓實(shí)作用對(duì)砂巖致密過(guò)程的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,本文以孔隙度為切入點(diǎn)將機(jī)械壓實(shí)作用對(duì)砂巖致密過(guò)程的影響程度定量化,提出了地層孔隙度是埋深和經(jīng)歷時(shí)間的雙元函數(shù)數(shù)學(xué)模型。由雙元函數(shù)可知,只要沉積物開(kāi)始沉積機(jī)械壓實(shí)作用就一直存在,且隨著埋深和埋藏時(shí)間的增加機(jī)械壓實(shí)作用越來(lái)越強(qiáng),因此機(jī)械壓實(shí)作用對(duì)砂巖致密過(guò)程具有較大的影響。

與膠結(jié)作用相比,壓實(shí)作用沒(méi)有特定的時(shí)間、溫度、壓力和流體等諸多因素的限制而貫穿于成巖作用整個(gè)過(guò)程,盡管早期的膠結(jié)作用能為砂巖保存大量的原生孔隙空間,為之后的溶蝕作用提供大量的溶蝕空間,從而釋放出孔隙空間大大改善了砂巖的儲(chǔ)集性能。但一旦失去膠結(jié)物的支撐,上覆載荷產(chǎn)生的壓實(shí)作用會(huì)導(dǎo)致溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙大大減少,因而壓實(shí)作用對(duì)成巖作用的影響程度超過(guò)膠結(jié)作用。

當(dāng)考慮溶蝕產(chǎn)生的次生孔隙時(shí),會(huì)存在如下3種情況：產(chǎn)生了較多次生孔隙的砂巖、產(chǎn)生了少量次生孔隙的砂巖以及不產(chǎn)生次生孔隙的砂巖。當(dāng)上述3類(lèi)砂巖處于同樣的埋藏深度和埋藏時(shí)間時(shí),溶蝕作用之后壓實(shí)作用的壓實(shí)程度一致還是存在差異？若是存在差異是哪一類(lèi)砂巖壓實(shí)程度大？這一問(wèn)題有待于進(jìn)一步的分析及研究。

6 結(jié)論

(1)井孔砂巖孔隙度變化趨勢(shì)、砂巖鏡下結(jié)構(gòu)和壓實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了機(jī)械壓實(shí)作用一直存在于砂巖致密化過(guò)程中。

(2)壓實(shí)作用是砂巖儲(chǔ)層致密化最主要的原因,在致密減孔過(guò)程中壓實(shí)作用對(duì)砂巖的影響程度要超過(guò)膠結(jié)作用產(chǎn)生的減孔效應(yīng)。

(3)砂巖孔隙度受控于埋深和埋藏時(shí)間,通過(guò)建立定量計(jì)算壓實(shí)作用減孔的雙元函數(shù)模型,以孔隙度來(lái)定量分析壓實(shí)作用對(duì)砂巖致密過(guò)程的影響程度。

致謝:感謝中石油“十二五”國(guó)家油氣重大專(zhuān)項(xiàng)“巖性油氣藏成藏動(dòng)力、臨界條件與分布模式”(編號(hào) 2011ZX05001-001-04)對(duì)本次研究的資助；感謝中國(guó)石油大學(xué)(北京)溫順久老師對(duì)薄片觀察的幫助；感謝北京康普瑞基石油工程技術(shù)有限公司趙江青對(duì)雙軸承壓實(shí)驗(yàn)的幫助。