碎屑岩沉降埋藏演化过程中的变化研究浅析

2014-03-15张金功李昀龙

地下水 2014年3期

王晔，张金功，南煜，李昀龙

(1.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069;2.中国石油青海油田分公司，甘肃敦煌736202)

在含油气盆地中，松散沉积物在沉降埋藏演化过程中会经历了从压实、胶结到破裂的过程。经典的沉积学用成岩作用来表述这一过程，即碎屑沉积物从沉积后到变质前这一漫长阶段所发生的各种物理、化学及生物化学变化。按照中国石油天然气行业碎屑岩成岩阶段划分标准(2003)将成岩作用划分为五个阶段:同生成岩阶段、早成岩阶段(包括A、B两个亚期)、中成岩阶段(包括A、B两个亚期)、晚成岩阶段和表生成岩阶段，主要包括压实作用、压溶作用、胶结作用、溶解作用、交代作用等。从工程地质上讲，岩石力学性质的变化阶段与应力变化密切相关，岩石在外荷作用下首先产生变形，随着荷载的不断增加，变形也不断增加，当荷载达到或超过某一限度时，便会导致岩石破裂。

1 压实作用及孔隙度－深度曲线的研究

压实作用是指沉积物沉积后在其上覆水层或沉积层的重荷下，或在构造形变应力的作用下，发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用。泥质岩类在压实过程中由于压实流体未能及时排出或排出受阻，孔隙体积不能随压力增大而变小，使其中流体也承受了上覆地层的负荷，出现孔隙流体压力高于相应静水压力的现象，产生该现象的过程叫欠压实作用。Wyllie(1963)研究发现，声波时差与孔隙度存在线性关系，提出用声波时差随深度的变化来反映压实作用的过程，并得到广泛的应用。

1.1 泥岩的孔隙度－深度曲线变化特征

Athy(1930)指出，在正常压实条件下泥岩与埋深存在指数关系。现今人们在分析泥岩(甚至砂岩)的压实程度时，大多都用指数关系式来表达泥岩孔隙度与埋深的定量关系［1］。

泥岩孔隙度随埋深变化规律可大致分成两种类型。一种为两段式，即表现为快速降低和缓慢降低两段;另一种为四段式，即表现为快－慢－快－慢四段式降低。

Rieke和Chilingarian(1974)［2］编制的世界页岩和泥质沉积物孔隙度随深度变化曲线(见图1)即属第一类。由图1不难看出，虽然不同地区泥质沉积物的孔隙度起始值和变化区间不同，但随深度变化大都表现出先快后慢的趋势。

图1 页岩和泥质沉积物孔隙度和埋藏深度之间的关系(据Rieke等，1974)

何炳俊(1981)、王行信(1985)、张博全(1982)等学者也对四阶段泥岩孔隙度变化曲线进行了研究(见图2、图3)，虽然各阶段所对应的深度及地层时代差别很大，但不难看出快－慢－快－慢四段式的趋势［3－5］。

图2 渤海湾盆地下第三系泥岩压实曲线图(据何炳俊，1982)

图3 松辽盆地的泥岩孔隙度－深度关系曲线(据王行信，1985)

1.2 砂岩的孔隙度－深度曲线变化特征

贝丰(1983)、Pittman(1991)、等研究了砂岩孔隙度随深度(或压力)的变化特征，其总的趋势是，随深度的增加，砂岩孔隙度减小，但砂岩孔隙度随深度的变化相对缓慢(见图4、图5)［6－7］。

图4 纯石英砂的压实曲线(据贝丰，1985)

图5 分选很好含不同岩屑的压实作用模式图(据Pittman，1991)

1.3 砂岩和泥岩的孔隙度对比

砂岩和泥岩孔隙度随深度的变化曲线存在很大的差别，主要表现在泥岩孔隙度随深度降低的幅度较大，特别是在埋深较浅的部位(见图6、图7)。

图6 渤海湾盆地泥岩孔隙度与砂岩孔隙度对比(杨绪充，1993)

图7 前高加索和前里海凹陷中生界和上古生界砂岩和泥岩

孔隙度与埋深的关系(据Lapinskaya和Proshlyakov，1970)

McCulloh(1967)和Selley(1978)分析了许多地区砂岩、泥岩孔隙度与埋深关系的资料，认为孔隙度都是随埋深的增加总体呈现逐渐减小的趋势，浅部(500 m以上)孔隙度急剧降低，深部(3 000 m以下)孔隙度变化很小［8、9］。砂质沉积物在埋藏深度较小时，颗粒为松散堆积，孔隙度很高。随着埋深的加大，特别是在压实初期的浅部，孔隙度降低很快。当埋藏到一定深度后，由于颗粒之间已紧密接触，加之胶结作用的产生，砂岩的孔隙度变化比较慢。

1.4 影响因素

Scherer(1987)分析了世界各地差别很大的砂岩孔隙度数据后认识到，影响砂岩孔隙度变化的因素很多，除了埋深，矿物属性和分选性也是影响孔隙度变化的重要因素［10］。Schmoker and Gautier(1988)建立了时间、温度或镜质体反射率与储层性质的经验关系，指出岩石成分、地层温度和时间对储层性质的控制作用，砂岩孔隙度损失可以表示为时间－温度指数的幂函数关系［11］。Von Gonten and Choulhary(1969)通过类似研究也认为温度升高使压实作用增强，可明显增大岩石的压缩率［12］。S.Bloch and J.H.Mcgowen(1991)讨论了地层埋藏史对砂岩孔隙度的影响，所研究的两套白垩系砂岩由于经历不同的埋藏史而使保存下来的孔隙度差异较大［13］。王旭(1993)研究了塔里木盆地东北地区三叠系、侏罗系砂岩的压实作用，认为压实作用主要受控于岩石特征、沉积背景、埋藏史等三种因素［14］。寿建峰(2006)提出了我国含油气盆地碎屑岩成岩压实机制的多样性，既有上覆岩柱引起的压实效应(静岩压实效应)，也有盆地热流控制的压实效应(热压实效应)、地层流体性质影响的压实效应(流体压实效应)以及构造变形引起的压实效应(构造压实效应)，以上四种成岩压实作用贯穿于整个成岩过程［15］。刘震(2007)认为，在压实作用阶段，除了埋深，时间也是影响孔隙度变化的重要因素［16］。

2 岩石力学性质的研究

目前，岩石力学性质的研究主要应用在钻井工程与工艺［17］油气田开发工程［18］和煤炭矿业开采［19］等。通过模拟地层条件进行岩石力学实验，获得岩石力学参数，为地层岩石破裂压力预测、油层套管外载计算及设计、油井酸化压裂、地应力预测等提供依据。

2.1 岩石力学参数的实验测定和计算

岩石的力学参数包括强度参数和弹性参数。强度参数有:抗压强度、抗张强度、剪切模量;弹性参数包括:弹性模量、泊松比、内摩擦角等。目前，岩石力学参数的测定方法主要有2种，即动态法和静态法。动态法是通过测定超声波穿过岩样的速度而得到相关参数;静态法是通过对岩石样品进行加载实验测定其变形而得到相关参数。一般需通过动态、静态相结合的方法系统分析研究区的岩石力学参数特征。

2.1.1 地层条件下岩石力学参数的实验测定

目前，国内常用的岩石力学参数测定仪器主要有:MTS岩石物理参数测试系统，美国Terra Tek公司的岩石力学三轴应力测试系统和美国GCTS公司研制的RTR－1000型伺服控制(静)动三轴岩石测试系统。

根据模拟实际目的层的条件(包括地层围压、加温、饱水及改变样品方向等)，进行孔隙饱和(不饱和)介质、变围压的不同岩性样品进行单轴、三轴力学实验，实测岩石的力学参数［20、21］。2.1.2 测井资料计算岩石力学参数

在岩石力学参数计算中，主要利用声波速度和全波列测井资料中的纵、横波速度来计算岩石的力学参数，即动态法(Elton Frost，1986、Nathan Stein，1988)。有了岩石弹性参数和井壁应力等参数，可以进一步得到钻井和采油作业所需的一些参数，可以使其达到最佳效果。

2.2 岩石力学性质变化阶段与应力的关系

Lane和Bieniawski(1970)根据裂隙岩石的三轴压缩试验过程应力应变曲线，将岩块受到垂向载荷作用下的变形、破坏过程分为五个阶段(见图8):

图8 岩石受到垂向载荷作用的变形破坏阶段(据Lane，1970)

(1)压密阶段:岩体中原有张开的结构面逐渐闭合，充填物被压密，压缩变形具非线性特征，应力—应变曲线呈缓坡下凹形(OA)。

(2)弹性变形阶段:经压密后，岩体可由不连续介质转化为似连续介质，进入弹性变形阶段(AB)，过程长短与岩性坚硬程度相关。

(3)稳定破裂发展阶段:超过弹性极限(屈服点)之后，岩体进入塑性变形阶段，岩体内开始出现微破裂、且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展。由于微破裂的出现，岩体体积压缩速率减缓，而轴向应变速率和侧向应变速率则有所增高(BC)。

(4)不稳定的破裂发展阶段:进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，由于破裂过程中所造成的压力集中效应显著，即使工作应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展，通常某些最薄弱的环节首先破坏，应力重分布的结果又引起次薄弱环节破坏，依次进行下去直至整体破坏。体积应变转为膨胀，轴应变速率和侧向应变速率加速地增大(CD)。

(5)强度丧失并完全破坏阶段:岩体内部的微破裂面发展为贯通性破坏面，岩体强度迅速减弱，变形继续发展，直至岩体被分成相互脱离的块体而完全破坏(DE)。

陈子光［22］(1986)认为，一般情况下岩石从开始加载到破裂的整个过程可以分成弹性阶段、非弹性阶段(扩容阶段)和破坏(后)阶段。

张倬元等［23］(1994)根据岩石在不同应力水平下所对应的应变(变形)规律，将岩石受力变形破坏过程划分为五个阶段:压密阶段、弹性变形阶段、稳定的破裂阶段、不稳定的破裂阶段、完全破裂阶段。

张梅英等［24］(1998)在单轴压缩过程中岩石变形破坏机理实验中提出，岩样受力后，随压力的增加，其变形破坏是一个逐渐发展的过程，分为3个阶段:压密阶段、微裂纹的萌生和扩展阶段、断裂破坏阶段。

3 岩石破裂(裂缝)的研究

从岩石力学的观点来讲，裂缝是指岩石中失去结合力的一种地质界面。因为岩石破裂是导致其失去结合力的过程，于是裂缝被视为破裂作用的结果。裂缝作为油气运移的主要通道和良好的储集空间，具有不同的形成机制和特点。前人对裂缝已经进行了大量的研究，Nelson(1985)［25］根据实验，按岩石力学成因可分为剪破裂裂缝、拉张破裂裂缝、扩张破裂裂缝。根据与构造作用的关系又可分为构造裂缝(次生)和非构造裂缝(原生)。

考虑到裂缝形成的力学作用，进而直观地反映出形成裂缝时的地质环境及相应的力学性质，Sterans和Friedman(1972)［26］根据地质成因，把裂缝分为构造裂缝(成因上与褶皱有关的裂缝)和区域裂缝(成因上与区域构造应力有关的裂缝)。

非构造成因的裂缝可分为与溶蚀有关的裂缝［27、28］、成岩收缩缝［29］和与重力有关的裂缝［30］、差异压实缝［28］等类型。

4 结语

岩石破裂的实质是岩石在受力过程中微裂纹的萌生、扩展直至贯通的结果，是岩石微观结构变形破坏的累积宏观反映。许多学者从不同的专业角度进行力学实验研究并取得了一定的认识，但从松散沉积物到成岩演化的角度去研究岩石力学性质，在石油地质中的研究相对较少，具体表现在:

(1)砂、泥沉积物沉积时是塑性的，在盆地演化过程中沉积物固结成岩有向弹性转化的过程，成岩后还会发生破裂，碎屑岩沉降埋藏过程中力学性质的变化特征研究不够系统。目前对成岩作用的研究，主要还是单独进行的，并且大都只是在成岩作用中作简短描述或进行简略的定性研究。

(2)对于岩石力学性质的研究，“工程地质”侧重近地表条件，“构造地质”侧重应力与变形变位，“油藏工程”侧重于井筒周围及油气层，岩石的力学变化阶段主要是单纯的根据岩石的受力情况划分的。

(3)对于裂缝的研究主要集中在类型和形成机制(成因)方面。

在含油气盆地中，生储盖组合的本质是不同岩性、不同结构岩石的组合。在盆地演化过程中，岩石必然经历了压实、回弹与破裂的过程，这个过程势必对油气藏的形成与分布产生重要的影响。因此，在油气勘探开发过程中，应加强对不同类型、不同结构岩石沉降埋藏过程中的力学性质演化特征的研究。

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