正演模式下成岩作用的温压效应机理探讨与启示

2014-09-11吴松涛孙亮崔京钢翟秀芬王拓游建昌朱德升

地质论评 2014年4期

吴松涛，孙亮，崔京钢，翟秀芬，王拓，游建昌，朱德升

1) 中国石油勘探开发研究院，北京, 100083；2) 提高采收率国家重点实验室，北京, 100083； 3) 中国石油天然气集团油气储层重点实验室，北京, 100083

内容提要: 为了探讨核心地质要素对成岩作用的影响，本文选取硅质人造砂为研究对象，从正演物理模拟的角度定量研究成岩作用对温度、压力与时间的响应特征。实验结果表明：硅质人造砂岩压实作用强度与压力、温度具有正相关关系，石英等自生矿物结晶度对温度响应明显，非晶态硅质向晶态转化的模拟温度应低于400℃。在温度一定情况下，矿物结晶与压力呈抛物线型关系，存在优势压力区间，硅质结晶对应的压力在137.5 MPa左右，压力对成岩作用贡献包括压实作用与热能效应两个方面，以压实作用为主；在成岩作用过程中，反应时间可适当补偿温压不足造成的成岩效应差异，其对化学成岩作用贡献大于压实作用。相关成果可为成岩作用数值模拟与定量研究提供参考，进一步推动成岩作用机理的深化研究。

成岩作用不仅影响了储层的物性和含油性，而且还影响烃源岩成熟度和盖层封闭性，因此受到沉积学家与石油地质学家的广泛关注(刘宝珺等，1992；刘孟慧等，1994；孟元林等，1996；裘怿楠等，1997；田建锋等，2008；王健等，2013)。目前大多数研究多集中于宏观背景下有利储层预测与油气分布研究，包括成岩作用阶段划分(夏文杰等，1995；Lynch, 1996；应凤祥等，2004；刘宝珺，2009；陈欢庆等，2013)、成岩作用与储层性质关系(Grigsby, 1996；罗静兰等，2001；张金亮等，2004；刘林玉等，2006；胡作维等，2009)、成岩相和成岩模式(邹才能等，2008；刘林玉等，2008；徐亮，2012)、成岩作用与油气成藏关系研究(Heydari, 1997；张从侦等，2013)、成岩作用数值模拟(肖丽华等，2003；何东博等，2004；袁波等，2009)等，但对成岩作用机理的报道相对较少。碎屑岩的成岩作用除与岩性有关，主要受地质历史中成岩场的控制，核心地质因素包括温度、压力与流体等(孟元林等，2003)，是多种因素共同作用的结果，因此难以准确分析单一地质因素在特定岩性成岩过程中发挥的作用。模拟实验为单因素研究打开了新的方向，但目前多集中于数值模拟，或基于各类物理化学作用模型(多是单因素模型)模拟具体的成岩作用(Walderhaug, 1996；Bjørkum et al., 1998；杨俊生等，2002；孟元林等，1996，2006)，或不考虑具体的成岩作用过程而直接模拟成岩作用对储层改造的最终结果(肖丽华等，1995，2003；孟元林等， 2003；何东博等，2004；袁波等，2009)，均缺乏对成岩过程的真实再现，未从物理模拟正演的角度对温度、压力、流体与时间等影响和控制成岩作用因素的进行机理研究。

为了探讨核心地质要素对单一岩性成岩作用的影响，本文选取硅质人造砂为研究对象，从正演物理模拟的角度定量研究成岩作用对温度、压力与时间的响应特征，尝试从物理模拟的角度回答核心地质要素对硅质成岩的影响，为成岩作用数值模拟与定量研究提供真实实验数据，进一步深化成岩作用机理研究。

1 实验方法与参数设置

图1 储层成岩物理模拟系统 (a) 反应炉； (b) 压力供给系统； (c) 流体注入系统； (d) 控制系统Fig. 1 Reservoir physical diagenetic modeling system (a) sample reactors; (b) pressure system; (c) fluid injection system; (d) computer controlling system

本实验依托中国石油天然气集团公司油气储层重点实验室自主研发的储层成岩物理模拟系统(图1)。该系统用于模拟储层样品在不同温度、压力和流体介质条件下成岩作用过程，主要由反应炉体、压力供给系统、流体注入系统与控制系统等四部分组成，最高模拟温度500℃，最大静岩压力275MPa，最大流体压力120MPa。系统具有实验参数实时记录、实验过程自动化控制及安全远程报警等功能。6个反应炉可以设置不同的温度和压力，满足了不同温压条件下储层成岩作用全过程研究的需求。

本实验重点研究温度、压力对硅质成岩作用的影响，选用大于300目的硅质人造砂进行实验。采用该材料的主要依据有两个：① 硅质人造砂成分单一，均质性强，可以排除复杂矿物成分对成岩作用的影响；② 大于300目相当于粉砂及泥级颗粒，获取的人造岩心可满足致密砂岩储层微观表征研究的需求。由于原始地层条件下成岩流体的复杂性及水岩反应的不确定性，本次研究暂不涉及成岩流体对成岩作用的影响，但为了模拟真实地层条件下成岩演化过程，在实验过程中，注入适量去离子水(20mL)，加快水岩反应的进程。

实验进行两次，共获取11块样品。第一次实验6个反应炉温度相同，设置不同压力，探讨硅质成岩作用对压力的响应特征。第二次实验4号、5号与6号反应炉实验参数与第一次实验完全相同，反应时间延长一倍，验证实验的可重复性，并探讨反应时间对成岩作用的影响；1号和3号反应炉则与第一次实验压力设置相同，温度升高至400℃，探讨硅质成岩作用对温度的响应特征，详细参数见表1。

针对获取的成岩物理模拟样品，进一步开展铸体薄片、激光共聚焦显微镜分析，确定样品压实程度与孔隙结构，并通过X衍射矿物分析与扫描电镜分析等研究自生矿物结晶程度，相关分析测试在中国石油天然气集团公司油气储层重点实验室完成，各种分析测试均依据石油天然气行业标准执行。

表1 两次成岩物理模拟实验参数表Table 1 Parameters for reservoir physical diagenetic modeling

2 实验结果

两次成岩物理模拟实验成形效果较理想，共获取成形岩心柱7个(图2)，即DM-01、DM-03、DM-04、TM-01、TM-04、TM-05和TM-06，DM-02和TM-03样品已成形，但取样过程压力释放过快造成样品破碎，DM-05和DM-06样品未成形。在实验分析过程中，加入原始硅质人造砂样品(编号DM-07)作为参考，分析不同温压条件下成岩作用的变化。

图2 物理模拟实验样品照片Fig. 2 Samples from physical modeling experiments

总体来看，在实验过程中，伴随温度和压力的升高，硅质人造砂依次发生机械压实作用、化学压溶作用、石英自形晶体析出等，随着成岩作用强度的不断增大，样品的孔隙结构发生变化，引起孔隙度及渗透率等参数的变化。下面将从压力、温度和反应时间三个方面对实验结果进行阐述。

2.1 成岩作用对压力响应特征

在沉积物成岩过程中，压力是最先发挥作用的因素。随埋藏深度的增加，上覆压力加大，压实作用增强，颗粒接触更加紧密，孔隙空间及流体减少。作为成岩作用重要的组成部分，压实作用奠定了岩石结构的框架，压力是压实作用最重要的动力来源，在影响机械压实作用的同时，对化学成岩作用造成影响。

激光共聚焦显微镜分析表明，随着压力的增大，压实作用、化学压溶作用增强(图3a～3c)。从DM-04到DM-03再到DM-02，压力从137.5MPa增加至165MPa再到220MPa，颗粒之间由点接触到点—线接触再到线—缝合接触，储集空间类型由原生粒间孔为主演变为压溶缝发育，孔隙尺寸也明显变小，由n×10μm减小至nμm。

图3 成岩物理模拟样品激光共聚焦显微镜分析图像与三维孔隙模型Fig. 3 2D & 3D porosity model reconstructed by laser scanning confocal microscope 黑色为硅质人造砂颗粒；(a)、(b)、(c)中绿色为孔隙；(d)、(e)、(f)中蓝色为孔隙 Artificial siliceous sands are black; green parts in (a),(b),(c) and blue parts in (d), (e), (f) are porosity

基于Avizo Fire三维图像重构软件对激光共聚焦显微镜获取的图像进行三维重构，图像叠加厚度达到40μm，建立不同压力下孔隙系统模型(图3d—3f)。三维模型的建立进一步展示了储集空间在三维尺度上分布特征，同时可对二维平面表征难以展示的孔喉连通性进行分析，为储层有效性评价提供依据。DM-04样品孔喉系统发育，连通性好，存在少量孤立大孔，计算孔隙度为32.70%(图3f，表2)；DM-03样品孔喉系统较发育，展现出一定非均质性，中间部分孔喉尺寸小、连通性明显比边部差，计算孔隙度为15.90%(图3e，表2)；DM-02样品孔喉系统较前两者要差，孤立孔比例明显提高，储集空间连通性逐渐变差，发育连通缝，计算孔隙度为12.31%(图3d，表2)，反映了成岩作用强度的不断增加。实测气体孔渗数据同样证明了上述结果，三块样品物性数据分别为33.15%、35.50mD，14.98%、0.88mD，12.96%、0.54mD。实测数据与三维模型计算孔隙度具有较高的一致性，误差小于10%，证实了基于三维孔隙模型计算储层物性的可行性。

表2 成岩物理模拟样品物性结果统计表Table 2 Physical properties of modeling samples

在成岩作用中后期，机械压实作用逐渐减弱，化学成岩作用逐渐增强并最终形成了储层孔隙格架，矿物的析出、溶解、交代等作用均受到压力的影响，因此化学成岩作用对压力的响应特征也是储层研究中的重要内容。在本次研究中，不同压力下储层成岩物理模拟样品X射线衍射矿物分析结果表明：在一定温度下，硅质类自生矿物结晶度与成岩压力呈抛物线型关系，可能存在优势压力区间。

X射线衍射分析的原理是将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格方程：

2dsinθ=nλ

(1)

其中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。X衍射强度取决于粉末颗粒尺寸、线吸收系数、密实程度、晶粒大小、初级消光系数和多相颗粒的晶粒尺寸(Klug et al.，1986)。除粉末颗粒尺寸外，其余参数均受控于晶体的结晶程度(沈守文，1990)。在本次研究中，实验采用的粉末颗粒尺寸相同(300目)，且物质的化学成分并未改变，因此X衍射强度在很大程度上反映了矿物结晶程度的变化，对于同一种物质，一般衍射强度越高，矿物结晶程度越高(Klug et al.，1986；沈守文，1990)。

图4 成岩物理模拟样品X衍射矿物分析谱图 (a) 第一次分析结果; (b) 第二次分析结果Fig. 4 XRD spectrum of modeling samples (a) the 1st analysis data; (b) the 2nd analysis data

为了验证结果的准确性，笔者开展两次X衍射全岩矿物分析，均展现出相同的结果：X射线衍射强度随压力降低呈现先增大后减小的趋势(图4)，反映了矿物结晶程度先增高后减小的趋势。总体来看，样品衍射强度均不大，这可能与实验时间相对较短有关，保温保压时间10～20小时(表1)导致了矿物结晶程度普遍偏低。从DM-01到DM-05，结晶矿物在模拟样品组成中的比例分别为44.5%、69.5%、71.8%、72.5%和0%，DM-04样品结晶矿物比例最高(图5)。因此，对于特定的温度，硅质自生矿物对压力的响应并不是线性的，而是存在特定的优势压力区间，这与前人在研究中提出的自生矿物随压力增大而逐渐增大的观点有所差异(Walderhaug , 1996；Bjørkum et al., 1998；杨俊生等，2002)。初步推断，300℃对应的优势压力区间应在137.5MPa左右。

扫描电镜结果同样证明了优势压力区间的存在。成岩物理模拟样品电镜结果揭示自生矿物主要以绒毛状、叶片状或自形晶体生长于石英砂颗粒外表面(图6)，当压力超过优势压力区间，从DM-04到DM-01，随着压力增加，颗粒表面自生矿物发育程度明显降低(图6a～6d)，原因可能是随着压力增加，压实—压溶作用增强，减小了自生矿物发育的空间，不利于自生矿物生长与结晶；当压力低于优势压力区间，从TM-04到TM-05再到TM-06样品，伴随压力降低，颗粒表面自生矿物发育程度也明显降低，自形晶体大小、比例等明显降低(图6n—6p)，这可能与何东博等(2004)提出的构造挤压热效应有关。从能量守恒的角度，构造挤压力最终转化为热能，引起热力学参数的变化并产生热效应。从TM-04到TM-06，压力持续降低，由压力引发的热效应持续减小，最终导致矿物结晶程度降低。

2.2 成岩作用对温度响应特征

作为影响成岩作用强度的另一个关键因素，温度对化学成岩作用具有重要的影响，现行成岩阶段划分的主要依据即温度差异(应凤祥等，2004)，如镜质体反射率、伊/蒙混层黏土矿物转化率、石英加大含量、最大热解峰温度、甾烷霍烷异构化指数等均与温度具有直接的联系，因此温度在很大程度上影响和决定了成岩作用期次。

根据DM-02、DM-03与TM-01、TM-03对比研究，探讨成岩作用对温度响应特征。TM-01与DM-02扫描电镜分析发现，TM-01样品成岩强度高，见明显的熔结特征，颗粒原始形貌消失，颗粒之间几乎未见孔隙发育，也未见自形晶体发育(图6i)，DM-02样品则发育较明显的孔隙，压溶作用强度也相对弱，自形晶体比例明显增高(图6b)。TM-03与DM-03对比同样支持这一现象，TM-03中颗粒原始形貌不清，孔隙极不发育，自形晶体少见，而DM-03中发育一定的原生孔，自形晶体比例更高，局部可见柱状石英晶体(图6g)。这可能与TM-03模拟温度过高，非晶态石英砂发生熔结作用有关。在相同压力条件下，压实作用强度基本相同，化学成岩作用强度对储层孔隙结构及物性具有决定性作用。在高地层压力背景下，随着温度的增高，成岩作用强度明显增大。矿物自形晶发育程度对温度响应较敏感，因此温度不能超过一定范围，否则矿物易发生高温变质作用。根据本次实验模拟结果，对非晶态硅质来说，向晶态转化温度应低于400℃。

2.3 成岩作用对反应时间响应特征

地质历史中成岩作用是沉积物在成岩场内经过漫长历史演化的结果。现代实验室物理模拟实验很难对时间进行准确模拟和表征(李明诚，2007)，但本次实验结果有助于理解时间效应在成岩演化中的作用，为确定接近地质条件下的最优反应时间提供重要参考依据。在相同实验条件下，DM-05和DM-06样品未成形，实验结束后仍为松散砂粒；TM-05和TM-06样品成形效果较好，形成长度超过10cm的柱样(图2)，且扫描电镜图像揭示后2个样品中晶体结晶程度较高，见柱状石英单晶发育(图6o、6p)，表明反应时间对人造砂岩成型效果具有积极的贡献，进一步又反映了成岩作用强度与反应时间存在一定的正相关关系，伴随反应时间的增长，成岩作用强度加大。

图6 成岩物理模拟样品扫描电镜分析，黄框为自形晶体发育部位Fig. 6 SEM photos of modeling samples, idiomorphic crystals are marked in yellow rectangles

图5 成岩物理模拟样品X衍射矿物分布图 (a) 第一次分析结果; (b) 第二次分析结果Fig. 5 Mineral composition of modeling samples (a) the 1st analysis data; (b) the 2nd analysis data

TM-04与DM-04扫描电镜分析结果表明：TM-04晶体结晶程度稍高于DM-04，晶体形态与大小更明显，柱状石英单晶发育程度也高一些；二者孔隙空间发育特征存在一定的差异性，主要原因是反应时间影响化学成岩作用，即自形晶体析出与交代，进一步充填孔隙空间，导致TM-04孔隙发育程度略低于DM-04样品。这与反应时间对成岩作用的影响机理相一致，即在一定温压条件下，反应时间的延长增大了岩石中不同物质接触、反应的时间和几率，进而增大了化学成岩作用的强度。因此，本文从实际物理模拟的角度为前人关于时间与温度和压力之间的补偿关系的论述(蒋有录等，2006；李明诚，2007)提供了直接证据。

3 讨论

成岩作用是成岩场多期演化与控制的结果，岩石组分、压力、温度、时间与成岩流体是影响储层成岩作用的关键因素，在储层形成的过程中，它们相互匹配，共同形成了非均质的储层，其中压力、温度与时间是控制成岩作用的外部因素。本次研究利用储层成岩物理模拟系统，采用单一岩石组成与成岩流体，对压力、温度与时间等在硅质人造砂成岩演化中的效应进行了单因素分析。研究结果在验证已有认识的同时，深化了对上述因素作用机理的认识：压力主要影响压实作用，温度主要影响化学成岩作用，时间在一定程度上弥补了温度与压力效应。同时，本次研究提供了压力热效应的实验室证据，指出对于特定温度下矿物结晶，存在优势压力区间，这些认识将推动成岩作用机理研究的不断深化，为油气勘探提供有力支撑。例如，压力热效应可用于解释前陆盆地逆冲断裂带储层成岩作用强度的差异。在前陆盆地中，储层的成岩演化除了受埋藏热效应的影响外，还受构造挤压应力的影响，构造挤压力引发的热效应与埋藏热效应相互叠加，导致逆冲断裂带下伏地层成岩作用强度明显强于相同层位的上覆地层。此外，两次物理模拟实验结果具有较好的一致性和重复性，表明储层成岩物理模拟系统具有良好的稳定性。

应该看到，本次研究主要是基于实验室物理模拟实验，其与地质条件下真实成岩作用存在差异性：实验条件简化，考虑因素较少，仅验证了300℃和400℃两个温度，无法准确模拟时间效应的影响等，相关实验结果真正推广应用可能存在一定的局限性，因此下一步研究应注重以下几个方面的研究：① 增设温度点，进一步确定温度效应影响；② 在优势压力区间范围内增设压力点，进一步厘定压力范围；③ 物理模拟样品与真实地质样品对比研究，获取实验条件与地质条件相关关系。