渤中凹陷深層儲層裂隙發育程度實驗研究

陶 圩 , 郭玲莉 *, 劉永江 , 王光增 ,趙 龍 , 喬慶宇 , 王 宇 , 李三忠

(1.深海圈層與地球系統教育部前沿科學中心, 海底科學與探測技術教育部重點實驗室, 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 青島 266100; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源勘探與評價功能實驗室, 山東 青島 266100)

0 引 言

渤海灣盆地作為中國東部能源探勘的主戰場,蘊藏了豐富油氣資源。渤中凹陷是渤海灣盆地埋深最大的凹陷, 2011～2013 年位于渤中凹陷區內21-22構造區的兩口科探井在古生界潛山中發現工業氣流,天然氣規模儲量估值高達 50×109m3(周心懷等,2017), 該氣藏的發現驗證了渤中凹陷古潛山儲層的巨大潛力, 是深層油氣勘探最現實的有利區。在全球范圍內, 深層油氣藏的成儲問題已有較為深入的研究, 并取得了顯著的進展。目前已有70 多個國家在深度超過4000 m 的地層中進行了油氣鉆探(妥進才, 2002), 在已探明的深層油氣藏中, 阿納達科(Anadarko)盆地Hugoton 油田石炭系碎屑巖儲層埋深大于8000 m(Dyman et al., 2002); 灣岸(Gulf Coast)盆地Harriscille 油田侏羅系砂巖儲層埋深7000 m(Wandrey and Vaughan, 1997); 蘇雷斯特(Surste)盆地Luna 油田侏羅系白云巖儲層埋深大于 6500 m(Halbouty,2003)。但這些典型的油氣田大多集中于克拉通、前陸、被動陸緣等構造環境中, 渤中凹陷作為走滑改造背景的裂谷盆地(李三忠等, 2010; 徐長貴, 2016),可以直接用于參考研究的技術較少。因此, 渤中凹陷潛山儲層的系統研究不僅有利于國內深部油氣勘探需求, 也能為國內外類似盆地勘探提供借鑒。

渤中凹陷深層地質情況復雜, 多期次構造作用改造使得深層潛山儲層巖性繁多, 差異明顯, 但研究程度相對薄弱, 尤其是有效構造儲層發育程度及分布規律尚未明確。太古宇變質巖, 古生界碳酸鹽巖以及中生界火成巖都為該地區潛山型油藏潛在的儲層。巖性是控制裂縫發育最基本的因素(趙文韜等,2013), 研究相同構造應力下不同巖性儲層裂縫發育程度是分析構造儲層優劣, 完善優質潛山構造儲層分布預測研究的基礎。其中, 在實驗室尺度下, 研究潛山代表性巖石在不同應力條件下的微裂隙發育特征, 是一種有效且便捷的方法。

聲發射(acoustic emission, 簡稱AE)是指脆性材料在受力變形過程中產生微破裂時應變能以彈性波輻射釋放的現象。20 世紀30 年代聲發射現象發現以來便廣泛應用于巖體穩定性監測之中, 60 年代后,巖石凱賽爾效應被證實(Goodman, 1963), 為聲發射技術在巖石力學實驗中的廣泛應用奠定了基礎。聲發射方法作為揭示巖石變形破壞過程的有效工具,成為開展現代巖石力學實驗的重要途徑并取得了大量的研究成果。1968 年首次實現了對聲發射事件的空間定位(Scholz, 1968), 加強了實驗中對巖石微裂隙產生與傳播的監測, 進一步揭示了裂隙生長的動力學細節(Nishizawa et al., 1984; Lockner, 1993)。同時, 國內學者對于聲發射技術在巖石實驗中的應用開展了大量的研究, 結合細觀損傷力學研究和聲發射原理, 提出巖石聲發射與巖石損傷具有一致性(唐春安, 1997)。通過物理實驗總結了巖石在斷裂和破壞的不同階段聲發射現象的特征(Lei et al., 2004),利用聲發射定位在裂紋擴展與貫通機制(郭彥雙等,2007)、裂紋開裂擴展的的空間演化模式(趙興東等,2006)取得了深入的進展。

開展不同應力狀態下巖石的聲發射參數特征的研究, 能夠揭示巖石內部裂紋發育的分布規律, 反映出巖石的破壞程度和損傷機制。由于巖石破壞過程與儲層裂縫發育之間的必然聯系, 近年來聲發射技術在儲層構造裂縫成因機制、期次劃分、破壞強度等問題的研究中起到重要作用。Ishida et al. (2001)利用聲發射技術研究了四種粒度的花崗巖在水力壓裂下的破裂機理; 陳強等(2006)通過巖石單軸壓縮的凱賽爾效應測定的地應力值與實際情況基本吻合;鄭榮才(1998)開展非定向巖石聲發射實驗, 確定了遼河西部凹陷古潛山裂縫的性質及成因。聲發射技術作為一種經濟且便于操作的實驗方法, 在優質構造儲層分布規律研究中擁有良好的應用前景。

為了解渤中地區潛山儲層巖石的裂隙發育特征,本次選擇二長花崗巖、片麻狀花崗巖、花崗質片麻巖、斜長角閃巖、灰巖和安山巖6 種潛山代表性巖石作為研究對象, 通過開展壓性條件和張性條件下的巖石物理實驗, 使用聲發射技術監測實驗過程中出現的微裂隙, 比較同等應力條件下各巖石樣品的微裂隙發育數量累計、聲發射事件率、時空分布等參數特征, 總結不同巖性樣品在壓性環境及張性環境下微裂隙發育規律, 并結合野外構造儲層研究,綜合討論渤中地區不同巖性潛山構造儲層儲集能力的優劣, 為預測優質潛山儲層分布提供科學依據。

1 地質概況

渤海灣盆地是華北克拉通東部地塊上的一個中新生代盆地, 位于印度、歐亞和太平洋三大板塊交接的區域, 東界為郯城-廬江斷裂帶, 西界為太行山東麓斷裂帶, 北為燕山造山帶, 南為魯西地塊。其內部垂向結構復雜, 據各沉積建造層間接觸關系、構造變形特征, 將其顯生宙地層分為5 個構造層: 印支期構造層、燕山早期構造層、燕山中期構造層、燕山晚期構造層及新生代構造層。這些構造層的變形是華北克拉通演化不同階段構造過程的產物, 每幕變形都存在差異, 可能反映其破壞機制的不同(李三忠等, 2010; Li et al., 2012a; Zhang et al., 2020)。

渤中凹陷是渤海灣盆地的二級構造單元, 位于盆地中部, 呈NE 走向, 西南寬北東窄, 面積約為8660 km2, 是渤海海域面積最大的一個凹陷(薛永安和王德英, 2020), 其地理位置東鄰渤東低凸起, 西鄰沙壘田隆起, 南鄰渤南低凸起, 北鄰石臼砣凸起,是渤海灣盆地的沉積中心和生油(氣)中心, 油氣資源豐富(圖1)。

渤中地區中、新生代不同期次的沉積盆地發育于印支期、燕山早-中期多期擠壓形成的區域收縮變形基底之上, 同時, 又經受燕山晚期、喜山期伸展構造而發生了多期盆地疊加。其構造形變的動力背景可大致概括為: 印支期 S-N 向擠壓, 燕山早期NW-SE 向擠壓、中期左行壓扭, 燕山晚期伸展及喜山期右形張扭(李三忠等, 2010; Li et al., 2012b)。渤中凹陷是疊置在華北克拉通基底之上的中、新生代裂谷斷陷盆地。環渤中探區內所鉆遇的古潛山儲層巖性復雜, 根據已有的地震剖面, 渤中凹陷由老到新依次發育有太古宇泰山群、下古生界寒武系及奧陶系、上古生界石炭系及二疊系、中生界侏羅系及白堊系, 其中, 太古宇變質巖、古生界碳酸鹽巖、中生界火山巖地層都十分發育, 是潛山型油氣藏最主要的潛山儲層。

圖1 渤海灣盆地構造單元劃分(據李三忠等, 2010)Fig.1 Structural division of the Bohai Bay Basin

2 樣品特征與實驗方法

根據鉆井資料, 渤中21-22 古潛山以灰巖為主的古生界儲層、428 西潛山以安山巖為主的中生界儲層, 渤中19-6 潛山以片麻巖為主的太古宇儲層,都有明顯裂縫發育。本次實驗選擇了太古宇二長花崗巖、片麻狀花崗巖、花崗質片麻巖、斜長角閃巖,古生界灰巖和中生界安山巖6 種不同巖性的樣品。樣品采自于對應渤中地區深部地層延伸至山東魯西地區的野外露頭, 采樣位置如圖1 所示, 采樣點坐標見表1。

結合渤中區域經歷的擠壓和拉張構造應力場,本文分組進行了壓性和張性條件的巖石加載實驗。壓性實驗樣品為高80 mm, 直徑40 mm 的圓柱樣;張性實驗樣品為高30 mm, 直徑60 mm 的圓盤樣(圖2)。

表1 樣品時代及采樣位置Table 1 The ages and the locations of the samples

實驗在中國地震局地質研究所構造物理實驗室進行, 加載系統為CTM 微機伺服控制液壓萬能試驗機, 最大拉、壓荷載量程為1000 kN; 聲發射采集系統由一套40 dB 的前置放大器以及16 通道聲發射全波形記錄儀組成, AD 轉換分辨率為16 bit, 采樣率為3 MHz, 采集方式為16 位同步觸發各通道全波形連續采集。

樣品布局如圖2 所示, 實驗中使用16 個直徑為5 mm 的聲發射探頭固定于實驗樣品表面, 接收和記錄聲發射信號。實驗采用荷載控制方式進行加載,壓性實驗加載速度為0.1 kN/s, 張性實驗加載速度為0.02 kN/s。實驗過程中保持加載過程與聲發射全波形采集。本文使用的聲發射定位分析軟件為中國地震局地質研究所的軟件AE007, 其聲發射定位原理基于時差定位法, 并通過提高傳感器下限及控制波速范圍實現了平抑波速場不均對定位結果的誤差(劉培洵等, 2009, 2014)。聲發射定位后AE007 給出的定位結果包括聲發射的發生時間、波速及三維坐標。定位結果直觀反映了巖石內部聲發射源位置、裂紋初始位置、巖石損傷狀況和不同加載階段裂紋的發展程度。

3 實驗結果分析

3.1 壓性條件下的裂隙發育程度

3.1.1 微裂隙累計與時間特征

二長花崗巖、斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、安山巖、灰巖5 種巖性樣品(花崗質片麻巖未成功鉆取出符合規范的柱狀樣樣品, 沒進行單軸壓縮實驗)的加載過程可分成壓實、彈性變形、塑性變形、破壞四個階段。結果顯示, 代表微裂隙發育的聲發射事件累計隨應力而增加(圖3b), 在彈性變形階段斜率平緩, 進入最后階段時斜率快速上升。在相同的加載方式下, 微裂隙發育數由多到少為: 二長花崗巖、斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、安山巖、灰巖(圖3a)。斜長角閃巖和二長花崗巖的聲發射累計曲線相對平緩, 片麻狀花崗巖、安山巖及灰巖則在曲線上出現數個臺階形變化, 說明這3 種巖性在加載過程中單位時間內的聲發射活動性更強, 巖石內部裂縫的形成、擴展更劇烈。

圖2 實驗樣品及傳感器排布Fig.2 Photos of tested samples and distribution of acoustic emission sensors

圖3 壓性環境下樣品聲發射累計(a)及應力曲線(b)Fig.3 The stress curves (a) and the acoustic emission accumulation curves (b) of the rock samples under compressive stress

表2 壓性環境下各應力階段聲發射統計Table 2 Acoustic emissio n stati stics of the di fferent stress stages under compressive stress

3.1.2 不同壓應力水平下微裂隙發育特征

不同壓應力水平下, 5 種巖石類型的微裂隙發育數量和空間分布各有特點。在高、中、低應力階段,二長花崗巖的微裂隙發育數量遠大于其他巖性樣品,而灰巖的微裂隙數量始終處于較低水平(表2, 圖4),二長花崗巖的宏觀裂縫也遠多于灰巖。在80 MPa低壓應力狀態下, 斜長角閃巖因抗壓強度較小, 已經有較多的微裂隙產生, 聲發射累計大致與二長花崗巖相同。在100～120 MPa 應力階段, 斜長角閃巖已經發生破碎, 片麻狀花崗巖、灰巖和安山巖3 種樣品微裂隙發育水平接近。在高應力狀態下, 太古宇兩塊變質花崗巖微裂隙發育程度普遍高于中生界安山巖以及古生界灰巖。

3.1.3 微裂隙空間分布

不同類型巖石的微裂隙發育空間位置也有所不同。在低壓應力條件下, 斜長角閃巖、安山巖、二長花崗巖微裂隙零星分布于樣品兩端, 而灰巖和片麻狀花崗巖則少見微裂隙發育。隨著壓應力提高,各類巖石樣品逐漸被壓實, 樣品內部局部地區產生微裂隙, 在高壓應力條件下微裂隙逐漸連接形成宏觀貫通裂隙。不同巖石樣品中, 宏觀裂縫貫通形態表現不同: ①安山巖最早在樣品中間位置出現微裂隙, 并穩定向下擴展(圖4a); ②灰巖在整個實驗中微破裂的產生都處于很低水平, 持續較長時間后,在樣品下部產生微裂隙, 并逐漸向上擴展(圖 4b);③二長花崗巖隨著應力增加, 在樣品上部大量微裂隙產生擴展, 并逐漸向中部集中, 兩端的微裂隙向中間貫通并于最后形成宏觀貫通裂縫(圖4c); ④片麻狀花崗巖在高壓應力條件下可以在短時間內產生大量微裂隙, 并形成裂隙集中區, 大量微裂隙迅速拓展匯合, 逐漸成核, 并向樣品下中部進一步拓展,形成一條大的裂隙, 最終形成貫通的裂縫(圖 4d);⑤斜長角閃巖樣品則在樣品上部產生了微裂隙, 并向中間擴展(圖4e)。

壓性環境下微裂隙最為發育的是二長花崗巖(圖4), 結合聲發射事件率及空間分布(圖5), 二長花崗巖在整個受力變形過程中都有微裂隙產生, 聲發射事件率整體呈逐漸增加的趨勢, 并出現多次突增。根據聲發射定位結果顯示, 加載初期, 聲發射事件主要在樣品兩端零星分布; 隨應力增加, 微裂隙數量繼續上升, 并持續定位在樣品下部, 開始形成一個明顯的聲發射集中區域, 樣品上部僅有零星的少數定位結果, 中部則為聲發射空白區域, 說明樣品下部的大量微裂隙開始穩定擴展。1125 s 后, 樣品下部裂隙集中區成形, 微裂隙開始出現于樣品上中部分, 上半部分的定位結果逐漸密集, 中部聲發射空白區逐漸消失(圖5a)。加載到1530 s 時, 樣品聲發射率開始突增, 短時間內大量的聲發射事件產生于樣品上部, 形成第二個聲發射集中區, 說明這個階段大量微裂隙在樣品上部產生擴展(圖5b)。此后, 定位的樣品聲發射結果逐漸向中部集中, 兩端的微裂隙向中間貫通, 最后形成宏觀貫通裂縫(圖5c)。實驗說明二長花崗巖宏觀裂縫產生過程是一個典型的由大量小裂隙拓展貫通成大裂縫的過程。

圖4 壓性環境下各應力階段微裂隙空間分布Fig.4 Distribution of the microfractures in five types of rock samples in the different stress stages under compressive stress

圖5 壓性環境下二長花崗巖聲發射事件率及空間分布演化Fig.5 The event rate of the acoustic emission and the distribution of microfractures in the monzogranite sample under compressive stress

3.2 張性條件下的裂隙發育程度

3.2.1 微裂隙累計與時間特征

張性環境下, 6 種巖石樣品的微裂隙累計特征如圖6 所示。實驗初期少量先存裂隙因應力作用發生擴展后, 代表微裂隙的聲發射累計增速變慢, 累計曲線斜率趨于穩定; 至塑性變形及破壞階段, 聲發射數量突增, 曲線斜率達到最大值, 樣品裂開破碎。雖然6 種樣品最終破碎形態相似, 但是由于不同巖性樣品的礦物含量和結構差異, 加載過程中, 微裂隙發育特征并不相同。總體來說, 張性環境下達到應力峰值強度時, 微裂隙發育數由多到少為: 斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖、花崗質片麻巖、安山巖、灰巖。張性環境下, 各個樣品的微裂隙累計數量差距并不大, 太古宇4 種巖性樣品內部裂縫發育程度相當,但斜長角閃巖、花崗質片麻巖、二長花崗巖及灰巖的微裂隙累計曲線更為平順, 裂隙的發育過程較為平緩; 片麻狀花崗巖和安山巖微裂隙累計曲線出現多個階梯型變化, 裂隙發育及擴展較為劇烈。

3.2.2 不同張應力水平下微裂隙發育特征

6 種不同巖性樣品在不同張應力水平下, 其微裂隙發育數量和空間分布有所差異(表3, 圖7)。在2 MPa 的低張應力階段, 抗拉強度偏低的花崗質片麻巖和灰巖已產生了一定規模的聲發射事件, 樣品內部的微裂隙發育程度高于其他巖性樣品。在 3～4 MPa 這一應力水平下, 斜長角閃巖、花崗質片麻巖和灰巖產生貫通的裂縫都發生破碎; 峰值強度前,大量聲發射集中出現。在6 MPa 的高張性環境下, 二長花崗巖聲發射事件累計更高, 樣品內微裂隙更發育, 片麻狀花崗巖與安山巖破碎程度較為接近。

3.2.3 微裂隙空間分布

安山巖加載初期有一段聲發射活躍期, 微裂隙出現在樣品兩端, 聲發射事件累計隨應力的增加而上升,但樣品聲發射事件率一直處于較低水平, 集中于樣品上半部分局部區域內。隨后出現兩次短暫的突增, 說明樣品上半部分出現大量的微裂隙, 并穩定向下擴展延伸, 最終下部裂隙貫通形成主破裂面(圖7a)。

灰巖在張性條件下微裂隙發育少, 主要集中于樣品下端的較小區域內, 其余部分幾乎沒有聲發射事件產生。高張應力條件下, 在下部出現較大規模的微裂隙, 并向中部擴展, 逐漸形成貫通的宏觀破裂面(圖7b)。

片麻狀花崗巖在低張應力環境下微裂隙的產生并不明顯, 僅零星分布。中等張應力條件下, 短時間內大量微裂隙密集出現于樣品左半部分, 形成集中區, 意味著樣品左半部分形成的微裂隙, 在這段時間內穩定擴展, 且逐漸匯合貫通。高張應力條件下,樣品微裂隙率開始穩步提升, 并在峰值強度前達到最高, 樣品右半部分出現大量微裂隙, 形成第二條貫通的裂縫(圖7c)。

二長花崗巖早期的微裂隙分布較為均勻, 沒有形成明顯的微裂隙集中區。高張應力狀態下, 新增的微裂隙在樣品中上部分形成明顯的條狀聚集區,說明大量裂隙在此時擴展迅速, 匯合貫通形成滑動面(圖7d)。

圖6 張性環境下樣品聲發射累計(a)及應力曲線(b)Fig.6 The acoustic emission accumulation curves (a) and the stress curves (b) of the rock samples under tensile stress

斜長角閃巖變形破壞過程與安山巖較為相似。前期微裂隙主要發生在樣品上部, 隨后, 大規模的聲發射事件集中出現在樣品上部, 隨著載荷的增加,樣品中、下部出現了大量新的微裂隙, 且上、下裂隙貫通成宏觀破裂面(圖7e)。

花崗質片麻巖在加載早期的短時間內, 中部產生小規模的微裂隙。高應力階段, 樣品中部的微裂隙不斷匯聚連接并向兩端擴展, 最終形成一貫通的的裂縫, 微裂隙幾乎出現于整個樣品內部, 破碎程度較高(圖7f)。

表3 張性環境下各應力階段聲發射統計Table 3 Acoustic emission statistics of the different stress stages under tensile stress

圖7 張性環境下各應力階段聲發射空間分布Fig.7 Distribution of the microfractures in five types of rock samples in the different stress stages under tensile stress

斜長角閃巖在張性環境下, 微裂隙數量最多,樣品內部破碎程度高于其他巖性(圖7)。其聲發射事件率及空間分布如圖8, 在0～400 s 階段, 斜長角閃巖的聲發射率一直處于穩定的水平, 聲發射主要發生在樣品上部, 說明大量微裂隙在此部分產生, 并隨著應力的增發而發生擴展(圖8a)。400 s 后, 聲發射率大幅上升, 大規模的微裂隙集中出現, 定位結果除了出現在樣品上部的集中區域外, 樣品的中下部也出現了聲發射事件集叢, 說明上部裂隙拓展連接的同時, 隨著載荷的增加, 樣品中下部出現了大量新的微裂隙(圖8b)。437 s 時, 應力出現一次明顯的下降, 此時, 上、下部的微裂隙貫通成宏觀破裂面,與聲發射結果吻合(圖8c)。

從微破裂累計特征(圖3a、6a)可以看出, 同一巖性的巖石樣品, 在壓性環境和張性環境下, 都產生了一定規模的聲發射事件。張性環境下的微裂隙累計數量明顯小于壓性環境下的。巖石作為典型的脆性材料, 強度大韌性小, 受力過程中, 其內部微裂隙的產生、拓展、貫通, 是聲發射最主要的來源。結合實驗后樣品的宏觀裂縫, 結果證明: 在兩種應力環境下, 6 種不同巖性樣品內部均發生了不同程度的破碎及裂隙發育。從環渤中地區儲層尺度來看, 各巖性的儲層在以擠壓或張扭應力為主的構造運動時期下都具有發育構造裂縫的能力, 滿足成為優質儲集層的基本條件。環渤中地區古潛山儲層現存的豐富裂縫并不是在某一地質歷史時期集中發育, 而是在各構造期經歷多期次擠壓、拉張應力過程中累計產生的。

實驗結果表明, 在相同的構造應力下, 不同巖性的儲層, 其構造裂縫發育能力存在明顯差異。中低應力環境中, 樣品裂縫發育程度往往受到巖石強度的影響, 抗壓(拉)強度較小的樣品在中低應力階段會產生更多的微裂隙, 樣品內部破碎程度更高。例如, 壓性條件下的斜長角閃巖、二長花崗巖及安山巖, 張性環境下的斜長角閃巖、花崗質片麻巖、灰巖, 在中低應力階段皆產生了一定規模的微裂隙,累計數量高于相同應力水平下其他巖性樣品。而在高應力環境中, 無論是在張性條件下還是壓性條件下, 太古宇變質巖聲發射事件數最高, 樣品內部破碎程度高于古生代及中生代樣品, 意味著環渤中地區在以擠壓和張扭為主要應力的地質時期, 太古宇變質巖儲層造裂縫發育能力更高, 油氣儲集能力更強, 成為優質儲層預測的重點研究區域; 而中生界火成巖儲層、古生界碳酸鹽巖儲層次之。

兩種應力狀態下的實驗中, 聲發射時間-空間演化呈現良好的對應關系, 成規模的聲發射較早出現的巖石樣品, 裂隙的產生和擴展較早出現; 聲發射定位分布集中的巖石樣品, 對應部位的破碎程度最高。聲發射定位結果揭示在壓性及張性環境下6 種巖性樣品微裂隙產生的起始位置、拓展方向以及發育程度。

圖8 張性環境下斜長角閃巖聲發射事件率及空間分布演化Fig.8 The event rate of th e acoustic emission and the distribution of microfractures in plagioclase amphibole sample under tensile stress

4 討 論

4.1 野外露頭的裂隙發育程度

根據鉆井資料, 渤中凹陷深層儲層成因類型多,物性差異大, 有效儲層形成機理與分布規律制約著深層勘探的進一步發展。潛山儲層、儲層巖性種類多而變換快以及主控因素復雜是影響優質儲層預測最為突出的問題, 為此, 眾多學者對潛山構造儲層開展了大量研究(王學軍等, 2003; 楊明慧, 2008;Yang et al., 2017; 侯明才等, 2019)。渤中地區已鉆遇的潛山儲層, 按照時代和巖性, 可分為太古宇變質花崗巖潛山、古生界碳酸鹽巖潛山和中生界火成巖潛山等。

根據魯西地區野外儲層研究, 太古宇變質花崗巖可分為: 有上覆蓋層和無上覆蓋層兩類; 古生界碳酸鹽巖儲層分為: 直接出露和被中生界覆蓋兩類;中生界火山巖儲層按相和內部構造特征不同, 則可分為數類。構造作用是控制裂縫型儲層最重要的因素, 上覆蓋層越新, 地層直接遭受構造作用的期次越多, 儲層裂縫更為發育; 在相同的構造運動改造下, 巖性是影響儲層發育的重要因素, 同一地質時期, 不同巖性的儲層裂縫發育程度并不相同。

野外儲層露頭表現為, 3 種不同類型的潛山儲層中, 無上覆蓋層的太古宇變質巖儲層構造裂縫最為發育, 儲集能力強于有中生界蓋層的太古宇儲層以及其他地質時期的儲層; 在無上覆蓋層的太古宇變質巖儲層中, 裂縫發育程度依次為: 斜長角閃巖、花崗質片麻巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖和鉀長花崗巖(圖9)。這與本文實驗結果一致, 即太古宇變質巖, 在不同的應力環境及條件下, 都有良好的裂縫發育, 且發育程度均高于其他兩個地質時期儲層巖石; 太古宇4 種變質巖樣品在兩種應力環境下微裂隙發育有一定差異。野外觀察到的太古宇各巖性儲層裂縫發育結果不僅受到構造作用的多期疊加改造,更經歷長時間的風化作用影響, 與實驗結果對比,表現更為復雜。

4.2 構造作用對儲層的影響

渤海灣地區晚古生代和中生代構造演化過程及構造格局對于研究前新生界潛山儲層優劣有著極為關鍵作用。隨著盆地內地層學、沉積學、盆內外構造學的發展和綜合應用, 建立了渤中地區印支期S-N 向擠壓、燕山早期NW-SE 向擠壓、燕山中期NE 向左行壓扭、燕山晚期拉張、喜山期右行張扭的中-新生代潛山構造演化模式。其中印支期和燕山期構造格局如圖10 所示, 即渤中西部隆起區(如石臼砣凸起)保留印支期E-W 向的隆凹格局, 發育大型潛山; 渤中中部斷陷區(如渤中凹陷)為多期走滑斷陷, 發育小型低矮潛山; 渤中東部隆起區(如渤南低凸起)在印支期隆凹構造發生逆時針旋轉, 呈NEE 或NNE 向展布,發育中低隆起。三個區帶成儲模式不同, 中部斷陷區構造儲層發育條件較好。從研究區巖性分布來看, 中生界安山巖主要分布在石臼砣凸起東部各個構造區;灰巖分布在古生界馬家溝組, 在研究區內見于渤中坳陷中部; 各類太古宇變質巖則更常見于渤中坳陷南部渤南低凸起附近的潛山帶(圖10)。

結合實驗結果, 上覆地層較新的渤中凹陷南部太古宇變質巖潛山地層成儲條件優于渤中凹陷北部地區。綜合巖性對于儲層發育的基礎作用以及構造作用對于裂縫形成的關鍵影響, 可以認為, 渤南中部斷陷區太古宇變質巖儲層擁有更高的油氣儲集能力, 也是深部油氣勘探最現實的有利區。

4.3 巖性對儲層的影響

研究區發育以斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖、花崗質片麻巖為主的太古宇變質巖儲層,以灰巖為主的古生界碳酸鹽巖儲層, 以安山巖為主的中生界火成巖儲層, 這些都是環渤中深層油氣的主要貢獻者。因此, 研究這6 種巖石的力學特性, 尤其是在擠壓、拉張兩種應力環境下內部裂縫發育規律, 對于渤中凹陷深層潛山優質儲層的預測以及深層勘探的發展有著重要的指導意義。

根據本文的實驗結果, 在相同的應力條件下,古生界變質巖內部裂縫的發育程度普遍高于古生界灰巖以及中生界安山巖, 這些在野外儲層研究以及渤中地區鉆井資料中都得到了驗證。同時, 聲發射作為反映巖石內部破壞程度和損傷機制的有效手段,在構造儲層研究中有良好的應用前景; 構造裂縫的發育程度是評估儲層處理能力的必要因素。鑒于環渤中地區深層潛山復雜的地質情況和較為有限的鉆井平臺, 在預測優質儲層時, 有必要充分考慮在各個地質時期、構造應力條件下不同巖性的儲層裂縫發育的能力, 以提高勘探成功率。因此, 在已有鉆井資料的基礎上, 通過與中國東部地層時空對比, 利用巖石物理實驗方法對儲層典型巖石開展變形破壞研究將十分必要。

圖9 魯西地區太古宇典型野外露頭Fig.9 Photos of typical Archean outcrops in the western Shandong province

圖10 渤海灣盆地油氣田及渤中構造區巖性分布(據李三忠等, 2010; Li et al., 2012b; Xue and Wang, 2020)Fig.10 Distribution of main natural gas fields in the Bohai Bay Basin and lithologic distribution in the Bozhong Sag

5 結 論

通過對渤中凹陷太古宇變質巖儲層、古生界碳酸鹽巖儲層、中生界火成巖儲層中6 種代表性的潛山樣品——二長花崗巖、片麻狀花崗巖、花崗質片麻巖、斜長角閃巖、灰巖、安山巖在壓性和張性構造應力條件下的微裂隙發育實驗, 觀察巖石變形過程中聲發射特征以及微裂隙時空分布的特點, 得出以下新認識:

(1) 在擠壓和拉張兩種應力環境下, 6 種巖性的樣品皆出現了一定規模的聲發射現象, 樣品內部裂縫發育, 具備構造成儲的條件; 在同一應力水平下,太古宇變質巖聲發射活動更強, 裂縫發育能力更高,其油氣儲集能力優于古生界碳酸鹽巖以及中生界火成巖, 與野外露頭結果吻合。

(2) 構造作用是裂縫形成的關鍵, 渤中凹陷的中部斷陷區成儲條件更好; 從巖性分布上, 渤南地區上覆較新地層的太古宇變質巖儲層更利于構造裂縫的形成, 擁有更高的油氣儲集能力, 是深部油氣勘探最現實的有利區。

致謝:實驗期間中國地震局地質研究所劉培洵副研究員、郭彥雙助理研究員和齊文博工程師給予了指導和幫助, 在此一并致以誠摯的謝意。