巖石結構對碳酸鹽巖儲層構造縫發育的影響機理

李長海,趙倫,李建新,陳燁菲,朱強,李云海,馬彩琴

(1.中國石化集團國際石油勘探開發有限公司,北京 100029; 2.中國石油勘探開發研究院,北京 100083)

碳酸鹽巖儲層約占世界油氣產量的60%[1],是世界范圍內重要的油氣儲層。碳酸鹽巖儲層均與裂縫有一定的關系,如中東B油田[2]和S油田[3]、中亞北特魯瓦油田[4]以及中國塔里木盆地塔河油田[5]、順北油田[6]和四川盆地[7]等。裂縫是影響碳酸鹽巖油藏產能最重要的因素之一。因此,對于碳酸鹽巖儲層中裂縫進行研究具有重要意義。裂縫按照成因可以劃分為構造縫和非構造縫兩大類。構造縫對油氣產能的影響遠大于非構造縫,且是大部分碳酸鹽巖油藏最主要的裂縫類型。評價構造縫對碳酸鹽巖油藏開發影響的核心內容是明確構造縫的分布特征。國內外的學者對控制構造縫分布的影響因素進行了大量研究,認為構造縫分布主要受到巖石組成、粒度、孔隙度、地層厚度以及構造位置五種因素的影響[8-9]。上述因素可以歸納為三個方面,即巖石組成、巖石結構(粒度、孔隙度和地層厚度)和構造應力場。目前對巖石組成和構造應力場的研究基本取得共識,但對于巖石結構(主要指粒度和孔隙度)對于構造縫發育的影響仍存在爭議。其一,隨著巖石粒度增大,不同學者對巖石是否更容易發育裂縫存在完全相反的分析結果[10-11]。其二,隨著孔隙度增大,巖石強度降低,對于巖石更難以發育裂縫的矛盾現象尚缺少合理的解釋[12]。對于裂縫發育主控因素認識不清導致裂縫分布預測困難,進而影響井網部署、調整以及高效開發,因此對粒度和孔隙度對構造縫發育的影響機理進行研究具有重要意義。

現系統梳理前人在研究巖石結構對構造縫發育影響中存在的爭議,并根據實驗數據和有限元分析方法對爭議進行數值模擬分析,明確巖石結構對構造縫發育的影響機理,建立新的裂縫發育影響因素解釋模型?；谠撃Ｐ秃侠淼亟忉屒叭嗽谘芯繋r石結構對于構造縫發育的影響中的爭議,并應用該模型對成巖作用對于裂縫發育的影響進行探討。研究對于進一步深入認識裂縫發育的機理有重要指導意義。

1 巖石結構對構造縫發育影響研究中存在的問題

巖石結構包括粒度、孔隙度和地層厚度。地層厚度對于構造縫發育影響目前已經取得共識,即地層厚度越薄,裂縫越容易發育。目前對于粒度和孔隙度兩個因素對構造縫發育的影響機理尚不清楚。

1.1 粒度對于構造縫發育強度影響的爭議

目前對于碳酸鹽巖儲層中粒度對于構造縫發育強度的影響仍舊存在爭議。很多學者基于對野外露頭或地下巖心的觀察,認為隨著巖石粒度的變小,儲層更容易發育構造縫[8,13-17](圖1)。如Giorgioni等[10]認為細晶白云巖比粗晶白云巖更容易發育構造縫。Zhou等[16]在研究微裂縫時認為粒度越細,構造裂縫越容易發育。Korneva等[17]指出隨著晶粒減小,非層控構造縫更易發育。此外,Hugman等[18]從實驗的角度證實在給定的圍壓下,巖石粒度越細越容易發育裂縫。

圖1 巖石顆粒增大裂縫發育強度減小[13]

然而,另一些學者在研究中發現,隨著巖石粒度增大,構造縫更容易發育。如李樹博等[11]認為碳酸鹽巖粒度越大,越容易發育構造縫。粗晶灰巖、細晶灰巖和粉晶灰巖中裂縫體密度依次減小(圖2)。徐芳等[19]指出泥質灰巖初始破裂強度下限遠高于顆?；規r,泥質灰巖遠不如顆粒灰巖更容易發育裂縫。Pireh等[20]指出在泥晶灰巖、粒泥灰巖、泥?；規r和顆?；規r中,裂縫發育強度逐漸增強。Korneva等[17]認為白云巖化后的顆?；規r比白云巖化后的泥粒灰巖更容易發育裂縫。潘文慶等[21]也認為較粗粒的碳酸鹽巖比較細的碳酸鹽巖更易發育裂縫。

圖2 巖石顆粒增大裂縫發育強度減小[11]

關于巖石粒度與裂縫發育強度的關系,目前尚缺少嚴格的證明。前人的研究表明,巖石單軸抗壓強度隨著巖石粒度增大而減小[18-19](圖3)。既然巖石粒度越大,巖石破裂所需的壓力越小,但為什么很多學者在地質觀察和實驗研究中會觀察到巖石粒度越小裂縫越容易發育的現象?

圖3 灰巖中巖石粒度對巖石強度的影響

1.2 孔隙度對于裂縫發育的影響中的矛盾

孔隙度對于裂縫發育存在顯著影響。野外露頭和地下巖心觀察表明,巖石孔隙度越低,巖石越容易發育構造縫[8,12,14]。然而,前人的多項研究卻表明隨著孔隙度的增大,巖石破裂強度降低。Hebib等[22]系統性地總結了前人關于巖石單軸抗壓強度與孔隙度關系的實驗結果,所有的實驗數據均證實隨著巖石孔隙度增大,巖石單軸抗壓強度會迅速降低(圖4)。理論上抗壓強度降低,巖石應更容易發育裂縫,但野外露頭和地下巖心觀察的地質現象與理論認識存在明顯的矛盾,目前尚無學者就該問題給出較為合理的解釋。

圖4 巖石強度隨孔隙度變化規律圖(據文獻[23-43]修改)

2 裂縫發育控制機理分析

2.1 粒度對裂縫發育影響的控制機理分析

針對巖石粒度對裂縫發育影響的爭議,基于Palchik等[44]所測的以色列Judea組的灰巖數據,分析了巖石粒度對裂縫發育的影響。表1所示樣品AD-81A和樣品AD-84的巖石物理力學參數除了巖石平均顆粒直徑不同外,具有相同的巖石密度和孔隙度。因此,可以認為彈性模量、泊松比以及單軸抗壓強度的差異主要是由巖石粒度的差異導致的。

表1 不同粒度巖石樣品的巖石物理力學參數[44]

為了探討巖石粒度對裂縫發育的影響,建立圖5所示理想化地層模型,該模型中上下兩套地層為等厚地層。將樣品AD-81A和樣品AD-84的巖石物理力學參數分別設為圖4中兩套地層的巖石物理力學參數,對該地層施加水平方向40 MPa的擠壓力進行應力場模擬。

圖5 應力場模擬地質模型示意圖

如圖6(a)、圖6(b)所示分別為地層巖石物理力學參數與樣品AD-81A和樣品AD-84相同時的應力模擬結果?？梢钥闯?雖然圖6(a)和圖6(b)中設定的巖石物理力學參數不同,但最大差應力分布幾乎完全相同。由于地層中的最大差應力大于抗壓強度即可形成破裂,而樣品AD-81A和樣品AD-84的單軸抗壓強度分別為265 MPa和 176 MPa,因此巖石物理力學參數與樣品AD-84相同的圖6(b)可以發育裂縫的地層厚度大于圖6(a),即圖6(b)中褶皺的擠壓區可以發育的裂縫強度更大。對于巖石而言,抗拉強度一般為抗壓強度的1/12,因此由上述模擬實驗同樣可知,圖6(b)中褶皺頂部的拉張區張裂縫同樣也更容易發育。

圖6 最大差應力分布圖

上述模擬只是模擬了實驗室的理想條件,與裂縫發育時實際地層情況嚴重不符。野外露頭或者巖心上的裂縫,與實驗條件明顯不同,不同力學性質的巖層交互發育。為對實際巖層進行更貼近實際情況的模擬,將圖5中的頂部和底部地層巖石物理力學參數設置為與樣品AD-81A和樣品AD-84相同。繼續施加40 MPa的水平擠壓力,最大差應力分布如圖6(c)所示。分析可知,圖6(c)的應力場分布特征與圖6(a)和圖6(b)仍舊十分類似。圖6(c)上層與圖6(a)上層巖石物理力學參數均為樣品AD-81A的參數值,兩者的差異主要體現在圖6(c)下層,巖石物理力學參數為樣品AD-84的參數值,而圖6(a)下層巖石物理力學參數為樣品AD-81A的參數值。通過對圖6(c)頂層與圖6(a)地層進行對比,結果顯示圖6(c)下層可以發育裂縫的地層厚度變大,即最大差應力值大于等于265 MPa的厚度變大[圖6(d)]。圖6(c)下層與圖6(b)下層巖石物理力學參數均為樣品AD-84的參數值,兩者的差異主要體現在兩者圖6(c)上層巖石物理力學參數為樣品AD-81A的參數值,而圖6(b)上層巖石物理力學參數為樣品AD-84的參數值。通過對圖6(c)上層與圖6(b)上層進行對比,結果顯示圖6(c)可以發育裂縫的地層厚度變小,即最大差應力值大于等于 176 MPa 的厚度變小[圖6(d)]。這說明當兩種不同彈性模量的地層疊加在一起時,在外加構造應力場的作用下,彈性模量高的地層破裂范圍變大,而彈性模量低的巖層破裂范圍變小。事實上,彈性模量高的地層即是前人所提的能干層。地下巖石具有多個地層,不同地層間的力學關系可以簡單抽象為本次模擬的兩個地層之間的關系,即任意兩個地層進行比較,巖石物理力學參數必然存在差異,必然存在一個能干層和一個非能干層。上述研究結果表明,當不同地層組合在一起時,除了受到巖石抗壓強度外,巖石的剛度參數(即彈性模量)的差異同樣對裂縫發育產生了重要影響。Sinclair[45]和Nelson[8]分別提出裂縫與巖石破裂強度和巖石剛度有關的觀點,但未對該觀點加以詳細證明。

通過上述分析可知,巖石是否發育裂縫與巖石的強度和巖石彈性模量兩種因素有關?；谠撜J識對粒度對于裂縫發育的影響可以給出更為合理的解釋。隨著巖石粒度的增大,巖石的強度和巖石的彈性模量同時降低,巖石是否容易發育裂縫取決于巖石強度和彈性模量兩者的相對變化。巖石的抗壓強度降低時,其彈性模量可能降低更快,巖石不容易發育裂縫。同時,隨著巖石粒度的增大,巖石抗壓強度降低速度可能不如巖石彈性模量降低速度快,從而更容易發育裂縫。

2.2 孔隙度對裂縫發育影響的控制機理分析

隨著孔隙度增大,巖石破裂強度降低,巖石理應更容易發育裂縫,為什么在野外露頭或地下巖心上觀察到的地質現象卻與此相反呢?基于Palchik等[44]所測的以色列Judea組的灰巖數據,分析了孔隙度對于裂縫發育的影響。表2所示樣品AD-81和樣品AD-83A的巖石物理力學參數除了巖石孔隙度不同外,具有幾乎相同的平均顆粒直徑。巖石密度、彈性模量、泊松比以及單軸抗壓強度的差異主要是由巖石孔隙度的差異導致的。

表2 不同孔隙度巖石樣品的巖石物理力學參數[44]

可以采用與探討粒度對裂縫發育影響完全相同的實驗流程研究孔隙度對于裂縫發育的影響。在地應力場模擬過程中,主要使用彈性模量、泊松比以及巖石密度3個參數,對比表1和表2可知,這3個參數的規律完全相同,即地應力模結果與圖6所示完全相同,不需要再重復進行模擬。通過研究粒度對裂縫發育的影響可知,巖石是否發育裂縫不僅僅與巖石強度有關,而是取決于巖石強度和巖石彈性模量兩個因素。巖石是否發育裂縫取決于巖石強度和巖石彈性模量兩個因素對于孔隙度對裂縫發育的影響的研究中同樣適用。隨著巖石孔隙度的增大,巖石彈性模量和巖石抗壓強度同時減小,但巖石彈性模量減小的速度遠快于巖石抗壓強度減小的速度,巖石更難以發育裂縫,而當巖石彈性模量減小的速度慢于巖石抗壓強度減小的速度,巖石更容易發育裂縫。

3 巖石結構對構造縫發育影響機理建模

前面的研究已經證實巖石的破裂取決于巖石的強度和彈性模量兩個因素。因此有必要探究兩者之間的關系。巖石的剛度一般用彈性模量和泊松比兩個參數來進行衡量。前人對單軸抗壓強度與巖石彈性模量的關系進行了大量的研究,建立了巖石彈性模量與巖石強度之間的經驗公式,大部分學者[46-51]認為巖石強度與巖石彈性模量兩個參數間符合冪律指數關系,即

(1)

式(1)中:E為彈性模量;Rt為巖石強度,包括抗壓強度和抗張強度;a為巖石類型的系數,a>0,可由實驗測試數據擬合得到;b為巖石成分和結構的差異系數,該值可以大于1,小于1以及等于1(圖7)。由于巖石的抗壓強度和彈性模量均主要在大于 1 MPa 的范圍內變化,因此巖石的抗壓強度和彈性模量所確定的數據點主要在圖6中綠色區域范圍內變化。

圖7 巖石彈性模量與巖石抗壓強度關系圖

式(1)為進一步深化認識粒度和孔隙度對裂縫發育的影響提供了簡單實用的模型。隨著巖石粒度的增大,巖石強度和巖石彈性模量兩者的變化不確定,可能出現三種情況,即b>1,b<1以及b=1。當b>1時,隨著顆粒的減小,巖石彈性模量快速增大且增大速度大于巖石破裂強度,巖石更容易成為能干層,從而形成裂縫。當b=1時,巖石抗壓強度和彈性模量關系不變,隨著巖石粒度的增大,巖石的破裂特征幾乎不變。當b<1時,隨著顆粒減小,巖石破裂強度迅速增大且增大速度大于巖石彈性模量,巖石更不容易發生破裂。

此外,前人研究認為巖石粒徑(d)與巖石的強度(Rt)之間存在線性相關關系[18],其表達式可以寫為

Rt=md+n

(2)

式(2)中:m和n為線性關系的系數。綜合式(1)和式(2)可以直接將公式改寫為

E=a(md+n)b

(3)

關于巖石粒徑(d)與巖石的彈性模量(E)之間的關系目前尚沒有學者進行過詳細的探討。式(3)表明粒度與巖石的彈性模量之間存在冪律指數關系。

基于式(1)所建立的巖石彈性模量與巖石強度之間的關系,可以對孔隙度對裂縫發育影響進行合理的解釋。隨著孔隙度的增大巖石,巖石彈性模量和巖石強度同時減小。但式(1)中b始終小于1,因而隨著孔隙度的增大,前人觀察到的地質現象均是裂縫更難以發育。

4 碳酸鹽巖儲層中成巖作用對構造縫發育影響分析

基于巖石強度與巖石彈性模量兩者的經驗公式(1),不僅可以對粒度和孔隙度對裂縫發育的影響進行合理的解釋,而且可以對成巖作用對裂縫發育的影響進行更為深入的討論。對于成巖作用對碳酸鹽巖儲層裂縫發育的影響,前人研究不多。碳酸鹽巖儲層中成巖作用主要包括白云巖化作用、壓實作用、膠結作用、壓溶作用以及溶解作用(表3)。

表3 不同成巖作用對裂縫發育影響表

白云巖化作用可以提高裂縫的發育程度目前已取得共識[17,52-55]。事實上,在巖石密度、孔隙度和粒度相同的白云巖和灰巖,白云巖的抗壓強度更大,同時白云巖的彈性模量也更大。巖石是否更發育裂縫取決于巖石強度和巖石剛度兩者的相對關系,隨著白云石含量的升高,式(1)中b>1,因而白云巖比灰巖更容易發育裂縫。

對于碳酸巖鹽儲層壓實作用對于巖石力學性質的影響,目前探索不多。大部分學者對于致密砂巖儲層進行了研究,并認為壓實作用使致密砂巖儲層發生致密化[56-57],巖石強度增大,同時彈性模量增大,泊松比增大,巖石更容易發育裂縫。碳酸鹽巖儲層中的壓實作用與致密儲層中的巖石演化規律是完全相同的。隨著壓實作用增強,巖石強度和巖石彈性模量同時增大,巖石是否更容易發育裂縫取決于巖石強度和巖石彈性模量兩者的相對關系。式(1)中的b>1,因而野外觀察到的巖石隨著壓實作用的增強裂縫均變得更為發育。

對于膠結作用對碳酸鹽巖儲層裂縫的影響,前人觀點可以分為三種。第一種觀點認為膠結作用會抑制裂縫的發育[58-59]。儲層中先前發育的裂縫被方解石部分膠結后,后續產生的裂縫沿著未被方解石膠結部分繼續發育。第二種觀點認為巖石膠結之后裂縫更容易發育[60]。第三種觀點認為碳酸鹽巖儲層中膠結作用對裂縫發育的影響因膠結物而異,硅質膠結物的連接性強,鈣質膠結物次之,而泥質膠結物連接性最差[61]。事實上,隨著巖石膠結作用增強,巖石抗壓強度和彈性模量均增大。不同巖石膠結物對于巖石抗壓強度和彈性模量相對關系的影響存在顯著差異。當膠結物為硅質膠結物和鈣質膠結物時,式(1)中的b<1,裂縫更難發育。當膠結物為泥質膠結物時,式(1)中的b>1,裂縫更容易發育。

壓溶作用直接結果是形成縫合線。由于縫合線的存在,巖石結構遭受破壞,巖石強度急劇減小[62],從而容易在縫合線兩側形成微構造縫[63-64],即式(1)中的b<1。溶蝕作用會使巖石的孔隙度增大,巖石強度減小,同時巖石的彈性模量也減小。式(1)中的b一般小于1,因而野外露頭或者地下巖心觀察到的經歷溶蝕作用改造的儲層,巖石更容易發育裂縫。

5 結論

地下巖石是否發育裂縫受到巖石強度和巖石剛度兩種因素的控制。巖石的粒度和孔隙度通過影響巖石強度和巖石彈性模量(即巖石剛度)兩種因素的相對變化從而控制裂縫發育。

基于巖石剛度和巖石強度的冪律指數關系,可以較好解釋成巖作用對構造縫發育的影響。白云巖化作用、壓實作用以及泥質膠結使巖石彈性模量增大快于強度,巖石更容易發育裂縫(b>1)。硅質膠結、鈣質膠結使巖石強度增大快于彈性模量,巖石更難以發育裂縫(b<1)。壓溶作用和溶蝕作用使巖石強度減小速度大于巖石彈性模量減小速度,巖石更容易發育裂縫(b<1)。