正演模式下成巖作用的溫壓效應(yīng)機(jī)理探討與啟示

吳松濤，孫亮，崔京鋼，翟秀芬，王拓，游建昌，朱德升

1) 中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京, 100083；2) 提高采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京, 100083； 3) 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京, 100083

內(nèi)容提要: 為了探討核心地質(zhì)要素對(duì)成巖作用的影響，本文選取硅質(zhì)人造砂為研究對(duì)象，從正演物理模擬的角度定量研究成巖作用對(duì)溫度、壓力與時(shí)間的響應(yīng)特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：硅質(zhì)人造砂巖壓實(shí)作用強(qiáng)度與壓力、溫度具有正相關(guān)關(guān)系，石英等自生礦物結(jié)晶度對(duì)溫度響應(yīng)明顯，非晶態(tài)硅質(zhì)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的模擬溫度應(yīng)低于400℃。在溫度一定情況下，礦物結(jié)晶與壓力呈拋物線型關(guān)系，存在優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間，硅質(zhì)結(jié)晶對(duì)應(yīng)的壓力在137.5 MPa左右，壓力對(duì)成巖作用貢獻(xiàn)包括壓實(shí)作用與熱能效應(yīng)兩個(gè)方面，以壓實(shí)作用為主；在成巖作用過程中，反應(yīng)時(shí)間可適當(dāng)補(bǔ)償溫壓不足造成的成巖效應(yīng)差異，其對(duì)化學(xué)成巖作用貢獻(xiàn)大于壓實(shí)作用。相關(guān)成果可為成巖作用數(shù)值模擬與定量研究提供參考，進(jìn)一步推動(dòng)成巖作用機(jī)理的深化研究。

成巖作用不僅影響了儲(chǔ)層的物性和含油性，而且還影響烴源巖成熟度和蓋層封閉性，因此受到沉積學(xué)家與石油地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注(劉寶珺等，1992；劉孟慧等，1994；孟元林等，1996；裘懌楠等，1997；田建鋒等，2008；王健等，2013)。目前大多數(shù)研究多集中于宏觀背景下有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)與油氣分布研究，包括成巖作用階段劃分(夏文杰等，1995；Lynch, 1996；應(yīng)鳳祥等，2004；劉寶珺，2009；陳歡慶等，2013)、成巖作用與儲(chǔ)層性質(zhì)關(guān)系(Grigsby, 1996；羅靜蘭等，2001；張金亮等，2004；劉林玉等，2006；胡作維等，2009)、成巖相和成巖模式(鄒才能等，2008；劉林玉等，2008；徐亮，2012)、成巖作用與油氣成藏關(guān)系研究(Heydari, 1997；張從偵等，2013)、成巖作用數(shù)值模擬(肖麗華等，2003；何東博等，2004；袁波等，2009)等，但對(duì)成巖作用機(jī)理的報(bào)道相對(duì)較少。碎屑巖的成巖作用除與巖性有關(guān)，主要受地質(zhì)歷史中成巖場(chǎng)的控制，核心地質(zhì)因素包括溫度、壓力與流體等(孟元林等，2003)，是多種因素共同作用的結(jié)果，因此難以準(zhǔn)確分析單一地質(zhì)因素在特定巖性成巖過程中發(fā)揮的作用。模擬實(shí)驗(yàn)為單因素研究打開了新的方向，但目前多集中于數(shù)值模擬，或基于各類物理化學(xué)作用模型(多是單因素模型)模擬具體的成巖作用(Walderhaug, 1996；Bj?rkum et al., 1998；楊俊生等，2002；孟元林等，1996，2006)，或不考慮具體的成巖作用過程而直接模擬成巖作用對(duì)儲(chǔ)層改造的最終結(jié)果(肖麗華等，1995，2003；孟元林等， 2003；何東博等，2004；袁波等，2009)，均缺乏對(duì)成巖過程的真實(shí)再現(xiàn)，未從物理模擬正演的角度對(duì)溫度、壓力、流體與時(shí)間等影響和控制成巖作用因素的進(jìn)行機(jī)理研究。

為了探討核心地質(zhì)要素對(duì)單一巖性成巖作用的影響，本文選取硅質(zhì)人造砂為研究對(duì)象，從正演物理模擬的角度定量研究成巖作用對(duì)溫度、壓力與時(shí)間的響應(yīng)特征，嘗試從物理模擬的角度回答核心地質(zhì)要素對(duì)硅質(zhì)成巖的影響，為成巖作用數(shù)值模擬與定量研究提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步深化成巖作用機(jī)理研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法與參數(shù)設(shè)置

圖1 儲(chǔ)層成巖物理模擬系統(tǒng) (a) 反應(yīng)爐； (b) 壓力供給系統(tǒng)； (c) 流體注入系統(tǒng)； (d) 控制系統(tǒng)Fig. 1 Reservoir physical diagenetic modeling system (a) sample reactors; (b) pressure system; (c) fluid injection system; (d) computer controlling system

本實(shí)驗(yàn)依托中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的儲(chǔ)層成巖物理模擬系統(tǒng)(圖1)。該系統(tǒng)用于模擬儲(chǔ)層樣品在不同溫度、壓力和流體介質(zhì)條件下成巖作用過程，主要由反應(yīng)爐體、壓力供給系統(tǒng)、流體注入系統(tǒng)與控制系統(tǒng)等四部分組成，最高模擬溫度500℃，最大靜巖壓力275MPa，最大流體壓力120MPa。系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)時(shí)記錄、實(shí)驗(yàn)過程自動(dòng)化控制及安全遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。6個(gè)反應(yīng)爐可以設(shè)置不同的溫度和壓力，滿足了不同溫壓條件下儲(chǔ)層成巖作用全過程研究的需求。

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究溫度、壓力對(duì)硅質(zhì)成巖作用的影響，選用大于300目的硅質(zhì)人造砂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用該材料的主要依據(jù)有兩個(gè)：① 硅質(zhì)人造砂成分單一，均質(zhì)性強(qiáng)，可以排除復(fù)雜礦物成分對(duì)成巖作用的影響；② 大于300目相當(dāng)于粉砂及泥級(jí)顆粒，獲取的人造巖心可滿足致密砂巖儲(chǔ)層微觀表征研究的需求。由于原始地層條件下成巖流體的復(fù)雜性及水巖反應(yīng)的不確定性，本次研究暫不涉及成巖流體對(duì)成巖作用的影響，但為了模擬真實(shí)地層條件下成巖演化過程，在實(shí)驗(yàn)過程中，注入適量去離子水(20mL)，加快水巖反應(yīng)的進(jìn)程。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩次，共獲取11塊樣品。第一次實(shí)驗(yàn)6個(gè)反應(yīng)爐溫度相同，設(shè)置不同壓力，探討硅質(zhì)成巖作用對(duì)壓力的響應(yīng)特征。第二次實(shí)驗(yàn)4號(hào)、5號(hào)與6號(hào)反應(yīng)爐實(shí)驗(yàn)參數(shù)與第一次實(shí)驗(yàn)完全相同，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)一倍，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，并探討反應(yīng)時(shí)間對(duì)成巖作用的影響；1號(hào)和3號(hào)反應(yīng)爐則與第一次實(shí)驗(yàn)壓力設(shè)置相同，溫度升高至400℃，探討硅質(zhì)成巖作用對(duì)溫度的響應(yīng)特征，詳細(xì)參數(shù)見表1。

針對(duì)獲取的成巖物理模擬樣品，進(jìn)一步開展鑄體薄片、激光共聚焦顯微鏡分析，確定樣品壓實(shí)程度與孔隙結(jié)構(gòu)，并通過X衍射礦物分析與掃描電鏡分析等研究自生礦物結(jié)晶程度，相關(guān)分析測(cè)試在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，各種分析測(cè)試均依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

表1 兩次成巖物理模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)表Table 1 Parameters for reservoir physical diagenetic modeling

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

兩次成巖物理模擬實(shí)驗(yàn)成形效果較理想，共獲取成形巖心柱7個(gè)(圖2)，即DM-01、DM-03、DM-04、TM-01、TM-04、TM-05和TM-06，DM-02和TM-03樣品已成形，但取樣過程壓力釋放過快造成樣品破碎，DM-05和DM-06樣品未成形。在實(shí)驗(yàn)分析過程中，加入原始硅質(zhì)人造砂樣品(編號(hào)DM-07)作為參考，分析不同溫壓條件下成巖作用的變化。

圖2 物理模擬實(shí)驗(yàn)樣品照片F(xiàn)ig. 2 Samples from physical modeling experiments

總體來(lái)看，在實(shí)驗(yàn)過程中，伴隨溫度和壓力的升高，硅質(zhì)人造砂依次發(fā)生機(jī)械壓實(shí)作用、化學(xué)壓溶作用、石英自形晶體析出等，隨著成巖作用強(qiáng)度的不斷增大，樣品的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起孔隙度及滲透率等參數(shù)的變化。下面將從壓力、溫度和反應(yīng)時(shí)間三個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行闡述。

2.1 成巖作用對(duì)壓力響應(yīng)特征

在沉積物成巖過程中，壓力是最先發(fā)揮作用的因素。隨埋藏深度的增加，上覆壓力加大，壓實(shí)作用增強(qiáng)，顆粒接觸更加緊密，孔隙空間及流體減少。作為成巖作用重要的組成部分，壓實(shí)作用奠定了巖石結(jié)構(gòu)的框架，壓力是壓實(shí)作用最重要的動(dòng)力來(lái)源，在影響機(jī)械壓實(shí)作用的同時(shí)，對(duì)化學(xué)成巖作用造成影響。

激光共聚焦顯微鏡分析表明，隨著壓力的增大，壓實(shí)作用、化學(xué)壓溶作用增強(qiáng)(圖3a～3c)。從DM-04到DM-03再到DM-02，壓力從137.5MPa增加至165MPa再到220MPa，顆粒之間由點(diǎn)接觸到點(diǎn)—線接觸再到線—縫合接觸，儲(chǔ)集空間類型由原生粒間孔為主演變?yōu)閴喝芸p發(fā)育，孔隙尺寸也明顯變小，由n×10μm減小至nμm。

圖3 成巖物理模擬樣品激光共聚焦顯微鏡分析圖像與三維孔隙模型Fig. 3 2D & 3D porosity model reconstructed by laser scanning confocal microscope 黑色為硅質(zhì)人造砂顆粒；(a)、(b)、(c)中綠色為孔隙；(d)、(e)、(f)中藍(lán)色為孔隙 Artificial siliceous sands are black; green parts in (a),(b),(c) and blue parts in (d), (e), (f) are porosity

基于Avizo Fire三維圖像重構(gòu)軟件對(duì)激光共聚焦顯微鏡獲取的圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，圖像疊加厚度達(dá)到40μm，建立不同壓力下孔隙系統(tǒng)模型(圖3d—3f)。三維模型的建立進(jìn)一步展示了儲(chǔ)集空間在三維尺度上分布特征，同時(shí)可對(duì)二維平面表征難以展示的孔喉連通性進(jìn)行分析，為儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。DM-04樣品孔喉系統(tǒng)發(fā)育，連通性好，存在少量孤立大孔，計(jì)算孔隙度為32.70%(圖3f，表2)；DM-03樣品孔喉系統(tǒng)較發(fā)育，展現(xiàn)出一定非均質(zhì)性，中間部分孔喉尺寸小、連通性明顯比邊部差，計(jì)算孔隙度為15.90%(圖3e，表2)；DM-02樣品孔喉系統(tǒng)較前兩者要差，孤立孔比例明顯提高，儲(chǔ)集空間連通性逐漸變差，發(fā)育連通縫，計(jì)算孔隙度為12.31%(圖3d，表2)，反映了成巖作用強(qiáng)度的不斷增加。實(shí)測(cè)氣體孔滲數(shù)據(jù)同樣證明了上述結(jié)果，三塊樣品物性數(shù)據(jù)分別為33.15%、35.50mD，14.98%、0.88mD，12.96%、0.54mD。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與三維模型計(jì)算孔隙度具有較高的一致性，誤差小于10%，證實(shí)了基于三維孔隙模型計(jì)算儲(chǔ)層物性的可行性。

表2 成巖物理模擬樣品物性結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 Physical properties of modeling samples

在成巖作用中后期，機(jī)械壓實(shí)作用逐漸減弱，化學(xué)成巖作用逐漸增強(qiáng)并最終形成了儲(chǔ)層孔隙格架，礦物的析出、溶解、交代等作用均受到壓力的影響，因此化學(xué)成巖作用對(duì)壓力的響應(yīng)特征也是儲(chǔ)層研究中的重要內(nèi)容。在本次研究中，不同壓力下儲(chǔ)層成巖物理模擬樣品X射線衍射礦物分析結(jié)果表明：在一定溫度下，硅質(zhì)類自生礦物結(jié)晶度與成巖壓力呈拋物線型關(guān)系，可能存在優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間。

X射線衍射分析的原理是將具有一定波長(zhǎng)的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時(shí)，X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射，散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。衍射X射線滿足布拉格方程：

2dsinθ=nλ

(1)

其中：λ是X射線的波長(zhǎng)；θ是衍射角；d是結(jié)晶面間隔；n是整數(shù)。X衍射強(qiáng)度取決于粉末顆粒尺寸、線吸收系數(shù)、密實(shí)程度、晶粒大小、初級(jí)消光系數(shù)和多相顆粒的晶粒尺寸(Klug et al.，1986)。除粉末顆粒尺寸外，其余參數(shù)均受控于晶體的結(jié)晶程度(沈守文，1990)。在本次研究中，實(shí)驗(yàn)采用的粉末顆粒尺寸相同(300目)，且物質(zhì)的化學(xué)成分并未改變，因此X衍射強(qiáng)度在很大程度上反映了礦物結(jié)晶程度的變化，對(duì)于同一種物質(zhì)，一般衍射強(qiáng)度越高，礦物結(jié)晶程度越高(Klug et al.，1986；沈守文，1990)。

圖4 成巖物理模擬樣品X衍射礦物分析譜圖 (a) 第一次分析結(jié)果; (b) 第二次分析結(jié)果Fig. 4 XRD spectrum of modeling samples (a) the 1st analysis data; (b) the 2nd analysis data

為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者開展兩次X衍射全巖礦物分析，均展現(xiàn)出相同的結(jié)果：X射線衍射強(qiáng)度隨壓力降低呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)(圖4)，反映了礦物結(jié)晶程度先增高后減小的趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，樣品衍射強(qiáng)度均不大，這可能與實(shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短有關(guān)，保溫保壓時(shí)間10～20小時(shí)(表1)導(dǎo)致了礦物結(jié)晶程度普遍偏低。從DM-01到DM-05，結(jié)晶礦物在模擬樣品組成中的比例分別為44.5%、69.5%、71.8%、72.5%和0%，DM-04樣品結(jié)晶礦物比例最高(圖5)。因此，對(duì)于特定的溫度，硅質(zhì)自生礦物對(duì)壓力的響應(yīng)并不是線性的，而是存在特定的優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間，這與前人在研究中提出的自生礦物隨壓力增大而逐漸增大的觀點(diǎn)有所差異(Walderhaug , 1996；Bj?rkum et al., 1998；楊俊生等，2002)。初步推斷，300℃對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間應(yīng)在137.5MPa左右。

掃描電鏡結(jié)果同樣證明了優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間的存在。成巖物理模擬樣品電鏡結(jié)果揭示自生礦物主要以絨毛狀、葉片狀或自形晶體生長(zhǎng)于石英砂顆粒外表面(圖6)，當(dāng)壓力超過優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間，從DM-04到DM-01，隨著壓力增加，顆粒表面自生礦物發(fā)育程度明顯降低(圖6a～6d)，原因可能是隨著壓力增加，壓實(shí)—壓溶作用增強(qiáng)，減小了自生礦物發(fā)育的空間，不利于自生礦物生長(zhǎng)與結(jié)晶；當(dāng)壓力低于優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間，從TM-04到TM-05再到TM-06樣品，伴隨壓力降低，顆粒表面自生礦物發(fā)育程度也明顯降低，自形晶體大小、比例等明顯降低(圖6n—6p)，這可能與何東博等(2004)提出的構(gòu)造擠壓熱效應(yīng)有關(guān)。從能量守恒的角度，構(gòu)造擠壓力最終轉(zhuǎn)化為熱能，引起熱力學(xué)參數(shù)的變化并產(chǎn)生熱效應(yīng)。從TM-04到TM-06，壓力持續(xù)降低，由壓力引發(fā)的熱效應(yīng)持續(xù)減小，最終導(dǎo)致礦物結(jié)晶程度降低。

2.2 成巖作用對(duì)溫度響應(yīng)特征

作為影響成巖作用強(qiáng)度的另一個(gè)關(guān)鍵因素，溫度對(duì)化學(xué)成巖作用具有重要的影響，現(xiàn)行成巖階段劃分的主要依據(jù)即溫度差異(應(yīng)鳳祥等，2004)，如鏡質(zhì)體反射率、伊/蒙混層黏土礦物轉(zhuǎn)化率、石英加大含量、最大熱解峰溫度、甾烷霍烷異構(gòu)化指數(shù)等均與溫度具有直接的聯(lián)系，因此溫度在很大程度上影響和決定了成巖作用期次。

根據(jù)DM-02、DM-03與TM-01、TM-03對(duì)比研究，探討成巖作用對(duì)溫度響應(yīng)特征。TM-01與DM-02掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，TM-01樣品成巖強(qiáng)度高，見明顯的熔結(jié)特征，顆粒原始形貌消失，顆粒之間幾乎未見孔隙發(fā)育，也未見自形晶體發(fā)育(圖6i)，DM-02樣品則發(fā)育較明顯的孔隙，壓溶作用強(qiáng)度也相對(duì)弱，自形晶體比例明顯增高(圖6b)。TM-03與DM-03對(duì)比同樣支持這一現(xiàn)象，TM-03中顆粒原始形貌不清，孔隙極不發(fā)育，自形晶體少見，而DM-03中發(fā)育一定的原生孔，自形晶體比例更高，局部可見柱狀石英晶體(圖6g)。這可能與TM-03模擬溫度過高，非晶態(tài)石英砂發(fā)生熔結(jié)作用有關(guān)。在相同壓力條件下，壓實(shí)作用強(qiáng)度基本相同，化學(xué)成巖作用強(qiáng)度對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)及物性具有決定性作用。在高地層壓力背景下，隨著溫度的增高，成巖作用強(qiáng)度明顯增大。礦物自形晶發(fā)育程度對(duì)溫度響應(yīng)較敏感，因此溫度不能超過一定范圍，否則礦物易發(fā)生高溫變質(zhì)作用。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，對(duì)非晶態(tài)硅質(zhì)來(lái)說(shuō)，向晶態(tài)轉(zhuǎn)化溫度應(yīng)低于400℃。

2.3 成巖作用對(duì)反應(yīng)時(shí)間響應(yīng)特征

地質(zhì)歷史中成巖作用是沉積物在成巖場(chǎng)內(nèi)經(jīng)過漫長(zhǎng)歷史演化的結(jié)果?，F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)很難對(duì)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確模擬和表征(李明誠(chéng)，2007)，但本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于理解時(shí)間效應(yīng)在成巖演化中的作用，為確定接近地質(zhì)條件下的最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間提供重要參考依據(jù)。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，DM-05和DM-06樣品未成形，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后仍為松散砂粒；TM-05和TM-06樣品成形效果較好，形成長(zhǎng)度超過10cm的柱樣(圖2)，且掃描電鏡圖像揭示后2個(gè)樣品中晶體結(jié)晶程度較高，見柱狀石英單晶發(fā)育(圖6o、6p)，表明反應(yīng)時(shí)間對(duì)人造砂巖成型效果具有積極的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步又反映了成巖作用強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，伴隨反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，成巖作用強(qiáng)度加大。

圖6 成巖物理模擬樣品掃描電鏡分析，黃框?yàn)樽孕尉w發(fā)育部位Fig. 6 SEM photos of modeling samples, idiomorphic crystals are marked in yellow rectangles

圖5 成巖物理模擬樣品X衍射礦物分布圖 (a) 第一次分析結(jié)果; (b) 第二次分析結(jié)果Fig. 5 Mineral composition of modeling samples (a) the 1st analysis data; (b) the 2nd analysis data

TM-04與DM-04掃描電鏡分析結(jié)果表明：TM-04晶體結(jié)晶程度稍高于DM-04，晶體形態(tài)與大小更明顯，柱狀石英單晶發(fā)育程度也高一些；二者孔隙空間發(fā)育特征存在一定的差異性，主要原因是反應(yīng)時(shí)間影響化學(xué)成巖作用，即自形晶體析出與交代，進(jìn)一步充填孔隙空間，導(dǎo)致TM-04孔隙發(fā)育程度略低于DM-04樣品。這與反應(yīng)時(shí)間對(duì)成巖作用的影響機(jī)理相一致，即在一定溫壓條件下，反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)增大了巖石中不同物質(zhì)接觸、反應(yīng)的時(shí)間和幾率，進(jìn)而增大了化學(xué)成巖作用的強(qiáng)度。因此，本文從實(shí)際物理模擬的角度為前人關(guān)于時(shí)間與溫度和壓力之間的補(bǔ)償關(guān)系的論述(蔣有錄等，2006；李明誠(chéng)，2007)提供了直接證據(jù)。

3 討論

成巖作用是成巖場(chǎng)多期演化與控制的結(jié)果，巖石組分、壓力、溫度、時(shí)間與成巖流體是影響儲(chǔ)層成巖作用的關(guān)鍵因素，在儲(chǔ)層形成的過程中，它們相互匹配，共同形成了非均質(zhì)的儲(chǔ)層，其中壓力、溫度與時(shí)間是控制成巖作用的外部因素。本次研究利用儲(chǔ)層成巖物理模擬系統(tǒng)，采用單一巖石組成與成巖流體，對(duì)壓力、溫度與時(shí)間等在硅質(zhì)人造砂成巖演化中的效應(yīng)進(jìn)行了單因素分析。研究結(jié)果在驗(yàn)證已有認(rèn)識(shí)的同時(shí)，深化了對(duì)上述因素作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)：壓力主要影響壓實(shí)作用，溫度主要影響化學(xué)成巖作用，時(shí)間在一定程度上彌補(bǔ)了溫度與壓力效應(yīng)。同時(shí)，本次研究提供了壓力熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室證據(jù)，指出對(duì)于特定溫度下礦物結(jié)晶，存在優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間，這些認(rèn)識(shí)將推動(dòng)成巖作用機(jī)理研究的不斷深化，為油氣勘探提供有力支撐。例如，壓力熱效應(yīng)可用于解釋前陸盆地逆沖斷裂帶儲(chǔ)層成巖作用強(qiáng)度的差異。在前陸盆地中，儲(chǔ)層的成巖演化除了受埋藏?zé)嵝?yīng)的影響外，還受構(gòu)造擠壓應(yīng)力的影響，構(gòu)造擠壓力引發(fā)的熱效應(yīng)與埋藏?zé)嵝?yīng)相互疊加，導(dǎo)致逆沖斷裂帶下伏地層成巖作用強(qiáng)度明顯強(qiáng)于相同層位的上覆地層。此外，兩次物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性和重復(fù)性，表明儲(chǔ)層成巖物理模擬系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

應(yīng)該看到，本次研究主要是基于實(shí)驗(yàn)室物理模擬實(shí)驗(yàn)，其與地質(zhì)條件下真實(shí)成巖作用存在差異性：實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)化，考慮因素較少，僅驗(yàn)證了300℃和400℃兩個(gè)溫度，無(wú)法準(zhǔn)確模擬時(shí)間效應(yīng)的影響等，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果真正推廣應(yīng)用可能存在一定的局限性，因此下一步研究應(yīng)注重以下幾個(gè)方面的研究：① 增設(shè)溫度點(diǎn)，進(jìn)一步確定溫度效應(yīng)影響；② 在優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間范圍內(nèi)增設(shè)壓力點(diǎn)，進(jìn)一步厘定壓力范圍；③ 物理模擬樣品與真實(shí)地質(zhì)樣品對(duì)比研究，獲取實(shí)驗(yàn)條件與地質(zhì)條件相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)成巖物理模擬樣品壓實(shí)作用強(qiáng)度與壓力具有正相關(guān)關(guān)系，但石英等自生礦物結(jié)晶度與壓力呈拋物線型關(guān)系，存在優(yōu)勢(shì)壓力區(qū)間，硅質(zhì)結(jié)晶對(duì)應(yīng)的壓力大約在137.5MPa左右；

(2)成巖物理模擬樣品成巖作用與溫度具有一定正相關(guān)關(guān)系，自生礦物結(jié)晶對(duì)溫度響應(yīng)更敏感，非晶態(tài)硅質(zhì)向晶態(tài)轉(zhuǎn)化溫度應(yīng)低于400℃；

(3)成巖物理模擬揭示成巖作用強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)間具有一定正相關(guān)關(guān)系，反應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償溫度和壓力等成巖效應(yīng)，主要影響化學(xué)成巖作用，而對(duì)壓實(shí)作用影響較小。

致謝:感謝中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院朱如凱博士、袁選俊教授、羅忠博士、高志勇博士在研究過程中提供的指導(dǎo)與幫助，感謝姜林博士提供硅質(zhì)人造砂樣品，感謝魯雪松博士在激光共聚焦顯微鏡研究方面提供的幫助。