火山巖定容充注物理模擬實驗研究
——以松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖為例

張學娟，榮鵬飛，盧雙舫，張 曦,郭天然，王 民

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318；2.東北石油大學 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油大學(華東) 非常規(guī)油氣與新能源研究院，山東 青島 266580；4.西南油氣田分公司 工程技術研究院，成都 610017；5.吉林油田分公司 油氣工程研究院，吉林 松原 138000)

油氣充注物理模擬實驗是研究油氣運聚機理的必要方法和手段[1-6]。實驗條件和真實地質條件的差異是影響實驗結果可靠性的重要因素。油氣充注物理實驗裝置已由最初的二維模型逐漸發(fā)展為三維管狀模型或箱狀模型，而實驗邊界材料目前仍以耐溫壓能力有限的玻璃裝置或觀測范圍有限的金屬材料為主[4,7]。通常，玻璃模型由于可直觀地觀察油氣運移特征而廣泛應用，但其耐溫壓能力有限，僅能模擬充注環(huán)境為低溫低壓條件下的人工模擬介質油氣充注過程，與地質實際差異較大。金屬裝置是油氣運移模擬實驗中常見的實驗模型，其加載的溫壓范圍大，充注的介質也可多樣化，但目前采用局部耐溫壓的“可視窗”僅能實現(xiàn)有限范圍的二維觀測，因此，一般采用金屬裝置的運移模擬實驗通常只能得到關鍵參數(shù)的定量關系，而無法直觀地跟蹤觀察。且利用金屬箱狀模型對原狀巖心油氣充注模擬時，需要對巖心進行切割，切割后的巖心尺寸往往過小而難以全面描述油氣運移特征。以實際巖心為物理介質的充注實驗，通常對實驗裝置耐壓能力都有較高的要求，耐壓性與可視性是實驗裝置中互相矛盾而難以同時滿足的2個條件。因此，即使實際巖心是最接近真實地質條件的實驗介質，但目前大量的充注物理模擬實驗介質仍然以人工巖心為主[1,4,7-8]，或采用小尺寸實際巖心配合金屬裝置開展物理模擬實驗。

火山巖非均質性極強，油氣運聚規(guī)律較碎屑巖輸導層更為復雜，人工巖心難以模擬其復雜非均質性。本研究以火山巖油氣運移模擬研究現(xiàn)狀為基礎，采用全直徑火山巖巖心為物理模擬介質，以一定厚度的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子耐壓透明材料作為模型的邊界材質，高透明環(huán)氧樹脂為圍壓膠結物，設計制作了具有額定耐壓能力的全直徑巖心物理充注模擬裝置，開展火山巖天然氣充注物理模擬實驗研究，以實現(xiàn)可視的、更逼近地質實際的運移充注模擬研究。實驗以松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖井下取心為實際介質，通過一定的初始壓力開展定容衰竭充注實驗，模擬天然氣在輸導巖層中的運移過程；通過不同類型火山巖充注過程動態(tài)圖像及數(shù)據(jù)的觀察記錄與分析，探討徐家圍子斷陷營城組火山巖輸導層的運移、聚集特征，以期進一步認識火山巖天然氣運聚機理。

1 火山巖輸導條件

徐家圍子斷陷營城組主要成藏時期為泉頭組沉積末期至青山口組沉積初期，該時期沙河子組和營城組的烴源巖均已進入生烴高峰期，開始大量生排烴。隨著松遼盆地開始大幅度的擴張和基底的沉降，深部斷層進入活動期，天然氣沿斷層、裂縫由烴源巖中排出到輸導層內，通過輸導層內的斷層、裂縫以及高滲透孔隙等運移通道，在一定的排烴壓力下，將天然氣向鄰近孔隙、裂縫中運移，直至壓差減小達到平衡[9-10]。徐家圍子斷陷營城組火山巖輸導通道類型多樣，通過原生氣孔、次生溶孔—溶洞以及裂縫相互組合，可形成純裂縫型、純孔隙型、裂縫—孔隙組合型3種類型輸導通道[11]。

徐家圍子斷陷營城組火山巖輸導層的巖石類型主要為流紋巖和流紋質(熔結)凝灰?guī)r，分布較為廣泛；其次為火山角礫巖以及火山集塊巖；而營城組的中基性火山巖多因氣孔和裂縫被充填而成為較次要輸導層，火山巖輸導層的物性特征主要受巖相—巖性聯(lián)合控制[12]。一般來說，噴溢相上部亞相的氣孔流紋巖、爆發(fā)相熱碎屑流亞相的(熔結)凝灰?guī)r、火山巖通道相火山頸亞相的角礫熔巖(凝灰熔巖)輸導層物性最好；噴溢相下部亞相的角礫流紋巖、爆發(fā)相空落堆積亞相的角礫集塊巖輸導層物性中等；其他火山巖相輸導層物性普遍較差[13-15 ]。

2 天然氣充注物理模擬

2.1 樣品的篩選及其物性參數(shù)測試

火山巖巖性多樣、非均質性強、受后期改造作用明顯，因此巖石輸導類型復雜多樣。綜合火山巖巖性、巖相、裂縫及孔隙的發(fā)育情況，最終從14口井中選取了18塊全直徑火山巖樣品開展實驗。經(jīng)測量巖心樣品孔隙度分布范圍為0.45%～20.25%，滲透率分布范圍為(0.145 6～122.360 6)×10-3μm2，孔滲范圍變化較大；巖性包括火山角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖以及流紋巖，樣品具有一定的代表性。按樣品的孔滲特征將樣品分為3類，即裂縫型(Ⅰ)、孔滲型(Ⅱ)和致密型(Ⅲ)。裂縫型(Ⅰ)樣品最顯著的特點是發(fā)育有明顯微裂縫且基質孔隙度小于4%，但滲透率可達(0.2～2)×10-3μm2，其巖性多樣，可包括火山角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖或流紋巖等。該類型火山巖的輸導通道主要依靠微裂縫的開啟形成輸導通道，本次收集該類樣品5塊。一般孔滲型(Ⅱ)樣品的次生溶孔、溶洞較為發(fā)育，且孔—洞連通性好，形成以孔—洞連通狀態(tài)的孔滲輸導系統(tǒng)，樣品孔隙度分布在5%～12%，滲透率大于2×10-3μm2，最大可達100×10-3μm2以上；巖性多為火山碎屑巖類，如火山角礫巖或凝灰?guī)r。收集本類巖心共7塊，其中具有明顯溶孔溶洞的高孔高滲巖心2塊，中孔中滲巖心5塊。致密型(Ⅲ)樣品的孔隙度和滲透率均為低值，樣品孔隙度低于4%，滲透率低于0.3×10-3μm2，多出現(xiàn)在侵出相或次火山相等相對致密的火山巖中。該類型火山巖相對致密，孔滲較小，一般難以形成有效的輸導通道，該類型巖心本次收集6塊。

2.2 實驗裝置設計以及方案

研究區(qū)主要成藏時期，深部斷裂進入活動期，在天然氣運聚成藏中，對于構造運動頻繁、斷裂發(fā)育的盆地，幕式成藏往往占有重要的地位[16]。實驗條件下，采用壓力定容衰竭充注實驗是模擬油氣幕式運移成藏過程的重要方式[17-21]。首先，將全直徑巖心抽真空并在石蕊水溶液中高壓飽和吸附水，置于設計定制的甲基丙烯酸甲酯透明管狀裝置內，用環(huán)氧樹脂透明水晶滴膠膠結管壁與巖心，透明環(huán)氧樹脂固結后用耐高壓不銹鋼堵頭與有機玻璃管兩側密封連接，在巖心兩側與不銹鋼堵頭之間保留一定體積的氣室。甲基丙烯酸甲酯有機玻璃具有良好的耐壓、耐溫、耐酸堿以及高度透明的特點[22]，密閉裝置通過尺寸及形狀的設計經(jīng)過多次測試最高可耐壓3 MPa。整個操作過程中注意保護巖心中高壓飽和液體原始狀態(tài)，盡量不散失或少散失，并同時保證環(huán)氧樹脂管壁與巖心膠結良好，然后按圖1連接裝置。

通過解壓閥將高壓CO2氣瓶與高壓導氣管連接通過閥門連接高壓定容器，高壓定容器與數(shù)字壓力表連接，高壓定容器通過高壓導氣管經(jīng)過閥門與有機玻璃模型的進氣端不銹鋼堵頭密閉連接，管狀有機玻璃模型的出氣端通過高壓導氣管依次連接閥門、液體量杯。

3 實驗結果與討論

3.1 裂縫型火山巖天然氣充注實驗現(xiàn)象

第Ⅰ組為裂縫型火山巖，示例巖樣為玄武巖， 直徑100 mm，長度86.7 mm，孔隙度僅為0.45%，滲透率為0.564 6×10-3μm2。該巖樣孔滲低、裂縫發(fā)育明顯，可以代表該組基本特征。第一次以0.1 MPa的充注壓力開展定容衰減充注實驗，實驗經(jīng)過了60，120，600 min時分別記錄，定容充注壓力均未發(fā)生變化，巖心出口端未觀察到氣體排出，說明在達到開啟壓力前，裂縫不能作為天然氣有效運移通道[23-26]。

將該樣品充注壓力提高至0.52 MPa，定時記錄壓力隨時間的變化數(shù)據(jù)、計算衰減速率并拍照觀察充注過程(圖2，3)。起始時裂縫處于封閉狀態(tài)，巖心裂縫表面基本呈灰黑色(圖2a，e)；隨著充注的進行，氣體驅動裂縫中的水溶液向前運移，巖心表面裂縫處由灰黑色逐漸變?yōu)榛野咨?，且灰白色輪廓沿著裂縫逐漸向前延伸，充注15 min時灰白色輪廓貫通整條裂縫，出口涌出氣泡(圖2b，f)，充注剛開始的15 min內定容充注壓力降低極為緩慢(圖3)；充注15～30 min時，巖心出口氣泡涌出速度逐漸增加(圖2c，g)，充注壓力隨時間呈指數(shù)關系迅速下降，充注速率在25～30 min期間達到最大，最大壓力衰減速率可達0.02 MPa/min(圖3)；充注30～45 min時巖心截面裂縫出口氣泡涌出速度逐漸下降(圖2d，h)，充注速率進入緩慢降低階段，且速度出現(xiàn)波浪式衰減特征，充注壓力差衰減為零時，氣體充注才停止(圖3)。

圖2 松遼盆地徐家圍子斷陷營城組低孔裂縫型火山巖充注實驗照片F(xiàn)ig.2 Filling experimental photograph of low porosity fractured volcanic rocks in the Yingcheng Formation of the Xujiaweizi Fault Depression, Songliao Basin

圖3 松遼盆地徐家圍子斷陷營城組裂縫型火山巖輸導層充注壓力、壓力衰減速率與時間關系Fig.3 Relationship between pressure, pressure attenuation rate and time in low porosity fractured volcanic rocks in the Yingcheng Formation of the Xujiaweizi Fault Depression, Songliao Basin

3.2 孔滲型火山巖天然氣充注實驗現(xiàn)象

第Ⅱ組為孔滲型輸導類型，輸導通道主要為較為連通的火山巖溶蝕孔洞以及孔隙，示例樣品為中孔中滲的1號凝灰?guī)r(孔隙度為11.15%，滲透率為0.851 5 ×10-3μm2)及高孔高滲特征的2號火山角礫巖(孔隙度為14.07%，滲透率達12.11 ×10-3μm2)。

第Ⅱ組1號巖心直徑100 mm，長度99.8 mm，巖心中部存在一體積較大的、物性優(yōu)于圍巖的非均質體，非均質體呈透鏡狀分布于巖心中部，氣體運移接觸到該非均質體后，充注速度變快且氣體均沿該體運移，通過該體后繼續(xù)接觸圍巖緩慢運移，但運移路徑已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的類指狀突進模式。在進行定容充注實驗時選擇稍高壓力作為初始充注壓力(初始壓力為0.66 MPa)，定容衰竭壓力與實驗時間的關系依然呈指數(shù)降低，只是壓力衰減的速率相對較低，局部壓力衰減速率欠穩(wěn)定，呈現(xiàn)出明顯波浪式衰減趨勢，表現(xiàn)為幕式運移的特征(圖4a)。但這種充注速度起伏衰減的幕式運移特征，由于充注壓力的衰減而變得越來越不易于直觀觀察，而最終體現(xiàn)在壓力表擺蕩現(xiàn)象。如當壓力由0.4 MPa降到0.39 MPa時，壓力并非穩(wěn)定下降，而是在兩值之間來回擺動，持續(xù)擺動長達5 min，最終降至0.39 MPa。并且通過透明裝置觀察發(fā)現(xiàn)，氣體呈指狀運移，優(yōu)先選擇物性較好的部分呈活塞式緩慢運移。

第Ⅱ組2號巖心直徑101 mm，長度98.8 mm，孔隙度為14.07%，滲透率達12.11×10-3μm2。孔洞發(fā)育且孔洞呈現(xiàn)出串珠狀分布，構成相對連通的輸導通道，使得整體孔隙度和滲透率均較高，在較小的初始定容壓力條件下就可以形成有效充注。實驗選擇0.1 MPa的初始壓差進行定容充注實驗，實驗一開始充注壓力就顯著下降(圖4b)，幾秒鐘后裝置出口端便可觀察到巖心孔隙中的液體被排出，隨后出現(xiàn)氣—水混合排出，即表現(xiàn)出氣泡排出的特征。充注壓力隨著時間呈指數(shù)趨勢降低，局部出現(xiàn)明顯壓力的擺動，充注速率則隨著充注壓力的降低呈現(xiàn)出明顯的“波浪式”降低的幕式衰減的特征(圖4b)。

第Ⅱ組高孔高滲的2號樣品在較小初始充注壓力下可實現(xiàn)快速充注，巖心出口端在4min時達到排氣頂峰，同時可觀察到氣泡高速排出，排出氣泡位置所占截面面積(有效路徑范圍)最大且穩(wěn)定。隨著充注壓力的衰減，充注速度整體表現(xiàn)為幕式衰減的特征，出口端排氣泡的巖石面積也逐漸縮小。在此過程中，通過透明裝置從巖心表面也明顯觀察到有效路徑的幕式變化的特征(圖5)。第Ⅱ組2號樣品在充注到29 min時，在巖心表面進行了局部連續(xù)抓拍(1 s內)，發(fā)現(xiàn)在當時的充注壓力下，如圖5中局部巖心可分為3個小的氣體連通單元，其中①和②從其他單元獲得氣體后，需要通過相同的方式分別輸送給③，③也以同樣的方式輸送給下一個連通單元，從而實現(xiàn)氣體的傳遞輸送，0 s時①和③是非連通的；在0.3 s時，①從鄰近單元獲得氣體使自身膨脹，從而與③接觸并連通，即①和③輸導通道連通；0.6 s時，由于①的氣體與③連通并輸送給③，使連通體內部整體壓力下降，單元面積縮小，①和③輸導通道連接中斷；0.9 s時，①和③以同樣的方式再次連通，至此當前壓力下①和③完成了2次幕式排放周期。而②和③在0 s到0.9 s過程中正好完成了一個幕式運移周期(圖5)。隨著壓力的進一步衰減，當充注壓力減小到一定程度時，幕式排放路徑逐漸被放棄，表面難以觀察到油氣運移的有效路徑。所謂氣體連通單元是指在一定壓力下，彼此氣體可以連通的獨立儲層單元，該單元范圍會隨著氣體充注壓差實時動態(tài)變化，外界充注壓差越大，氣體聯(lián)動單元范圍就越大。

圖4 松遼盆地徐家圍子斷陷營城組孔滲型火山巖充注壓差、壓力衰減速度與時間關系Fig.4 Relationship of charge pressure, pressure attenuation rate and time of high porosity and permeability volcanic rocks in the Yingcheng Formation of the Xujiaweizi Fault Depression, Songliao Basin

3.3 模擬實驗現(xiàn)象討論

火山巖定容衰減充注實驗中，整體上具有充注壓力隨時間呈指數(shù)關系衰減的特征，壓力的衰減速率主要受火山巖的物性與初始充注壓力相對關系影響，物性越好壓力衰減速率越快，高孔高滲型火山巖樣品的壓力平均衰減速度為中孔中滲型火山巖樣品的25.8倍以上。從火山巖充注的運移路徑來看，其運移通道所占輸導層的比例，隨著充注壓力的降低而減小，即油氣運移并非發(fā)生在固定范圍的優(yōu)勢運移通道內。

圖5 松遼盆地徐家圍子斷陷營城組高孔高滲型火山巖充注實驗中運移通道變化記錄照片紅色虛線為孔滲單元的范圍，紅色箭頭表示孔滲單元間連通，黑色箭頭表示孔滲單元間中斷Fig.5 Migration pathway changes of charging experiment in high porosity and permeability volcanic rocks in the Yingcheng Formation of the Xujiaweizi Fault Depression, Songliao Basin

裂縫型火山巖，需要在充注壓力作用一段時間后逐漸完全開啟，而后形成高速充注[23-24]，且充注壓力需要達到門檻值方可啟動裂縫，裂縫一旦啟動后，在充注壓力持續(xù)衰減過程中即使充注壓力小于啟動壓力，天然氣仍可持續(xù)通過裂縫充注輸導，直到充注壓力衰減為零。裂縫型輸導巖層的輸導能力較好，但是這類輸導巖層在形成輸導通道時，需要一定的啟動壓力，在實際地質條件中對于緊閉的裂縫一時難以形成有效充注差壓，需要在一定條件配合下才可以形成有效運移通道。

孔滲型(高孔高滲型與中孔中滲型)火山巖介質充注壓力隨時間呈指數(shù)關系衰減的同時，明顯表現(xiàn)出局部的速度波浪起伏下降的幕式充注特征，且物性越好的輸導介質其速度起伏下降的幕式充注特征越明顯?？诐B型(中孔中滲型)火山巖相對較致密，在巖樣表面難以明顯觀察到明顯的幕式充注特征，但是壓力隨時間下降時的擺動現(xiàn)象表明幕式充注的存在。擺動周期越長說明運移速度越慢，隨著充注壓力的降低，越來越多的幕式運移單元被放棄，最終不能形成有效的幕式充注過程；孔滲型(高孔高滲型)輸導巖層的輸導能力最強，且本身具有良好的儲集空間，這類輸導巖層在空間上配置以良好的烴源巖時，往往可以形成高效的油氣聚集。以徐家圍子徐東凹陷的徐深232井火山角礫巖成藏為例，其火山沉積相中的火山角礫巖具有與烴源巖距離近，巖石孔隙在烴源巖生成的有機酸溶蝕后，易形成相互連通的高孔滲帶，這不僅為油氣運移提供了有效的路徑，也為油氣聚集提供了良好的場所。對于孔滲型(中孔中滲型)巖層，在氣源充足、蓋層發(fā)育的條件下，配合以良好的圈閉，往往也可以形成高豐度油氣藏，如徐深1井3 448 m處凝灰?guī)r氣藏，其孔隙度為11.148%，滲透率僅為0.851 5×10-3μm2，其試氣結果日產(chǎn)氣195 698 m3。而致密型全直徑巖心在有限的時間內難以觀察其氣體滲透的規(guī)律，一般難以形成有效的油氣運移及油氣聚集。

4 結論

(1)火山巖定容衰減充注實驗結果表明：定容充注壓力具有隨時間呈指數(shù)衰減的特征；壓力的衰減速率主要受火山巖的物性影響，物性越好壓力衰減速率越快；充注過程中壓力衰減速度表現(xiàn)為局部波浪起伏降低的幕式充注特征，且物性越好的輸導介質其幕式充注特征越明顯，而火山巖輸導介質的幕式充注特征是內部孔滲單元幕式運移的綜合體現(xiàn)；非均質體的存在使得油氣運移過程中表現(xiàn)為指狀突進式特征，優(yōu)勢路徑往往沿高孔滲帶延伸。

(2)裂縫需要在充注壓力作用一段時間后逐漸完全開啟，且充注壓力應高于啟動壓力，才可形成高速充注。而裂縫一旦開啟后，即使充注壓力低于開啟壓力，裂縫依然具有輸導能力，直到充注壓差降至為零。

(3)高孔高滲型輸導巖層的輸導能力最強，這類輸導巖層在空間上配置以良好的烴源巖時，往往可以形成高效的油氣聚集；中孔中滲型輸導巖層，在氣源充足、蓋層發(fā)育的條件下，配合以良好的圈閉，往往也可以發(fā)育形成高豐度油氣藏；裂縫型輸導巖層的輸導能力較好，但這類輸導巖層在形成輸導通道時，需要一定的啟動壓力，在實際地質條件中對于緊閉的裂縫一時難以形成有效充注差壓來達到啟動壓力，只有裂縫發(fā)育相對密集且配合以發(fā)育良好的蓋層，才有可能形成有效的油氣聚集。