巖石結(jié)構(gòu)對碳酸鹽巖儲層構(gòu)造縫發(fā)育的影響機(jī)理

李長海,趙倫,李建新,陳燁菲,朱強(qiáng),李云海,馬彩琴

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

碳酸鹽巖儲層約占世界油氣產(chǎn)量的60%[1],是世界范圍內(nèi)重要的油氣儲層。碳酸鹽巖儲層均與裂縫有一定的關(guān)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(chǎn)能最重要的因素之一。因此,對于碳酸鹽巖儲層中裂縫進(jìn)行研究具有重要意義。裂縫按照成因可以劃分為構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫兩大類。構(gòu)造縫對油氣產(chǎn)能的影響遠(yuǎn)大于非構(gòu)造縫,且是大部分碳酸鹽巖油藏最主要的裂縫類型。評價構(gòu)造縫對碳酸鹽巖油藏開發(fā)影響的核心內(nèi)容是明確構(gòu)造縫的分布特征。國內(nèi)外的學(xué)者對控制構(gòu)造縫分布的影響因素進(jìn)行了大量研究,認(rèn)為構(gòu)造縫分布主要受到巖石組成、粒度、孔隙度、地層厚度以及構(gòu)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(jié)構(gòu)(粒度、孔隙度和地層厚度)和構(gòu)造應(yīng)力場。目前對巖石組成和構(gòu)造應(yīng)力場的研究基本取得共識,但對于巖石結(jié)構(gòu)(主要指粒度和孔隙度)對于構(gòu)造縫發(fā)育的影響仍存在爭議。其一,隨著巖石粒度增大,不同學(xué)者對巖石是否更容易發(fā)育裂縫存在完全相反的分析結(jié)果[10-11]。其二,隨著孔隙度增大,巖石強(qiáng)度降低,對于巖石更難以發(fā)育裂縫的矛盾現(xiàn)象尚缺少合理的解釋[12]。對于裂縫發(fā)育主控因素認(rèn)識不清導(dǎo)致裂縫分布預(yù)測困難,進(jìn)而影響井網(wǎng)部署、調(diào)整以及高效開發(fā),因此對粒度和孔隙度對構(gòu)造縫發(fā)育的影響機(jī)理進(jìn)行研究具有重要意義。

現(xiàn)系統(tǒng)梳理前人在研究巖石結(jié)構(gòu)對構(gòu)造縫發(fā)育影響中存在的爭議,并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和有限元分析方法對爭議進(jìn)行數(shù)值模擬分析,明確巖石結(jié)構(gòu)對構(gòu)造縫發(fā)育的影響機(jī)理,建立新的裂縫發(fā)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(jié)構(gòu)對于構(gòu)造縫發(fā)育的影響中的爭議,并應(yīng)用該模型對成巖作用對于裂縫發(fā)育的影響進(jìn)行探討。研究對于進(jìn)一步深入認(rèn)識裂縫發(fā)育的機(jī)理有重要指導(dǎo)意義。

1 巖石結(jié)構(gòu)對構(gòu)造縫發(fā)育影響研究中存在的問題

巖石結(jié)構(gòu)包括粒度、孔隙度和地層厚度。地層厚度對于構(gòu)造縫發(fā)育影響目前已經(jīng)取得共識,即地層厚度越薄,裂縫越容易發(fā)育。目前對于粒度和孔隙度兩個因素對構(gòu)造縫發(fā)育的影響機(jī)理尚不清楚。

1.1 粒度對于構(gòu)造縫發(fā)育強(qiáng)度影響的爭議

目前對于碳酸鹽巖儲層中粒度對于構(gòu)造縫發(fā)育強(qiáng)度的影響仍舊存在爭議。很多學(xué)者基于對野外露頭或地下巖心的觀察,認(rèn)為隨著巖石粒度的變小,儲層更容易發(fā)育構(gòu)造縫[8,13-17](圖1)。如Giorgioni等[10]認(rèn)為細(xì)晶白云巖比粗晶白云巖更容易發(fā)育構(gòu)造縫。Zhou等[16]在研究微裂縫時認(rèn)為粒度越細(xì),構(gòu)造裂縫越容易發(fā)育。Korneva等[17]指出隨著晶粒減小,非層控構(gòu)造縫更易發(fā)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(xì)越容易發(fā)育裂縫。

圖1 巖石顆粒增大裂縫發(fā)育強(qiáng)度減小[13]

然而,另一些學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn),隨著巖石粒度增大,構(gòu)造縫更容易發(fā)育。如李樹博等[11]認(rèn)為碳酸鹽巖粒度越大,越容易發(fā)育構(gòu)造縫。粗晶灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r和粉晶灰?guī)r中裂縫體密度依次減小(圖2)。徐芳等[19]指出泥質(zhì)灰?guī)r初始破裂強(qiáng)度下限遠(yuǎn)高于顆?；?guī)r,泥質(zhì)灰?guī)r遠(yuǎn)不如顆粒灰?guī)r更容易發(fā)育裂縫。Pireh等[20]指出在泥晶灰?guī)r、粒泥灰?guī)r、泥?；?guī)r和顆?；?guī)r中,裂縫發(fā)育強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。Korneva等[17]認(rèn)為白云巖化后的顆?；?guī)r比白云巖化后的泥粒灰?guī)r更容易發(fā)育裂縫。潘文慶等[21]也認(rèn)為較粗粒的碳酸鹽巖比較細(xì)的碳酸鹽巖更易發(fā)育裂縫。

圖2 巖石顆粒增大裂縫發(fā)育強(qiáng)度減小[11]

關(guān)于巖石粒度與裂縫發(fā)育強(qiáng)度的關(guān)系,目前尚缺少嚴(yán)格的證明。前人的研究表明,巖石單軸抗壓強(qiáng)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(xué)者在地質(zhì)觀察和實驗研究中會觀察到巖石粒度越小裂縫越容易發(fā)育的現(xiàn)象?

圖3 灰?guī)r中巖石粒度對巖石強(qiáng)度的影響

1.2 孔隙度對于裂縫發(fā)育的影響中的矛盾

孔隙度對于裂縫發(fā)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(fā)育構(gòu)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(qiáng)度降低。Hebib等[22]系統(tǒng)性地總結(jié)了前人關(guān)于巖石單軸抗壓強(qiáng)度與孔隙度關(guān)系的實驗結(jié)果,所有的實驗數(shù)據(jù)均證實隨著巖石孔隙度增大,巖石單軸抗壓強(qiáng)度會迅速降低(圖4)。理論上抗壓強(qiáng)度降低,巖石應(yīng)更容易發(fā)育裂縫,但野外露頭和地下巖心觀察的地質(zhì)現(xiàn)象與理論認(rèn)識存在明顯的矛盾,目前尚無學(xué)者就該問題給出較為合理的解釋。

圖4 巖石強(qiáng)度隨孔隙度變化規(guī)律圖(據(jù)文獻(xiàn)[23-43]修改)

2 裂縫發(fā)育控制機(jī)理分析

2.1 粒度對裂縫發(fā)育影響的控制機(jī)理分析

針對巖石粒度對裂縫發(fā)育影響的爭議,基于Palchik等[44]所測的以色列Judea組的灰?guī)r數(shù)據(jù),分析了巖石粒度對裂縫發(fā)育的影響。表1所示樣品AD-81A和樣品AD-84的巖石物理力學(xué)參數(shù)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(rèn)為彈性模量、泊松比以及單軸抗壓強(qiáng)度的差異主要是由巖石粒度的差異導(dǎo)致的。

表1 不同粒度巖石樣品的巖石物理力學(xué)參數(shù)[44]

為了探討巖石粒度對裂縫發(fā)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(xué)參數(shù)分別設(shè)為圖4中兩套地層的巖石物理力學(xué)參數(shù),對該地層施加水平方向40 MPa的擠壓力進(jìn)行應(yīng)力場模擬。

圖5 應(yīng)力場模擬地質(zhì)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(xué)參數(shù)與樣品AD-81A和樣品AD-84相同時的應(yīng)力模擬結(jié)果?？梢钥闯?雖然圖6(a)和圖6(b)中設(shè)定的巖石物理力學(xué)參數(shù)不同,但最大差應(yīng)力分布幾乎完全相同。由于地層中的最大差應(yīng)力大于抗壓強(qiáng)度即可形成破裂,而樣品AD-81A和樣品AD-84的單軸抗壓強(qiáng)度分別為265 MPa和 176 MPa,因此巖石物理力學(xué)參數(shù)與樣品AD-84相同的圖6(b)可以發(fā)育裂縫的地層厚度大于圖6(a),即圖6(b)中褶皺的擠壓區(qū)可以發(fā)育的裂縫強(qiáng)度更大。對于巖石而言,抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)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(qū)張裂縫同樣也更容易發(fā)育。

圖6 最大差應(yīng)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(fā)育時實際地層情況嚴(yán)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(xué)性質(zhì)的巖層交互發(fā)育。為對實際巖層進(jìn)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(xué)參數(shù)設(shè)置為與樣品AD-81A和樣品AD-84相同。繼續(xù)施加40 MPa的水平擠壓力,最大差應(yīng)力分布如圖6(c)所示。分析可知,圖6(c)的應(yīng)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(xué)參數(shù)均為樣品AD-81A的參數(shù)值,兩者的差異主要體現(xiàn)在圖6(c)下層,巖石物理力學(xué)參數(shù)為樣品AD-84的參數(shù)值,而圖6(a)下層巖石物理力學(xué)參數(shù)為樣品AD-81A的參數(shù)值。通過對圖6(c)頂層與圖6(a)地層進(jìn)行對比,結(jié)果顯示圖6(c)下層可以發(fā)育裂縫的地層厚度變大,即最大差應(yīng)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(xué)參數(shù)均為樣品AD-84的參數(shù)值,兩者的差異主要體現(xiàn)在兩者圖6(c)上層巖石物理力學(xué)參數(shù)為樣品AD-81A的參數(shù)值,而圖6(b)上層巖石物理力學(xué)參數(shù)為樣品AD-84的參數(shù)值。通過對圖6(c)上層與圖6(b)上層進(jìn)行對比,結(jié)果顯示圖6(c)可以發(fā)育裂縫的地層厚度變小,即最大差應(yīng)力值大于等于 176 MPa 的厚度變小[圖6(d)]。這說明當(dāng)兩種不同彈性模量的地層疊加在一起時,在外加構(gòu)造應(yīng)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(xué)關(guān)系可以簡單抽象為本次模擬的兩個地層之間的關(guān)系,即任意兩個地層進(jìn)行比較,巖石物理力學(xué)參數(shù)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(jié)果表明,當(dāng)不同地層組合在一起時,除了受到巖石抗壓強(qiáng)度外,巖石的剛度參數(shù)(即彈性模量)的差異同樣對裂縫發(fā)育產(chǎn)生了重要影響。Sinclair[45]和Nelson[8]分別提出裂縫與巖石破裂強(qiáng)度和巖石剛度有關(guān)的觀點,但未對該觀點加以詳細(xì)證明。

通過上述分析可知,巖石是否發(fā)育裂縫與巖石的強(qiáng)度和巖石彈性模量兩種因素有關(guān)。基于該認(rèn)識對粒度對于裂縫發(fā)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(qiáng)度和巖石的彈性模量同時降低,巖石是否容易發(fā)育裂縫取決于巖石強(qiáng)度和彈性模量兩者的相對變化。巖石的抗壓強(qiáng)度降低時,其彈性模量可能降低更快,巖石不容易發(fā)育裂縫。同時,隨著巖石粒度的增大,巖石抗壓強(qiáng)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(fā)育裂縫。

2.2 孔隙度對裂縫發(fā)育影響的控制機(jī)理分析

隨著孔隙度增大,巖石破裂強(qiáng)度降低,巖石理應(yīng)更容易發(fā)育裂縫,為什么在野外露頭或地下巖心上觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象卻與此相反呢?基于Palchik等[44]所測的以色列Judea組的灰?guī)r數(shù)據(jù),分析了孔隙度對于裂縫發(fā)育的影響。表2所示樣品AD-81和樣品AD-83A的巖石物理力學(xué)參數(shù)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(qiáng)度的差異主要是由巖石孔隙度的差異導(dǎo)致的。

表2 不同孔隙度巖石樣品的巖石物理力學(xué)參數(shù)[44]

可以采用與探討粒度對裂縫發(fā)育影響完全相同的實驗流程研究孔隙度對于裂縫發(fā)育的影響。在地應(yīng)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(shù),對比表1和表2可知,這3個參數(shù)的規(guī)律完全相同,即地應(yīng)力模結(jié)果與圖6所示完全相同,不需要再重復(fù)進(jìn)行模擬。通過研究粒度對裂縫發(fā)育的影響可知,巖石是否發(fā)育裂縫不僅僅與巖石強(qiáng)度有關(guān),而是取決于巖石強(qiáng)度和巖石彈性模量兩個因素。巖石是否發(fā)育裂縫取決于巖石強(qiáng)度和巖石彈性模量兩個因素對于孔隙度對裂縫發(fā)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(qiáng)度同時減小,但巖石彈性模量減小的速度遠(yuǎn)快于巖石抗壓強(qiáng)度減小的速度,巖石更難以發(fā)育裂縫,而當(dāng)巖石彈性模量減小的速度慢于巖石抗壓強(qiáng)度減小的速度,巖石更容易發(fā)育裂縫。

3 巖石結(jié)構(gòu)對構(gòu)造縫發(fā)育影響機(jī)理建模

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

(1)

式(1)中:E為彈性模量;Rt為巖石強(qiáng)度,包括抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度;a為巖石類型的系數(shù),a>0,可由實驗測試數(shù)據(jù)擬合得到;b為巖石成分和結(jié)構(gòu)的差異系數(shù),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(qiáng)度和彈性模量均主要在大于 1 MPa 的范圍內(nèi)變化,因此巖石的抗壓強(qiáng)度和彈性模量所確定的數(shù)據(jù)點主要在圖6中綠色區(qū)域范圍內(nèi)變化。

圖7 巖石彈性模量與巖石抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

式(1)為進(jìn)一步深化認(rèn)識粒度和孔隙度對裂縫發(fā)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(qiáng)度和巖石彈性模量兩者的變化不確定,可能出現(xiàn)三種情況,即b>1,b<1以及b=1。當(dāng)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(qiáng)度,巖石更容易成為能干層,從而形成裂縫。當(dāng)b=1時,巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量關(guān)系不變,隨著巖石粒度的增大,巖石的破裂特征幾乎不變。當(dāng)b<1時,隨著顆粒減小,巖石破裂強(qiáng)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(fā)生破裂。

此外,前人研究認(rèn)為巖石粒徑(d)與巖石的強(qiáng)度(Rt)之間存在線性相關(guān)關(guān)系[18],其表達(dá)式可以寫為

Rt=md+n

(2)

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

E=a(md+n)b

(3)

關(guān)于巖石粒徑(d)與巖石的彈性模量(E)之間的關(guān)系目前尚沒有學(xué)者進(jìn)行過詳細(xì)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(shù)關(guān)系。

基于式(1)所建立的巖石彈性模量與巖石強(qiáng)度之間的關(guān)系,可以對孔隙度對裂縫發(fā)育影響進(jìn)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(qiáng)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(zhì)現(xiàn)象均是裂縫更難以發(fā)育。

4 碳酸鹽巖儲層中成巖作用對構(gòu)造縫發(fā)育影響分析

基于巖石強(qiáng)度與巖石彈性模量兩者的經(jīng)驗公式(1),不僅可以對粒度和孔隙度對裂縫發(fā)育的影響進(jìn)行合理的解釋,而且可以對成巖作用對裂縫發(fā)育的影響進(jìn)行更為深入的討論。對于成巖作用對碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)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(jié)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(fā)育影響表

白云巖化作用可以提高裂縫的發(fā)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?guī)r,白云巖的抗壓強(qiáng)度更大,同時白云巖的彈性模量也更大。巖石是否更發(fā)育裂縫取決于巖石強(qiáng)度和巖石剛度兩者的相對關(guān)系,隨著白云石含量的升高,式(1)中b>1,因而白云巖比灰?guī)r更容易發(fā)育裂縫。

對于碳酸巖鹽儲層壓實作用對于巖石力學(xué)性質(zhì)的影響,目前探索不多。大部分學(xué)者對于致密砂巖儲層進(jìn)行了研究,并認(rèn)為壓實作用使致密砂巖儲層發(fā)生致密化[56-57],巖石強(qiáng)度增大,同時彈性模量增大,泊松比增大,巖石更容易發(fā)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(guī)律是完全相同的。隨著壓實作用增強(qiáng),巖石強(qiáng)度和巖石彈性模量同時增大,巖石是否更容易發(fā)育裂縫取決于巖石強(qiáng)度和巖石彈性模量兩者的相對關(guān)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(qiáng)裂縫均變得更為發(fā)育。

對于膠結(jié)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(rèn)為膠結(jié)作用會抑制裂縫的發(fā)育[58-59]。儲層中先前發(fā)育的裂縫被方解石部分膠結(jié)后,后續(xù)產(chǎn)生的裂縫沿著未被方解石膠結(jié)部分繼續(xù)發(fā)育。第二種觀點認(rèn)為巖石膠結(jié)之后裂縫更容易發(fā)育[60]。第三種觀點認(rèn)為碳酸鹽巖儲層中膠結(jié)作用對裂縫發(fā)育的影響因膠結(jié)物而異,硅質(zhì)膠結(jié)物的連接性強(qiáng),鈣質(zhì)膠結(jié)物次之,而泥質(zhì)膠結(jié)物連接性最差[61]。事實上,隨著巖石膠結(jié)作用增強(qiáng),巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量均增大。不同巖石膠結(jié)物對于巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量相對關(guān)系的影響存在顯著差異。當(dāng)膠結(jié)物為硅質(zhì)膠結(jié)物和鈣質(zhì)膠結(jié)物時,式(1)中的b<1,裂縫更難發(fā)育。當(dāng)膠結(jié)物為泥質(zhì)膠結(jié)物時,式(1)中的b>1,裂縫更容易發(fā)育。

壓溶作用直接結(jié)果是形成縫合線。由于縫合線的存在,巖石結(jié)構(gòu)遭受破壞,巖石強(qiáng)度急劇減小[62],從而容易在縫合線兩側(cè)形成微構(gòu)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(qiáng)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(jīng)歷溶蝕作用改造的儲層,巖石更容易發(fā)育裂縫。

5 結(jié)論

地下巖石是否發(fā)育裂縫受到巖石強(qiáng)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(qiáng)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(fā)育。

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