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(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)外的學者對控制構(gòu)造縫分布的影響因素進行了大量研究,認為構(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)育主控因素認識不清導致裂縫分布預(yù)測困難,進而影響井網(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)育的影響機理進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)育的影響進行探討。研究對于進一步深入認識裂縫發(fā)育的機理有重要指導意義。

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)育的影響機理尚不清楚。

1.1 粒度對于構(gòu)造縫發(fā)育強度影響的爭議

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(fā)育構(gòu)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(fā)育構(gòu)造縫。Zhou等[16]在研究微裂縫時認為粒度越細,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,巖石粒度越細越容易發(fā)育裂縫。

圖1 巖石顆粒增大裂縫發(fā)育強度減小[13]

然而,另一些學者在研究中發(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初始破裂強度下限遠高于顆?；?guī)r,泥質(zhì)灰?guī)r遠不如顆?；?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)育強度逐漸增強。Korneva等[17]認為白云巖化后的顆粒灰?guī)r比白云巖化后的泥?；?guī)r更容易發(fā)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(fā)育裂縫。

圖2 巖石顆粒增大裂縫發(fā)育強度減小[11]

關(guān)于巖石粒度與裂縫發(fā)育強度的關(guān)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(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,巖石單軸抗壓強度會迅速降低(圖4)。理論上抗壓強度降低,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(guī)律圖(據(jù)文獻[23-43]修改)

2 裂縫發(fā)育控制機理分析

2.1 粒度對裂縫發(fā)育影響的控制機理分析

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(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的巖石物理力學參數(shù)分別設(shè)為圖4中兩套地層的巖石物理力學參數(shù),對該地層施加水平方向40 MPa的擠壓力進行應(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(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(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(zhì)的巖層交互發(fā)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(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,即任意兩個地層進行比較,巖石物理力學參數(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(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度和巖石剛度有關(guān)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(fā)育裂縫與巖石的強度和巖石彈性模量兩種因素有關(guān)。基于該認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(fā)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(fā)育裂縫。

2.2 孔隙度對裂縫發(fā)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(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(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度有關(guān),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(fā)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(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(fā)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(fā)育裂縫。

3 巖石結(jié)構(gòu)對構(gòu)造縫發(fā)育影響機理建模

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)來進行衡量。前人對單軸抗壓強度與巖石彈性模量的關(guān)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(jīng)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(shù)間符合冪律指數(shù)關(guān)系,即

(1)

式(1)中:E為彈性模量;Rt為巖石強度,包括抗壓強度和抗張強度;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度關(guān)系圖

式(1)為進一步深化認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(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(fā)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(guān)關(guān)系[18],其表達式可以寫為

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(shù)關(guān)系。

基于式(1)所建立的巖石彈性模量與巖石強度之間的關(guān)系,可以對孔隙度對裂縫發(fā)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(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性質(zhì)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(fā)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(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,巖石強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。第二種觀點認為巖石膠結(jié)之后裂縫更容易發(fā)育[60]。第三種觀點認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,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,巖石抗壓強度和彈性模量均增大。不同巖石膠結(jié)物對于巖石抗壓強度和彈性模量相對關(guān)系的影響存在顯著差異。當膠結(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(fā)育。

基于巖石剛度和巖石強度的冪律指數(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)。