渤中凹陷深层储层裂隙发育程度实验研究

陶 圩 , 郭玲莉 *, 刘永江 , 王光增 ,赵 龙 , 乔庆宇 , 王 宇 , 李三忠

(1.深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源勘探与评价功能实验室, 山东 青岛 266100)

0 引 言

渤海湾盆地作为中国东部能源探勘的主战场,蕴藏了丰富油气资源。渤中凹陷是渤海湾盆地埋深最大的凹陷, 2011～2013 年位于渤中凹陷区内21-22构造区的两口科探井在古生界潜山中发现工业气流,天然气规模储量估值高达 50×109m3(周心怀等,2017), 该气藏的发现验证了渤中凹陷古潜山储层的巨大潜力, 是深层油气勘探最现实的有利区。在全球范围内, 深层油气藏的成储问题已有较为深入的研究, 并取得了显著的进展。目前已有70 多个国家在深度超过4000 m 的地层中进行了油气钻探(妥进才, 2002), 在已探明的深层油气藏中, 阿纳达科(Anadarko)盆地Hugoton 油田石炭系碎屑岩储层埋深大于8000 m(Dyman et al., 2002); 湾岸(Gulf Coast)盆地Harriscille 油田侏罗系砂岩储层埋深7000 m(Wandrey and Vaughan, 1997); 苏雷斯特(Surste)盆地Luna 油田侏罗系白云岩储层埋深大于 6500 m(Halbouty,2003)。但这些典型的油气田大多集中于克拉通、前陆、被动陆缘等构造环境中, 渤中凹陷作为走滑改造背景的裂谷盆地(李三忠等, 2010; 徐长贵, 2016),可以直接用于参考研究的技术较少。因此, 渤中凹陷潜山储层的系统研究不仅有利于国内深部油气勘探需求, 也能为国内外类似盆地勘探提供借鉴。

渤中凹陷深层地质情况复杂, 多期次构造作用改造使得深层潜山储层岩性繁多, 差异明显, 但研究程度相对薄弱, 尤其是有效构造储层发育程度及分布规律尚未明确。太古宇变质岩, 古生界碳酸盐岩以及中生界火成岩都为该地区潜山型油藏潜在的储层。岩性是控制裂缝发育最基本的因素(赵文韬等,2013), 研究相同构造应力下不同岩性储层裂缝发育程度是分析构造储层优劣, 完善优质潜山构造储层分布预测研究的基础。其中, 在实验室尺度下, 研究潜山代表性岩石在不同应力条件下的微裂隙发育特征, 是一种有效且便捷的方法。

声发射(acoustic emission, 简称AE)是指脆性材料在受力变形过程中产生微破裂时应变能以弹性波辐射释放的现象。20 世纪30 年代声发射现象发现以来便广泛应用于岩体稳定性监测之中, 60 年代后,岩石凯赛尔效应被证实(Goodman, 1963), 为声发射技术在岩石力学实验中的广泛应用奠定了基础。声发射方法作为揭示岩石变形破坏过程的有效工具,成为开展现代岩石力学实验的重要途径并取得了大量的研究成果。1968 年首次实现了对声发射事件的空间定位(Scholz, 1968), 加强了实验中对岩石微裂隙产生与传播的监测, 进一步揭示了裂隙生长的动力学细节(Nishizawa et al., 1984; Lockner, 1993)。同时, 国内学者对于声发射技术在岩石实验中的应用开展了大量的研究, 结合细观损伤力学研究和声发射原理, 提出岩石声发射与岩石损伤具有一致性(唐春安, 1997)。通过物理实验总结了岩石在断裂和破坏的不同阶段声发射现象的特征(Lei et al., 2004),利用声发射定位在裂纹扩展与贯通机制(郭彦双等,2007)、裂纹开裂扩展的的空间演化模式(赵兴东等,2006)取得了深入的进展。

开展不同应力状态下岩石的声发射参数特征的研究, 能够揭示岩石内部裂纹发育的分布规律, 反映出岩石的破坏程度和损伤机制。由于岩石破坏过程与储层裂缝发育之间的必然联系, 近年来声发射技术在储层构造裂缝成因机制、期次划分、破坏强度等问题的研究中起到重要作用。Ishida et al. (2001)利用声发射技术研究了四种粒度的花岗岩在水力压裂下的破裂机理; 陈强等(2006)通过岩石单轴压缩的凯赛尔效应测定的地应力值与实际情况基本吻合;郑荣才(1998)开展非定向岩石声发射实验, 确定了辽河西部凹陷古潜山裂缝的性质及成因。声发射技术作为一种经济且便于操作的实验方法, 在优质构造储层分布规律研究中拥有良好的应用前景。

为了解渤中地区潜山储层岩石的裂隙发育特征,本次选择二长花岗岩、片麻状花岗岩、花岗质片麻岩、斜长角闪岩、灰岩和安山岩6 种潜山代表性岩石作为研究对象, 通过开展压性条件和张性条件下的岩石物理实验, 使用声发射技术监测实验过程中出现的微裂隙, 比较同等应力条件下各岩石样品的微裂隙发育数量累计、声发射事件率、时空分布等参数特征, 总结不同岩性样品在压性环境及张性环境下微裂隙发育规律, 并结合野外构造储层研究,综合讨论渤中地区不同岩性潜山构造储层储集能力的优劣, 为预测优质潜山储层分布提供科学依据。

1 地质概况

渤海湾盆地是华北克拉通东部地块上的一个中新生代盆地, 位于印度、欧亚和太平洋三大板块交接的区域, 东界为郯城-庐江断裂带, 西界为太行山东麓断裂带, 北为燕山造山带, 南为鲁西地块。其内部垂向结构复杂, 据各沉积建造层间接触关系、构造变形特征, 将其显生宙地层分为5 个构造层: 印支期构造层、燕山早期构造层、燕山中期构造层、燕山晚期构造层及新生代构造层。这些构造层的变形是华北克拉通演化不同阶段构造过程的产物, 每幕变形都存在差异, 可能反映其破坏机制的不同(李三忠等, 2010; Li et al., 2012a; Zhang et al., 2020)。

渤中凹陷是渤海湾盆地的二级构造单元, 位于盆地中部, 呈NE 走向, 西南宽北东窄, 面积约为8660 km2, 是渤海海域面积最大的一个凹陷(薛永安和王德英, 2020), 其地理位置东邻渤东低凸起, 西邻沙垒田隆起, 南邻渤南低凸起, 北邻石臼砣凸起,是渤海湾盆地的沉积中心和生油(气)中心, 油气资源丰富(图1)。

渤中地区中、新生代不同期次的沉积盆地发育于印支期、燕山早-中期多期挤压形成的区域收缩变形基底之上, 同时, 又经受燕山晚期、喜山期伸展构造而发生了多期盆地叠加。其构造形变的动力背景可大致概括为: 印支期 S-N 向挤压, 燕山早期NW-SE 向挤压、中期左行压扭, 燕山晚期伸展及喜山期右形张扭(李三忠等, 2010; Li et al., 2012b)。渤中凹陷是叠置在华北克拉通基底之上的中、新生代裂谷断陷盆地。环渤中探区内所钻遇的古潜山储层岩性复杂, 根据已有的地震剖面, 渤中凹陷由老到新依次发育有太古宇泰山群、下古生界寒武系及奥陶系、上古生界石炭系及二叠系、中生界侏罗系及白垩系, 其中, 太古宇变质岩、古生界碳酸盐岩、中生界火山岩地层都十分发育, 是潜山型油气藏最主要的潜山储层。

图1 渤海湾盆地构造单元划分(据李三忠等, 2010)Fig.1 Structural division of the Bohai Bay Basin

2 样品特征与实验方法

根据钻井资料, 渤中21-22 古潜山以灰岩为主的古生界储层、428 西潜山以安山岩为主的中生界储层, 渤中19-6 潜山以片麻岩为主的太古宇储层,都有明显裂缝发育。本次实验选择了太古宇二长花岗岩、片麻状花岗岩、花岗质片麻岩、斜长角闪岩,古生界灰岩和中生界安山岩6 种不同岩性的样品。样品采自于对应渤中地区深部地层延伸至山东鲁西地区的野外露头, 采样位置如图1 所示, 采样点坐标见表1。

结合渤中区域经历的挤压和拉张构造应力场,本文分组进行了压性和张性条件的岩石加载实验。压性实验样品为高80 mm, 直径40 mm 的圆柱样;张性实验样品为高30 mm, 直径60 mm 的圆盘样(图2)。

表1 样品时代及采样位置Table 1 The ages and the locations of the samples

实验在中国地震局地质研究所构造物理实验室进行, 加载系统为CTM 微机伺服控制液压万能试验机, 最大拉、压荷载量程为1000 kN; 声发射采集系统由一套40 dB 的前置放大器以及16 通道声发射全波形记录仪组成, AD 转换分辨率为16 bit, 采样率为3 MHz, 采集方式为16 位同步触发各通道全波形连续采集。

样品布局如图2 所示, 实验中使用16 个直径为5 mm 的声发射探头固定于实验样品表面, 接收和记录声发射信号。实验采用荷载控制方式进行加载,压性实验加载速度为0.1 kN/s, 张性实验加载速度为0.02 kN/s。实验过程中保持加载过程与声发射全波形采集。本文使用的声发射定位分析软件为中国地震局地质研究所的软件AE007, 其声发射定位原理基于时差定位法, 并通过提高传感器下限及控制波速范围实现了平抑波速场不均对定位结果的误差(刘培洵等, 2009, 2014)。声发射定位后AE007 给出的定位结果包括声发射的发生时间、波速及三维坐标。定位结果直观反映了岩石内部声发射源位置、裂纹初始位置、岩石损伤状况和不同加载阶段裂纹的发展程度。

3 实验结果分析

3.1 压性条件下的裂隙发育程度

3.1.1 微裂隙累计与时间特征

二长花岗岩、斜长角闪岩、片麻状花岗岩、安山岩、灰岩5 种岩性样品(花岗质片麻岩未成功钻取出符合规范的柱状样样品, 没进行单轴压缩实验)的加载过程可分成压实、弹性变形、塑性变形、破坏四个阶段。结果显示, 代表微裂隙发育的声发射事件累计随应力而增加(图3b), 在弹性变形阶段斜率平缓, 进入最后阶段时斜率快速上升。在相同的加载方式下, 微裂隙发育数由多到少为: 二长花岗岩、斜长角闪岩、片麻状花岗岩、安山岩、灰岩(图3a)。斜长角闪岩和二长花岗岩的声发射累计曲线相对平缓, 片麻状花岗岩、安山岩及灰岩则在曲线上出现数个台阶形变化, 说明这3 种岩性在加载过程中单位时间内的声发射活动性更强, 岩石内部裂缝的形成、扩展更剧烈。

图2 实验样品及传感器排布Fig.2 Photos of tested samples and distribution of acoustic emission sensors

图3 压性环境下样品声发射累计(a)及应力曲线(b)Fig.3 The stress curves (a) and the acoustic emission accumulation curves (b) of the rock samples under compressive stress

表2 压性环境下各应力阶段声发射统计Table 2 Acoustic emissio n stati stics of the di fferent stress stages under compressive stress

3.1.2 不同压应力水平下微裂隙发育特征

不同压应力水平下, 5 种岩石类型的微裂隙发育数量和空间分布各有特点。在高、中、低应力阶段,二长花岗岩的微裂隙发育数量远大于其他岩性样品,而灰岩的微裂隙数量始终处于较低水平(表2, 图4),二长花岗岩的宏观裂缝也远多于灰岩。在80 MPa低压应力状态下, 斜长角闪岩因抗压强度较小, 已经有较多的微裂隙产生, 声发射累计大致与二长花岗岩相同。在100～120 MPa 应力阶段, 斜长角闪岩已经发生破碎, 片麻状花岗岩、灰岩和安山岩3 种样品微裂隙发育水平接近。在高应力状态下, 太古宇两块变质花岗岩微裂隙发育程度普遍高于中生界安山岩以及古生界灰岩。

3.1.3 微裂隙空间分布

不同类型岩石的微裂隙发育空间位置也有所不同。在低压应力条件下, 斜长角闪岩、安山岩、二长花岗岩微裂隙零星分布于样品两端, 而灰岩和片麻状花岗岩则少见微裂隙发育。随着压应力提高,各类岩石样品逐渐被压实, 样品内部局部地区产生微裂隙, 在高压应力条件下微裂隙逐渐连接形成宏观贯通裂隙。不同岩石样品中, 宏观裂缝贯通形态表现不同: ①安山岩最早在样品中间位置出现微裂隙, 并稳定向下扩展(图4a); ②灰岩在整个实验中微破裂的产生都处于很低水平, 持续较长时间后,在样品下部产生微裂隙, 并逐渐向上扩展(图 4b);③二长花岗岩随着应力增加, 在样品上部大量微裂隙产生扩展, 并逐渐向中部集中, 两端的微裂隙向中间贯通并于最后形成宏观贯通裂缝(图4c); ④片麻状花岗岩在高压应力条件下可以在短时间内产生大量微裂隙, 并形成裂隙集中区, 大量微裂隙迅速拓展汇合, 逐渐成核, 并向样品下中部进一步拓展,形成一条大的裂隙, 最终形成贯通的裂缝(图 4d);⑤斜长角闪岩样品则在样品上部产生了微裂隙, 并向中间扩展(图4e)。

压性环境下微裂隙最为发育的是二长花岗岩(图4), 结合声发射事件率及空间分布(图5), 二长花岗岩在整个受力变形过程中都有微裂隙产生, 声发射事件率整体呈逐渐增加的趋势, 并出现多次突增。根据声发射定位结果显示, 加载初期, 声发射事件主要在样品两端零星分布; 随应力增加, 微裂隙数量继续上升, 并持续定位在样品下部, 开始形成一个明显的声发射集中区域, 样品上部仅有零星的少数定位结果, 中部则为声发射空白区域, 说明样品下部的大量微裂隙开始稳定扩展。1125 s 后, 样品下部裂隙集中区成形, 微裂隙开始出现于样品上中部分, 上半部分的定位结果逐渐密集, 中部声发射空白区逐渐消失(图5a)。加载到1530 s 时, 样品声发射率开始突增, 短时间内大量的声发射事件产生于样品上部, 形成第二个声发射集中区, 说明这个阶段大量微裂隙在样品上部产生扩展(图5b)。此后, 定位的样品声发射结果逐渐向中部集中, 两端的微裂隙向中间贯通, 最后形成宏观贯通裂缝(图5c)。实验说明二长花岗岩宏观裂缝产生过程是一个典型的由大量小裂隙拓展贯通成大裂缝的过程。

图4 压性环境下各应力阶段微裂隙空间分布Fig.4 Distribution of the microfractures in five types of rock samples in the different stress stages under compressive stress

图5 压性环境下二长花岗岩声发射事件率及空间分布演化Fig.5 The event rate of the acoustic emission and the distribution of microfractures in the monzogranite sample under compressive stress

3.2 张性条件下的裂隙发育程度

3.2.1 微裂隙累计与时间特征

张性环境下, 6 种岩石样品的微裂隙累计特征如图6 所示。实验初期少量先存裂隙因应力作用发生扩展后, 代表微裂隙的声发射累计增速变慢, 累计曲线斜率趋于稳定; 至塑性变形及破坏阶段, 声发射数量突增, 曲线斜率达到最大值, 样品裂开破碎。虽然6 种样品最终破碎形态相似, 但是由于不同岩性样品的矿物含量和结构差异, 加载过程中, 微裂隙发育特征并不相同。总体来说, 张性环境下达到应力峰值强度时, 微裂隙发育数由多到少为: 斜长角闪岩、片麻状花岗岩、二长花岗岩、花岗质片麻岩、安山岩、灰岩。张性环境下, 各个样品的微裂隙累计数量差距并不大, 太古宇4 种岩性样品内部裂缝发育程度相当,但斜长角闪岩、花岗质片麻岩、二长花岗岩及灰岩的微裂隙累计曲线更为平顺, 裂隙的发育过程较为平缓; 片麻状花岗岩和安山岩微裂隙累计曲线出现多个阶梯型变化, 裂隙发育及扩展较为剧烈。

3.2.2 不同张应力水平下微裂隙发育特征

6 种不同岩性样品在不同张应力水平下, 其微裂隙发育数量和空间分布有所差异(表3, 图7)。在2 MPa 的低张应力阶段, 抗拉强度偏低的花岗质片麻岩和灰岩已产生了一定规模的声发射事件, 样品内部的微裂隙发育程度高于其他岩性样品。在 3～4 MPa 这一应力水平下, 斜长角闪岩、花岗质片麻岩和灰岩产生贯通的裂缝都发生破碎; 峰值强度前,大量声发射集中出现。在6 MPa 的高张性环境下, 二长花岗岩声发射事件累计更高, 样品内微裂隙更发育, 片麻状花岗岩与安山岩破碎程度较为接近。

3.2.3 微裂隙空间分布

安山岩加载初期有一段声发射活跃期, 微裂隙出现在样品两端, 声发射事件累计随应力的增加而上升,但样品声发射事件率一直处于较低水平, 集中于样品上半部分局部区域内。随后出现两次短暂的突增, 说明样品上半部分出现大量的微裂隙, 并稳定向下扩展延伸, 最终下部裂隙贯通形成主破裂面(图7a)。

灰岩在张性条件下微裂隙发育少, 主要集中于样品下端的较小区域内, 其余部分几乎没有声发射事件产生。高张应力条件下, 在下部出现较大规模的微裂隙, 并向中部扩展, 逐渐形成贯通的宏观破裂面(图7b)。

片麻状花岗岩在低张应力环境下微裂隙的产生并不明显, 仅零星分布。中等张应力条件下, 短时间内大量微裂隙密集出现于样品左半部分, 形成集中区, 意味着样品左半部分形成的微裂隙, 在这段时间内稳定扩展, 且逐渐汇合贯通。高张应力条件下,样品微裂隙率开始稳步提升, 并在峰值强度前达到最高, 样品右半部分出现大量微裂隙, 形成第二条贯通的裂缝(图7c)。

二长花岗岩早期的微裂隙分布较为均匀, 没有形成明显的微裂隙集中区。高张应力状态下, 新增的微裂隙在样品中上部分形成明显的条状聚集区,说明大量裂隙在此时扩展迅速, 汇合贯通形成滑动面(图7d)。

图6 张性环境下样品声发射累计(a)及应力曲线(b)Fig.6 The acoustic emission accumulation curves (a) and the stress curves (b) of the rock samples under tensile stress

斜长角闪岩变形破坏过程与安山岩较为相似。前期微裂隙主要发生在样品上部, 随后, 大规模的声发射事件集中出现在样品上部, 随着载荷的增加,样品中、下部出现了大量新的微裂隙, 且上、下裂隙贯通成宏观破裂面(图7e)。

花岗质片麻岩在加载早期的短时间内, 中部产生小规模的微裂隙。高应力阶段, 样品中部的微裂隙不断汇聚连接并向两端扩展, 最终形成一贯通的的裂缝, 微裂隙几乎出现于整个样品内部, 破碎程度较高(图7f)。

表3 张性环境下各应力阶段声发射统计Table 3 Acoustic emission statistics of the different stress stages under tensile stress

图7 张性环境下各应力阶段声发射空间分布Fig.7 Distribution of the microfractures in five types of rock samples in the different stress stages under tensile stress

斜长角闪岩在张性环境下, 微裂隙数量最多,样品内部破碎程度高于其他岩性(图7)。其声发射事件率及空间分布如图8, 在0～400 s 阶段, 斜长角闪岩的声发射率一直处于稳定的水平, 声发射主要发生在样品上部, 说明大量微裂隙在此部分产生, 并随着应力的增发而发生扩展(图8a)。400 s 后, 声发射率大幅上升, 大规模的微裂隙集中出现, 定位结果除了出现在样品上部的集中区域外, 样品的中下部也出现了声发射事件集丛, 说明上部裂隙拓展连接的同时, 随着载荷的增加, 样品中下部出现了大量新的微裂隙(图8b)。437 s 时, 应力出现一次明显的下降, 此时, 上、下部的微裂隙贯通成宏观破裂面,与声发射结果吻合(图8c)。

从微破裂累计特征(图3a、6a)可以看出, 同一岩性的岩石样品, 在压性环境和张性环境下, 都产生了一定规模的声发射事件。张性环境下的微裂隙累计数量明显小于压性环境下的。岩石作为典型的脆性材料, 强度大韧性小, 受力过程中, 其内部微裂隙的产生、拓展、贯通, 是声发射最主要的来源。结合实验后样品的宏观裂缝, 结果证明: 在两种应力环境下, 6 种不同岩性样品内部均发生了不同程度的破碎及裂隙发育。从环渤中地区储层尺度来看, 各岩性的储层在以挤压或张扭应力为主的构造运动时期下都具有发育构造裂缝的能力, 满足成为优质储集层的基本条件。环渤中地区古潜山储层现存的丰富裂缝并不是在某一地质历史时期集中发育, 而是在各构造期经历多期次挤压、拉张应力过程中累计产生的。

实验结果表明, 在相同的构造应力下, 不同岩性的储层, 其构造裂缝发育能力存在明显差异。中低应力环境中, 样品裂缝发育程度往往受到岩石强度的影响, 抗压(拉)强度较小的样品在中低应力阶段会产生更多的微裂隙, 样品内部破碎程度更高。例如, 压性条件下的斜长角闪岩、二长花岗岩及安山岩, 张性环境下的斜长角闪岩、花岗质片麻岩、灰岩, 在中低应力阶段皆产生了一定规模的微裂隙,累计数量高于相同应力水平下其他岩性样品。而在高应力环境中, 无论是在张性条件下还是压性条件下, 太古宇变质岩声发射事件数最高, 样品内部破碎程度高于古生代及中生代样品, 意味着环渤中地区在以挤压和张扭为主要应力的地质时期, 太古宇变质岩储层造裂缝发育能力更高, 油气储集能力更强, 成为优质储层预测的重点研究区域; 而中生界火成岩储层、古生界碳酸盐岩储层次之。

两种应力状态下的实验中, 声发射时间-空间演化呈现良好的对应关系, 成规模的声发射较早出现的岩石样品, 裂隙的产生和扩展较早出现; 声发射定位分布集中的岩石样品, 对应部位的破碎程度最高。声发射定位结果揭示在压性及张性环境下6 种岩性样品微裂隙产生的起始位置、拓展方向以及发育程度。

图8 张性环境下斜长角闪岩声发射事件率及空间分布演化Fig.8 The event rate of th e acoustic emission and the distribution of microfractures in plagioclase amphibole sample under tensile stress

4 讨 论

4.1 野外露头的裂隙发育程度

根据钻井资料, 渤中凹陷深层储层成因类型多,物性差异大, 有效储层形成机理与分布规律制约着深层勘探的进一步发展。潜山储层、储层岩性种类多而变换快以及主控因素复杂是影响优质储层预测最为突出的问题, 为此, 众多学者对潜山构造储层开展了大量研究(王学军等, 2003; 杨明慧, 2008;Yang et al., 2017; 侯明才等, 2019)。渤中地区已钻遇的潜山储层, 按照时代和岩性, 可分为太古宇变质花岗岩潜山、古生界碳酸盐岩潜山和中生界火成岩潜山等。

根据鲁西地区野外储层研究, 太古宇变质花岗岩可分为: 有上覆盖层和无上覆盖层两类; 古生界碳酸盐岩储层分为: 直接出露和被中生界覆盖两类;中生界火山岩储层按相和内部构造特征不同, 则可分为数类。构造作用是控制裂缝型储层最重要的因素, 上覆盖层越新, 地层直接遭受构造作用的期次越多, 储层裂缝更为发育; 在相同的构造运动改造下, 岩性是影响储层发育的重要因素, 同一地质时期, 不同岩性的储层裂缝发育程度并不相同。

野外储层露头表现为, 3 种不同类型的潜山储层中, 无上覆盖层的太古宇变质岩储层构造裂缝最为发育, 储集能力强于有中生界盖层的太古宇储层以及其他地质时期的储层; 在无上覆盖层的太古宇变质岩储层中, 裂缝发育程度依次为: 斜长角闪岩、花岗质片麻岩、片麻状花岗岩、二长花岗岩和钾长花岗岩(图9)。这与本文实验结果一致, 即太古宇变质岩, 在不同的应力环境及条件下, 都有良好的裂缝发育, 且发育程度均高于其他两个地质时期储层岩石; 太古宇4 种变质岩样品在两种应力环境下微裂隙发育有一定差异。野外观察到的太古宇各岩性储层裂缝发育结果不仅受到构造作用的多期叠加改造,更经历长时间的风化作用影响, 与实验结果对比,表现更为复杂。

4.2 构造作用对储层的影响

渤海湾地区晚古生代和中生代构造演化过程及构造格局对于研究前新生界潜山储层优劣有着极为关键作用。随着盆地内地层学、沉积学、盆内外构造学的发展和综合应用, 建立了渤中地区印支期S-N 向挤压、燕山早期NW-SE 向挤压、燕山中期NE 向左行压扭、燕山晚期拉张、喜山期右行张扭的中-新生代潜山构造演化模式。其中印支期和燕山期构造格局如图10 所示, 即渤中西部隆起区(如石臼砣凸起)保留印支期E-W 向的隆凹格局, 发育大型潜山; 渤中中部断陷区(如渤中凹陷)为多期走滑断陷, 发育小型低矮潜山; 渤中东部隆起区(如渤南低凸起)在印支期隆凹构造发生逆时针旋转, 呈NEE 或NNE 向展布,发育中低隆起。三个区带成储模式不同, 中部断陷区构造储层发育条件较好。从研究区岩性分布来看, 中生界安山岩主要分布在石臼砣凸起东部各个构造区;灰岩分布在古生界马家沟组, 在研究区内见于渤中坳陷中部; 各类太古宇变质岩则更常见于渤中坳陷南部渤南低凸起附近的潜山带(图10)。

结合实验结果, 上覆地层较新的渤中凹陷南部太古宇变质岩潜山地层成储条件优于渤中凹陷北部地区。综合岩性对于储层发育的基础作用以及构造作用对于裂缝形成的关键影响, 可以认为, 渤南中部断陷区太古宇变质岩储层拥有更高的油气储集能力, 也是深部油气勘探最现实的有利区。

4.3 岩性对储层的影响

研究区发育以斜长角闪岩、片麻状花岗岩、二长花岗岩、花岗质片麻岩为主的太古宇变质岩储层,以灰岩为主的古生界碳酸盐岩储层, 以安山岩为主的中生界火成岩储层, 这些都是环渤中深层油气的主要贡献者。因此, 研究这6 种岩石的力学特性, 尤其是在挤压、拉张两种应力环境下内部裂缝发育规律, 对于渤中凹陷深层潜山优质储层的预测以及深层勘探的发展有着重要的指导意义。

根据本文的实验结果, 在相同的应力条件下,古生界变质岩内部裂缝的发育程度普遍高于古生界灰岩以及中生界安山岩, 这些在野外储层研究以及渤中地区钻井资料中都得到了验证。同时, 声发射作为反映岩石内部破坏程度和损伤机制的有效手段,在构造储层研究中有良好的应用前景; 构造裂缝的发育程度是评估储层处理能力的必要因素。鉴于环渤中地区深层潜山复杂的地质情况和较为有限的钻井平台, 在预测优质储层时, 有必要充分考虑在各个地质时期、构造应力条件下不同岩性的储层裂缝发育的能力, 以提高勘探成功率。因此, 在已有钻井资料的基础上, 通过与中国东部地层时空对比, 利用岩石物理实验方法对储层典型岩石开展变形破坏研究将十分必要。

图9 鲁西地区太古宇典型野外露头Fig.9 Photos of typical Archean outcrops in the western Shandong province

图10 渤海湾盆地油气田及渤中构造区岩性分布(据李三忠等, 2010; Li et al., 2012b; Xue and Wang, 2020)Fig.10 Distribution of main natural gas fields in the Bohai Bay Basin and lithologic distribution in the Bozhong Sag

5 结 论

通过对渤中凹陷太古宇变质岩储层、古生界碳酸盐岩储层、中生界火成岩储层中6 种代表性的潜山样品——二长花岗岩、片麻状花岗岩、花岗质片麻岩、斜长角闪岩、灰岩、安山岩在压性和张性构造应力条件下的微裂隙发育实验, 观察岩石变形过程中声发射特征以及微裂隙时空分布的特点, 得出以下新认识:

(1) 在挤压和拉张两种应力环境下, 6 种岩性的样品皆出现了一定规模的声发射现象, 样品内部裂缝发育, 具备构造成储的条件; 在同一应力水平下,太古宇变质岩声发射活动更强, 裂缝发育能力更高,其油气储集能力优于古生界碳酸盐岩以及中生界火成岩, 与野外露头结果吻合。

(2) 构造作用是裂缝形成的关键, 渤中凹陷的中部断陷区成储条件更好; 从岩性分布上, 渤南地区上覆较新地层的太古宇变质岩储层更利于构造裂缝的形成, 拥有更高的油气储集能力, 是深部油气勘探最现实的有利区。

致谢:实验期间中国地震局地质研究所刘培洵副研究员、郭彦双助理研究员和齐文博工程师给予了指导和帮助, 在此一并致以诚挚的谢意。