陶 圩 , 郭玲莉 *, 劉永江 , 王光增 ,趙 龍 , 喬慶宇 , 王 宇 , 李三忠

(1.深海圈層與地球系統(tǒng)教育部前沿科學(xué)中心, 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院, 青島 266100; 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源勘探與評(píng)價(jià)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

0 引 言

渤海灣盆地作為中國東部能源探勘的主戰(zhàn)場,蘊(yùn)藏了豐富油氣資源。渤中凹陷是渤海灣盆地埋深最大的凹陷, 2011～2013 年位于渤中凹陷區(qū)內(nèi)21-22構(gòu)造區(qū)的兩口科探井在古生界潛山中發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣流,天然氣規(guī)模儲(chǔ)量估值高達(dá) 50×109m3(周心懷等,2017), 該氣藏的發(fā)現(xiàn)驗(yàn)證了渤中凹陷古潛山儲(chǔ)層的巨大潛力, 是深層油氣勘探最現(xiàn)實(shí)的有利區(qū)。在全球范圍內(nèi), 深層油氣藏的成儲(chǔ)問題已有較為深入的研究, 并取得了顯著的進(jìn)展。目前已有70 多個(gè)國家在深度超過4000 m 的地層中進(jìn)行了油氣鉆探(妥進(jìn)才, 2002), 在已探明的深層油氣藏中, 阿納達(dá)科(Anadarko)盆地Hugoton 油田石炭系碎屑巖儲(chǔ)層埋深大于8000 m(Dyman et al., 2002); 灣岸(Gulf Coast)盆地Harriscille 油田侏羅系砂巖儲(chǔ)層埋深7000 m(Wandrey and Vaughan, 1997); 蘇雷斯特(Surste)盆地Luna 油田侏羅系白云巖儲(chǔ)層埋深大于 6500 m(Halbouty,2003)。但這些典型的油氣田大多集中于克拉通、前陸、被動(dòng)陸緣等構(gòu)造環(huán)境中, 渤中凹陷作為走滑改造背景的裂谷盆地(李三忠等, 2010; 徐長貴, 2016),可以直接用于參考研究的技術(shù)較少。因此, 渤中凹陷潛山儲(chǔ)層的系統(tǒng)研究不僅有利于國內(nèi)深部油氣勘探需求, 也能為國內(nèi)外類似盆地勘探提供借鑒。

渤中凹陷深層地質(zhì)情況復(fù)雜, 多期次構(gòu)造作用改造使得深層潛山儲(chǔ)層巖性繁多, 差異明顯, 但研究程度相對(duì)薄弱, 尤其是有效構(gòu)造儲(chǔ)層發(fā)育程度及分布規(guī)律尚未明確。太古宇變質(zhì)巖, 古生界碳酸鹽巖以及中生界火成巖都為該地區(qū)潛山型油藏潛在的儲(chǔ)層。巖性是控制裂縫發(fā)育最基本的因素(趙文韜等,2013), 研究相同構(gòu)造應(yīng)力下不同巖性儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度是分析構(gòu)造儲(chǔ)層優(yōu)劣, 完善優(yōu)質(zhì)潛山構(gòu)造儲(chǔ)層分布預(yù)測研究的基礎(chǔ)。其中, 在實(shí)驗(yàn)室尺度下, 研究潛山代表性巖石在不同應(yīng)力條件下的微裂隙發(fā)育特征, 是一種有效且便捷的方法。

聲發(fā)射(acoustic emission, 簡稱AE)是指脆性材料在受力變形過程中產(chǎn)生微破裂時(shí)應(yīng)變能以彈性波輻射釋放的現(xiàn)象。20 世紀(jì)30 年代聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以來便廣泛應(yīng)用于巖體穩(wěn)定性監(jiān)測之中, 60 年代后,巖石凱賽爾效應(yīng)被證實(shí)(Goodman, 1963), 為聲發(fā)射技術(shù)在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。聲發(fā)射方法作為揭示巖石變形破壞過程的有效工具,成為開展現(xiàn)代巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要途徑并取得了大量的研究成果。1968 年首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲發(fā)射事件的空間定位(Scholz, 1968), 加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)中對(duì)巖石微裂隙產(chǎn)生與傳播的監(jiān)測, 進(jìn)一步揭示了裂隙生長的動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)(Nishizawa et al., 1984; Lockner, 1993)。同時(shí), 國內(nèi)學(xué)者對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)在巖石實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用開展了大量的研究, 結(jié)合細(xì)觀損傷力學(xué)研究和聲發(fā)射原理, 提出巖石聲發(fā)射與巖石損傷具有一致性(唐春安, 1997)。通過物理實(shí)驗(yàn)總結(jié)了巖石在斷裂和破壞的不同階段聲發(fā)射現(xiàn)象的特征(Lei et al., 2004),利用聲發(fā)射定位在裂紋擴(kuò)展與貫通機(jī)制(郭彥雙等,2007)、裂紋開裂擴(kuò)展的的空間演化模式(趙興東等,2006)取得了深入的進(jìn)展。

開展不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石的聲發(fā)射參數(shù)特征的研究, 能夠揭示巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育的分布規(guī)律, 反映出巖石的破壞程度和損傷機(jī)制。由于巖石破壞過程與儲(chǔ)層裂縫發(fā)育之間的必然聯(lián)系, 近年來聲發(fā)射技術(shù)在儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫成因機(jī)制、期次劃分、破壞強(qiáng)度等問題的研究中起到重要作用。Ishida et al. (2001)利用聲發(fā)射技術(shù)研究了四種粒度的花崗巖在水力壓裂下的破裂機(jī)理; 陳強(qiáng)等(2006)通過巖石單軸壓縮的凱賽爾效應(yīng)測定的地應(yīng)力值與實(shí)際情況基本吻合;鄭榮才(1998)開展非定向巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn), 確定了遼河西部凹陷古潛山裂縫的性質(zhì)及成因。聲發(fā)射技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)且便于操作的實(shí)驗(yàn)方法, 在優(yōu)質(zhì)構(gòu)造儲(chǔ)層分布規(guī)律研究中擁有良好的應(yīng)用前景。

為了解渤中地區(qū)潛山儲(chǔ)層巖石的裂隙發(fā)育特征,本次選擇二長花崗巖、片麻狀花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖、斜長角閃巖、灰?guī)r和安山巖6 種潛山代表性巖石作為研究對(duì)象, 通過開展壓性條件和張性條件下的巖石物理實(shí)驗(yàn), 使用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的微裂隙, 比較同等應(yīng)力條件下各巖石樣品的微裂隙發(fā)育數(shù)量累計(jì)、聲發(fā)射事件率、時(shí)空分布等參數(shù)特征, 總結(jié)不同巖性樣品在壓性環(huán)境及張性環(huán)境下微裂隙發(fā)育規(guī)律, 并結(jié)合野外構(gòu)造儲(chǔ)層研究,綜合討論渤中地區(qū)不同巖性潛山構(gòu)造儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力的優(yōu)劣, 為預(yù)測優(yōu)質(zhì)潛山儲(chǔ)層分布提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

渤海灣盆地是華北克拉通東部地塊上的一個(gè)中新生代盆地, 位于印度、歐亞和太平洋三大板塊交接的區(qū)域, 東界為郯城-廬江斷裂帶, 西界為太行山東麓斷裂帶, 北為燕山造山帶, 南為魯西地塊。其內(nèi)部垂向結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 據(jù)各沉積建造層間接觸關(guān)系、構(gòu)造變形特征, 將其顯生宙地層分為5 個(gè)構(gòu)造層: 印支期構(gòu)造層、燕山早期構(gòu)造層、燕山中期構(gòu)造層、燕山晚期構(gòu)造層及新生代構(gòu)造層。這些構(gòu)造層的變形是華北克拉通演化不同階段構(gòu)造過程的產(chǎn)物, 每幕變形都存在差異, 可能反映其破壞機(jī)制的不同(李三忠等, 2010; Li et al., 2012a; Zhang et al., 2020)。

渤中凹陷是渤海灣盆地的二級(jí)構(gòu)造單元, 位于盆地中部, 呈NE 走向, 西南寬北東窄, 面積約為8660 km2, 是渤海海域面積最大的一個(gè)凹陷(薛永安和王德英, 2020), 其地理位置東鄰渤東低凸起, 西鄰沙壘田隆起, 南鄰渤南低凸起, 北鄰石臼砣凸起,是渤海灣盆地的沉積中心和生油(氣)中心, 油氣資源豐富(圖1)。

渤中地區(qū)中、新生代不同期次的沉積盆地發(fā)育于印支期、燕山早-中期多期擠壓形成的區(qū)域收縮變形基底之上, 同時(shí), 又經(jīng)受燕山晚期、喜山期伸展構(gòu)造而發(fā)生了多期盆地疊加。其構(gòu)造形變的動(dòng)力背景可大致概括為: 印支期 S-N 向擠壓, 燕山早期NW-SE 向擠壓、中期左行壓扭, 燕山晚期伸展及喜山期右形張扭(李三忠等, 2010; Li et al., 2012b)。渤中凹陷是疊置在華北克拉通基底之上的中、新生代裂谷斷陷盆地。環(huán)渤中探區(qū)內(nèi)所鉆遇的古潛山儲(chǔ)層巖性復(fù)雜, 根據(jù)已有的地震剖面, 渤中凹陷由老到新依次發(fā)育有太古宇泰山群、下古生界寒武系及奧陶系、上古生界石炭系及二疊系、中生界侏羅系及白堊系, 其中, 太古宇變質(zhì)巖、古生界碳酸鹽巖、中生界火山巖地層都十分發(fā)育, 是潛山型油氣藏最主要的潛山儲(chǔ)層。

圖1 渤海灣盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?據(jù)李三忠等, 2010)Fig.1 Structural division of the Bohai Bay Basin

2 樣品特征與實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)鉆井資料, 渤中21-22 古潛山以灰?guī)r為主的古生界儲(chǔ)層、428 西潛山以安山巖為主的中生界儲(chǔ)層, 渤中19-6 潛山以片麻巖為主的太古宇儲(chǔ)層,都有明顯裂縫發(fā)育。本次實(shí)驗(yàn)選擇了太古宇二長花崗巖、片麻狀花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖、斜長角閃巖,古生界灰?guī)r和中生界安山巖6 種不同巖性的樣品。樣品采自于對(duì)應(yīng)渤中地區(qū)深部地層延伸至山東魯西地區(qū)的野外露頭, 采樣位置如圖1 所示, 采樣點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

結(jié)合渤中區(qū)域經(jīng)歷的擠壓和拉張構(gòu)造應(yīng)力場,本文分組進(jìn)行了壓性和張性條件的巖石加載實(shí)驗(yàn)。壓性實(shí)驗(yàn)樣品為高80 mm, 直徑40 mm 的圓柱樣;張性實(shí)驗(yàn)樣品為高30 mm, 直徑60 mm 的圓盤樣(圖2)。

表1 樣品時(shí)代及采樣位置Table 1 The ages and the locations of the samples

實(shí)驗(yàn)在中國地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行, 加載系統(tǒng)為CTM 微機(jī)伺服控制液壓萬能試驗(yàn)機(jī), 最大拉、壓荷載量程為1000 kN; 聲發(fā)射采集系統(tǒng)由一套40 dB 的前置放大器以及16 通道聲發(fā)射全波形記錄儀組成, AD 轉(zhuǎn)換分辨率為16 bit, 采樣率為3 MHz, 采集方式為16 位同步觸發(fā)各通道全波形連續(xù)采集。

樣品布局如圖2 所示, 實(shí)驗(yàn)中使用16 個(gè)直徑為5 mm 的聲發(fā)射探頭固定于實(shí)驗(yàn)樣品表面, 接收和記錄聲發(fā)射信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用荷載控制方式進(jìn)行加載,壓性實(shí)驗(yàn)加載速度為0.1 kN/s, 張性實(shí)驗(yàn)加載速度為0.02 kN/s。實(shí)驗(yàn)過程中保持加載過程與聲發(fā)射全波形采集。本文使用的聲發(fā)射定位分析軟件為中國地震局地質(zhì)研究所的軟件AE007, 其聲發(fā)射定位原理基于時(shí)差定位法, 并通過提高傳感器下限及控制波速范圍實(shí)現(xiàn)了平抑波速場不均對(duì)定位結(jié)果的誤差(劉培洵等, 2009, 2014)。聲發(fā)射定位后AE007 給出的定位結(jié)果包括聲發(fā)射的發(fā)生時(shí)間、波速及三維坐標(biāo)。定位結(jié)果直觀反映了巖石內(nèi)部聲發(fā)射源位置、裂紋初始位置、巖石損傷狀況和不同加載階段裂紋的發(fā)展程度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓性條件下的裂隙發(fā)育程度

3.1.1 微裂隙累計(jì)與時(shí)間特征

二長花崗巖、斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、安山巖、灰?guī)r5 種巖性樣品(花崗質(zhì)片麻巖未成功鉆取出符合規(guī)范的柱狀樣樣品, 沒進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn))的加載過程可分成壓實(shí)、彈性變形、塑性變形、破壞四個(gè)階段。結(jié)果顯示, 代表微裂隙發(fā)育的聲發(fā)射事件累計(jì)隨應(yīng)力而增加(圖3b), 在彈性變形階段斜率平緩, 進(jìn)入最后階段時(shí)斜率快速上升。在相同的加載方式下, 微裂隙發(fā)育數(shù)由多到少為: 二長花崗巖、斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、安山巖、灰?guī)r(圖3a)。斜長角閃巖和二長花崗巖的聲發(fā)射累計(jì)曲線相對(duì)平緩, 片麻狀花崗巖、安山巖及灰?guī)r則在曲線上出現(xiàn)數(shù)個(gè)臺(tái)階形變化, 說明這3 種巖性在加載過程中單位時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射活動(dòng)性更強(qiáng), 巖石內(nèi)部裂縫的形成、擴(kuò)展更劇烈。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品及傳感器排布Fig.2 Photos of tested samples and distribution of acoustic emission sensors

圖3 壓性環(huán)境下樣品聲發(fā)射累計(jì)(a)及應(yīng)力曲線(b)Fig.3 The stress curves (a) and the acoustic emission accumulation curves (b) of the rock samples under compressive stress

表2 壓性環(huán)境下各應(yīng)力階段聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)Table 2 Acoustic emissio n stati stics of the di fferent stress stages under compressive stress

3.1.2 不同壓應(yīng)力水平下微裂隙發(fā)育特征

不同壓應(yīng)力水平下, 5 種巖石類型的微裂隙發(fā)育數(shù)量和空間分布各有特點(diǎn)。在高、中、低應(yīng)力階段,二長花崗巖的微裂隙發(fā)育數(shù)量遠(yuǎn)大于其他巖性樣品,而灰?guī)r的微裂隙數(shù)量始終處于較低水平(表2, 圖4),二長花崗巖的宏觀裂縫也遠(yuǎn)多于灰?guī)r。在80 MPa低壓應(yīng)力狀態(tài)下, 斜長角閃巖因抗壓強(qiáng)度較小, 已經(jīng)有較多的微裂隙產(chǎn)生, 聲發(fā)射累計(jì)大致與二長花崗巖相同。在100～120 MPa 應(yīng)力階段, 斜長角閃巖已經(jīng)發(fā)生破碎, 片麻狀花崗巖、灰?guī)r和安山巖3 種樣品微裂隙發(fā)育水平接近。在高應(yīng)力狀態(tài)下, 太古宇兩塊變質(zhì)花崗巖微裂隙發(fā)育程度普遍高于中生界安山巖以及古生界灰?guī)r。

3.1.3 微裂隙空間分布

不同類型巖石的微裂隙發(fā)育空間位置也有所不同。在低壓應(yīng)力條件下, 斜長角閃巖、安山巖、二長花崗巖微裂隙零星分布于樣品兩端, 而灰?guī)r和片麻狀花崗巖則少見微裂隙發(fā)育。隨著壓應(yīng)力提高,各類巖石樣品逐漸被壓實(shí), 樣品內(nèi)部局部地區(qū)產(chǎn)生微裂隙, 在高壓應(yīng)力條件下微裂隙逐漸連接形成宏觀貫通裂隙。不同巖石樣品中, 宏觀裂縫貫通形態(tài)表現(xiàn)不同: ①安山巖最早在樣品中間位置出現(xiàn)微裂隙, 并穩(wěn)定向下擴(kuò)展(圖4a); ②灰?guī)r在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中微破裂的產(chǎn)生都處于很低水平, 持續(xù)較長時(shí)間后,在樣品下部產(chǎn)生微裂隙, 并逐漸向上擴(kuò)展(圖 4b);③二長花崗巖隨著應(yīng)力增加, 在樣品上部大量微裂隙產(chǎn)生擴(kuò)展, 并逐漸向中部集中, 兩端的微裂隙向中間貫通并于最后形成宏觀貫通裂縫(圖4c); ④片麻狀花崗巖在高壓應(yīng)力條件下可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量微裂隙, 并形成裂隙集中區(qū), 大量微裂隙迅速拓展匯合, 逐漸成核, 并向樣品下中部進(jìn)一步拓展,形成一條大的裂隙, 最終形成貫通的裂縫(圖 4d);⑤斜長角閃巖樣品則在樣品上部產(chǎn)生了微裂隙, 并向中間擴(kuò)展(圖4e)。

壓性環(huán)境下微裂隙最為發(fā)育的是二長花崗巖(圖4), 結(jié)合聲發(fā)射事件率及空間分布(圖5), 二長花崗巖在整個(gè)受力變形過程中都有微裂隙產(chǎn)生, 聲發(fā)射事件率整體呈逐漸增加的趨勢, 并出現(xiàn)多次突增。根據(jù)聲發(fā)射定位結(jié)果顯示, 加載初期, 聲發(fā)射事件主要在樣品兩端零星分布; 隨應(yīng)力增加, 微裂隙數(shù)量繼續(xù)上升, 并持續(xù)定位在樣品下部, 開始形成一個(gè)明顯的聲發(fā)射集中區(qū)域, 樣品上部僅有零星的少數(shù)定位結(jié)果, 中部則為聲發(fā)射空白區(qū)域, 說明樣品下部的大量微裂隙開始穩(wěn)定擴(kuò)展。1125 s 后, 樣品下部裂隙集中區(qū)成形, 微裂隙開始出現(xiàn)于樣品上中部分, 上半部分的定位結(jié)果逐漸密集, 中部聲發(fā)射空白區(qū)逐漸消失(圖5a)。加載到1530 s 時(shí), 樣品聲發(fā)射率開始突增, 短時(shí)間內(nèi)大量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生于樣品上部, 形成第二個(gè)聲發(fā)射集中區(qū), 說明這個(gè)階段大量微裂隙在樣品上部產(chǎn)生擴(kuò)展(圖5b)。此后, 定位的樣品聲發(fā)射結(jié)果逐漸向中部集中, 兩端的微裂隙向中間貫通, 最后形成宏觀貫通裂縫(圖5c)。實(shí)驗(yàn)說明二長花崗巖宏觀裂縫產(chǎn)生過程是一個(gè)典型的由大量小裂隙拓展貫通成大裂縫的過程。

圖4 壓性環(huán)境下各應(yīng)力階段微裂隙空間分布Fig.4 Distribution of the microfractures in five types of rock samples in the different stress stages under compressive stress

圖5 壓性環(huán)境下二長花崗巖聲發(fā)射事件率及空間分布演化Fig.5 The event rate of the acoustic emission and the distribution of microfractures in the monzogranite sample under compressive stress

3.2 張性條件下的裂隙發(fā)育程度

3.2.1 微裂隙累計(jì)與時(shí)間特征

張性環(huán)境下, 6 種巖石樣品的微裂隙累計(jì)特征如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)初期少量先存裂隙因應(yīng)力作用發(fā)生擴(kuò)展后, 代表微裂隙的聲發(fā)射累計(jì)增速變慢, 累計(jì)曲線斜率趨于穩(wěn)定; 至塑性變形及破壞階段, 聲發(fā)射數(shù)量突增, 曲線斜率達(dá)到最大值, 樣品裂開破碎。雖然6 種樣品最終破碎形態(tài)相似, 但是由于不同巖性樣品的礦物含量和結(jié)構(gòu)差異, 加載過程中, 微裂隙發(fā)育特征并不相同?？傮w來說, 張性環(huán)境下達(dá)到應(yīng)力峰值強(qiáng)度時(shí), 微裂隙發(fā)育數(shù)由多到少為: 斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖、安山巖、灰?guī)r。張性環(huán)境下, 各個(gè)樣品的微裂隙累計(jì)數(shù)量差距并不大, 太古宇4 種巖性樣品內(nèi)部裂縫發(fā)育程度相當(dāng),但斜長角閃巖、花崗質(zhì)片麻巖、二長花崗巖及灰?guī)r的微裂隙累計(jì)曲線更為平順, 裂隙的發(fā)育過程較為平緩; 片麻狀花崗巖和安山巖微裂隙累計(jì)曲線出現(xiàn)多個(gè)階梯型變化, 裂隙發(fā)育及擴(kuò)展較為劇烈。

3.2.2 不同張應(yīng)力水平下微裂隙發(fā)育特征

6 種不同巖性樣品在不同張應(yīng)力水平下, 其微裂隙發(fā)育數(shù)量和空間分布有所差異(表3, 圖7)。在2 MPa 的低張應(yīng)力階段, 抗拉強(qiáng)度偏低的花崗質(zhì)片麻巖和灰?guī)r已產(chǎn)生了一定規(guī)模的聲發(fā)射事件, 樣品內(nèi)部的微裂隙發(fā)育程度高于其他巖性樣品。在 3～4 MPa 這一應(yīng)力水平下, 斜長角閃巖、花崗質(zhì)片麻巖和灰?guī)r產(chǎn)生貫通的裂縫都發(fā)生破碎; 峰值強(qiáng)度前,大量聲發(fā)射集中出現(xiàn)。在6 MPa 的高張性環(huán)境下, 二長花崗巖聲發(fā)射事件累計(jì)更高, 樣品內(nèi)微裂隙更發(fā)育, 片麻狀花崗巖與安山巖破碎程度較為接近。

3.2.3 微裂隙空間分布

安山巖加載初期有一段聲發(fā)射活躍期, 微裂隙出現(xiàn)在樣品兩端, 聲發(fā)射事件累計(jì)隨應(yīng)力的增加而上升,但樣品聲發(fā)射事件率一直處于較低水平, 集中于樣品上半部分局部區(qū)域內(nèi)。隨后出現(xiàn)兩次短暫的突增, 說明樣品上半部分出現(xiàn)大量的微裂隙, 并穩(wěn)定向下擴(kuò)展延伸, 最終下部裂隙貫通形成主破裂面(圖7a)。

灰?guī)r在張性條件下微裂隙發(fā)育少, 主要集中于樣品下端的較小區(qū)域內(nèi), 其余部分幾乎沒有聲發(fā)射事件產(chǎn)生。高張應(yīng)力條件下, 在下部出現(xiàn)較大規(guī)模的微裂隙, 并向中部擴(kuò)展, 逐漸形成貫通的宏觀破裂面(圖7b)。

片麻狀花崗巖在低張應(yīng)力環(huán)境下微裂隙的產(chǎn)生并不明顯, 僅零星分布。中等張應(yīng)力條件下, 短時(shí)間內(nèi)大量微裂隙密集出現(xiàn)于樣品左半部分, 形成集中區(qū), 意味著樣品左半部分形成的微裂隙, 在這段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定擴(kuò)展, 且逐漸匯合貫通。高張應(yīng)力條件下,樣品微裂隙率開始穩(wěn)步提升, 并在峰值強(qiáng)度前達(dá)到最高, 樣品右半部分出現(xiàn)大量微裂隙, 形成第二條貫通的裂縫(圖7c)。

二長花崗巖早期的微裂隙分布較為均勻, 沒有形成明顯的微裂隙集中區(qū)。高張應(yīng)力狀態(tài)下, 新增的微裂隙在樣品中上部分形成明顯的條狀聚集區(qū),說明大量裂隙在此時(shí)擴(kuò)展迅速, 匯合貫通形成滑動(dòng)面(圖7d)。

圖6 張性環(huán)境下樣品聲發(fā)射累計(jì)(a)及應(yīng)力曲線(b)Fig.6 The acoustic emission accumulation curves (a) and the stress curves (b) of the rock samples under tensile stress

斜長角閃巖變形破壞過程與安山巖較為相似。前期微裂隙主要發(fā)生在樣品上部, 隨后, 大規(guī)模的聲發(fā)射事件集中出現(xiàn)在樣品上部, 隨著載荷的增加,樣品中、下部出現(xiàn)了大量新的微裂隙, 且上、下裂隙貫通成宏觀破裂面(圖7e)。

花崗質(zhì)片麻巖在加載早期的短時(shí)間內(nèi), 中部產(chǎn)生小規(guī)模的微裂隙。高應(yīng)力階段, 樣品中部的微裂隙不斷匯聚連接并向兩端擴(kuò)展, 最終形成一貫通的的裂縫, 微裂隙幾乎出現(xiàn)于整個(gè)樣品內(nèi)部, 破碎程度較高(圖7f)。

表3 張性環(huán)境下各應(yīng)力階段聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)Table 3 Acoustic emission statistics of the different stress stages under tensile stress

圖7 張性環(huán)境下各應(yīng)力階段聲發(fā)射空間分布Fig.7 Distribution of the microfractures in five types of rock samples in the different stress stages under tensile stress

斜長角閃巖在張性環(huán)境下, 微裂隙數(shù)量最多,樣品內(nèi)部破碎程度高于其他巖性(圖7)。其聲發(fā)射事件率及空間分布如圖8, 在0～400 s 階段, 斜長角閃巖的聲發(fā)射率一直處于穩(wěn)定的水平, 聲發(fā)射主要發(fā)生在樣品上部, 說明大量微裂隙在此部分產(chǎn)生, 并隨著應(yīng)力的增發(fā)而發(fā)生擴(kuò)展(圖8a)。400 s 后, 聲發(fā)射率大幅上升, 大規(guī)模的微裂隙集中出現(xiàn), 定位結(jié)果除了出現(xiàn)在樣品上部的集中區(qū)域外, 樣品的中下部也出現(xiàn)了聲發(fā)射事件集叢, 說明上部裂隙拓展連接的同時(shí), 隨著載荷的增加, 樣品中下部出現(xiàn)了大量新的微裂隙(圖8b)。437 s 時(shí), 應(yīng)力出現(xiàn)一次明顯的下降, 此時(shí), 上、下部的微裂隙貫通成宏觀破裂面,與聲發(fā)射結(jié)果吻合(圖8c)。

從微破裂累計(jì)特征(圖3a、6a)可以看出, 同一巖性的巖石樣品, 在壓性環(huán)境和張性環(huán)境下, 都產(chǎn)生了一定規(guī)模的聲發(fā)射事件。張性環(huán)境下的微裂隙累計(jì)數(shù)量明顯小于壓性環(huán)境下的。巖石作為典型的脆性材料, 強(qiáng)度大韌性小, 受力過程中, 其內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生、拓展、貫通, 是聲發(fā)射最主要的來源。結(jié)合實(shí)驗(yàn)后樣品的宏觀裂縫, 結(jié)果證明: 在兩種應(yīng)力環(huán)境下, 6 種不同巖性樣品內(nèi)部均發(fā)生了不同程度的破碎及裂隙發(fā)育。從環(huán)渤中地區(qū)儲(chǔ)層尺度來看, 各巖性的儲(chǔ)層在以擠壓或張扭應(yīng)力為主的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期下都具有發(fā)育構(gòu)造裂縫的能力, 滿足成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的基本條件。環(huán)渤中地區(qū)古潛山儲(chǔ)層現(xiàn)存的豐富裂縫并不是在某一地質(zhì)歷史時(shí)期集中發(fā)育, 而是在各構(gòu)造期經(jīng)歷多期次擠壓、拉張應(yīng)力過程中累計(jì)產(chǎn)生的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 在相同的構(gòu)造應(yīng)力下, 不同巖性的儲(chǔ)層, 其構(gòu)造裂縫發(fā)育能力存在明顯差異。中低應(yīng)力環(huán)境中, 樣品裂縫發(fā)育程度往往受到巖石強(qiáng)度的影響, 抗壓(拉)強(qiáng)度較小的樣品在中低應(yīng)力階段會(huì)產(chǎn)生更多的微裂隙, 樣品內(nèi)部破碎程度更高。例如, 壓性條件下的斜長角閃巖、二長花崗巖及安山巖, 張性環(huán)境下的斜長角閃巖、花崗質(zhì)片麻巖、灰?guī)r, 在中低應(yīng)力階段皆產(chǎn)生了一定規(guī)模的微裂隙,累計(jì)數(shù)量高于相同應(yīng)力水平下其他巖性樣品。而在高應(yīng)力環(huán)境中, 無論是在張性條件下還是壓性條件下, 太古宇變質(zhì)巖聲發(fā)射事件數(shù)最高, 樣品內(nèi)部破碎程度高于古生代及中生代樣品, 意味著環(huán)渤中地區(qū)在以擠壓和張扭為主要應(yīng)力的地質(zhì)時(shí)期, 太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層造裂縫發(fā)育能力更高, 油氣儲(chǔ)集能力更強(qiáng), 成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測的重點(diǎn)研究區(qū)域; 而中生界火成巖儲(chǔ)層、古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層次之。

兩種應(yīng)力狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)中, 聲發(fā)射時(shí)間-空間演化呈現(xiàn)良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 成規(guī)模的聲發(fā)射較早出現(xiàn)的巖石樣品, 裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展較早出現(xiàn); 聲發(fā)射定位分布集中的巖石樣品, 對(duì)應(yīng)部位的破碎程度最高。聲發(fā)射定位結(jié)果揭示在壓性及張性環(huán)境下6 種巖性樣品微裂隙產(chǎn)生的起始位置、拓展方向以及發(fā)育程度。

圖8 張性環(huán)境下斜長角閃巖聲發(fā)射事件率及空間分布演化Fig.8 The event rate of th e acoustic emission and the distribution of microfractures in plagioclase amphibole sample under tensile stress

4 討 論

4.1 野外露頭的裂隙發(fā)育程度

根據(jù)鉆井資料, 渤中凹陷深層儲(chǔ)層成因類型多,物性差異大, 有效儲(chǔ)層形成機(jī)理與分布規(guī)律制約著深層勘探的進(jìn)一步發(fā)展。潛山儲(chǔ)層、儲(chǔ)層巖性種類多而變換快以及主控因素復(fù)雜是影響優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層預(yù)測最為突出的問題, 為此, 眾多學(xué)者對(duì)潛山構(gòu)造儲(chǔ)層開展了大量研究(王學(xué)軍等, 2003; 楊明慧, 2008;Yang et al., 2017; 侯明才等, 2019)。渤中地區(qū)已鉆遇的潛山儲(chǔ)層, 按照時(shí)代和巖性, 可分為太古宇變質(zhì)花崗巖潛山、古生界碳酸鹽巖潛山和中生界火成巖潛山等。

根據(jù)魯西地區(qū)野外儲(chǔ)層研究, 太古宇變質(zhì)花崗巖可分為: 有上覆蓋層和無上覆蓋層兩類; 古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層分為: 直接出露和被中生界覆蓋兩類;中生界火山巖儲(chǔ)層按相和內(nèi)部構(gòu)造特征不同, 則可分為數(shù)類。構(gòu)造作用是控制裂縫型儲(chǔ)層最重要的因素, 上覆蓋層越新, 地層直接遭受構(gòu)造作用的期次越多, 儲(chǔ)層裂縫更為發(fā)育; 在相同的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造下, 巖性是影響儲(chǔ)層發(fā)育的重要因素, 同一地質(zhì)時(shí)期, 不同巖性的儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度并不相同。

野外儲(chǔ)層露頭表現(xiàn)為, 3 種不同類型的潛山儲(chǔ)層中, 無上覆蓋層的太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫最為發(fā)育, 儲(chǔ)集能力強(qiáng)于有中生界蓋層的太古宇儲(chǔ)層以及其他地質(zhì)時(shí)期的儲(chǔ)層; 在無上覆蓋層的太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層中, 裂縫發(fā)育程度依次為: 斜長角閃巖、花崗質(zhì)片麻巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖和鉀長花崗巖(圖9)。這與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致, 即太古宇變質(zhì)巖, 在不同的應(yīng)力環(huán)境及條件下, 都有良好的裂縫發(fā)育, 且發(fā)育程度均高于其他兩個(gè)地質(zhì)時(shí)期儲(chǔ)層巖石; 太古宇4 種變質(zhì)巖樣品在兩種應(yīng)力環(huán)境下微裂隙發(fā)育有一定差異。野外觀察到的太古宇各巖性儲(chǔ)層裂縫發(fā)育結(jié)果不僅受到構(gòu)造作用的多期疊加改造,更經(jīng)歷長時(shí)間的風(fēng)化作用影響, 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,表現(xiàn)更為復(fù)雜。

4.2 構(gòu)造作用對(duì)儲(chǔ)層的影響

渤海灣地區(qū)晚古生代和中生代構(gòu)造演化過程及構(gòu)造格局對(duì)于研究前新生界潛山儲(chǔ)層優(yōu)劣有著極為關(guān)鍵作用。隨著盆地內(nèi)地層學(xué)、沉積學(xué)、盆內(nèi)外構(gòu)造學(xué)的發(fā)展和綜合應(yīng)用, 建立了渤中地區(qū)印支期S-N 向擠壓、燕山早期NW-SE 向擠壓、燕山中期NE 向左行壓扭、燕山晚期拉張、喜山期右行張扭的中-新生代潛山構(gòu)造演化模式。其中印支期和燕山期構(gòu)造格局如圖10 所示, 即渤中西部隆起區(qū)(如石臼砣凸起)保留印支期E-W 向的隆凹格局, 發(fā)育大型潛山; 渤中中部斷陷區(qū)(如渤中凹陷)為多期走滑斷陷, 發(fā)育小型低矮潛山; 渤中東部隆起區(qū)(如渤南低凸起)在印支期隆凹構(gòu)造發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 呈NEE 或NNE 向展布,發(fā)育中低隆起。三個(gè)區(qū)帶成儲(chǔ)模式不同, 中部斷陷區(qū)構(gòu)造儲(chǔ)層發(fā)育條件較好。從研究區(qū)巖性分布來看, 中生界安山巖主要分布在石臼砣凸起東部各個(gè)構(gòu)造區(qū);灰?guī)r分布在古生界馬家溝組, 在研究區(qū)內(nèi)見于渤中坳陷中部; 各類太古宇變質(zhì)巖則更常見于渤中坳陷南部渤南低凸起附近的潛山帶(圖10)。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 上覆地層較新的渤中凹陷南部太古宇變質(zhì)巖潛山地層成儲(chǔ)條件優(yōu)于渤中凹陷北部地區(qū)。綜合巖性對(duì)于儲(chǔ)層發(fā)育的基礎(chǔ)作用以及構(gòu)造作用對(duì)于裂縫形成的關(guān)鍵影響, 可以認(rèn)為, 渤南中部斷陷區(qū)太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層擁有更高的油氣儲(chǔ)集能力, 也是深部油氣勘探最現(xiàn)實(shí)的有利區(qū)。

4.3 巖性對(duì)儲(chǔ)層的影響

研究區(qū)發(fā)育以斜長角閃巖、片麻狀花崗巖、二長花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖為主的太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層,以灰?guī)r為主的古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層, 以安山巖為主的中生界火成巖儲(chǔ)層, 這些都是環(huán)渤中深層油氣的主要貢獻(xiàn)者。因此, 研究這6 種巖石的力學(xué)特性, 尤其是在擠壓、拉張兩種應(yīng)力環(huán)境下內(nèi)部裂縫發(fā)育規(guī)律, 對(duì)于渤中凹陷深層潛山優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測以及深層勘探的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。

根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 在相同的應(yīng)力條件下,古生界變質(zhì)巖內(nèi)部裂縫的發(fā)育程度普遍高于古生界灰?guī)r以及中生界安山巖, 這些在野外儲(chǔ)層研究以及渤中地區(qū)鉆井資料中都得到了驗(yàn)證。同時(shí), 聲發(fā)射作為反映巖石內(nèi)部破壞程度和損傷機(jī)制的有效手段,在構(gòu)造儲(chǔ)層研究中有良好的應(yīng)用前景; 構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度是評(píng)估儲(chǔ)層處理能力的必要因素。鑒于環(huán)渤中地區(qū)深層潛山復(fù)雜的地質(zhì)情況和較為有限的鉆井平臺(tái), 在預(yù)測優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層時(shí), 有必要充分考慮在各個(gè)地質(zhì)時(shí)期、構(gòu)造應(yīng)力條件下不同巖性的儲(chǔ)層裂縫發(fā)育的能力, 以提高勘探成功率。因此, 在已有鉆井資料的基礎(chǔ)上, 通過與中國東部地層時(shí)空對(duì)比, 利用巖石物理實(shí)驗(yàn)方法對(duì)儲(chǔ)層典型巖石開展變形破壞研究將十分必要。

圖9 魯西地區(qū)太古宇典型野外露頭Fig.9 Photos of typical Archean outcrops in the western Shandong province

圖10 渤海灣盆地油氣田及渤中構(gòu)造區(qū)巖性分布(據(jù)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 結(jié) 論

通過對(duì)渤中凹陷太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層、古生界碳酸鹽巖儲(chǔ)層、中生界火成巖儲(chǔ)層中6 種代表性的潛山樣品——二長花崗巖、片麻狀花崗巖、花崗質(zhì)片麻巖、斜長角閃巖、灰?guī)r、安山巖在壓性和張性構(gòu)造應(yīng)力條件下的微裂隙發(fā)育實(shí)驗(yàn), 觀察巖石變形過程中聲發(fā)射特征以及微裂隙時(shí)空分布的特點(diǎn), 得出以下新認(rèn)識(shí):

(1) 在擠壓和拉張兩種應(yīng)力環(huán)境下, 6 種巖性的樣品皆出現(xiàn)了一定規(guī)模的聲發(fā)射現(xiàn)象, 樣品內(nèi)部裂縫發(fā)育, 具備構(gòu)造成儲(chǔ)的條件; 在同一應(yīng)力水平下,太古宇變質(zhì)巖聲發(fā)射活動(dòng)更強(qiáng), 裂縫發(fā)育能力更高,其油氣儲(chǔ)集能力優(yōu)于古生界碳酸鹽巖以及中生界火成巖, 與野外露頭結(jié)果吻合。

(2) 構(gòu)造作用是裂縫形成的關(guān)鍵, 渤中凹陷的中部斷陷區(qū)成儲(chǔ)條件更好; 從巖性分布上, 渤南地區(qū)上覆較新地層的太古宇變質(zhì)巖儲(chǔ)層更利于構(gòu)造裂縫的形成, 擁有更高的油氣儲(chǔ)集能力, 是深部油氣勘探最現(xiàn)實(shí)的有利區(qū)。

致謝:實(shí)驗(yàn)期間中國地震局地質(zhì)研究所劉培洵副研究員、郭彥雙助理研究員和齊文博工程師給予了指導(dǎo)和幫助, 在此一并致以誠摯的謝意。