天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 8: 1139 - 1151

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.011

天然气地质学

典型碳酸盐岩渗透力学行为特征及其对储、盖性质的判定

  • 林潼 , 1 ,
  • 王铜山 1 ,
  • 董景海 2 ,
  • 曾寅 3 ,
  • 武志德 1
展开
  • 1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 2. 大庆油田有限责任公司勘探事业部, 黑龙江 大庆 163453
  • 3. 四川大学水力水电学院，四川 成都 610065

林潼（1980-），男，福建福州人，高级工程师，博士，从事天然气地质勘探与基础实验研究.E-mail：.

收稿日期: 2020-04-17

  修回日期: 2020-05-12

  网络出版日期: 2020-07-29

基金资助

国家科技重大专项(2017ZX05008006-001)

中国石油股份公司科技项目(2018A-0104)

收起

Using permeability mechanics behavior of typical carbonate to identify reservoir and caprock properties

  • Tong LIN , 1 ,
  • Tong-shan WANG 1 ,
  • Jing-hai DONG 2 ,
  • Yin ZENG 3 ,
  • Zhi-de WU 1
Expand
  • 1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development，Beijing 100083, China
  • 2. Exploration Department of Daqing Oilfield Co. Ltd. , Daqing 163453, China
  • 3. College of Water and Hydropower of Sichuan University, Chengdu 610065, China

Received date: 2020-04-17

  Revised date: 2020-05-12

  Online published: 2020-07-29

Fold

本文亮点

目前对碳酸盐岩的研究主要关注其油气的储集空间，针对含油气盆地中碳酸盐岩的勘探也主要是为了寻找优质的油气储集体。然而，随着油气勘探向深层更古老的地层拓展，有效的碳酸盐岩储—盖配置显得至关重要。勘探证实，深埋条件下碳酸盐岩有利相带仍然发育高孔渗的优质储集体，然而是否发育与之配置的碳酸盐岩盖层就成为了制约深层碳酸盐岩油气勘探的关键因素。首次系统全面地通过对典型碳酸盐岩开展不同温度条件下三轴应力加载全过程渗透力学试验，得出了碳酸盐岩在破坏变形过程中渗透率随温度、围压的演化过程。试验分析结果显示，典型白云岩和典型灰岩在深埋应力作用过程中渗透力学行为特征具有明显差异，白云岩更多地显示出储集性能的特征，表现为脆—塑转换临界围压较大，岩石更容易形成裂缝，渗透率随温度的增加而增大等；而灰岩则表现出盖层的属性，体现在脆—塑转换临界围压小于白云岩，岩石相对容易形成密闭，渗透率随温度的增大逐渐减小。综合分析认为，白云岩和灰岩的纵向叠置能够形成有效的油气藏储—盖组合。

本文引用格式

林潼 , 王铜山 , 董景海 , 曾寅 , 武志德 . 典型碳酸盐岩渗透力学行为特征及其对储、盖性质的判定[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(8) : 1139 -1151 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.05.011

Highlights

At present, the study of carbonate rocks mainly focuses on the reservoir space of oil and gas. However, as oil and gas exploration expands into deeper and more ancient formations, effective carbonate reservoir-cap configuration becomes more critical. Exploration has proved that high porosity and permeability reservoirs are still developed in the favorable carbonate facies zones under deep burial conditions, but the development and configuration of carbonate cap has become a key factor restricting the exploration of deep carbonate rocks. In this study, the permeability evolution with temperature and confining pressure in the process of carbonate rock failure and deformation is obtained for the first time systematically and comprehensively by conducting the permeation mechanics test for the whole process of triaxial stress loading under different temperature conditions for typical carbonate rock. Experimental analysis results show that the penetration of typical dolomite and typical limestone in the process of deep stress mechanics behavior characteristics has obvious difference. Dolomite shows that, the characteristics is more towards the reservoir property, the brittle-plastic conversion critical confining pressure is larger, rock is easier to form cracks, rock permeability increases with the increase of temperature, etc. Generally, the limestone shows the properties of the cap, for example, the critical confining pressure of brittle plastic transformation is lower than that of dolomite, the rock is relatively easy to be closed, and the permeability decreases with the increase of temperature. It is concluded that the longitudinal superposition of dolomite and limestone in carbonate rocks can form an effective reservoir-cap assemblage.

0 引言

碳酸盐岩发育礁(丘)滩体、缝洞体、岩溶带、裂缝带、白云岩等多种类型有利储集体，储集体发育带（区）具备形成大规模的碳酸盐岩油气藏。作为油气的重要储集体，碳酸盐岩油气储量十分丰富，中国陆上海相碳酸盐岩预测石油地质资源量为340×108 t，天然气地质资源量为24.3×1012 m3[1]。由于在深埋过程中碳酸盐岩储集空间的形成与保存机制优于易受压实而减孔的碎屑岩[2-4]，因此随着油气勘探向深层更古老、更复杂领域转移，碳酸盐岩必将成为今后勘探的重点。近10年来，我国针对碳酸盐岩油气勘探设立了多个国家重大专项攻关课题，形成了多项重大理论创新与科研成果[5]，发现了一批碳酸盐岩油气田。在四川盆地、塔里木盆地和鄂尔多斯盆地新元古界到古生界发育大套的碳酸盐岩地层，油气地质储量丰富。目前四川盆地川中地区震旦系—寒武系碳酸盐岩地层已经探明发现万亿立方米大气田——安岳气田[6-8]，形成了以古裂陷、古隆起、古礁滩和古圈闭的“四古”控藏认识；川东北和川西北深层碳酸盐岩地层也已勘探并形成了规模的油气田[9-11]。塔里木盆地在塔北、塔中地区震旦系—寒武系—奥陶系多套碳酸盐岩层系中发现了规模油气储量，仅塔北地区奥陶系就发现了塔河、英买力、轮南等多个油气田[12]，多口井日产油气当量超百吨，显示出丰富的油气资源与强劲的勘探前景，并建立了“风化岩溶”、“层间岩溶”与“顺层岩溶”等碳酸盐岩的储层发育模式[2,13]，有力指导了碳酸盐岩的勘探部署。2011年中深1井在中下寒武统白云岩地层中获日产15.8×104 m3工业气流，打开了塔里木盆地碳酸盐岩勘探新的领域[14-16]，实现了向更深、更古老的地层迈进。在鄂尔多斯盆地，下古生界奥陶系马家沟组多层段发育岩溶风化壳型储层，发现了以靖边气田为代表的碳酸盐岩大气田[17]。虽然我国的海相层系碳酸盐岩已经勘探发现了大批油气田，但前景仍然十分广阔、勘探潜力十分巨大。
正如前文所述，在传统的认识中碳酸盐岩一直扮演着油气储集层的角色，碳酸盐岩的勘探主要以寻找优质的储层发育带（区）为主要目标，所建立的理论与模型也主要体现在优质储层形成与发育方面。然而，也有部分碳酸盐岩油气藏的形成不仅与其储集性有关，还与其封盖属性密切相关。比如塔北隆起北斜坡奥陶系鹰山组鹰三段油气藏的形成[18-19]。虽然上奥陶统桑塔木组泥岩良里塔格组泥质碳酸盐岩是区域上的油气封盖层，与鹰山组广泛发育的多期溶蚀、构造破裂作用形成的碳酸盐岩储层构成了良好的储—盖组合，但是鹰山组发育的致密灰岩层却是该区鹰三段的直接遮挡层，正是这套横向稳定发育、纵向厚度大的致密灰岩层与缝洞发育层有效的配置关系才形成了鹰山组下段油气藏。

1 碳酸盐岩作为封盖层的潜力

近年来勘探者逐渐认识到碳酸盐岩盖层是否有效存在，成为制约深层碳酸盐岩勘探的关键因素之一[18,20]。例如塔里木盆地中下寒武统，近年来勘探证实围绕塔中—巴楚古隆起的边部发育肖尔布拉克组礁滩型储层[21-22]，楚探1井肖尔布拉克组在埋深7 560 m处仍然发育大量的白云石晶间溶孔，孔隙度达5.2%，说明深层有效储层是否发育并不是塔里木盆地寒武系碳酸盐岩勘探的主要问题，而烃源岩层、盖层与储集层的配置关系才是关键。巴楚隆起西部的舒探1井不仅证实了下寒武统肖尔布拉克组发育大量的优质储层，同时岩心中丰富的沥青、薄片中沥青包裹体、烃类包裹体也证实了中下寒武统曾经发生过烃类的充注，只是由于盖层的封闭性与保存因素造成了油气藏的破坏[20]。林潼等[20]通过对塔里木盆地中寒武统膏岩盖层的分析，指出膏岩盖层作为油气的封闭层存在着深度的限制，而盐岩层虽然是优质的盖层但是区域发育范围十分有限，是否可以认为深层没有盐岩盖层发育的地区碳酸盐岩就没有勘探潜力？
塔里木盆地寒武系发育多期台缘礁滩体，台缘带的走向从南部古城到塔北延绵数百公里，纵向上丘滩体向盆地方向叠置生长。虽然礁滩体储层发育，但是受沉积相带空间配置控制，在礁滩体储层上部并未发育深海相的泥岩或蒸发台地相的膏盐岩可以作为盖层。如果因为盖层认识上的原因而放弃寒武系广阔的勘探领域必将使得深层碳酸盐岩的油气勘探失去前景。在准确识别出塔里木盆地古城地区寒武系礁滩体的基础上，笔者开展了与礁滩体纵向叠置的潜在盖层分析。通过选取古城601井鹰三段的岩心开展突破压力值测定，结果如表1显示，6 063~6 096 m井段的泥晶灰岩突破压力值分布在7.11~25.1 MPa之间，平均突破压力值为11.8 MPa；而6 110~6 137 m井段的白云岩平均突破压力值为5.04 MPa，白云岩储层的突破压力值比泥晶灰岩小6 MPa，该差值高于前人研究得出的2 MPa盖—储突破压力差临界值[18]，说明灰岩具有成为直接盖层的能力。
表1 古城地区井下鹰三段灰岩、白云岩突破压力值

Table 1 Breakthrough pressure values of limestone and dolomite in Yingshan 3rd section in Gucheng area

井号 层段 岩　性 井段 /m 孔隙度 /% 渗透率 /(10-3 μm2) 突破压力 /MPa 备注
古城601 鹰三段 泥晶灰岩 6 063.75 0.1 0.000 463 10.16 环压45 MPa； 饱和煤油
泥晶灰岩 6 068.25 0.1 0.000 8 8.44
泥晶灰岩 6 095.54 0.3 0.002 73 25.1
泥晶灰岩 6 096.4 0.3 0.003 58 7.11
泥晶灰岩 8.17 重复样
纹层状粉晶云岩 6 109.69 0.7 0.001 99 4.73
纹层状粉晶云岩 6 135.52 0.3 0.000 995 7.18
灰色云岩 6 137.11 1.2 0.003 22 4.04
灰色云岩 4.23 重复样

2 岩石渗透力学试验的意义与试验设计

为了深入判别碳酸盐岩作为盖层与储层时所具有的岩石属性特征，寻找潜在的碳酸盐岩盖层以及明确该类型盖层的形成条件，拓展碳酸盐岩油气勘探的空间与领域。本文从岩石力学的角度选取典型的白云岩和灰岩进行渗透力学试验，以期能够明确这2种类型的碳酸盐岩储盖性质，为深层条件下寻找碳酸盐岩油气藏提供理论依据。
众所周知，岩石的封闭能力是评价盖层有效性的关键。突破压力值是评价岩石封闭能力的关键参数，理论上作为盖层的岩石对油气的突破压力大于所要遮挡储层岩石的突破压力时就能够形成对油气的封盖作用。因而，在实际评价盖层有效性时往往仅重视盖层的封闭能力而忽略了盖层的受力形变过程。在复杂构造地区特别是断裂发育区，盖层岩石由于发生了形变，原先致密的盖层形成了微裂隙网络空间[23-24]或者直接破裂，导致盖层渗透能力急剧增大，盖层岩石的封闭性受到严重威胁。所以，在评价盖层有效性时不能仅考虑静态的封闭能力，更需要考虑在受力形变过程中动态的渗透性演变。
为此，本文研究设计了三轴应力加载破坏全过程的气测渗透率试验，通过不同形变阶段渗透率值的变化评价盖层封闭的稳定性。同时考虑到实际埋藏条件下盖层所处的温压因素，设计了不同围压和不同温度条件下三轴应力加载破坏全过程的渗透率测定。受国内实验室仪器精度和不同仪器联合测试耦合性的限制，目前上述方法主要在国外开展较多[23,25-27]。本文试验基于MTS815 Flex GT岩石力学试验系统，结合自主研发设计的低渗透性岩石渗透测试装备，该设备由计算机数据采集系统、气体渗流系统、静水围压加载系统3部分构成，采用气体脉冲衰减法（瞬态法）测量渗透率，保证低渗透性岩石渗透率真实性与准确度。围压加载最大可至65.50 MPa，渗透率测量范围在10-7~10-2 μm2之间，孔隙度最低可测量至0.1%。将2部分高精度试验设备耦合，开展碳酸盐岩气固耦合下渗透力学行为研究。所有试样三轴加载渗透测试之前均烘干后干燥保存。2种岩性渗透力学行为测试的流程与方法一致,初始点渗透率测试完成之后再进行轴向加载，直至试样发生变形破坏。加载过程中渗透测试点均匀分布在加载全过程，当达到指定应力点时采用瞬态法[28]测试该应力点处渗透参数。每个试样保证加载破坏全过程中有10个以上测点，其中保证在峰值应力点处1个测点、峰值应力后3个以上。试验过程首先加载围压，速率为3 MPa/min，至目标围压值后，开始轴向应力加载，其中峰值应力前采用力控加载，速率30 KN/min，峰后转为环向位移控制，速率0.02 mm/min，至试样破坏，进而获得完整应力应变曲线。

3 典型白云岩与灰岩的渗透力学行为试验

3.1　样品的制作

将野外采集的新鲜致密块状白云岩和灰岩运回试验室后，采用数控车床干车法精加工成直径38 mm、高度76 mm的圆柱形，并对试样光滑打磨处理满足岩石力学试验对试样平行度、平整度及轴线垂直度的要求。同时，为避免测试加载过程中端部效应的影响，在试样两端制备渗孔直径为3 mm的人工渗孔。

3.2　岩石力学三轴试验

岩石受力导致的变形与破裂过程可以通过三轴应力试验反映出来。图1、图2为室温条件下白云岩和灰岩在不同围压状态下三轴应力试验过程中应力—应变曲线图。试验结果显示在围压值低于60 MPa的情况下，白云岩呈现出破坏的特征，体现在应力—轴向应变曲线在峰值应力后快速跌落，留有一定的残余应力并且岩样出现裂缝。而当围压值高于60 MPa以后，应力—轴向应变曲线经过峰值后仍旧保持相对平缓的水平线，显示出塑性变形的特征。从白云岩破坏形式来看（图1），在脆性情况下岩样发生的变形主要从端部或者中部出现单一的宏观剪切裂纹；而在塑性情况下试样的宏观裂纹并不明显，试样表面亦无可见的宏观剪切面。
图1 白云岩在不同围压下三轴应力—应变曲线特征

Fig.1 Characteristics of stress-strain curves of dolomite at different confining pressures

图2 灰岩在不同围压下三轴应力—应变曲线特征

Fig.2 Characteristics of stress-strain curves of limestone at different confining pressures

表2中列出了不同围压条件下白云岩和灰岩变形曲线强度值。从中可以看出随着围压的增大，灰岩的强度和轴向变形能力都明显提高，并且峰值应力、扩容应力均有所增加，20 MPa、30 MPa、40 MPa围压下峰值轴向应变相对10 MPa围压下提高了15.8%、23.8%、42.3%。与白云岩力学性质一致，围压不仅限制着灰岩裂缝的形成而且限制着裂缝的扩展。增大围压使得灰岩从脆性破坏向塑性变形转变。在40 MPa围压下，塑性变形特征明显，残余应力与峰值应力差值最低，环向应变水平也是4组围压中最大，并且从岩样破坏后外表特征来看亦无较明显的宏观裂纹（图2）。
表2 不同围压条件下白云岩和灰岩变形曲线强度值

Table 2 Strength values of dolomite and limestone deformation curves under different confining pressures

岩性 围压 /MPa 峰值轴向应变 /% 峰值应力 /MPa 扩容应力 /MPa
白云岩 15 0.66 442.51 281.33
40 0.73 486.7 465.7
60 0.91 553.64 477.27
80 1.93 620.97 615.32
灰岩 10 0.64 255.37 129.06
20 0.76 334.03 224.8
30 0.84 436.34 331
40 1.11 556.45 440.32
根据材料力学摩尔—库伦强度准则，引申到岩石力学中则主应力表示为：
σ 1 = M σ 3 + N
式中： M = 1 + s i n φ 1 - s i n φ， N = 2 c + c o s φ 1 - s i n φ，σ1、σ3、c、φ分别为轴向应力（MPa）、环向应力(MPa)、岩样内聚力(MPa)与内摩擦角(°)。强度与围压之间近似呈线性关系，对其进行线性回归分析可得到参数M和 N，进而利用式(2)、式(3)可计算得到白云岩内聚力与内摩擦角分别为103.01 MPa、28.05°，灰岩为11.68 MPa、56.52°。相较之白云岩，石灰岩的内摩擦角较大但黏聚力远低于前者，说明灰岩内部晶粒之间的摩擦力较白云岩大，但内部结晶矿物颗粒之间的吸引力较弱。
φ = a r c s i n M - 1 M + 1
c = N ( 1 - s i n φ ) - c c o s φ 2
图3为白云岩和灰岩渗透率与围压、孔隙度之间的对应关系。从图中可知，围压降低了渗透率和孔隙度。在围压的压密阶段，岩石内部结晶颗粒骨架受变形影响，微裂隙通道变得更迂曲，使得2个微裂隙构成的气渗通道被压缩成封闭，裂隙渗透率逐级降低。表3列出了本文测试岩样的孔渗演化值，其中白云岩样品的初始孔隙度和渗透率值分别为3.56%和0.79×10-3 μm2；灰岩孔隙度为1.076%、渗透率为0.227×10-3 μm2。白云岩样品的初始物性好于灰岩，当围压增加到15.16 MPa时，两者的渗透率值都减少一个数量级左右，而后逐渐平缓下降，显示出相似的演化特征；而孔隙度的演化趋势却表现出灰岩的下降幅度明显大于白云岩（表3），说明灰岩在压实减孔过程中更容易发生孔隙体积的损失。
图3 典型碳酸盐岩静水压力下渗透率—围压—孔隙度关系

Fig.3 Permeability-confining pressure-porosity relation under hydrostatic pressure in typical carbonate rocks

表3 白云岩、灰岩静水压力下渗透率及孔隙度

Table 3 Permeability and porosity of dolomite and limestone under hydrostatic pressure

围压/MPa 白云岩 灰岩
渗透率/(10-3 μm2) 孔隙度/% 孔隙度下降幅度/% 渗透率/(10-3 μm2) 孔隙度/% 孔隙度下降幅度/%
5.00 0.790 3.56 0.00 0.227 1.076 0.000
10.34 0.240 2.96 20.27 0.041 0.824 30.52
15.16 0.094 2.64 12.12 0.025 0.696 18.39
25.49 0.064 2.22 18.92 0.020 0.576 20.80
35.14 0.029 1.82 21.98 0.007 0.432 33.30
44.79 0.015 1.53 18.95 0.002 0.316 36.78
55.12 0.008 1.26 21.43 0.001 0.216 46.58

3.3　不同温度条件下白云岩、灰岩三轴应力全过程渗透率演化特征

深埋条件下，油气储层或者盖层不仅受到压力的影响，同样也会受到温度的作用。在高温条件下，一方面岩石矿物晶体结构出现内部各向异性，造成内部结构发生较大改变，影响了岩石的峰值应力、变形模量、泊松比、孔隙度以及渗透率等参数；另一方面岩石物理性质的改变导致岩石渗透性发生较大变化，突破压力值也将随之发生变化。因此判别油气盖层封闭性时不可忽略温度因素的影响。国内外有诸多学者进行过高温条件下岩石渗透行为研究，ZHARIKOV等[25]通过对波易斯砂岩的加温渗透试验研究发现，渗透率与温度呈正相关，即温度愈高，渗透率值愈大，并指出岩石渗透率改变的内在机制是由于高温影响了岩石内部矿物晶体颗粒的膨胀变形。HEARD[26]通过对石英二长岩的热膨胀系数与渗透率关系的研究，指出热膨胀系数与温度呈正相关，与围压呈负相关性。越来越多的高温岩石渗透率实验发现，温度升高导致岩石内部发生裂隙延伸改变了岩石孔隙度使得岩石渗透率和温度呈正相关性。但是也有学者在煤岩体和花岗岩体的温度—渗透率实验过程中发现随温度升高，岩石渗透率下降或者波动变化的特征[29-31]。因此，并非所有的岩石都遵循热弹性理论。
本文研究变温试验方法与室温条件下方法类似，不同之处在于围压加载完之后，通入气压测试一次渗透率后，将该点渗透率视为加温前渗透率；然后以2 ℃/min的速率加温，达到目标值后保温60 min再测试一次渗透率，视为加温后渗透率。而后再继续进行轴向加载测试重复以上步骤，轴向加载方案与室温下类似，当加载至目标应力值时测试一次渗透率，保证加载全过程渗透率测试10次以上。
图4为不同温度和围压条件下白云岩在加载过程中所有测点的渗透率变化趋势。从试验数据的分析结果可以看出当围压值一定时，在应力加载的同一个过程点上，温度的增加使得白云岩样品的渗透率明显增大，这种温度对渗透率的作用不受加载过程中形变的控制，表现为在相同条件下岩样渗透率值的增加与温度同步，遵循热弹性理论。从图4(d)与图4(h)对比可以看出，温度对渗透率的促进作用并没有因为围压的增大而受到限制，不论是在低围压15 MPa还是在中等围压45 MPa下均显示出白云岩加载过程中所有测点渗透率值与温度呈正相关。
图4 热—气—固耦合下白云岩各测点渗透率变化

Fig.4 The permeability evolution of measuring points of dolomite under thermal-gas-solid coupling conditions

图5为不同温度和围压条件下灰岩在加载过程中所有测点的渗透率变化趋势。当温度加载到条件温度（60 ℃和110 ℃）但还未轴向加载应力时（第一个测点），岩样的渗透率值明显小于室温条件下渗透率值（第0测点）。同时加温后所有阶段的渗透率值都发生了下降。从渗透率降低幅度来看，60 ℃下10 MPa围压加温后渗透率降低59.3%，而高温110 ℃下渗透率降低了75.6%，表明温度愈高，初始点渗透率降低幅度愈大，与上述的白云岩特征刚好相反，这种现象无法用单纯的热弹性破坏理论来解释。在煤岩体的热作用渗透率试验过程中，许多学者也发现了这种随温度升高渗透率值下降的特殊现象[29-31]。李志强等[32]认为，可能是岩石热破裂后渗透率增加，而后继续升温过程中热破裂作用减弱、岩石膨胀作用增强，二者的耦合作用使得岩石发生渗透率波动或者渗透率下降。但是为何在煤岩体和灰岩中存在这种现象，笔者认为可能煤岩体和灰岩具有随温度升高塑性增强、脆性减弱的特点；同时在围压状态下，温度升高使得岩石颗粒向内发生膨胀从而挤压渗流的有效空间，造成渗透率值下降[30]。从前文的公式计算可以发现灰岩的内聚力明显小于白云岩，所以在热效应下，灰岩颗粒向内膨胀挤压孔隙空间的强度要大于白云岩，从而造成灰岩与白云岩随温度升高渗透率演化趋势相反的现象。
图5 热—气—固耦合下灰岩各测点渗透率变化

Fig.5 The permeability evolution of measuring points of limestone under thermal-gas-solid coupling conditions

4 白云岩与灰岩储盖性质的讨论

4.1　脆—塑转换临界围压对比

理论上随着围压的增大，岩石会发生脆性向塑性转变的趋势[33]。通过岩石力学三轴试验可以发现，典型白云岩在小于60 MPa围压的三轴应力试验过程中，轴向应变曲线达到峰值后会发生断崖式下降，表明岩石承受最大抗剪切能力以后突然发生了破裂，使得轴向应力值迅速下跌。而随着围压值的增大，过峰值后轴向应变曲线下降幅度逐渐缩小。当围压值达到60 MPa时，岩石的轴向应变曲线过峰值应力后呈现出与峰值近似的平缓水平线，说明残余应力此时与峰值应力基本一致[33-35]，岩石表现出塑性特征。通过开展典型白云岩不同围压状态下系列三轴应力试验可以得出（图1），白云岩的脆—塑转换临界围压在60 MPa附近。从油气地质角度分析，可以认为当白云岩埋藏深度的围压超过60 MPa后，白云岩表现出塑性特征。而塑性特征的岩石在构造应力作用下仍能保持岩石的完整性，虽然岩石内部可能出现微裂缝但是宏观裂缝几乎不出现。从图1可以看出，当围压达到60 MPa以后测试的样品中未出现裂缝，而15 MPa和40 MPa围压下的样品中均出现了明显的宏观剪切缝。
与白云岩力学性质相似，灰岩同样也具有脆—塑转换的临界围压值。从图2可以看出小于40 MPa围压下，应力测试过程中样品均出现了裂缝；当围压值达到40 MPa以后，轴向应变曲线过峰值后表现出平缓水平特征，测试样品中也未出现宏观裂缝，说明在此围压下灰岩表现出了塑性的特征。
对比白云岩与灰岩的三轴应力试验结果可以得出，灰岩的脆—塑转换临界围压小于白云岩。这意味着在地层埋藏条件下，灰岩表现出塑性特征的埋藏深度浅于白云岩，当灰岩表现出盖层的力学属性时白云岩可能仍然遭受岩石破裂、渗流能力增强的过程。从盖层完整性的角度分析，灰岩作为盖层的条件比白云岩更优。

4.2　埋藏条件下渗透性对比

岩石在埋藏状态下受到压力和温度的共同作用。本文试验结果显示，压力对岩石渗透性减弱作用效果明显。不论是白云岩还是灰岩，随着围压的增大岩石渗透率值均发生下降（图6）。但是通过表2的统计可以发现，虽然灰岩测试样品的初始孔—渗值小于白云岩，但是在相同的覆压条件下灰岩的孔隙度下降幅度仍明显大于白云岩，其原因可能与灰岩的内聚力偏小有关。灰岩的内聚力值仅为白云岩的11.3%，说明灰岩内部的颗粒凝聚能力相对较差，颗粒之间相对较松散更容易发生压缩。因此从埋藏覆压角度分析，同等条件下灰岩的物性减小幅度值大于白云岩，表现为灰岩更容易形成密闭性。
图6 110 ℃条件下气—固耦合白云岩和石灰岩各测点渗透率变化

（a） 白云岩 （b）灰岩

Fig.6 The permeability evolution of dolomite and limestone at gas-solid coupling conditions，at 110 ℃

温度对岩石的渗透性影响与岩石的内在性质密切相关，受岩石的热弹性影响。在岩石的三轴压缩破坏过程中，灰岩和白云岩的渗透率值都随着压缩破坏程度的增大而增大，但是当加入温度条件时可以清楚地从图4、图5中得到，白云岩随温度的增大渗透率值在不同的破坏阶段都表现出增加的效果；而灰岩正好相反，温度越高，渗透率值越小。说明当埋藏压力值相同时，随着温度的增大白云岩的渗透率逐渐增加而灰岩的渗透率逐渐下降，显示出白云岩的渗流能力增加而灰岩的封闭能力增加，两者之间的突破压力差值逐渐增大。同时，从图6中也可以看出在岩石破坏过程中白云岩和灰岩的渗透率值是逐渐上升的，但是在破坏过程的晚期也就是轴向应变过了峰值应力以后，灰岩的渗透性表现出先增大而后保持稳定不变，而白云岩的渗透性仍然显示出逐渐增大的趋势。
因此，从压力和温度共同作用下岩石破坏全过程渗透率演化的趋势可以得出，深埋条件下灰岩总体表现出封闭性逐渐增强的趋势，埋藏条件有利于灰岩盖层的形成；而白云岩表现出渗透性改善的趋势，有利于储集性能的改善。

5 结论

（1）不同温度条件下岩石三轴应力加载全过程渗透率测试，可以反映出岩石在埋藏条件下温度、压力对岩石渗透率值影响的趋势，是判别岩石储、盖属性的有效方法。
（2）典型致密白云岩的脆—塑转换临界围压为60 MPa，典型致密灰岩的脆—塑转换临界围压为40 MPa。埋藏压力值大于岩石的临界围压时岩石表现出完整性，无宏观裂缝形成。
（3）在压力作用下，白云岩和灰岩的渗透率值都发生了下降，但灰岩的孔隙度下降幅度明显大于白云岩；相同条件下，温度越大白云岩的渗透率值越大，而灰岩的渗透率值越小。
（4）随埋深增大，受温度和压力共同影响，白云岩渗透能力具有逐渐增强的趋势，储层属性特征变强；灰岩渗透性逐渐减弱，封闭能力逐渐增加，盖层属性特征逐步明显。两者之间的突破压力差值逐渐增大，从而形成有效的油气藏盖—储组合。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
马永生, 何登发, 蔡勋育, 等. 中国海相碳酸盐岩的分布及油气地质基础问题[J]. 岩石学报, 2017,33(4):1007-1020.

MA Y S, HE D F, CAI X Y,et al.Distribution and fundamental science questions for petroleum geology of marine carbonate in China[J]. Acta Petrologica Sinica,2017,33(4): 1007-1020.

2
沈安江, 陈娅娜, 蒙绍兴, 等. 中国海相碳酸盐岩储层研究进展及油气勘探意义[J]. 海相油气地质, 2019,24(4):1-14.

SHEN A J, CHEN Y N, MENG S X,et al.The research progress of marine carbonate reservoirs in China and its significance for oil and gas exploration[J].Marine Origin Petroleum Geology, 2019,24(4):1-14.

3
赵文智,沈安江,郑剑锋,等.塔里木、四川及鄂尔多斯盆地白云岩储层孔隙成因探讨及对储层预测的指导意义[J]. 中国科学:地球科学, 2014,44(9):1925-1939.

ZHAO W Z, SHEN A J, ZHENG J F, et al. The porosity origin of dolostone reservoirs in the Tarim, Sichuan and Ordos Basins and its implication to reservoir prediction[J]. Science China: Earth Sciences, 2014,44(9):1925-1939.

4
钟大康, 朱筱敏, 王红军. 中国深层优质碎屑岩储层特征与形成机理分析[J]. 中国科学，D辑:地球科学, 2008,38(S1):11-18.

ZHONG D K, ZHU X M, WANG H J.Analysis of characteristics and formation mechanism of high quality clastic rock reservoirs in deep China[J].Science in China, Series D:Earth Scieces, 2008,38(S1):11-18.

5
杜金虎.古老碳酸盐岩大气田地质理论与勘探实践[M].北京:石油工业出版社,2015: 1-130.

DU J H.Geological Theory and Exploration Practice of Large Gas Fields in Ancient Carbonate Rocks[M]. Beijing: Petroleum Industry Press,2015: 1-130.

6
杜金虎,汪泽成,邹才能,等.上扬子克拉通内裂陷的发现及对安岳特大型气田形成的控制作用[J].石油学报, 2016,37(1):1-16.

DU J H, WANG Z C, ZOU C N,et al.Discovery of intra-crationic rift in the Upper Yangtze and its coutrol effect on the formation of Anyue giant gas field[J].Acta Petrolei Sinica, 2016,37(1):1-16.

7
魏国齐,杜金虎,徐春春,等.四川盆地高石梯—磨溪地区震旦系—寒武系大型气藏特征与聚集模式[J].石油学报, 2015,36(1):1-12.

WEI G Q, DU J H, XU C C,et al.Characteristics and accumulation modes of large gas reservoirs in Sinian-Cambrian of Gaoshiti-Moxi region,Sichuan Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2015,36(1):1-12.

8
邹才能,杜金虎,徐春春,等.四川盆地震旦系—寒武系特大型气田形成分布、资源潜力及勘探发现[J].石油勘探与开发, 2014,41(3):278-293.

ZOU C N, DU J H, XU C C,et al.Formation, distribution, resource potential and discovery of the Sinian-Cambrian giant gas field, Sichuan Basin, SW China[J].Petroleum Exploration and Development, 2014,41(3):278-293.

9
范小军, 彭俊, 李吉选, 等. 川东北元坝地区上二叠统长兴组超深层礁滩岩性气藏中裂缝特征[J].石油与天然气地质, 2014,35(4):511-516.

FAN X J, PENG J, LI J X,et al.Fracture characteristics of ultra-deep reef-bank lithologic gas reservoirs in the Upper Permian Changxing Formation in Yuanba area， northeastern Sichuan Basin[J].Oil and Gas Geology, 2014,35(4):511-516.

10
邓剑,段金宝,王正和,等.川东北元坝地区长兴组生物礁沉积特征研究[J]. 西南石油大学学报:自然科学版, 2014,36(4):63-72.

DENG J, DUAN J B, WANG Z H,et al.Research on the reef characteristic of Changxing Formation in Yuanba area of northeast Sichuan Province[J].Journal of Southwest Petroleum University:Science & Technology Edition, 2014,36(4):63-72.

11
唐洪,吴斌,张婷,等.川东北铁山—龙会地区长兴组礁滩相储层特征及主控因素[J].现代地质, 2013,27(3):644-652.

TANG H, WU B, ZHANG T,et al.Reef-beach reservoir features of Changxing Formation and its controlling factors in Tieshan-Longhui of northeastern Sichuan[J].Geoscience, 2013,27(3):644-652.

12
杜金虎,王招明,李启明,等.塔里木盆地寒武系—奥陶系碳酸盐岩油气勘探[M].北京:石油工业出版社,2010:155-170.

DU J H, WANG Z M, LI Q M,et al.Exploration of Cambrian-Ordovician Carbonate Rocks in Tarim Basin[M].Beijing: Petroleum Industry Press,2010:155-170.

13
赵文智,沈安江,胡素云,等. 中国碳酸盐岩储集层大型化发育的地质条件与分布特征[J].石油勘探与开发,2012,39(1):1-12.

ZHAO W Z, SHEN A J, HU S Y,et al.Geological conditions and distributional features of large-scale carbonate reservoirs onshore China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012,39(1):1-12.

14
王招明, 谢会文, 陈永权, 等.塔里木盆地中深1井寒武系盐下白云岩原生油气藏的发现与勘探意义[J].中国石油勘探, 2014,19(2):1-13.

WANG Z M, XIE H W, CHEN Y Q,et al. Discovery and exploration of Cambrian subsalt dolomite original hydrocarbon reservoir at Zhongshen-1 Well in Tarim Basin[J].China Petroleum Exploration, 2014,19(2):1-13.

15
张纪智,王招明,杨海军,等. 塔里木盆地中深地区寒武系盐下白云岩油气来源及差异聚集[J]. 石油勘探与开发, 2017,44(1):40-47.

ZHANG J Z, WANG Z M, YANG H J,et al.Origin and differential accumulation of hydrocarbons in Cambrian sub-salt dolomite reservoirs in Zhongshen area,Tarim Basin,NW China[J].Petroleum Exploration and Development,2017,44(1):40-47.

16
杜金虎, 潘文庆. 塔里木盆地寒武系盐下白云岩油气成藏条件与勘探方向[J]. 石油勘探与开发, 2016,43(3):327-339.

DU J H, PAN W Q.Accumulation conditions and play targets of oil and gas in the Cambrian subsalt dolomite, Tarim Basin, NW China[J].Petroleum Exploration and Development,2016,43(3):327-339.

17
杨华,付金华,魏新善,等.鄂尔多斯盆地奥陶系海相碳酸盐岩天然气勘探领域[J].石油学报, 2011,32(5):733-740.

YANG H, FU J H, WEI X S,et al.Natural gas exploration domains in Ordovician marine carbonates,Ordos Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2011,32(5):733-740.

18
吕修祥, 陈佩佩, 陈坤, 等. 深层碳酸盐岩差异成岩作用对油气分层聚集的影响——以塔里木盆地塔中隆起北斜坡鹰山组为例[J].石油与天然气地质, 2019,40(5):957-971.

LÜ X X, CHEN P P, CHEN K,et al.Effects of differential diagenesis of deep carbonate rocks on hydrocarbon zonation and accumulation: A case study of Yingshan Formation on northern slope of Tazhong Uplift,Tarim Basin[J]. Oil and Gas Geology, 2019,40(5):957-971.

19
吕修祥,屈怡倩,于红枫,等.碳酸盐岩盖层封闭性讨论——以塔里木盆地塔中北斜坡奥陶系为例[J].石油实验地质, 2014,36(5):532-538.

LÜ X X, QU Y Q, YU H F,et al.Sealing capacity of carbonate cap rocks: A case study of Ordovician in northern slope of central Tarim Basin[J].Petroleum Geology and Experiment,2014,36(5):532-538.

20
林潼,王铜山,潘文庆,等.埋藏过程中膏岩封闭有效性演化特征[J].石油与天然气地质,2019.

LIN T, WANG T S, PAN W Q. et al . The evolution of the sealing effectiveness of the gypsum during the burial process[J].Oil & Gas Geology,2019.

21
林畅松,杨海军,刘景彦,等. 塔里木盆地古生代中央隆起带古构造地貌及其对沉积相发育分布的制约[J].中国科学,D辑:地球科学, 2009,39(3):306-316.

LIN C S, YANG H J, LIU J Y,et al.Paleotectonic landform and its restriction on the development and distribution of sedimentary facies in the central uplift of Paleozoic Tarim Basin[J]. Science in China, Series D: Earth Sciences, 2009,39(3):306-316.

22
朱永进,沈安江,刘玲利,等. 塔里木盆地晚震旦世—中寒武世构造沉积充填过程及油气勘探地位[J].沉积学报, 2020，38（2）：398-410.

ZHU Y J, SHEN A J, LIU L L,et al. Tectonic-sedimentary filling history through Later Sinian to Mid-Cambrian in Tarim Basin and its explorational potential[J].Acta Sedimentologica Sinica,2020，38（2）：398-410.

23
OTTO S, TILL P, HAUTMUT K. Development of damage and permeability in deforming rock salt[J]. Engineering Geology, 2001, 61(2-3):163-180.

24
STORMONT J C. In situ gas permeability measurements to delineate damage in rock salt[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34(7): 1055-1064.

25
ZHARIKOV A V, LEBEDEV E B, DORFMAN A M, et al. Effect of saturating fluid composition on the rock microstructure, porosity, permeability and Vp under high pressure and temperature[J]. Physics and Chemistry of the Earth,2000,25(2):215-218.

26
HEARD H C. Thermal expansion and inferred permeability of climax quarts monzonite to 300 MPa and 27.6 ℃[J]. International Joumal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1980,17(5):289-296.

27
赵阳升,万志军,张渊,等.20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机的研制[J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):1-8.

ZHAO Y S, WAN Z J, ZHANG Y,et al.Research and development of 20MN servo-contrilled rock triaxilal testing sustem with high temperature and high pressure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1):1-8.

28
武志德. 考虑渗流及时间效应的层状盐岩溶腔稳定分析[D].北京：中国矿业大学（北京）,2011.

WU Z D. Stability Analysis of Stratified Salt Karst Cavity Considering Seepage and Time Effect[D].Beijing： China University of Mining and Technology (Beijing),2011.

29
李双建,周雁,孙冬胜.评价盖层有效性的岩石力学实验研究[J].石油实验地质, 2013,35(5):574-578.

LI S J, ZHOU Y, SUN D S. Rock mechanic experiment study of evaluation on cap rock effectiveness[J]. Petroleum Geology and Experiment, 2013,35(5):574-578.

30
谢建林,赵阳升. 随温度升高煤岩体渗透率减小或波动变化的细观机制[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(3):543-551.

XIE J L, ZHAO Y S. Meso-mechanism of permeability decrease or fluctuation of coal and rock with the temperature increase[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2017,36(3):543-551.

31
胡耀青，赵阳升，杨栋，等. 温度对褐煤渗透特性影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(8)：1585-1590.

HU Y Q， ZHAO Y S， YANG D， et al. Experimental study of effect of temperature on permeability characteristics of lignite[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(8)： 1585-1590.

32
李志强，鲜学福. 煤体渗透率随温度和应力变化的实验研究[J]. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2009,28(增刊):156-159.

LI Z Q， XIAN X F. Study on experiment of coal permeability with temperature and stress changing[J]. Journal of Liaoning Technical University: Natural Science,2009,28(supplement):156-159.

33
赵阳升，万志军，张 渊，等. 岩石热破裂与渗透性相关规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(10)：1970-1976.

ZHAO Y S， WAN Z J， ZHANG Y，et al. Experimental study of related laws of rock thermal cracking and permeability[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(10)：1970-1976.

34
周雁, 金之钧, 朱东亚,等.油气盖层研究现状与认识进展[J].石油实验地质, 2012,34(3):234-245.

ZHOU Y, JIN Z J, ZHU D Y,et al.Current status and progress in research of hydrocarbon cap rocks[J]. Petroleum Geology and Experiment, 2012,34(3):234-245.

35
李双建, 沃玉进, 周雁, 等. 影响高演化泥岩盖层封闭性的主控因素分析[J]. 地质学报, 2011,85(10):1691-1697.

LI S J,WO Y J, ZHOU Y,et al.Controlling factors affect sealing capability of Well-developed muddy cao rock[J].Acta Geologica Sinica, 2011,85(10):1691-1697.

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