天然气地球科学 >

2022 , Vol. 33 >Issue 8: 1286 - 1294

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2022.03.010

天然气地质学

超深层灰岩盖层的脆—韧性——以四川盆地元坝气藏为例

  • 王信棚 , 1, 2 ,
  • 陈书平 , 1, 2 ,
  • 冯桂民 1, 2 ,
  • 勾琪玮 1, 2
展开
  • 1. 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249
  • 2. 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249
陈书平（1965-），男，山东胶南人，教授，博士生导师，博士，主要从事油区构造解析研究. E-mail： .

王信棚（1991-），男，山东烟台人，博士研究生，主要从事油区构造解析研究. E-mail： .

收稿日期: 2022-01-10

  修回日期: 2022-03-08

  网络出版日期: 2022-08-16

收起

Brittle-ductile property of ultra-deep limestone cap: Case study of Yuanba gas reservoir in Sichuan Basin

  • Xinpeng WANG , 1, 2 ,
  • Shuping CHEN , 1, 2 ,
  • Guimin FENG 1, 2 ,
  • Qiwei GOU 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
  • 2. College of Geosciences，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China

Received date: 2022-01-10

  Revised date: 2022-03-08

  Online published: 2022-08-16

Supported by

The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA14010306)

the National Natural Science Foundation of China(42172138)

Fold

本文亮点

中国含油气盆地超深层广泛发育灰岩，灰岩的主要矿物成分是方解石，其特殊的晶体结构决定了其在超深层具有很强的塑性和韧性。在小变形作用下，灰岩不容易发生断裂。灰岩尤其是泥灰岩，因其较低的孔隙度和渗透率也可以作为盖层。四川盆地元坝气藏埋深超过6 500 m，储气规模大，其盖层和保存条件一直备受关注。下三叠统膏盐岩作为元坝气藏的区域性盖层得到普遍认可，但是飞仙关组灰岩作为其直接盖层尚存争议。在岩心观察、岩石力学参数测试、地质资料分析的基础上，从脆—韧性的角度分析飞仙关组灰岩作为盖层的完整性。飞仙关组灰岩在生气高峰期及之后，韧性显著提高，力学性质处于韧性阶段，不易发生破裂，能够保持岩层完整性，从而成为二叠系长兴组白云岩储层的良好盖层。该实例说明，灰岩在超深层可以作为盖层，对碳酸盐岩区的油气勘探具有重要意义。

本文引用格式

王信棚 , 陈书平 , 冯桂民 , 勾琪玮 . 超深层灰岩盖层的脆—韧性——以四川盆地元坝气藏为例[J]. 天然气地球科学, 2022 , 33(8) : 1286 -1294 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.03.010

Highlights

Limestone is widely developed in ultra-deep layers of petroliferous basins in China. The main mineral component of limestone is calcite. Its special crystal structure determines that it has strong plasticity and toughness in ultra-deep layers. It is not prone to fracture under small deformations. Limestone, especially marl, can also act as caprock due to its low porosity and permeability. The Yuanba gas reservoir of Sichuan Basin has a burial depth of more than 6 500 m and a large scale of gas storage. Its caprock and preservation conditions have always attracted attention. The Lower Triassic gypsum-salt rock is generally accepted as the regional caprock of the Yuanba gas reservoir, but the Feixianguan Formation limestone is still controversial as its direct caprock. Based on core observations, rock mechanical parameter testing, and geological data analysis, the integrity of Feixianguan Formation limestone as caprock is analyzed from the point of brittle-ductile property. During and after the peak gas generation period, the limestone of Feixianguan Formation has significantly improved ductile property, and its mechanical properties are in the ductile stage. It is not easy to fracture, and can maintain the integrity of the rock formation. It becomes a good caprock for dolomite reservoir of the Permian Changxing Formation. This example shows that limestone can act as a caprock in ultra-deep layers, which is of great significance for oil and gas exploration in the ultra-deep carbonate rock area.

0 引言

灰岩具有较低的渗透率和孔隙度，也具有较高的韧性；同时，灰岩中容易形成缝合线构造，如果被泥质等矿物充填，还可以成为流体流动隔挡物［1-3］。这2个方面决定了超深层灰岩可以作为油气聚集的盖层。统计证明，天然气盖层类型有膏盐岩类、泥质岩类、碳酸盐岩类，其中世界上约35%的天然气与膏岩类盖层有关，而世界上大多数油气田的盖层是泥质岩类［4-5］。中国34个大中型气田盖层岩性以泥岩为主，约占60%，膏盐岩约占18%，泥页岩约占11%，灰岩和云岩约占11%［6］。
随着中国油气勘探向超深层发展，深埋古老的碳酸盐岩层系成为勘探目标［7-10］，确定盖层是其勘探面临的主要问题之一。灰岩尤其是泥灰岩，因其较低的孔隙度和渗透率也可以作为盖层。但灰岩能否成为盖层主要取决于其后期变化，即是否有裂缝发育，能否保持完整性。在常温常压条件下，灰岩具有很高的脆性，容易发生破裂而使其丧失完整性，从而失去封盖能力。
但是在超深层，由于围压增大，灰岩的韧性会显著提高，接近于页岩［11-15］，其强度会逐渐接近于盐岩［16-17］，甚至在室温条件下，其变形也与盐岩类似［18］。因此在小变形情况下，深层灰岩由于韧性增强，不易破裂，仍保持完整性。深埋灰岩的另一个特性是发育缝合线构造，当有泥质充填时可以作为油气运移的隔挡物［1-3］。
元坝气藏产状不是受构造控制，而是受台地边缘生物礁滩相储层控制，为一构造—岩性气藏，主体由长兴组气藏组成，飞仙关组气层分布局限。长兴组气藏属于超深层、孔隙型和裂缝—孔隙型气藏［19-21］。元坝气藏烃源岩为二叠系龙潭组泥岩，生烃强度大。该气藏自发现以来，对成藏机理讨论诸多［19-20，22-24］，但对于长兴组储层的盖层则一直没有统一认识。下三叠统嘉陵江组膏盐岩为区域盖层得到普遍认可，但对飞仙关组泥晶灰岩和泥质灰岩作为直接盖层却存在争议［25］。本文基于岩石力学参数测试、岩心观察和地质资料分析，从脆—韧性的角度分析飞仙关组灰岩作为盖层的完整性。

1 元坝气藏概况

元坝气藏位于四川盆地东北部，总体走向NWW—SSE向，北边为九龙山背斜、池溪凹陷、通南巴背斜，南边为川中低缓构造带［图1（a）］。元坝气藏位于构造平缓区，为北部各褶皱带的向南倾没端，发生了微弱变形，层面微弱起伏［图1（b）］。地震资料显示，整个元坝地区构造变形较弱，层面微弱褶皱起伏，地震剖面上未见断层。自二叠纪以来，四川盆地周边发生多次构造运动，川东北元坝地区应力场方向也经历了多次变化［26-27］。海西运动表现微弱；印支期受龙门山NW向挤压和米仓山S向挤压的联合作用影响，表现为NW—SE向挤压；燕山晚期为SN向挤压；喜马拉雅早—中期为NE向挤压；喜马拉雅晚期为NE向挤压。构造主要形成期为燕山运动和喜马拉雅运动期间。现今最大水平主应力方向为NW—SE向［28］。
图1 元坝地区长兴组气藏分布

（a）研究区构造位置图；（b）研究区长兴组顶面等高线图

Fig.1 Gas reservoir distribution map of Changxing Formation in Yuanba area

与气藏相关的地层包括二叠系和三叠系（图2）。二叠系为海相沉积，由页岩、灰岩、白云岩组成，其中吴家坪组页岩为元坝气藏烃源岩，岩性为生物碎屑灰岩和泥岩，其在元坝地区厚度为60~100 m。有机质以腐泥型为主，但含有较多的陆源有机质［29］。上二叠统长兴组白云岩和生屑灰岩为主力储层，分布面积约为350~450 km2，厚度为30~150 m。厚层储集层主要分布于台缘礁滩，礁后浅滩和台内滩储集层厚度相对较薄。中下三叠统为海相沉积，由页岩、灰岩和含盐层系组成，含盐系主要由石膏盐、杂卤石岩和岩盐组成。紧邻长兴组的飞仙关组可以分为3个岩性段，即下部为泥灰岩、中部为鲕粒灰岩、上部为石膏岩和石膏白云岩段，上部膏岩段也是该区的区域性盖层。自中三叠世以来，进入陆相前陆盆地沉积期，沉积了上三叠统、侏罗系和白垩系，岩性为砂岩和页岩。
图2 元坝气田主要地层综合柱状图

（a）研究区主要生储盖层组合［19］；（b）元坝2井岩性柱状图

Fig.2 Comprehensive histogram of main stratum in Yuanba Gas Field

元坝气藏由长兴组气藏和飞仙关组气藏组成，以前者为主。长兴组气藏中部埋深为6 682.9 m，属于超深层、孔隙型和裂缝—孔隙型气藏，气藏大面积分布。飞仙关组气藏，仅分布于元坝西北部，低产气藏，气藏中部埋深为6 317 m。长兴组气藏的形成经历了复杂的演化过程，是一个原油裂解气藏。晚三叠世—早侏罗世，吴家坪组（龙潭组）处于生油高峰期，长兴组岩性古油藏形成，油源为来自长兴组下伏的龙潭组［19，28-29］。沙溪庙组沉积末期，即中侏罗世末期，古油藏裂解进入生气高峰；喜马拉雅期调整成现今油气藏。

2 飞仙关组裂缝特性

元坝地区总体上处于通南巴背斜带、九龙山背斜带的倾末端向川中隆起的过渡带，构造平缓，断裂作用比较弱，地震剖面上基本见不到断裂发育［30］。结合成像测井来看，飞仙关组动态图像表现为大套块状灰岩特征，裂缝相对不发育，多发育缝合线构造，动态图像的色级以黄褐色为主，色级分布比较稳定，岩性纯而密［图3（a）］。飞仙关组少量发育的裂缝以中低角度缝为主，倾角0°~30°的占19%，30°~60°的占52%，60°~90°的占29%，具有多个走向，优势方向不明显。
图3 飞仙关组成像测井（a）及岩心特征［（b）、（c）］

Fig.3 Image logging（a） and core Characteristics［（b），（c）］ of Feixianguan Formation

通过对元坝地区岩心观察，飞仙关组裂缝不发育，多见缝合线构造［图3（b），图3（c）］。飞仙关组一段（简称飞一段，下同）为薄层泥灰岩，钻井取心多为粉末状、碎片状岩屑，其上飞二段为中厚层块状灰岩，岩心完整，可以观察到大量水平缝合线。灰岩中的缝合线是压溶作用的结果，缝合线可以作为油气渗流通道，也可以作为隔挡体，决定于其形态、充填物性质及连续性、成岩作用及现今应力状态［1-3］。飞仙关组灰岩中的缝合线被泥质、有机质或沥青质完全充填，对油气运移起遮挡的作用。

3 飞仙关组灰岩特征

3.1　飞仙关组灰岩力学性质

岩石脆性和韧性是影响盖层性质及油气保存条件的重要因素之一。在真实的地质条件下，随着埋深的增加，岩石会存在明显的脆性和韧性转变过程［31-34］，一般会经历 3 个变形阶段：脆性阶段、脆—韧性阶段和韧性阶段［图4（a）］。对灰岩进行了不同围压下的三轴抗压强度测试，获得了不同围压下的抗压强度（表1），并绘制应力—应变曲线［图4（b）］。飞仙关组灰岩的剪切破裂强度（抗压强度）随着围压的增大不断增大，且其摩擦滑动强度（残余强度）逐渐接近剪切破裂强度。当围压达到120 MPa时，飞仙关组灰岩应力—应变曲线进入稳态，标志着其进入韧性状态。
图4 典型应力—应变曲线（a）及飞仙关组灰岩应力—应变曲线（b）

Fig.4 Typical stress-strain curve （a） and stress-strain curve of Feixianguan Formation limestone （b）

表1 四川盆地灰岩不同围压下抗压强度

Table 1 Fracture strength of limestone in Sichuan Basin under different confining pressures

样品

编号

 围压/MPa 抗压强度/MPa

样品

编号

 围压/MPa 抗压强度/MPa
1-1 20 301.4 3-3 15 171.437
1-2 40 295.9 3-4 20 248.413
1-3 60 387.8 3-5 40 276.392
1-4 80 391.3 3-6 60 263.669
1-5 100 348.2 4-1 5 191.621
1-6 120 424.2 4-2 10 210.306
2-1 5 316.96 4-3 15 200.279
2-2 10 256.399 4-4 20 195.227
2-3 15 272.393 4-5 40 194.723
2-4 20 285.238 4-6 60 216.111
2-5 25 315.602 5-1 10 194.596
2-6 30 292.355 5-2 15 170.816
2-7 35 337.976 5-3 30 199.444
2-8 40 352.12 6-1 22.5 245.878
2-9 45 321.307 6-2 22.5 247.388
2-10 50 335.963 6-3 45 267.149
2-11 55 340.903 7-1 22.5 91.838
2-12 60 322.407 7-2 22.5 253.109
3-1 5 259.912 7-3 45 146.772
3-2 10 229.813

注：数据由中国石油大学（北京）石油工程学院国家重点实验室测定

Solnhofen灰岩实验是在应变率10-5 s-1变形条件下脆—韧性转换的分段测试［29］。该实验同样将灰岩变形阶段分为脆性、脆—韧性和韧性3个阶段。在围压为142 MPa时，灰岩干样进入塑性阶段。将飞仙关组灰岩的围压和差应力投影到Solnhofen灰岩实验图版（图5）上，可以看出四川盆地灰岩强度随围压的变化趋势与Solnhofen灰岩有一定的相似性。飞仙关组灰岩在围压大于60 MPa时，已进入半脆性阶段，且整体趋势表现为由脆性向韧性转化的趋势。
图5 四川盆地灰岩强度与Solnhofen灰岩强度对比［35］

Fig. 5 Comparison between the strength of Sichuan Basin limestone and Solnhofen limestone［35］

3.2　飞仙关组灰岩应力场特征

中侏罗世，元坝气藏进入生气高峰，此时根据埋藏史图（图6）可知飞仙关组灰岩埋深约为5 km，根据式（1）和式（2）计算得到垂直应力为131.5 MPa，垂直应力泊松效应水平应力约为95.2 MPa。
σ v = ρ R g h
σ h = σ v γ 1 - γ = ρ R g h γ 1 - γ
式中： σ v为垂直应力，MPa； ρ R为岩石密度，g/cm3； g为重力加速度，9.8 m/s2； h为深度，m； σ h为泊松效应产生的水平应力，MPa； γ为岩石泊松比（这里特指灰岩的泊松比）。元坝地区二叠系及其上地层平均密度为2.63 g/cm3，灰岩泊松比为0.42。
图6 元坝地区埋藏史图

Fig.6 Burial history map of Yuanba area

考虑到中侏罗世，四川盆地为前陆盆地，处于挤压环境，存在构造应力。利用岩石的 Kasier效应可以定量确定古构造应力期次和大小。在声发射 AE曲线上可以出现多个 Kaiser效应点，分别记忆岩石在地质历史时期中受到的构造期次和相应大小。本文在张元春［28］对川东北古应力研究的基础上，补充了中侏罗统千佛崖样品的声发射实验（表2）。声发射古应力测试结果表明3个主应力都为压应力，最大主应力方向为水平方向，因此围压应该高于95.2 MPa。通过对比中侏罗统千佛崖组和下侏罗统自流井组样品声发射次数和大小，自流井组样品比千佛崖组样品多记录一期构造事件，为千佛崖组沉积时期（中侏罗世）构造事件，此时为燕山运动时期。
表2 岩石声发射信号记忆构造应力期次和相对大小

Table 2 The paleo-stress phase and magnitude by acoustic emission experiment

样品号 层位 各期最大主应力有效值/MPa 期次 来源
1 千佛崖组 ①50.86；②64.52；③77.19；④92.7 4 本文
2 自流井组 ①64.5；②72.8；③87.8；④92.7；⑤107.3 5 张元春［28］

注：本文数据由中国石油大学（北京）石油工程学院国家重点实验室测定

根据每组样品4个岩样记录的最大古应力值，利用式（3）—式（6）可以计算出岩石所在深度的3个古地应力：
σ v = σ ⊥ + α P p - K P c
σ H = σ 0 ° + σ 90 ° 2 + σ 0 ° - σ 90 ° 2 ( 1 + t g 2 2 θ ) 1 2 + α P p - K P c
σ h = σ 0 ° + σ 90 ° 2 - σ 0 ° - σ 90 ° 2 ( 1 + t g 2 2 θ ) 1 2 + α P p - K P c
t g 2 θ = σ 0 ° + σ 90 ° - 2 σ 45 ° σ 0 ° + σ 90 °
式中： σ v表示上覆地层压力， MPa； σ H、 σ h分别为最大、最小水平地应力，MPa； σ ⊥为垂直方向岩心 Kaiser点的应力， MPa； P p为地层孔隙压力， MPa； α为有效应力系数，0.8； P c为高压筒内岩心所受围压，MPa；K为围压校正系数； σ 0 °、 σ 45 °、 σ 90 °分别为水平 0°、45°、90° 3个方向岩心的 Kaiser点应力， MPa； θ为最大水平主应力的方位角，°。
通过岩石声发射测试结果计算，自流井组样品的2个水平主应力分别是101.1 MPa和96.1 MPa，垂直主应力为100.4 MPa［28］。垂直主应力为上覆地层产生的静岩压力，由于存在泊松效应，会产生水平应力。自流井组地层泊松比约为0.31［28］，由此产生的水平应力可通过式（1）和式（2）计算得到，为45.1 MPa。与水平应力相减，得到最大构造应力约为56 MPa。前文计算得到飞仙关组灰岩垂直应力为131.5 MPa，泊松效应水平应力约为95.2 MPa。综合考虑静压压力和构造应力，飞仙关组灰岩在中侏罗世最大水平应力为151.2 MPa。
井眼崩落和压裂资料显示，元坝地区现今地应力3个应力主轴均为压应力，最大主应力方向为NW—SE向；YB1井，井深7 081~7 150 m处，现今垂直地应力为186.0 MPa，水平地应力分别为243.8 MPa和154.8 MPa；YB2井，井深6 677~6 700 m处，现今垂直地应力为173.0 MPa，水平地应力分别为235.9 MPa和140.8 MPa［28］。

4 讨论

常温常压下的灰岩脆性高，容易发生破裂，因此成为漏失层。随着埋深的增大，灰岩所处的围压和温度也逐渐增大，导致岩石的力学性质发生变化。在白云岩—灰岩剖面里，围压小于40 MPa时，白云岩和灰岩韧性相同，其后灰岩韧性会显著提高；在约110 MPa围压时，灰岩韧性比硬石膏要好，并逐渐与页岩相似（图7）［15］。飞仙关组灰岩的应力—应变曲线［图4（b）］表明，在围压不断增大的条件下，它发生了脆延转化，其力学性质随之发生变化，抗压强度增大。由式（1）和式（2）可知垂直应力以及垂直应力泊松效应产生的水平应力会随着埋深增大，从而导致岩层围压增大。因此，随着埋深增大，灰岩的抗压强度变大，韧性增强，不易发生破裂，更易保持完整性。
图7 常见岩石断裂前应变与围压对比［15］

Fig.7 Comparison of pre-fracture strain and confining pressure of common rocks［15］

中侏罗世，元坝气藏进入生气高峰期，此时四川盆地为挤压环境。国内外学者将挤压模式下的构造应力场总结为 σ H > σ h > σ v ［36］，因此此时飞仙关组灰岩最大水平应力为151.2 MPa，垂直应力为131.5 MPa，围压大于131.5 MPa。该围压大于图4（b）中应力—应变稳态的120 MPa，也极为接近Solnhofen灰岩模型（图5）中脆延转化的界限142 MPa，说明此时灰岩已进入韧性阶段。
中侏罗世之后，四川盆地在燕山旋回以及喜马拉雅旋回中，一直处于挤压环境，因此其最大主应力在水平方向上，垂直方向应力就可以看作围压，则深度为5.4 km时围压可以达到韧性阶段的围压142 MPa。从元坝气田进入生气高峰期至今，飞仙关组一直处于埋藏加深阶段，仅仅在燕山后期，发生了抬升剥蚀，至目前深度仍超过6 000 m。同时，元坝地区现今地应力3个应力主轴均为压应力，最大主应力方向为NW—SE向，最小主应力为140.8~154.8 MPa［28］，满足飞仙关组灰岩进入韧性阶段的围压要求。自中侏罗世，飞仙关组灰岩始终处于韧性阶段，不易发生破裂，保证了其作为盖层的完整性。
实际上，有实验显示即使在常温常压下，灰岩也会发生像盐岩那样的塑性变形。灰岩的这种力学特性与其主要矿物成分方解石的特殊晶体结构相关［18］。方解石（CaCO3）具有与盐岩（NaCl）类似的晶体结构。石盐化学分子式为NaCl，其中Na占39.34%，Cl占60.66%。等轴晶系，Cl-做立方最紧密堆积，Na+位于八面体空隙中，配位数为6，摩氏硬度为2，密度为2.165 g/cm3。方解石属于方解石族矿物，化学分子式为CaCO3，化学组成为CaO占56.03%，CO2占43.97%，常含锰和铁，有时含Sr，方解石摩氏硬度为3，密度为2.715 g/cm3。设想使NaCl的晶体结构沿L3压扁成菱面体形，将缩短的L3直立，用阳离子Ca2+取代Na+，用CO3 2-取代Cl-，并使所有CO3 2-的平面水平，即成为方解石的结构。

5 结论

四川盆地元坝气藏是一个裂解气藏，储层主要为长兴组的生物礁滩体，盖层为下三叠统嘉临江组膏盐岩的区域盖层和飞仙关组灰岩的直接盖层。飞仙关组构造平缓，断裂作用比较弱，基本无断裂发育，多发育缝合线构造。飞仙关组灰岩随着围压的增大，其应力—应变曲线逐渐进入稳态，岩石也进入韧性状态。中侏罗世，元坝气藏进入生气高峰期，此时飞仙关组灰岩因围压增大而进入韧性阶段。随后的地质演化阶段，其所处的深度使灰岩具有与页岩相似的韧性，同时，其所处的深度也使其处于韧性阶段。这些条件保证了灰岩一直处于连续状态，保证了其作为盖层的完整性。同时，灰岩特殊的晶体结构也使它会发生像盐岩那样的塑性变形。元坝气藏灰岩成为盖层的案例，为其他超深层碳酸盐岩区油气勘探提供了理论依据，即超深层的灰岩可以作为有效盖层。

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