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摘 要： 摘要: 以松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖全直徑取心巖樣為實驗介質(zhì)，設(shè)計制作耐壓可視的實驗裝置，選擇一定的初始充注壓力開展定容衰竭氣體充注實驗。實驗結(jié)果表明:裂縫型介質(zhì)需要一定的開啟壓力及開啟時間才具備高效輸導(dǎo)能力，而裂縫一旦開啟后，即使充注
摘要: 以松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖全直徑取心巖樣為實驗介質(zhì)，設(shè)計制作耐壓可視的實驗裝置，選擇一定的初始充注壓力開展定容衰竭氣體充注實驗。實驗結(jié)果表明:裂縫型介質(zhì)需要一定的開啟壓力及開啟時間才具備高效輸導(dǎo)能力，而裂縫一旦開啟后，即使充注壓力低于開啟壓力，裂縫依然具有輸導(dǎo)能力，直到充注壓差降為零;孔滲型非均質(zhì)巖樣中，中孔、中滲巖心氣體運移路徑可表現(xiàn)為明顯指狀突進式特征，而高孔、高滲型火山巖介質(zhì)可以明顯觀察到充注過程中各孔滲單元有規(guī)律的幕式周期運移過程。整體上，定容充注壓力與衰減時間具有指數(shù)關(guān)系的衰減特征，氣體運移速度隨時間具有波浪式起伏降低的幕式特征，且隨著充注壓力的不斷降低，幕式運移路徑范圍逐漸減小。
關(guān)鍵詞: 火山巖;充注實驗;幕式運移;輸導(dǎo)類型;徐家圍子斷陷;松遼盆地
油氣充注物理模擬實驗是研究油氣運聚機理的必要方法和手段[1-6]。實驗條件和真實地質(zhì)條件的差異是影響實驗結(jié)果可靠性的重要因素。油氣充注物理實驗裝置已由最初的二維模型逐漸發(fā)展為三維管狀模型或箱狀模型，而實驗邊界材料目前仍以耐溫壓能力有限的玻璃裝置或觀測范圍有限的金屬材料為主[4，7]。通常，玻璃模型由于可直觀地觀察油氣運移特征而廣泛應(yīng)用，但其耐溫壓能力有限，僅能模擬充注環(huán)境為低溫低壓條件下的人工模擬介質(zhì)油氣充注過程，與地質(zhì)實際差異較大。金屬裝置是油氣運移模擬實驗中常見的實驗?zāi)Ｐ停浼虞d的溫壓范圍大，充注的介質(zhì)也可多樣化，但目前采用局部耐溫壓的“可視窗”僅能實現(xiàn)有限范圍的二維觀測，因此，一般采用金屬裝置的運移模擬實驗通常只能得到關(guān)鍵參數(shù)的定量關(guān)系，而無法直觀地跟蹤觀察。且利用金屬箱狀模型對原狀巖心油氣充注模擬時，需要對巖心進行切割，切割后的巖心尺寸往往過小而難以全面描述油氣運移特征。以實際巖心為物理介質(zhì)的充注實驗，通常對實驗裝置耐壓能力都有較高的要求，耐壓性與可視性是實驗裝置中互相矛盾而難以同時滿足的 2 個條件。因此，即使實際巖心是最接近真實地質(zhì)條件的實驗介質(zhì)，但目前大量的充注物理模擬實驗介質(zhì)仍然以人工巖心為主[1，4，7-8]，或采用小尺寸實際巖心配合金屬裝置開展物理模擬實驗。
火山巖非均質(zhì)性極強，油氣運聚規(guī)律較碎屑巖輸導(dǎo)層更為復(fù)雜，人工巖心難以模擬其復(fù)雜非均質(zhì)性。本研究以火山巖油氣運移模擬研究現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，采用全直徑火山巖巖心為物理模擬介質(zhì)，以一定厚度的甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高分子耐壓透明材料作為模型的邊界材質(zhì)，高透明環(huán)氧樹脂為圍壓膠結(jié)物，設(shè)計制作了具有額定耐壓能力的全直徑巖心物理充注模擬裝置，開展火山巖天然氣充注物理模擬實驗研究，以實現(xiàn)可視的、更逼近地質(zhì)實際的運移充注模擬研究。實驗以松遼盆地徐家圍子斷陷營城組火山巖井下取心為實際介質(zhì)，通過一定的初始壓力開展定容衰竭充注實驗，模擬天然氣在輸導(dǎo)巖層中的運移過程;通過不同類型火山巖充注過程動態(tài)圖像及數(shù)據(jù)的觀察記錄與分析，探討徐家圍子斷陷營城組火山巖輸導(dǎo)層的運移、聚集特征，以期進一步認識火山巖天然氣運聚機理。
1 火山巖輸導(dǎo)條件
徐家圍子斷陷營城組主要成藏時期為泉頭組沉積末期至青山口組沉積初期，該時期沙河子組和營城組的烴源巖均已進入生烴高峰期，開始大量生排烴。隨著松遼盆地開始大幅度的擴張和基底的沉降，深部斷層進入活動期，天然氣沿斷層、裂縫由烴源巖中排出到輸導(dǎo)層內(nèi)，通過輸導(dǎo)層內(nèi)的斷層、裂縫以及高滲透孔隙等運移通道，在一定的排烴壓力下，將天然氣向鄰近孔隙、裂縫中運移，直至壓差減小達到平衡[9-10]。徐家圍子斷陷營城組火山巖輸導(dǎo)通道類型多樣，通過原生氣孔、次生溶孔—溶洞以及裂縫相互組合，可形成純裂縫型、純孔隙型、裂縫—孔隙組合型 3 種類型輸導(dǎo)通道[11]。
徐家圍子斷陷營城組火山巖輸導(dǎo)層的巖石類型主要為流紋巖和流紋質(zhì)(熔結(jié)) 凝灰?guī)r，分布較為廣泛;其次為火山角礫巖以及火山集塊巖;而營城組的中基性火山巖多因氣孔和裂縫被充填而成為較次要輸導(dǎo)層，火山巖輸導(dǎo)層的物性特征主要受巖相—巖性聯(lián)合控制[12]。一般來說，噴溢相上部亞相的氣孔流紋巖、爆發(fā)相熱碎屑流亞相的(熔結(jié))凝灰?guī)r、火山巖通道相火山頸亞相的角礫熔巖 (凝灰熔巖)輸導(dǎo)層物性最好;噴溢相下部亞相的角礫流紋巖、爆發(fā)相空落堆積亞相的角礫集塊巖輸導(dǎo)層 物 性 中 等;其他火山巖相輸導(dǎo)層物性普遍較差[13-15]。
2 天然氣充注物理模擬
2.1 樣品的篩選及其物性參數(shù)測試
火山巖巖性多樣、非均質(zhì)性強、受后期改造作用明顯，因此巖石輸導(dǎo)類型復(fù)雜多樣。綜合火山巖巖性、巖相、裂縫及孔隙的發(fā)育情況，最終從 14 口井中選取了 18 塊全直徑火山巖樣品開展實驗。經(jīng)測量巖心樣品孔隙度分布范圍為 0.45% ～ 20.25%，滲透率分布范圍為(0.145 6 ～ 122.360 6) ×10-3 μm2 ，孔滲范圍變化較大;巖性包括火山角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖以及流紋巖，樣品具有一定的代表性。按樣品的孔滲特征將樣品分為 3 類，即裂縫型(Ⅰ)、孔滲型(Ⅱ)和致密型(Ⅲ)。裂縫型(Ⅰ) 樣品最顯著的特點是發(fā)育有明顯微裂縫且基質(zhì)孔隙度小于 4%，但滲透率可達(0.2～2)×10-3 μm2 ，其巖性多樣，可包括火山角礫巖、凝灰?guī)r、玄武巖或流紋巖等。該類型火山巖的輸導(dǎo)通道主要依靠微裂縫的開啟形成輸導(dǎo)通道，本次收集該類樣品 5 塊。一般孔滲型(Ⅱ)樣品的次生溶孔、溶洞較為發(fā)育，且孔—洞連通性好，形成以孔—洞連通狀態(tài)的孔滲輸導(dǎo)系統(tǒng)，樣品孔隙度分布在 5% ～ 12%，滲透率大于 2×10-3 μm2 ，最大可達 100×10-3 μm2 以上;巖性多為火山碎屑巖類，如火山角礫巖或凝灰?guī)r。收集本類巖心共 7 塊，其中具有明顯溶孔溶洞的高孔高滲巖心 2 塊，中孔中滲巖心 5 塊。致密型(Ⅲ) 樣品的孔隙度和滲透率均為低值，樣品孔隙度低于 4%，滲透率低于 0.3×10-3 μm2 ，多出現(xiàn)在侵出相或次火山相等相對致密的火山巖中。該類型火山巖相對致密，孔滲較小，一般難以形成有效的輸導(dǎo)通道，該類型巖心本次收集 6 塊。
2.2 實驗裝置設(shè)計以及方案
研究區(qū)主要成藏時期，深部斷裂進入活動期，在天然氣運聚成藏中，對于構(gòu)造運動頻繁、斷裂發(fā)育的盆地，幕式成藏往往占有重要的地位[16]。實驗條件下，采用壓力定容衰竭充注實驗是模擬油氣幕式運移成藏過程的重要方式[17-21]。首先，將全直徑巖心抽真空并在石蕊水溶液中高壓飽和吸附水，置于設(shè)計定制的甲基丙烯酸甲酯透明管狀裝置內(nèi)，用環(huán)氧樹脂透明水晶滴膠膠結(jié)管壁與巖心，透明環(huán)氧樹脂固結(jié)后用耐高壓不銹鋼堵頭與有機玻璃管兩側(cè)密封連接，在巖心兩側(cè)與不銹鋼堵頭之間保留一定體積的氣室。甲基丙烯酸甲酯有機玻璃具有良好的耐壓、耐溫、耐酸堿以及高度透明的特點[22]，密閉裝置通過尺寸及形狀的設(shè)計經(jīng)過多次測試最高可耐壓 3 MPa。整個操作過程中注意保護巖心中高壓飽和液體原始狀態(tài)，盡量不散失或少散失，并同時保證環(huán)氧樹脂管壁與巖心膠結(jié)良好，然后按圖 1 連接裝置。
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通過解壓閥將高壓 CO2氣瓶與高壓導(dǎo)氣管連接通過閥門連接高壓定容器，高壓定容器與數(shù)字壓力表連接，高壓定容器通過高壓導(dǎo)氣管經(jīng)過閥門與有機玻璃模型的進氣端不銹鋼堵頭密閉連接，管狀有機玻璃模型的出氣端通過高壓導(dǎo)氣管依次連接閥門、液體量杯。
3 實驗結(jié)果與討論
3.1 裂縫型火山巖天然氣充注實驗現(xiàn)象
第Ⅰ組為裂縫型火山巖，示例巖樣為玄武巖，直徑 100 mm，長度 86.7 mm，孔隙度僅為 0.45%，滲透率為 0.564 6×10-3 μm2 。該巖樣孔滲低、裂縫發(fā)育明顯，可以代表該組基本特征。第一次以 0.1 MPa 的充注壓力開展定容衰減充注實驗，實驗經(jīng)過了 60，120，600 min 時分別記錄，定容充注壓力均未發(fā)生變化，巖心出口端未觀察到氣體排出，說明在達到開 啟 壓 力 前，裂縫不能作為天然氣有效運移通道[23-26]。
將該樣品充注壓力提高至 0.52 MPa，定時記錄壓力隨時間的變化數(shù)據(jù)、計算衰減速率并拍照觀察充注過程(圖 2，3)。起始時裂縫處于封閉狀態(tài)，巖心裂縫表面基本呈灰黑色(圖 2a，e);隨著充注的進行，氣體驅(qū)動裂縫中的水溶液向前運移，巖心表面裂縫處由灰黑色逐漸變?yōu)榛野咨一野咨喞刂芽p逐漸向前延伸，充注 15 min 時灰白色輪廓貫通整條裂縫，出口涌出氣泡(圖 2b，f)，充注剛開始的 15 min 內(nèi)定容充注壓力降低極為緩慢 (圖 3);充注 15 ～ 30 min 時，巖心出口氣泡涌出速度逐漸增加(圖 2c，g)，充注壓力隨時間呈指數(shù)關(guān)系迅速下降，充注速率在 25 ～ 30 min 期間達到最大，最大壓力衰減速率可達 0.02 MPa /min(圖 3); 充注 30～45 min 時巖心截面裂縫出口氣泡涌出速度逐漸下降(圖 2d，h)，充注速率進入緩慢降低階段，且速度出現(xiàn)波浪式衰減特征，充注壓力差衰減為零時，氣體充注才停止(圖 3)。
3.2 孔滲型火山巖天然氣充注實驗現(xiàn)象
第Ⅱ組為孔滲型輸導(dǎo)類型，輸導(dǎo)通道主要為較為連通的火山巖溶蝕孔洞以及孔隙，示例樣品為中孔中滲的 1 號凝灰?guī)r(孔隙度為 11.15%，滲透率為 0.851 5 ×10-3 μm2 )及高孔高滲特征的 2 號火山角礫巖(孔隙度為 14.07%，滲透率達 12.11 ×10-3 μm2 )。
第Ⅱ組 1 號巖心直徑 100 mm，長度 99.8 mm，巖心中部存在一體積較大的、物性優(yōu)于圍巖的非均質(zhì)體，非均質(zhì)體呈透鏡狀分布于巖心中部，氣體運移接觸到該非均質(zhì)體后，充注速度變快且氣體均沿該體運移，通過該體后繼續(xù)接觸圍巖緩慢運移，但運移路徑已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的類指狀突進模式。在進行定容充注實驗時選擇稍高壓力作為初始充注壓力(初始壓力為 0.66 MPa)，定容衰竭壓力與實驗時間的關(guān)系依然呈指數(shù)降低，只是壓力衰減的速率相對較低，局部壓力衰減速率欠穩(wěn)定，呈現(xiàn)出明顯波浪式衰減趨勢，表現(xiàn)為幕式運移的特征(圖 4a)。但這種充注速度起伏衰減的幕式運移特征，由于充注壓力的衰減而變得越來越不易于直觀觀察，而最終體現(xiàn)在壓力表擺蕩現(xiàn)象。如當(dāng)壓力由 0.4 MPa降到 0.39 MPa 時，壓力并非穩(wěn)定下降，而是在兩值之間來回擺動，持續(xù)擺動長達 5 min，最終降至 0.39 MPa。并且通過透明裝置觀察發(fā)現(xiàn)，氣體呈指狀運移，優(yōu)先選擇物性較好的部分呈活塞式緩慢運移。
第Ⅱ組 2 號巖心直徑 101 mm，長度 98.8 mm，孔隙度為 14.07%，滲透率達 12.11×10-3 μm2 。孔洞發(fā)育且孔洞呈現(xiàn)出串珠狀分布，構(gòu)成相對連通的輸導(dǎo)通道，使得整體孔隙度和滲透率均較高，在較小的初始定容壓力條件下就可以形成有效充注。實驗選擇 0.1 MPa 的初始壓差進行定容充注實驗，實驗一開始充注壓力就顯著下降(圖 4b)，幾秒鐘后裝置出口端便可觀察到巖心孔隙中的液體被排出，隨后出現(xiàn)氣—水混合排出，即表現(xiàn)出氣泡排出的特征。充注壓力隨著時間呈指數(shù)趨勢降低，局部出現(xiàn)明顯壓力的擺動，充注速率則隨著充注壓力的降低呈現(xiàn)出明顯的“波浪式”降低的幕式衰減的特征(圖 4b)。
第Ⅱ組高孔高滲的 2 號樣品在較小初始充注壓力下可實現(xiàn)快速充注，巖心出口端在4 min時達到排氣頂峰，同時可觀察到氣泡高速排出，排出氣泡位置所占截面面積(有效路徑范圍) 最大且穩(wěn)定。隨著充注壓力的衰減，充注速度整體表現(xiàn)為幕式衰減的特征，出口端排氣泡的巖石面積也逐漸縮小。在此過程中，通過透明裝置從巖心表面也明顯觀察到有效路徑的幕式變化的特征(圖 5)。第Ⅱ 組 2 號樣品在充注到 29 min 時，在巖心表面進行了局部連續(xù)抓拍(1 s 內(nèi))，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時的充注壓力下，如圖 5 中局部巖心可分為 3 個小的氣體連通單元，其中①和②從其他單元獲得氣體后，需要通過相同的方式分別輸送給③，③也以同樣的方式輸送給下一個連通單元，從而實現(xiàn)氣體的傳遞輸送，0 s 時①和③是非連通的;在 0.3 s 時，①從鄰近單元獲得氣體使自身膨脹，從而與③接觸并連通，即①和 ③輸導(dǎo)通道連通;0.6 s 時，由于①的氣體與③連通并輸送給③，使連通體內(nèi)部整體壓力下降，單元面積縮小，①和③輸導(dǎo)通道連接中斷;0.9 s 時，①和 ③以同樣的方式再次連通，至此當(dāng)前壓力下①和③ 完成了 2 次幕式排放周期。而②和③在 0 s 到 0.9 s 過程中正好完成了一個幕式運移周期(圖 5)。隨著壓力的進一步衰減，當(dāng)充注壓力減小到一定程度時，幕式排放路徑逐漸被放棄，表面難以觀察到油氣運移的有效路徑。所謂氣體連通單元是指在一定壓力下，彼此氣體可以連通的獨立儲層單元，該單元范圍會隨著氣體充注壓差實時動態(tài)變化，外界充注壓差越大，氣體聯(lián)動單元范圍就越大。
3.3 模擬實驗現(xiàn)象討論
火山巖定容衰減充注實驗中，整體上具有充注壓力隨時間呈指數(shù)關(guān)系衰減的特征，壓力的衰減速率主要受火山巖的物性與初始充注壓力相對關(guān)系影響，物性越好壓力衰減速率越快，高孔高滲型火山巖樣品的壓力平均衰減速度為中孔中滲型火山巖樣品的 25.8 倍以上。從火山巖充注的運移路徑來看，其運移通道所占輸導(dǎo)層的比例，隨著充注壓力的降低而減小，即油氣運移并非發(fā)生在固定范圍的優(yōu)勢運移通道內(nèi)。