王浩宇 易雪斐 李康 李君

(長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 荊州 434023)

國內(nèi)外學(xué)者通過近20 a的研究對疏松沉積變形構(gòu)造有了進(jìn)一步的認(rèn)識。通過野外露頭、巖心和地震資料發(fā)現(xiàn)了大量的變形構(gòu)造，它們出現(xiàn)在不同年代不同沉積環(huán)境中。這方面的研究也已經(jīng)成為沉積學(xué)領(lǐng)域的研究熱點［1］。并且這些變形構(gòu)造多出現(xiàn)在砂巖中，因此與疏松沉積物相關(guān)的各種特殊構(gòu)造對于油氣勘探的意義重大，這成為巖性油氣藏勘探的一個前沿領(lǐng)域。

沉積模擬研究始于19世紀(jì)末期，經(jīng)歷了以現(xiàn)象觀察描述為主的初級階段、以底形研究為主的迅速發(fā)展階段及以砂體形成過程和演化規(guī)律為主的湖盆砂體模擬階段。模擬實驗有濁流模擬實驗、風(fēng)洞模擬實驗及風(fēng)暴模擬實驗等。沉積模擬研究成果推動了不同學(xué)科的交叉與繁榮，促進(jìn)了實驗沉積學(xué)的飛速發(fā)展，奠定了現(xiàn)代沉積學(xué)的基礎(chǔ)。但在沉積模擬研究中，針對地質(zhì)流化過程的研究很少［2］。Lowe最先開始研究流化作用，并提供了流化作用實驗的描述。更多的研究關(guān)注的是單層材料中的流態(tài)，雙層介質(zhì)中的流化門限值的變化，薄層沉積物中泄水和泄氣構(gòu)造的比較以及純氣驅(qū)流化作用。而且沉積模擬實驗本身存在很多問題，比如實驗時忽略了粉砂和礫的沉積作用、忽視了非均質(zhì)流及非穩(wěn)定狀態(tài)的影響、對砂體規(guī)模和延伸的定量預(yù)測不夠、對實際應(yīng)用考慮不多等等。

為了更好的說明地質(zhì)條件下的疏松沉積物的變形過程，本實驗實現(xiàn)了多層平坦地層中的水驅(qū)流化作用的疏松沉積物變形的模擬，為了將問題簡化，使用了非黏結(jié)性材料，在2個粗粒層中夾一個細(xì)粒層，這樣的實驗設(shè)計可以很好的與砂巖侵入體發(fā)生的環(huán)境相對比，以盡量接近地下真實條件。

1 實驗原理

1.1 流化作用

流化作用是指顆粒間孔隙壓力增大，并且顆粒間摩擦力減小而使固體轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的過程，同時流速足以搬運流體中的顆粒。當(dāng)Re＜20時，單層中粒徑統(tǒng)一的顆粒的最小流化速率(Umf)可用下式表達(dá):

式中:ρs— 顆粒的密度，kg/m3;ρf— 流體的密度，kg/m3;g—重力加速度，m/s2;d—粒徑，mm;φ—顆粒的直徑，mm;μ— 流體的黏度，mPa·s。

當(dāng)水作為流化介質(zhì)時，流化是均勻的或散式流化。當(dāng)U(表面流動速率)超過Umf，并且顆粒被攜帶到流體中，向上搬運到顆粒層的自由面時，發(fā)生淘析。當(dāng)達(dá)到最小流化速率時，巖層的有效應(yīng)力和剪切強度消失，整個系統(tǒng)的壓力梯度增大。水力破裂處(出現(xiàn)流化構(gòu)造)的水力梯度(無量綱)定義為臨界水力梯度ic:

式中:Gs— 顆粒的相對密度;，η等于孔隙度。

本次研究的實驗利用了人工制作的沉積物(玻璃球)，這樣粒徑分布就比典型的非黏結(jié)性沉積物要窄得多。

Lowe給出了Umf隨粒徑變化的關(guān)系圖(圖1)?？梢姺?細(xì)砂巖最容易發(fā)生液化變形。

圖1 最小流化速度和沉積物流化范圍隨粒徑的變化

1.2 變形過程

疏松沉積物變形的一般過程為:形成超壓→蓋層水力破裂→流化→侵入［6］。

目前，研究者一致認(rèn)為超壓是疏松沉積物變形的一個必備條件。只有存在超壓，砂體才可以有足夠的能量保持彈性張力，并且克服內(nèi)摩擦力維持砂流的向上流動。對地層進(jìn)行應(yīng)力分析時，一般涉及到地靜壓力(上覆壓力)、流體壓力、破裂壓力、有效應(yīng)力等。當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥陟o水壓力時就會形成超壓或高壓。

差異壓實、地震引發(fā)的液化、流體的加入、壓力傳遞等都可以形成超壓。不同的地質(zhì)條件會導(dǎo)致不同的應(yīng)力變化過程(圖2)。實際地質(zhì)環(huán)境中，超壓的形成通常是多種因素綜合作用的結(jié)果，單一因素甚至幾種增壓機制的共同作用都很難形成極高的壓力。

當(dāng)孔隙流體壓力超過地靜壓力的80%～90%時就會發(fā)生水力破裂，即破裂壓力梯度為地靜壓力的80%～90%。水力破裂縫的識別特征為網(wǎng)狀和鋸齒狀?？紫秹毫Τ^巖層靜壓力(上覆壓力)梯度時，蓋層的破裂會產(chǎn)生任意方向的裂縫，包括垂直裂縫和水平裂縫，砂巖侵入到這些裂縫中分別形成巖墻和巖床。

圖2 砂體埋藏時其孔隙流體壓力的變化過程

2 實驗裝置

松散沉積物實驗?zāi)Ｐ鸵妶D3。

圖3 松散沉積物實驗?zāi)Ｐ?/p>

3 實驗過程

疏松沉積物流化變形的物理模擬實驗步驟如下:

(1)用清水將實驗用砂和擋水粗砂淘洗多次，直至水變清澈，然后將其自然晾干。

(2)關(guān)閉球閥，在匯水管中加入一定的水，填入擋水粗砂。

(3)安裝法蘭片上的固緊螺絲，將沉積管和匯水管連接起來。

(4)往沉積管中注水，使水深達(dá)到60 cm，通過40目的篩網(wǎng)往沉積管中緩慢加入洗凈并晾干的實驗用砂，頂層和底層是由近球形的玻璃珠組成的(80目的玻璃珠);中間層為320目的細(xì)玻璃珠，混合了10%以下的低密度的紅塑料顆粒作為示蹤劑。每加完一次實驗用砂后，等實驗用砂大約沉淀30 min后，再加下一層沉積物;在頂層沉積物加入后，把沉積管中的水排出一部分，使水面達(dá)到開始時的60 cm的標(biāo)記處。

(5)實驗開始時，打開轉(zhuǎn)子流量計和球閥，通過塑料軟管開始往實驗裝置中注水，在開始注水前5 min開始對實驗裝置攝像;轉(zhuǎn)子流量計的流量先小后大，待發(fā)生液化后保持流量不變，觀察實驗過程中轉(zhuǎn)子流量計和膜盒壓力表的變化，記錄產(chǎn)生重要現(xiàn)象時刻的流量和壓力讀數(shù)。

(6)實驗結(jié)束后，關(guān)閉攝像機、轉(zhuǎn)子流量計和球閥;將沉積管中的水排盡，卸下法蘭片，將沉積管放入冰柜中冷凍，以便后期進(jìn)行切片。

4 實驗設(shè)備的優(yōu)點

本文實驗主要是參考Ross等人的實驗裝置來模擬疏松沉積物的變形過程。目前已經(jīng)按照實驗圖紙制作了相應(yīng)的實驗儀器，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)Ross等人實驗中每個進(jìn)水管都是可以移動的，并且有自封閉閥，來確保當(dāng)進(jìn)水管的裝置改變時，流體與管道之間是直接相連的。目前國內(nèi)尚無自封閉閥的產(chǎn)品銷售，所以這里采用了紗網(wǎng)和開關(guān)共同實現(xiàn)自封閉閥的功能。紗網(wǎng)可以防止上部有機玻璃管管底沉積物從下部的10根進(jìn)水管的管口掉落，從而影響上部沉積物的放置，而10個開關(guān)安裝在10根細(xì)管上，可以有效地控制和改變單次實驗中進(jìn)水管的數(shù)量。

(2)Ross等人的實驗中，只對有機玻璃管側(cè)壁的現(xiàn)象進(jìn)行了觀察，而本文實驗是將有機玻璃管之間用法蘭片連接，可以實現(xiàn)多次實驗觀察，另外我們預(yù)計將每次實驗的結(jié)果進(jìn)行一定程度的凍結(jié)，然后對其進(jìn)行切片，從而可以觀察到沉積物內(nèi)部的變形構(gòu)造，甚至實現(xiàn)3D模型雕刻。

(3)Ross等人所選的砂質(zhì)材料有一定的粒度范圍，而本文實驗都是購買粒度相對均勻的玻璃微珠或者石英砂，其參數(shù)分別是:粗砂(石英砂，32目)，細(xì)砂(較粗玻璃微珠，80目)，粉砂(較粗玻璃微珠，320目)，示蹤劑(珊瑚紅色玻璃微珠，100目)。

(4)能精確測量出變形過程中的壓力梯度和進(jìn)水流量，半定量—定量地刻畫出地層壓力、流量和變形砂體展布之間的關(guān)系，具有結(jié)構(gòu)簡單合理、操作方便、便于觀察、經(jīng)濟實用的特點。

5 結(jié)語

(1)設(shè)計的一套模擬疏松沉積物變形的實驗裝置，總共16個零部件組成的整套裝置可以成功的模擬砂巖液化、流化、變形、侵入的完整過程。對于探討非粘結(jié)性的層狀地層中，疏松沉積物的形成機理提供很好的技術(shù)支持。

(2)本次試驗儀器對于Ross等人的實驗裝置有了較大程度的改進(jìn)，使實驗更貼近實際情況，并且更加便利，為沉積過程和產(chǎn)物的研究提供了更多的可能。

(3)對于大型砂巖侵入體內(nèi)部流動機理的認(rèn)識無法進(jìn)行現(xiàn)場考察和室內(nèi)試驗，本實驗裝置提供了良好的技術(shù)支持。

［1］張昌民，張尚峰，朱銳，等.砂巖侵入體:巖性油氣藏勘探開發(fā)中值得注意的一個新領(lǐng)域［J］.巖性油氣藏，2011，23(2):1-9.

［2］張昌民，張尚峰，朱銳，等.珠江口盆地砂巖侵入體的識別特征及其石油地質(zhì)意義［J］.石油學(xué)報，2012，33(2):188-194.

［3］張繼武.高科技與石油勘探開發(fā)［J］.石油科技論壇，2005(2):17-19.

［4］傅誠德.瞻望21世紀(jì)石油儀器的發(fā)展［J］.石油儀器，2000，14(1):1-3.

［5］易雪斐，張昌民，李少華，等.砂巖侵入復(fù)合體的建筑結(jié)構(gòu)要素及其特征［J］.地質(zhì)論評，2012，58(2):329-337.

［6］易雪斐，張昌民，李少華，等.砂巖侵入體的形成機制分析［J］.古地理學(xué)報，2012，14(6):727-732.

［7］秦志亮，王大偉，吳時國，等.侵入砂體對深水油氣勘探的研究意義［J］.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)，2009，29(2):110-116.