易雪斐, 张昌民, 李少华, 杜家元, 李康, 王浩宇, 李向阳, 周凤娟. (2014)砂岩侵入体系物理模拟实验[J]. 古地理学报, 16(5): 605-612
Yi Xuefei, Zhang Changmin, Li Shaohua, Du Jiayuan, Li Kang, Wang Haoyu, Li Xiangyang, Zhou Fengjuan. (2014)Simulation experiment of sand injectites[J]. Journal Of Palaeogeography, 16(5): 605-612. DOI:10.7605/gdlxb.2014.05.049  
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砂岩侵入体系物理模拟实验
易雪斐1, 张昌民2, 李少华2, 杜家元2,3, 李康2, 王浩宇2, 李向阳4, 周凤娟3
1 非常规油气湖北省协同创新中心,湖北武汉 430100
2 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北武汉 430100
3 中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东广州 510240
4 河南省核工业地质局,河南信阳 464000

第一作者简介 易雪斐,女,1986年生,博士,主要从事沉积学及层序地层学研究。E-mail: xuefeiyi1986@163.com。

收稿日期:2014-03-06
基金:国家“十二五”重大专项(编号:2011ZX05023-002)资助
摘要

近十年来,从露头、地震、岩心和测井曲线等资料中识别出了越来越多的砂岩侵入体。这些砂岩侵入体对油气勘探和开发既有正面影响,也有负面影响,但由于其发育过程和分布的复杂性,使得对于其成因机制和形成过程探讨较少。笔者建立了一套模拟砂岩侵入体系的实验装置,并设计了完整的实验程序,以模拟砂岩侵入体的形成过程,并探索其形成机理。在此基础上,进行了 5组实验,分析了顶层沉积物厚度和进水管结构对砂岩侵入体形成的影响。通过对实验结果进行冷冻、切片和照相,将砂岩侵入体的形成过程分为 5个阶段,并借助软件对每次实验的模型进行了三维重构,以期为更好地分析砂岩侵入体系的形成机理提供实验基础。

关键词: 砂火山; 形成机理; 物理模拟; 切片; 模型重构; 砂岩侵入体系
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2014)05-0605-08
Simulation experiment of sand injectites
Yi Xuefei1, Zhang Changmin2, Li Shaohua2, Du Jiayuan2,3, Li Kang2, Wang Haoyu2, Li Xiangyang4, Zhou Fengjuan3
1 Hubei Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas,Wuhan 430100,Hubei
2 Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration,Yangtze University,Wuhan 430100,Hubei
3 Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangzhou 510240,Guangdong
4 Henan Nuclear Industry Geology Bureau,Xinyang 464000,Henan

About the first author Yi Xuefei,born in 1986,doctor,is engaged in sedimentology and stratigraphy. E-mail: xuefeiyi1986@163.com.

Abstract

More and more sand injectites have been identified from outcrops,seismic data,core observation and logging curves in the last decade. They exert great influence upon exploration and development of oil and gas, both positively and negatively. But because of their complex formation process and distribution,fewer studies has been focused on soft sediments deformation's formation mechanisms. A set of laboratory simulation device is set up and a whole experimental procedure is designed to discuss their genetic mechanisms. On this basis,5 experiments considered the influence of two main variables on the structures formed during fluidization, i.e., the thickness of the overlying coarse sediment layer and the configuration of inlet pipes, are carried out. Each experiment result is freezed,sliced and been taken photos to reconstruct a 3D model. It is hoped to provide an experimental basis for the formation mechanism analysis on sand injectites.

Key words: sand volcano; formation mechanism; physical simulation; slice; model reconstruction; sand injectites

砂岩侵入体系包括3部分, 分别是母体砂岩— — 为侵入体系提供砂体和流体、侵入体系— — 从母体砂岩中侵入到周围泥岩中的砂岩、喷出体系— — 来自下伏侵入体系并喷出古地表或古海底的大量砂岩(Hurst et al., 2011)。侵入体系喷出古地表或者古海底, 形成喷出体系, 即砂火山, 故砂火山一般与砂岩侵入体相伴而生。全球50多个深水盆地中都发现了从毫米级到千米级的砂岩侵入体, 如北海、挪威、地中海、丹麦、加利福利亚、英国大陆架、智利、几内亚海湾、澳大利亚海上和非洲西海岸海域等(Braccini et al., 2008)。

Hurst和Cartwright(2007)提出了侵入圈闭(intrusive traps)这一概念, 认为这类圈闭包含了岩墙、岩床和不规则体。砂岩侵入体影响圈闭形成、储集层的分布、盖层的性质以及流体运移(次级影响)的路径等。北海许多油田都与砂岩侵入体有关, 如Balder油田中砂岩侵入体的油气聚集占整个油田原油地质储量的1/4以上。Gryphon油田相关人员认识到砂岩侵入体后改变钻采策略, 到2008年, 该油田共有7口井钻遇砂岩侵入体, 累计产油1400万桶(222万方), 日产油占总日产量的80%(Braccini et al., 2008)。而在墨西哥湾出现的一些流体逃逸现象却给钻完井工程上带来了不小的困难, 这也可能是由于砂岩侵入体的存在造成的(Myers et al., 2007)。可见, 砂岩侵入体对油气勘探和开发既有正面作用, 也有负面影响, 应引起足够的重视。目前普遍认为, 地震是触发砂岩侵入的主要触发机制(李勇等, 2012), 但对于其具体的形成过程和发育机制报道不多。

当前对大部分砂岩侵入体的研究是在野外观察的基础上进行的, 多属于描述性的, 只有少数试图讨论它们的形成过程。Owen等(2011)提出疏松沉积物变形一般需要3个条件, 其中促使沉积物变形的机制包括流化、液化和触变性, 并且超压是疏松沉积物发生变形的最重要的条件。Lowe(1975)最早开始研究流化作用, 并提供了有关流化作用实验的描述。更多的现代实验研究主要关注单层材料中的流态(Mo¨ rz et al., 2007)、双层介质中流化门限值的变化(Nichols et al., 1994)、薄层沉积物中泄水和泄气构造的比较(Frey et al., 2009)以及纯的气驱流化作用(Pralle et al., 2003; Rodrigues et al., 2009)。为了更好地说明地质条件下砂岩侵入和喷出的过程, 本研究观察了多层地层中的水驱流化作用。为了将问题简化, 实验过程中使用了非粘滞性材料, 在2层粗粒层中夹1层细粒层。这样的实验设计可以很好地与砂岩侵入体的形成环境相对比, 比如薄层的粉砂、粉砂质砂岩或细砂层出现在2层较厚、较粗、较纯净的砂层中(如Netoff, 2002; Fernandes et al., 2007; Glennie and Hurst, 2007; Rodrı 'guez-Lo'pez et al., 2008), 或者是砂岩和粉砂质砂岩出现在较粗的、有时为砾石级的地层中。

1 砂岩侵入体系模拟的实验设计
1.1 实验装置

在砂岩侵入体系的物理模拟实验中, 设计有沉积管(1)、汇水管(2)、下钢丝网(3)、进水管(4)、球阀(5)、支架(6)、进水集合管(7)、实验用砂(8)、截止阀(9)、膜盒压力表(10)、法兰片(11)、上钢丝网(12)、挡水粗砂(13)、塑料软管(14)、转子流量计(15)和底座(16)共16个部件。具体的装置(图 1)为:在底座(16)上安装有支架(6); 进水集合管(7)安装在底座(16)上; 在进水集合管(7)的底部开有进水口; 塑料软管(14)的一端与进水集合管(7)底部的进水口相连接, 另一端与转子流量计(15)相连接; 汇水管(2)安装在支架(6)的顶部; 进水管(4)安装在汇水管(2)与进水集合管(7)之间; 进水管(4)的下端安装在进水集合管(7)的上端面上, 进水管(4)的上端安装在汇水管(2)的底部; 在进水管(4)上安装有球阀(5); 在汇水管(2)的上部安装有沉积管(1); 沉积管(1)与汇水管(2)之间通过法兰片(11)相连接; 在沉积管(1)底部的侧壁上安装有量程为0~5 kPa的膜盒压力表(10); 在汇水管(2)的底部安装有下钢丝网(3); 在汇水管(2)中装有挡水粗砂(13), 粗砂可以作为一个挡板, 这样就可以保证整个水槽为均匀水流; 在沉积管(1)的底部安装有上钢丝网(11); 在沉积管(1)中装有实验用砂(8); 沉积管(1)、汇水管(2)、进水管(4)、进水集合管(7)均为有机玻璃管; 下钢丝网(3)和上钢丝网(12)均为40目不锈钢丝网, 以防止沙子漏失。

图1 实验装置设计图Fig.1 Schematic illustration of experimental device

1.2 实验模型设计

对非粘滞性沉积物而言, 最重要的变形机理是液化和流化。为了考察流化机制, 采用了一个简化的3层地层, 即1层较细层分割2层较粗层。这些层状的测试材料放置在挡板上(图2)。在多数实验中, 顶层和底层是由密度为2.6 g/cm3的近球形的玻璃珠组成的(150~180 μ m粗的玻璃珠), 中间层为45~75 μ m的细玻璃珠, 并混合了少于10%的低密度红色塑料颗粒作为示踪剂。混合的中间层颗粒将降低砂层整体的孔隙度和渗透率, 厚度一直是1 cm。选择玻璃珠作为主要的测试材料是因为它们的密度与石英砂相同, 颗粒分布相对紧凑, 并且在粒径和形态上没有天然砂那样的批内和批间差异。选择红色塑料颗粒作为细粒层的示踪剂是因为其颜色鲜艳便于观察, 也没有天然材料的批内和批间差异, 而且密度小、很粗糙、内聚力不明显。在沉积物被加入和沉淀时, 深水柱可以使整个水槽上沉积均匀。红色示踪剂和细的玻璃珠在加入前需先润湿, 从而可避免分散。加入细粒玻璃珠和红色塑料颗粒之后, 沉淀10min以避免细粒物质被合并到顶层中。在顶层粗粒物质加入后, 把水槽中的水排出一部分, 使之达到最初的30 cm标记处。

图2 实验模型设计Fig.2 Schematic illustration of experimental model

1.3 实验参数设计

在该装置中共成功进行了5次实验, 其实验参数如表1所示。实验考察了流化过程中2种主要变量对砂岩侵入体系的影响:(1)顶层沉积物厚度, (2)进水管结构。

表1 实验参数统计表 Table1 Statistical table of experimental parameters
2 模拟过程与结果
2.1 模拟过程

每轮实验的步骤大致相似, 以实验1为例介绍。实验具体操作流程如下:

打开流量计, 将流量计控制的流速调至最大, 同时打开全部球阀, 往沉积管中注入水体。等沉积管中的水体高度到达30 cm时, 将流量计的流速调至6 L/H, 此时往沉积管中加入8 cm厚的干净、干燥的玻璃微珠(80~100目), 静置5 min, 等玻璃微珠完全沉淀。然后, 将较细的玻璃微珠(200~300目)与作为示踪剂的红色塑料颗粒(0~200目)按照1︰10的比例混合, 搅拌均匀, 并润湿, 这样可以避免在加入的过程中红色颗粒与细玻璃微珠分离。之后, 加入混合好的红色细粒物, 静置10 min, 待细粒层尽量沉淀下来, 沉积管中水体基本变清澈。最后, 加入厚3 cm的较粗玻璃微珠(80~100目)作为顶层, 同样静置5 min, 等顶层较粗玻璃微珠完全沉淀后, 将沉积管中水体舀出部分, 使液面高度恢复至30 cm处, 并记录压力表读数。

上述程序完成后, 开始往装置中加大注水量, 并摄像。先将流量计读数调至10 L/h, 观察现象并记录压力表读数; 5 min后, 将流量计读数调至20 L/h, 继续观察现象并记录压力表读数; 依次类推, 直到红色层底部出现空隙, 将不再增大流量。在实验过程中, 可以观察到红色层底部形成空隙— 空隙增高— 顶层破裂— 管涌— 喷出等一系列现象, 该现象发生10 min后, 关闭球阀, 停止摄像。

2.2 模拟结果

实验结束后, 首先从法兰片处卸下实验发生器, 将其进行冷冻处理, 并对实验结果进行冷冻处理。然后, 从沉积管中取出冷冻后的沉积物(图 3), 该沉积物为圆柱体, 高12 cm, 直径28.5 cm。接着对圆柱体按照垂直1条直径的方向进行切片处理, 实验现象丰富的地方进行密集切片, 无现象或者现象不明显的地方可适当地增大切片的间隔。此次实验共进行了11次切片, 位置分别是Y=1.5 cm、Y=3.5 cm、Y=6 cm、Y=8 cm、Y=10.5 cm、Y=13.5 cm、Y=16 cm、Y=18.5 cm、Y=21.5 cm、Y=24 cm和Y=26 cm。最后, 对每个切片进行照相, 图片如图4所示。

图3 实验1冷冻结果Fig.3 Freezed results of run 1

图4 实验1切片照片Fig.4 Photos of slices from run 1

3 砂岩侵入体系形成过程及模型三维重构

综合观察和比较5组实验的全过程, 可以发现, 这些实验都经历了基本相似的几个阶段, 才最终形成各种变形构造(图 5)。图5右侧莫尔图显示了固体格架内的有效剪切应力是有效正应力的函数。圆圈代表了随着流体压力的增加, 有效弹性应力理论值减小(Cobbold and Rodrigues, 2007)。蓝色线代表了破坏包络线。第1阶段, 流体压力足以驱使垂向流动(箭头), 但是不能引起破裂(图5-A)。第2阶段, 有效应力(红圈)足够拉伸, 而引起盖层产生破裂, 形成空白岩盖(图5-B)。第3阶段, 有效拉伸应力不断增大, 盖层最底部产生的空白水力空隙增高增大(图5-C)。第4阶段, 有效拉伸应力足够在盖层底部产生空白水力裂缝的锥形网络(图5-D)。第5阶段, 超压梯度高到可以流化红色的沙子, 沙子充填了裂缝和岩盖, 喷出地表(图5-E)。

图5 砂岩侵入体系的形成过程Fig.5 Forming process of sand injectite system

理论上认为, 当孔隙流体压力超过地静压力的70%~90%时就会发生水力破裂。实验1、实验2要比实验5更容易形成流化, 另外, 实验2、实验3和实验4具有不同的进水结构, 导致了地层压力的累积速率不同, 实验3和实验4的现象也不及实验2丰富。

每轮实验结束后, 就可以得到一组切片的照片。对这些照片经过一些处理就能实现整个实验结果的模型三维重构(图 6)。该方法可以很好地展现模型内部变形构造的展布特征及其在各个深度的平面形态。

图6 实验1砂岩侵入体系模型Fig.6 Reconstructed diagrams of sand injectite model from run 1

4 实验存在的不足

本次实验基本上成功地完成了砂岩侵入体系形成的模拟, 也为室内沉积模拟提供了一种新的思路。但是实验的整体精度有待提高。如沉积管和汇水管之间靠法兰连接, 这样虽简单快捷地实现了多次实验的重复进行, 节约了仪器成本, 但是法兰片的密封问题就凸显出来了, 因为其密封性直接影响到地层压力的累计, 使得压力表读数的有效性受到质疑。其次, 切片过程都是手动完成的, 下一步可以考虑借助精密的岩心扫描仪器或者高级的切割技术来完成该工作。

此外, 实验装置的外形是圆柱形的, 如果设计成长方体, 可能也会对实验现象有一些影响, 这也是下一步实验应该考虑可以改变的地方。

5 结论

1)设计并建立了一套完整的实验装置来进行砂岩侵入体系的形成模拟, 并设计了完整的实验方法和实验流程。共进行了5组实验, 对顶层沉积物厚度和进水管结构对砂岩侵入体形成的影响进行了考察, 并观察到实验中空隙形成— 空隙增高— 顶层破裂— 管涌— 喷出等一系列现象。

2)通过冷冻、切片的方法得到一系列纵向切片, 借助软件处理可对地质体进行模型重构, 以便更直观地对实验现象进行观察和描述。但实验装置和实验过程中存在的一些问题值得进一步深入探讨。

参考文献
1 李勇, 钟建华, 邵珠福, 等. 2012. 软沉积变形构造的分类和形成机制研究[J]. 地质论评, 58(5): 829-838. [文内引用:1]
2 Braccini E, Boer W D, Hurst A, et al. 2008. 砂岩贯入体[J]. 油田新技术, (2): 34-49. [文内引用:2]
3 Cobbold P R, Rodrigues N. 2007. Seepage forces, important factors in the formation of horizontal hydraulic fractures and bedding-parallel fibrous veins(“beef”and “cone-in-cone”)[J]. Geofluids, 7: 313-332. [文内引用:1]
4 Glennie K W, Hurst A. 2007. Fluidisation and associated soft-sediment deformation in aeolian sand stones: Hopeman Sand stone(Permian), Scotland , and Rotliegend, North Sea[A]. In: Hurst A, Cartwright J(eds). Sand Injectites: Implications for Hydrocarbon Exploration and Production[C]. AAPG Memoir, 87: 221-226. [文内引用:1]
5 Fernand es L A, Bonatto de Castro A, Basilici G. 2007. Seismites in continental sand sea deposits of the Late Cretaceous Caiva'Desert, Bauru Basin, Brazil[J]. Sedimentary Geology, 199: 51-64. [文内引用:1]
6 Frey S E, Gingras M K, Dashtgard S E. 2009. Experimental studies of gas-escape and water-escape structures: Mechanisms and morphologies[J]. Journal of Sedimentary Research, 79: 808-816. [文内引用:1]
7 Hurst A, Cartwright J. 2007. Relevance of sand injectites to hydrocarbon exploration and production[A]. In: Hurst A, Cartwright J(eds). Sand injectites: Implications for Hydrocarbon Exploration and Production[C]. AAPG Memoir, 87: 1-19. [文内引用:1]
8 Hurst A, Scott A, Vigorito M. 2011. Physical characteristics of sand injectites[J]. Earth Science Reviews, 106: 215-246. [文内引用:1]
9 Lowe D R. 1975. Water escape structures in coarse-grained sediments[J]. Sedimentology, 22: 157-204. [文内引用:1]
10 Mörz T, Karlik E A, Kreiter S, et al. 2007. An experimental setup for fluid venting in unconsolidated sediments: New insights to fluid mechanics and structures[J]. Sedimentary Geology, 196: 251-267. [文内引用:1]
11 Myers G, Winkler C, Dugna B, et al. 2007. Ursa basin explores shine new light on shallow water flow[J]. Offshore Engineer, 9: 88-93. [文内引用:1]
12 Netoff D. 2002. Seismogenically induced fluidization of Jurassic erg sand s, south-central Utah[J]. Sedimentology, 49: 64-80. [文内引用:1]
13 Nichols R J, Sparks R S, Wilson C J N. 1994. Experimental studies of the fluidization of layered sediments and the formation of fluid escape structures[J]. Sedimentology, 41: 233-253. [文内引用:1]
14 Owen G, Moretti M, Alfaro P. 2011. Recognizing triggers for soft-sediment deformation: Current understand ing and future directions[J]. Sedimentary Geology, 235(3): 133-140. [文内引用:1]
15 Pralle N, Kulzer M, Gudehus G. 2003. Experimental evidence on the role of gas in sediment liquefaction and mud volcanism[A]. In: Rensbergen V, Hillis R R, Maltman A J, et al(eds). Subsurface Sediment Mobilization[M]. Geology Society London Special Publishment, 216: 159-171. [文内引用:1]
16 Rodrigues N, Cobbold P R, Løseth H. 2009. Physical modelling of sand injectites[J]. Tectonophysics, 474: 610-632. [文内引用:1]
17 Rodrı'guez-Lo'pez J P, Mele'ndez N, de Boer P L, et al. 2008. Aeolian sand sea development along the mid-Cretaceous western Tethyan margin(Spain): Erg sedimentology and palaeoclimate implications[J]. Sedimentology, 55: 1253-1292. [文内引用:1]