控制变形带对上罗特利根砂岩（波兰南部二叠纪盆地）岩石物理性质影响的因素

《Journal of Structural Geology》：Factors controlling the impact of deformation bands on the petrophysical properties of the Upper Rotliegend sandstones (Southern Permian Basin, Poland)

储层物性受岩性、埋深及胶结作用影响，变形带渗透率较基质砂岩降低3个数量级，揭示储层非均质性机制。

　　

韦罗妮卡·米科拉耶夫斯卡（Weronika Miko?ajewska）|芭芭拉·瑞巴克-奥斯特罗夫斯卡（Barbara Rybak-Ostrowska）|埃迪塔·普斯卡尔奇克（Edyta Puskarczyk）

ORLEN S.A. – 波兰上游公司，华沙勘探与生产部门

摘要

波兰西部南部二叠纪盆地中的上罗特利根德（Upper Rotliegend）风成和河流沉积砂岩中富含变形带。通过对12口井中100个样本进行岩心和薄片分析，并结合场发射电子显微镜观察以及孔隙度和渗透率测量，我们研究了这些变形带的分布和组成，以及它们在1500米至4900米深度范围内的岩石物理性质变化。控制砂岩和变形带岩石物理性质的主要因素包括：砂岩的成分、结构、分选程度，以及成岩过程中的胶结作用（石英、粘土矿物、硬石膏、碳酸盐）和埋藏深度。与宿主砂岩相比，变形带的渗透率降低了3个数量级。砂岩与变形带之间的渗透率差异在浅层最为明显，随着深度增加以及宿主砂岩的胶结和压实程度提高，这种差异逐渐减小。分析结果与其他南部二叠纪盆地的数据一致，尽管所测得的孔隙度和渗透率略低于该盆地西部地区的相应值。因此，这项研究为了解波兰境内的盆地特征提供了重要数据，有助于更精确的流体流动建模，因为变形带可能阻碍流体流动，从而影响储层的结构和质量。

引言

变形带（Deformation Bands，DBs）是多孔岩石中的一种次地震应变局部化特征（Aydin, 1978; Aydin and Johnson, 1983; Fossen et al., 2007; Schultz and Fossen, 2008），存在于各种构造环境中（Aydin et al., 2006; Fossen et al., 2018）。它们通常构成断层的损伤区或断层早期发育的标志（Rotevatn and Fossen, 2011; Torabi and Berg, 2011, Rybak-Ostrowska et al., 2017）。变形带属于低位移变形区（Aydin, 1978; Aydin and Johnson, 1983; Fossen et al., 2007），在滑动面形成之前就已存在。沿单个变形带的应变硬化行为可防止更大位移的积累，进而形成变形带簇或大量变形带（Aydin and Johnson, 1978; Mair et al., 2000; Soliva et al., 2016; Fossen et al., 2018; Philit et al., 2018）。而沿变形带簇的应变软化行为可能在岩石体积达到临界内聚力和刚度阈值时导致这些簇重新激活为断层（Rotevatn et al., 2008; Nicol et al. 2013; Fossen et al., 2018）。变形带的演化受埋藏深度和宿主岩石矿物组成等多种因素影响（Fossen et al., 2007; Pei et al., 2015）。具有膨胀成分的变形带在较浅深度形成时可能代表高孔隙度区域（Antonellini et al., 1994; Du Bernard et al., 2002; Sample et al., 2006），但在成熟阶段由于选择性胶结或重剪作用，其孔隙度和渗透率通常会降低（Knipe et al., 1997; Fossen and Bale, 2007; Eichhubl et al., 2010; van Ojik et al., 2020）。单个变形带对岩石渗透率的影响较小（例如Fossen and Bale, 2007; Torabi and Fossen, 2009），但其簇可能形成渗透障碍，干扰或减少流体流动（Kolyukhin et al., 2010; Rotevatn et al., 2013; Ballas et al., 2015, Rotevatn et al., 2017; Romano et al., 2021）。

三十多年来对罗特利根德砂岩序列的研究表明，变形带在德国北部（Legler and Marchel, 2008; Busch et al., 2018）、荷兰（van Hulten, 2010; Ligtenberg et al., 2011; van Ojik et al., 2020）和英国（Leveille et al., 1997; Fisher and Knipe, 2001; Fisher et al., 2003）等地区的多孔碎屑岩中普遍存在，并显著改变了这些岩石的构造。在波兰也有类似发现（Kiersnowski et al., 2018; Miko?ajewska et al., 2026）。

本研究重点分析了位于南部二叠纪盆地最东部地区的12口井中的变形带特征，探讨了它们与宿主岩石成分、埋藏深度的关系及其对岩石物理性质的影响（图1）。研究内容包括岩心和薄片分析，以及宿主岩石和变形带的孔隙度与渗透率测量，以阐明宿主砂岩成分、埋藏深度和成岩过程对变形带结构和物理性质的影响。

研究首先对宿主岩石和变形带进行了宏观和微观分析，随后通过实验室测试确定了岩石物理参数（有效孔隙度和渗透率），并结合点计数法得出总孔隙率数据。结果证实了南部二叠纪盆地中变形带主要以碎裂作用为主，同时也发现了其他较少见的变形带类型。变形带内的渗透率降低现象与其他地区的研究结果一致，尽管分析数据显示孔隙度和渗透率略低于盆地西部地区的水平。

地质背景

波兰盆地是南部二叠纪盆地最东端的部分（图1A）（Ziegler, 1990; Kiersnowski et al., 1995; van Wees et al., 2000; Gast et al., 2010），形成于晚石炭世至早二叠世时期（Ziegler, 1990），是由大陆裂谷作用与瓦里斯卡造山带塌陷共同作用的结果（Thybo, 1997, Scheck et al., 2002, Dadlez et al., 2005, Maystrenko et al., 2008, Narkiewicz et al., 2015）。

方法

通过对岩心检查、岩石物理实验室测量、薄片描述和电子显微镜观察（结合能量色散光谱分析EDS）来研究上罗特利根德沉积物中的变形带及其物理性质。研究基于12口用于天然气勘探的井的地质数据（附录1），其中10口井由ORLEN S.A.提供，另外2口井归波兰国家所有。

结果

定性和定量数据（表1；附录1）有助于表征宿主罗特利根德砂岩的岩性和成分、变形带的分布及其物理性质，包括选定区域内的总孔隙度和有效孔隙度、渗透率（图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9）。

讨论

通过整合定性和定量数据，对比了宿主砂岩及其相关变形带的物理参数，并将结果与先前关于南部二叠纪盆地上罗特利根德沉积物的研究进行了讨论。

结论

对波兰盆地二叠纪上罗特利根德砂岩的结构性和岩石学分析表明，变形带的普遍存在与其宿主岩石成分、埋藏深度及成岩过程有关。这些因素影响了宿主岩石和变形带的孔隙度与渗透率，从而形成了储层的非均匀结构。

• •
  几乎所有变形带

作者贡献声明

埃迪塔·普斯卡尔奇克（Edyta Puskarczyk）：负责撰写、审稿与编辑、项目监督及资金申请。韦罗妮卡·米科拉耶夫斯卡（Weronika Miko?ajewska）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、资源管理、方法论设计、实验研究、资金申请、数据分析及概念框架构建。芭芭拉·瑞巴克-奥斯特罗夫斯卡（Barbara Rybak-Ostrowska）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、方法论设计、实验研究、数据分析及概念框架构建

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了克拉科夫AGH大学“卓越计划——研究型大学”项目（资助编号：500.696.7996）以及波兰科学与高等教育部实施的博士培养计划（第五期）的资助。感谢克拉科夫石油与天然气研究所的格热戈日·莱什尼亚克（Grzegorz Le?niak）博士在孔隙度和渗透率测量方面的帮助，以及维斯瓦河大学（VSB）的达利博尔·马蒂塞克（Dalibor Matysek）博士的宝贵贡献。