基于太赫茲時域光譜技術的砂巖沉積作用模擬研究

陳星潔 秦凡凱 張國林 寶日瑪

摘要：為模擬地質構造環境，選用石英砂顆粒作為模擬巖石的主要成分，與聚乙烯顆粒按一定比例混合后壓片，并進行太赫茲光譜測試。實驗發現質量分數為35%聚乙烯65%石英砂樣品對太赫茲波的吸收隨壓力增加而增強，這與壓力增大導致樣品的密度增加有關，而50%聚乙烯50%石英砂樣品對太赫茲波的吸收隨壓力增加先增強而后減弱，吸收減小與不同成分排列狀況改變有關。實驗表明，太赫茲光譜信息可以表征通常地質演化過程中隨著埋深增加負荷加大而壓實作用加強的過程，以及在特定的地質環境中，壓實作用加強趨勢受阻的過程。

關鍵詞：砂巖；沉積作用；壓實作用；太赫茲時域光譜

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）33-0089-03

一、引言

壓實作用影響了砂巖中顆粒的孔隙結構和分布[1]。通常情況下，負荷越大壓實作用表現得越強烈，各組成成分在空間分布上更為致密。但在某些特殊的地質作用下，負荷增加所產生的壓實作用并不顯著甚至有所減緩，對于分析歸納負荷對砂巖沉積過程的普遍作用不利[2]。

模擬砂巖要求通過某種技術手段測量相關參數，進而建立模型描述壓實作用的效果。由于不同物質對于光波的響應不同，產生了吸收、散射等作用效果，光學手段可用來檢測、推測某種物質的分布狀況。太赫茲波是頻率處于0.1THz—10THz的電磁波，波長介于微波和光波之間，屬于遠紅外輻射；太赫茲脈沖有較強的穿透能力，能夠穿過一定厚度的物質，并從幅值、相位或光學參數載荷物質成分、結構信息。本文應用太赫茲波檢測巖石模擬壓片樣品、通過光譜分析負載對砂巖的壓實作用，為沉積巖沉積狀況、壓實作用的評價提供新的信息[3]。

二、實驗過程

篩選60目—80目的石英砂顆粒，進行烘干處理（105攝氏度，4小時），以消除洗砂過程中摻入的水和吸附水汽。石英砂和聚乙烯顆粒進行混合后作為原料進行壓片，每個樣品的壓片時間為5min，每個壓片的質量為2g，直徑為30mm，厚度約為2mm按質量分數分為35%聚乙烯、65%石英砂和50%聚乙烯、50%石英砂兩組，直徑為30mm，厚度約為2mm。樣品通過太赫茲光譜儀進行測試，測量時太赫茲波垂直于底面入射，得到太赫茲時域光譜，從而分析時域峰值強度隨壓力變化的變化趨勢。

三、實驗結果與討論

太赫茲波在經過樣品后幅值上有一定的衰減，并產生了一定的信號延時（如圖1所示），時域信號在波形上有一定的變化，這是因為不同頻率的分量經過樣品時傳播速度不同。

分別取各信號的時域峰值，做出壓力-峰值曲線，可以得圖2。

實驗發現，50%石英砂、50%聚乙烯的一組樣品中，時域峰值隨著壓力增加先降低再上升（如圖2所示），即樣品對太赫茲波的吸收先增大后減小；65%石英砂、35%聚乙烯的一組樣品中，時域峰值隨著壓力的增加而降低，即樣品對太赫茲波的吸收隨壓力增大而增強。

在實驗中，壓片壓力模擬了地層中巖石的負荷，壓力越大表示地層負荷越高。石英砂和聚乙烯對太赫茲的透過性能差異明顯，石英砂吸收太赫茲波的能力強而聚乙烯對太赫茲波的透過性良好。當壓力增加時，由于石英砂是脆性材料，聚乙烯顆粒發生了明顯的變形并填充了孔隙，使得樣品中石英砂的體積分數上升，石英砂成分更加致密，因而對太赫茲波吸收作用起主導作用，使得太赫茲波的透射強度下降；而50%石英砂、50%聚乙烯顆粒的樣品中，二者的體積分數明顯不相等，聚乙烯所占的體積和顆粒數目都有較大優勢。壓力較大時，顆粒滑移可能會使樣品內兩種成分的排列狀況發生變化，從而引起樣品對太赫茲波吸收的改變。顆粒排列方式的變化也會引起樣品內部太赫茲波散射狀況的變化，使得壓力—峰值關系發生了改變。

相關研究資料顯示[4]，壓實作用的緩變帶中孔隙度和承載壓力之間存在良好的線性關系，孔隙度隨壓力增大而降低。本實驗中，65%石英砂、35%聚乙烯樣品的太赫茲信號時域峰值隨壓力變化的趨勢成良好的線性，說明了壓實作用在該組分中能夠得到較充分的體現，在這個壓力段聚乙烯發生了變形。

壓力增大可以模擬碎屑、填隙物沉積過程中沉積巖埋藏深度的增加。通常情況下，埋深增加后砂巖的負荷增大而導致壓實作用增強，但由于構造應力等原因，常造成局部地區的壓力異常。構造壓實作用對儲集層物性的影響具有兩面性：一方面隨著構造應力增大，構造壓實作用和構造成巖作用加強，儲集層孔隙度、滲透率降低，尤其是滲透率下降顯著；另一方面隨著構造擠壓作用增強，砂巖致密化程度增強，砂巖中易于發育裂縫，從而形成滲濾性能良好的裂縫性儲集層[1，5]。在兩種不同成分配比的樣品中，出現了兩種不同的壓力—峰值關系，體現出了這種雙重作用，這種雙重作用所表現的主要方面可能與砂巖成分有關，可以反映在樣品的太赫茲波吸收能力上。太赫茲吸收能力的差異是主要由物質結構變化引起的，而非物質成分的差異引起的。

以上實驗現象表明，太赫茲信息可以表征通常地質演化過程中隨著埋深增加負荷增大而壓實作用增強的過程，以及在特定的地質環境中壓實作用趨勢可能受阻的過程。

四、結論

沉積巖的形成、演化與成巖成分和成巖地質環境有密切的聯系，不同的成分與地質環境將對砂巖的沉積產生不同的影響。壓實作用是最主要的成巖作用之一，對砂巖的沉積產生重要的影響。基于太赫茲波的砂巖沉積作用研究，基礎是不同物質對太赫茲波的不同響應。用短時間的、可控的壓力替代自然狀態下的地質壓力，用質量和成分已知的物質代替了成分結構復雜的自然砂巖，有利于開展研究和分析。太赫茲時域信號的峰值強度體現了物質對太赫茲波的吸收能力，進而反映了不同物質在樣品中經過壓片后所處的狀態。在成分上，選用兩個比較有代表的典型比例：50%聚乙烯、50%石英砂在質量上是均等的，同時是判斷某巖石為砂巖的臨界值；35%聚乙烯、65%石英砂是成巖過程中典型的砂巖孔隙度，因此有一定的代表性。模擬樣品對太赫茲波的吸收狀況隨壓力遞增而變化的趨勢與成分相關，說明了壓實作用在不同地質條件下的作用效果不一，太赫茲技術能夠反映砂巖的沉積作用的影響。

參考文獻：

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