岳喜偉，戴俊生，王 珂

巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育程度的影響

岳喜偉，戴俊生，王 珂

（中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島266580）

彈性模量（E）、泊松比（μ）及密度（ρ）是巖石的重要力學參數(shù)，當其他條件一致時，在一定程度上影響著裂縫的發(fā)育。以塔里木盆地某氣田為研究區(qū)，在造縫期古應力場分析的基礎上，利用儲層裂縫數(shù)值模擬技術，計算得到儲層裂縫孔隙度；再以裂縫孔隙度為指標，分析巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育程度的影響。研究結果表明，裂縫孔隙度隨彈性模量的增加而增大，同等應力條件下，彈性模量越大，裂縫孔隙度越高，破裂程度越大；泊松比小于0.2時，裂縫孔隙度隨泊松比增加而逐漸下降；泊松比超過0.2后，裂縫孔隙度隨泊松比增加而逐漸增大；巖石密度對裂縫孔隙度的影響不大，基本上可以忽略。

彈性模量；泊松比；密度；裂縫孔隙度；數(shù)值模擬

儲層構造裂縫是油氣田勘探開發(fā)的重要研究內容。儲層中的裂縫，既可以作為油氣儲集空間，又可以作為油氣運移通道，同時有利于油氣的開采［1］。影響裂縫發(fā)育的主要因素有巖性、成巖因素、構造作用、構造部位（斷層、褶皺）、地應力強度、層厚、深度等［2～7］，另外構造應力場以及地層條件下的巖石力學性質對裂縫發(fā)育的影響尤為重要［8］。能夠表明巖石基本力學性質的巖石力學參數(shù)有抗壓強度、抗剪強度、彈性模量（E）、泊松比（μ）等。巖石力學參數(shù)可以揭示地質歷史時期裂縫成因類型、空間分布和裂縫形成的力學機理，一定程度上反映了裂縫的發(fā)育程度［9～10］。不同類型、不同環(huán)境下的巖石具有不同的巖石力學參數(shù)［11～12］，在同等條件下巖石裂縫的發(fā)育情況必然會有所不同。關于巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育影響的研究并不多見。在各項巖石力學參數(shù)中，彈性模量（E）和泊松比（μ）是2個表征巖石力學性質的重要力學參數(shù)［13］；另外巖石密度（ρ）是表示巖石物理性質的一項重要參數(shù)，隨著深度增加巖石密度有增大的趨勢［14］。因此本文選用彈性模量、泊松比及巖石密度等3個重要參數(shù)，以塔里木盆地某氣田為背景，利用ANSYS有限元軟件并結合儲層裂縫數(shù)值模擬技術，研究巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育的影響。

1 造縫期古應力場

研究區(qū)位于塔里木盆地庫車坳陷北部克拉蘇構造帶中部，是在喜馬拉雅晚期構造運動背景下發(fā)育起來的背斜構造（見圖1）。主要含氣層系為下白堊統(tǒng)巴什基奇克組，巖性以細砂巖、泥質細砂巖和泥巖為主。

圖1 塔里木盆地某氣田巴什基奇克組頂面構造圖Fig.1 The top structure map of Bashijiqike Formation in a gas field，Tarim Basin

庫車坳陷自中生代以來經(jīng)歷了多次大的構造運動，其中以喜馬拉雅晚期構造運動最為強烈。喜馬拉雅晚期構造運動使天山強烈擠壓縮短，大幅隆升并向盆地內逆沖［17］。在這次構造運動期間，該地區(qū)大多數(shù)區(qū)域斷層開始形成，地層發(fā)生局部至強烈彎曲。由裂縫的形成機制可知，裂縫的形成往往與斷層形成相伴生，或者與強烈的構造變形期相吻合，因此認為研究區(qū)主要造縫時期應是喜馬拉雅晚期。受印度洋板塊和歐亞板塊的強烈碰撞擠壓作用，庫車坳陷自中生代以來主要經(jīng)受近南北向的構造擠壓［15］，地應力方向基本保持近南北向不變。本文研究區(qū)位于庫車坳陷中部，應力狀態(tài)與區(qū)域應力場基本一致；結合裂縫成像測井解釋結果以及該區(qū)的斷層發(fā)育情況（近東西向），判斷本區(qū)造縫期最大主應力方向為近南北向。

根據(jù)研究區(qū)構造演化史及地層變形史可大致推算古應力。逆斷層形成時，最大主應力方向為水平，孫宗頎［17］研究認為在逆斷層形成時期，水平最大主應力可以達到很高的數(shù)值，3000 m深度上下，大約是垂向主應力的7～8倍。根據(jù)構造演化史判斷研究區(qū)目的層在喜馬拉雅期的埋深應為3500～4000 m，據(jù)此可以估算出垂向主應力，進而計算出研究區(qū)喜馬拉雅期的水平最大主應力為535～624 MPa。由于在古、今應力狀態(tài)下裂縫的密度基本保持不變，因此可以線密度約束古應力。在上述應力區(qū)間內，不斷改變主應力的大小，施加在基于研究區(qū)巴什基奇克組頂面構造圖所建立的三維地質模型上，并根據(jù)應力與儲層裂縫之間的定量關系，計算出不同應力狀態(tài)下的儲層裂縫線密度，并與測井解釋裂縫線密度進行對比。當用某個古應力值計算出的裂縫線密度與現(xiàn)今測井解釋裂縫線密度最為接近時，則認為此時的古應力取值是合適的。經(jīng)過不斷試驗加載，最終確定本區(qū)的水平最大主應力為566 MPa。水平最小主應力在地質歷史時期中變化較小，可按現(xiàn)今最小主應力取值80 MPa，根據(jù)以上結果即確定了地質模型的加載方式（見圖2）。

2 巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育的影響

研究區(qū)目的層測井解釋楊氏模量平均為62 GPa，測井解釋泊松比平均為0.25。為了分析彈性模量（E）、泊松比（μ）及密度（ρ）對裂縫發(fā)育的影響，本文結合測井解釋巖石力學參數(shù)，選取適當?shù)闹?，設計了以下3種數(shù)值模擬方案：

①保持泊松比為0.25，密度為2600 kg／m3不變，楊氏模量從30 GPa逐漸增加到70 GPa，步長2 GPa，研究彈性模量對裂縫發(fā)育的影響。

②保持楊氏模量45 GPa，密度2600 kg／m3不變，泊松比從0.10逐漸增加到0.48，步長0.02，研究泊松比對裂縫發(fā)育的影響。

③保持楊氏模量45 GPa，泊松比0.25不變，密度從2200 kg／m3逐漸增加到2800 kg／m3，步長30，研究密度對裂縫發(fā)育的影響。

裂縫孔隙度是評價裂縫性儲層的重要參數(shù)，體現(xiàn)著裂縫的發(fā)育程度和分布范圍，與巖石受構造應力作用產生的破裂程度關系密切［17］；另外裂縫孔隙度在一定程度上量化反映了裂縫的有效性，可以為油藏動態(tài)模擬提供較可靠的參數(shù)［18］。因此本文以裂縫孔隙度作為評價指標分析巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育的影響。依據(jù)上述3種方案，分別對地質模型賦予不同的巖石力學參數(shù)，根據(jù)所確定的造縫期古應力場并結合裂縫數(shù)值模擬技術對地質模型進行加載，模擬得到研究區(qū)儲層裂縫孔隙度。

2.1 彈性模量對裂縫發(fā)育的影響

巖石彈性模量是巖石力學最基本的參數(shù)之一，彈性模量的大小與巖體地應力狀態(tài)之間存在密切關系，這已被眾多研究者所認識［19～20］，而構造應力又是裂縫產生的根本原因，應力變化必然會對裂縫的發(fā)育產生影響。本文根據(jù)裂縫數(shù)值模擬所得到的孔隙度數(shù)據(jù)，擬合出研究區(qū)A、B、C三井點的裂縫孔隙度隨彈性模量變化的曲線圖（見圖3）。

圖3 裂縫孔隙度隨彈性模量變化曲線Fig.3 Curve diagram of fracture porosity changes with modulus of elasticity

由擬合曲線可以看出裂縫孔隙度隨彈性模量的增加而增大，不同井點的裂縫孔隙度變化速率不同，差異的產生主要是因為構造位置不同。彈性模量越大，表明巖石的彈脆性特征越強，在受到同等應力條件時更容易產生破裂，形成大量裂縫。本區(qū)測井解釋B井目的層楊氏模量平均約為62 GPa，模擬所得孔隙度為0.3%，裂縫較為發(fā)育。通過對巖心觀察分析，發(fā)現(xiàn)A井泥質細砂巖比細砂巖（含泥礫）裂縫發(fā)育，測井解釋得到的泥質細砂巖彈性模量為59.9 GPa，細砂巖（含泥礫）彈性模量為59.2 GPa；B井泥質細砂巖比泥巖裂縫發(fā)育，經(jīng)過巖石力學實驗所測得的泥質細砂巖彈性模量為129.7 GPa，泥巖彈性模量為49.27 GPa，對比結果也在一定程度上反映了圖3所示曲線關系。

2.2 泊松比對裂縫發(fā)育的影響

大多數(shù)巖石的泊松比在0.1～0.4［21］。受巖性、巖石礦物組成、微結構面等多種因素影響，不同巖性地層的泊松比差異明顯。根據(jù)裂縫數(shù)值模擬所得孔隙度數(shù)據(jù)，擬合出A、B、C等3井點的裂縫孔隙度隨泊松比變化的曲線圖（見圖4）。

圖4 裂縫孔隙度隨泊松比變化曲線Fig.4 Curve diagram of fracture porosity changes with Poisson′s ratio

由擬合曲線可以看出，裂縫孔隙度在泊松比為0.2時出現(xiàn)了極小值，向兩側隨著泊松比的減小和增大，裂縫孔隙度均逐漸增加。在0.1～0.2區(qū)間孔隙度的變化率較大，在0.2～0.4區(qū)間孔隙度變化率相對較小。本區(qū)B井測井解釋平均泊松比在0.25左右，對應圖4中裂縫孔隙度約為0.16%。由于模型賦予的彈性模量為45 GPa，比實際要小，造成裂縫孔隙度相對較小。通過巖心觀察，發(fā)現(xiàn)A井泥質細砂巖比細砂巖（含泥礫）裂縫發(fā)育，巖石力學實驗測得的泥質細砂巖泊松比為0.1、細砂巖（含泥礫）泊松比為0.22；B井泥質細砂巖比泥巖裂縫發(fā)育程度高，經(jīng)過巖石力學參數(shù)實驗測得的泥質細砂巖泊松比為0.11、泥巖泊松比為0.13。這一結果也從一定程度上反映了圖4所示曲線關系。

2.3 密度對裂縫發(fā)育的影響

通過裂縫數(shù)值模擬所得裂縫數(shù)據(jù)，擬合得到A、B、C三井點的裂縫孔隙度隨密度變化的曲線圖（見圖5），擬合曲線顯示，巖石密度對裂縫孔隙度影響不大，基本上可以忽略。

以上分析說明，只要其他參數(shù)不變，不論巖石密度如何變化都不會對裂縫發(fā)育產生影響。此外彈性模量和泊松比的匹配關系對裂縫發(fā)育的影響也很明顯，巖石泊松比小于0.2時，泊松比越小，彈性模量越大，同等情況下越有利于裂縫的發(fā)育；巖石泊松比大于0.2時，泊松比越大，彈性模量越大，同等情況下越有利用裂縫的發(fā)育。但彈性模量和泊松比這2個參數(shù)哪個對裂縫發(fā)育的影響更大、更顯著，還需做進一步研究。

圖5 裂縫孔隙度隨密度變化曲線圖Fig.5 Curve diagram of fracture porosity change with density

3 結論

裂縫孔隙度隨彈性模量的增加而增大，彈性模量越大，表明巖石的彈脆性特征越強，在受到同等應力條件時更容易產生破裂，形成大量裂縫。泊松比小于0.2時，裂縫孔隙度隨泊松比增加而逐漸下降；泊松比超過0.2后，裂縫孔隙度隨泊松比增加而逐漸增大。巖石密度對裂縫孔隙度的影響不大，基本上可以忽略。

以上結論只是在考慮單一變量情況下所得到的，為研究儲層裂縫發(fā)育情況提供了另一種思路。并不能完全揭示巖石力學參數(shù)對裂縫發(fā)育的影響，今后還需更深入的研究。

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INFLUENCE OF ROCK MECHANICS PARAMETERS ON DEVELOPMENT OF FRACTURE

YUE Xi?wei，DAI Jun?sheng，WANG Ke

（Faculty of Earth Science and Technology，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China）

Elasticity Modulus，Poisson Ratio and density are key mechanical parameters of rocks. They have effect on development of fracture with other conditions unchanged.The study area of this paper is a gasfield in Tarim Basin.Based on the analysis of palaeo?stess field，we calculate the porosity of reservoir fracture through numerical simulation technique.Then we use the fracture porosity as index，and analyze the rock mechanics parameters influence on fracture development. The results show that with the elasticity modulus increasing，the fracture porosity increase，the lager the elasticity modulus the easier for rocks to rupture under the same stress；and when the Poisson Ratio is less than 0.2，with the Poisson Ratio increasing，the fracture porosity decrease；the Poisson Ratio is larger than 0.2，with the Poisson Ratio increasing，the fracture porosity increase.In addition，fracture porosity is not affected by rock density and can be ignored.

elasticity modulus；Poisson Ratio；density；fracture porosity；numerical simulation

TU454

A

1006?6616（2014）04?0372?07

2014?08?05

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”（2011ZX05042?001）；“中西部前陸盆地構造地質、儲層特征有利區(qū)評價”（2011ZX05003?04）

岳喜偉（1990?），男，碩士研究生，主要從事構造地質學研究。E?mail：yxw08016103＠163.com