王 碩，戴俊生，王 珂，付小龍，徐 珂

(1.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023)

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基于數(shù)值模擬分析構(gòu)造作用對(duì)裂縫發(fā)育的控制

王 碩1，戴俊生1，王 珂2，付小龍1，徐 珂1

(1.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023)

通過(guò)基于數(shù)值模擬法研究克深氣田構(gòu)造作用對(duì)裂縫發(fā)育的控制，分析了斷層、褶皺以及斷層-褶皺系統(tǒng)中構(gòu)造裂縫的分布規(guī)律。結(jié)果表明，克深2區(qū)塊斷層控制裂縫帶寬度約為600 m。在600 m范圍內(nèi)，越靠近斷層，裂縫發(fā)育程度越高；在遠(yuǎn)離600 m范圍以外，裂縫發(fā)育的程度較低。背斜作用對(duì)裂縫發(fā)育的控制表現(xiàn)為：在背斜的核部，裂縫的密度發(fā)育較低，但裂縫的孔隙度、開(kāi)度和滲透率等物性參數(shù)較高，裂縫整體發(fā)育程度較高；在背斜的翼部，裂縫發(fā)育的密度較高，通常為延伸較短的細(xì)小裂縫，裂縫的發(fā)育程度較低。斷層-褶皺系統(tǒng)中，在斷層控制的范圍內(nèi)，裂縫的發(fā)育主要受斷層的控制，裂縫發(fā)育程度明顯升高。該研究對(duì)克深氣田儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

數(shù)值模擬；斷層作用；褶皺作用；裂縫參數(shù)；克深氣田

0 引 言

儲(chǔ)層裂縫的定量描述與預(yù)測(cè)是裂縫性儲(chǔ)層研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，曲率法[2]、能量法與巖石破裂法(二元法)[3]、分形分維法[4]和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法等定量描述方法相繼被提出并得到較好的應(yīng)用。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬方法以巖石力學(xué)為基礎(chǔ)，以斷裂展布和構(gòu)造形態(tài)為依據(jù)，以單井施工數(shù)據(jù)為約束條件，結(jié)合庫(kù)倫-莫爾準(zhǔn)則或格里菲斯準(zhǔn)則，對(duì)裂縫的分布規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，是目前裂縫預(yù)測(cè)的有效方法。

研究表明，儲(chǔ)層裂縫的形成與分布主要受構(gòu)造部位、巖性、巖層厚度和地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素的控制，構(gòu)造作用對(duì)裂縫發(fā)育的控制較明顯。眾多學(xué)者對(duì)斷層相關(guān)褶皺[5-6]、斷層轉(zhuǎn)折褶皺[7]和斷層傳播褶皺[8]等構(gòu)造作用對(duì)裂縫發(fā)育的影響進(jìn)行了研究，但主要以定性描述為主，不能夠直觀地體現(xiàn)出地層深部構(gòu)造對(duì)裂縫發(fā)育的影響。以克拉蘇構(gòu)造帶克深氣田裂縫定量分析與預(yù)測(cè)研究為例，以儲(chǔ)層裂縫數(shù)值模擬法得到的裂縫定量參數(shù)為基礎(chǔ)，研究?jī)?chǔ)層裂縫參數(shù)空間展布規(guī)律，分析斷層、褶皺等構(gòu)造作用對(duì)裂縫發(fā)育的影響，對(duì)克深氣田儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域概況

克深2區(qū)塊位于塔里木北緣庫(kù)車凹陷內(nèi)，西鄰大北氣田，東接克拉2氣田，構(gòu)造上位于庫(kù)車前陸沖斷帶中部，為一近東西向展布的大型背斜構(gòu)造帶(圖1)，是繼克拉2氣田之后塔里木盆地“十二五”期間的重點(diǎn)勘探區(qū)塊。

克深氣田所處的克拉蘇構(gòu)造帶油氣藏地質(zhì)條件優(yōu)越，發(fā)育優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)蓋組合，具有良好勘探前景，其目的層白堊系巴什基奇克組(K1bs)為一套致密砂巖儲(chǔ)層，與下伏地層白堊系巴西改組(K1bx)呈平行不整合接觸，埋深達(dá)6 000～7 000 m，鉆探難度較大。根據(jù)巖性差異，目的層自上而下可分為巴一段(K1bs1)、巴二段(K1bs2)、巴三段(K1bs3)3個(gè)巖性段。巖性以細(xì)砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖和泥巖為主，為辮狀河三角洲前緣沉積?；|(zhì)孔隙度約為5.5%，基質(zhì)滲透率約為0.05×10-3μm2，巖心成像測(cè)井資料表明，構(gòu)造裂縫十分發(fā)育，是一套典型的深部低孔、低滲的致密裂縫性砂巖儲(chǔ)層。

圖1 克深2區(qū)塊地理位置

2 構(gòu)造裂縫數(shù)值模擬法

汪必峰[9]、季宗鎮(zhèn)[10]、馮建偉[11]、王珂[12]等以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石破裂準(zhǔn)則，利用裂縫表面能、巖石應(yīng)變能理論，建立了古、今應(yīng)力場(chǎng)與裂縫參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系：

(1)

式中：Dvf為裂縫體密度，m2/m3；ωf為應(yīng)變能密度增量，J/m3；J為裂縫表面能，J/m2；σ1、σ2、σ3分別為最小、中間、最大主應(yīng)力，MPa；E為楊氏模量，MPa；μ為巖石泊松比；Dlf為裂縫線密度，條/m；L1、L3分別為沿σ1、σ3方向的表征單元長(zhǎng)度，m；b為裂縫開(kāi)度，m；ε3為最小主應(yīng)變；ε0為最大彈性張應(yīng)變；φf(shuō)為造縫期裂縫孔隙度，%；b0為造縫期裂縫開(kāi)度，m。

裂縫是在古應(yīng)力的作用下形成的，現(xiàn)今應(yīng)力會(huì)使先存裂縫發(fā)生一定程度閉合，即古應(yīng)力場(chǎng)下形成裂縫，現(xiàn)今應(yīng)力對(duì)裂縫具有改造作用。根據(jù)Willis-Richards[13]模型，忽略正應(yīng)力和剪切應(yīng)力對(duì)裂縫開(kāi)度的影響，得出現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)改造下的裂縫開(kāi)度和孔隙度模型：

(2)

式中：C為裂縫的充填系數(shù)，%；σnref為使裂縫開(kāi)度減小90%的有效正應(yīng)力，MPa；σn為有效正應(yīng)力，MPa；bi為第i組裂縫的開(kāi)度，m；Dvfi為第i組裂縫體密度，m2/m3；bm為改造后的的裂縫開(kāi)度，m；φf(shuō)為改造后的裂縫孔隙度，%。

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)克深2區(qū)塊進(jìn)行古今應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，根據(jù)式(1)、(2)進(jìn)行裂縫各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)裂縫的定量預(yù)測(cè)。

3 逆斷層對(duì)裂縫發(fā)育的影響

庫(kù)車凹陷自中新世以來(lái)，受到南北向的強(qiáng)烈擠壓作用，內(nèi)部發(fā)育一系列的逆沖斷層，克深2區(qū)塊內(nèi)部發(fā)育2條東西走向的邊界斷層和3條近東西走向的次級(jí)斷層。裂縫線密度與距斷層距離的關(guān)系數(shù)值模擬結(jié)果表明(圖2a)：斷裂帶附近構(gòu)造裂縫的發(fā)育受逆斷層的控制，形成距斷層600 m左右寬度的高密度裂縫帶。600 m的裂縫帶寬度稱為臨界寬度，即在600 m范圍以內(nèi)，隨著距斷層的距離增加，裂縫發(fā)育的密度降低，到600 m左右，裂縫密度驟然降低，遠(yuǎn)離600 m的區(qū)域裂縫發(fā)育的密度比較穩(wěn)定。斷層控制裂縫的臨界寬度是變化的，在斷層的轉(zhuǎn)折段、端部和斷層交匯處等應(yīng)力集中區(qū)域，斷層對(duì)裂縫的臨界寬度影響較大。因此，斷層控制裂縫的臨界寬度應(yīng)為平均臨界寬度。斷層控制裂縫的臨界寬度與斷距的比值(稱為影響因子)可以反映不同性質(zhì)的斷層對(duì)構(gòu)造裂縫發(fā)育的影響程度?？松?區(qū)塊逆斷層的斷距平均為300 m左右，斷層對(duì)裂縫的影響因子約為2.00，而張扭性的皮羌走滑斷層和壓扭性的西克爾走滑斷層的影響因子分別為0.02和0.03[14]，反映克深2區(qū)塊逆沖斷層對(duì)裂縫的控制程度非常明顯。

圖2 裂縫發(fā)育程度與距斷層的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)鉆井液的漏失量，分析斷層帶附近裂縫發(fā)育程度(圖2b)。結(jié)果表明：鉆井液的漏失量與距斷層的距離具有密切的關(guān)系，越靠近斷層，鉆井液漏失越嚴(yán)重，表明裂縫的發(fā)育程度越高，這與數(shù)值模擬的結(jié)果具有較高的吻合度，在斷裂帶附近，裂縫的孔隙度、滲透率和開(kāi)度等物性參數(shù)明顯升高，表明斷層對(duì)裂縫具有較強(qiáng)的控制作用。

4 背斜構(gòu)造對(duì)裂縫發(fā)育的影響

在背斜的形成過(guò)程中，由于不同部位所受應(yīng)力大小和方向不同，裂縫發(fā)育的規(guī)律也存在很大的差異。背斜的軸部在張應(yīng)力狀態(tài)下，常發(fā)育小規(guī)模的張裂縫，王珂[15]在研究克深2區(qū)塊裂縫走向異常時(shí)認(rèn)為：彎曲巖層派生出的張應(yīng)力改變主應(yīng)力的方向，導(dǎo)致裂縫走向異常。而背斜的翼部在壓應(yīng)力的作用下，常發(fā)育剪裂縫；背斜不同部位彎曲程度(曲率)不同，裂縫發(fā)育的程度也有很大的差異。李志勇[16]以江漢盆地王場(chǎng)褶皺為例，認(rèn)為張裂縫的發(fā)育與巖層彎曲曲率具有密切的關(guān)系，背斜不同部位的受力不均勻性使得裂縫在背斜上呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。張惠良[17]等應(yīng)用網(wǎng)格裂縫描述和古應(yīng)力分析等方法對(duì)庫(kù)車河露頭背斜構(gòu)造裂縫建模時(shí)認(rèn)為，隨著至背斜核部距離的增大，裂縫發(fā)育的密度呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。

應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法，對(duì)克深2區(qū)塊背斜區(qū)域裂縫參數(shù)(密度、開(kāi)度)進(jìn)行研究(圖3)。模擬結(jié)果表明：背斜的軸部裂縫發(fā)育的密度較小，但裂縫的開(kāi)度較大，孔隙度與滲漏率較高，裂縫的延伸較遠(yuǎn)，說(shuō)明背斜高部位是裂縫發(fā)育的有利區(qū)域，氣井的產(chǎn)能較高；而遠(yuǎn)離背斜軸部的背斜翼部和構(gòu)造底部，雖然裂縫發(fā)育的密度較大，但開(kāi)度較小，孔隙度、滲透率較低，裂縫多為半充填，裂縫的孔隙度與滲透率較低，氣井的產(chǎn)能一般較低。由以上分析可以看出，裂縫發(fā)育程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是多因素的，是裂縫密度、孔隙度、開(kāi)度和滲透率的綜合體現(xiàn)。因此，裂縫的密度并不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)裂縫的發(fā)育程度。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，考慮裂縫的滲流特性，常采用裂縫的孔隙度和滲透率作為裂縫發(fā)育程度的表征。

圖3 過(guò)A—A′剖面裂縫參數(shù)分布

5 斷裂-褶皺-裂縫共生系統(tǒng)

斷裂作用和褶皺作用不僅能單因素控制裂縫發(fā)育，常形成斷層-褶皺-裂縫共生系統(tǒng)，使得裂縫的分布特征更加復(fù)雜?？松?區(qū)塊為一近東西向展布的大型背斜構(gòu)造，斷裂系統(tǒng)發(fā)育，單一構(gòu)造因素不能控制裂縫發(fā)育的分布規(guī)律，因此，在斷裂-褶皺系統(tǒng)下研究裂縫的分布規(guī)律具有重要的意義。

由圖4可知，裂縫的發(fā)育受斷層和褶皺的控制作用比較明顯，在斷裂帶附近、背斜的高點(diǎn)及翼部，裂縫發(fā)育的形態(tài)及組合方式差異較大。在斷裂-褶皺系統(tǒng)中，斷層的存在使得背斜處裂縫發(fā)育規(guī)律發(fā)生明顯的改變。在過(guò)A—A′的剖面中，背斜被2條邊界斷層和1條內(nèi)部次級(jí)斷層所切割。背斜的左翼，在斷層影響的范圍內(nèi)，裂縫的各項(xiàng)參數(shù)均明顯升高，而在非斷層控制的背斜右翼，裂縫的發(fā)育程度隨深度的增加而下降。

圖4 過(guò)斷層A—A′剖面裂縫孔隙度分布

其次，不同的構(gòu)造部位裂縫發(fā)育的組合規(guī)律也有較大差別(表1)。在斷裂帶附近，網(wǎng)狀裂縫發(fā)育，而靠近背斜高點(diǎn)處，直立縫和雁列縫發(fā)育。在南北、東西兩翼，高角度的斜交縫所占比例逐漸增加。由于不同部位所受應(yīng)力的大小、方向不同以及多期古應(yīng)力疊加改造作用的影響，在褶皺的核部發(fā)育走向EW、NNW—SSE、NNE—SSW 3組裂縫，使得研究區(qū)儲(chǔ)層的物性升高，是勘探的有利相帶。背斜鞍部裂縫充填明顯導(dǎo)致該部具有較低的產(chǎn)量。在構(gòu)造低部位，裂縫發(fā)育的線密度高，但裂縫的物性參數(shù)低，因此，該部位的裂縫整體發(fā)育程度有限。

6 結(jié) 論

(1) 斷層影響裂縫發(fā)育的寬度是有限的，稱為“臨界寬度”。在臨界寬度以內(nèi)，裂縫的發(fā)育密度與距斷層的距離成反比，即越靠近斷層，裂縫越密集。裂縫帶局部裂縫被方解石等礦物充填，裂縫的滲流程度低，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。

表1 克深2氣田巖心裂縫統(tǒng)計(jì)

(2) 褶皺部位發(fā)育的裂縫走向常常不具規(guī)律性，這是褶皺不同部位不均勻受力所導(dǎo)致的。在背斜的核部，裂縫發(fā)育的密度較低，但裂縫的物性參數(shù)較好，使得背斜的高部位裂縫整體發(fā)育程度較高。而遠(yuǎn)離背斜的核部，雖然裂縫的密度較高，但多數(shù)為規(guī)模較小的裂縫，物性參數(shù)較差，整體發(fā)育程度不高。

(3) 在斷裂-褶皺-裂縫的共生系統(tǒng)中，由于斷裂的存在，使得靠近斷裂的背斜部位網(wǎng)狀縫數(shù)量增加，提高了裂縫的滲流能力，改善了儲(chǔ)層的物性。

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編輯 黃華彪

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.017

20150724；改回日期：20151120

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“中西部前陸盆地構(gòu)造地質(zhì)、儲(chǔ)層特征與有利區(qū)評(píng)價(jià)”(2011ZX05003-04)

王碩(1990-)，男，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，現(xiàn)為該校地質(zhì)學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事地應(yīng)力及儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)研究。

TE122

A

1006-6535(2016)01-0076-05