鄂爾多斯盆地南泥灣地區(qū)古構造應力場模擬與裂縫儲層有利區(qū)分析

高建武

(延長油田股份公司南泥灣采油廠，陜西 延安 716000)

1 地質(zhì)概況

南泥灣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地的中西部，面積約1600km2。該區(qū)三疊系延長組地層以內(nèi)陸淡水湖泊三角洲沉積為主，為一套灰綠色、灰黑泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰綠、灰白色細砂巖互層，地層層序發(fā)育完整，演化特征明顯。根據(jù)巖性及古生物組合，延長組分自上而下為10個油層組，其中長4+5油層組為研究區(qū)主力產(chǎn)油層，該目的層為低滲透油氣儲集層，前期的研究結果顯示其儲滲性能主要受構造裂縫的發(fā)育程度控制，而裂縫發(fā)育程度與構造應力場和斷裂構造關系非常密切，前期多位學者注意到了構造應力場與油氣儲層裂縫發(fā)育分布的關系，但未進行深入的研究。本文在對鄂爾多斯盆地南泥灣地區(qū)長4+5油層組聲發(fā)射地應力測量、巖石力學參數(shù)和單軸抗拉強度測試并考慮斷裂對裂縫形成作用的基礎上，采用三維有限元法比較精細地模擬該區(qū)古構造應力場，結合鉆井裂縫線密度和油氣井的分布，預測塔該區(qū)構造裂縫儲層發(fā)育區(qū)，為該地區(qū)油氣勘探開發(fā)提供新的地質(zhì)依據(jù)。

2 裂縫發(fā)育特征

根據(jù)南泥灣地區(qū)長4+5儲層段巖心觀察(見圖1)和觀測結果統(tǒng)計(表1)，該地區(qū)4口井都不同程度上發(fā)育裂縫。南泥灣地區(qū)長4+5宏觀構造裂縫以高角度裂縫為主，有效裂縫居多。張性縫大多開度在1～2 mm之間，切深大多在0～20cm之間，其被充填嚴重，充填物有泥質(zhì)或泥碳質(zhì)、方解石及瀝青。剪性縫開度大多在0.1～0.2 mm內(nèi)，切深大(＞20cm)的高角度無充填縫多為剪切縫。堡子灣地區(qū)長4+5存在共軛剪裂縫，其中一組為SE－NW向(317.2°)，另一組為 NE－SW 向(65.2°)。裂縫主要發(fā)育于粉、細砂巖中，泥巖中裂縫不發(fā)育?？傮w南泥灣地區(qū)長4+5砂巖段宏觀構造裂縫不太發(fā)育，但是局部有切深大的高角度無充填縫發(fā)育，將對滲流產(chǎn)生重大影響。

圖1 南泥灣地區(qū)長4+5巖心裂縫觀察圖

表1 南泥灣地區(qū)巖心長4+5裂縫參數(shù)統(tǒng)計表

3 構造應力場模擬

低滲透油氣儲集層中構造應力場和裂縫定量預測的關鍵是其模型的建立。由于地質(zhì)體形成過程中的長期性、復雜性和不可逆性，只能用相對靜止和相對均質(zhì)的觀點來近似地再現(xiàn)在漫長地質(zhì)歷史時期中形成的復雜地質(zhì)體中應力場和構造裂縫的分布情況。模型的建立包括地質(zhì)模型和力學模型建立。

3.1 模型建立

對南泥灣研究區(qū)來說，晚三疊統(tǒng)主要表現(xiàn)為升降運動，地層相當平緩，重力作用相對均等;延長組儲層構造裂縫形成于燕山早中期及其以后。因此，根據(jù)長期工作經(jīng)驗，我們采用二維平面模型能較好達到應力場平面分布和裂縫預測研究目的。另外，在儲層段之中砂巖和泥巖厚度比值(砂地比)分布較好的反映了長4+5儲層非均質(zhì)性(即反映了不同巖相中巖性或巖性組合巖石力學屬性的非均質(zhì)性)。因此，模擬對象的地質(zhì)體可用砂地比來表示，因為不同的地質(zhì)體其砂地比不同，其巖石力學性質(zhì)存在明顯的不同，相同的砂地比，其地質(zhì)體巖石力學性質(zhì)大致相同。采用這種等效處理的地質(zhì)非均質(zhì)建模方法，能達到較好模擬效果，另外，由于目的層頂?shù)酌嫫鸱胁町悾试诮r應該充分考慮這一因素。

表2 南泥灣地區(qū)長4+現(xiàn)今地質(zhì)模型巖石力學參數(shù)處理和選擇

表2 南泥灣地區(qū)長4+現(xiàn)今地質(zhì)模型巖石力學參數(shù)處理和選擇

底面構造等值線 材料號 砂地比動彈模(MPa)泊松比1 ＜20% 12000 0.352 20%－30% 14000 0.313 30%－40% 16000 0.284 40%－50% 19000 0.255 50%－60% 24210 0.2076 60%－70% 26000 0.2257 70%－80% 33000 0.195650－68021 ＞80% 36000 0.18680－71012 ＜40% 19000 0.3213 40%－50% 22500 0.2914 50%－60% 27000 0.2615 60%－70% 32000 0.2116 70%－80% 35000 0.1917 ＞80% 38000 0.17＞7108 50%－60% 30000 0.249 60%－70% 31000 0.21310 70%－80% 37000 0.1811 ＞80% 40000 0.1522 / 50000 0.1218 50%－60% 21000 0.319 60%－70% 25500 0.2620 70%－80% 31000 0.22外框＜650

根據(jù)南泥灣地區(qū)不同巖性巖石力學性質(zhì)測量資料，萃取不同地區(qū)泥巖、砂巖端元參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、巖石抗拉強度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)模型砂巖與泥巖厚度比值(即砂地比)，采用加權平均法，賦予不同地區(qū)不同巖石物理力學屬性。

3.2 邊界力的作用方式及約束條件

3.2.1 邊界力作用方向

研究區(qū)主要形變期燕山期應力場最大主壓方位由共軛配套節(jié)理和區(qū)域地層形變規(guī)律而得來。此次模擬σ1方向取值為101.2°～281.2°。

南泥灣地區(qū)現(xiàn)今應力作用方向確定是根據(jù)研究區(qū)巖石壓縮應力－應變實驗而得來，南泥灣地區(qū)現(xiàn)今水平最大主應力為NEE向。研究結果表明，南泥灣地區(qū)現(xiàn)今最大主應力方位N 59.5°E，此次模擬采用其方位為59.5°～239.5°。

3.2.2 邊界力作用大小

現(xiàn)今主應力大小和燕山期應力大小來源于聲發(fā)射法應力測量結果。模擬時按照不同地質(zhì)時期的現(xiàn)今應力和古應力分別取平均值。最小主應力一方面可根據(jù)地殼淺部(4000m以內(nèi))σ1/σ3=2.1進行推算，也可根據(jù)鄂爾多斯盆地南部σ1/σ3=1.548推算。在綜合考慮這兩個方面后，本次模擬研究取值(南泥灣地區(qū)燕山期與現(xiàn)今最大與最小主應力之比為1.60:1)介于兩者之間。

邊界約束條件在有限元計算中，當邊界力的作用方向與地質(zhì)體邊界不垂直，或者說邊界上作用力并不僅僅是正應力，還有平行于邊界的剪應力時，往往由于約束條件的不夠合理造成一定的畸變，而使整個計算結果受到影響。因此，我們采用了轉動地質(zhì)模型角度的方法，使邊界作用力恰好以正應力的方式施加于邊界上，這樣基本上避免了因約束不合理而造成的畸變，又能把剪切力的作用完全反映出來，這樣計算的結果令人滿意。

3.3 南泥灣地區(qū)長4+5應力場分布

圖2展示了南泥灣地區(qū)長4+5燕山期平均應力(MPa)分布，平均應力大于70MPa的區(qū)間為相對高勢區(qū)，主要位于包含南19－44、南40－45、南41－45井等井區(qū)以及研究區(qū)的四個角部區(qū)域，其應力環(huán)境最不利于這些井區(qū)的油氣聚集。平均應力位于65～70MPa之間的區(qū)間為相對較高勢區(qū)，主要位于包含南39－44、南41－44、南45－41井、南30－39井、南36－38井等井區(qū)，其應力環(huán)境不利于這些井區(qū)的油氣聚集。平均應力小于60MPa的區(qū)域為相對低勢區(qū)，主要位于南38－35、南42－33、南27－45、南25－43井、南26－29井、南28－41井區(qū)域。其它為過渡區(qū)，其平均應力位于60～65 MPa之間。低勢區(qū)和相對低勢區(qū)應力環(huán)境有利于油氣在燕山期聚集。

圖2 南泥灣地區(qū)長4+5燕山期平均應力分布圖

4 裂縫儲層有利區(qū)預測

在主要構造形變期燕山期應力場數(shù)值模擬基礎上，利用格里菲斯準則、莫爾－庫侖剪破裂準則裂縫形成的力學原理，對南泥灣地區(qū)主要目的層巖石剪破裂、張破裂發(fā)育情況(可能性)及其裂縫發(fā)育方位，進行了預測及分級評價。

圖3 南泥灣地區(qū)長4+5剪破裂指標評價與發(fā)育方向圖

研究區(qū)內(nèi)長4+5區(qū)域性剪破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育區(qū)主要位于研究區(qū)西部和東部等區(qū)域，主要發(fā)育方向為NEE－近EW向與NWW向，局部地區(qū)方向有變化。而張性破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育區(qū)主要位于研究區(qū)的東北側與西南側，主要發(fā)育方向為NEE向(圖3)。

研究區(qū)內(nèi)長4+5區(qū)域性剪破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育在區(qū)研究區(qū)大部分地區(qū)都較發(fā)育，而在研究區(qū)東南側與南30－40與南24－34等井區(qū)域剪破裂不發(fā)育。剪破裂主要發(fā)育方向也為NEE－近EW向與NWW向，其發(fā)育方向基本較穩(wěn)定。而張性破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育區(qū)主要位于研究區(qū)的東北側與西南側，主要裂縫發(fā)育方向為NEE向(圖4)。

圖4 南泥灣地區(qū)長4+5張破裂指標評價與發(fā)育方向圖

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