金湖凹陷卞東油田灰?guī)r－砂巖混積巖儲層應(yīng)力場模擬及裂縫預(yù)測研究

張建良 （中石化江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇揚州225012）

金湖凹陷卞東油田灰?guī)r－砂巖混積巖儲層應(yīng)力場模擬及裂縫預(yù)測研究

張建良 （中石化江蘇油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇揚州225012）

金湖凹陷卞東油田阜二段儲層為湖相灰?guī)r與砂巖混雜沉積的特殊油氣儲層，該類儲層為孔隙與裂縫雙重介質(zhì)儲層，裂縫預(yù)測研究難度較大。通過應(yīng)力場模擬來實現(xiàn)該類混積儲層的裂縫預(yù)測。利用巖心聲速法、壓裂資料法、聲發(fā)射法確定了研究區(qū)目的層地應(yīng)力的方向和大小，選擇適合目的層的力學(xué)參數(shù)，通過ANASYS軟件實現(xiàn)地應(yīng)力場模擬，研究區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場模擬結(jié)果顯示，卞東油田地應(yīng)力場中巖石三面受壓。在研究區(qū)地應(yīng)力場數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，利用應(yīng)力場模擬結(jié)果參與裂縫參數(shù)計算，定量預(yù)測現(xiàn)今裂縫參數(shù)的空間分布。由于研究區(qū)為擠壓應(yīng)力環(huán)境的現(xiàn)今應(yīng)力場，難于產(chǎn)生裂縫，所以研究區(qū)儲層內(nèi)發(fā)育的裂縫為地質(zhì)歷史時期產(chǎn)生的。古、今裂縫的線密度相同，但開度相差較大，現(xiàn)今裂縫比古裂縫開度要小。裂縫預(yù)測檢驗說明在湖相灰?guī)r與砂巖混積巖儲層中利用構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬來定量表征裂縫具有較好的效果。

金湖凹陷；混積巖；儲層；應(yīng)力場；裂縫預(yù)測

裂縫儲層的研究具有較大的難度，目前沒有任何一種裂縫預(yù)測方法能夠?qū)恿芽p進行全面研究。多年來，多種研究方法被國內(nèi)外學(xué)者嘗試，主要的研究方法為：①利用構(gòu)造特征研究成果進行地下天然儲層裂縫預(yù)測研究；②對與裂縫發(fā)育密切相關(guān)的構(gòu)造主曲率進行研究，進而建立其與裂縫發(fā)育的關(guān)系；③通過對裂縫儲層的力學(xué)模型研究，以構(gòu)造應(yīng)力場模擬技術(shù)為基礎(chǔ)，利用巖石破裂準(zhǔn)則和應(yīng)變能密度進行裂縫預(yù)測和表征［1～3］；④根據(jù)裂縫在巖心上的實測數(shù)據(jù)，應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法建立裂縫的立體分布規(guī)律，進而進行裂縫預(yù)測；⑤利用地震資料進行裂縫識別和預(yù)測，用分形分維方法定量預(yù)測儲層裂縫空間分布等研究方法［4～6］。低孔低滲儲層中的裂縫成因以構(gòu)造為主，所以采用地質(zhì)力學(xué)原理和方法，通過構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬來定量表征裂縫是裂縫預(yù)測的發(fā)展方向。該次研究對象為湖相灰?guī)r與砂巖混雜沉積的特殊油氣儲層，該類儲層為孔隙與裂縫雙重介質(zhì)儲層，裂縫預(yù)測研究具有較大難度，筆者通過應(yīng)力場模擬實現(xiàn)該類混積儲層的裂縫預(yù)測。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

卞東油田地理上位于江蘇省金湖縣境內(nèi)，構(gòu)造上位于蘇北盆地金湖凹陷卞閔楊斷裂構(gòu)造帶的中部（圖1），卞東構(gòu)造東接閔橋構(gòu)造，西臨龍崗次凹，南部與楊家壩構(gòu)造相鄰，是一個被近東西向卞1斷層切割的北傾斷鼻構(gòu)造，構(gòu)造南界為卞1斷層控制，內(nèi)部被3條小正斷層切割，油田被分成4個小斷塊［7，8］。周邊的其他大斷層延伸到此趨于消失，地震剖面上呈現(xiàn)為一個較完整的構(gòu)造，圈閉面積5.2km2，閉合高度145m，油層埋深1437～1574m，構(gòu)造平緩，地層傾角4～8°。

卞東油田主要含油層系為古新統(tǒng)阜寧組二段（E1f2），E1f2主要巖性為粉砂巖、鮞?；?guī)r、生物灰?guī)r，地層厚度160～180m。下部為灰黑色泥巖夾生物灰?guī)r、鮞?；?guī)r以及砂巖；中部為深灰、灰黑色泥巖夾泥灰?guī)r、油頁巖和頁巖，通稱“七尖峰”段；上部為較純的灰黑色泥巖夾少量泥灰?guī)r，與下伏阜一段呈整合接觸，局部為假整合接觸。E1f2進一步分為3個亞段［7～9］，自上而下分別為第一亞段、第二亞段）、第三亞段）。該次研究主要為E1f2下部地層，巖性以生物灰?guī)r、鮞?；?guī)r以及砂巖為主。

圖1 金湖凹陷構(gòu)造區(qū)劃圖

2 井點地應(yīng)力研究

該次研究利用巖石應(yīng)力試驗分析、壓裂、測井等資料，分別采用巖心聲速法、壓裂資料法、聲發(fā)射法等方法研究了井點地應(yīng)力方向和大小，為研究地應(yīng)力空間分布規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

2.1 地應(yīng)力方向測量方法——巖心聲速法

三向應(yīng)力作用環(huán)境中分布的地層中的巖石，當(dāng)被鉆井取出后，脫離了原來的應(yīng)力作用環(huán)境，巖石將發(fā)生應(yīng)力釋放。許多十分微小的裂隙會在巖石應(yīng)力釋放過程中形成，地應(yīng)力大小與微裂隙的發(fā)育程度成正比。由于在地下地層中3個主應(yīng)力存在差異，所以應(yīng)力釋放后的巖石中產(chǎn)生的微裂隙會在不同的方向出現(xiàn)不同的發(fā)育程度。由于空氣充填了取心中形成的裂隙，空氣與巖石的波阻值相差很大，所以樣品中微裂隙在不同的方向出現(xiàn)不同的發(fā)育程度導(dǎo)致聲波在巖心的不同方向上傳播的速度也不同。即，巖心中在最大主應(yīng)力的方向上聲波傳播速度最慢，在最小主應(yīng)力的方向上聲波傳播速度最快［10］。該次研究對B12－3井2塊巖心樣品進行了聲速試驗，結(jié)果見表1，在試驗基礎(chǔ)上，利用地層傾角處理成果和構(gòu)造等資料進行巖心定位后，求得B12－3井目的層最大主應(yīng)力方向為NEE109°，最小主應(yīng)力方向為NNW19°。

2.2 地應(yīng)力方向及大小計算法——壓裂資料法

由于地層巖石水壓致裂的破裂壓力與壓裂層段的巖性及地應(yīng)力有確定的關(guān)系，所以可以利用水壓致裂法確定深部地層中的地應(yīng)力。通過對壓裂井壓裂數(shù)據(jù)的分析，可以獲得地應(yīng)力的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要是利用壓裂曲線上可以直接讀得的3個關(guān)鍵壓力值，即瞬時停泵壓力、重張壓力與地層破裂壓力（圖2），即可反算地層地應(yīng)力。

表1 B12－3井巖心聲速及應(yīng)力方向試驗結(jié)果

該次研究共搜集研究區(qū)20多口壓裂井?dāng)?shù)據(jù)資料，并對其進行了詳細(xì)的分析處理，獲得了壓裂井壓裂層位的地應(yīng)力分布數(shù)據(jù)，為油藏地應(yīng)力分布規(guī)律和儲層裂縫的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。根據(jù)研究工區(qū)部分井壓裂資料確定的地應(yīng)力結(jié)果為，卞東、楊家壩地區(qū)水平最小、最大主應(yīng)力分別為28、38MPa，其方向分別為NS0°和EW90°。

2.3 地應(yīng)力大小確定法——聲發(fā)射法

巖石的聲發(fā)射活動能夠“記憶”巖石所受過的最大應(yīng)力，這種效應(yīng)為Kaiser效應(yīng)。Kaiser效應(yīng)為試驗樣品在僅增加單一應(yīng)力作用下，當(dāng)作用于樣品的應(yīng)力達到過去已施加過的最大應(yīng)力時，聲發(fā)射明顯增加。由于巖石樣品試驗中破裂過程是不可逆的，而巖石樣品地質(zhì)歷史中產(chǎn)生的破裂在試驗中摩擦滑動也能產(chǎn)生聲發(fā)射信號，并且這種摩擦滑動是可逆的，所以在試驗中應(yīng)力低于已承受過的最大應(yīng)力也可能有聲發(fā)射出現(xiàn)。試驗中由于應(yīng)力超過原來承受過的最大應(yīng)力時會有新的破裂產(chǎn)生，所以聲發(fā)射活動頻度會突然提高。

該試驗中，聲發(fā)射率突然增大點對應(yīng)著樣品曾經(jīng)受過的最大壓應(yīng)力［11，12］。但是試驗中應(yīng)注意，當(dāng)試驗樣品為井深大于2000m的巖樣，進行常規(guī)聲發(fā)射試驗時，樣品常常在Kaiser點未出現(xiàn)時就發(fā)生破壞，采集到的信號不是Kaiser效應(yīng)信號，而是巖樣的破裂信號；由于樣品在地層中的環(huán)境為三向應(yīng)力作用環(huán)境，所以常規(guī)聲發(fā)射試驗采集到的信號往往不是巖心所處地層的原地應(yīng)力大小。因而在常規(guī)聲發(fā)射試驗基礎(chǔ)上，改進了聲發(fā)射試驗裝置，采用了圍壓下進行聲發(fā)射試驗。根據(jù)巖心測試結(jié)果，經(jīng)處理得到如表2所示數(shù)據(jù)。

圖2 水力壓裂測地應(yīng)力典型曲線圖

表2 卞東油田測試數(shù)據(jù)處理表

3 卞東油田地應(yīng)力模擬

3.1 力學(xué)參數(shù)和約束條件

巖石的力學(xué)參數(shù)直接影響著油藏地應(yīng)力分布狀態(tài)和儲集層性質(zhì)，因而在油藏應(yīng)力場的數(shù)值模擬中，合理地選擇研究區(qū)塊中的巖石力學(xué)參數(shù)尤為重要。構(gòu)造應(yīng)力場及構(gòu)造裂縫數(shù)值模擬所用的力學(xué)參數(shù)主要有：彈性模量、剪切模量和泊松比、巖石抗壓強度、抗張拉強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角等。一般情況下，巖石力學(xué)參數(shù)主要以巖石力學(xué)試驗的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，同時參照周圍地區(qū)的各種力學(xué)參數(shù)來確定。該次研究中主要采用靜態(tài)法、動態(tài)法和測井資料處理等方式獲取關(guān)鍵井點處的各種巖石力學(xué)參數(shù)，并對上覆巖層的壓力進行了考慮，綜合各類巖石力學(xué)參數(shù)的影響，確定了研究區(qū)的應(yīng)力場模擬力學(xué)參數(shù)（表3）。

表3 卞東區(qū)塊現(xiàn)今地應(yīng)力場數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)

現(xiàn)今地應(yīng)力場模擬中，約束輔助模型的底面垂向位移，南北向施加27MPa擠壓力（最小主應(yīng)力），東西向施加36MPa擠壓力（最大主應(yīng)力），定義整個模型的自身重力，并施加上覆地層壓力。

3.2 地應(yīng)力模擬結(jié)果

通過對研究區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場水平最小主應(yīng)力模擬，工區(qū)地應(yīng)力場中水平最小主應(yīng)力為擠壓應(yīng)力，應(yīng)力為25.5～30.5MPa，方向為近南北向，變化幅度較小。平面上看，工區(qū)中部應(yīng)力較小，東北部應(yīng)力較大，B9－1井、B9－2井附近應(yīng)力最小，約為26.7MPa，斷層帶中應(yīng)力相對集中，約為29MPa。

通過模擬現(xiàn)今地應(yīng)力場水平最大主應(yīng)力，卞東油田最大主應(yīng)力為擠壓應(yīng)力，應(yīng)力值為36.5～40.5MPa，方向亦為近東西向（圖3）。工區(qū)中部靠近斷層部位為應(yīng)力低值區(qū)，向北部逐漸變大，B9－2井附近應(yīng)力值最小，約為36.5MPa。

圖3 卞東油田現(xiàn)今最大主應(yīng)力大小及分布

4 卞東油田儲層裂縫預(yù)測

在研究區(qū)地應(yīng)力場數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，利用巖心裂縫優(yōu)勢發(fā)育方向統(tǒng)計數(shù)據(jù)、確定成縫期古主應(yīng)力方向、定性定量描述巖心裂縫產(chǎn)狀、開度、充填、密度、組系關(guān)系等資料；利用應(yīng)力場模擬結(jié)果參與裂縫參數(shù)計算，定量預(yù)測現(xiàn)今裂縫參數(shù)的空間分布。

研究區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場為擠壓應(yīng)力場，新的裂縫難于產(chǎn)生，所以研究區(qū)儲層裂縫均為古構(gòu)造應(yīng)力場中產(chǎn)生。通過裂縫參數(shù)計算，得出卞東油田裂縫開度相差較大，歷史中最大裂縫發(fā)育期裂縫開度為（0.11～0.15）×10－3m之間，平面上分析，研究區(qū)靠近斷層的部位開度較大，遠(yuǎn)離斷層部位開度變小。從裂縫的發(fā)育歷史過程看，現(xiàn)今裂縫擠壓作用力較歷史中形成的裂縫開度整體變小，介于（0.572～0.835）× 10－4m（圖4），現(xiàn)今裂縫發(fā)育特征為裂縫開度高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中部斷層以西區(qū)域，開度約為0.78×10－4m；最大值位于B1井附近，約為0.82×10－4m；東部B13－4井附近開度相對較大，大小約為0.78×10－4m?，F(xiàn)今裂縫線密度模擬結(jié)果表明，研究區(qū)裂縫線密度為0.6～1.4條／m（圖5），工區(qū)中部為一東西向長條狀高值分布區(qū)，線密度約為1.3條／m，從工區(qū)中部向北、向南裂縫線密度逐漸減小。

利用鉆井取心統(tǒng)計資料驗證裂縫預(yù)測結(jié)果顯示，井點裂縫與預(yù)測裂縫數(shù)據(jù)符合度高，說明在湖相灰?guī)r與砂巖混積巖儲層中利用構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬來定量表征裂縫具有較好的效果。

圖4 卞東油田裂縫開度

圖5 卞東油田裂縫線密度

5 結(jié) 論

1）該次研究以灰?guī)r－砂巖混積巖儲層為對象，利用巖心聲速法、壓裂資料、聲發(fā)射法確定了研究區(qū)目的層地應(yīng)力的方向和大小。通過綜合分析，研究區(qū)最小主應(yīng)力為南北向，均值28MPa，最大主應(yīng)力方向為東西向，均值38MPa。

2）研究區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場模擬結(jié)果顯示，卞東油田地應(yīng)力場中巖石三面受壓，水平最小主應(yīng)力方向為近南北向，工區(qū)中部應(yīng)力較小，東北部應(yīng)力較大。水平最大主應(yīng)力方向為近東西向，工區(qū)中部靠近斷層部位為應(yīng)力低值區(qū)，向北部逐漸變大。

3）由于研究區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場為擠壓應(yīng)力條件差，應(yīng)力較小，不能產(chǎn)生新的裂縫，所以裂縫為古構(gòu)造應(yīng)力場中產(chǎn)生，古、今裂縫的線密度相同，但開度相差較大，現(xiàn)今裂縫比古裂縫開度要小。裂縫預(yù)測檢驗說明在湖相灰?guī)r與砂巖混積巖儲層中利用構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬來定量表征裂縫具有較好的效果。

［1］白茅，劉天泉.孔隙裂隙彈性理論及應(yīng)用導(dǎo)論［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1999.

［2］陳艷華，朱慶杰，蘇幼坡.基于格里菲斯準(zhǔn)則的地下巖體天然裂縫分布的有限元模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（3）：364～369.

［3］向陽，向丹，黃大志.裂縫－孔隙型雙重介質(zhì)應(yīng)力敏感模擬實驗研究［J］.石油實驗地質(zhì)，2003，25（5）：498～500.

［4］周永炳，羅群，宋子學(xué).巖石物理相評價參數(shù)統(tǒng)計預(yù)測模型及其應(yīng)用［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2008，27（2）：76～79.

［5］周新桂，操成杰，袁嘉音.儲層構(gòu)造裂縫定量預(yù)測與油氣滲流規(guī)律研究現(xiàn)狀和進展［J］.地球科學(xué)進展，2003，18（3）：398～404.

［6］馬寅生.地應(yīng)力在油氣地質(zhì)研究中的作用和研究現(xiàn)狀［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，1997，3（2）：41～46.

［7］奧立德，王忠和.BD油田裂縫特征與開發(fā)研究［J］.河南油田，2004，18（6）：19～21.

［8］奧立德.楊家壩油田裂縫地質(zhì)建模研究與應(yīng)用［J］.復(fù)雜油氣藏，2009，2（1）：1～4.

［9］王忠和.卞、楊油區(qū)碎屑巖地層裂縫特征及其形成條件［J］.低滲透油氣田，1996，2（1）：25～29.

［10］丁原辰.聲發(fā)射法古應(yīng)力測量問題討論［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2000，6（2）：45～52.

［11］李林.巖石聲發(fā)射特征的研究［J］.化工礦山技術(shù)，1995，24（2）：37～40.

［12］羅省賢，李錄明.基于橫波分裂的地層裂縫預(yù)測方法與應(yīng)用［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報，2003，30（1）：52～59.

［編輯］ 宋換新

30 Stress Field Simulation and Fracture Forecast in Lime－sandstone Diamictite Reservoirs of Biandong Oilfield in Jinhu Sag

ZHANG Jian－liang

（Authors Address：Geology Research Institute，Jiangsu Oilfield Company，SINOPEC，Yangzhou 225012，Jiangsu，China）

The E1f2reservoir in Biandong Oilfield of Jinhu Sag was a special reservoir with lime－sandstone diamictite deposition.The reservoir was a reservoir with double media of porosity and fracture，and it was difficult for fracture forecasting.The fracture forecasting was performed by the stress field simulation.First，the core acoustic velocity method，fracturing data，acoustic emission method was used to establish the direction and size of stress in the studied area.And the rational mechanics parameters were chosen of the target zone，the ANASYS software was used to simulate the stress field.The results showed that rocks in the area were pressed from three－directions.On the basis of the stress field simulation of the area，the fracture parameters and forecasted distribution of fracture were deployed for quantitatively predicting the spatial distribution of fractural parameters.Because the current stress field was compressional stress field，so new fractures could not be created.So all the fractures were created in paleo－stress field，the current fracture and paleofracture had the same density with different apertures，the aperture of the current fracture was less than that of paleofracture.The examination of the fracture forecasting shows that better effect is obtained by using the stress field simulation to forecast fracture inthe diamictite reservoirs.

Jinhu Sag；diamictite；reservoir；stress field；fracture forecasting

book=29,ebook=29

TE122.2

A

1000－9752（2012）05－0030－05

2012－02－09

張建良（1963－），男，1985年大學(xué)畢業(yè)，教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事油田開發(fā)綜合研究工作。