金湖凹陷天96斷塊阜二段儲層裂縫多參數(shù)定量預(yù)測

周巨標(biāo)，石先達(dá)，丁玉盛，闞延坤，施新月

(中國石油化工股份有限公司江蘇油田分公司安徽采油廠，安徽天長239300)

1 研究區(qū)概況

金湖凹陷自阜寧組二段沉積以來，主要經(jīng)歷吳堡和三垛兩期構(gòu)造運(yùn)動。吳堡期是斷層強(qiáng)烈活動時期，多期構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致凹陷內(nèi)部斷裂系統(tǒng)復(fù)雜 (見圖1)。銅城斷裂帶是劃分龍崗-汊澗次凹的一條二級斷層，全長約15 km。銅城斷層為一條典型的走滑斷層［1～3］。銅城斷裂帶南部交匯于金湖凹陷的邊界楊村斷層，北部消失于銅城地區(qū)，與郯廬斷裂帶的水平距離120 km左右。

天96斷塊地處江蘇的金湖縣境內(nèi)，位于蘇北盆地-東臺坳陷-金湖凹陷-銅城斷裂帶的東翼。主力產(chǎn)油層為阜寧組二段、三段，儲層類型以低滲透砂巖為主，其基質(zhì)的滲流能力有限，因此需對裂縫的滲流能力評價［4］。

2 巖心裂縫發(fā)育特征

2.1 阜二段裂縫產(chǎn)狀

巖心裂縫觀測結(jié)果表明，斷塊內(nèi)阜二段裂縫的優(yōu)勢方向北東東70°、南東東110°(見圖2)。裂縫以垂直縫為主，占49%;高角度斜交縫亦較發(fā)育，占38%;低角度斜交裂縫占13%;水平縫不發(fā)育［5］。

圖1 天96斷塊構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of Tian 96 fault block

圖2 天96斷塊裂縫走向玫瑰花圖Fig.2 The rose diagram of fracture strike in Tian 96 fault block

2.2 裂縫發(fā)育規(guī)模與力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)天96斷塊及天33斷塊巖心裂縫發(fā)育情況 (見表1)，巖心裂縫線密度為0.40～1.55條/m，開度為0.127～0.336 mm。

表1 天96及天33斷塊巖心裂縫發(fā)育規(guī)模統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of fracture development in cores of Tian 96 and Tian 33 fault block

天96斷塊內(nèi)阜二段未充填縫約占81%;充填縫的充填物主要為方解石及瀝青，占19%。巖心觀察顯示裂縫絕大部分為有效裂縫，半有效裂縫及無效裂縫較少，認(rèn)為儲層的質(zhì)量較高。

進(jìn)行儲層巖心觀察時，判斷裂縫的力學(xué)性質(zhì)主要依據(jù)裂縫面延伸長短、擦痕、階步、脈體生長情況以及充填物等。通過統(tǒng)計(jì)分析，目的層巖心3種性質(zhì)的裂縫均有發(fā)育，以剪裂縫為主，約占86%，其縫面平直，多切穿巖心;張裂縫、張剪縫發(fā)育較弱，各占約7%。

3 地應(yīng)力場數(shù)值模擬

3.1 地質(zhì)模型

依據(jù)銅城斷裂帶阜二段頂面構(gòu)造圖 (見圖3)，采用ANSYS建立天96斷塊三維地質(zhì)模型。為了減小邊界效應(yīng)，將模擬范圍擴(kuò)展到銅城斷層西翼。根據(jù)天96斷塊阜二段小層對比建立的地質(zhì)模型中，阜二段地層總厚度為120 m。自上而下分為5層，依次為20 m砂層、20 m泥層、20 m砂層、20 m泥層、40 m砂層。

圖3 天96斷塊阜二段頂面構(gòu)造圖Fig.3 Top structure of Fu-2 member in Tian 96 fault block

考慮到巖性、斷層帶以及圍巖力學(xué)參數(shù)的不同，選取斷層帶彈性模量低于砂巖層，泊松比略大于砂巖層［5～6］，在不斷地加載中進(jìn)行調(diào)試。受上覆巖層的壓力，現(xiàn)今巖層物性發(fā)生變化，彈性模量變大。現(xiàn)今地應(yīng)力模擬過程中，將巖石力學(xué)參數(shù)略微調(diào)整［7］(見表2)。

表2 天96斷塊阜寧期應(yīng)力場模擬力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of stress field simulation of Tian 96 fault block in Funing Period

3.2 古地應(yīng)力場模擬

構(gòu)造解析表明，天96斷塊阜二段主要的造縫期為阜寧晚期的吳堡運(yùn)動。根據(jù)鄰區(qū)同期地應(yīng)力信息以及銅城地區(qū)斷層走向玫瑰花圖，最終確定在地質(zhì)模型北北西355°方向施加6 MPa的拉張應(yīng)力，同時北東東85°方向施加0.5 MPa的拉張應(yīng)力，并施加巖石的垂向重力。

3.2.1 古最小主應(yīng)力

天96斷塊內(nèi)最小主應(yīng)力為拉張應(yīng)力，范圍集中在5.8～6.3 MPa之間。平面上，拉張應(yīng)力主要在斷層附近的構(gòu)造高部位集中，數(shù)值大小為6.2～6.4 MPa，模擬地質(zhì)時間為銅城斷層形成之后，斷裂帶內(nèi)因應(yīng)力釋放為拉張應(yīng)力低值區(qū)，在斷塊內(nèi)為拉張應(yīng)力高值區(qū)。

3.2.2 古最大主應(yīng)力

天96斷塊最大主應(yīng)力為垂向重力產(chǎn)生，表現(xiàn)為隨埋深增大而增大，范圍介于0.4～4.0 MPa。

3.3 現(xiàn)今地應(yīng)力場模擬

天96斷塊埋深在2000～3400 m之間，處于三軸擠壓狀態(tài)。利用聲速試驗(yàn)以及壓裂資料確定現(xiàn)今最小水平主應(yīng)力為北西330°方向32 MPa的擠壓應(yīng)力，水平最大主應(yīng)力為北東60°方向37 MPa的擠壓應(yīng)力，地應(yīng)力類型為Ⅰa類。現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向主要為鉛直方向，由重力產(chǎn)生，變化范圍34～66 MPa。

4 裂縫參數(shù)計(jì)算公式選取

4.1 巖石破裂準(zhǔn)則選取

天96斷塊阜寧晚期主要為近南北向拉張應(yīng)力，最小主應(yīng)力小于零 (張應(yīng)力為負(fù)值)，巖石破裂選擇格里菲斯準(zhǔn)則。格里菲斯準(zhǔn)則在三維應(yīng)力狀態(tài)時可以用下式表示［8～11］:

①(σ1+3σ3)＞0，巖石破裂的依據(jù)為:

②當(dāng)(σ1+3σ3)≤0時，破裂判據(jù)簡化為:

式中:σ1、σ2和σ3分別為最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa;σT為巖石單向拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度，MPa;θ為巖石的破裂角，(°)。

4.2 地應(yīng)力與裂縫參數(shù)定量關(guān)系

對于天96斷塊任意一點(diǎn)，古地應(yīng)力(σ1+3σ3)≤0，則θ=0，裂縫體積密度和裂縫線密度相等，裂縫各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式為［11～13］:

式中:ωf為新增裂縫表面積所需的應(yīng)變能密度，J/m3;ω為巖石總應(yīng)變能密度，J/m3;ωe為產(chǎn)生裂縫必須克服的彈性應(yīng)變能密度，J/m3;E為楊氏彈性模量，MPa;σt為巖石破裂應(yīng)力，MPa;Dvf為裂縫體密度，m2/m3;J為產(chǎn)生單位面積裂縫所需能量，J/m2;J0為零圍壓下的裂縫表面能，J/m2;b為裂縫開度，m;Dlf為裂縫線密度，條/m;ε1、ε2、ε3分別為最大、中間和最小主應(yīng)變，無量綱;ε0為最大彈性張應(yīng)變，無量綱。

4.3 裂縫的孔滲計(jì)算模型

現(xiàn)今地應(yīng)力場下裂縫孔隙度和裂縫滲透率的計(jì)算公式修改為［11～13］:

式中:bm為裂縫的現(xiàn)今開度，m;φf為裂縫的孔隙度，%;α11、α12、α13分別為最小主應(yīng)力與X軸、Y軸、Z軸的夾角， (°);α21、α22、α23分別為中間主應(yīng)力與X軸、Y軸、Z軸的夾角，(°);α31、α32、α33分別為最大主應(yīng)力與X軸、Y軸、Z軸的夾角，(°);nf1、nf2、nf3分別為裂縫面單位法向量在X軸、Y軸、Z軸的分量，無量綱。

5 裂縫參數(shù)預(yù)測

編寫裂縫參數(shù)后處理程序，將應(yīng)力場模擬數(shù)據(jù)代入裂縫參數(shù)計(jì)算模型，獲得了天96斷塊阜二段現(xiàn)今裂縫線密度、開度、孔隙度、滲透率等參數(shù)。

5.1 天96斷塊阜二段裂縫開度分布特征

天96斷塊在現(xiàn)今擠壓應(yīng)力下裂縫的開度減小，范圍介于0.151×10-4～0.433×10-4m之間 (見圖4)。斷裂帶內(nèi)部裂縫的開度比斷塊內(nèi)部裂縫的開度大，斷裂帶附近裂縫開度較大;構(gòu)造高部位裂縫的開度較大，構(gòu)造低部位裂縫的開度小。

5.2 裂縫線 (體)密度分布特征

斷塊造縫期(σ1+3σ3)≤0，此時巖石的破裂角為零，因此，天96斷塊的體密度與線密度相同。通過模擬，天96斷塊阜二段裂縫線密度3.048～4.222條/m(見圖5)，其分布主要有2個特征:在構(gòu)造低部位，埋深增大，差應(yīng)力增大，裂縫較發(fā)育;靠近斷層處，由于最小主應(yīng)力 (拉張)集中，差應(yīng)力同樣增大，裂縫線密度為高值。

圖4 現(xiàn)今裂縫開度Fig.4 Current fracture aperture

圖5 阜二段裂縫線密度Fig.5 Line density of fractures in Fu-2 Member

5.3 天96斷塊阜二段裂縫孔隙度分布特征

天96斷塊裂縫現(xiàn)今孔隙度與裂縫開度分布規(guī)律相似，在現(xiàn)今三向擠壓地應(yīng)力場下，范圍介于0.0095% ～0.0257%(見圖6)。天96斷塊在靠近銅城斷裂帶的構(gòu)造高部位、斷層發(fā)生轉(zhuǎn)折處孔隙度數(shù)值較高，達(dá)0.0234% ～0.0257%，構(gòu)造低部位裂縫孔隙度為低值，斷塊東南方向以及銅城斷層西翼裂縫的孔隙度數(shù)值在0.015% ～0.017%之間。從整體看，天96斷塊裂縫的現(xiàn)今孔隙度從構(gòu)造高部位向構(gòu)造低部位呈條帶狀減小。

5.4 天96斷塊阜二段裂縫滲透率分布特征

現(xiàn)今裂縫東西方向的滲透率范圍5×10-3～39×10-3μm2(見圖7)。最大值出現(xiàn)在天X96井正東方向，為39×10-3μm2;構(gòu)造低部位裂縫的滲透率為低值 (5×10-3～12.556×10-3μm2)。鉛直方向裂縫的滲透率與東西方向裂縫的滲透率分布特征相似 (見圖8)，而南北方向滲透率小于1×10-3μm2，與東西向滲透率相比為極低值 (見圖9)。

圖6 現(xiàn)今裂縫的孔隙度Fig.6 Current fracture porosity

圖7 現(xiàn)今裂縫東西向的滲透率Fig.7 Current W-E permeability of fracture in Fu-2 Member

圖8 現(xiàn)今裂縫垂向滲透率Fig.8 Current vertical fracture permeability of Fu-2 Member

圖9 現(xiàn)今裂縫南北向滲透率Fig.9 Current fracture N-S permeability

5.5 天96斷塊數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測資料對比

數(shù)值模擬過程中影響裂縫參數(shù)變化的主要因素是構(gòu)造部位和距斷層的距離，因此取距斷層相同距離且構(gòu)造高程相同的裂縫模擬數(shù)值與巖心實(shí)測資料進(jìn)行對比。天96斷塊、天33斷塊巖心實(shí)測與數(shù)值模擬裂縫參數(shù)對比結(jié)果見表3(為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，需保證足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，故表3中增加了天33斷塊數(shù)據(jù))。

表3 巖心與數(shù)值模擬裂縫參數(shù)對比Table 3 Comparison of fracture parameters in core testing and numerical simulation

從表3可以發(fā)現(xiàn)，天96斷塊巖心觀測的裂縫線密度小于應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果，這是由于巖心實(shí)測裂縫線密度受到巖心的取心率、取心的完整程度以及肉眼識別程度的局限，而數(shù)值模擬能夠識別不同級別的裂縫。巖心觀測的裂縫孔隙度與數(shù)值模擬的裂縫孔隙度大多基本一致，總體認(rèn)為模擬結(jié)果合理。

6 天96斷塊裂縫影響因素分析

通過阜二段儲層巖心裂縫觀察以及數(shù)值模擬分析認(rèn)為，巖性對天96斷塊阜二段裂縫發(fā)育程度及分布起到控制作用。阜二段發(fā)育脆性較強(qiáng)的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，膠結(jié)程度中等偏強(qiáng)且多為鈣質(zhì)膠結(jié)，其脆性大［1］，有利于儲層裂縫的發(fā)育。

天96斷塊造縫期近南北向拉張應(yīng)力與巖層重力應(yīng)力的差值控制裂縫的發(fā)育程度，構(gòu)造低部位應(yīng)力差值大，裂縫較發(fā)育;巖心裂縫力學(xué)性質(zhì)以近東西向高角度剪裂縫為主，認(rèn)為吳堡期Ⅰb地應(yīng)力類型以及平面、剖面剪應(yīng)力特征決定裂縫發(fā)育的優(yōu)勢方向以及傾角類型，裂縫的方向性決定斷塊內(nèi)滲透率的各向異性。

阜二段砂層主要為三角洲前緣席狀砂以及遠(yuǎn)砂壩沉積［2］，從沉積微相的角度來看，砂巖小層的厚度集中在1.8～3.0 m，累計(jì)厚度80 m，這種剖面組合形式有利于儲層裂縫的發(fā)育［14］。

另外，不同走向的斷層對局部應(yīng)力場的影響程度也不同，導(dǎo)致裂縫在靠近斷層的位置線密度有差異，遠(yuǎn)離斷層，裂縫的線密度趨于定值［15］。本文通過數(shù)值模擬，統(tǒng)計(jì)了天96斷塊不同走向斷層對最小主應(yīng)力的改變量。經(jīng)擬合，最小水平主應(yīng)力方向、斷層走向之間的夾角(θ)與水平最小主應(yīng)力改變量 (Δσ3)滿足線性關(guān)系 (見圖10)。

圖10 斷層走向與水平最小主應(yīng)力方向的關(guān)系Fig.10 The relationship between fault strike and the direction of minimum horizontal principal stress

由圖10得出，斷層走向?qū)α芽p分布有一定的影響。在東西走向的斷層附近，最小主應(yīng)力更為集中，導(dǎo)致局部的差應(yīng)力增大，故斷層附近裂縫線密度為高值;近南北向的斷層對裂縫最小主應(yīng)力的影響微弱，其對裂縫發(fā)育程度的影響可以忽略。

但從模擬結(jié)果分析，斷層對裂縫發(fā)育程度控制有限，表現(xiàn)在:①裂縫線密度僅在斷層附近局部區(qū)域?yàn)楦咧?，遠(yuǎn)離斷層，斷層對裂縫的線密度影響微弱。②在斷塊內(nèi)部，最大與最小主應(yīng)力差值在4.82～5.53 MPa之間，通過圖10得出，大多數(shù)斷層對差應(yīng)力的改變量小于0.13 MPa，而整個斷塊差應(yīng)力改變量為0.71 MPa，因此認(rèn)為控制斷塊內(nèi)部裂縫線密度變化的主要因素為目的層埋深。

7 結(jié)論

天96斷塊阜二段裂縫發(fā)育具有明顯的規(guī)律性，整體上表現(xiàn)為靠近斷層、構(gòu)造高部位裂縫的開度、孔隙度大;斷裂帶附近裂縫線密度較高，斷塊內(nèi)構(gòu)造高部位裂縫線密度小于構(gòu)造低部位，模擬結(jié)果符合地質(zhì)規(guī)律。

結(jié)合巖心裂縫力學(xué)性質(zhì)，認(rèn)為造縫期地應(yīng)力類型以及平面、剖面剪應(yīng)力決定了阜二段裂縫——高角度、北東東向—南西西向裂縫發(fā)育;裂縫的方向性決定了裂縫滲透率也具有方向性，即南北向滲透率遠(yuǎn)小于東西向、鉛直向滲透率，模擬結(jié)果與巖心觀察、油田后期動態(tài)開發(fā)資料吻合。

差應(yīng)力決定斷塊內(nèi)裂縫的整體發(fā)育程度，埋深是控制斷塊內(nèi)阜二段裂縫線密度變化的決定因素;不同走向的斷層對裂縫的影響程度不一，近東西走向的斷層最有利于儲層裂縫的發(fā)育，南北向斷層對裂縫發(fā)育的影響微弱。

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