復(fù)雜斷塊區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場分析及應(yīng)用

武 剛

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

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復(fù)雜斷塊區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場分析及應(yīng)用

武 剛

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

永3斷塊區(qū)位于東營凹陷東北部永安鎮(zhèn)油田，其沙二段油藏為典型的復(fù)雜斷塊油藏，發(fā)育較多低序級斷層。復(fù)雜斷塊區(qū)低序級斷層地震解釋存在多解性，在地震解釋后應(yīng)進行合理性分析。通過構(gòu)造解析，在確定低序級斷層發(fā)育時期和構(gòu)造作用背景的基礎(chǔ)上，開展了古構(gòu)造應(yīng)力場的數(shù)值模擬研究。以巖石破裂準則為依據(jù)，通過最小主應(yīng)力、最大與最小主應(yīng)力差值分析了低序級斷層的優(yōu)勢發(fā)育部位，用平面剪應(yīng)力分析了低序級斷層的優(yōu)勢走向，用剖面剪應(yīng)力分析了低序級斷層的優(yōu)勢視傾向。通過精細地震解釋，該復(fù)雜斷塊區(qū)斷層描述較合理，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，同時，對同類型復(fù)雜斷塊區(qū)斷層分布規(guī)律研究起到一定的指導(dǎo)作用。

數(shù)值模擬；復(fù)雜斷塊；構(gòu)造應(yīng)力場；低序級斷層；永3斷塊區(qū)

0 引 言

勝利油區(qū)復(fù)雜斷塊油藏以斷層發(fā)育為特征，不同級別的斷層把地層切割成大小不同、形態(tài)各異的斷塊[1-2]。低序級斷層由于落差小、延伸短，在地震解釋中具有多解性，而構(gòu)造應(yīng)力場分析是研究低序級斷層分布規(guī)律的有效途徑[3]。永3斷塊區(qū)所在的永安鎮(zhèn)油田位于濟陽坳陷東營凹陷的東北部，目的層為古近系沙河街組二段，整體構(gòu)造為受北部永3斷層控制的滾動背斜[4-5]，主斷層永3斷層西段走向北東，東段走向北西，斷面南傾(圖1)。通過構(gòu)造解析，確定低序級斷層的形成時期和構(gòu)造活動背景，開展古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，能夠?qū)鄬拥卣鸾忉?、?fù)雜斷裂系統(tǒng)組合的規(guī)律進行分析。

圖1 永3斷塊沙二段3砂層組頂面構(gòu)造

1 構(gòu)造解析

永3斷塊北部邊界的永3斷層規(guī)模較大，沙二段落差為150～450 m，屬于三級斷層。斷塊中西部的北東走向斷層和斷塊東部的北西走向斷層規(guī)模較小，屬于四級斷層。斷塊中部的近南北走向斷層規(guī)模更小，屬于五級斷層[6]。

根據(jù)西部A—A′剖面、東部B—B′剖面(位置見圖1)構(gòu)造演化分析，永3斷塊沙二段整體表現(xiàn)為受永3斷層控制的滾動背斜，構(gòu)造高點靠近永3斷層。永3斷層斷面南傾，規(guī)模大，活動時期長，沙二段開始沉積時已經(jīng)存在。南部的一系列北傾低序級斷層規(guī)模較小，活動時期短，永3-3斷層活動于沙二段、沙一段時期，其他斷層活動于沙二段晚期和沙一段時期。在構(gòu)造演化分析的基礎(chǔ)上，可以將永3斷塊的構(gòu)造演化歷史劃分3個階段：①沙二段早期，斷層活動較弱的整體沉降階段；②沙二段晚期至沙一段時期，斷層強烈活動的逆牽引背斜形成階段；③東營組時期及其后永3斷塊的深埋階段。滾動背斜的發(fā)育是永3斷塊的局部構(gòu)造作用，影響著低序級斷層的發(fā)育，控制著近南北走向的五級斷層發(fā)育。由于滾動背斜的明顯發(fā)育時期晚于四級斷層的強烈活動時期，因此，五級斷層的形成晚于四級斷層。

綜合上述分析，沙河街組晚期的近南北向伸展及逆牽引作用、永3斷層與永3-3斷層的先期存在是四級斷層發(fā)育的主控因素，滾動背斜的發(fā)育則是五級斷層產(chǎn)生的主控因素。

2 沙河街組晚期古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬

為了解釋永3斷塊四級低序級斷層的發(fā)育規(guī)律，用ANSYS有限元軟件，在建立沙二段上部古構(gòu)造模型的基礎(chǔ)上，對沙河街組晚期的古構(gòu)造應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬。

2.1 構(gòu)造模型

根據(jù)前述構(gòu)造解析結(jié)果，沙河街組晚期在低序級斷層產(chǎn)生之前，永3斷層和永3-3斷層已經(jīng)存在，其位置和走向根據(jù)沙二段第3砂層組頂面構(gòu)造圖確定，兩斷層傾角由剖面圖獲得。

2.2 力學(xué)參數(shù)選取及單元劃分

整個模型劃分為碎屑巖地層和斷層帶2種介質(zhì)，通過文獻調(diào)研選取了彈性模量、泊松比、巖石密度等力學(xué)參數(shù)[7-9](表1)。模擬選用solid45類型單元，選擇網(wǎng)格劃分密度，將實體模型網(wǎng)格化，共劃分出34 601個單元，參與運算的節(jié)點數(shù)為7 396個。

表1 永3斷塊沙二段上部巖石力學(xué)參數(shù)

2.3 約束條件及加力方式

模型的總體坐標垂直方向為Z軸，東西方向為X軸，南北方向為Y軸。為滿足有限元計算的基本要求，固定東西2個界面Z方向的位移，防止模型在垂向和平面上的轉(zhuǎn)動。依據(jù)構(gòu)造解析結(jié)果，在模型南、北邊界分別施加SSW185 °、NNE5 °方向的拉張力?？紤]到逆牽引作用，在模型中部和東部滾動背斜核部位置分別施加上拱力。沙二段的構(gòu)造變形發(fā)生在非地表條件下，有厚度約為150 m的沙一段覆蓋在其上面，因此，模型頂面施加0.33 MPa的壓力(模型本身有重力作用)。經(jīng)多次試算，在近南北方向施加6.00 MPa的拉張力，模型中部滾動背斜核部區(qū)域施加4.00 MPa的上拱力，東部滾動背斜核部施加3.00 MPa的上拱力。將每個節(jié)點的計算結(jié)果進行繪圖處理，輸出應(yīng)力等值線和方位矢量圖，并以此為依據(jù)開展低序級斷層分布規(guī)律研究[10]。

3 低序級斷層分布的地應(yīng)力分析

斷層的產(chǎn)生是巖石受力發(fā)生破裂的結(jié)果，依據(jù)格里菲斯破裂理論和庫侖破裂理論[11-12]，可用最小主應(yīng)力和最大、最小主應(yīng)力差值來解釋低序級斷層的優(yōu)勢發(fā)育地區(qū)，用平面剪應(yīng)力來解釋低序級斷層的優(yōu)勢走向，用剖面剪應(yīng)力來解釋低序級斷層的優(yōu)勢視傾向。

3.1 最大、最小主應(yīng)力差與斷層發(fā)育程度

依據(jù)庫侖破裂準則，巖石的破裂面是剪切破裂面，是截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。在主應(yīng)力方向、截面產(chǎn)狀和巖石力學(xué)性質(zhì)不變的條件下，主應(yīng)力數(shù)值決定著截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。其中，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的差值是影響剪切破裂發(fā)育程度的最主要因素，最大、最小主應(yīng)力差值越大，巖石的剪切破裂程度越強[13]。永3斷塊沙二段上部沙河街組晚期最大、最小主應(yīng)力差值的高值區(qū)位于斷塊中部，屬于低序級斷層的優(yōu)勢發(fā)育部位(圖2)。

圖2 永3斷塊沙河街組晚期最大、最小主應(yīng)力差與斷層關(guān)系

3.2 平面剪應(yīng)力與斷層走向

在平面應(yīng)變橢圓中，2組共軛剪切破裂線代表著2組斷層的走向線。受平面剪應(yīng)力分布的控制，2組斷層的發(fā)育程度通常不同，在左旋平面剪應(yīng)力環(huán)境中具有左旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高，同樣在右旋平面剪應(yīng)力環(huán)境中具有右旋性質(zhì)的一組斷層發(fā)育程度高，據(jù)此可以根據(jù)平面剪應(yīng)力的性質(zhì)來解釋斷層的走向[14-16]。按照規(guī)定左旋剪應(yīng)力為正值，右旋剪應(yīng)力為負值。永3斷塊沙二段上部低序級斷層形成于沙河街組晚期，該時期的區(qū)域應(yīng)力場環(huán)境是近南北向拉張，整體應(yīng)變橢球體長軸近南北向，短軸為垂向。平面應(yīng)變橢圓長軸近南北向，短軸近東西向，左旋剪切破裂線為北西向，右旋剪切破裂線為北東向。沙河街組晚期沙二段上部平面剪應(yīng)力的負值區(qū)分布在永3斷塊的西部和中部，是北東走向低序級斷層發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)域。平面剪應(yīng)力的正值區(qū)位于斷塊的東部，是北西走向低序級斷層發(fā)育的優(yōu)勢區(qū)域(圖3)。

3.3 剖面剪應(yīng)力與四級斷層視傾向

剖面應(yīng)變橢圓的剪切破裂線代表了斷層的視傾斜線，將平面剪應(yīng)力解釋斷層走向的原理應(yīng)用到剖面上，就能夠解釋斷層的視傾向。永3斷塊沙河街組晚期南北向剖面的整體應(yīng)變橢圓長軸為南北向，與區(qū)域張應(yīng)力方向基本一致；短軸為垂向，與重力方向一致。通常剖面不一定是主平面，因此，剖面應(yīng)變橢圓中的2組共軛剪切破裂線所代表的通常是斷層面的視傾斜線。斷塊西部沙河街組晚期剖面剪應(yīng)力在永3斷層之南為正值，即左旋剪應(yīng)力，說明該剖面上低序級斷層的視傾向為北。斷塊東部剖面剪應(yīng)力在永3斷層之南為負值，即右旋剪應(yīng)力，說明該剖面上低序級斷層的視傾向為南。

圖3 永3斷塊沙河街晚期平面剪應(yīng)力與斷層關(guān)系

4 礦場應(yīng)用

通過應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場對低序級斷層分布規(guī)律進行分析，結(jié)合地震解釋的成果，重組了復(fù)雜斷裂系統(tǒng)，使得整個構(gòu)造面貌有了變化，從而對含油小斷塊發(fā)育的有利區(qū)進行了預(yù)測(圖4)。這種小“碎”斷塊雖然含油面積很小(一般小于0.1 km2)，但縱向上含油小層多(一般為20～30個)，儲量豐度可達300×104t/km2以上，是斷塊油藏老區(qū)剩余油富集的有利區(qū)，也是設(shè)計高效調(diào)整井的有利區(qū)域。圖4中，在預(yù)測的有利區(qū)中部署的新井A3X177產(chǎn)量達34 t/d。通過以上研究，在整體已進入特高含水期的斷塊老區(qū)，能夠打出含水率極低的高產(chǎn)井，顯示出復(fù)雜斷塊油藏特有的潛力。

圖4 永3斷塊剩余油富集的有利區(qū)分布預(yù)測

5 結(jié) 論

(1) 通過構(gòu)造解析，永3斷塊沙二段上部的低序級斷層形成于沙河街組晚期，永3斷層和永3-3斷層在低序級斷層形成之前已經(jīng)存在，近南北向區(qū)域伸展、先存斷層和逆牽引作用是低序級斷層發(fā)育的主控因素。

(2) 沙河街組晚期古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果顯示，最大、最小主應(yīng)力高差值區(qū)分布在斷塊中部，是低序級斷層集中發(fā)育區(qū)。

(3) 平面剪應(yīng)力正值區(qū)分布在斷塊東部，有利于形成北西走向低序級斷層；負值區(qū)分布在斷塊西部，是北東走向低序級斷層的有利發(fā)育區(qū)。

(4) 南北向剖面剪應(yīng)力正值區(qū)分布在斷塊西部，有利于發(fā)育視傾向為北的低序級斷層；負值區(qū)分布在斷塊東部，為視傾向為南的低序級斷層有利發(fā)育區(qū)。

(5) 通過應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場對低序級斷層分布規(guī)律進行分析，結(jié)合地震解釋成果，重組了復(fù)雜斷裂系統(tǒng)，并據(jù)此預(yù)測了剩余油有利區(qū)，部署了調(diào)整井，取得了較好的生產(chǎn)效果。

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編輯 黃華彪

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.005

20160218；改回日期：20160810

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”子課題“勝利油田特高含水期提高采收率技術(shù)”(2016ZX05011)

武剛(1972-)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油地質(zhì)專業(yè)，1996年畢業(yè)于石油大學(xué)(北京)石油地質(zhì)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣田開發(fā)地質(zhì)綜合研究工作。

TE123.1

A

1006-6535(2016)05-0022-04