鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊煤系多目標(biāo)儲層構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

張海鋒，馮 毅，王文升，陳學(xué)立，李 超，李葉朋

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊煤系多目標(biāo)儲層構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

張海鋒1，2，馮 毅1，王文升1，陳學(xué)立1，李 超3，李葉朋3

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116）

近年來，含煤地層非常規(guī)天然氣的勘探開發(fā)受到國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注。鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)含煤儲層孔隙度和滲透率較低，構(gòu)造裂縫的發(fā)育可為該類儲層提供儲集空間和滲流通道。以臨興區(qū)塊太原組和山西組為例，對主要造縫期的構(gòu)造應(yīng)力場及其控制發(fā)育的構(gòu)造裂縫進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明：縱向上，太原組的構(gòu)造裂縫較為發(fā)育，其裂縫密度為0.165～0.290條·m-1，該組的裂縫孔隙度也相對較高，為1.2%～6.78%；平面上，總體呈南高北低展布格局?；谘芯繀^(qū)構(gòu)造應(yīng)力場演化和構(gòu)造裂縫發(fā)育、分布關(guān)系，認(rèn)為有效構(gòu)造裂縫主要形成于燕山期，其發(fā)育程度和分布規(guī)律主要受控于斷層與南部紫金山隆起。該區(qū)研究成果，可為本區(qū)煤系“三氣”綜合勘探評價(jià)及開發(fā)選區(qū)提供參考依據(jù)。

含煤地層；構(gòu)造裂縫；數(shù)值模擬；臨興地區(qū)；鄂爾多斯盆地

近年來，含煤地層非常規(guī)天然氣的共探共采受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[1-4]。鄂爾多斯盆地東緣煤系致密砂巖產(chǎn)層較多，在含煤地層中已實(shí)施40余口探井，測試見工業(yè)氣流。由于含煤地層儲層致密，煤層埋深較大，其中砂巖物性數(shù)據(jù)分析表明，儲集層的孔隙度和滲透率較低，平均孔隙率在1.2%～17.5%，2%～10%的占到60%；平均滲透率為0.1～160 mD，分布在0～0.5 mD的占到80%，屬于典型的低孔低滲儲層[5]。構(gòu)造裂縫可作為該類低孔低滲儲層重要的儲集空間和滲流通道[6-9]，因此，研究其發(fā)育程度與分布規(guī)律，對于評價(jià)儲層性能、指導(dǎo)高滲帶優(yōu)選具有重要意義。

本文以鄂爾多斯盆地東緣臨興區(qū)塊含煤地層太原組和山西組為研究對象，結(jié)合前人古應(yīng)力測量及地震勘探、測井等資料，通過有限元數(shù)值模擬方法，對主要構(gòu)造裂縫形成期的應(yīng)力場及其控制發(fā)育的構(gòu)造裂縫進(jìn)行預(yù)測，以期為本區(qū)煤系三氣綜合勘探評價(jià)及開發(fā)選區(qū)提供參考與依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部，北以陰山、大青山及狼山為界，南至秦嶺，西起賀蘭山、六盤山，東到呂梁山，面積超過2.5×105km2。依據(jù)盆地構(gòu)造演化和現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)，鄂爾多斯盆地可劃分成六個(gè)一級構(gòu)造單元：陜北斜坡、伊盟隆起、天環(huán)坳陷、晉西撓褶帶、渭北隆起和西緣沖斷帶[10]（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造格架及單元劃分圖[11-12]Figure 1 Ordos Basin tectonic framework and element partitioning[11-12]

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部（圖1）。太原組為一套陸表海沉積，下部為障壁沉積環(huán)境、中部為潮坪沉積環(huán)境、上部主要為瀉湖相沉積的暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖。山西組為一套三角洲平原沉積、下部為沼澤沉積、中部為分流河道砂巖沉積、上部發(fā)育砂泥巖互層[5]（圖2）。

圖2 臨興地區(qū)地層綜合柱狀圖[5]Figure 2 Linxing block comprehensive stratigraphic column[5]

2 研究方法

本次研究首先調(diào)研研究區(qū)的地質(zhì)背景，在系統(tǒng)分析研究區(qū)地層和構(gòu)造特征后，建立研究區(qū)的地質(zhì)模型，在區(qū)域背景約束下進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，得到研究區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力分布狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過建立定量的應(yīng)力與裂縫參數(shù)之間的關(guān)系預(yù)測裂縫的密度和孔隙度分布特征。結(jié)合預(yù)測結(jié)果，通過制定適當(dāng)?shù)姆涎芯繀^(qū)實(shí)際的裂縫評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行研究區(qū)裂縫發(fā)育程度的定量評價(jià)。

2.1 應(yīng)力與裂縫密度關(guān)系

應(yīng)力是形成地下巖石中裂縫的重要因素，應(yīng)力在絕大部分地區(qū)是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓應(yīng)力場[13]，兩個(gè)主應(yīng)力近水平，一個(gè)近垂直，可以形成三類四型應(yīng)力類型：I類應(yīng)力最大主應(yīng)力在垂直方向（σv＞σH＞σh），II類應(yīng)力最小主應(yīng)力在垂向方向（σH＞σh＞σz），III類應(yīng)力中間主應(yīng)力在垂直方向（σH＞σz＞σh）。I類應(yīng)力又可以分為Ia和Ib兩個(gè)亞類，Ia應(yīng)力類型σv＞σH＞σh＞0，Ib應(yīng)力類型σv＞0，σH和σh有一個(gè)小于零或者同時(shí)小于零，有張性應(yīng)力存在[14-15]。

根據(jù)脆性斷裂力學(xué)中的最大應(yīng)變能密度理論和最大張應(yīng)力理論[16-17]，當(dāng)巖石內(nèi)部積累的彈性應(yīng)變能釋放率等于產(chǎn)生單位面積裂縫體表面所需要能量時(shí)即發(fā)生斷裂。斷裂時(shí)釋放出來的應(yīng)變能一部分用來抵消新增裂縫表面積需要的表面能，其余的則以彈性波的形式釋放出去[18]。對于裂縫來說，彈性波能量很小，可以忽略不計(jì)，故據(jù)能量守恒原理有：

式中：uf為用于新增裂縫表面積的應(yīng)變能密度；V為表征單元體體積；Sf為新增裂縫的表面積；J為產(chǎn)生單位面積裂縫所需要的能量，即裂縫表面能。

如果將uf視為單元體當(dāng)前應(yīng)變能密度減去要產(chǎn)生裂縫必須克服的彈性應(yīng)變能密度uc后剩余的應(yīng)變能密度，那么可變換并得到裂縫體積密度計(jì)算公式：

式中：Dvf為裂縫體密度；u為當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變能密度；J為裂縫表面能；uc為產(chǎn)生裂縫必須克服的彈性應(yīng)變能密度。

而據(jù)上述應(yīng)力分類分析，Ia型、II類和III類應(yīng)力為三向擠壓應(yīng)力狀態(tài)，而Ib型應(yīng)力為有張應(yīng)力存在的應(yīng)力狀態(tài)。造縫期深部地層古應(yīng)力場通常為三向擠壓應(yīng)力，即為Ia型、II類或者III類應(yīng)力，此時(shí)巖石的破裂以剪性或者張剪性為主，可以利用庫倫-納維葉準(zhǔn)則作為破裂判據(jù)[8,19-23]。

在三向擠壓應(yīng)力狀態(tài)下如果最小主應(yīng)力σ3已知，可由庫倫-納維葉準(zhǔn)則計(jì)算出巖石破裂最大主應(yīng)力的最小值，即巖石在σ3作用下的破裂應(yīng)力為σp：

實(shí)驗(yàn)表明：巖石單軸壓縮應(yīng)力為σd=kσp（k＜1，常數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測定）時(shí)會有前兆微裂縫產(chǎn)生，它代表這即將會有大量新的微裂縫產(chǎn)生，此時(shí)對應(yīng)的巖石應(yīng)變能密度與uc在概念上相似，因此將應(yīng)力值為σd時(shí)的應(yīng)變能密度定義為產(chǎn)生裂縫必須克服的彈性應(yīng)變能密度uc，σd時(shí)軸向應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變能密度uc為[15,24]：

當(dāng)有圍壓存在時(shí)，巖石中積聚的能量不僅要克服由分子間的內(nèi)在黏聚力，還要克服圍壓做功才能形成裂縫，這使得產(chǎn)生單位面積裂縫所需要的能量（裂縫表面能）也在增加，因此，裂縫表面能為巖石材料內(nèi)在屬性和圍壓作用的綜合體現(xiàn)，表述為：

式中：J0為零圍壓下的裂縫表面能，其大小等于單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到的裂縫表面能；ΔJ為在圍壓σ3產(chǎn)生的附加表面能。

在裂縫開度為b，裂縫表面積為s，圍壓為σ3的條件下，產(chǎn)生該裂縫σ3所做的功為：

從而在圍壓σ3產(chǎn)生的附加表面能為：

當(dāng)巖石所受的最大主應(yīng)力σ1＞σp，則說明巖石滿足破裂條件，因此可以得到主應(yīng)力表示的裂縫體積密度公式為：

式中的ε1、ε2、ε3可以通過應(yīng)力場模擬方法獲得。

2.2 應(yīng)力與裂縫孔隙度定量關(guān)系

裂縫孔隙度為裂縫總體積與巖石體積之比，對于單組裂縫，裂縫孔隙度Φf與裂縫體積密度Dvf、裂縫開度b具有如下關(guān)系[25]：

而對于多組裂縫，其孔隙度計(jì)算模型可表示為：

式中：n為裂縫組數(shù)；bi為第i組裂縫開度；Dvfi為第i組裂縫體積密度。

3 臨興區(qū)塊構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

3.1 地質(zhì)模型構(gòu)建

研究區(qū)南部由于巖體作用造成地形的起伏，北部地形相對平坦?；谘芯繀^(qū)構(gòu)造圖以及研究區(qū)地層發(fā)育特征，將模型自上而下分為山西組和太原組，并建立研究區(qū)斷裂的三維格架。在幾何模型建立的基礎(chǔ)上，在不同的單元賦予不同的巖石力學(xué)參數(shù)（表1），將幾何模型轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型（圖3）。

表1 研究區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Study area rock mechanical parameters

圖3 研究區(qū)地質(zhì)模型（為效果顯示，垂向放大5倍）Figure 3 Study area geological model(for display effect, vertical 5 times zoomed)

在模型建立之后，需要進(jìn)行網(wǎng)格剖分，以滿足有限元數(shù)值模擬要求。網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會增加，因此在本次研究中進(jìn)行網(wǎng)格剖分時(shí)，需要綜合權(quán)衡此兩個(gè)因素。

通常，根據(jù)有限元網(wǎng)格的形狀，可分為三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格和多邊形網(wǎng)格。本報(bào)告采用三角形網(wǎng)格，原因在于：三角形網(wǎng)格的最大優(yōu)勢是其可以很好的適應(yīng)邊界條件，對于存在曲曲折折、尖角的地方不適合甚至不能適用四邊形網(wǎng)格。

通過三角網(wǎng)格剖分后得到山西組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)3816個(gè)，劃分成19332個(gè)單元；太原組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)4256個(gè)，21189單元（圖4）。

圖4 研究區(qū)山西組和太原組網(wǎng)格剖分圖Figure 4 Study area Shanxi and Taiyuan formations mesh dissection

研究區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動[10,26-27]，印支期最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼-S向（圖5a），燕山期最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W-SE向（圖5b），而喜馬拉雅期最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E-SW向（圖5c）。

通過研究區(qū)地質(zhì)背景研究及應(yīng)力資料分析，確定印支期在近N-S向施加水平最大主應(yīng)力，近E-W向施加水平最小主應(yīng)力，垂向施加自身重力及上覆巖層的壓力；燕山期在NW-SE向施加水平最大主應(yīng)力，NE-SW向施加水平最小主應(yīng)力，垂向施加自身重力及上覆巖層的壓力；喜馬拉雅期在NE-SW向施加水平最大主應(yīng)力，在NW-SE向施加水平最小主應(yīng)力，垂向上施加自身重力及上覆巖層壓力。

3.2 裂縫密度預(yù)測

通過有限元數(shù)值模擬方法，借助上述研究方法和技術(shù)路線，預(yù)測研究區(qū)太原組和山西組不同時(shí)期的構(gòu)造裂縫密度分布狀態(tài)（圖6和圖7）。

區(qū)內(nèi)山西組印支期裂縫密度在0.040～0.067條·m-1，總體上在斷層帶處及北部裂縫密度相對較大（圖6a）；燕山期裂縫密度在0.050～0.122條·m-1，在斷層帶處和中部地區(qū)裂縫密度相對較大（圖6b）；喜馬拉雅期裂縫密度在0.050～0.095條·m-1，也是在斷層帶處和中部地區(qū)裂縫密度相對較大（圖6c）?？傮w上，研究區(qū)燕山期山西組裂縫密度較高，在斷層帶處，由于巖石相對比較破碎，在不同時(shí)期的裂縫密度均達(dá)到最高值。

圖5 鄂爾多斯盆地地區(qū)應(yīng)力場圖（據(jù)徐黎明等，2006）Figure 5 Ordos Basin regional stress field(after Xu Liming et al)

圖6 研究區(qū)山西組構(gòu)造裂縫密度分布圖Figure 6 Study area Shanxi Formation structural fracture density distribution chart

區(qū)內(nèi)太原組印支期裂縫密度0.042～0.087條· m-1，總體上北部裂縫密度相對較大（圖7a），裂縫密度值比山西組要大；燕山期裂縫密度在0.050～0.113條·m-1，在斷層帶處裂縫密度值最大，其次，中部和北部地區(qū)的裂縫密度相對較大（圖7b）；喜馬拉雅期裂縫密度在0.050～0.104條·m-1，在斷層帶處裂縫密度值達(dá)到最大，其次，在研究區(qū)的中部地區(qū)裂縫密度也相對較大（圖7c）。總體上，研究區(qū)燕山期太原組組裂縫密度較高，在斷層帶處，由于巖石相對比較破碎，在不同時(shí)期的裂縫密度均達(dá)到最高值。

總體上，從層位上分析，在相同期次下，太原組的裂縫密度比山西組要高，燕山期太原組的構(gòu)造裂縫最為發(fā)育。

將同一組不同時(shí)期裂縫密度疊加，可見：由于斷層的活動造成巖石發(fā)生破壞，因而整體上裂縫密度均在斷層帶附近最大，裂縫發(fā)育程度很高，其次，在研究區(qū)的中部和東北部，裂縫密度也相對較大。從密度值大小方面分析，太原組裂縫密度最高，裂縫密度在0.165～0.290條·m-1（圖8）。

圖7 研究區(qū)太原組構(gòu)造裂縫密度分布圖Figure 7 Study area Taiyuan Formation structural fracture density distribution chart

圖8 研究區(qū)相同層位不同時(shí)期裂縫密度疊加分布圖Figure 8 Study area same horizon different stages fracture density stacked distribution chart

3.3 裂縫孔隙度預(yù)測

借助應(yīng)力與裂縫孔隙度之間的定量關(guān)系得到研究區(qū)不同層位不同期次的裂縫孔隙度預(yù)測結(jié)果（圖9和圖10）。

研究區(qū)山西組印支期的裂縫孔隙度為0.25%～1.60%，在斷層及中部地區(qū)數(shù)值較大，在研究區(qū)南部地區(qū)最?。▓D9a）；燕山期裂縫孔隙度分布為0.50%～2.48%，在斷層發(fā)育區(qū)裂縫孔隙度最大，其次是研究區(qū)的中部地區(qū)和北部地區(qū)（圖9b）；喜馬拉雅期裂縫孔隙度為0.40%～2.20%，在斷層發(fā)育區(qū)裂縫孔隙度值較大，其次是研究區(qū)的中部地區(qū)（圖9c）。整體上，山西組在燕山期的裂縫孔隙度最大，可以達(dá)到2.48%（圖9b）。

研究區(qū)太原組印支期的裂縫孔隙度為0.30%～ 2.10%，在斷層帶發(fā)育地區(qū)數(shù)值較大（圖10a）；燕山期裂縫孔隙度分布為0.50%～2.48%，在斷層發(fā)育區(qū)裂縫孔隙度最大，其次是研究區(qū)的中部和北部（圖10b）；喜馬拉雅期裂縫孔隙度在0.40%～2.20%，斷層發(fā)育區(qū)裂縫孔隙度值較大，其次是研究區(qū)的中部地區(qū)，研究區(qū)南部地區(qū)裂縫孔隙度較?。▓D10c）。整體上，太原組在燕山期的裂縫孔隙度最大，可以達(dá)到2.48%（圖10b）。

圖9 研究區(qū)山西組構(gòu)造裂縫孔隙度分布圖Figure 9 Study area Shanxi Formation structural fracture porosity distribution chart

圖10 研究區(qū)太原組構(gòu)造裂縫孔隙度分布圖Figure 10 Study area Taiyuan Formation structural fracture porosity distribution chart

對比兩個(gè)層位三個(gè)期次裂縫孔隙度情況（表2），燕山期的裂縫孔隙度在不同層位中均為最大，可達(dá)2.48%。

將同一組不同時(shí)期裂縫孔隙度疊加（圖11），可見：由于斷層的活動造成巖石發(fā)生破壞，因而整體上裂縫孔隙度均在斷層帶附近最大，其次，在研究區(qū)的中部和東北部，裂縫孔隙度也相對較大。太原組裂縫孔隙度最高，最高可達(dá)6.4%（圖11）。

4 結(jié)論

通過本次研究，主要有以下認(rèn)識與結(jié)論：

①在垂向上，太原組的構(gòu)造裂縫要比山西組發(fā)育，太原組構(gòu)造裂縫密度在0.165～0.290條·m-1，最高可達(dá)0.290 m，太原組的裂縫孔隙度也相對較高，為1.2%～6.78%；在平面上，總體上，構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度具有南高北低展布的特征。

②基于應(yīng)力場演化和構(gòu)造裂縫發(fā)育、分布的關(guān)系，認(rèn)為研究區(qū)的有效構(gòu)造裂縫主要形成于燕山期，其發(fā)育程度主要受斷層與南部紫金山隆起控制。通過本次對鄂爾多斯盆地東緣臨興地區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育程度與分布規(guī)律的研究，以期望對于該區(qū)

含煤層氣的儲層性能評價(jià)，以及指導(dǎo)高滲帶優(yōu)選提供新的地質(zhì)參考。

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Coal Measures Multi-target Reservoir Structural Fracture Quantitative Prediction in Linxing Block,Eastern Ordos Basin

Zhang Haifeng1,2,Feng Yi1,Wang Wensheng1,Chen Xueli1,Li Chao3and Li Yepeng3
(1.CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.,Tianjin 300457;2.China University of Petroleum-Beijing,Changping,Beijing 102249;3.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116)

In recent years,the exploration and exploitation of unconventional natural gas in coal-bearing strata is highly noticed by do?mestic and foreign scholars.Porosity and permeability of coal-bearing reservoir in eastern Ordos Basin are rather low,while the devel?opment of structural fracture can provide reservoir space and seepage channel for this kind reservoirs.Taking the Taiyuan and Shanxi formations in the Linxing block as example,has carried out prediction of tectonic stress field during the fracturing period and its con?trolled and developed fissures.The result has shown:vertically,structural fractures in Taiyuan Formation are rather well developed with fracture density within 0.165～0.290m-1extent;fracture porosity relatively higher,between 1.2%～6.78%.On plane,has presented a high in south and low in north distribution pattern as a whole.Based on study area tectonic stress field evolution,structural fracture development and distribution relations,have considered that the effective structural fractures were mainly formed during the Yansha?nian stage,their development degree and distribution pattern mainly controlled by faults and Zijinshan uplift in south.The study can provide reference and basis for coal measures“three gases”*integrated exploration assessment and exploitation target selection in the area.

coal-bearing strata;structural fracture;numerical simulation;Linxing block;Ordos Basin*“three gases”means CBM, shale gas and tight sandstone gas.

P613.14

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.06

1674-1803(2017)03-0028-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41672149）、國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2016ZX05066-01-04）、中海油能源發(fā)展重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(E-J613D002)資助

張海峰（1981—），男，工程師，2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)研究工作。

李葉朋（1992—），男，黑龍江大慶人，碩士研究生。

2016-11-29

責(zé)任編輯：宋博輦