寶北區(qū)塊構(gòu)造應(yīng)力場模擬及裂縫預(yù)測

王紅坤，馬家虎，梁杰鋒，王海濤，張 云，楊瑞莎

（1.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450018；2.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)研究中心，陜西延安 716000；3.中國石化勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

隨著油氣開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，致密砂巖油氣的勘探和開發(fā)已經(jīng)變得越發(fā)重要。前人的研究成果表明，裂縫的存在使致密儲層變得更加復(fù)雜，常規(guī)儲層的研究方法已經(jīng)無法滿足勘探開發(fā)的需求。裂縫作為致密儲層中油氣的運(yùn)移通道和儲集空間，決定了油氣的分布規(guī)律和特征，進(jìn)而對開發(fā)效果有重大的影響[1–2]。

目前，國內(nèi)外對裂縫的研究方法主要有綜合地質(zhì)分析法、測井分析法、地震預(yù)測法、構(gòu)造曲率分析法和構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬法等[3]。由于綜合地質(zhì)分析法和測井分析法需要昂貴的測試費(fèi)用，且測試資料具有一定的局限性；地震預(yù)測法主要用于定性的描述，往往無法滿足定量分析的需求；構(gòu)造曲率分析法對于不同巖性地層的變形和破裂特征方面存在一定缺陷；有限元數(shù)值方法結(jié)合實(shí)際地質(zhì)因素來描述預(yù)測裂縫已越來越引起人們的重視。采用有限元的構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬是數(shù)學(xué)、力學(xué)和地球科學(xué)等多學(xué)科的綜合，該方法可以對裂縫分布進(jìn)行較準(zhǔn)確預(yù)測[4–7]。在我國，構(gòu)造應(yīng)力的概念是由地質(zhì)學(xué)家李四光提出，地層中各種形態(tài)的構(gòu)造是構(gòu)造應(yīng)力的直接表現(xiàn)。按形成時間，構(gòu)造應(yīng)力可以分為古構(gòu)造應(yīng)力和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力。古構(gòu)造應(yīng)力是指地質(zhì)歷史時期的構(gòu)造應(yīng)力，可以由觀測到的褶皺、斷層、裂縫等宏觀變形確定；現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力是古構(gòu)造應(yīng)力的延續(xù)，指目前正在活動的構(gòu)造應(yīng)力。

寶北區(qū)塊是一個在壓扭性應(yīng)力和局部剪切應(yīng)力場中形成的背斜構(gòu)造，背斜區(qū)塊內(nèi)斷層和裂縫較為發(fā)育，儲層裂縫發(fā)育特征一直是困擾寶北油藏注水開發(fā)的難點(diǎn)，直接影響砂體的連通和油水分布情況[8]。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造概況

焉耆盆地由北部的和靜坳陷、中部的焉耆隆起和南部的博湖坳陷三部分組成。其中，博湖坳陷可劃分為南部凹陷、種馬場斷裂低隆起和北部凹陷。根據(jù)構(gòu)造和地貌特征，可將博湖坳陷北部凹陷進(jìn)一步劃分為“兩個向斜帶和兩個背斜帶”，即四十里城向斜帶、七里鋪向斜帶、寶浪蘇木背斜構(gòu)造帶和本布圖背斜構(gòu)造帶。寶北區(qū)塊位于寶浪蘇木背斜構(gòu)造帶的北部，是一個北西–南東向展布、兩翼非對稱的彎曲長條狀高陡背斜構(gòu)造（圖1）。

圖1 寶北區(qū)塊及鄰區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置

1.2 區(qū)域構(gòu)造演化

焉耆盆地是一個存在復(fù)雜演化史的疊合盆地，寶北背斜作為其中的一個構(gòu)造隆起，經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動，主要的兩次為燕山運(yùn)動和喜山運(yùn)動。燕山運(yùn)動導(dǎo)致研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場由張拉作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓作用為主，擠壓作用方向由南向北，是控制盆地構(gòu)造發(fā)育的主導(dǎo)因素，在擠壓作用下，盆地自南向北發(fā)生了大規(guī)模的逆沖推覆，形成了種馬場沖斷背斜構(gòu)造帶，使博湖坳陷內(nèi)部構(gòu)造幅度增大，南北凹陷分割更為明顯，隨著逆沖推覆活動的加劇，盆地內(nèi)扭壓應(yīng)力場更加強(qiáng)烈，強(qiáng)烈的扭壓作用使盆地南北兩側(cè)規(guī)模較大的斷裂發(fā)生了程度不同的左行扭動，寶北背斜構(gòu)造雛形正是在這種逆沖、擠壓、褶皺和左行扭曲的綜合作用下形成的。喜山運(yùn)動期，盆地中心下降、周圍隆升，進(jìn)入不穩(wěn)定的坳陷階段，全面接受了與下伏地層角度不整合的新生界沉積；喜山運(yùn)動進(jìn)一步加大了寶北區(qū)塊的構(gòu)造幅度，加劇了小規(guī)模斷層的活動，這些小規(guī)模斷層在平面上表現(xiàn)為雁行式展布、與寶北焉南斷裂小角度斜交或者平行，并且數(shù)量較多，同時，強(qiáng)烈的變形和揉皺等現(xiàn)象在新生斷層附近發(fā)生，寶北區(qū)塊進(jìn)入了同沉積背沖擠壓階段，寶北背斜構(gòu)造更加復(fù)雜并最終 定 型[9–10]。

1.3 斷層發(fā)育特征

寶北區(qū)塊主要發(fā)育逆斷層，總體上呈北西走向，斷面呈彎曲或平直狀，寶北構(gòu)造北東界F1斷層為北東掉南西傾的逆斷層，傾角62°，自南西向北東沖斷。以背斜核部為界的東部，各斷層產(chǎn)狀與F1斷層相近，均為北東掉南西傾的逆斷層；核部以西為南西掉北東傾向的逆斷層，傾角為52°～67°；兩側(cè)斷層相向傾斜，大體呈背沖對稱式幾何形態(tài)。結(jié)合區(qū)域宏觀分析可知，北東翼的F1斷層是邊界逆沖斷層，南西翼的F15、F16和F17斷層是主要的反沖斷層，這種沖起構(gòu)造斷裂組合符合滑脫逆沖推覆構(gòu)造的特點(diǎn)，研究區(qū)發(fā)生逆沖推覆的方向?yàn)槟衔鳕C北東向[11]（圖2）。

圖2 寶北區(qū)塊斷層左階雁列與右階雁列分區(qū)特征

2 裂縫發(fā)育特征

裂縫是致密砂巖儲層主要的儲集空間和滲流通道，裂縫發(fā)育部位的確定是找到優(yōu)質(zhì)儲層的關(guān)鍵[12–13]。不同期次的構(gòu)造裂縫具有不同的特征，根據(jù)構(gòu)造演化過程，寶北區(qū)塊構(gòu)造裂縫大體可分為兩期，分別為燕山期和喜山期：燕山期決定了構(gòu)造裂縫分布的大致范圍，主要發(fā)育高角度裂縫；喜山期的構(gòu)造裂縫大多是在原有裂縫的基礎(chǔ)上延伸并改造，部分是受構(gòu)造和沉積綜合影響的低角度裂縫。據(jù)觀察，裂縫發(fā)育的取心井主要集中在背斜軸部和斷層發(fā)育的部位，背斜西南部構(gòu)造較平緩且斷層不發(fā)育，取心井觀測均未發(fā)現(xiàn)裂縫。裂縫主要可以分為剪切裂縫、張性裂縫和擠壓裂縫。剪切裂縫的縫面具有明顯的擦痕，具有一定的走向，位移明顯，延伸規(guī)模較大，一般與構(gòu)造局部的擠壓及剪切應(yīng)力場有關(guān)，剪切縫在該區(qū)普遍存在，占比約為67.5%（圖3a、3b）；張性裂縫局部或全部被充填，縫面有浸染痕跡，一般與構(gòu)造局部的拉張應(yīng)力場有關(guān)，占比約為28.5%（圖3c）；擠壓裂縫同時具有張性裂縫和剪切裂縫的特征，故又稱作張剪裂縫，開度小、走向不具有規(guī)律性，一般與構(gòu)造局部的擠壓應(yīng)力場有關(guān)，占比約為4.0%（圖3d）。

圖3 寶北區(qū)塊儲層裂縫特征巖心觀察

2.1 裂縫密度

通過對9口取心井的巖心觀測對裂縫進(jìn)行統(tǒng)計（表1），結(jié)果表明，不同取心井觀測到的裂縫發(fā)育程度差別較大，裂縫密度0.72～60.51條/m。

表1 目的層裂縫密度統(tǒng)計

2.2 裂縫傾向和傾角特征

針對寶北區(qū)塊切層裂縫的傾向和傾角進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明：①裂縫傾向主要集中在北東、南東和南西三個方向上，北西傾向的裂縫發(fā)育較少（圖4）；②裂縫傾角分布范圍較廣，從10°～85°均有發(fā)育，主要集中在40°～70°（圖5）。

圖4 寶北區(qū)塊切層裂縫傾向玫瑰花圖

圖5 寶北區(qū)塊切層裂縫傾角玫瑰花圖

3 應(yīng)力場模擬

3.1 三維有限元模型

模型范圍：模型范圍選擇寶北區(qū)塊6 000 m×2 400 m的矩形區(qū)域，矩形區(qū)塊以南偏東50°（褶皺軸跡方向）為X軸正向，Y、Z方向做相應(yīng)轉(zhuǎn)換。

模型分層：寶北區(qū)塊目的層可劃分為3個油組，3個油組間由2套煤層隔開，每個油組又可細(xì)分為2個小層，沖起構(gòu)造發(fā)生期間的上覆地層厚度考慮為300 m，基底地層可分為兩個地層單元。

模型斷層系統(tǒng)：模型范圍內(nèi)不同規(guī)模斷層共計17條，斷層水平距離15～25 m。為考慮斷層面活動對構(gòu)造應(yīng)力場的影響，斷層面作為弱介質(zhì)[14]。

三維有限元模型共劃分為15 636個單元和14 564節(jié)點(diǎn)。

3.2 巖石力學(xué)參數(shù)

巖石物理力學(xué)參數(shù)主要包括：巖石密度、巖石的抗張強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、巖石的彈性模量、泊松比等，巖石的這些力學(xué)性質(zhì)決定著在原始應(yīng)力場中儲層的形變和儲層裂縫特征。寶北區(qū)塊礫巖、細(xì)砂巖和變質(zhì)巖性巖類的巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果見表2[15–16]。

表2 寶北區(qū)塊巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試分析結(jié)果

3.3 邊界條件與載荷

模型邊界條件：①褶皺北翼施加位移平行于褶皺軸跡的位移約束；②東北端施加垂直于褶皺軸跡的位移約束；③基地單元底部施加Z向約束。

載荷：①南翼施加位移載荷，模擬擠壓作用形成的構(gòu)造應(yīng)力場；②東南翼施加較弱的位移載荷，模擬東南端的壓扭作用；③整個地質(zhì)體施加重力載荷，模擬地殼沉積巖層所具有的靜巖壓力。

3.4 應(yīng)力場模擬結(jié)果

目的層最大主壓應(yīng)力主要分布在–213～–308 MPa（負(fù)號表示壓應(yīng)力），斷裂帶內(nèi)部最大主壓應(yīng)力值相對較低，為相對薄弱區(qū)。這些區(qū)域的巖石破碎程度較高，裂縫發(fā)育程度較高；而在構(gòu)造相對平緩的區(qū)域，最大主壓應(yīng)力值相對較高。在褶皺軸部部位和斷層帶附近，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)較大差異，這是因?yàn)?，褶皺帶?nèi)部是所謂的“強(qiáng)硬區(qū)”，這些區(qū)域的巖石受力發(fā)生了一定程度的變形但是沒有發(fā)生破裂，這些巖石會處于“臨界破裂狀態(tài)”，應(yīng)力無法釋放，表現(xiàn)為應(yīng)力高值[17]。在褶皺東南端部位和F1、F4、F17、F18斷層兩側(cè)應(yīng)力值差異較大，就是這個原因造成的，對于研究區(qū)其他小規(guī)模斷層而言，斷層兩側(cè)的應(yīng)力差異相對較?。▓D6a）。

目的層中間主壓應(yīng)力主要分布在–138～–214 MPa，主要由巖石靜巖壓力及地應(yīng)力圍壓引起，其應(yīng)力值分布主要受地層埋深及密度的影響，同樣受褶皺和斷層的影響。最小主壓應(yīng)力在褶皺軸部、斷裂帶和斷裂帶附近發(fā)生異常（圖6b）。

目的層最小主壓應(yīng)力主要分布在–41～–116 MPa，主要由巖石靜巖壓力及地應(yīng)力圍壓引起，應(yīng)力值分布主要受地層埋深及密度的影響，同樣受褶皺和斷層的影響。最小主壓應(yīng)力在褶皺軸部、斷裂帶和斷裂帶附近發(fā)生異常。在逆沖斷裂帶上盤最小主壓應(yīng)力較高，而在下盤最小主壓應(yīng)力相對較低（圖6c）。這是由于斷裂帶在擠壓應(yīng)力作用下發(fā)生逆沖，在上盤，斷層帶向上的逆沖而會導(dǎo)致垂向應(yīng)力的集中和升高。

目的層最大剪應(yīng)力主要分布在64～130 MPa，其應(yīng)力值分布也同樣受局部褶皺和斷層的影響，低應(yīng)力區(qū)域主要分布在褶皺軸部和斷裂帶附近（圖6d）。

圖6 寶北區(qū)塊目的層應(yīng)力平面等值云圖

4 預(yù)測裂縫

寶北區(qū)塊目的層同時發(fā)育張性裂縫、剪切裂縫和擠壓裂縫等多種類型構(gòu)造裂縫，因此，采用綜合破裂率（IF）來表示研究區(qū)目的層裂縫的發(fā)育程度：當(dāng)IF≥1時，認(rèn)為巖石達(dá)到破裂狀態(tài)，IF值越大，巖石破裂程度越大。該方法進(jìn)行預(yù)測時綜合考慮了張性裂縫準(zhǔn)則和剪切裂縫準(zhǔn)則，其中，張性裂縫破裂準(zhǔn)則采用修正的三維Griffith準(zhǔn)則，剪切裂縫破裂準(zhǔn)則采用Mohr–Coulomb準(zhǔn)則。計算時，擠壓裂縫歸屬為剪切裂縫[18]。

綜合破裂率IF定義為：IF=AIt+BIτ

式中：A為張性裂縫在所有構(gòu)造縫中所占的比例，%；B為剪切裂縫在所有構(gòu)造縫中所占的比例，%；It為張性裂縫破裂率，無量綱；Iτ為剪切裂縫破裂率，無量綱。

通過該方法對寶北區(qū)塊構(gòu)造裂縫進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果顯示，綜合破裂率值基本分布在3以內(nèi)，裂縫發(fā)育位置（IF≥1）可以大致分為兩大區(qū)域：①背斜軸部西北段條帶狀區(qū)域，在該區(qū)域，沿著褶皺軸跡形成一個成長條形的裂縫高發(fā)育帶；②背斜南東段扇狀區(qū)域，該區(qū)域褶皺軸跡發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部應(yīng)力場作用，導(dǎo)致巖石破裂、應(yīng)力釋放，應(yīng)力釋放所伴生的天然裂縫也十分發(fā)育（圖7）。

圖7 寶北區(qū)塊目的層綜合破裂率預(yù)測分布

通過綜合破裂率分布圖和巖心裂縫觀測裂縫密度對比發(fā)現(xiàn)，雖然在綜合破裂率小于1的區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了裂縫的存在，但是，裂縫比較發(fā)育的巖心均位于綜合破裂率值較高的區(qū)域，綜合破裂率與巖心觀測裂縫密度具有較好的正相關(guān)關(guān)系（圖8）。

圖8 寶北區(qū)塊目的層綜合破裂率和裂縫密度關(guān)系

5 結(jié)論

（1）寶北區(qū)塊構(gòu)造裂縫主要為剪切縫、張性裂縫和擠壓裂縫。裂縫傾向主要集中在北東、南東和南西三個方向上，裂縫密度為0.72～60.51條/m，發(fā)育裂縫的取心井主要集中在背斜軸部和斷層發(fā)育的部位。

（2）通過三維有限元法對目的層古應(yīng)力場分布特征的研究表明，地應(yīng)力的分布主要受控于褶皺及斷層。

（3）考慮到目的層裂縫同時具有張性裂縫和剪切裂縫的特點(diǎn)，利用修正的三維Griffith張性裂縫破裂準(zhǔn)則和Mohr–Coulomb剪切裂縫破裂準(zhǔn)則，通過綜合破裂率對寶北區(qū)塊的裂縫發(fā)育程度進(jìn)行定量預(yù)測，預(yù)測結(jié)果和巖心觀測裂縫密度具有較好的正相關(guān)關(guān)系。