貝爾凹陷基巖潛山致密儲層裂縫分布預測

楊 勉，徐梓洋，楊柏松,魏 偉，李啟菊

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油對外合作部，北京 100007； 3.中國石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816499)

1 地質背景

貝爾凹陷是海拉爾盆地中部斷陷帶內的一個二級構造單元，面積約3 010 km2，受北東向和北東東向主干斷裂控制，凹陷具有“三凹二隆一斜坡”的特點，自西向東分別是貝西斜坡帶、貝西次凹、貝中斷隆帶、貝中次凹、貝東斷隆帶和貝東次凹6個次級構造單元[1-3](圖1)。目前，貝爾凹陷內勘探目的層主要為基巖、下白堊統的銅缽廟組、南屯組和大磨拐河組。

截至2012年凹陷內已鉆探評井158口，其中工業油流井達59口，預測資源量為2.78×108t，提交探明儲量1.59×108t。其中，貝中斷隆帶的蘇德爾特潛山構造帶和貝中次凹基巖潛山獲得工業油流，提交探明儲量2 568×108t；貝中斷隆帶內的霍多莫爾構造帶、貝西斜坡帶、貝西次凹、貝東次凹等也獲得低產油流或見油氣井，顯示出貝爾凹陷基巖潛山油藏巨大的勘探潛力。

圖1 貝爾凹陷構造區劃及結構特征Fig.1 Structural division and characteristics of Beier Depression

2 儲層特征

貝爾凹陷基巖潛山油藏儲層巖石類型以火山碎屑巖為主、陸源碎屑巖次之，主要為四大類巖性：凝灰巖，沉凝灰巖，凝灰質砂礫巖和普通砂礫巖。

統計結果表明，貝爾凹陷儲層孔隙度變化范圍在0.1%～29.09%，平均孔隙度為5.58%；滲透率變化范圍在(0.005～2 968)×10-3μm2，平均滲透率為2.56×10-3μm2。盡管基巖潛山儲層孔隙度和滲透率值變化較大，但總體上屬于低孔低滲-超低孔超低滲型致密儲層(圖2)。在經歷了多期次構造運動和成巖作用的改造及疊加后，基巖潛山儲層的儲集空間類型以裂縫為主，尤以構造應力作用形成，受應力性質、巖性、圍巖等因素影響的構造縫為主[4-7]

3 裂縫分布預測

構造縫的形成主要受控于構造應力場的變化。在構造應力集中區，當應力大小超過巖石破裂極限時就會造成巖石變形、破裂，形成構造縫[8-9]。構造縫的形成和發育主要集中在兩種構造類型上：一是斷裂，伴隨斷裂的形成和活動會引起局部應力集中，沿斷裂的周邊和多條斷裂的交匯端是裂縫主要發育區；二是褶皺，地層發生褶皺變形時其轉折部位會形成應力集中區，在褶皺曲率變化大的部位形成裂縫發育區。

3.1 與褶皺相關裂縫發育帶預測

裂縫在不同構造成因褶皺上的分布特征不同，主要分布于構造的翼部、撓曲、傾沒端和軸部(圖3)。這些裂縫發育帶均因巖層褶皺強烈變形產生，發育于褶皺的強烈變形區，形成的裂縫孔隙度與曲率值呈正比[式(1)][10]，因此可以用曲率來反映裂縫的相對發育程度，曲率值高的區域代表了巖層褶皺強烈變形區，是裂縫相對發育區。

(1)

式中:Φf——張裂縫的孔隙度，%；

R——巖層彎曲的曲率半徑，m；

T——中性面以上厚度，m。

利用式(1)對貝爾凹陷基巖頂面的曲率值進行計算后成圖，結果表明(圖4)，貝爾凹陷內各次級構造帶邊緣、局部構造凸起區及斷裂帶周邊為曲率高值區，代表了地層強烈褶皺變形區，是構造縫主要發育的部位；其余地形相對平緩區地層褶皺變形較弱，是構造縫相對不發育區。

圖3 裂縫發育的有利褶皺構造部位示意圖[11]Fig.3 Schematic diagram showing fold structural positions favorable for fractures development

圖4 貝爾凹陷基巖頂面曲率分布Fig.4 Bedrock top surface curvature distribution of Beier Depression

3.2 與斷裂相關裂縫發育帶預測

與斷裂相關的裂縫是局部構造裂縫的重要類型,斷裂帶內以伴生裂縫為主，而斷裂附近則是誘導裂縫的發育部位。在構造應力場作用下，往往產生一系列與斷裂平行的剪破裂，裂縫的密度在斷裂帶中央部位最大，裂縫帶寬度一般不超過數十米。此外，斷裂在活動過程中派生的局部應力場也會產生一些裂縫，其分布由斷層活動引起的次級構造應力場和巖石力學性質所決定，離斷裂越近，密度越大[12-14]。此外，多期構造運動形成的長期活動斷層周邊裂縫系統更加密集和復雜，是多期裂縫相互交叉和疊加的最終結果[15]。

有限元數值模擬方法是現今裂縫平面預測采用最為普遍的方法，其主要通過建立地質模型、加載邊界條件和載荷、模擬計算等一系列步驟反演出裂縫形成時期構造應力場的分布，從而分析獲得裂縫發育的特征及分布規律。

貝爾凹陷經歷了多期構造演化，主要可分為“斷陷期”、“斷-凹轉化期”和“凹陷期”三個階段，其中斷陷期階段構造活動最為強烈，這一時期沉積形成了南屯組地層，也是基巖潛山構造裂縫形成的主要時期。據此，選擇南屯組沉積時期基巖潛山的頂面構造格局來建立數值模擬模型，賦予其力學參數、邊界條件及載荷(表1)，進行計算后即求得基巖潛山頂面在南屯組沉積時期構造應力值的分布。

表1 構造應力數值模擬巖石力學參數及邊界條件Table 1 Rock mechanical parameters and boundary conditions for structural stress simulation

圖5 貝爾凹陷基巖頂面南屯組沉積時期應變能密度Fig.5 Strain energy density map of top bedrock in Beier Depression during the deposition of the Nantun Fm

圖6 貝爾凹陷基巖頂面裂縫發育區Fig.6 Fracture distribution on top bedrock of Beier Depression

研究發現，裂縫的發育程度與應變能密度具有非常高的相關性，并可以將之作為裂縫定量預測模型加以應用[16][式(2)]。

(2)

式中：σ1——最大主應力值，MPa；

σ2——中間主應力值，MPa；

σ3——最小主應力值，MPa；

γ——泊松比，小數；

E——彈性模量，MPa；

利用數值模擬計算得到的構造應力值分布結果，通過式(2)計算后求得南屯組沉積時期貝爾凹陷基巖頂面的應變能密度大小。在斷裂的末端、轉折部位及交匯處存在應變能密度高值區，這些區域是“與斷裂相關裂縫”的發育區(圖5)。

圖7 貝16井基巖潛山巖心裂縫發育特征Fig.7 Fractures in cores of bedrock buried hill in well Bei16

3.3 裂縫發育帶分布范圍及分布規律

將上述兩種類型的裂縫發育區帶預測結果進行綜合，即為研究區基巖頂面裂縫發育區帶的分布范圍(圖6)

由裂縫分布預測圖可以看出，貝爾凹陷內，基巖頂面與褶皺相關裂縫發育帶分布規律明顯，主要沿構造走向分布。在貝西次凹裂縫相對發育帶分布于貝302-貝13井及貝D4井東部；貝中斷隆帶則分布于北部霍多莫爾構造帶霍10井周邊、中部蘇德爾特構造帶貝42-貝16井一線。貝中次凹內分布于希13-希5-德8井附近。與斷裂相關裂縫發育帶則主要分布于貝西次凹西南部及中部、貝中斷隆帶貝30井附近、貝中次凹東北部德8井附近及西南部希5井周邊。

3.4 驗證實例

貝16區塊是貝爾凹陷內含油氣性較好的基巖潛山油藏之一，目前已投入開發階段，單井日產油量3.1噸。油藏儲層巖性主要為凝灰巖和砂礫巖。

鉆井巖心觀察與描述表明(圖7)，區內貝16井基巖潛山頂部主要為褐灰色凝灰巖，見油斑、油跡。溶蝕性裂縫極發育，裂縫寬度在2～120 mm之間，多為5～30 mm，呈串珠狀分布，為早期發育的裂縫后期擴溶而成，是油氣的主要儲集空間。隨著深度的增加，下部裂縫的數量和寬度均減小，且大部分被方解石充填。據此證明貝16井基巖頂部的溶蝕性裂縫儲層主要是由構造曲率控制下形成的裂縫發育區演變而來；此外，該井距基底主干斷層較遠，并不發育構造應力控制下形成的裂縫區。這與貝爾凹陷基巖頂面裂縫發育區預測結果相一致，證明了預測方法的合理性。

4 結論

1) 貝爾凹陷基巖潛山儲層總體上屬于低孔低滲—超低孔超低滲型致密儲層，儲集空間以“與褶皺相關裂縫”和“與斷裂相關裂縫”形成的構造裂縫為主。

2) 利用“曲率法”和“有限元數值模擬法”預測裂縫分布的結果表明，貝爾凹陷基巖頂面與褶皺相關裂縫發育帶主要沿構造走向分布，主要分布于貝西次凹貝302-貝13井及貝D4井東部、貝中斷隆帶霍10井周邊及貝42—貝16井一線、貝中次凹內希13—希5—德8井附近。與斷裂相關裂縫發育帶主要分布于貝西次凹西南部及中部臨近蘇德爾特構造帶的貝30井附近、貝中次凹東北部德8井附近及西南部希5井周邊。

3) 巖心觀察表明貝16井基巖潛山頂部主要發育構造曲率控制下的溶蝕性裂縫，與裂縫預測結果相一致，證明了預測方法的合理性。

參 考 文 獻

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