基于數值模擬分析構造作用對裂縫發育的控制

王 碩，戴俊生，王 珂，付小龍，徐 珂

(1.中國石油大學，山東 青島 266580；2.中國石油杭州地質研究院，浙江 杭州 310023)

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基于數值模擬分析構造作用對裂縫發育的控制

王 碩1，戴俊生1，王 珂2，付小龍1，徐 珂1

(1.中國石油大學，山東 青島 266580；2.中國石油杭州地質研究院，浙江 杭州 310023)

通過基于數值模擬法研究克深氣田構造作用對裂縫發育的控制，分析了斷層、褶皺以及斷層-褶皺系統中構造裂縫的分布規律。結果表明，克深2區塊斷層控制裂縫帶寬度約為600 m。在600 m范圍內，越靠近斷層，裂縫發育程度越高；在遠離600 m范圍以外，裂縫發育的程度較低。背斜作用對裂縫發育的控制表現為：在背斜的核部，裂縫的密度發育較低，但裂縫的孔隙度、開度和滲透率等物性參數較高，裂縫整體發育程度較高；在背斜的翼部，裂縫發育的密度較高，通常為延伸較短的細小裂縫，裂縫的發育程度較低。斷層-褶皺系統中，在斷層控制的范圍內，裂縫的發育主要受斷層的控制，裂縫發育程度明顯升高。該研究對克深氣田儲層的開發有一定的指導意義。

數值模擬；斷層作用；褶皺作用；裂縫參數；克深氣田

0 引 言

儲層裂縫的定量描述與預測是裂縫性儲層研究的關鍵問題之一[1]，隨著計算機模擬技術的發展，曲率法[2]、能量法與巖石破裂法(二元法)[3]、分形分維法[4]和構造應力場數值模擬法等定量描述方法相繼被提出并得到較好的應用。構造應力場模擬方法以巖石力學為基礎，以斷裂展布和構造形態為依據，以單井施工數據為約束條件，結合庫倫-莫爾準則或格里菲斯準則，對裂縫的分布規律進行預測，是目前裂縫預測的有效方法。

研究表明，儲層裂縫的形成與分布主要受構造部位、巖性、巖層厚度和地質結構等因素的控制，構造作用對裂縫發育的控制較明顯。眾多學者對斷層相關褶皺[5-6]、斷層轉折褶皺[7]和斷層傳播褶皺[8]等構造作用對裂縫發育的影響進行了研究，但主要以定性描述為主，不能夠直觀地體現出地層深部構造對裂縫發育的影響。以克拉蘇構造帶克深氣田裂縫定量分析與預測研究為例，以儲層裂縫數值模擬法得到的裂縫定量參數為基礎，研究儲層裂縫參數空間展布規律，分析斷層、褶皺等構造作用對裂縫發育的影響，對克深氣田儲層開發提供指導。

1 研究區域概況

克深2區塊位于塔里木北緣庫車凹陷內，西鄰大北氣田，東接克拉2氣田，構造上位于庫車前陸沖斷帶中部，為一近東西向展布的大型背斜構造帶(圖1)，是繼克拉2氣田之后塔里木盆地“十二五”期間的重點勘探區塊。

克深氣田所處的克拉蘇構造帶油氣藏地質條件優越，發育優質的儲蓋組合，具有良好勘探前景，其目的層白堊系巴什基奇克組(K1bs)為一套致密砂巖儲層，與下伏地層白堊系巴西改組(K1bx)呈平行不整合接觸，埋深達6 000～7 000 m，鉆探難度較大。根據巖性差異，目的層自上而下可分為巴一段(K1bs1)、巴二段(K1bs2)、巴三段(K1bs3)3個巖性段。巖性以細砂巖、泥質細砂巖和泥巖為主，為辮狀河三角洲前緣沉積。基質孔隙度約為5.5%，基質滲透率約為0.05×10-3μm2，巖心成像測井資料表明，構造裂縫十分發育，是一套典型的深部低孔、低滲的致密裂縫性砂巖儲層。

圖1 克深2區塊地理位置

2 構造裂縫數值模擬法

汪必峰[9]、季宗鎮[10]、馮建偉[11]、王珂[12]等以構造應力場數值模擬為基礎，結合巖石破裂準則，利用裂縫表面能、巖石應變能理論，建立了古、今應力場與裂縫參數的數學關系：

(1)

式中：Dvf為裂縫體密度，m2/m3；ωf為應變能密度增量，J/m3；J為裂縫表面能，J/m2；σ1、σ2、σ3分別為最小、中間、最大主應力，MPa；E為楊氏模量，MPa；μ為巖石泊松比；Dlf為裂縫線密度，條/m；L1、L3分別為沿σ1、σ3方向的表征單元長度，m；b為裂縫開度，m；ε3為最小主應變；ε0為最大彈性張應變；φf為造縫期裂縫孔隙度，%；b0為造縫期裂縫開度，m。

裂縫是在古應力的作用下形成的，現今應力會使先存裂縫發生一定程度閉合，即古應力場下形成裂縫，現今應力對裂縫具有改造作用。根據Willis-Richards[13]模型，忽略正應力和剪切應力對裂縫開度的影響，得出現今構造應力場改造下的裂縫開度和孔隙度模型：

(2)

式中：C為裂縫的充填系數，%；σnref為使裂縫開度減小90%的有效正應力，MPa；σn為有效正應力，MPa；bi為第i組裂縫的開度，m；Dvfi為第i組裂縫體密度，m2/m3；bm為改造后的的裂縫開度，m；φf為改造后的裂縫孔隙度，%。

利用ANSYS有限元分析軟件對克深2區塊進行古今應力場計算，根據式(1)、(2)進行裂縫各項參數的計算，實現裂縫的定量預測。

3 逆斷層對裂縫發育的影響

庫車凹陷自中新世以來，受到南北向的強烈擠壓作用，內部發育一系列的逆沖斷層，克深2區塊內部發育2條東西走向的邊界斷層和3條近東西走向的次級斷層。裂縫線密度與距斷層距離的關系數值模擬結果表明(圖2a)：斷裂帶附近構造裂縫的發育受逆斷層的控制，形成距斷層600 m左右寬度的高密度裂縫帶。600 m的裂縫帶寬度稱為臨界寬度，即在600 m范圍以內，隨著距斷層的距離增加，裂縫發育的密度降低，到600 m左右，裂縫密度驟然降低，遠離600 m的區域裂縫發育的密度比較穩定。斷層控制裂縫的臨界寬度是變化的，在斷層的轉折段、端部和斷層交匯處等應力集中區域，斷層對裂縫的臨界寬度影響較大。因此，斷層控制裂縫的臨界寬度應為平均臨界寬度。斷層控制裂縫的臨界寬度與斷距的比值(稱為影響因子)可以反映不同性質的斷層對構造裂縫發育的影響程度。克深2區塊逆斷層的斷距平均為300 m左右，斷層對裂縫的影響因子約為2.00，而張扭性的皮羌走滑斷層和壓扭性的西克爾走滑斷層的影響因子分別為0.02和0.03[14]，反映克深2區塊逆沖斷層對裂縫的控制程度非常明顯。

圖2 裂縫發育程度與距斷層的關系

統計鉆井液的漏失量，分析斷層帶附近裂縫發育程度(圖2b)。結果表明：鉆井液的漏失量與距斷層的距離具有密切的關系，越靠近斷層，鉆井液漏失越嚴重，表明裂縫的發育程度越高，這與數值模擬的結果具有較高的吻合度，在斷裂帶附近，裂縫的孔隙度、滲透率和開度等物性參數明顯升高，表明斷層對裂縫具有較強的控制作用。

4 背斜構造對裂縫發育的影響

在背斜的形成過程中，由于不同部位所受應力大小和方向不同，裂縫發育的規律也存在很大的差異。背斜的軸部在張應力狀態下，常發育小規模的張裂縫，王珂[15]在研究克深2區塊裂縫走向異常時認為：彎曲巖層派生出的張應力改變主應力的方向，導致裂縫走向異常。而背斜的翼部在壓應力的作用下，常發育剪裂縫；背斜不同部位彎曲程度(曲率)不同，裂縫發育的程度也有很大的差異。李志勇[16]以江漢盆地王場褶皺為例，認為張裂縫的發育與巖層彎曲曲率具有密切的關系，背斜不同部位的受力不均勻性使得裂縫在背斜上呈現規律性的變化。張惠良[17]等應用網格裂縫描述和古應力分析等方法對庫車河露頭背斜構造裂縫建模時認為，隨著至背斜核部距離的增大，裂縫發育的密度呈現規律性的變化。

應用構造應力場數值模擬法，對克深2區塊背斜區域裂縫參數(密度、開度)進行研究(圖3)。模擬結果表明：背斜的軸部裂縫發育的密度較小，但裂縫的開度較大，孔隙度與滲漏率較高，裂縫的延伸較遠，說明背斜高部位是裂縫發育的有利區域，氣井的產能較高；而遠離背斜軸部的背斜翼部和構造底部，雖然裂縫發育的密度較大，但開度較小，孔隙度、滲透率較低，裂縫多為半充填，裂縫的孔隙度與滲透率較低，氣井的產能一般較低。由以上分析可以看出，裂縫發育程度的評價標準是多因素的，是裂縫密度、孔隙度、開度和滲透率的綜合體現。因此，裂縫的密度并不能準確地體現裂縫的發育程度。在開發過程中，考慮裂縫的滲流特性，常采用裂縫的孔隙度和滲透率作為裂縫發育程度的表征。

圖3 過A—A′剖面裂縫參數分布

5 斷裂-褶皺-裂縫共生系統

斷裂作用和褶皺作用不僅能單因素控制裂縫發育，常形成斷層-褶皺-裂縫共生系統，使得裂縫的分布特征更加復雜。克深2區塊為一近東西向展布的大型背斜構造，斷裂系統發育，單一構造因素不能控制裂縫發育的分布規律，因此，在斷裂-褶皺系統下研究裂縫的分布規律具有重要的意義。

由圖4可知，裂縫的發育受斷層和褶皺的控制作用比較明顯，在斷裂帶附近、背斜的高點及翼部，裂縫發育的形態及組合方式差異較大。在斷裂-褶皺系統中，斷層的存在使得背斜處裂縫發育規律發生明顯的改變。在過A—A′的剖面中，背斜被2條邊界斷層和1條內部次級斷層所切割。背斜的左翼，在斷層影響的范圍內，裂縫的各項參數均明顯升高，而在非斷層控制的背斜右翼，裂縫的發育程度隨深度的增加而下降。

圖4 過斷層A—A′剖面裂縫孔隙度分布

其次，不同的構造部位裂縫發育的組合規律也有較大差別(表1)。在斷裂帶附近，網狀裂縫發育，而靠近背斜高點處，直立縫和雁列縫發育。在南北、東西兩翼，高角度的斜交縫所占比例逐漸增加。由于不同部位所受應力的大小、方向不同以及多期古應力疊加改造作用的影響，在褶皺的核部發育走向EW、NNW—SSE、NNE—SSW 3組裂縫，使得研究區儲層的物性升高，是勘探的有利相帶。背斜鞍部裂縫充填明顯導致該部具有較低的產量。在構造低部位，裂縫發育的線密度高，但裂縫的物性參數低，因此，該部位的裂縫整體發育程度有限。

6 結 論

(1) 斷層影響裂縫發育的寬度是有限的，稱為“臨界寬度”。在臨界寬度以內，裂縫的發育密度與距斷層的距離成反比，即越靠近斷層，裂縫越密集。裂縫帶局部裂縫被方解石等礦物充填，裂縫的滲流程度低，導致生產效率低。

表1 克深2氣田巖心裂縫統計

(2) 褶皺部位發育的裂縫走向常常不具規律性，這是褶皺不同部位不均勻受力所導致的。在背斜的核部，裂縫發育的密度較低，但裂縫的物性參數較好，使得背斜的高部位裂縫整體發育程度較高。而遠離背斜的核部，雖然裂縫的密度較高，但多數為規模較小的裂縫，物性參數較差，整體發育程度不高。

(3) 在斷裂-褶皺-裂縫的共生系統中，由于斷裂的存在，使得靠近斷裂的背斜部位網狀縫數量增加，提高了裂縫的滲流能力，改善了儲層的物性。

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編輯 黃華彪

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.017

20150724；改回日期：20151120

國家科技重大專項“中西部前陸盆地構造地質、儲層特征與有利區評價”(2011ZX05003-04)

王碩(1990-)，男，2013年畢業于中國石油大學(華東)地質學專業，現為該校地質學專業在讀碩士研究生，主要從事地應力及儲層裂縫預測研究。

TE122

A

1006-6535(2016)01-0076-05