于雅林 康志宏 陳 琳 柳 洲 周 磊 冉毅鳳

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院， 北京 100083)

1 區(qū)域地質(zhì)概況

安邊地區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡北段 ，總體為西傾單斜，地層接近水平，面積大約1 600 km2，該區(qū)主要目的層為上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段油層組。延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段是湖盆的最大擴(kuò)張期，發(fā)育有泥巖、油頁(yè)巖和砂巖，其主要儲(chǔ)集砂體是三角洲前緣的水下分流河道砂體及半深湖 — 深湖相重力流沉積砂質(zhì)碎屑流砂體和濁流砂體。砂體有效厚度一般為5～25 m，平均孔隙度為 7.8%，平均滲透率為0.17×10-3μm2，屬低孔特低滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，砂層中裂縫或者微裂縫均不同程度發(fā)育。目前，安邊地區(qū)延長(zhǎng)組儲(chǔ)層裂縫分布規(guī)律不甚清晰，現(xiàn)階段的定性描述和監(jiān)測(cè)資料已經(jīng)不能有效指導(dǎo)低滲透儲(chǔ)層勘探與合理開(kāi)采。

2 儲(chǔ)層裂縫構(gòu)造基本特征

2.1 儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫優(yōu)勢(shì)方位

晚中生代燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成了鄂爾多斯盆地中生界“區(qū)域性構(gòu)造裂縫”的廣泛發(fā)育[1-2]。我們經(jīng)過(guò)分析，繪制出安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層巖心定向和裂縫走向統(tǒng)計(jì)圖 (圖1)。安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層巖心裂縫走向優(yōu)勢(shì)方位有50°～80°、100°～140°以及160°～170°共3組方向，即主要以NE — NEE與NWW — NW向?yàn)橹?，宏觀(guān)裂縫以垂直剪切裂縫為主。根據(jù)裂縫定向結(jié)果，可知安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層巖心中50°～80°方向的裂縫發(fā)育概率約為45%，100°～140°方向的裂縫發(fā)育概率約為35%。

圖1 安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層巖心定向和裂縫走向統(tǒng)計(jì)圖

2.2 儲(chǔ)層段裂縫特征參數(shù)

對(duì)安邊地區(qū)的長(zhǎng)7儲(chǔ)層中54口井進(jìn)行巖心觀(guān)察，其中31口井有不同程度的宏觀(guān)裂縫發(fā)育，裂縫鉆遇率達(dá)57.4%。目的層段以發(fā)育高角度裂縫(傾角≥60°)為主，低角度裂縫(傾角<30°)和斜裂縫(傾角30°≤傾角<60°)次之，所占比例分別為87.1%、6.45%和12.9%。裂縫間距以小間距為主，裂縫間距介于0～5 cm的樣品占73%，裂縫間距大于10 cm的約占9%；大部分發(fā)育近垂直的單條裂縫，少部分發(fā)育2條以上裂縫。開(kāi)度為0～0.6 mm的構(gòu)造裂縫占81%，開(kāi)度為0.6～1.0 mm的構(gòu)造裂縫約占14%，開(kāi)度大于1 mm的構(gòu)造裂縫占不到5%。在宏觀(guān)裂縫中不同切深的裂縫均有發(fā)育，最大切深高達(dá)5.17 m(如安205井)，切深大于50 cm的裂縫約占34%。這充分說(shuō)明長(zhǎng)7巖心宏觀(guān)裂縫局部發(fā)育切深大的高角度剪性裂縫，可對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)生重要影響。

2.3 儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)的有效性

安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層的巖心裂縫中，完全未充填的有22口井，所占比例為70.97%，僅胡192井和元269井充填頻率為60%～100%，其充填物主要為方解石。裂縫充填頻率低于20%的井?dāng)?shù)占80.65%，可見(jiàn)充填程度相對(duì)較低，裂縫與基質(zhì)連通較好。長(zhǎng)71裂縫未充填頻率為84.6%，長(zhǎng)72裂縫未充填頻率為74.01%，說(shuō)明長(zhǎng)71裂縫與基質(zhì)連通性更優(yōu)于長(zhǎng)72裂縫。長(zhǎng)7段儲(chǔ)層以發(fā)育剪性裂縫為主，張性裂縫為輔 。發(fā)育剪性裂縫的井占87.1%，以張性裂縫為主的只有安42井、胡125井、胡206井和元90井。

儲(chǔ)層裂縫有效性的判斷依據(jù)為巖心裂縫的巖性和充填情況，完全充填裂縫或在泥巖中發(fā)育裂縫則視為無(wú)效裂縫，未充填且在砂巖中發(fā)育則視為有效裂縫。研究區(qū)長(zhǎng)7段有效裂縫比例不低于50%的井共有21口，所占比例為67.74%。長(zhǎng)7儲(chǔ)層大部分裂縫均有效，在油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要充分注意長(zhǎng)7裂縫系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)層滲透率所起的作用。

3 準(zhǔn)則依據(jù)及構(gòu)造裂縫分布定量預(yù)測(cè)

本次研究主要針對(duì)長(zhǎng)7儲(chǔ)層目的層區(qū)域性構(gòu)造裂縫進(jìn)行預(yù)測(cè)，在地質(zhì)分析、裂縫統(tǒng)計(jì)、力學(xué)性質(zhì)和聲發(fā)射法測(cè)定的基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維有限元裂縫數(shù)值模擬技術(shù)[3-6]完成安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層的裂縫預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)分析，主要包括長(zhǎng)7儲(chǔ)層的裂縫力學(xué)性質(zhì)以及對(duì)區(qū)域性裂縫的綜合預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

3.1 格里菲斯準(zhǔn)則

1921年，格里菲斯研究發(fā)現(xiàn)，脆性物體破壞是由物體內(nèi)部粗壯裂隙所引起，而巖石內(nèi)部存在很多裂隙，這些微小裂隙的大量尖端應(yīng)力造成裂隙擴(kuò)展，直至破壞而形成張裂縫(圖2)。格里菲斯準(zhǔn)則用于判斷張破裂，下面介紹該準(zhǔn)則在二維應(yīng)力情況下的表達(dá)式。

當(dāng)σ1+ 3σ3≥ 0(壓應(yīng)力為正，張應(yīng)力為負(fù))時(shí)，其二維修正表達(dá)式為：

(σ1-σ3)2+8(σ1+σ3)σT=0

(1)

式中：σ1— 最大主應(yīng)力；σ3— 最小主應(yīng)力；σT— 二維等效張應(yīng)力，表征拉張狀態(tài)。

張破裂系數(shù)(η)可表示為：

η=σTσTC

(2)

式中：σTC— 張破裂強(qiáng)度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取。

圖2 格里非斯張破裂擴(kuò)展方向

根據(jù)張破裂系數(shù)η可判斷巖石是否發(fā)生張破裂。原則上，當(dāng)η大于等于臨界破裂值(一般為1)時(shí)，巖石發(fā)生張破裂，否則不破裂。破裂值越大，則發(fā)生張破裂的幾率越大。

臨界破裂的方位由最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3所決定，如式(3)所示：

cosβ=(σ1-σ3)[2(σ1+σ3)]

(3)

式(3)中，β為臨界破裂方位和最大主應(yīng)力σ1之間的夾角。當(dāng)σ1+ 3σ3<0 (壓應(yīng)力為正，張應(yīng)力為負(fù)) 時(shí),有σT=-σ3。這時(shí)β=0，破裂方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力σ1方向。

3.2 莫爾 - 庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則

當(dāng)巖石某一面遇到剪切破壞而造成巖石破裂時(shí)，這種破壞和此面上的正應(yīng)力σN、剪應(yīng)力τN的相對(duì)狀態(tài)有關(guān)，這就是莫爾 - 庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則的理論基礎(chǔ)。該準(zhǔn)則的關(guān)系式為：

τN=C+σN·tanφ

(4)

式中：C— 巖石固有的剪切強(qiáng)度(或凝聚力)；φ— 巖石內(nèi)摩擦角。C、φ均通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。

當(dāng)某一巖石面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力符合式(2)時(shí)，此面達(dá)到剪切平衡極限，則剪破裂發(fā)生(圖3)，形成共軛剪切面，其方向?yàn)椋?/p>

α=(45°-φ2)

(5)

式中：α— 破裂面和最大主應(yīng)力σ1的夾角。

兩組破裂面方位不同，發(fā)生在垂直于σ1-σ3組成的平面內(nèi)，且最大主應(yīng)力平分兩組破裂面。式(4)可改用主應(yīng)力表示：

R=〔(σ1-σ3)2+(σ1+σ3)·sinφ2〕

(c·cosφ)

(6)

式中：R— 剪破裂系數(shù)，表示剪破裂發(fā)育程度的量度。根據(jù)R可判斷巖石是否發(fā)生剪破裂，并預(yù)測(cè)剪破裂方位。當(dāng)R大于等于臨界破裂值時(shí)，巖石發(fā)生剪破裂，否則不破裂;R越大，則發(fā)生剪破裂的幾率也越大。

圖3 巖石剪切破裂示意圖

3.3 裂縫分布定量預(yù)測(cè)

根據(jù)巖心的裂縫統(tǒng)計(jì)、力學(xué)性質(zhì)及有效性分析，安邊地區(qū)的裂縫既有張性縫又有剪性縫。在所有裂縫中，安邊地區(qū)長(zhǎng)71地層兩種性質(zhì)的裂縫對(duì)裂縫系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率分別為12.5%和87.5%；安邊地區(qū)長(zhǎng)72兩種性質(zhì)的裂縫對(duì)整個(gè)裂縫系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率分別為7.8%和92.2%。在應(yīng)力場(chǎng)模擬基礎(chǔ)上運(yùn)用以上原理，計(jì)算長(zhǎng)71、長(zhǎng)72地層中張性縫和剪性縫的發(fā)育區(qū)及其發(fā)育程度。

定義長(zhǎng)71地層裂縫指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)Fy：

Fy=η·12.5%+R·87.5%

在預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)中，我們根據(jù)長(zhǎng)7段54口井的巖心資料和非均質(zhì)性?xún)?chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)模擬進(jìn)行綜合評(píng)判，編制出裂縫發(fā)育程度和分布模式預(yù)測(cè)圖(圖4、圖5)。

圖4 長(zhǎng)71儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度和裂縫分布模式

圖5 長(zhǎng)72儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度和裂縫分布模式

由圖4可知，長(zhǎng)71裂縫發(fā)育區(qū)主要位于安131-新42井區(qū)(呈北東向展布)、胡196-胡212-胡198井區(qū)、元64-蘇254-胡129井區(qū)(呈北西向展布)、元44-元97-元19井區(qū)(呈北東向展布)和胡302-胡229井區(qū)；裂縫欠發(fā)育區(qū)主要分布于呈北西向展布的胡197-胡310-新46井區(qū)、安84-元150-胡157井區(qū)及呈北東向展布的胡147-胡152-胡207井區(qū)、胡126-元69井區(qū)、胡223-元267井區(qū)、胡232-元77-元270井區(qū)等；其余地區(qū)為裂縫次發(fā)育區(qū)。

由圖5可知，長(zhǎng)72裂縫發(fā)育區(qū)主要位于安205井區(qū)、安130-胡192-安98井區(qū)、胡311-元150井區(qū)、元195-元127-元104井區(qū)及元149-胡206-元269井區(qū)等區(qū)域；裂縫欠發(fā)育區(qū)分布于澗101-澗102井區(qū)、安92-安110井區(qū)(近東西向展布)、新63-安77-胡120井區(qū)及元144-元70井區(qū)等區(qū)域；其余地區(qū)為裂縫次發(fā)育區(qū)。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)安邊地區(qū)相似露頭地層和巖心定向構(gòu)造裂縫進(jìn)行定量觀(guān)測(cè),認(rèn)為安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層主要發(fā)育NE — NEE與NWW — NW方向高角度共軛區(qū)域性構(gòu)造裂縫系統(tǒng)，安邊地區(qū)長(zhǎng)7段儲(chǔ)層裂縫性質(zhì)以偏剪性為主，多為未充填，且為有效裂縫。

此次研究在統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬方法, 對(duì)安邊區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段低孔特低滲透儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫特征進(jìn)行分析，完成了安邊地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層裂縫的定量預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，合理預(yù)測(cè)了長(zhǎng)7儲(chǔ)層的裂縫相對(duì)發(fā)育區(qū)、次發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)及張剪裂縫走向。

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