王 珂，張惠良，張榮虎，王俊鵬，孫雄偉，楊學(xué)君

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 3.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023)

超深層致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫定量表征與分布預(yù)測(cè)
——以塔里木盆地庫(kù)車坳陷克深5氣藏為例

王 珂1,2,3，張惠良3，張榮虎3，王俊鵬3，孫雄偉2，楊學(xué)君2

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 3.中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023)

綜合采用巖芯及薄片觀察、巖芯CT掃描及成像測(cè)井解釋等方法，對(duì)塔里木盆地庫(kù)車坳陷克深5氣藏的構(gòu)造裂縫進(jìn)行了定量表征，在此基礎(chǔ)上分析了構(gòu)造裂縫的成因與有效性，并基于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法對(duì)構(gòu)造裂縫的空間分布規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：克深5氣藏的構(gòu)造裂縫以高角度和直立裂縫為主，巖芯裂縫開度為0～0.4 mm，多被方解石充填，微觀裂縫包括礦物顆粒的穿粒縫和破裂紋，開度為20～30 μm；單井縱向上具有構(gòu)造裂縫密集發(fā)育段和不發(fā)育段相間分布的特征；克深5氣藏主要發(fā)育白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)—第四紀(jì)3期構(gòu)造裂縫，其中第3期構(gòu)造裂縫是克深5區(qū)塊工業(yè)規(guī)模氣藏形成的關(guān)鍵因素之一；古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)決定了構(gòu)造裂縫的組系特征和數(shù)量，沿邊界斷層的左旋剪切應(yīng)力造成了構(gòu)造應(yīng)力方位和構(gòu)造裂縫走向由背斜西南部的近EW向過渡為東北部的近SN向；現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不產(chǎn)生新的構(gòu)造裂縫，但會(huì)降低先存裂縫的有效性；背斜高部位的構(gòu)造裂縫線密度較低，但開度、孔隙度和滲透率等較高，單井平均天然氣產(chǎn)能相應(yīng)也較高，縱向上隨深度增加，構(gòu)造裂縫線密度增大而有效開度減??；不整合面對(duì)構(gòu)造裂縫有效性的控制作用主要局限在距不整合面約為70 m的范圍內(nèi)。

致密砂巖；構(gòu)造裂縫；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；定量表征；分布預(yù)測(cè)；超深層；庫(kù)車坳陷；塔里木盆地

0 引 言

在致密砂巖、碳酸鹽巖、火成巖等低滲透儲(chǔ)層中，構(gòu)造裂縫是改善儲(chǔ)層物性、提高油氣產(chǎn)能的重要因素[1-9]。中國(guó)東、西部諸多裂縫性砂巖油氣藏的勘探開發(fā)實(shí)踐表明，構(gòu)造裂縫對(duì)于提高致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度貢獻(xiàn)較小(一般低于0.5%)，但可以使儲(chǔ)層滲透率呈數(shù)量級(jí)式的增大(1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至更高)[10-17]，這表明構(gòu)造裂縫對(duì)油氣開發(fā)具有重要影響，因此，構(gòu)造裂縫的相關(guān)研究受到國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家的普遍重視，學(xué)者們從不同角度探討了構(gòu)造裂縫的成因機(jī)理、分布規(guī)律及其在油氣開發(fā)中的應(yīng)用[18-27]。

隨著中國(guó)油氣勘探領(lǐng)域向深部拓展，深層—超深層低滲透儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫逐漸成為研究熱點(diǎn)[28]。鞏磊等對(duì)比了南襄盆地安棚油田中淺層與深層構(gòu)造裂縫特征，認(rèn)為中淺層和深層構(gòu)造裂縫具有相同的成因類型、分布特征、控制因素和發(fā)育規(guī)律，但深層構(gòu)造裂縫發(fā)育程度要高于中淺層，古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制了構(gòu)造裂縫的成因類型、組系、產(chǎn)狀及力學(xué)性質(zhì)，儲(chǔ)層巖性、物性、層厚等儲(chǔ)層內(nèi)部因素影響不同組系和層位構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度[29]；王俊鵬等對(duì)庫(kù)車坳陷克深2氣藏白堊系超深層致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫進(jìn)行了研究，認(rèn)為構(gòu)造裂縫主要受古構(gòu)造應(yīng)力控制，同時(shí)還受到地層原始巖性組構(gòu)、巖層厚度和埋藏深度等因素影響，構(gòu)造裂縫對(duì)儲(chǔ)層次生溶蝕改造起到了滲流通道的作用，高滲流區(qū)主要分布在背斜高部位和斷層附近[14,30-31]；王振宇等分析了庫(kù)車坳陷大北氣田深層白堊系致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫分布規(guī)律及其對(duì)產(chǎn)能的影響，認(rèn)為構(gòu)造裂縫對(duì)滲透率的提升有2～4個(gè)數(shù)量級(jí)，并且構(gòu)造裂縫開度是產(chǎn)能的必要非充分條件，在后期開發(fā)過程中通過酸壓改造可使充填縫和閉合縫重新開啟，從而提高單井產(chǎn)能[32]。

構(gòu)造裂縫的分布預(yù)測(cè)主要包括曲率法、分形分維法、地震屬性法和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法等。曲率法多適用于因地層彎曲形成的縱張裂縫預(yù)測(cè)，對(duì)剪切裂縫的預(yù)測(cè)效果較差[33]；分形分維法要求研究區(qū)的次級(jí)斷層較發(fā)育，一方面受控于研究區(qū)本身的斷層發(fā)育情況，另一方面受控于地震資料的品質(zhì)和解釋精度[34]；地震屬性法理論上可以較好地預(yù)測(cè)構(gòu)造裂縫的空間分布，但同樣受控于地震資料的品質(zhì)[35]；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法是從構(gòu)造裂縫的成因機(jī)制出發(fā)而發(fā)展起來的一種方法，其主要步驟是通過建立研究區(qū)的有限元地質(zhì)模型，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景確定邊界約束條件和應(yīng)力載荷，進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，然后根據(jù)庫(kù)倫-莫爾剪切破裂準(zhǔn)則和格里菲斯張性破裂準(zhǔn)則，以單井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為約束，建立構(gòu)造裂縫參數(shù)與構(gòu)造應(yīng)力之間的關(guān)系式，進(jìn)而利用該關(guān)系式對(duì)構(gòu)造裂縫的空間分布進(jìn)行預(yù)測(cè)[3]。通過在中國(guó)東、西部多個(gè)油氣田的應(yīng)用表明，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法是目前預(yù)測(cè)構(gòu)造裂縫空間分布的一種有效方法[36-41]。

克深5氣藏是塔里木盆地庫(kù)車坳陷大北(大宛齊北)—克深(克拉蘇鹽下深層)地區(qū)繼大北氣田和克深2氣藏之后的又一重點(diǎn)勘探領(lǐng)域，具有埋深大、儲(chǔ)層基質(zhì)物性差、構(gòu)造裂縫發(fā)育的特點(diǎn)。為了提高開發(fā)井的部署成功率，并為開發(fā)方案的制定與調(diào)整提供地質(zhì)依據(jù)，有必要對(duì)該氣藏的構(gòu)造裂縫進(jìn)行定量表征與分布預(yù)測(cè)。克深5氣藏所在的大北—克深地區(qū)為南天山造山帶向南推覆形成的疊瓦沖斷構(gòu)造，自中生代以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造裂縫的成因和空間分布復(fù)雜，而針對(duì)此種構(gòu)造背景下的構(gòu)造裂縫特征尚無較系統(tǒng)的研究和較成熟的認(rèn)識(shí)，不宜直接利用背斜型油氣藏的已有經(jīng)驗(yàn)或模式分析構(gòu)造裂縫的成因、有效性和空間分布規(guī)律。因此，本文在以巖芯、薄片、成像測(cè)井為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)造裂縫定量表征的基礎(chǔ)上，分析克深5氣藏構(gòu)造裂縫的成因機(jī)制與有效性，并基于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法對(duì)構(gòu)造裂縫的分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，探索構(gòu)造裂縫的空間分布規(guī)律，以期對(duì)該氣藏的勘探開發(fā)提供一定地質(zhì)依據(jù)，同時(shí)為其他相似構(gòu)造背景下的油氣藏構(gòu)造裂縫研究提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

克深5氣藏位于塔里木盆地庫(kù)車坳陷克拉蘇—依奇克里克構(gòu)造帶的中西部，是大北—克深地區(qū)繼大北氣田和克深2氣藏之后新發(fā)現(xiàn)的鹽下超深層千億立方級(jí)大型天然氣藏?？松?氣藏是連接克深區(qū)帶大北段和克深段的紐帶(圖1)，其構(gòu)造形態(tài)簡(jiǎn)單，是一個(gè)整體呈NE70°—SW250°走向的長(zhǎng)軸背斜，南、北兩側(cè)被2條NW傾向的區(qū)域性斷裂切割(圖2)，其形成與演化主要受控于中生代燕山運(yùn)動(dòng)和新生代喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)。

圖1 塔里木盆地庫(kù)車坳陷克深5氣藏構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic Location of Keshen5 Gas Pool in Kuqa Depression of Tarim Basin

圖2 克深5氣藏構(gòu)造形態(tài)Fig.2 Structural Configuration of Keshen5 Gas Pool

克深5氣藏鉆遇地層自上而下依次為第四系(Q)，新近系庫(kù)車組(N2k)、康村組(N1-2k)、吉迪克組(N1j)，古近系蘇維依組(E2-3s)、庫(kù)姆格列木群(E1-2km)和下白堊統(tǒng)巴什基奇克組(K1bs)，部分井鉆至下白堊統(tǒng)巴西改組(K1bx)。勘探目的層系為下白堊統(tǒng)巴什基奇克組，埋深超過6 200 m，最深約8 000 m。研究區(qū)侏羅系—下白堊統(tǒng)為連續(xù)沉積，晚白堊世的構(gòu)造抬升剝蝕使研究區(qū)普遍缺失上白堊統(tǒng)，下白堊統(tǒng)也遭受一定程度的剝蝕[42]，造成下白堊統(tǒng)巴什基奇克組與上覆地層古近系庫(kù)姆格列木群呈角度不整合接觸，與下伏地層下白堊統(tǒng)巴西改組呈整合接觸。下白堊統(tǒng)巴什基奇克組儲(chǔ)層的主要巖性為粉—細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉—細(xì)砂巖和薄層泥巖的互層，總厚度約為240 m，自上而下可劃分為巴一段、巴二段和巴三段3個(gè)巖性段，其中巴一段和巴二段為辮狀河三角洲前緣沉積，巴三段為扇三角洲前緣沉積。巖芯物性測(cè)試表明，儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙度為0.5%～7.0%，平均約為3.0%，基質(zhì)滲透率為0.002 5～0.050 0 mD，平均約為0.018 0 mD，屬于典型的超深層低孔致密砂巖儲(chǔ)層。巖芯、成像測(cè)井及開發(fā)數(shù)據(jù)均表明，克深5氣藏的構(gòu)造裂縫十分發(fā)育。全直徑巖芯物性測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，含裂縫巖樣的滲透率最高可達(dá)36.0 mD，與基質(zhì)滲透率相比提高了3、4個(gè)數(shù)量級(jí)，表明構(gòu)造裂縫對(duì)克深5氣藏天然氣的開發(fā)具有重要影響。

2 構(gòu)造裂縫特征與形成時(shí)期

2.1 類型與特征

巖芯觀察結(jié)果表明，克深5氣藏的構(gòu)造裂縫以高角度縫和直立縫為主[圖3(a)～(c)]，部分取芯段發(fā)育密集的網(wǎng)狀裂縫[圖3(d)]。構(gòu)造裂縫主要發(fā)育在粉砂巖和細(xì)砂巖中，泥巖中的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較低，在砂泥巖界面處可見砂巖裂縫終止于界面[圖3(c)]。構(gòu)造裂縫開度不均，一般分布在0～0.4 mm，少數(shù)可在1.0 mm以上。構(gòu)造裂縫的整體充填程度較高，多數(shù)為方解石完全充填或半充填，僅部分直立縫未被充填。根據(jù)充填程度與構(gòu)造裂縫形成時(shí)期的一般規(guī)律[43-45]，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化特征[46-47]，認(rèn)為充填程度較高的構(gòu)造裂縫通常為早期(白堊紀(jì)—古近紀(jì))形成，而未被充填的構(gòu)造裂縫應(yīng)為晚期(新近紀(jì)庫(kù)車期—第四紀(jì)西域期)形成。

微觀裂縫主要包括2種類型：一種是切穿多個(gè)礦物顆粒的穿粒縫[圖3(e)]，反映構(gòu)造應(yīng)力作用一般較強(qiáng)；另一種是礦物顆粒破裂紋[圖3(f)]，局限于礦物顆粒內(nèi)部，終止于礦物邊緣，反映構(gòu)造應(yīng)力作用較弱，可能形成于上覆巖層重力或水平構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生的局部破裂作用[48]。微觀裂縫開度也不均一，從幾微米到幾十微米均有出現(xiàn)，但多數(shù)集中在20～30 μm。

2.2 單井縱向分布

從成像測(cè)井解釋結(jié)果來看，構(gòu)造裂縫在縱向上呈現(xiàn)密集發(fā)育段和不發(fā)育段相間分布的特點(diǎn)。以A5-1井為例(圖4)，該井可劃分出5個(gè)構(gòu)造裂縫密集發(fā)育段，間距為15.0～25.0 m，平均為18.5 m，構(gòu)造裂縫線密度為0.32～0.47條·m-1，平均為0.37條·m-1。

構(gòu)造裂縫的這種相間發(fā)育特征不僅表現(xiàn)在縱向(剖面)上，也表現(xiàn)在橫向(平面)上。從庫(kù)車地區(qū)索罕露頭區(qū)下白堊統(tǒng)巴什基奇克組建模Ⅳ砂體構(gòu)造裂縫發(fā)育模式(圖5)來看，構(gòu)造裂縫呈現(xiàn)出網(wǎng)狀密集帶和柵狀稀疏帶相間分布的特征，網(wǎng)狀密集帶的構(gòu)造裂縫平均長(zhǎng)度小、間距小、密度大，發(fā)育一定數(shù)量的穿層裂縫，柵狀稀疏帶的構(gòu)造裂縫平均長(zhǎng)度大、間距大、密度小，穿層裂縫比例略大于網(wǎng)狀密集帶。

綜上所述，構(gòu)造裂縫在儲(chǔ)層三維空間內(nèi)可能具有密集發(fā)育區(qū)和相對(duì)欠發(fā)育區(qū)相間分布的特征。其成因可能是巖石在某處受力形成大量裂縫以后，在一定范圍內(nèi)形成應(yīng)力釋放區(qū)，造成在該應(yīng)力釋放區(qū)附近一定距離內(nèi)的巖石中裂縫相對(duì)欠發(fā)育；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這可能與構(gòu)造應(yīng)力的“縱波傳遞效應(yīng)”有關(guān)，構(gòu)造應(yīng)力從造山帶向盆地方向以及縱向上并不是呈簡(jiǎn)單線性變化，而是呈現(xiàn)出高應(yīng)力區(qū)和低應(yīng)力區(qū)交替的規(guī)律[49-50]。上述觀點(diǎn)目前只是推測(cè)，構(gòu)造裂縫的這種疏密相間分布特征是否普遍存在，其力學(xué)成因機(jī)制如何以及受何種因素控制，還需要在大量鉆井資料、野外露頭構(gòu)造裂縫數(shù)據(jù)和巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開展進(jìn)一步研究。

圖3 克深5氣藏構(gòu)造裂縫及顯微照片F(xiàn)ig.3 Photomicrographs and Structural Fractures of Keshen5 Gas Pool

另外，從成像測(cè)井解釋結(jié)果可得到構(gòu)造裂縫的優(yōu)勢(shì)走向(圖2)。構(gòu)造裂縫優(yōu)勢(shì)走向整體上由背斜西南部的近EW向順時(shí)針過渡為背斜東北部的近SN向，這一分布特征主要受古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制。

2.3 形成時(shí)期

構(gòu)造裂縫形成時(shí)期的確定可采用構(gòu)造裂縫的切割關(guān)系、充填物成分與充填程度、充填物包裹體測(cè)溫、充填物碳氧同位素測(cè)定、石英ESR測(cè)年、巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)等方法[44,51-54]，本文主要采用構(gòu)造裂縫充填物碳氧同位素測(cè)定，結(jié)合構(gòu)造演化史確定克深5氣藏構(gòu)造裂縫的形成時(shí)期。

當(dāng)構(gòu)造裂縫形成以后，礦化地層水侵入裂縫并在裂縫壁上沉淀出方解石等結(jié)晶礦物，這些礦物中的氧同位素值(δ18O)可指示其形成時(shí)的溫度和水介質(zhì)條件，根據(jù)其形成溫度，并結(jié)合單井沉積埋藏史，便可確定構(gòu)造裂縫的形成時(shí)期。依據(jù)氧同位素測(cè)定形成溫度的方程為[51,54]

t=31.9-5.55(δ0-δw)+0.7(δ0-δw)2

(1)

式中：t為方解石充填物形成時(shí)的溫度；δ0為方解石充填物氧同位素值；δw為方解石充填物形成時(shí)的水介質(zhì)氧同位素值。

圖4 A5-1井下白堊統(tǒng)巴什基奇克組構(gòu)造裂縫發(fā)育柱狀圖Fig.4 Structural Fracture Development of K1bs in Well A5-1

圖5 庫(kù)車地區(qū)索罕露頭區(qū)下白堊統(tǒng)巴什基奇克組建模Ⅳ砂體構(gòu)造裂縫發(fā)育模式Fig.5 Development Pattern of Structural Fracture in Ⅳ Modeling Sand Body of K1bs of Suohan Outcrop in Kuqa Area

在克深5氣藏選取6個(gè)樣品進(jìn)行構(gòu)造裂縫方解石充填物碳氧同位素測(cè)定(表1)，結(jié)果顯示大部分樣品的形成溫度在85.0 ℃～95.0 ℃之間，少數(shù)樣品的形成溫度為38.2 ℃，結(jié)合單井沉積埋藏史(圖6)，筆者認(rèn)為大部分構(gòu)造裂縫應(yīng)形成于古近紀(jì)早期，少數(shù)形成于白堊紀(jì)晚期。需要注意的是，由于部分構(gòu)造裂縫未被充填，無法進(jìn)行充填物碳氧同位素測(cè)定，所以這些構(gòu)造裂縫的形成時(shí)期需參考區(qū)域構(gòu)造演化史來確定。構(gòu)造演化史表明庫(kù)車地區(qū)自白堊紀(jì)以來共經(jīng)歷了4次主要的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，即燕山晚期運(yùn)動(dòng)(白堊紀(jì))、喜馬拉雅早期運(yùn)動(dòng)(古近紀(jì)—新近紀(jì))、喜馬拉雅中期運(yùn)動(dòng)(新近紀(jì))和喜馬拉雅晚期運(yùn)動(dòng)(新近紀(jì)—第四紀(jì))[55-57]，其中由碳氧同位素確定的兩期構(gòu)造裂縫大致與前兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。未充填的構(gòu)造裂縫一般形成較晚，往往切割早期充填裂縫或沿早期充填裂縫延伸(圖7)，因此，未充填的構(gòu)造裂縫很可能就是喜馬拉雅中期和晚期運(yùn)動(dòng)作用下的產(chǎn)物，這兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所處的地質(zhì)時(shí)期較為接近，因而在此構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下形成的構(gòu)造裂縫可劃分為一期。

綜上所述，克深5氣藏主要發(fā)育3期構(gòu)造裂縫，分別為白堊紀(jì)形成的第1期、古近紀(jì)形成的第2期和新近紀(jì)—第四紀(jì)形成的第3期構(gòu)造裂縫，其中前兩期構(gòu)造裂縫充填程度較高，有效性較差，而第3期構(gòu)造裂縫基本未被充填，有效性好，是儲(chǔ)層中主要的滲流通道，并且其形成時(shí)期與主要的天然氣充注成藏期吻合[58-59]，是克深5區(qū)塊工業(yè)規(guī)模氣藏形成的關(guān)鍵因素之一。

3 構(gòu)造裂縫預(yù)測(cè)模型與力學(xué)建模

3.1 定量預(yù)測(cè)模型

現(xiàn)今所觀察到的構(gòu)造裂縫通常是在古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的。古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力方位決定了構(gòu)造裂縫的組系特征，同時(shí)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一般不再大量產(chǎn)生新裂縫[3]，因此，古構(gòu)造應(yīng)力大小基本決定了構(gòu)造裂縫的數(shù)量。

表1 克深5氣藏構(gòu)造裂縫方解石充填物碳氧同位素分析結(jié)果

注：δ13C值和δ18O值都是參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)V-PDB計(jì)算的。

克深5氣藏構(gòu)造裂縫的優(yōu)勢(shì)走向表現(xiàn)為由背斜西南部的近EW向過渡為東北部的近SN向(圖2)。這一分布規(guī)律有2種可能的成因：一種是古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)本身的復(fù)雜性導(dǎo)致了構(gòu)造裂縫走向的差異；另一種是古構(gòu)造應(yīng)力方位相對(duì)單一，但在不同地質(zhì)時(shí)期發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，從而形成了不同走向的構(gòu)造裂縫。庫(kù)車地區(qū)中生代以來的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有較好的繼承性[56-57]，因此，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征可以在一定程度上反映裂縫形成時(shí)期古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特征。從現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力方位(采用鉆井誘導(dǎo)縫走向和井壁崩落方位確定)分布來看(圖2)，水平最大主應(yīng)力的方位與構(gòu)造裂縫的走向基本一致，在不同部位也具有明顯差異性，即不同方向的水平最大主應(yīng)力是同時(shí)存在的，而非不同地質(zhì)時(shí)期的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)造成的，因此，構(gòu)造裂縫走向分布具有明顯差異性的成因應(yīng)屬于第一種，即古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)本身的復(fù)雜性造成了構(gòu)造裂縫優(yōu)勢(shì)走向的分布差異。

圖6 A5-1井下白堊統(tǒng)巴什基奇克組儲(chǔ)層埋藏史Fig.6 Reservoir Burial History of K1bs in Well A5-1

圖7 克深5氣藏構(gòu)造裂縫切割關(guān)系Fig.7 Cutting Relationship of Structural Fractures in Keshen5 Gas Pool

從克深5氣藏所處的構(gòu)造位置來看(圖1)，其恰好處于克深區(qū)塊和博孜—大北區(qū)塊的連接處，具有部分構(gòu)造調(diào)節(jié)帶的性質(zhì)，因此，該氣田除受到NNW—SSE向的最大擠壓構(gòu)造應(yīng)力外，還可能受到沿邊界斷層的左旋剪切應(yīng)力作用，使構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜化，從而導(dǎo)致不同部位的構(gòu)造裂縫走向出現(xiàn)明顯差異[46]。

從定量的角度來看，構(gòu)造裂縫密度與古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系。馮建偉等通過建立表征單元體裂縫模型，結(jié)合巖石破裂準(zhǔn)則，利用巖石力學(xué)中的表面能和應(yīng)變能相關(guān)理論，推導(dǎo)出在三向擠壓構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下的構(gòu)造裂縫體積密度和線密度的求解方程組[39，60]。該方程組為

(2)

式中：Dvf為構(gòu)造裂縫體積密度；Dlf為構(gòu)造裂縫線密度；σ1、σ2、σ3分別為最大、中間和最小有效主應(yīng)力；ε1、ε2、ε3分別為最大、中間和最小主應(yīng)變；σd為產(chǎn)生前兆微裂縫時(shí)的單軸壓縮應(yīng)力值；μ為巖石泊松比；E為楊氏彈性模量；J0為零圍壓下的裂縫表面能；ε為當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下的最大張應(yīng)變；ε0為最大彈性張應(yīng)變；L1、L3分別為沿σ1、σ3方向的表征單元體長(zhǎng)度；θ為巖石破裂角。

新構(gòu)造期的構(gòu)造應(yīng)力作用相對(duì)較弱，在中國(guó)大陸板塊內(nèi)部沒有發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造變形[3]，因此，在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力條件下，主應(yīng)力值及應(yīng)力差一般相對(duì)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)較小。根據(jù)巖石破裂的庫(kù)倫-摩爾剪切破裂準(zhǔn)則或格里菲斯張性破裂準(zhǔn)則，地層巖石一般不會(huì)發(fā)生明顯的宏觀破裂，同時(shí)在已形成的構(gòu)造裂縫處還存在應(yīng)力釋放作用，因此，一般認(rèn)為在不發(fā)生強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的前提下，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不再產(chǎn)生新的構(gòu)造裂縫，即構(gòu)造裂縫密度基本不變[3]。

盡管現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不改變構(gòu)造裂縫密度，但會(huì)對(duì)先存構(gòu)造裂縫的有效性產(chǎn)生影響。由于應(yīng)力擠壓作用，已有的構(gòu)造裂縫會(huì)出現(xiàn)一定程度的閉合，使裂縫開度減小，滲流性能降低。現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)改造作用下的構(gòu)造裂縫參數(shù)計(jì)算模型為[39,60]

(3)

3.2 力學(xué)建模

首先依據(jù)構(gòu)造數(shù)據(jù)，利用ANSYS有限元軟件建立克深5氣藏下白堊統(tǒng)巴什基奇克組的地質(zhì)模型，然后將表2所示的巖石力學(xué)參數(shù)加載到地質(zhì)模型中并劃分網(wǎng)格，將應(yīng)力邊界條件施加到網(wǎng)格化的地質(zhì)模型上，從而完成力學(xué)模型的建立。

對(duì)于巖石力學(xué)參數(shù)的獲取，首先利用測(cè)井資料，采用式(4)計(jì)算出單井動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)[61]，然后根據(jù)動(dòng)靜態(tài)校正公式(式(5))，計(jì)算出可用于數(shù)值模擬的靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)[62]。在利用式(6)計(jì)算出單井現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力后[63]，通過數(shù)值模擬反演，確定現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的邊界應(yīng)力載荷。對(duì)于古構(gòu)造應(yīng)力載荷，由于通常所用的聲發(fā)射法確定的古構(gòu)造應(yīng)力僅是地質(zhì)歷史時(shí)期中經(jīng)受的最高應(yīng)力值，而構(gòu)造裂縫的形成是古構(gòu)造應(yīng)力與時(shí)間共同作用的結(jié)果，所以聲發(fā)射法確定的古構(gòu)造應(yīng)力不能直接用于構(gòu)造裂縫的數(shù)值模擬，須引入等效古構(gòu)造應(yīng)力的概念[64]?；诠艠?gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下構(gòu)造裂縫密度基本不變這一假設(shè)[3]，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景，通過不斷反演確定一組等效古構(gòu)造應(yīng)力，使采用式(2)計(jì)算出的構(gòu)造裂縫線密度與現(xiàn)今單井實(shí)測(cè)值基本一致，將這組等效古構(gòu)造應(yīng)力作為古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的應(yīng)力邊界載荷。

(4)

(5)

(6)

式中：Ed為動(dòng)態(tài)楊氏彈性模量；μd為動(dòng)態(tài)泊松比；Cd為動(dòng)態(tài)抗剪強(qiáng)度；Vsh為泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρb為巖石密度；Δtp和Δts分別為縱波時(shí)差和橫波時(shí)差；Es為靜態(tài)楊氏彈性模量；μs為靜態(tài)泊松比；Cs為靜態(tài)抗剪強(qiáng)度；σh、σv和σH分別為水平最小主應(yīng)力、垂向主應(yīng)力和水平最大主應(yīng)力；σx和σy分別為x方向和y方向上的構(gòu)造應(yīng)力分量；μ為地層泊松比；Pp為地層壓力；Z為地層深度；ρ(Z)為上覆巖層密度，是與地層深度Z有關(guān)的函數(shù)；g為重力加速度。

克深5氣藏古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)具有很好的繼承性，因此，水平最大主應(yīng)力的方位取各井測(cè)井解釋的平均值，均設(shè)定為NNW339°。水平最大主應(yīng)力來自于南天山的推覆擠壓，因此，在模型的東南邊界施加NNW339°—SSE159°的位移約束，在西北邊界施加水平最大主應(yīng)力，在底部邊界施加垂直方向的位移約束。上覆巖層重力可根據(jù)儲(chǔ)層埋藏史(圖6)，通過設(shè)定模型埋深、巖石密度和重力加速度(9.8 m·s-2)，由軟件自動(dòng)施加；其他邊界設(shè)定為自由邊界，并施加水平最小主應(yīng)力(表2)。

4 構(gòu)造裂縫空間分布規(guī)律

將建立的力學(xué)模型在ANSYS軟件中進(jìn)行運(yùn)算求解，進(jìn)行古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，然后根據(jù)構(gòu)造裂縫定量預(yù)測(cè)模型[式(2)、(3)]，對(duì)構(gòu)造裂縫的空間分布進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。

表2 巖石力學(xué)參數(shù)與應(yīng)力邊界條件Tab.2 Rock Mechanical Parameters and Stress Boundary Conditions

4.1 平面分布規(guī)律

克深5氣藏構(gòu)造裂縫的平面預(yù)測(cè)結(jié)果見圖8。將成像測(cè)井解釋與數(shù)值模擬得到的構(gòu)造裂縫線密度對(duì)比后發(fā)現(xiàn)(表3)，除A5-4井偏差值(0.13條·m-1)較大外，其余井的偏差值均小于0.1條·m-1，表明數(shù)值模擬結(jié)果與成像測(cè)井解釋結(jié)果具有較好的一致性。背斜高點(diǎn)(A5-6、A5-4井)的構(gòu)造裂縫線密度雖然較低，但裂縫開度、孔隙度和滲透率等物性參數(shù)較高，平均米產(chǎn)氣指數(shù)可達(dá)763 m3·d-1·m-1·MPa-1；而背斜翼部構(gòu)造裂縫線密度雖然較高，但裂縫開度、孔隙度和滲透率均較低，其中A5-1、A5-3、A5-5井平均米產(chǎn)氣指數(shù)約為240 m3·d-1·m-1·MPa-1，A5-10井僅約為32 m3·d-1·m-1·MPa-1(圖8)。構(gòu)造裂縫的平面數(shù)值模擬結(jié)果與成像測(cè)井解釋結(jié)果以及單井產(chǎn)能對(duì)應(yīng)較好，可以在一定程度上反映構(gòu)造裂縫的實(shí)際分布規(guī)律。因此，根據(jù)圖8所反映出的構(gòu)造裂縫分布特征，認(rèn)為在A5-6井和A5-4井附近區(qū)域進(jìn)行開發(fā)井位部署，有較大概率獲得高產(chǎn)天然氣。

表3 構(gòu)造裂縫線密度成像測(cè)井解釋與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of Structure Fracture Density by ImageLogging and Numerical Simulation

對(duì)于背斜型油氣藏，由于核部彎曲變形最強(qiáng)，所以構(gòu)造裂縫密度也最大[65]。但從野外露頭的構(gòu)造裂縫實(shí)測(cè)、古構(gòu)造應(yīng)力聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造裂縫的數(shù)值模擬結(jié)果[28,30-31]來看，在庫(kù)車前陸沖斷帶上發(fā)育的包括克深5氣藏在內(nèi)的逆沖推覆背斜構(gòu)造幾乎均具有核部應(yīng)力低、構(gòu)造裂縫密度小，翼部應(yīng)力高、構(gòu)造裂縫密度大的特征(圖9)，表明在前陸擠壓逆沖推覆構(gòu)造背景下的背斜構(gòu)造裂縫分布規(guī)律與一般的背斜有較大差異，不宜直接采用經(jīng)典的背斜構(gòu)造裂縫發(fā)育模式分析構(gòu)造裂縫的分布，而需要有針對(duì)性地系統(tǒng)開展此種構(gòu)造背景下的構(gòu)造裂縫地質(zhì)建模，以便更好地指導(dǎo)油氣勘探。

圖件引自文獻(xiàn)[39]圖9 庫(kù)車前陸沖斷帶逆沖推覆背斜構(gòu)造裂縫模型Fig.9 Structural Fracture Model of Thrust Nappe Anticline in Kuqa Foreland Thrust Belt

4.2 縱向分布規(guī)律

構(gòu)造裂縫在縱向上的分布規(guī)律主要體現(xiàn)在構(gòu)造裂縫參數(shù)與深度之間的關(guān)系。隨著深度增加，構(gòu)造裂縫線密度逐漸增大(圖4、10)，表明構(gòu)造裂縫的數(shù)量有所增加，主要與構(gòu)造應(yīng)力隨深度增加而增大有關(guān)。構(gòu)造裂縫有效開度隨深度增加整體減小(圖4、10)，主要受控于背斜彎曲派生的外弧附加張性應(yīng)變和內(nèi)弧附加擠壓應(yīng)變[66]，但在目的層頂部距不整合面約70 m的范圍內(nèi)(6 350～6 420 m)，隨著深度增加，構(gòu)造裂縫有效開度呈局部增大趨勢(shì)(圖4)，這可能與目的層和上覆地層古近系庫(kù)姆格列木群之間的不整合面有關(guān)。

由于不整合面的存在，在大氣淡水的淋濾作用下，使儲(chǔ)層中大量沉淀方解石。這些方解石在后期酸性地層水作用下發(fā)生溶解并在構(gòu)造裂縫中重新結(jié)晶沉淀，從而使構(gòu)造裂縫充填程度增大，有效開度降低。理論上認(rèn)為，越靠近不整合面，方解石含量也越高，構(gòu)造裂縫充填程度越高，有效開度越低。對(duì)各井取芯段巖芯構(gòu)造裂縫充填率與距不整合面距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)(圖11)：在距不整合面約70 m的范圍內(nèi)，構(gòu)造裂縫的充填率較高，均在60%以上，部分取芯段可達(dá)100%；在距不整合面距離大于70 m的地層中，構(gòu)造裂縫充填率相對(duì)較低，一般在50%以下。A5-1井不同深度儲(chǔ)層的全巖X射線衍射方解石含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，儲(chǔ)層基質(zhì)中的方解石含量較高的層段也主要集中在距不整合面約70 m的范圍內(nèi)(6 350～6 420 m)，與構(gòu)造裂縫有效開度局部增大和構(gòu)造裂縫高充填率層段的深度范圍基本一致。在該范圍內(nèi)，儲(chǔ)層基質(zhì)中的方解石含量平均為9.6%，最高可達(dá)25%，而距不整合面70 m范圍之外的儲(chǔ)層基質(zhì)方解石含量平均約為5.9%，最高僅為8%。因此，不整合面對(duì)克深5氣藏構(gòu)造裂縫有效性的控制作用主要局限在距不整合面約70 m的范圍內(nèi)。

剖面位置見圖8圖10 克深5氣藏構(gòu)造裂縫縱向預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.10 Vertical Prediction Results of Structural Fracture in Keshen5 Gas Pool

圖11 克深5氣藏構(gòu)造裂縫充填率與 距不整合面距離的關(guān)系Fig.11 Relationships Between Structural Fracture Filling Extent and Distance to Unconformity of Keshen5 Gas Pool

綜上所述，在不采取改造措施的前提下，儲(chǔ)層中部的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度和有效性具有較好的匹配關(guān)系，是克深5氣藏下白堊統(tǒng)巴什基奇克組儲(chǔ)層的最優(yōu)質(zhì)層段，開發(fā)數(shù)據(jù)也顯示儲(chǔ)層中段的完井常規(guī)天然氣產(chǎn)量明顯高于其他層段。但由于構(gòu)造裂縫充填物主要為方解石，易與酸反應(yīng)發(fā)生溶蝕，所以采取酸化措施后提產(chǎn)效果較明顯，尤其是儲(chǔ)層上部裂縫充填程度較高的層段，方解石含量較高，酸化產(chǎn)生的溶蝕空間較大，仍可成為相對(duì)高產(chǎn)層段。例如，A5-3井在6 845～6 872 m深度(主要為巴一段)酸化后，無阻流量可由完井常規(guī)的8.4×104m3·d-1提高至47.1×104m3·d-1。因此，酸化應(yīng)作為克深5氣藏下白堊統(tǒng)巴什基奇克組的重點(diǎn)改造措施之一。

5 結(jié) 語

(1)塔里木盆地庫(kù)車坳陷克深5氣藏的構(gòu)造裂縫以高角度和直立裂縫為主，巖芯裂縫開度一般分布在0～0.4 mm，整體充填程度較高，充填物主要為方解石；微觀裂縫主要包括礦物顆粒的穿?？p和破裂紋，開度主要集中在20～30 μm?？v向上構(gòu)造裂縫呈現(xiàn)密集發(fā)育段和不發(fā)育段相間分布，平均間距約為18.5 m，密集發(fā)育段平均裂縫線密度約為0.37條·m-1。構(gòu)造裂縫發(fā)育可分為3期，分別形成于白堊紀(jì)、古近紀(jì)和新近紀(jì)—第四紀(jì)，其中第3期構(gòu)造裂縫基本未被充填，有效性好，并且與天然氣充注成藏期吻合，是克深5區(qū)塊工業(yè)規(guī)模氣藏形成的關(guān)鍵因素之一。

(2)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)決定了構(gòu)造裂縫的組系特征和數(shù)量，克深5氣藏具有部分構(gòu)造調(diào)節(jié)帶的性質(zhì)，沿邊界斷層的左旋剪切應(yīng)力造成了構(gòu)造應(yīng)力方位和構(gòu)造裂縫走向由背斜西南部的近EW向過渡為背斜東北部的近SN向；現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)一般不再產(chǎn)生新的構(gòu)造裂縫，但會(huì)影響先存構(gòu)造裂縫的有效性，應(yīng)力擠壓作用會(huì)使先存構(gòu)造裂縫開度減小，滲流性能降低。

(3)基于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬法的構(gòu)造裂縫分布預(yù)測(cè)結(jié)果表明：平面上背斜高部位的構(gòu)造裂縫線密度較低，但開度、孔隙度和滲透率等較高，在該部位的鉆井具有較高的天然氣產(chǎn)能；縱向上隨深度增加，構(gòu)造裂縫線密度整體增大，有效開度整體減小。構(gòu)造裂縫高充填率、有效開度局部增大和儲(chǔ)層基質(zhì)高方解石含量的層段均集中在距不整合面約70 m的范圍內(nèi)，因此，不整合面對(duì)構(gòu)造裂縫有效性的控制作用主要局限在該范圍內(nèi)。

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QuantitativeCharacterizationandDistributionPredictionofStructuralFractureinUltra-deepTightSandstoneReservoir—A Case Study of Keshen5 Gas Pool in Kuqa Depression of Tarim Basin

WANG Ke1,2,3, ZHANG Hui-liang3, ZHANG Rong-hu3, WANG Jun-peng3, SUN Xiong-wei2, YANG Xue-jun2

(1. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China; 2. PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla 841000, Xinjiang, China; 3. PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

Combined with core and thin section observation, CT scan, image logging interpretation, the characteristics of structural fracture of Keshen5 gas pool in Kuqa depression of Tarim Basin were quantitatively characterized; the origin and validity of structural fracture were analyzed; and the spatial distribution regularity of structural fracture was predicted by numerical simulation of tectonic stress field. The results show that the structural fractures of Keshen5 gas pool are mostly high dip angle or upright ones and highly filled by calcite, in which the apertures distribute at 0-0.4 mm; microscopic fractures, in which the apertures mostly distribute at 20-30 μm, include grain-crossed fracture and mineral grain crack; in vertical, intensively developed sections and undeveloped sections of structural facture have the regularity of interphase distribution; there are three periods of structural fractures formed in Cretaceous, Paleogene and Neogene-Quarternary, respectively, in which the 3rd period of structural fracture is one of the key factors for industrial gas pool finally formed in Keshen5 area; palaeo-tectonic stress field determines the system characteristics and quantity of structural fractures, and the levorotatory shearing stress along boundary faults results in that the direction of tectonic stress and structural fractures changes from ～EW at southwest to ～SN at northwest of the anticline; present tectonic stress field generally would not form new fractures, but affects the effectiveness of pre-exist fractures; the high position of anticline has low linear density of structural fracture, but high aperture, porosity and permeability, therefore, the average gas production capacity of single well is also high correspondingly; in vertical, with the deepening of depth, the linear density of structural fracture increases while the effective aperture decreases, which means that the integrated development extent reduces; the controlling effect of unconformity on structural fracture validity is restricted within about 70 m.

tight sandstone; structural fracture; tectonic stress field; quantitative characterization; distribution prediction; ultra-deep; Kuqa depression; Tarim Basin

P618.130.2;TE122.2

A

2017-06-29

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2016ZX05003-001-002，2016ZX05001-002-003)

王 珂(1987-)，男，山東鄆城人，中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院工程師，理學(xué)博士，博士后，E-mail:wangk_hz@petrochina.com.cn。

1672-6561(2017)05-0652-17