林承焰, 李 輝, 馬存飛, 任麗華, 陳仕臻, 李師濤, 梁書義

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.山東省油藏地質重點實驗室,山東青島 266580; 3.中國石油大學(華東)深層油氣重點實驗室,山東青島 266580;4.勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團股份有限公司,山東東營 257000)

天然裂縫的成因受多種因素的綜合影響,其發(fā)育狀態(tài)具有很強的不確定性,分布規(guī)律具有很強的隨機性[1-4]。如何更加準確地刻畫儲層中裂縫的空間展布,僅從構造或者巖相單一手段分析裂縫的發(fā)育程度存在明顯缺陷[5-6]。從裂縫發(fā)育的巖石來看,不同部位巖石脆性組分的含量、巖石結構、巖石粒度等的差異導致對裂縫控制作用的不同,即沉積相控制下的巖性為主要影響因素[7-8];從裂縫形成機制來看,采用有限元數(shù)值模擬構造應力場分析方法,認為應力分布情況是主要影響因素[9-14];從裂縫與周圍構造體間關系來看[15-16],裂縫發(fā)育位置距斷層遠近為主要影響因素;從地震資料入手,利用螞蟻追蹤、相干體屬性等分析方法對識別裂縫具有很好的效果[17]。從建模手段來看,逐漸從連續(xù)裂縫模型發(fā)展到離散裂縫網(wǎng)絡模型[18-21]。針對致密砂巖儲層,筆者采用基于示性點過程的離散裂縫網(wǎng)絡建模方法,在裂縫發(fā)育地質模式的控制下,綜合裂縫成因力學機制,利用裂縫密度體建立天然裂縫模型。

1 裂縫建模研究思路

傳統(tǒng)裂縫建模方法對成像測井、巖心的依賴程度較大,存在成本高,井間誤差大等問題。裂縫密度體的提出可以有效解決缺乏特殊測井和取心井,以及井少、井距大的情況下裂縫預測與建模的問題。同時分尺度充分發(fā)揮不同信息的準確度,尤其對于中小尺度裂縫,在建立斷層相關裂縫發(fā)育概念模式的約束下,依據(jù)巖石力學試驗探究裂縫成因,從機制角度上對斷層相關裂縫發(fā)育模式進行解釋;同時利用構造應力場有限元數(shù)值模擬手段,對研究區(qū)造縫期應力場分布進行模擬,基于巖石破裂準則定量化表征裂縫空間分布。綜合巖相、構造和應力場模擬結果,建立三維裂縫密度體,采用離散裂縫網(wǎng)絡建模方法,建立天然裂縫空間模型(圖1)。

圖1 離散裂縫網(wǎng)絡模型建模技術路線Fig.1 Modeling technology route of discrete fracture network model

2 應用實例

2.1 區(qū)域構造特征

大蘆湖油田樊162地區(qū)處于東營凹陷博興洼陷東部(圖2)。博興洼陷西靠高青凸起,北鄰平南構造,南接魯西隆起,東部以石村斷裂帶分界。洼陷內部繼承性地發(fā)育金家-樊家鼻狀構造,將洼陷劃分為東西兩個次級洼陷,樊162地區(qū)位于鼻狀構造帶的東翼,高青斷層下降盤。沙三段區(qū)域構造面貌較為簡單,總體呈南高北低,傾角3°～4°的單斜。在控洼斷層高青-平南斷層、博興斷層的共同作用下,區(qū)域地質應力以近南北向伸展為主兼有右旋張扭應力。區(qū)內發(fā)育一系列北東東向及近東西向的盆傾正斷層,落差為10～400 m。

圖2 研究區(qū)多尺度區(qū)域地質圖Fig.2 Multi-scale regional geological map of study area

2.2 裂縫發(fā)育特征

樊162儲層中天然裂縫發(fā)育主要方向為北東東向及近南北向,少量裂縫發(fā)育北東向。該地區(qū)受高青-平南斷層、博興斷層的控制,區(qū)域地質應力以近南北向伸展為主。

根據(jù)取心井巖心觀察統(tǒng)計結果,取心井均發(fā)育天然裂縫,發(fā)育裂縫程度100%。裂縫類型以構造縫為主,其中又以同時受剪應力和張應力作用下的張剪性裂縫為主,發(fā)育位置多集中于粉細砂巖的朵葉體微相中。主要發(fā)育高角度裂縫,裂縫傾角多集中在65°～90°,以近乎垂直的傾角為主。發(fā)育少量的斜交裂縫,未見低角度裂縫發(fā)育。裂縫開度范圍在40 μm～2 mm,主要集中在40～80 μm,整體上開度較小,閉合縫占比較高。開度較大的裂縫絕大多數(shù)被白云石充填,占比15%。裂縫面平直,有擦痕、階步等特征(圖3)。通過巖心對裂縫密度進行分析得出,研究區(qū)平均裂縫密度3條/m,裂縫密度超過3條/m的取心井數(shù)占到了75%,屬天然裂縫較發(fā)育地帶。

2.3 沉積相-巖相模型的建立

巖性差異性是影響裂縫發(fā)育的內因。沉積作用導致巖石組分、巖性組合、結構、單層厚度等的差異,進而導致裂縫發(fā)育程度的差異性。建立研究區(qū)巖相空間展布,為裂縫預測提供約束條件。采用沉積微相約束,序貫指示模擬的方法,建立起不同沉積微相內裂縫發(fā)育程度的差異性與相關性。

研究區(qū)為洪水型湖底扇沉積,主要為水道砂體,物源來自東南方向。發(fā)育主水道、水下天然堤、辮狀水道、辮狀水道間、水道前緣砂壩和朵葉體等6種微相類型。在沉積微相平面展布上,不同時期水道主要呈北西-南東向,樹枝狀分布,物源逐漸向東偏移;辮狀河道間砂體分布廣泛;水道前緣砂壩分布在辮狀水道末梢端(圖4)。由于物源來自東南方向,使得砂巖含量及砂巖厚度呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸減小、減薄的現(xiàn)象，導致水道末梢端的水道前緣砂壩砂巖厚度較小。

圖3 研究區(qū)裂縫發(fā)育宏觀與微觀特征Fig.3 Macroscopic and microscopic characteristics of fracture development in study area

圖4 研究區(qū)沙三中亞段二砂組沉積相演化Fig.4 Sedimentary evolution of the 2nd sand group of middle Es3 member in study area

分別統(tǒng)計裂縫在不同沉積微相下巖性的分布以及發(fā)育裂縫密度之間的關系(圖5)。在水道前緣砂壩、朵葉體中以含有脆性礦物較多的粉砂巖、細砂巖為主,因朵葉體中發(fā)育砂泥巖互層，裂縫在朵葉體中發(fā)育一般,在水道前緣砂壩較為發(fā)育;辮狀水道間裂縫發(fā)育程度次之,巖性主要以中細砂巖為主,粒度變粗;水道中裂縫發(fā)育程度最差,巖性以砂礫巖、含礫中粗砂巖為主。

在沉積微相的約束下,單井上巖性解釋作為硬數(shù)據(jù),基于序貫指示模擬算法,建立巖相模型,其概率分布一致性較高(圖6)。

圖5 沉積微相、巖相及裂縫密度三者關系Fig.5 Relationship among sedimentary facies, lithology and fracture density

圖6 研究區(qū)沙三中二砂組巖相演化Fig.6 Lithofacies evolution of the 2nd sand group of middle Es3 member in study area

2.4 裂縫模型的建立

2.4.1 斷層相關裂縫發(fā)育模式

分析距斷層遠近與裂縫密度間關系,隨著距主斷層距離的逐漸增大,裂縫線密度呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢(圖7);同時裂縫開度呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。從圖7中可以看出,隨著距主斷層距離的逐漸增大,裂縫密度比裂縫開度更具敏感,其相關性高于裂縫開度。這表明在斷層形成后,斷裂表面的有效應力與差應力同時減小,使得裂縫開度變化上所需能量明顯低于裂縫密度變化時的能量。

從巖性、層厚、所處構造位置等因素的綜合分析,基于天然裂縫發(fā)育特征建立三維空間裂縫發(fā)育概念模式(圖8,其中Shmin為水平最小主應力,Shmax為水平最大主應力,Sv為垂向主應力)。將斷層內部結構劃分為斷層核、誘導裂縫帶;按照受力狀態(tài)劃分為剪切帶、破碎帶、弱變形帶。

圖7 裂縫強度與斷層間關系Fig.7 Relationship between fracture intensity and near faults

圖8 裂縫發(fā)育概念模式Fig.8 Conceptual model of fracture development

2.4.2 巖石力學特征

選取研究區(qū)取心井巖心樣品共計44塊,進行單軸壓縮、巴西劈裂以及常規(guī)三軸實驗,其中單軸壓縮與常規(guī)三軸實驗樣品為直徑25 mm,高度50 mm的圓柱;巴西劈裂實驗采用直徑25 mm,高度16.6 mm的圓柱,表面粗糙度大于5級(Ra<2.5 μm,GB1031-83),垂向偏差角度小于0.11°,水平偏差小于5 μm。

單軸壓縮實驗共計7組,每組兩個樣品取平均(表1);巴西劈裂實驗共計6組,每組3個樣品取平均(表2);常規(guī)三軸壓縮實驗共計4組,每組設置在5、10、15 MPa下各一個樣品(表3)。

表1 單軸壓縮試驗力學參數(shù)

表2 巴西劈裂試驗力學參數(shù)

表3 三軸壓縮試驗力學參數(shù)Table 3 Mechanical properties from triaxial compressional tests

取自靠近斷層核部密度最大的斷裂角礫巖,其軸向抗壓強度最大,彈性模量最大;在平面上,隨著距主斷層距離的增加,巖性粒度逐漸變細,密度逐漸變小,應力應變曲線呈現(xiàn)出軸向抗壓強度逐漸降低,應變值逐漸變大的趨勢;在經過斷層部位的垂向上,巖性粒度變化由上到下從細粒到粗粒再到細粒,密度從小到大再到小,軸向抗壓強度從小到大再到小,彈性模量從小到大再到小,應變值從大到小再到大的趨勢(圖9(a))。

宏觀裂縫形成之前是大量微裂縫聚集的過程。結合單軸壓縮下巖樣的應力應變曲線,將微裂縫演化至宏觀裂縫劃分為5個階段:第1階段為初始壓實階段,對應應力應變曲線的OA段,該階段巖石內部裂隙逐漸被壓縮閉合,但卸載后可完全恢復;第2階段為線彈性變形階段,曲線接近直線,對應AB段;第3階段曲線發(fā)生偏離,出現(xiàn)塑性變形,巖石內部出現(xiàn)平行最大主應力方向的微裂隙,應力越大,裂隙越多,對應曲線的BC段;第4階段巖石內部裂隙迅速增多,裂隙密度增大,即將到達巖石最大承載力,對應曲線CD段;第5階段巖石內部微裂隙被貫通,裂隙密度降低,裂縫開度增大,應力釋放,形成宏觀裂縫,對應曲線DE段(圖9(b))。

圖9 不同脆性巖石單軸壓縮應力應變曲線Fig.9 Uniaxial compression stress-strain curves of various brittle rocks

2.4.3 構造應力場數(shù)值模擬

研究區(qū)在三疊紀由于華北、華南板塊碰撞導致NWW-NW向壓性構造發(fā)育;侏羅紀晚期至白堊紀初期,太平洋板塊向歐亞板塊以NNW斜向低角度(10°)俯沖,引起郯廬斷裂左行走滑,產生右旋張扭構造應力場控制下的NE和NW向兩組斷陷的發(fā)育;古近紀時期,太平洋板塊向歐亞板塊俯沖,引起大規(guī)模的伸展拉張,產生NE、 NEE、NW、NWW向斷陷的發(fā)育。綜合構造運動演化,最終確定在喜山期研究區(qū)整體受到拉張應力,兼具右旋剪切力。通過施加不同的邊界載荷,反復調試,最終確定在模型的左上和右下邊界施加68 MPa最大主張應力,左下和右上邊界施加32 MPa最小主壓應力。為了模擬研究區(qū)喜山期所受到的右旋剪切應力,對模型的左上角與右下角施加一組垂直于最大主應力方向的剪切力6 MPa。同時對模型底部Z方向,模型左角與右角施加X、Y方向的位移約束(圖10)。

2.4.4 應力場模擬結果

模擬結果顯示:研究區(qū)水平最小主應力為44～87 MPa(圖11(a));水平中間主應力為22～58 MPa(圖11(b));水平最大主應力為-5～40 MPa(圖11(c))。在斷層核部位置及周圍出現(xiàn)明顯應力異常;斷層核部因巖石已破壞,應力得到釋放,出現(xiàn)明顯應力低值;斷層核部周圍環(huán)帶出現(xiàn)明顯應力高值,并且呈現(xiàn)出環(huán)帶狀遞減趨勢,這與巖石破裂過程應力-應變曲線一致,進一步驗證了裂縫發(fā)育分帶性特征。總體規(guī)律呈現(xiàn)斷層核部處于應力低值區(qū),誘導裂縫帶上盤部位更易出現(xiàn)應力高值。3個水平應力的分布基本相似,呈現(xiàn)出受斷層控制的狀態(tài)。

圖10 研究區(qū)儲層喜山期構造應力場力學模型Fig.10 Mechanical model of Himalayan period tectonic stress field of reservoir in study area

圖11 研究區(qū)構造應力場數(shù)值模擬結果Fig.11 Numerical simulation results of tectonic stress field in study area

在拉張應力和右旋剪切力的作用環(huán)境下,采用格里菲斯準則和庫侖-摩爾準則對是否破裂進行定性判別,引入格里菲斯二維破裂準則的計算公式。

當σ1+3σ3≥0時,破裂準則為

(σ1-σ3)2-8(σ1+σ3)σT=0.

(1)

當σ1+3σ3<0時,破裂準則為

σ3+σT=0.

(2)

式中,σ1、σ3分別為最大和最小主應力,MPa;σT為張應力,MPa。

庫侖-摩爾定律是指當材料沿破壞產生的剪切面破裂,其剪應力τ既要克服材料本身的內聚力C,也要克服作用在剪切面上的摩擦力σtanφ。引入庫侖-摩爾破裂準則的函數(shù):

|τ|=C+σtanφ.

(3)

式中,|τ|為材料抗剪強度,MPa;C為內聚力,材料本身固有的剪切強度,MPa;σ為作用在物體上的法向力,即正應力,MPa;φ為內摩擦角,(°);tanφ為內摩擦系數(shù)。

結合研究區(qū)主要發(fā)育高角度張剪性裂縫的特征,基于構造應力場模擬結果,采用格里菲斯和摩爾-庫侖準則相結合的方式半定量判斷裂縫發(fā)育程度。引入張破裂系數(shù)和剪破裂系數(shù),其計算公式為

It=σT/σt,

(4)

In=τ/|τ|.

(5)

式中,It為張破裂系數(shù);σt為材料抗張強度,MPa;In為剪破裂系數(shù);τ為剪應力,MPa。

實際情況下裂縫破裂絕大多數(shù)并未達到抗張強度或抗剪強度即開啟,且考慮實際研究區(qū)裂縫特征為張剪性,介于剪破裂與張破裂之間,因此為了更加準確地表征致密砂巖中構造裂縫的發(fā)育程度,綜合張破裂系數(shù)和剪破裂系數(shù),構建綜合破裂指數(shù)R:

R=(aIt+bIn)/2.

(6)

依據(jù)綜合破裂指數(shù),以單井上裂縫密度作為硬數(shù)據(jù),以綜合破裂指數(shù)作為空間約束,采用序貫指示方法,分層隨機模擬出裂縫密度,圈定劃分出儲層中裂縫發(fā)育等級區(qū)域,分發(fā)育區(qū)、發(fā)育過渡區(qū)和不發(fā)育區(qū)3個等級(表4)。

在研究區(qū)西北部和中部廣泛分布有Ⅰ～Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū),綜合破裂指數(shù)大于1.5,裂縫密度約為4,其中在構造隆起的高部位,因地層彎曲程度比其他部位要大,該地區(qū)綜合破裂指數(shù)最大,屬裂縫發(fā)育Ⅰ區(qū)。在研究區(qū)西南部主要分布Ⅱ～Ⅲ級裂縫發(fā)育區(qū),綜合破裂指數(shù)分布在1.0～1.5,裂縫密度約1.5～4條/m。由于研究區(qū)南部很少受構造活動的影響,地勢相對平坦,砂體厚度較北部厚,該地區(qū)綜合裂縫發(fā)育指數(shù)最小,裂縫密度約為1.5條/m,屬裂縫發(fā)育過渡Ⅱ區(qū)和不發(fā)育Ⅲ區(qū)(圖12)。

表4 裂縫區(qū)域指數(shù)劃分等級區(qū)域Table 4 Division of fracture development regionby comprehensive fracture index

圖12 研究區(qū)巖石綜合破裂指數(shù)分布Fig.12 Comprehensive fracture index contour and fracture density of study area

基于前期裂縫發(fā)育概念模式的建立,引入距斷層遠近裂縫發(fā)育指數(shù)對概念模式進行定量化表征,其計算公式為

z=σ[1-eλ(1-x)].

(7)

式中,z為裂縫發(fā)育程度,z值處在0～1之間,1代表裂縫發(fā)育程度高,0代表裂縫不發(fā)育;σ為比例因子;λ為裂縫發(fā)育程度變化率;x為距斷層距離,m。

依據(jù)距斷層遠近裂縫發(fā)育指數(shù),劃分裂縫發(fā)育Ⅰ區(qū)、發(fā)育過渡Ⅱ區(qū)、不發(fā)育Ⅲ區(qū)3個裂縫發(fā)育區(qū)域,劃分標準如表5所示。

表5 距斷層遠近指數(shù)劃分裂縫發(fā)育等級區(qū)域Table 5 Division of fracture development region by distance from fault index

以斷層中軸線作為計算起始點(圖13(a)),建立距斷層遠近的三維屬性體(圖13(b))。依據(jù)距斷層遠近的裂縫發(fā)育指數(shù),在屬性體的基礎上劃分為3個區(qū)域,其中紅色區(qū)域為發(fā)育Ⅰ區(qū),裂縫發(fā)育;綠色區(qū)域為發(fā)育過渡Ⅱ區(qū),裂縫一般發(fā)育;紫色區(qū)域為不發(fā)育Ⅲ區(qū),裂縫不發(fā)育(圖13(c))。采用離散裂縫網(wǎng)絡建模方法構建裂縫三維模型(圖13(d)),較好展示裂縫與斷層間關系。

圖13 斷層控制裂縫空間分布分析過程Fig.13 Analysis process of spatial distribution of fractures controlled by faults

2.5 趨勢模型的建立

在巖相模型的控制下,將綜合破裂指數(shù)控制下的裂縫密度模型,與距斷層遠近指數(shù)控制下的裂縫密度模型,采用趨勢建模手段,進行融合(圖14)。

2.6 離散裂縫網(wǎng)絡模型的建立

圖14 趨勢模型生成的裂縫密度體Fig.14 Fracture density volume generated by trend model

離散裂縫網(wǎng)絡建模是目前建立天然裂縫模型較為常用的方法,通過依次定義裂縫空間分布、幾何形態(tài)、開度和方位來建立接近真實地下裂縫空間分布模型。對于裂縫空間分布,采用趨勢建模建立的裂縫密度體作為輸入;裂縫幾何形態(tài)定義為面片狀四邊形,伸展率為2,裂縫長度服從指數(shù)分布;開度采用巖心實測校正后數(shù)據(jù);方位采用應力場模擬結果進行約束。建立的離散裂縫網(wǎng)絡模型如圖15所示。

選取裂縫密度分布跨度較大的5口井,以每口井軌跡中線為中心點,周圍25 m內4個網(wǎng)格內的裂縫密度作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)源,得到5口井裂縫密度依次為0.7、1.2、2.9、3.2、4.0。與動態(tài)生產數(shù)據(jù)中這5口井的含水率做相關性分析結果也可看出,井點附近裂縫密度與含水率具有較好的線性相關性,相關系數(shù)為0.817 2(圖16)。實際生產動態(tài)資料與建立的裂縫模型具有很好的相關性,驗證了所建裂縫模型的有效性。

圖15 離散裂縫網(wǎng)絡模型Fig.15 Discrete fracture network model

圖16 生產數(shù)據(jù)含水率與井點附近裂縫密度相關性分析Fig.16 Correlation analysis between water contentof production data and fracture density near wells

3 結 論

(1)以粉、細砂巖為主的水道前緣砂壩微相,裂縫較為發(fā)育,其微相巖性具有粒度細、孔隙度低、脆性礦物含量高的特征。中扇亞相以中細砂巖為主的辮狀河道間微相,裂縫發(fā)育一般。內扇中以砂礫巖為主的河道微相,裂縫不易發(fā)育。

(2)中國東部正斷層相關裂縫發(fā)育具有如下特征:裂縫密度與距離斷層遠近呈反比趨勢;斷層上盤相較下盤更易裂縫發(fā)育;砂巖中裂縫發(fā)育程度大于泥巖中裂縫發(fā)育程度;薄層砂體裂縫發(fā)育程度大于厚層砂體。應力聚集階段對應原狀地層,應力集中階段對應誘導裂縫帶,應力釋放階段對應斷層核。

(3)在研究區(qū)西北部和中部,構造隆起高部,斷層上盤位區(qū)域,裂縫較為發(fā)育。在研究區(qū)東南部,地勢較為平坦,砂體較厚部位,裂縫發(fā)育較少。

(4)在裂縫發(fā)育部位具有高脆性、近斷層、占高點、主上盤、薄砂層和沿長軸的特征。