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裂缝性储层预测新方法和新技术


裂缝性储层预测新方法和新技术

西南石油大学 胡明

二00八年十一月

目 录
前言、裂缝性储层研究及预测现状
1、裂缝性储层的概念 2、国外研究现状 3、国内研究现状

一、裂缝研究在油气田勘探开发中的意义 二、有关裂缝的基础理论
1、 裂缝类型 2、 裂缝分类 3

、 裂缝成因及与构造的关系 4、 裂缝的成因模式

三、裂缝研究与预测方法简介 四、物理模拟法预测裂缝 五、构造曲率法预测碳酸盐岩储层
1、碳酸盐岩储层裂缝的预测 2、裂缝三维定量参数场形成及模型的建立

六 构造曲率法进行裂缝发育带预测实例
1 寒武系洗象池组气藏裂缝特征 2、裂缝分布特征 3、洗象池组储层综合预测

七、构造应力模拟法预测裂缝的原理
1、裂缝成因机制 2、古构造应力模拟 3、相似性原理在构造应力场及裂缝预测数值模拟中的重要性 4、裂缝判据的确定 5、破坏接近程度及其在裂缝预测中的应用 6、裂缝指标的标定 7、尚不能解决的问题 8、方法的关键技术 9、构造应力模拟法预测裂缝所需的资料

八、构造应力模拟法预测裂缝的应用实例简介
1、火山岩裂缝的预测研究 2、碳酸盐岩裂缝的预测研究 3、四川威远构造寒武系洗象池组裂缝预测

主要参考文献

前言 裂缝性储层研究及预测现状
随着石油天然气资源的开发利用,常规孔隙性油气藏储量日益减少,开发 难度逐渐增大,石油与天然气勘探方向逐渐由浅部转向深部、由常规油气藏转 向特殊油气藏。作为油气储集的重要场所—储层的研究也将从常规的孔隙性储 层的研究逐渐发展到其他各种类型的储层研究(图 1) 。特别是裂缝性储层近年 来引起了广大石油地质工作者的广泛兴趣,出现了较多的研究成果。

图1 1 裂缝性储层的概念

油气储集层的主要类型

裂缝性储层是指以裂缝为主要储集空间、渗流通道的储集层,有的也对储 集层中分散、孤立的孔隙起连通作用,增加有效孔隙度,一般具有高渗透特征。 裂缝性储层一般有 3 种类型:一类是致密岩类,如四川盆地下二叠统(阳 新统) ,其岩石基质孔隙度小于 1%,渗透率小于 0.1 毫达西,因其构造裂缝发育 形成而形成了有效的储、渗空间;第二类是古风化壳溶蚀孔、洞储集层,渗透 率极低,一般小于 0.01 个毫达西,但与后期构造裂缝搭配,形成了裂缝—孔洞 (穴)型储层,如四川盆地的震旦系和奥陶系储集层;第三类是低孔隙储集层,

如四川东部的石炭系碳酸盐岩(孔隙度 3%~4%) 、上三叠统须家河组砂岩(孔隙 度 5%~6%) ,他们的基质孔隙渗透率很低,一般在 0.01 毫达西左右,只有当构 造裂缝发育的地区,才能形成裂缝—孔隙型储集层,形成工业性的天然气藏。 地层裂缝的影响因素众多,不外乎归结为内因和外因。所有裂缝的形成都 是这两大因素的综合结果。评价地层裂缝发育与否,都是相对的。就内因而言, 包括地层的岩石类型、岩性、矿物成分、结构和构造特征、岩石强度、岩石力 学性质、厚度等。而外因则包含沉积和成岩环境,构造应力的性质、方向、大 小,区域构造背景,边界条件等。 一般情况下,在同一地质背景条件下,刚性岩类比塑性岩类,致密的比疏松 的岩性,质纯的比含有杂质的,细结构的比粗结构的,沉积构造发育的比不发 育的,薄层的比厚层的等等,前者的裂缝均比后者发育。 从外因上看,准同生期易于暴露的比淹于水下环境的,成岩作用易溶蚀的 比非溶蚀的,表生期遭受风化剥蚀的比非表生期的…… ,前者的非构造裂缝均 比后者发育。 在构造应力作用下,达到破裂变形的比未破裂变形的地层,构造应力集中 或应力释放部位比应力非集中或非释放部位等,前者的裂缝要比后者的发育。 另外,构造应力作用的滑脱层或刚性边界以及同一地层的埋藏深度(浅与深) 等,都对地层中裂缝发育的程度产生重要的影响。 总之,研究具体的地层裂缝发育特征、规律,要从具体的对象出发,注意 区域构造、局部构造位置及其古构造演化特征的分析,依据地层露头、岩心观 察、岩石样品试验、地球物理特性等,并利用力学分析方法,互相验证。 在国外,一些盛产石油的国家也逐渐重视致密低渗透岩石中裂缝性储层的 研究。据美国能源部预测:在 2010 年前,约 20%的天然气将产自碳酸盐岩和致 密砂岩等裂缝性储层;在 2030 年以前,美国国内一半以上的天然气产量将来 自低渗透的裂缝性储层。 在国内,今后一段时期内,致密储层中的裂缝性油气藏将是主要勘探开发目 标。目前在四川、华北、长庆、塔里木、克拉玛依、胜利、吉林、辽河、青海、 玉门等许多油田都发现了裂缝性油气田。 裂缝性油气藏的储集体几乎都是致密岩 体,其共同的特点是基质孔隙度和渗透率都很低,如四川油气的主要产层——二 叠茅口组灰岩,其基质孔隙度大多低于 1%,基质渗透率甚至小于 0.1 毫 达 西 。 在这样致密的岩体中,如果没有裂缝的储集和导流作用,不可能形成有效的油气 藏和高产油气流。 裂缝性油气藏勘探、开发的最大难点,是对储层岩体中裂缝发育程度和分布

范围的预测。目前在国内各油田用于裂缝探测(地震、测井)研究的费用,每年 在 50 亿元以上,但由于缺乏有效的预测手段,对裂缝发育和分布规律的研究不 够准确,而使油气井钻探和油气田开发方案达不到预期目的, 从而造成的间接 损失更是难以完全统计。如克拉玛依的小拐油田,因对裂缝预测研究认识不足, 油田建设投入的数十亿元资金基本上全部落空。 裂缝(特别是地下岩体中的裂缝)分布复杂、规律性差,又受到观测、探 测手段以及研究方法的限制, 所以对这个题目的研究国内外起步都较晚。 但从50 年代末期以来,随着世界上裂缝性油气藏的不断发现,关于裂缝的研究工作在 国内外地质界逐渐开展起来,并取得了一系列成果,为进一步深入研究奠定了 良好的基础。下面主要介绍国内外关于裂缝性储层研究的一些现状。

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国外研究现状

1968 年,G.H. Murry 将构造横剖面看作弯曲的“梁”,用几何方法导出了剖 面曲率值与裂缝孔隙度之间的计算公式,对裂缝作了初步定量研究。1971 年 , 他进行了关于构造主曲率和裂缝发育的关系的研究。1982 年日本的 Masanobu Oda 引进裂隙张量来研究各向异性裂隙岩体的孔隙性指数。 80 年代初, 美国的范. 高尔夫─拉特才写成了关于裂缝油藏工程的专著, 基本形成了裂缝型储层研究的 理论和方法,但专著却不是针对裂缝本身的研究。 上世纪 70 年代,随着分形几何学概念的提出,国外学者逐渐把这一理论引 入储层裂缝研究领域。 1980 年 P.L.Gong Dilland 从理论上证明分形理论可用 于碳酸盐岩地区裂缝的研究,并介绍了用分形理论建立裂缝分布的实际模型。随 后 Barton C.C. (1985)、Hirata(1989)、Thomas and Blin-lacroix(1989)、 Velde B. and Duboes J (1990)、Main(1990)等人又把这一理论用于其他岩石裂 缝的研究,并在断层几何形态的描述、裂缝数与裂缝长度、裂缝宽度和密度、裂 缝平面分布的研究方面取得了较大进展。 到 1995 年 , Barton C.C.通过研究认为 , 当裂缝的分维 D 大于 1.34,裂缝就能构成互相渗流的裂缝网络。 除了理论上的发展外,国外专家学者在储层裂缝的识别上也作出了突出的贡 献。90 年代后,国外在裂缝的测井识别、地震识别上取得了长足的进步。测井 方面新方法和新设备主要体现在:电磁测向仪、CT 扫描仪、微 Lambda 测井、环 形声波测井、成像测井(FMI)、全井眼地层微电阻率成像(FMI)、DSI 偶极横波成 像仪和井下电视仪(BHTV)等,这些方法和设备能测量出储层裂缝的倾角、走向、 宽度、长度、视孔隙度,以及裂缝的充填与开启程度,甚至能识别出微裂缝及亚 微观裂缝。

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国内研究现状

国内对储层裂缝研究工作开展得较早,技术手段处于较先进的水平,具体表 现在以下几个方面: (1)定性分析和生产经验总结的预测裂缝方法 50 年代后期开始,四川油气田的地质工作者根据构造形态特征和断层部位 等构造组合特征,提出寻找裂缝的“一占一沿”(即布置油气井位置时要占褶皱 构造的高点,沿褶皱的长轴, ) , “三占三沿”(占高点、沿长轴,占鞍部、沿扭 曲 ,占 鼻 突 、沿 断 裂 ) , “三打三不打”(打凸不打凹,打拱不打弯,对断层打上 盘不打下盘)等经验方法。这种方法主要是基于构造特征定性分析和生产经验 总结的预测裂缝方法。 (2)利用测井手段和地震信息识别和预测裂缝 80 年代以来,由于国际交流与合作加剧,国内大量引进了国外先进的仪器 和设备。在引进国外先进技术与设备的同时,国内专家学者也在数据的处理上 有所发 展, 如 在分 析处 理 地震 S 波分析 资料 上 ,国 外提 出 了旋 转方 法 (Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋转相关法(Bowman,1987)和纵横比方 法(Smith,1989)四种方法,而在国内也相应提出了四种方法,即最大似然法、 最大特征向量法、波形算法和自适应慢 S 波法。 利用测井和地震手段来识别裂缝,准确地说不能叫预测裂缝。同时测井与 地震识别裂缝费用也高,且存在多解性,很难对裂缝进行准确的定量预测。 (3)非线性理论方法检测和识别地下裂缝 和国外一样,非线性理论也主要应用分形理论、神经网络等技术方法对裂 缝进行检测和识别,但总体来说也不成熟。如 1992 年赵阳升在研究煤岩体裂 缝分布规律后指出,小尺寸岩体与大尺寸岩体裂缝数存在一种自相似性。1995 年彭仕宓等利用分形理论对柴达木盆地南翼山 E32 储层裂缝进行了预测,指出 裂缝发育与构造及断层有着直接关系。 (4)据构造应力的分析研究预测裂缝 构造应力作用是裂缝形成的根本原因,根据对构造应力研究来预测裂缝的 发育分布,应该是裂缝预测的主要方向。国内不少学者对此问题作过探索,但 对于构造应力的求解方式、构造应力与裂缝的关系问题上,以及相关方法的适 用性方面,也存在较大分歧或问题。 1982 年和 1988 年,成都理工大学曾锦光教授先后提出了“应用构造面主曲 率研究油气藏裂缝问题”和“用屈曲薄板模拟纵弯褶皱的力学模型”,建立了分

析褶皱应力场的计算方法。随后在 1994 年他建立了断层古应力场解析计算方 法,从而提出了断层裂缝系统分布的预测方法。这些工作,为用力学理论来解 决裂缝预测问题提供了一个良好的开端。 但由于其基础或理论依据过于理想化, 所使用的解析计算方法在实际应用中存在的问题,实际使用效果不太理想。 上世纪 80 年代末 90 年代初,随着计算机技术的发展,构造应力的研究和数 值模拟计算取得了重大进展,国内的殷有泉、陈子光、安欧、宋惠珍、黄润秋、 胡明和秦启荣等人在这一领域里做了大量的工作,推动了相关学科的发展。 90 年代末至今,越来越多的人开始从构造应力场的角度应用数值模拟方法 研究裂缝的定量预测,但这些工作大都是针对单个构造进行,或是仅为储层渗 流的目的来研究裂缝[。而系统、全面地从理论角度研究应用构造应力场进行区 域性裂缝预测却很少,所以,今后主要要在这一方面进行研究,进而摸索出一 套进行区域性古构造应力场数值模拟的带规律性的理论与方法。

一、 裂缝研究在油气田勘探开发中的意义
1、裂缝的研究在下面几个方面有着非常重要的意义

* 油气勘探
* 寻找裂缝型油气藏 * 确定定向井的钻井井位和钻井靶区
* 油气田开发

* 开发注采井网的部署 * 注水方式的确定 * 酸化压裂方案的设计
* 石油钻井

* 定向井井斜方位的确定及井眼轨迹的设计 * 套损和井壁失稳的机理研究及其预防措施的制定 * 套管以及套管组合设计

2、裂缝(节理)研究在其他方面的意义
节理的研究在理论上和实践上都具有重要意义,就石油行业而言,对节理的 研究更为重要。 ? 节理常是石油和天然气的主要运移通道和储集场所,在某些致密的储集 层中,节理几乎是唯一的运移通道和储集场所。 ? 节理发育的密度和开启程度,不仅影响油气的渗透运移和聚集,还会影 响油气的采收率。 ? 随着石油勘探开发的深入,相对简单的背斜型均质油藏已越来越少,而 较复杂的非均质裂缝型油藏是今后一段时期内勘探的主要目标之一。 ? 节理对地下水及其它一些矿床的分布有着重要影响。 ? 构造节理的产状、性质和分布规律与褶皱、断层有密切的成因联系。

二、有关裂缝的基础理论
1、 裂缝类型

* 人工诱导裂缝(非天然裂缝)
* 钻井诱导裂缝 * 水压致裂缝 * 天然裂缝

非构造缝
* 原生缝(成岩过程中形成的) * 收缩缝(火山岩的柱状节理、沉积岩中的干裂等) * 层间缝(层面、层理等) * 压溶缝(缝合线,有的缝合线并非原生的、而是构造成因的) * 风化缝(席理、球状风化缝、根劈缝等) * 非构造缝特点: 形成不受构造运动和构造力的影响,分布规律性较差,不受构造影响

构造缝
裂缝(节理) 缝合线 构造缝合线 原生缝合线 构造缝特点: 形成完全受构造运动和构造作用力的影响,分布规律性较好,与其他构造 (如褶皱、断层等)在成因上和几何关系上均有联系。

2、

裂缝分类

(1)裂缝的几何关系分类
* 按裂缝与主构造(褶皱断层)的关系分类(图2) * 横向缝 * 纵向缝 * 斜向缝 * 按裂缝与岩层产状的关系分类(图2)

* 走向缝 * 倾向缝 * 斜向缝 * 顺层缝

图2

裂缝的几何关系分类

(2)、按裂缝与岩芯中线垂直面的夹角(裂缝倾角)分类
* 测井界(赵良孝)的分类 * 高角度缝(75? ~90?) * 斜交缝 (15? ~75?) * 低角度缝( 0? ~15?) * 王允诚的分类 * 垂直缝( 75? ~90?) * 高角度斜交缝(75? ~45?) * 低角度斜交缝(45? ~15?) * 水平缝( 0? ~15?)

(3)、按张开程度分类
* 张开缝 * 闭合缝

(4)、按充填程度分类
* 充填缝 * 半充填缝 * 未充填缝

(5)、按裂缝的有效性分类
* 有效缝 * 较有效缝 * 无效缝

(6)、按力学性质分类
* 张裂缝 * 剪裂缝 节理按其形成时的力学性质,可分为张节理和剪节理两类。他们的主要特征 的异同点见下表(表 1) : 张、剪裂缝(节理)特征对比表 表1 剪节理 张节理 剪节理是由剪应力作用产生的破裂面 张节理是由张应力作用而产生的破裂 面 产状较稳定,沿走向延伸较远、沿倾向 产状不太稳定,延伸不远,节理面短而 延伸较深。 弯曲。 节理面平直光滑,常见滑动擦痕;节理 节理面粗糙不平,无擦痕 两壁之间常是闭合的。 切穿砾石和砂粒:发育在砾岩和砂岩中 绕过砾石:在砾岩和砂岩中的张节理, 的剪节理,常切穿砾石和砂粒而不改变 常绕过砾石和砂粒;即使切穿砾石,破 方向。 裂面也凹凸不平 共轭“ X ”型节理系: 常常成对出现, 节理面两壁多张开,常被矿脉充填,矿 共同组成共轭“X”型 节 理 系 。 “X”型 脉宽度变化较大,脉壁不平直。 剪节理发育良好时,可将岩石切割成棋 盘格状或菱形 羽列现象:主剪裂面常由许多羽状微裂 张节理有时呈不规则状,有时也可构成 面组成,微裂面走向相同,首尾相接, 一定的几何形态,如追踪“X”型剪节 与主剪裂面呈一定的交角,这就是所谓 理而形成的锯齿状张节理,单列或共轭 的羽列现象。沿节理走向向前观察,若 雁列式张节理等。 后一微裂面重叠在前一微裂面的左侧, 则称之为左旋(也叫左行) ,反之为右 旋(或叫右行) 。利用剪节理的这种羽 列现象,可判断破裂面两侧岩块的相对 运动方向

(7)、按成因和分布分类
* 区域构造缝:区域性有规律展布的裂缝,一般会被后期裂缝利用改造,仅少 数的能保留下来

* 局部构造缝:与局部褶皱和断层有联系的裂缝 * 与褶皱有关的局部构造缝 * 褶皱伴生缝:剖面剪切缝 * 褶皱派生缝 * 横张裂缝 * 纵张裂缝 * 斜向共轭剪切缝 * 顺层剪切缝

(8)、与断层有关的局部构造缝
* 断层伴生缝:一般为两组剪切缝,分布于断层两侧,一组与断层面平 行,另一组与断层面斜交 * 断层派生缝:有两种类型 派生张裂缝: 在断层两侧成羽状排列分布, 与主断层斜交(一般为45°)。 派生剪切缝:分布于断面的两侧,共有两组,一组与断面小角度相交 (<15°),另一组与断面成大角度相交。

挤压 拉伸

拉伸 末 端区 挤压

交 绘区 转 换区 断 垒区 裂缝 发育

外 凸区

次 级反 向断 层

图 3 断层与裂缝关系示意图

(9)、复合构造缝

* 重张裂缝:沿早期形成的一条(或一组)剪切缝张开而成,常发育于褶皱 的核部。 * 追踪张裂缝:追踪早期剪切缝,沿两组剪切缝交替张开,形态呈锯齿状; 常发育于褶皱的顶部,既有纵向的,也有横向的追踪张。

(10)、成岩后生裂缝
成岩裂缝:如层理缝、风化缝、人工爆破 压溶缝:如构造缝合线 其他缝:溶蚀缝洞,水的淋滤溶解作用产生的 缝等

小结:
* 不同构造运动时期的裂缝会相互影响、相互作用。 * 一个地区可能发育的裂缝较多, 但并非所有类型的裂缝都会发育或同等程度 地发育。在研究裂缝时,应该找出对油气聚集、运移起主要作用的一组或几 组裂缝,然后预测其发育分布规律。 各种裂缝发育的特征和规律总结如下表(表 2)

裂缝类型划分总结表
分类 构造 缝 成因 非构 造缝 名 称 区域构造缝 特

表2


大面积分布,延伸方向稳定,形态稳定、单一,裂 缝互不错位 局部构造缝 有一定的方向性和分布规律,穿层,多组系 泥裂、风化、压实、 发育普遍,方向多变,缝面弯曲,缝细小,少穿层 溶解、压溶、层间缝

平面X剪切缝 力学 性质 剖面X剪切缝 纵张缝 横张缝 张(或压)扭缝 巨缝 大缝

走向与背斜轴相交,纵向上垂直层面,缝面平直, 缝壁紧闭。延伸长,穿层深 走向与背斜轴平行或斜交,纵向上穿层并与岩层斜 交,缝面平整,缝壁紧闭 走向平行背斜长轴,纵向垂直层面,缝面粗糙不平, 张开宽度大,穿层浅 走向垂直背斜长轴,特征与纵张缝相似 在X型剪切缝的力学性质转移过程中形成。 张扭缝张 开,压扭缝紧闭 >1000mm 10-1000mm

裂缝 宽度

中缝 小缝 微缝

1-10mm 0.1-1mm <0.1mm

裂缝充 填程度 裂缝与 层面夹 角(ɑ)

充填缝 不完全充填缝及未充填缝 立缝(或高角度缝) 斜缝 平缝 不规则缝

裂缝被矿物全充填 裂缝部分被矿物充填或未被矿物充填 ɑ>75 度 ɑ=15-75 度 ɑ<15 度 ɑ变化不定,无固定形态

3、裂缝成因及其与构造的关系
* (1)、区域构造裂缝(层面“X”型剪裂缝) * 早期区域性构造应力作用而形成。 * 产生于主构造形成之前,或构造活动轻微的地区。
* 分布在一定区域内都具有规律性,与局部构造(褶皱、断层)没有成因上的联系, 因此分布不受构造部位的控制,但与岩性、层厚等因素有关,具体表现为裂缝 的方位比较一致,往往是两组裂缝等间距切割岩层,成棋盘格子状;裂缝面平 直,延伸远,缝面平直。 * (2)、褶皱伴生缝(剖面“X”型剪裂缝):

* 由形成褶皱的局部构造应力作用而形成的 * 形成于褶皱产生的早中期 * 分布于褶皱的核部周围
* 纵张裂缝:

* 由褶皱转折端的局部派生拉张应力作用而形成 * 形成于褶皱的中晚期 * 分布于背斜转折端

* 横张裂缝:
* 由褶皱转折端的局部派生拉张应力作用而形成 * 形成于褶皱的中晚期 * 褶皱的倾伏端

* 重张裂缝:

* 由构造运动中晚期的局部拉张应力改造早期区域构造裂缝而形成 * 形成于构造运动的中晚期 * 分布于褶皱的核部或其周围地区,与褶皱的轴向或枢纽斜交
* 追踪张性缝:

* 由构造运动中晚期的纵向或横向局部拉张应力改造早期区域构造裂缝形成 * 形成于构造运动的中晚期 * 常发育于褶皱的顶部,形态呈锯齿状;方位与褶皱轴向平行(纵向追踪张) 或垂直(横向追踪张) * 顺层剪切缝:分布于褶皱的翼部,于褶皱同期形成
*

斜向共轭剪裂缝:分布于背斜、向斜核,但在背斜和向斜中排列方式不同

* 同心状剪裂缝:分布于弯滑褶皱的翼部,顺层发育,较少见

* 旋转剪裂缝:分布于弯滑褶皱的翼部,少见 * 放射状张裂缝:分布在褶皱的穹拱部位,与褶皱同期形成 * 同心状张裂缝:分布在褶皱的穹拱部位,与褶皱同期形成

* 断层伴生缝:
* 由形成断层的构造应力作用而形成 * 与断层同期形成 * 分布于断层两侧、与断面平行或斜交

* 断层派生张性缝:
* 由于断层错动所产生的断层派生构造应力作用而形成 * 形成于断层产生的中晚期 * 分布于断层两侧、与断面斜交、呈羽状排列 * 断层派生剪性缝: * 由断层错动所产生的断层派生构造应力作用而形成 * 形成于断层产生的中晚期 * 分布于断层两侧、与断面斜交、呈羽状排列

4、 裂缝的成因模式
* 裂缝(除成岩缝外)形成与构造的形成与发展演化密不可分,在构造运动 的不同阶段,随着构造形成与发展,会形成或派生出不同类型的构造裂缝。因

此,在一次构造运动中,往往会形成多种类型的裂缝。裂缝的类型、发育程度 等与构造应力场、裂缝发育的构造部位、以及构造运动的持续时期、期次、岩 石的性质、厚度等多种因素有关。 任何岩石的弹性变形和塑性变形总是有一定限度, 当应力达到或超过岩石 的强度极限时,岩石内部的结合力遭到破坏,就会产生破裂面,岩石失去连续 完整性,这时就发生断裂变形,强度极限又称破裂极限。 岩石在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。同一岩石的强度极限值,在 不同性质的应力作用下,差别很大。 通常岩石的强度有如下特点: 岩石的抗压强度大于抗剪强度大于抗张强度。 岩石的断裂变形有两种方式:张裂和剪裂 张裂:是在外力作用下,当张应力达到或超过岩石的抗张强度时,在垂直 于主张应力轴或平行于主压应力轴方向上产生的断裂。形成张裂缝(张节理) 。 剪裂:是岩石在剪应力作用下发生剪切破坏时所产生的断裂。形成剪裂缝 (剪节理) 。 岩石性质不同,破裂方式也不同,在韧性材料中,当张应力达到 D 点 时 , 开始出现细颈化现象。此时外力不增加,变形仍就继续发展,达 E 点时,出 来在细颈处断裂,断口呈不平坦形态。 脆性材料在拉伸状态下的破裂方式,没有细颈化现象,多直接表现为张裂。 自然界的各种天然裂缝(主要是构造裂缝)就是在岩层受到构造应力场作 用时,当应力超过其强度极限时,而产生和发育的,所以裂缝与其他构造是相 互伴生的,在成因上是密不可分的。

三、裂缝研究和预测的方法简介
1、传统地质统计法

* 一占一沿:占高点、沿长轴 * 三占三沿 * 占高点、沿长轴 * 占鞍部、沿扭曲 * 占鼻突、沿断裂 * 三打三不打 * 打凸不打凹 * 打拱不打弯 * 打上不打下(逆断层) * 无断不打,大断避开、小断要紧挨。 * 根据与断层的距离布井。

2、野外裂缝调查和测量
在野外布置观察点,要考虑构造的部位、岩石性质、岩层厚度以 及岩层形成的时代等 裂缝野外调查工作内容:
观察内容:裂缝的分期和配套、不同时期裂缝之间的切割关系、裂缝的 张开程度、裂缝中充填物特征等。 测量内容:裂缝的产状、单个裂缝的长度、裂缝张开的宽度 野外计算内容:裂缝的线密度(单位长度裂缝的条数)、面密度(单位 面积裂缝的条数)、裂缝的频度(单位体积裂缝的总条数)、裂缝的裂度(单 位体积裂缝的总裂开)。

3、地球物理方法
利用地震信息资料预测裂缝 * 地震各向异性判断裂缝 * 多波勘探预测裂缝 * 利用地震相干数据体识别裂缝 * 利用边缘检测方法识别裂缝 * 利用测井方法探测研究裂缝 * 井下电视 * 微电阻扫描(FMI、FMS)

* 地层倾角测井

4、非线性方法检测和识别裂缝
* 依据:岩体破裂过程具有自相似性特征,断裂系统也具有自相似性
* 问题:岩体中的断裂系统是否具有自相似性

5、构造曲率法及其存在的问题
* 思路:裂缝(构造裂缝)?古构造应力场?薄板模型(板的变形理论) ?压曲板模型 * 存在的问题 * 构造曲率法“虽然将构造裂缝的分布规律与其力学成因联系起来,但所 依据的‘弯曲薄板’模型,就其物理机制而言,只适合于垂直力成因的 褶皱, 而大多数背斜是由水平力作用形成, 主曲率法不能反映这种机制。” * 主曲率法只能计算一次构造运动形成的简单构造,对于经历多次构造运 动的复合构造的裂缝分布规律,不能用此法简单的加以解决。 ( 引自曾 锦光,构造裂缝的理论分析研究,《中国南方油气勘察新领域探索论文 集》(一),地质出版社,1988) * 从主曲率法所依据的压曲薄板模型的假定条件来看:此法也只适合于幅 度较低的横弯褶皱构造。

6、物理模拟法预测裂缝
—声发射技术测试岩体的古构造应力 —岩石单轴力学特性测试 —岩石三轴力学特性测试 —用相似材料进行物理模拟实验,确定岩石变形和破坏的特点

7、构造应力模拟法预测裂缝
* 裂缝预测的基本思路:裂缝(构造裂缝)?岩体破裂?古构造应力场?构造 模拟(结构力学分析—有限元计算) ?构造形迹、岩石力学性质(图4) 关于有限元应力场模拟的基本思路: 地应力是在岩体自重、地质构造作用、地质体岩性、地形地貌、温度应力 等作用下形成的,在一个较大的区域上, 区域现今应力场的总体规律,可以在 调查断层的新构造活动特征,震源机制解和地应力实测的基础上得出初步认识。

但要定量地反映区域应力场,找出应力集中部位,则需要通过地应力实测和数值 模拟来实现。 对于现代地应力可用区域应力场的有限元反演来分析计算,也就是采用有 限单元法根据已知地应力实测点和震源机制解的结果来推求整个计算区域的地 应力场。其方法是首先根据区域地质调查结果,建立研究区的地质力学模型;然 后通过不断改变边界力作用方式和大小量值 (包括大小和方向 )与已有地应力实 测结果和地震震源机制(最大主应力大小和方向)达到最佳拟合。由此即可得出反 映研究区现今应力—形变场的真实情况。 然而,古构造应力场不能像现代区域应力场那样用实测点来进行拟合模拟, 因为古构造应力场特别是比较久远的构造应力场现在还没有办法实测其在个别 点的值的大小和方向。 现在我们探索使用的 Kaiser 效应方法是一个新的方法, 对 于近期的地应力的测定比较准确, 而对于年代久远的地应力的测定结果尚在探索 中。所以古构造应力场只能根据现今的构造形迹来进行应变场的模拟,这种模拟 需要有正确的构造发展及演化的认识结果,并且模拟结果主要是是相对结果,不 一定代表实际的古应力值。

区域地质及物探资料

资料核实分析

构造特征及构造发展史

地质建模
岩石力学试验

构造数值模拟

古构造应力场及应变场 岩石强度理论

岩体破坏接近程度系数 η 裂缝发育级别与 η的关系 裂缝成因机制模式
生产资料分析

裂缝发育程度分布规律

图4

裂缝预测技术框图

四、物理模拟法预测裂缝主要方法
* 岩石破坏实验 * 单轴压力实验 * 三轴压力实验 * 构造模拟实验(泥巴为材料) * 光弹模拟实验

五、构造曲率法预测碳酸盐岩储层
5.1 碳酸盐岩储层裂缝的预测
裂缝预测是一个世界性难题。裂缝是地壳上最小的构造,也是最为复杂的构 造。至今还没有一套很好的技术方法来根本性地解决储层裂缝的分布问题。 虽然目前已有多种预测方法, 但是预测效果往往受预测精度及应用条件等多 种因素的制约。测井、岩芯及动态等预测方法需要大量完井及取芯井资料,并且 钻井资料具有滞后性。常规地震预测是间接预测,精度较低,多处在试验阶段。 因此,目前大多采用构造主曲率法及构造应力有限元模拟法等来预测裂缝。 曲率值被引入研究地下岩石的破裂,首先见到的是 Murray(1968)对美国 北达科他州 Sanish 油田的成功应用。这一方法从上世纪 70 年代初被引入到国内 而进行对裂缝的预测后(戴弹申、徐中英等,1980、1981) ,经过 20 多年的不断 探索, 该方法得到了进一步的完善。 构造层面的曲率值反映岩层弯曲程度的大小 , 因此可以利用岩层面的曲率值分布来评价因构造弯曲作用而产生的纵张裂缝的 发育情况。曲率值越大,岩层越弯曲,其破裂程度越高,构造裂缝越发育。同时 , 构造裂缝的发育还与其所在的构造部位有关,距背斜轴线越近,构造裂缝密度越 大。 威远寒武系气藏属于碳酸盐岩气藏,它的储集空间主要是孔隙、构造缝以及 在构造缝基础上改造形成的裂缝等,其中构造变形是储集层形成裂缝的主要因 素。影响裂缝发育的因素有很多,如岩层的厚度、脆性成分含量、孔隙度、构造 变形等,但是影响裂缝发育的关键因素还是构造变形程度。因此,当储层在纵向 上变化不大时, 选用构造主曲率法对碳酸盐岩油气藏裂缝发育及分布期次进行预 测是可行的,计算结果主要反映现今构造裂缝的展布情况。

5.1.1 构造主曲率法应用前提
裂缝的曲率分析方法建立了破裂作用与油层厚度和构造曲率之间的关系, 并 计算了与此相关的裂缝孔隙度和渗透率。这种方法需要以下的假设前提: (1)岩石是脆性的,并且主要靠破裂作用来屈服,且裂缝的形成是由于地 层的弯曲变形,而非其它因素所致,如覆盖层的侵蚀,岩石体积的收缩等; (2)研究的地层必须满足前述力学模型,即岩层是受力变形而弯曲的; (3)曲率值只能反映弯曲岩层面上由于弯曲派生的抗张应力而形成的张性 裂缝的多少; (4)不考虑岩层的塑性变形。

5.1.2 构造主曲率法的基本原理
曲率是描述曲线上任一点的弯曲程度。曲率是一条曲线的二维属性,它是一

个圆半径的倒数,可以反映一个弧形的弯曲程度,曲率越大越弯曲。对于脆性岩 石,岩石裂缝发育程度成正比。所以,用构造主曲率法评价裂缝是合理的。 当岩石受构造应力挤压时,会沿某一方向发生弯曲(初始岩层是无弯曲的岩 层) ,中性面以上部位承受拉张应力而形成张裂缝(图 2-3) 。中性面以下则承 受挤压力,不能形成张裂缝。曲率法是根据岩层发生形变与曲率的关系来预测张

图 5-1 构造张裂缝示意图

裂缝的分布,一般曲率越大,张应力也越大,张裂缝也越发育,曲率值可间 接反映张裂缝的多少(相对值) 。

5.1.3 构造主曲率法的计算方法
(1)趋势面拟合法: 趋势面拟合法是将含有地质特征的观测值分离成趋势值及观测值两部分, 然 后提取满足某种形式的、 代表曲面的二元函数, 用以拟合地质特征的趋势面变化 。 将构造面抽象为一个数学曲面 W=W(x,y),它在点(x,y)处的三维最大主 曲率为: 1/ R1, 2 = H ± H 2 ? K 。 (2)曲面差分法: 变差函数是指区域变化量(x)在 x 与 x+h 两点处的增量的方差之半,即区 域化变量在相距为 h 的任意两点处的平方差值的一半。 根据样品点计算的变差函 数叫试验变差函数,差分法的曲率计算与趋势面中的曲率计算是相同的。 (3)倾角变化率法: 根据地震剖面图或地震构造图测定相距△S 两点的倾角变化率 点曲率近似值。 ?φ ?φ R = lim   ≈ ?S →0 ?S ?S 该方法要求所取两点间距应尽量小,保证一定精确度。 (4)样条函数法: 这是一种曲线拟合的方法,通常以三次样条函数来模拟复杂的曲线轨迹。曲 1 率半径计算公式: R = 2 。 d z / dx 2 ?φ ,作为两 ?S

(2-1)

(5)三点法: 数据网格化后,在每一行上依次提取等间距三点的海拔高度,在构造剖面上 便构成一个圆弧。根据点距及深度即可计算圆心坐标,进而求出三点的平均曲率 值 R。

5.1.4面曲率法-趋势面拟合法
在研究储集层构造、厚度等地质变量或者各种测试指标的空间变化方面,趋 势面分析具有广泛的用途。 任何一个地质现象都是漫长的自治历史过程的目前表 现。一个地质现象大体上由区域性因素、局部性因素和随机性因素三部分组合而 成。趋势面分析的目的就是把复杂的地质现象分解为这三部分。以趋势面代替区 域性因素;用统计方法消除随机性因素;最后达到突出局部性因素,即突出异常 的目的,这有助于更好地认识区域性变化规律和局部特征。 地质现象=区域性因素(背景值)+局部性因素(异常值)+随机性因素 (1)趋势面分析数学模型和基本步骤 趋势面分析是采用某种数学函数曲面, 对空间展布的地质特征进行拟合和逼 近。用来拟合的函数有多项式函数或傅立叶级数等多种,这里仅讨论最常用的多 项式趋势面分析方法。 设有 N 个由构造图得到的观测数据,其观测点 i 的平面坐标为(xi, yi) ,观 测值为 zi。设 3 次拟合构造曲面方程为:

f ( x, y ) = a 0 + a1x + a 2 y + a 3 x 2 + a 4 xy + a 5 y 2 + a 6 x 3 + a 7 x 2 y + a 8 xy 2 + a 9 y 3 (2-2)
用最小二乘法原理将所有观测点的坐标写成如下矩阵形式的正规方程组:

解出待定系数 a0,a1,a2 等,即可得到趋势面方程。 (2)趋势面的拟合程度 趋势面对空间数据点的逼近程度,将随趋势面的次数不同而变化。一般次数 越高拟合程度越高。拟合程度是按下式进行计算的。

式中 C 为拟合度(百分数) ; 为所有观测值 zi ,的平均值;zi 为原始观测

数据; 为趋势面分析的计算结果值。 C 值越接近 100%,说明拟合得越好。但是在实际工作中,为了正确地将区 域性因素与局部因素区分开,不能一味追求高拟合度而提高趋势面次数。应根据 具体情况,选择适宜的趋势面次数。在一般性研究中,C 值达到 85%以上,即可 达到精度要求。 对于趋势面的代表性,在数学上可用 F 检验,检验统计量为 ?U ? ? V ? F = ? ?/? ? ? m ? ? n ? m ?1? (2-5)

其中 。 F 服从自由度为 m 和 n-m-1 的 F 分布。其中 n 为样品数,m 为多项式的项 数(不包括常数项 b0 ) 。 当给定检验水平α后,由 F 分布表 Fα,当 F>Fα时,认为趋势面所反映的变 化是显著的。反之亦然。 考虑到裂缝分布不均一,且大小各异,所以在实际计算时常采用多项式分析 和调合趋势面分析来研究区域上裂缝的总体分布。
表 5-1 四川盆地各层岩石力学测定参数和平均厚度资料 地 层 代 号 岩性 岩层 抗拉强度 杨氏模 临界曲 地 平均 × 量× 率×10-5 层 岩性 5 厚度 10 (Pa) 109(Pa (1/m) 代 (m) ) 号 10 4.61 3.24 3 岩层 抗拉强度 杨氏模 临界曲率 平均 × 量× ×105 9 5 厚度 10 (Pa) 10 (Pa (1/m) (m) ) 34.31 78.24 0.03

K 泥质粉砂 岩 J 泥岩

P1 生物灰 300 岩 C 石灰岩 50 S 白云岩 50 S 泥质云 50 岩 S 串珠体 60 页岩 O 页岩 60

20 14

2.14 17.06 35.29 40.2 41.18 39.22 29.41

0.34 4.8 79.99 76.37 83.97 58.04 88.3

6 5 0.1 0.11 0.1

31.76 58 26.96 24.8 26.47 60.88 91.18

74.8 104.8 37.94 50.59 26.86 100.2 110.5

0.017 0.22 0.25 0.19 0.33 0.24 0.36

T3 石英砂岩

T2 含泥质砂 100 岩 T2 含云质砂 100 岩 T2 石灰岩 100 T1 鲕粒灰岩 100 P2 生物灰岩 95

0.135 Z2 白云岩 50 0.08 Z2 白云岩 50

(3)临界曲率值的确定 在进行裂缝发育区判断前,还要确定研究区的临界曲率值大小。由岩石力学 可知,形成裂缝所需的最小应力(即最小破裂应力)可以表示为岩石弹性模量 (E ) 、产层厚度( H)和曲率的关系式:

? d2z ? σ > E?H 2 ? ? dx ? 是四川盆地各层岩石力学测定参数和平均层厚资料[8]。

(2-6)

当已知岩石抗拉强度时,则可根据(2-6)式计算出极限曲率值。表 2-1 但在实际工作中,此值与通常的经验值相比常常偏小,原因是地下岩层处于 高温、高压状态且并非完全弹性,另外应力作用时间的长短也与破裂作用有关。 因此一个地区的邻界曲率值通常采用实际地质资料(岩心调查和生产测试)来确 定。

5.2裂缝三维定量参数场形成及模型的建立
5.2.1 裂缝定量化表征参数的确定
碳酸盐岩油气藏的各向异性明显, 且不同的储集空间其裂缝发育及其分布特 征存在很大差异。如果在裂缝地质建模过程中,对不同成因、不同储集空间的储 层采用一套特征参数,将其作为一个单元来模拟,则可能混淆不同单元的实际地 质规律,导致所建模型不能客观地反映地质实际。因此确定裂缝表征参数是裂缝 地质模型建立的基础和第一步。经过研究,筛选出影响储渗能力和在开发中起重 要作用的几个裂缝参数来表征碳酸盐岩储层裂缝的统计特征.,称之为裂缝表征 参数。它们是裂缝间距(密度) 、长度(延伸) 、宽度、高度(切深) 、倾角、方 位、裂缝孔隙度和渗透率。其中裂缝孔隙度和渗透率是评价裂缝对开发效果影响 的关键因素,同时也是极难获得的参数。 裂缝高度、倾角等裂缝参数可以通过岩心和测井及地震资料统计得到。这里 我们将重点阐述裂缝长度、宽度、密度、间距、裂缝孔隙度和裂缝渗透率。 (1)长度 岩心上无法测得裂缝平面延伸长度。但根据地面露头裂缝长度的统计,可以 认为地下裂缝平面延伸长度的主要范围与露头统计资料相似。 需要注意的是, 把露头上统计而得到的裂缝参数应用于地下裂缝评价时应该 十分谨慎。这是因为露头裂缝研究区与地下裂缝研究区有 3 方面的重要区别数
[15],①风化作用;②围岩压力、温度;③构造位置。在地表条件下,岩石脆性强



裂缝发育,且往往夸大了硬岩层的裂缝,掩盖了软岩层的裂缝。研究表明,地面 观测到的裂缝延伸长度、纵向切深对地下类似构造位置同类储层而言,可视为最 大值,具有参考价值。 (2)宽度 裂缝宽度与裂缝孔隙度、渗透率直接相关,是评价裂缝对开发效果影响的重 要因素之一,同时也是极难获得的参数之一。可以从 4 个方面确定碳酸盐岩裂缝 的宽度范围。

1)岩心实测 岩心上所量取的裂缝宽度为视宽度,要根据测量面与缝面的夹角进行换算, 得到真实的裂缝宽度。

ε = ε 'icos θ
式中 ε ——裂缝面真实宽度,cm;

(3-1)

ε ' ——裂缝面视宽度,cm;

θ ——测量面与裂缝面的夹角(?) 。
通过对裂缝宽度数据的统计,作出其分布图。这个参数是定量描述裂缝的重 要参数[1]。 2)缝宽与围压的关系 研究表明,随围岩压力增大,裂缝宽度迅速变小。但到一定围压(埋深)时 , 缝宽随围压变化很小,且砂岩变化剧烈,泥岩变化平缓。 3)实验室模拟 根据实验室模拟地下情况对碳酸盐岩样品压裂测试其缝宽。 4)地面露头测量 通过实测地面露头裂缝缝宽,来确定地下裂缝宽度的上限,推测地下裂缝宽 度一般不会超过该范围。 (3)方位 确定地下裂缝方位,应用了 7 个方面的资料:①与褶皱有关的裂缝理论分析 方位;②断层系统所显示的裂缝方位;③岩心实测裂缝方位;④裂缝测井解释的 裂缝方位和现今地应力方位;⑤古地磁测定及微电阻率扫描确定的裂缝方位;⑥ 露头测量的裂缝方位;⑦曲率分析、有限元法及断裂力学方法计算得到的裂缝分 布方位。 (4)裂缝孔隙度 裂缝孔隙度 φ f 是指裂缝总体积 Vf 与基质总体积 Vb 的比值,即

φ f = Vf / Vb
的总裂缝体积。

(3-2)

式 3-2 是衡量裂缝体积的参数。岩心裂缝孔隙度是指单位体积基质岩心上

φ f 值在储集层评价和资源生产上的意义或重要性取决于所涉及的裂缝性储
集层的类型[17]。 在那些裂缝系统既提供了主要的孔隙度又提供了主要渗透率的裂 缝性储集层中,早期计算裂缝孔隙度或单井控制的裂缝体积是非常重要的。为了 恰当的评价储集层, 我们必须尽早地知道这一体积, 并在早期生产的整个过程中 , 必须运用资料许可的尽可能多的方法对这一参数进行不断的修正。

裂缝孔隙度一般小于 1.0%,最大可大至 6%左右。其值虽然很小,但若存 在大范围的巨厚储层(其累计裂缝体积就大了)或基质孔隙度很小时,裂缝孔隙 度就显得重要了。此外由于裂缝是连通的,因此它对渗透率的影响是非常大的, 裂缝孔隙度相对较小的增加都会对渗流起重大作用。 (5)裂缝渗透率 裂缝性储层存在两种渗透率,即基质渗透率和裂缝渗透率。一般裂缝渗透 率 Kf 是基质渗透率的几百倍甚至几千倍。利用岩石薄片鉴定可以计算裂缝渗透 率[4],这是全苏地质勘探科学研究所提出的方法,简称薄片法。

Abm 3l Kf = S
式中 A—系数,它的数值取决于岩石中裂缝组系的几何形状; bm——薄片中实测的裂缝宽度,mm ;

(3-3)

l ——薄片中的裂缝长度,mm ;
S——薄片面积,mm 2。 影响宏观构造裂缝渗透率的最主要的因素是它的开度和间距(或密度) 。

3.2地下裂缝间距的预测

5.2.2裂缝间距影响因素
我们这里之所以要讨论裂缝间距, 是因为裂缝间距是预测储集层裂缝孔隙度 和裂缝渗透率的一个重要参数,它的变化对裂缝孔隙度和渗透率有着剧烈的影 响。 图 3-1 和图 3-2 表示了裂缝间距和裂缝宽度对这两个储集层参数的综合影 响的特征。

图 5-3 裂缝渗透率与裂缝宽度和裂缝间距之间的关系

图 5-4 裂缝孔隙度与裂缝宽度和裂缝间距之间的关系

裂缝间距可以在露头或矿点直接观察, 但是由于相当于裂缝间距或基块来讲 地下取样方法所观察的范围较小,从而造成裂缝间距定量化的困难。此外,天然 裂缝系统经常具有复杂的交叉切割结构,因此很难正确地确定其平均间距。要对 碳酸盐岩储层裂缝间距进行预测,首先要分析影响其裂缝间距的各种因素。 影响碳酸盐岩裂缝间距的主要因素如下: (1)成分:Sinclair (1980)曾指出裂缝密度与岩性的关系:岩石的脆性越 大,裂缝密度越大,间距越小。岩石中的脆性成分主要是石英、长石、白云岩和 方解石等,裂缝的发育程度依白云岩、灰质白云岩和石灰岩的顺序依次降低。

图 5-5 构造裂缝的相对密度与岩性(矿物成分和粒度)的关系

(2)孔隙度:岩石强度随着孔隙度的增加而降低,因而在其他条件相同的 情况下,孔隙度低的岩石裂缝密度大,间距变小。 (3)层厚:大量资料表明,若其它条件相同,裂缝间距随着层厚的减薄而 减小,薄层比厚层岩石具有更大的裂缝密度。 根据大量野外露头观测,裂缝间距和层厚的经验统计关系是:裂缝间距与裂 缝所在层的层厚成线性关系,并定义层厚(T)与间距(S)之比为裂缝间距指 数(I) , 即 : I=T / S 1991) 。 (4)构造部位、边界及边界上受力方向和大小:Price (1966)指出,裂缝 的密度与应变能有关,在岩层厚度相同的情况下,应变能相对高的岩石具有较大 的裂缝密度。 应变能密度可表示为: (3-4) 此外,存在上述关系的条件是裂缝垂直层面,以及层厚小于 2m(Narr, 1984,

w = 1/ ( 2 σ iε)
式中 w ——应变能;

(3-5)

σ ——应力分量; ε ——应变分量。
对于线弹性体,由于 则

ε =σE
w=σ2( / 2 E)
(3-6)

故构造裂缝的密度与研究区应力和应变的分布有关。而应力、应变的分布又 与岩石力学性质、构造部位和边界及边界上受力的方向和大小有关。 此外,当岩层弯曲产生纵张裂缝时,裂缝密度也与构造部位有关,在岩层曲 率和倾角变化率较大处,裂缝密度较大。

5.2.3 裂缝间距的预测
在石油地质勘探与开发的自始至终, 人们直接接触到的资料主要来源于两个 方面:其一是大量的岩芯资料;其二是地震和测井资料。目前多数学者或是仅从 岩芯资料(包括测井资料)简单地描述裂缝的发育程度,在单井中划分出若干裂 缝发育层段;或是仅利用构造面根据薄板弯曲模型对裂缝发育进行理论上的研 究。前者立足于实际,可信度高,但获得的成果往往只能反映某一井的局部层段 裂缝发育程度,而无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。后者能从理论上研究 区域性裂缝的发育状况及大体展布规律, 但不能回答所得到的成果与实际的符合 度,即无法回答可信度的大小。 因此,现在面对的问题是,如何将这两种方法有机地结合起来,以达到既能

预测区域性裂缝的发育程度,又能回答所得到的结果与实际情况的相关性。 根据已有资料,对寒武系洗象池组气藏裂缝进行了初步研究,其方法如下: 对研究区域的所有取心井进行观察研究, 对发育有裂缝的层段除描述其类型 外,还要测量其裂缝间距。由于各井所处的局部构造部位及相对高程不同,裂缝 发育层段的间距也不相同。统计各井的裂缝间距后,便可建立相应的裂缝发育模 型。 通过对控制构造裂缝间距的几个重要地质参数(成分、孔隙度、岩层厚度、 构造位置等)的分析,能预测相对裂缝间距。首先将这些影响因素与岩心资料得 到的裂缝间距建立对应关系,然后将数据标准化或级差化,将标准化的数据进行 数学地质处理,结果表明,影响构造裂缝最发育的因素是构造曲率,其次是岩层 厚度、孔隙度。其多元统计回归模型为:

f ( x, y , z ) = a 0 + a1x + a 2 y + a 3 z + a 4 x 2 + a5 y 2 + a6 z 2 + a7 xy + a8 xz + a9 yz + a10 xyz
(3-7) 式中: f ( x, y , z ) ——裂缝间距(m) ; x ——构造曲率(1/km) ; y ——岩层 厚度; z ——孔隙度(%) 。 通过多元统计回归模型预测未知区(如井间等)裂缝间距的变化。

3.3裂缝三维定量参数场形成
对于裂缝三维定量参数场的精确描述是合理布井的基础, 同时也是解决目前 数值模拟过程中采用均一裂缝参数的关键之一。在本文引用了 Murray 的方法。 取岩层受拉张应力产生弯曲裂开后的一个单元(图 3-4) ,此时该单元的 裂 缝孔隙度可据图上的几何形态计算出来(Y 轴垂直于 X-Z 平面) ,即: 1 (2 RT + T 2 )?θ ? T ? S φf = 2 1 (2 RT + T 2 )?θ 2 式中: φ f ——裂缝孔隙度,%; T——中性面以上岩层的厚度,m; R——曲率半径,m; (3-8)

?θ 岩层弯曲后所形成裂缝间隔之间的夹角, (?) ;
?S ——半径为 R、夹角为 ?θ 时的弧长,m。 因为 ?S =R ?θ ,所以上式简化为: T φf = 2R + T

(3-9)

图 5-6 岩层弯曲后断裂的单元

同样道理,裂缝渗透率可以由曲率半径、裂缝的间距 e、生产层的流动界面 A 以及中性面以上岩层厚度 T 之间建立如下关系式:

A2 ? T ? 1 2?T ? Kf = ? = e ? ? 2 ? 48T ? R ? 48 ? R ?
式中: Kf ——裂缝渗透率,10-3 ? m 2 ; e——裂缝间距,m; R——曲率半径,km; T——中性面以上岩层厚度,m。

3

3

(3-10)

这样裂缝孔隙度和渗透率就成为岩层厚度、裂缝间距和曲率的函数了。通过 求取构造面的曲率值,即可形成储层裂缝孔隙度和渗透率的三维定量参数场。

5.2.4 裂缝地质模型的建立
(1)建立模型方法 由岩心、 测井或地震资料得到的裂缝各项表征参数往往只能反映部分井的局 部层段裂缝发育特征,而无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。 裂缝地质建模实际上是表征储层裂缝结构及其参数的定向分布和变化特征, 建模的核心问题为井间预测,在原定资料前提下,提高裂缝模型精细度的主要方 法即是提高井间预测精度。井间预测有两种途径,即确定性建模和随机建模。确 定性建模对井间未知区给出定性的预测结果, 即试图从已知确定性资料的控制点 如井点出发,推测出控制点间确定的唯一的真实的储层参数;而随机建模则是对 井间未知区应用随机模拟方法得出多种可能的等概率的预测结果。 此次建模我们选择确定性建模方法,也即选择插值法进行建模。 井间插值方法很多, 大致可分为传统的统计学插值方法和地质统计学估值方 法(主要是克里金方法) 。由于传统的数理统计学插值方法(如反距离平方法) 只考虑观测点与待估点之间的距离, 而不考虑地质规律所造成的储层参数在空间 上的相关性,因此插值精度很低,实际上,这种插值方法不适用于地质建模。为 了提高对储层参数的估值精度,人们广泛应用克里金方法来进行井间插值。

克里金方法是地质统计学的核心, 它是随着采矿业的发展而产生的一门新兴 的应用数学的分支。 克里金方法主要是应用变异函数和协方差函数来研究在空间 上既有随机性又有相关性的变量即区域化变量。在本文研究方面,从岩心、测井 资料中获取的裂缝参数如宽度、间距、长度等均为区域化变量。 克里金法估值,是根据待估点周围的若干已知信息,运用变异函数特有的性 质,对待估点的未知值做出最优(即估计方差最小) 、无偏(即估计值的均值与 观测值的均值相同)的估计。 应用克里金法进行井间(点间)估值时,首先是确定待估点周围的已知数量 点的参数对待估点的贡献大小(即加权值) ,然后进行估值计算,其一般表达式:
n

Z * ( X ) = ∑ λi Z ( X i )
i =1

(3-11)

式中: Z *( X ) ——待估点的克里金法估计值;

Z ( X i ) ——待估点周围某点 X i 处的观测值, i =1,2···,n;
λ i 为 X i 的加权系数,表示各信息点对待估点估值的贡献大小。 克里金方法较多,如简单克里金、普通克里金、泛克里金、因子克里金、协 同克里金、指示克里金等。这些方法可用于不同地质条件下的裂缝参数预测。 克里金方法是一种光滑内插方法,实际上是特殊的加权平均法。它难于表征 井间参数的细微变化和离散性,同时,克里金为局部估值方法,对参数分布的整 体结构性考虑不够,因而,当储层连续性差、井距大且分布不均勾时,则估值误 差较大。因此,克里金方法所给出的井间插值点虽然是确定的值,但并非真实的 值, 仅是接近于真实的值, 其误差大小取决于方法本身的适用性及客观地质条件 。 然而,就井间估值而言,克里金方法比传统的数理统计方法更能反映客观地质规 律,估值精度相对较高,是定量描述裂缝储层的有力工具。 (2)建立裂缝地质模型 通过地质资料得到裂缝的部分表征参数(包括密度、间距、宽度、倾角等) , 采用构造主曲率法预测裂缝的方位及分布情况, 在此基础上计算出裂缝孔隙度和 渗透率参数场。运用克里金插值、多元统计回归,得到不同岩性和深度的裂缝描 述参数。将这些参数等都绘制成定量化曲线,用定量的连续参数场表现离散的裂 缝对油气藏开发的影响程度,并与每口取心井的岩心和测井剖面综合在一起,便 建立起裂缝综合剖面模型。在该剖面模型上,像一般研究地层那样划分、对比裂 缝段,分出裂缝发育级别等,可最终建立裂缝地质模型。

六 构造曲率法进行裂缝发育带预测实例
6.1 寒武系洗象池组气藏裂缝特征
根据美国 CER 公司(1989 年)研究认为:震旦系白云岩的裂缝形成于成岩 期、桐湾期、加里东期、印支期、喜山期等五个主要时期。前四期裂缝均为全充 填, 喜山期裂缝为白云石、 石英半充填或未充填, 以压扭性缝为主,缝窄而平直 , 缝壁平整或有擦痕,组系呈“X”型交叉,切割其它古老裂缝及连通洞孔,部分 被溶蚀。本次研究的层位寒武系地层中的裂缝,无论是形成时期,还是裂缝自身 的特点都应该与震旦系地层中裂缝相近。 喜山期有效缝,从力学性质看,以压扭性缝为主,张性缝极少,佐证了有效 缝形成于喜山期。从产状看,以平缝为主,立斜和斜缝较少,可能是构造褶皱作 用不强(坡度<10°)所决定的。从裂缝张开宽度来看,微缝占绝对优势,平均 宽度 15μm,属压扭性平缝,而张性缝宽度可达 200~500μm,最宽者达 10000 μm,但数量极少,不到 1%。从裂缝间距看,以密集型为主,这对极低渗透性 孔隙中的气体通过微裂缝的有效勾通,提高天然气的产出程度有重要意义。 据岩心观察及测井资料分析表明,寒武系储层裂缝发育,裂缝类型主要包括 构造缝、溶蚀缝,裂缝产状以水平层间缝和高角度缝为主,裂缝发育受构造部位

图 6-1 威 26 井洗象池群储层解释图

图 6-2 威寒 104 井龙王庙组储层解释 图 井龙王庙组储层解释图

和断层控制(图 4-3、4) 。 本区裂缝具多期次:早期裂缝为扩溶缝,已为硅质、中-粗晶方解石、白云 石全充填,缝壁不平直,缝宽 0.15~0.35mm。晚期裂缝平直,开启,部分缝缝 壁白云石充填,缝宽 0.015~0.03mm。两期裂缝具交切关系,晚期裂缝并切割缝 合线,表明晚期裂缝形成时间较晚,应形成于晚成岩时期。岩心上晚期的有效裂 缝主要有:

(1)倾角达 70°~85°的高角度缝,该高角度缝在威寒 101、105 井见沿 缝扩溶,缝为白云石、自形石英半充填; (2)水平缝,沿缝具扩溶成溶洞,缝洞壁为白云石、石英半充填,代表井 威寒 103 井 2198.43m 井段; (3)45°斜交缝,泥质半充填。 据威寒 1 井岩心观察,洗象池组取心 168.34m,岩心中见裂缝 1216 条,裂 缝大部分为白云石、石英和方解石充填,半充填及未充填有效缝 423 条,有效缝 密度 2.5 条/m。裂缝类型主要为构造缝、溶蚀缝,次为压溶缝,构造缝产状以水 平层间缝和高角度缝为主。总的来说构造裂缝比较发育,并且受到构造部位和断 层发育情况的控制。
图 4-3 威寒 101 井洗象池群测井处理成果图

图 4-4 威寒 101 井遇仙寺组测井处理成果图

6.2裂缝分布特征
碳酸盐岩基质孔隙度很低,其有效储集空间主要为裂缝、孔隙和溶洞。由于 碳酸盐岩储层的岩石、储集空间类型复杂,加之裂缝对其储集性能的影响,导致 其储集性能表现出明显的非均质性。 碳酸盐岩油气藏的储集物性主要受裂缝与孔

隙发育程度的控制。 因此对其裂缝的准确描述与预测是有效开发该类油气藏的关 键。裂缝得分布特征即包括平面得有利裂缝分布区带,同时也包括得不同层段和 深度裂缝得发育程度,二者从根本上决定了裂缝性储层产能得好坏,因此对威远 构造寒武系洗象池组储层得横纵向分布特征分析在与了解有利储层的分布区带。

6.2.1裂缝纵向分布特征
从研究区目前所钻井所取得的岩心资料, 对该区洗象池组储层缝洞发育情况 进行了统计分析(表 6-1) 从以上统计表中可以发现,多数井缝洞的发育密度较小,一般小于 5,更多 的集中在 2~3 个/米之间。而威寒 1 井的缝洞发育密度较高,平均缝洞发育密度 大于 10 个/米,但是从缝洞发育与深度关系看,不同深度缝洞发育程没有明显的 关系性(图 4-5) 。
表 6-1 威远构造寒武系洗象池组岩心裂缝统计表

井号 威寒 101 威寒 103 威寒 103 威寒 103 威寒 103 威寒 104 威寒 104 威寒 104 威寒 104 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1 威寒 1

井段 2163.00~2174.75 2193.00~2201.70 2201.7~2209.94 2209.94~2225.28 2225.28~2236.00 1935.5~1939.00 1941.00~1959.00 1959.00~1960.00 1992.70~2007.00 2115.30~2125.50 2125.50~2135.50 2163.00~2173.30 2173.30~2183.50 2183.50~2194.40 2194.40~2204.10 2209.00~2221.00 2221.00~2227.70 2227.70~2250.00 2250.00~2272.00 2272.00~2293.60 2293.60~2312.50

心长 (米) 11.30 7.96 6.10 15.24 10.21 3.50 16.45 0.59 13.78 8.96 10.15 10.30 10.20 10.90 9.70 12.00 6.70 22.30 22.00 21.60 16.40

岩心收 获率 (%) 96.17 91.50 74.00 99.30 95.20 100.00 91.38 59.00 96.36 87.80 101.50 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 86.77

缝洞数 (个) 32 60 13 42 36

缝洞密度 (个/米) 2.83 7.54 2.13 2.76 3.53

21 15 43 193 104 201 156 220 73 230 34 146 9

1.52 1.67 4.24 18.74 10.20 18.44 16.08 18.33 10.90 10.31 1.55 6.76 0.55

就总体情况而言,威寒 1 井缝洞的发育程度较其它井好,但该井缝洞的纵向 分布表现出明显的无规律性,由此说明该区缝洞的发育是受多重因素控制的。

缝洞分布密度(个/m) 0 1900 1950 2000 深度(m) 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350 5 10 15 20

图 6-5 威远寒武系洗象池组纵向裂缝分布关系图

6.2.2裂缝平面分布预测
对洗象池组气藏的现有资料我们进行了细致的整理和研究, 然后采用构造主 曲率法, 运用趋势面拟合法法对寒武系洗象池组构造等高线在-1800m 的范围内 的地层曲率进行拟合,得到了以下的曲率等值线图(图 4-6) 。从图可以明显看 出:威远构造寒武系洗象池组地层曲率值变化较大,曲率值最大主要位于构造的 南东翼和断层发育的位置,另外在地层形态急剧弯曲变化的区域曲率值也较大 (易家场附近) 。
3288000

3286000

3284000 37 3282000 26 3280000 101 102 3278000 66 3276000 88 57 3274000 89 71 3272000 105
0.01 0.006

52

103 1 112 2 78 79 42 29 105 101 118 5 93 65 104
0.03 0.026 0.022 0.018 0.014

2

3270000

0.004 0.001

3268000 18430000 18434000 18438000 18442000 18446000 18450000 18454000 18458000 18462000 18466000 18470000

图 6-6 洗象池组曲率等值线图(1/m)

用趋势面计算方法进行曲率值拟合时,岩性是个重要因素。同时地层厚度和 构造特征也对曲率值有重要影响。寒武系气藏洗象池组白云岩厚度变化较小,厚

度较大,一般界于 190~250 米之间。威远构造是一个穹隆背斜构造,其经历的构 造运动对其改造的强度,相比其他由构造作用力形成的构造形态,如推覆构造带 内褶皱等,要小得多。因此,拟合计算出的曲率总体而言相对较小。 根据曲率值的大小,把寒武系洗象池组裂缝相对发育区进行了划分: 1/R>0.01(1/m)为裂缝一级发育区; 0.01(1/m)>1/R>0.005(1/m)为裂缝二级发育区; 0.005(1/m)>1/R>0.001(1/m)为裂缝三级发育区; 1/R<0.001(1/m)为裂缝不发育区(图 4-7)。

3288000

3286000

3284000 37 3282000 26 3280000 101 102 3278000 66 3276000 88 57 3274000 89 71 3272000 105 118 101 5 93
裂缝一级发育区 裂缝二级发育区 裂缝三级发育区 裂缝不发育区

52

103 1 112 2 78 79 42 29 105 65 104

2

3270000

3268000 18430000 18434000 18438000 18442000 18446000 18450000 18454000 18458000 18462000

18466000

18470000

图 6-7 裂缝发育区分级图

在已有曲率值的基础之上进行计算,得到了裂缝空隙度等值线图(图 6-8) 和裂缝渗透率等值线图(图 6-9) 。

3288000

3286000

3284000 37 3282000 26 3280000 101 102 3278000 66 3276000 88 57 3274000 89 71 3272000 105 118 101 5 93 29 105 112 1 2 2 78 52

0.03
103

0.026 0.022
79 42 65 104

0.018 0.014 0.01 0.006

3270000

0.002
3268000 18430000 18434000 18438000 18442000 18446000 18450000 18454000 18458000 18462000 18466000 18470000

图 6-8 洗象池组裂缝空隙度等值线图
3288000

3286000

3284000 37 3282000 26 3280000 101 102 3278000 66 3276000 88 57 3274000 89 71 3272000 105 118 101 5 93 29 105 112
1.032

52

103 1 2 78 79 42 65 104

2

1.028 1.024 1.02 1.016 1.012 1.008 1.004 1 0.996

3270000

0.992 0.988

3268000 18430000 18434000 18438000 18442000 18446000 18450000 18454000 18458000 18462000 18466000 18470000

0.984

图 6-9 洗象池组裂缝渗透率等值线图

最后综合考虑各种构造影响因素, 总结划分出平面上裂缝发育的相对有利区 带(图 6-10) 。

18440000

? 18450000 104
30'00''

18460000
五块石

鸡冠石 王家坝 牛角湾

0
牛王庙

1:100000
4

8 km

. 29
40'00''

29.
40'00''

韩家坝

威37井 八角庙 青宁寺 越溪 威26井 威52井 柏树湾 凉风顶 火烧湾 狗脚湾 威101井 杨家岩 威寒102 佐家寨 威66井 复立 大石板 威88井 威29井威105井 威寒101 威57井 太阳坡 威118井 钟家湾 威89井 廖家湾 威71井 龙王坝 红花营 威寒105 黄石板 铺子湾 五块田 威93井 鹅公堡 罗家祠堂 石庙子 东兴 松家山 琵琶山 威112井 天观堂 威79井 威42井 威65井 斑竹山 威寒104 葫芦口 威寒1 威2井 威水2井 威寒103 刘家洞煤矿 烂泥沟 红村 高峰庙

芦高山

3280000

易家坝

大岩侗

山王

3280000

威78井

. 29
35'00''

29.
35'00''

顺河

3270000

贺家林

墨林

两河口

3270000

马家坝

观音侗 临江寺

裂缝预测有利带
18460000

18440000

? 18450000 104
30'00''

图 6-10 洗象池组裂缝预测有利区带分布图

根据以上裂缝平面有利区带预测分布图可知, 寒武系洗象池组裂缝总体发育 程度较好, 但在平面分布上有一定的差异。 由于威远构造本是一个穹隆背斜构造 , 顺北东方向和北西方向的高陡构造带岩层面弯曲变化趋势较大,曲率值较高,是 裂缝较为发育的区带。在 1 号断层附近区域由于构造挤压作用最为强烈,岩层因 此被迫弯曲变形直到形成断裂,形成的裂缝也是最为密集的。其他小断层附近裂 缝同样发育,只是由于构造作用力相对较小,限制了裂缝发育的分布范围。还有 就是地层形态急剧弯曲变化的区域, 例如易家坝对应的洗象池组地层也是裂缝较 为发育的区域。总而言之,洗象池组裂缝的平面分布特征表现为:在高陡构造部 位以及断层附近区域裂缝最为发育,周围区域次之,构造宽缓的部位相对较差。



6.3 洗象池组储层综合预测
图 6-9 只是从构造裂缝的角度分析得出的预测图,而寒武系洗象池组储集 空间组合类型为裂缝-孔隙(洞)型,裂缝和具体岩性共同控制了储层的储集、 渗透等能力,所以研究区一些产气井并没有位于预测的裂缝发育有利区带内,而 是处于台内滩中额颗粒滩内,仍然具有较好的储层物性。因此,在研究洗象池组 有利储集区带,就必须综合考虑裂缝和岩性这两个重要因素。 沉积相是储层发育的物质基础。洗象池组沉积时期,威远地区主要处于碳酸 盐岩台地中的局限海沉积以浅灰~深灰褐色泥~粉晶白云岩为主, 夹砂屑和鲕粒 白云岩。其中的台内滩亚相形成于台地的高地形处,沉积水体能量较高,受波浪 作用的影响,形成中层状各种颗粒岩,颗粒类型多种多样,如砂屑、砾屑、鲕粒 、 生屑等。对储集有重要意义就是台内滩的颗粒滩,如鲕滩等(图 4-11) 。 滩体 越厚,则储层的发育程度越高。已有研究表明,沉积作用是控制威远地区寒武系

储层发育的主要因素之一,沉积作用形成了成岩改造的物质基础。而沉积分异作 用使储层早期分异,在特定条件下,储层早期分异可决定区域上储层的发育分布 格局。

图 6-11 威远地区洗象池组沉积微相平面展布图

白云岩鲕滩等碳酸盐岩台地中发育的颗粒滩微相大体具有近东西向成排成 带展布的特征,这可以由本区寒武系洗象池群储层 H×Φ高值区展布特征所反映。 综合考虑裂缝发育特征和储集层岩性这两个重要影响因素, 我们对寒武系洗象池 组储层有利区带做了以下综合预测(图 6-12) :
18440000 ? 18450000 104
3 0 '0 0 ''

18460000
五 块石

鸡 冠石 王 家坝 牛 角湾

0
牛 王庙

1:100000
4

8 km

. 29
4 0 '0 0 ''

. 29
4 0 '0 0 ''

韩 家坝

青 宁寺 越溪 威 26井 威 52井 柏 树湾 凉 风顶 火 烧湾 狗 脚湾 威 1 0 1井 杨 家岩 威 寒1 0 2 佐 家寨 威 66井 复立 威 1 1 2井 天 观堂 威 寒1

威 37 井 八 角庙 烂 泥沟 红村 高 峰庙

芦 高山

山王

3280000

易 家坝

大 岩侗

3280000
威 寒1 0 3 刘 家洞 煤矿

威 2井

威 水2 井

威 78井

威 79井 威 42井

威 寒1 0 4 葫 芦口

大 石板 威 88井 威 2 9 井威 1 0 5井 威 寒1 0 1 威 57井 石 庙子 东兴 威 93井 廖 家湾 威 71井 鹅 公堡

威 65井 松 家山 琵 琶山

斑 竹山

. 29
3 5 '0 0 ''

太 阳坡

威 1 1 8井 钟 家湾 威 89井

五 块田 罗 家祠 堂 龙 王坝 红 花营 威 寒1 0 5 黄 石板 两 河口

29.
3 5 '0 0 ''

铺 子湾

顺河

3270000

贺 家林

墨林

3270000

储层综合预测一级有利带
马 家坝 观 音侗 临 江寺

储层综合预测二级有利带
18460000

18440000

? 18450000104
3 0 '0 0 ''

图 6-12 洗象池组储层综合预测有利区带分布图

从储层综合预测图上可以直观地看出: 寒武系洗象池组有利区带主要集中在 威远东南端,整体呈北东-南西向展布,与威远穹隆构造走向相近。其中橙黄色 区域为预测一级有利区,该区带内内受岩性和裂缝的双重控制,在颗粒滩的基础 之上又有裂缝的改造,有更好的储集能力和储集空间的连通性。储层其他有利区 带主要受裂缝控制或岩性的单一因素控制,储层整体能力不如一级有利区。 当然,由于资料以及研究水平的限制,洗象池组储层预测有利带准确性还有 待进一步勘探、开发的验证。

七、构造应力模拟法预测裂缝简要原理
7.1、裂缝成因机制
* 裂缝形成的影响因素: * 构造应力 * 岩性和岩石力学性质 * 岩层厚度 * 构造部位 * 构造发展阶段 * 一次构造运动可形成多期构造裂缝 * 裂缝与褶皱、断层的空间分布关系 * 裂缝与褶皱、断层的几何方位关系

7.2、古构造应力模拟
* 基础: * 弹塑性力学、断裂力学、岩石力学 * 手段: * 构造模拟 * 数值分析(模拟)技术 * 变分法 * 差分法 * 有限元法(边界元法、离散元法) * 依据:构造(褶皱、断裂等)形迹

7.3、 相似性原理在构造应力场及裂缝预测数值模拟中的重要性
7.3.1 基本概念 前面已经提到古构造应力场只能根据现今的构造形迹来进行应变场的模拟, 这种 模拟需要有正确的构造发展及演化的认识结果, 这种认识结果是进行古构造应力场数 值模拟的基础。但如何把这种正确的认识结果应用到古构造应力场的数值模拟中,这 才是数值模拟的关键。数值模拟的结果是否能真实地反映古构造应力场特征,一方面 取决于对构造的认识程度,另一方面就是看数值模型是否能真实地反映地质原型。这 就要求数值模型与被模拟的地质原型之间必须具有相似性。 而基于相似理论进行的模 拟研究是在某些基本定义和定律基础上进行的,基本定义包括相似常数、相似判据和 相似关系。 相似常数是地质原型与数值模型间各物理量之间的比例系数,它们是一些常数,

例如几何相似常数:

Cl =

Lp Lm

(1)

式中, C 为相似常数, L 表示几何尺寸, p 表示地质原型, m 表示数值模型, Cl 表示几何相似常数, 该式表示地质原形与数值模型间各部份的几何要素 (长度与角度 ) 应成比例,即数值模型应按一定的比例缩小与放大。 相似判据是指地质原型与数值模型间各基本物理量应该满足一定关系, 其表达式 为:

ρ p E p Fp c p φ p ? p = = = = = ≈1 ρ m E m Fm c m φm ?m

(2)

上式是在考虑重力和构造应力场的线性三维静力学问题时, 基本物理量之间的相 似判据。式中ρ为重力, E 为弹性模量,F 为外力,c 为内聚力,φ为内摩擦角,μ 为泊松比。该式说明在进行数值模拟时,地质原型与数值模型间应在基本物理量间应 该近似相等。 相似关系是指对一特定问题进行模拟研究时, 地质原型与数值模型间各物理量与 几何量间应满足的关系。 7.3.2 相似定律 相似原理的核心内容由三个基本定律组成,即相似第一定律、相似第二定律和相 似第三定律。 相似第一定律是指相似现象的各对应物理量之比为一常数, 且相似现象可用同一 基本方程描述。定律中所指常数即前面的相似常数。例如重力场中线弹性三维静力学 问题的基本方程即弹性理论中的 24 个方程。 相似第二定律是指表示一现象各物理量之间关系的方程式都可以写成相似判据 方程式,相似现象具有相同的判据方程式。如在考虑重力场的线弹性三维静力学问题 中,通过量纲分析得到原型和模型的相似判据,若二式相等,即:

σ p lp FP γ pl Fp
2

=

σ m lm Fm

E p l p EP lP = Fp FP

p

=

γ ml 2 m Fm

? p = ?m

ε p =ε m

则表明模型与原型是相似的。 相似第三定律是指具有相同文字的方程式单值条件相似, 并且从单值条件导出的
45

相似判据数值相等,是现象彼此相似的充分必要条件。定理中的所谓单值条件是指满 足某一现象个性的那些条件,属于单值条件和因素有几何性质,对现象有重大影响的 物理参数、边界条件、初始状态等。 由此可见,第一定律是数值上的要求,第二定律是物理上的要求,而第三定律则 是相似的充分必要条件。考虑到构造应力场数值模拟过程中的复杂性和特殊性,在模 拟过程中主要是要求地质原型和数值模型间在几何和主要物理参数上的相似。 7.3.3 数值模型与地质原型的相似性

(1)物理力学参数相似 模拟中岩石材料的物理力学参数主要包括弹性模量 E、刚性模量 G、泊松比μ、内 聚力 c 和内摩擦角 Φ等,当采用三维数值模拟时,还与岩石的密度 ρ有关。模型中所 加的材料参数必须与地质原型的实际参数一致,只有这样,模拟结果才有真实性。 为准确确定材料的物理力学参数,采取典型岩样进行岩石实验就在所难免。材料 的物理力学参数必须以岩石实验结果为基础,并利用工程类比法进行调整。同时,材 料的物理力学参数的选取还必须结合地质原型的构造特征和构造部位来考虑, 即对于 同一类岩石,由于其所处区域的构造特征不同,或所处的构造部份不同,其物理力学 参数是有区别的。 (2)组合形式相似 不同岩层之间如何组合是模拟成败的关键。这时就必须考虑岩层数量与厚度如何 按比例缩小,岩层与岩层之间的滑动情况,基底与盖层之间的情况等。 (3)边界条件与受力方式相似 边界条件相似是构造应力场数值模拟中必不可少的重要条件。所以就必须考虑模 型在局部或区域上、甚至更大范围内的构造特征。 每一个构造形迹都是岩层受力变形的结果,如何在模拟中准确地把握受力方向、 力的大小、力的作用形式、构造力作用的期次和构造力的叠加,这是构造模拟中最为 关键的因素。在考虑受力方式相似的同时,必须结合边界条件相似来共同考虑。 边界条件与受力方式相似主要是通过对地质原型的构造解析来完成。 通过对地质 原型所处的区域地质资料与局部构造分析,解剖出地质原型构造变形的边界条件、主 要包括构造作用力的大小、方向、构造形成的时间、不同构造的期次与叠加关系等。 然后在数值模拟过程中通过不同的载荷大小、 加载方式和加不同的约束条件来实现与 地质原型在边界条件与受力方式上的相似。
(4)模拟选用的岩石破裂准则与实际情况相似

岩石破裂准则有许多种,包括现在数值模拟中大家常用的莫尔——库仑准则。莫 尔——库仑准则适用于高围压条件,塑性及脆性材料的剪切破坏,这种破坏方式与大
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多数构造形成与破坏条件是相似的。 但摩尔强度理论的缺点是没有考虑中间应力对岩 石强度的影响,而在实际工作中,绝大部份地质原型都是处于三向应力状态;同时, 摩尔强度理论在张应力区也不适用。 除莫尔——库仑准则外, 还有适用于无围压或低围压及脆性岩石的最大正应变理 论;适用于以延性破坏为主的岩石,即适用于塑性变形构造分析的应变能理论和八面 体应力理论。此外,还有格里菲斯强度理论与霍克 -布朗 (Hock-Brown) 经验判据等, 每一种强度理论都有其实用范围,选取与地质原型岩石破坏一致的岩石破裂准则,这 在构造应力场数值模拟与裂缝预测中有着重要意义, 但要做到这一点就必须对岩石的 物理力学性质、所处的应力环境有着充分的了解。

7.4、裂缝判据的确定
* 岩石强度理论(研究岩石破坏的原因、过程和条件的理论。主要研究岩石的破裂 判据或强度准则,即岩石破坏条件的应力应变函数) * 最大强度理论(适用于无围压或低围压的脆性岩石) * 莫尔强度理论(适用于岩石的剪切破坏) * 剪应变能强度理论和八面体理论(适用于延性破坏) * Griffith强度理论(适用于裂缝张性扩展)

7.5、破坏接近程度及其在裂缝预测中的应用
在岩石力学的应力~应变分析中,常常用量值η表示岩石的破坏接近程度,该值 是基于岩石强度理论而得出的一个量值,是岩体受力变形的综合体现。根据石油储集 层的物理环境,一般情况下我们采用摩尔~库仑准则作为判断岩石破裂的依据,根据 摩尔理论,岩石破坏接近度系数的简单表达式为η= f(σ)/K(κ),其具体表达式如下:

η=

f = k

σ1 ? σ 3 c σ + σ3 ( ? 1 ) sin φ tan φ 2

(3)

基于 Mohr-Coulomb 模型的破坏接近度图解见图 5 所示。 按照严格的岩石力学理论,应有以下判断标准: 当η <1 时,岩体将是稳定的, 因此不会破坏 (其应力状态处于屈服 曲面的内部) ;但根据材料破裂的微 观机理,岩体不破坏失稳,并不意味 着岩体不产生细微裂缝; 而当η≥1 时,岩体所受的应力 状态已处于或超过 Mohr-coulomb 应 力圆破裂包络线, 岩体将失稳产生较
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图 5 基于 Mohr 准则的破坏接近程度图解

明显的破裂(应力摩尔圆处于屈服曲面外或屈服曲面上) 。 但实际情况往往比这复杂得多,首先,由于各种难以预测的原因,我们对古地 应力模拟计算的结果大都只是一个相对结果,不是绝对值;其次该理论值对于判断裂 缝的发育程度没有具体的标准,另外它也无法标明裂缝的性质和方位等。因此岩石破 坏接近程度η值的地质意义是它可以表示岩体破裂的相对发育程度, 也就是裂缝的发 育程度,一般说来,η值越大,裂缝就越发育。 根据以上模拟分析计算结果,同时参考研究区的地质、构造、裂缝发育的观察 资料,可以对储集层岩体裂缝进行预测。 另外还有霍克-布朗关于裂缝发育程度的经验判据,主要依据是: 岩性、岩层厚度 岩石力学性质 上下层之间的关系 构造部位

7.6、裂缝指标的标定
* 裂缝的相对发育程度 * 裂缝的发育方位 * 裂缝的性质 裂缝发育与其所在构造的部位

7.7、尚不能解决的问题
* 裂缝的绝对发育程度 * 密度 * 宽度 * 孔隙度 * 渗透率

7.8、方法的关键技术
* 构造应力的模拟计算 * 地质模型的建立(载荷、边界条件、算法) * 岩石力学参数的测试及选择 相似性原理的应用 * 模拟计算方法的选择 * 岩石破裂判据的确定 * 岩石强度理论 * 岩层性质 * 构造部位等地质情况
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7.9、构造应力模拟法预测裂缝所需的资料
* 研究区的构造背景资料 * 研究区精细的构造图 * 研究区的断裂褶皱要素表: 包括:断层产状、断距、性质等 褶皱类型、闭合度等 * 研究区构造演化特征资料 * 岩石类型及其分布资料 * 岩石力学试验资料: * 内聚力 * 内摩擦角 * 弹性模量 * 泊松比 * 抗拉强度 * 抗压强度

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八、构造应力模拟法预测裂缝的 应用情况简介
8.1、火山岩裂缝的预测研究
* 应用该方法,我们对克拉玛依一区、五区、红80区和七中区的火山岩油藏的裂缝 进行了预测研究,其中对七中区进行了较详细的模拟研究,并根据预测结果设计 了3口水平试验井。

预测结果:
* 预测的几个区块裂缝发育程度依次为:红80井区、七中区、五区。这与实际结果 一致。 * 裂缝预测火山岩研究区内裂缝多为开启型张裂缝, 这与现场的岩芯观测统计结果 一致。 * 裂缝产状的预测结果与现场用多种方法检测的实际结果吻合度很高。 * 根据预测结果,在火山岩油层中垂直于裂缝方向设计了3口水平井,其中HW701 井沿垂直于预测的张裂缝(平行于张应力)方向设计了水平井段300米。完井后, HW701和HW703井经微电阻率扫描(FMS、FMI)测井检测,裂缝的延伸方向与预测结 果一致,裂缝方位最大误差不超过10°。 * 所完成的4口水平井(另包括HW101井)均有效地钻遇了裂缝,布井成功率为100%, 各水平井在目的层位裂缝钻遇率达到50~62.5%(克拉玛依火山岩油藏的直井的 布井成功率为37.5%,裂缝钻遇率平均为10~25%) * 水平井的日产量为13.7~83吨/天,超过邻近井的2~9倍。

8.2、碳酸盐岩裂缝的预测研究
* 塔中O2+3 碳酸盐岩裂缝预测:因为塔中4井区O2+3碳酸盐岩是在多期构造应力作 用下,使得裂缝非常发育,根据区域构造分析和井下岩芯的观察,得到本区裂缝 主要是在O2+3 ~S~D(早期)和C~P(晚期)两个时期发育而产生的。所以分别 得出两期构造裂缝发育的预测结果(见图6和图7)。 * 川西南矿区:早在90年,我们对川中川南过渡带进行了初步的裂缝研究,此次是 该方法的首次实际应用,结果得到现场的好评,认为“本研究方法比较新颖,是 裂缝研究的一种的一种新的手段,是值得推广的”。 * 贵州赤水凹陷:对太和、宝元构造进行裂缝的预测研究,并用新的计算方法对宝 元构造进行了模拟,根据研究结果提出了3口建议井位,结果所采用的宝2井获得 了高产气流。

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图6

塔中 4 井区中上奥陶统(早期)裂缝发育分布预测图

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* 图7 塔中 4 井区中上奥陶统(晚期)裂缝发育分布预测图

8.3、四川威远构造寒武系洗象池组裂缝预测
8.3.1 地质原型分析 地质模型就是通过对地质体所发生的各种地质过程的认识所形成的一种理想模 式,也可以视为地质过程的再现。地壳岩体中的褶皱、断层和裂缝等构造都是由于岩 层受到构造力的作用而产生构造变形的结果, 其形成过程是一个力学的应力~应变过 程。因此,构造力学模型就是对岩体构造及其形成的力学过程的认识,由于构造运动 也是一种地质作用,构造力学模型也就是地质模型的一种,我们常常将其简单地叫做 地质模型。 地质模型的建立是以地质原型的认识为基础建立起来的,同时又对地质的作用结 果产生重要影响。因此,要准确获得构造运动时期研究区目的层位的构造应力场和应 变场特征,从而准确地预测岩体破坏及裂缝发育特征,首先要正确地认识地质原型, 掌握研究区构造运动的发生、发展及其特征等规律。 威远构造是四川盆地内面积最大的一个穹窿背斜构造,在构造上位于乐山~龙女 寺古隆起的西南部,东和东北与安岳栏江低褶带相邻,南界新店子向斜,北西界金河 场向斜和龙泉山构造相望,西南与寿保场构造鞍部相接。在其构造发展演化的过程中
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经历了多期构造运动,但喜山运动对其影响最大,正是此次构造运动所产生的强烈上 隆和挤压作用促使威远构造强烈上隆、褶皱并最终定型(图 8) 。

图8

寒武系洗象池组顶面构造图(地质原型)

各阶段的具体表现如下: (1)早古生代,威远地区处于走向为北东东向并向北东东向倾伏的乐山-龙女 寺鼻状隆起的东南斜坡上,此时威远地区西南侧的倾向南西的荥经-沐川基底断裂 和乐山-龙女寺基底断裂,以及南东侧的走向北东倾向南东的健为-安岳基底断裂 曾经发生张性活动,促使威远地区处于局部的张应力区,形成了威远背斜下古生界 里的所有断层的雏形,为具有正断性质的张性拉伸断层。 (2)晚古生代的早、中期(即泥盆纪和石炭纪时期) ,乐山-龙女寺古隆起及 其邻区经历了整体抬升,因此使得威远地区完全缺失泥盆系和石炭系的地层,由于 西北高,剥蚀至下奥陶统;东南低,剥蚀至下志留统,并形成了两个( 5 井区、 28 井区)向南东倾没的鼻状构造。 (3) 晚古生代晚期至早三叠世, 乐山-龙女寺古隆起及其邻区经历了整体沉降 , 从而沉积了二叠系和三叠系下统的地层。到中三叠世,威远地区以威 28 井为中心的 向东南倾没的鼻状构造更为明显,但威远地区下古生界的构造形态基本没有变化。 (4)中三叠世至白垩纪,由于中三叠世泸州-开江古隆起、晚三叠世和晚燕山 期川西前陆盆地和侏罗纪大巴山前陆盆地的相知形成和发展,威远地区的构造形态 受到了一定程度的改造,在威远地区上古生界和中生界中形成了一北东东走向、轴 线通过现今威远背斜的宽缓的背斜状隆起,古高点位于威 28 井,侏罗纪时震顶闭合 面积 40Km2,闭合度 60m。这个背斜状隆起的延伸范围远大于现今的威远背斜,还 不能认为是威远背斜的雏形。下古生界并没有明显的背斜构造出现。
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(5)喜马拉雅运动Ⅱ幕(早晚第三纪之间) ,来自南南东方向的强大构造挤压 力使得威远地区的基底和盖层一起褶皱(地震资料的显示明显) ,并促使乐山-龙女 寺古隆起南东翼的健为-安岳基底断裂发生反转逆冲活动,造成威远地区的隆起幅 度超过了乐山-龙女寺古隆起的高点,从而形成了新的背斜即威远背斜。在此次构 造作用中,威远背斜轴线以北的大部地区处于强大的张应力区,轴线以北的下古生 界古断层再次拉伸,宽度变得更宽、规模更大;而轴线以南地区,由于挤压力极其 强大,应力场的性质已经发生了根本性的改变,由原来的张应力变为挤压应力,因 此断层的性质也由原来的张性拉伸正断层变为逆断层。由于应力场性质的改变消耗 了大量的能量,因此作用于岩石变形的能量相应减小,因此逆断层的规模比正断层 的规模小得多。威远背斜的基本构造形态开始形成。 (6)喜马拉雅运动Ⅲ~Ⅳ幕(早更新世) ,来自南南东方向构造挤压应力继续 存在,威远背斜继续隆升。此时,四川盆地西南侧的崛起促使了威远背斜西南侧的 荥经-沐川基底断裂和乐山-宜宾基底断裂发生了反转逆冲,来自背斜南西西方向 的挤压应力,一方面使得处于高处的威远背斜顶部地区继续处于强大的张应力作用 区,从而加剧了构造轴线以北的正断层的形成和扩大了其规模,并促使其最终定型; 另一方面加大了威远背斜西南端的隆起幅度,从而形成了威远背斜西端的次高点和 独特的构造形态,并使威远背斜最终定型。 综上所述,威远构造的寒武系的洗象池组主要是受同一期构造应力作用而形成, 构造应力的方向为北北西—南南东向, 在模拟这期构造运动对研究层位的影响的二维 有限元构造应力场模拟计算中,我们建立了其地质结构模型和离散化网格。 8.3.2 计算模型范围 计算模型是根据西南油气分公司蜀气矿科研所提供的各目的层位构造底图 以及合同的规定和要求而设定的。威远构造寒武系洗象池组(∈2+3x)的计算模 型是以威远构造寒武系洗象池组(∈2+3x)顶面构造图为基础,在原始构造图基 础上顺时针旋转了 15°而建立的。模型的边界为矩形,旋转后的研究模型的长边 与威远构造背斜的长轴大致平行。所有模型均包括了其所在构造图上反映的所有 构造形迹。 8.3.3 地质结构模型 根据威远构造寒武系洗象池组(∈2+3x)顶面构造图、川西南地区区域地质 资料以及威远构造的其它相关地质资料,抽象出用于实际计算的威远构造的寒武 系洗象池组层位的地质结构模型。地质结构模型再根据构造形态的不同将其划分 为若干类不同的岩体介质,首先根据构造形态特征将整套岩层分为不同的构造分 区,将构造的高部位、高点外围、构造低点、斜坡等不同的构造单元从大的构造 区带中划分出来,成为特殊的材料区;对于断层,按照断层走向、规模大小的不
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同分别给定材料;对于研究区内不同的断裂和褶皱等构造主要是通过调节其所在 位置的单元材料来实现的。模型考虑了研究区内所有断裂和褶皱构造,因此较为 客观、真实地反映了地质原型的材料模型,具体见结构模型图(图 9)和材料参 数表(表 3) 。

图9

寒武系洗象池组结构模型图

表 3 威远构造寒武系洗象池组(∈2+3x)模型物理力学参数取值 材料名 断层 构造高点 构造高点外围 构造高点次外 围 构造高点最外 围 构造东部鼻突 构造东部鼻突 外围 构造东部鼻突 次外围 构造东部鼻突 最外围 边界材料 构造南部陡带 弹性模量 (MPa) 45100 44850 44740 44700 44700 44780 44770 44750 44720 44300 44800
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泊松 比 0.158 0.176 0.182 0.188 0.205 0.205 0.220 0.228 0.238 0.290 0.238

残余内聚 力 (MPa) 1.3 1.8 1.9 2.0 2.1 2.3 2.2 2.4 2.3 4.3 2.4

残余内摩 擦角 (0) 12.6 18.3 18.4 19.6 20.6 20.5 22.5 22.6 23.5 38.0 23.5

构造南部陡带 外侧 西南高点 主构造西断鼻 西南高点外围 西南高点次外 围 西南断鼻 西南断鼻外围 西南断鼻次外 围 斜坡带 西北部斜坡带 断层 F3、F4 间 断层 F4 与 F5 间 断层 F5 与 F6 间 东北部断块区 外侧 东北部断块区 外侧外围 构造高点最外 围东 构造南部陡带 内侧 西南断鼻最外 围南 西部边界材料 8.3.4 边界条件

44780 44800 44800 44780 44700 44800 44720 44400 44300 44400 44730 44750 44550 44850 44600 44720 44820 44300 44200

0.250 0.170 0.175 0.201 0.220 0.170 0.201 0.238 0.250 0.238 0.210 0.200 0.221 0.200 0.252 0.198 0.225 0.240 0.291

2.4 1.75 1.8 1.9 2.1 1.8 2.1 2.3 3.1 2.3 2.08 2.05 2.3 2.2 3.0 2.1 2.3 2.41 4.7

24.5 18.0 17.6 18.7 21.5 18.2 20.5 23.9 32.0 23.5 20.5 20.0 21.5 20.0 29.0 20.0 22.6 24.5 38.0

如前所述:威远构造寒武系洗象池组主要是受喜山期构造运动的作用而形成,因 此边界条件的确定、模拟计算都是一次完成,而且施加的载荷(大小、方向)和约束 条件是相同的。 由前面的分析已经知道,威远背斜经历了多次的构造运动,但喜山期运动对其影 响最大。在此次构造运动的Ⅱ幕、Ⅲ~Ⅳ幕中,分别来自南南东方向、南西西方向的 挤压力造成了威远背斜的最终定型。因此在计算模型中,南南东边界和南西西边界为
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应力边界,进行施加挤压力,应力的大小在参考领区实测的应力值的基础上通过不断 的细微调整使模型的形变达到与实际构造形态最佳的拟合而确定(见表 4) ;在北东 东边界和北北西边界分别进行约束(图 10) 。 本次研究的所有计算均采用二维平面模型,由于计算的面积相比各单层的厚度来 说,相差非常大(如图 11 所示,寒武系洗象池组最厚仅为 260 米,而其计算的面积 却达到 295 平方千米) ,所以可近似地将其看作平板模型,而不考虑其上覆岩层的重 力作用和模型的厚度。 表4 威远构造层位 名称 洗象池组 威远构造洗象池组边界载荷 南南东边界正应力 (Mpa) 85 南西西边界支撑力 (Mpa) 35 载荷类型 均布载荷

图 10

寒武系洗象池组边界条件图

图 11 寒武系洗象池组地层厚度图
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.5 物理力学参数 8.3 8.3.5 计算模型采用弹性本构模型,用基于 Mohr-Coulomb 原理的破坏接近准则来判断 岩石材料的破坏状态。计算所涉及的物理力学参数主要包括弹性模量、泊松比、残余 内聚力、残余内摩擦角以及岩体抗拉强度,其确定原则主要是依据国际岩石力学学会 公布的相似材料的岩石力学性质参数,以及邻区相同层位岩石力学试验测试结果,然 后利用工程地质类比法确定的。根据各个构造的特征,对于不同构造的计算模型以及 同一构造不同的构造运动阶段我们采用不同的岩石力学参数。 各参数的选取结果具体 见表 3。 .6 模型的离散化 8.3 8.3.6 在建立好结构模型之后,就要对结构模型进行离散化处理,威远构造寒武系洗象 池组( ∈2+3x)的计算模型采用八节点四边形单元和六节点三边形单元进行分割,经 离散后的计算模型如图 9 所示。 威远构造的研究层位的结构模型分割后的单元和节点 数如表 5 所示。 表5 研究层位名称 洗象池组 威远构造寒武系洗象池组单元和节点数 单元数 3656 节点数 10769

8.3.7、古构造应力分布特征
在建立上述地质模型基础上,利用日本软脑公司的有限元应力计算软件“2D-σ” 对上述模型进行了数值分析和模拟计算, 得到了模拟计算地区的主应力矢量图, 最大 、 最小主应力等值色谱图或等值线图,最大剪应力等值色谱图(或等值线图) ,以及最 大主应力、最小主应力、最大剪应力的各类断面曲线图。 由于计算的层位较多,计算所得结果复杂,现按层位描述如下(计算所得的应力 场遵循弹塑性力学的约定,即张为正、压为负) 。 8.3.8 寒武系洗象池组古构造应力分布特征

模拟计算结果表明(图 12) :寒武系洗象池组岩体在北西 ~南东( NW~SE)向构 造挤压力的作用下,最大主应力矢量方向主要是呈北西 ~南东方向(NW~SE) 展 布 。 应力值的总体分布特征是西北部和东南部较大,穹隆构造的中心部分应力值最小。

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图 12

寒武系洗象池组最大主应力色谱图

从最大主应力色谱图和横剖面(图 12 和 13)上可看出,威远构造的主体部位, 最大主应力的最高值为 86Mpa,最小值也有 80.33Mpa,总体分布特征是穹隆构造的 高部位较小,而四周应力值则较大。在水 2 井附近,最大主应力值仅为 82.85Mpa, 反映了在早期隆起的部位,后期构造应力的作用主要影响其四周,高点部位应力相对 较小。另外,在威远构造的北东和南西两端,出现非常大的主应力值,并非其真实情 况,而是由于为了保证模型的稳定,进行单向约束所造成的,在进行裂缝发育程度预 测时要慎重使用。

图 13

寒武系洗象池组最大主应力横剖面图

最小主应力方位与最大主应力垂直,其矢量方向为北东~南西(NE~SW)方向展 布, 应力值一般在 27.83~37.12Mpa 之间, 最大值可达 39.18Mpa, 最小值为 25.77Mpa。 总体分布特征以威远构造的高点为中心,向四周逐渐增大,呈环状展布。其中在高点
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的西北部和东南部,应力值最大,而构造高点部分和断层带附近应力值最小,沿着构 造的轴线(NE~SW)应力值也较小(图 14,15) 。 剪应力分布特征变化不大,主要在断层两侧剪应力值有较大的变化,但整体上看 剪应力值均较小,一般分布在-2.5~3.0Mpa 之间。

图 14

寒武系洗象池组最小主应力色谱图

图 15

寒武系洗象池组最小主应力横剖面图

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8.3.9

寒武系洗象池组岩体破裂特征及其裂缝预测

根据岩石破坏接近程度系数示意图解(图 5)和岩石破坏接近度表达式 3 可知: 岩体的破坏程度不仅与最大主应力有关,而且还与最小主应力、剪应力、岩石的材 料力学性质等多种因素有关,而岩石的破坏接近程度系数就是上述各类因素的综合 体现,也是我们预测岩体裂缝发育程度的直接标志。 根据威远地区寒武系洗象池组构造模拟计算的结果,结合威远地区的地质、构 造特征和钻井、试油等方面的生产资料,以及我们在四川其它地区的裂缝观察资料 和前人有关研究资料进行综合分析,对于威远地区的寒武系洗象池组的裂缝发育评 价特制订以下标准(见表 6) : 表 6 威远地区寒武系洗象池组裂缝预测的η(岩石破坏接近程度)值标准 η值 ≤1.03 1.03~1.18 1.18~1.34 1.34~1.50 ≥1.50 破裂程度 破裂欠发育区 破裂发育临界区 破裂较发育区 破裂发育区 破坏区 裂缝发育级别 Ⅳ Ⅲ Ⅱ Ⅰ 断裂带

由于研究区经历了多次构造运动,而不同构造运动时期岩石的破裂特征和裂缝 发育程度各不相同,根据前面的分析,我们认为在威远构造上对天然气运移、储集 有作用的裂缝主要为喜山期构造运动产生的裂缝,因此,我们下面主要讨论喜山期 构造应力场造成岩体破裂的特点以及所产生的裂缝分布规律。

8.3.9.1

威远构造寒武系洗象池组岩体破坏特征

]根据应力场模拟计算的结果以及岩石破坏接近程度的特点(图 16)可知:寒 武系洗象池组最大破坏接近度系数为 1.5,最小值为 0.632。根据表 7-1 的判断标准, 该区寒武系洗象池组岩体除断层部位破坏程度最大以外,在构造的高点(如威 28 井区、威 70 井区)和构造鼻(威基井和威 61 井)范围内,岩石破坏程度较大, 破坏接近度系数分别达到 1.421~1.342 之间和 1.342~1.263 之间,另外,在断层的交 汇部位(如 F4、F3 及 F6 交汇的威 101 井区)以及两条断层组成的地垒和地堑(如 F5 和 F6、F8 和 F7 组成的地堑以及 F7 和 F6 组成的地垒)部位,其岩体破坏程度 系数均比较高,破坏接近度系数可达 1.1 以上,甚至更高。除了这些部位以外,其 它地区岩体破坏接近度系数均小于 1.03,属于裂缝欠发育区。

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图 16

寒武系洗象池组破坏接近程度色谱图

通过以上对岩体破坏接近度系数的分析,我们可以得到寒武系洗象池组岩体破 坏的总体特征是: 首先,断层发育区破坏最强烈,这是由于这些断层早在加里东运动期就已经形 成(具体分析见地质原型分析部分) ,当喜马拉雅运动对本区进行作用时,早期断层 发育部位最容易应力集中, 岩体破坏自然非常强烈。 但这些部位由于岩石破坏厉害, 主要应力消耗在断层的进一步发展上,裂缝相对不是很发育,因此对油气的保存和 储集并不利,只能作为油气运移和聚集的通道。 其次是构造高点和构造鼻地区岩石破坏比较强烈, 该区在喜山期强烈的水平挤压 力作用下,一部分应力使其构造幅度进一步加强,另一部分应力造成岩石的破坏。 所以裂缝非常发育,是油气良好的储集空间,同时这些构造裂缝也是油气的运移通 道。 第三, 在早期断层的交汇部位和两条断层组成的地垒部位, 岩石破坏也相对比较 强烈,因为断层的交汇部位是几条断层的末端,此处由于受断层的影响,岩石的破 坏以形成没有明显位移的裂缝为主,同样,在地垒部位由于该处是两条断层的共同 上升盘,所受的应力自然较强,裂缝也相对发育。 第四, 在威远构造高点的四周, 岩石破坏相对最弱, 总体上构成裂缝不发育地区 , 特别是构造的陡翼(南东翼) ,由于应力主要消耗在岩体塑性变形上,所以岩体破坏 接近度系数非常小,均小于 1.03,属于破裂欠发育区。

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8.3.9.2 威远构造寒武系洗象池组裂缝发育程度预测
通过以上对威远构造寒武系洗象池组岩体破坏特征的分析,以及裂缝预测的标 准(表 6) ,结合岩石力学、构造地质学的原理、理论,参考前人所做的研究工作和 生产动态资料等进行综合分析,我们将威远地区寒武系洗象池组裂缝发育程度划分

图 17

寒武系洗象池组裂缝发育程度分区图

为三级(图 17) , 其 中 Ⅰ级发育区两个、Ⅱ级发育区两个、Ⅲ级发育区四个,现将 其特征描述如下: (1)断裂带 威远构造寒武系洗象池组中断层较发育,共有 8 条断层,其中 6 条正断层、2 条逆断层,且以主高点为中心,向四周呈放射状分布,断层带附近岩石破坏非常强 烈,其岩体破坏程度系数均大于 1.5。属于破坏区。 (2)Ⅰ级裂缝发育区 Ⅰ级裂缝发育区分布范围较小,主要分布在威远构造的主高点(威 28 井 区 ) 、 次高点(威 70 井区)和被 F8 断层控制的断鼻高部(威 61 井附近)等部位。这些地 区由于受到早期褶皱雏形以及基底断裂的影响,在喜山构造运动的作用下,早期构 造进一步增强,褶皱幅度增加,加上基底断裂对盖层变形破坏的影响,使得这些部 位受到比较强的构造应力的作用,岩体破坏程度系数达到 1.34 以上,属于破裂发育 区,该区最大主应力值约为 82.85Mpa,最小主应力值较小,约为 27.834Mpa,虽然 应力值不是最大,但应力差值较大,所以岩体的破坏接近程度值高。故而将其划分

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为裂缝发育Ⅰ级区。 上述地区裂缝的类型主要包括高角度剪切缝、低角度剪切缝、高角度纵张缝以及 少量的高角度横张缝,裂缝走向主要有北东(NE)向、北西(NW)向北东东(NEE) 向和北北西(NNW)向。 (3)Ⅱ级裂缝发育区 Ⅱ级裂缝发育区主要分布于威远背斜主构造高点外围地区、 构造东端鼻突的部 分地区以及被 F8 断层控制的断鼻外围的小块区域。这些地区岩体破坏程度系数在 1.18~1.34 之间,属于破裂较发育区。该区最大主应力值约为 84.11Mpa,最小主应 力值约为 30.93Mpa 左右,应力差值也比较大,容易造成岩石的破坏,所以将其划 分为Ⅱ级裂缝发育区。该区主要发育的裂缝类型有高角度剪切缝、低角度剪切缝和 高角度纵张缝,裂缝的走向也是以北东(NE)向、北东东(NEE)向和北北西(NNW) 向等三个方向为主。 (4)Ⅲ级裂缝发育区 Ⅲ级裂缝发育区主要分布于威远背斜北翼Ⅱ级裂缝发育区以外的斜坡地带以 及东端鼻突和西端断鼻的外围地区,这些地区的岩体破坏程度系数在 1.03~1.18 之 间,属于破裂发育临界区。本区最大主应力值约为 86.002Mpa,最小主应力值约为 35.058Mpa 左右,应力差值较小,不太容易造成岩石的破坏,所以将其划分为Ⅲ级 裂缝发育区。裂缝走向仍然为北东(NE)向、北东东(NEE)向和北北西(NNW)向。 总体来看,威远构造寒武系洗象池组(∈2+3x)储层段在构造的主高点部位、 构造东端的鼻突以及西端的次高点等部位的裂缝较发育, 而在构造轴线以南的陡翼, 裂缝的发育程度不是很高。

8.3.10

寒武系洗象池组裂缝类型及方位预测

通过对威远背斜构造发展演化史的分析,根据裂缝发育规律,并结合岩心的裂 缝观察结果,对威远背斜下古生界洗象池组的裂缝类型及方位预测如下(见图 18): (1)高角度剪切缝 这种裂缝类型为喜马拉雅运动Ⅱ幕的早期形成的平面“X”型剪切缝,在威远背 斜高部位及其周围较大范围内都同等程度发育。 从延伸方向上看共有 2 组, 其中第1 组的裂缝方向为 360±120,以 360±50 为主;第 2 组裂缝方位为 1140±120,以 1140 ±50 为主。两组裂缝一般垂直于岩层面,倾角都较大,大部分在 700 以上,为高角 度剪切缝。两组裂缝在岩层面上构成平面“X”型剪切系,该裂缝在其形成的初期 一般为闭合的剪切缝,但在构造运动的后期,该类裂缝受到不同程度的改造,有可 能被进一步挤压、移动形成断层;而位于构造高部位的该类剪切缝常常被改造成重 张、追踪张等有一定张开度的裂缝,而在构造的其他部位的此类裂缝被改造的程度

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要低一些,因此该裂缝现在的有效性在构造高部位要好于其他部位。 (2)低角度剪切缝 为喜马拉雅运动Ⅱ幕的初、中期阶段形成的剪切缝,该类裂缝主要发育于威远 背斜的高点附近地区,由于威远背斜的总体褶皱程度不高,并且北翼很缓、南翼陡, 因此该类裂缝的发育程度不是很高,并且主要发育于构造轴线以南的地区。裂缝的 方位为 750±150,以 670~820 为主,但由于威远背斜的主轴存在一定的弯曲以及来 自南西西方向的挤压应力作用,因此该类裂缝的方位在不同的构造部位存在稍微的 变化。裂缝的倾角较小,一般为 330±80,但倾向有 2 组方向,一组倾向南南东,另 一组倾向北北西,在剖面上两组裂缝相互交切,构成剖面“X”型剪切裂缝系;在 构造应力的进一步作用下,该类裂缝可进一步发育成北东东向的纵向逆断层,威远 背斜下古生界洗象池组的 F1、F2 逆断层就是此类裂缝进一步发展的结果。 (3)高角度纵张缝 形成于构造运动的晚期,主要发育于威远背斜的高部位(转折端)附近,包括 主构造高点、主构造东端的鼻突高部以及主构造西端的次高点的高部。该类裂缝的 发育程度与褶皱的曲率有关,在褶皱曲率较大的地区,该类裂缝的发育程度较好。 裂缝的方位为 750±130,其中以 750±80 为主,由于主构造的主轴为弯曲状,因此该 类裂缝在不同的构造部位存在稍微的变化,一般平行于构造主轴分布。裂缝的倾角 较大,属于高角度纵张缝;该类裂缝的宽度较宽,但延伸长度的切割深度较有限, 分布范围较小。 (4)高角度横张缝 该类裂缝主要形成于喜马拉雅运动Ⅲ幕时期,主要发育于构造轴线以北的高部 位以及主构造西端次高点的高部位。由于威远背斜的褶皱程度不高,因此此类裂缝 发育程度很有限, 裂缝的方位为 1650±100, 其中以 1650±50 为主。 裂缝的倾角较大 , 属于高角度横张缝;该类裂缝的宽度较宽,但延伸长度的切割深度较有限,分布范 围较小。

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图 18

威远背斜寒武系洗象池组裂缝类型及方位预测图

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主要参考文献
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