鄂尔多斯盆地南泥湾地区古构造应力场模拟与裂缝储层有利区分析

2011-01-24高建武

延安大学学报（自然科学版） 2011年2期

高建武

(延长油田股份公司南泥湾采油厂，陕西延安 716000)

1 地质概况

南泥湾地区位于鄂尔多斯盆地的中西部，面积约1600km2。该区三叠系延长组地层以内陆淡水湖泊三角洲沉积为主，为一套灰绿色、灰黑泥页岩、泥质粉砂岩与灰绿、灰白色细砂岩互层，地层层序发育完整，演化特征明显。根据岩性及古生物组合，延长组分自上而下为10个油层组，其中长4+5油层组为研究区主力产油层，该目的层为低渗透油气储集层，前期的研究结果显示其储渗性能主要受构造裂缝的发育程度控制，而裂缝发育程度与构造应力场和断裂构造关系非常密切，前期多位学者注意到了构造应力场与油气储层裂缝发育分布的关系，但未进行深入的研究。本文在对鄂尔多斯盆地南泥湾地区长4+5油层组声发射地应力测量、岩石力学参数和单轴抗拉强度测试并考虑断裂对裂缝形成作用的基础上，采用三维有限元法比较精细地模拟该区古构造应力场，结合钻井裂缝线密度和油气井的分布，预测塔该区构造裂缝储层发育区，为该地区油气勘探开发提供新的地质依据。

2 裂缝发育特征

根据南泥湾地区长4+5储层段岩心观察(见图1)和观测结果统计(表1)，该地区4口井都不同程度上发育裂缝。南泥湾地区长4+5宏观构造裂缝以高角度裂缝为主，有效裂缝居多。张性缝大多开度在1～2 mm之间，切深大多在0～20cm之间，其被充填严重，充填物有泥质或泥碳质、方解石及沥青。剪性缝开度大多在0.1～0.2 mm内，切深大(＞20cm)的高角度无充填缝多为剪切缝。堡子湾地区长4+5存在共轭剪裂缝，其中一组为SE－NW向(317.2°)，另一组为 NE－SW 向(65.2°)。裂缝主要发育于粉、细砂岩中，泥岩中裂缝不发育。总体南泥湾地区长4+5砂岩段宏观构造裂缝不太发育，但是局部有切深大的高角度无充填缝发育，将对渗流产生重大影响。

图1 南泥湾地区长4+5岩心裂缝观察图

表1 南泥湾地区岩心长4+5裂缝参数统计表

3 构造应力场模拟

低渗透油气储集层中构造应力场和裂缝定量预测的关键是其模型的建立。由于地质体形成过程中的长期性、复杂性和不可逆性，只能用相对静止和相对均质的观点来近似地再现在漫长地质历史时期中形成的复杂地质体中应力场和构造裂缝的分布情况。模型的建立包括地质模型和力学模型建立。

3.1 模型建立

对南泥湾研究区来说，晚三叠统主要表现为升降运动，地层相当平缓，重力作用相对均等;延长组储层构造裂缝形成于燕山早中期及其以后。因此，根据长期工作经验，我们采用二维平面模型能较好达到应力场平面分布和裂缝预测研究目的。另外，在储层段之中砂岩和泥岩厚度比值(砂地比)分布较好的反映了长4+5储层非均质性(即反映了不同岩相中岩性或岩性组合岩石力学属性的非均质性)。因此，模拟对象的地质体可用砂地比来表示，因为不同的地质体其砂地比不同，其岩石力学性质存在明显的不同，相同的砂地比，其地质体岩石力学性质大致相同。采用这种等效处理的地质非均质建模方法，能达到较好模拟效果，另外，由于目的层顶底面起伏有差异，故在建模时应该充分考虑这一因素。

表2 南泥湾地区长4+现今地质模型岩石力学参数处理和选择

底面构造等值线材料号砂地比动弹模(MPa)泊松比1 ＜20% 12000 0.352 20%－30% 14000 0.313 30%－40% 16000 0.284 40%－50% 19000 0.255 50%－60% 24210 0.2076 60%－70% 26000 0.2257 70%－80% 33000 0.195650－68021 ＞80% 36000 0.18680－71012 ＜40% 19000 0.3213 40%－50% 22500 0.2914 50%－60% 27000 0.2615 60%－70% 32000 0.2116 70%－80% 35000 0.1917 ＞80% 38000 0.17＞7108 50%－60% 30000 0.249 60%－70% 31000 0.21310 70%－80% 37000 0.1811 ＞80% 40000 0.1522 / 50000 0.1218 50%－60% 21000 0.319 60%－70% 25500 0.2620 70%－80% 31000 0.22外框＜650

根据南泥湾地区不同岩性岩石力学性质测量资料，萃取不同地区泥岩、砂岩端元参数，包括弹性模量、泊松比、岩石抗拉强度、内聚力和内摩擦角等参数。依据研究区地质模型砂岩与泥岩厚度比值(即砂地比)，采用加权平均法，赋予不同地区不同岩石物理力学属性。

3.2 边界力的作用方式及约束条件

3.2.1 边界力作用方向

研究区主要形变期燕山期应力场最大主压方位由共轭配套节理和区域地层形变规律而得来。此次模拟σ1方向取值为101.2°～281.2°。

南泥湾地区现今应力作用方向确定是根据研究区岩石压缩应力－应变实验而得来，南泥湾地区现今水平最大主应力为NEE向。研究结果表明，南泥湾地区现今最大主应力方位N 59.5°E，此次模拟采用其方位为59.5°～239.5°。

3.2.2 边界力作用大小

现今主应力大小和燕山期应力大小来源于声发射法应力测量结果。模拟时按照不同地质时期的现今应力和古应力分别取平均值。最小主应力一方面可根据地壳浅部(4000m以内)σ1/σ3=2.1进行推算，也可根据鄂尔多斯盆地南部σ1/σ3=1.548推算。在综合考虑这两个方面后，本次模拟研究取值(南泥湾地区燕山期与现今最大与最小主应力之比为1.60:1)介于两者之间。

边界约束条件在有限元计算中，当边界力的作用方向与地质体边界不垂直，或者说边界上作用力并不仅仅是正应力，还有平行于边界的剪应力时，往往由于约束条件的不够合理造成一定的畸变，而使整个计算结果受到影响。因此，我们采用了转动地质模型角度的方法，使边界作用力恰好以正应力的方式施加于边界上，这样基本上避免了因约束不合理而造成的畸变，又能把剪切力的作用完全反映出来，这样计算的结果令人满意。

3.3 南泥湾地区长4+5应力场分布

图2展示了南泥湾地区长4+5燕山期平均应力(MPa)分布，平均应力大于70MPa的区间为相对高势区，主要位于包含南19－44、南40－45、南41－45井等井区以及研究区的四个角部区域，其应力环境最不利于这些井区的油气聚集。平均应力位于65～70MPa之间的区间为相对较高势区，主要位于包含南39－44、南41－44、南45－41井、南30－39井、南36－38井等井区，其应力环境不利于这些井区的油气聚集。平均应力小于60MPa的区域为相对低势区，主要位于南38－35、南42－33、南27－45、南25－43井、南26－29井、南28－41井区域。其它为过渡区，其平均应力位于60～65 MPa之间。低势区和相对低势区应力环境有利于油气在燕山期聚集。

图2 南泥湾地区长4+5燕山期平均应力分布图

4 裂缝储层有利区预测

在主要构造形变期燕山期应力场数值模拟基础上，利用格里菲斯准则、莫尔－库仑剪破裂准则裂缝形成的力学原理，对南泥湾地区主要目的层岩石剪破裂、张破裂发育情况(可能性)及其裂缝发育方位，进行了预测及分级评价。

图3 南泥湾地区长4+5剪破裂指标评价与发育方向图

研究区内长4+5区域性剪破裂裂缝发育区和次发育区主要位于研究区西部和东部等区域，主要发育方向为NEE－近EW向与NWW向，局部地区方向有变化。而张性破裂裂缝发育区和次发育区主要位于研究区的东北侧与西南侧，主要发育方向为NEE向(图3)。

研究区内长4+5区域性剪破裂裂缝发育区和次发育在区研究区大部分地区都较发育，而在研究区东南侧与南30－40与南24－34等井区域剪破裂不发育。剪破裂主要发育方向也为NEE－近EW向与NWW向，其发育方向基本较稳定。而张性破裂裂缝发育区和次发育区主要位于研究区的东北侧与西南侧，主要裂缝发育方向为NEE向(图4)。