金湖凹陷卞东油田灰岩－砂岩混积岩储层应力场模拟及裂缝预测研究

张建良 （中石化江苏油田分公司地质科学研究院，江苏扬州225012）

金湖凹陷卞东油田灰岩－砂岩混积岩储层应力场模拟及裂缝预测研究

张建良 （中石化江苏油田分公司地质科学研究院，江苏扬州225012）

金湖凹陷卞东油田阜二段储层为湖相灰岩与砂岩混杂沉积的特殊油气储层，该类储层为孔隙与裂缝双重介质储层，裂缝预测研究难度较大。通过应力场模拟来实现该类混积储层的裂缝预测。利用岩心声速法、压裂资料法、声发射法确定了研究区目的层地应力的方向和大小，选择适合目的层的力学参数，通过ANASYS软件实现地应力场模拟，研究区现今地应力场模拟结果显示，卞东油田地应力场中岩石三面受压。在研究区地应力场数值模拟基础上，利用应力场模拟结果参与裂缝参数计算，定量预测现今裂缝参数的空间分布。由于研究区为挤压应力环境的现今应力场，难于产生裂缝，所以研究区储层内发育的裂缝为地质历史时期产生的。古、今裂缝的线密度相同，但开度相差较大，现今裂缝比古裂缝开度要小。裂缝预测检验说明在湖相灰岩与砂岩混积岩储层中利用构造应力场数值模拟来定量表征裂缝具有较好的效果。

金湖凹陷；混积岩；储层；应力场；裂缝预测

裂缝储层的研究具有较大的难度，目前没有任何一种裂缝预测方法能够对储层裂缝进行全面研究。多年来，多种研究方法被国内外学者尝试，主要的研究方法为：①利用构造特征研究成果进行地下天然储层裂缝预测研究；②对与裂缝发育密切相关的构造主曲率进行研究，进而建立其与裂缝发育的关系；③通过对裂缝储层的力学模型研究，以构造应力场模拟技术为基础，利用岩石破裂准则和应变能密度进行裂缝预测和表征［1～3］；④根据裂缝在岩心上的实测数据，应用地质统计学方法建立裂缝的立体分布规律，进而进行裂缝预测；⑤利用地震资料进行裂缝识别和预测，用分形分维方法定量预测储层裂缝空间分布等研究方法［4～6］。低孔低渗储层中的裂缝成因以构造为主，所以采用地质力学原理和方法，通过构造应力场数值模拟来定量表征裂缝是裂缝预测的发展方向。该次研究对象为湖相灰岩与砂岩混杂沉积的特殊油气储层，该类储层为孔隙与裂缝双重介质储层，裂缝预测研究具有较大难度，笔者通过应力场模拟实现该类混积储层的裂缝预测。

1 区域地质概况

卞东油田地理上位于江苏省金湖县境内，构造上位于苏北盆地金湖凹陷卞闵杨断裂构造带的中部（图1），卞东构造东接闵桥构造，西临龙岗次凹，南部与杨家坝构造相邻，是一个被近东西向卞1断层切割的北倾断鼻构造，构造南界为卞1断层控制，内部被3条小正断层切割，油田被分成4个小断块［7，8］。周边的其他大断层延伸到此趋于消失，地震剖面上呈现为一个较完整的构造，圈闭面积5.2km2，闭合高度145m，油层埋深1437～1574m，构造平缓，地层倾角4～8°。

卞东油田主要含油层系为古新统阜宁组二段（E1f2），E1f2主要岩性为粉砂岩、鲕粒灰岩、生物灰岩，地层厚度160～180m。下部为灰黑色泥岩夹生物灰岩、鲕粒灰岩以及砂岩；中部为深灰、灰黑色泥岩夹泥灰岩、油页岩和页岩，通称“七尖峰”段；上部为较纯的灰黑色泥岩夹少量泥灰岩，与下伏阜一段呈整合接触，局部为假整合接触。E1f2进一步分为3个亚段［7～9］，自上而下分别为第一亚段、第二亚段）、第三亚段）。该次研究主要为E1f2下部地层，岩性以生物灰岩、鲕粒灰岩以及砂岩为主。

图1 金湖凹陷构造区划图

2 井点地应力研究

该次研究利用岩石应力试验分析、压裂、测井等资料，分别采用岩心声速法、压裂资料法、声发射法等方法研究了井点地应力方向和大小，为研究地应力空间分布规律奠定基础。

2.1 地应力方向测量方法——岩心声速法

三向应力作用环境中分布的地层中的岩石，当被钻井取出后，脱离了原来的应力作用环境，岩石将发生应力释放。许多十分微小的裂隙会在岩石应力释放过程中形成，地应力大小与微裂隙的发育程度成正比。由于在地下地层中3个主应力存在差异，所以应力释放后的岩石中产生的微裂隙会在不同的方向出现不同的发育程度。由于空气充填了取心中形成的裂隙，空气与岩石的波阻值相差很大，所以样品中微裂隙在不同的方向出现不同的发育程度导致声波在岩心的不同方向上传播的速度也不同。即，岩心中在最大主应力的方向上声波传播速度最慢，在最小主应力的方向上声波传播速度最快［10］。该次研究对B12－3井2块岩心样品进行了声速试验，结果见表1，在试验基础上，利用地层倾角处理成果和构造等资料进行岩心定位后，求得B12－3井目的层最大主应力方向为NEE109°，最小主应力方向为NNW19°。

2.2 地应力方向及大小计算法——压裂资料法

由于地层岩石水压致裂的破裂压力与压裂层段的岩性及地应力有确定的关系，所以可以利用水压致裂法确定深部地层中的地应力。通过对压裂井压裂数据的分析，可以获得地应力的相关数据，主要是利用压裂曲线上可以直接读得的3个关键压力值，即瞬时停泵压力、重张压力与地层破裂压力（图2），即可反算地层地应力。

表1 B12－3井岩心声速及应力方向试验结果

该次研究共搜集研究区20多口压裂井数据资料，并对其进行了详细的分析处理，获得了压裂井压裂层位的地应力分布数据，为油藏地应力分布规律和储层裂缝的研究提供了基础数据资料。根据研究工区部分井压裂资料确定的地应力结果为，卞东、杨家坝地区水平最小、最大主应力分别为28、38MPa，其方向分别为NS0°和EW90°。

2.3 地应力大小确定法——声发射法

岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力，这种效应为Kaiser效应。Kaiser效应为试验样品在仅增加单一应力作用下，当作用于样品的应力达到过去已施加过的最大应力时，声发射明显增加。由于岩石样品试验中破裂过程是不可逆的，而岩石样品地质历史中产生的破裂在试验中摩擦滑动也能产生声发射信号，并且这种摩擦滑动是可逆的，所以在试验中应力低于已承受过的最大应力也可能有声发射出现。试验中由于应力超过原来承受过的最大应力时会有新的破裂产生，所以声发射活动频度会突然提高。

该试验中，声发射率突然增大点对应着样品曾经受过的最大压应力［11，12］。但是试验中应注意，当试验样品为井深大于2000m的岩样，进行常规声发射试验时，样品常常在Kaiser点未出现时就发生破坏，采集到的信号不是Kaiser效应信号，而是岩样的破裂信号；由于样品在地层中的环境为三向应力作用环境，所以常规声发射试验采集到的信号往往不是岩心所处地层的原地应力大小。因而在常规声发射试验基础上，改进了声发射试验装置，采用了围压下进行声发射试验。根据岩心测试结果，经处理得到如表2所示数据。

图2 水力压裂测地应力典型曲线图

表2 卞东油田测试数据处理表

3 卞东油田地应力模拟

3.1 力学参数和约束条件

岩石的力学参数直接影响着油藏地应力分布状态和储集层性质，因而在油藏应力场的数值模拟中，合理地选择研究区块中的岩石力学参数尤为重要。构造应力场及构造裂缝数值模拟所用的力学参数主要有：弹性模量、剪切模量和泊松比、岩石抗压强度、抗张拉强度、粘聚力和内摩擦角等。一般情况下，岩石力学参数主要以岩石力学试验的实测数据为依据，同时参照周围地区的各种力学参数来确定。该次研究中主要采用静态法、动态法和测井资料处理等方式获取关键井点处的各种岩石力学参数，并对上覆岩层的压力进行了考虑，综合各类岩石力学参数的影响，确定了研究区的应力场模拟力学参数（表3）。

表3 卞东区块现今地应力场数值模拟力学参数

现今地应力场模拟中，约束辅助模型的底面垂向位移，南北向施加27MPa挤压力（最小主应力），东西向施加36MPa挤压力（最大主应力），定义整个模型的自身重力，并施加上覆地层压力。

3.2 地应力模拟结果

通过对研究区现今地应力场水平最小主应力模拟，工区地应力场中水平最小主应力为挤压应力，应力为25.5～30.5MPa，方向为近南北向，变化幅度较小。平面上看，工区中部应力较小，东北部应力较大，B9－1井、B9－2井附近应力最小，约为26.7MPa，断层带中应力相对集中，约为29MPa。

通过模拟现今地应力场水平最大主应力，卞东油田最大主应力为挤压应力，应力值为36.5～40.5MPa，方向亦为近东西向（图3）。工区中部靠近断层部位为应力低值区，向北部逐渐变大，B9－2井附近应力值最小，约为36.5MPa。

图3 卞东油田现今最大主应力大小及分布

4 卞东油田储层裂缝预测

在研究区地应力场数值模拟基础上，利用岩心裂缝优势发育方向统计数据、确定成缝期古主应力方向、定性定量描述岩心裂缝产状、开度、充填、密度、组系关系等资料；利用应力场模拟结果参与裂缝参数计算，定量预测现今裂缝参数的空间分布。

研究区现今应力场为挤压应力场，新的裂缝难于产生，所以研究区储层裂缝均为古构造应力场中产生。通过裂缝参数计算，得出卞东油田裂缝开度相差较大，历史中最大裂缝发育期裂缝开度为（0.11～0.15）×10－3m之间，平面上分析，研究区靠近断层的部位开度较大，远离断层部位开度变小。从裂缝的发育历史过程看，现今裂缝挤压作用力较历史中形成的裂缝开度整体变小，介于（0.572～0.835）× 10－4m（图4），现今裂缝发育特征为裂缝开度高值区主要分布在研究区中部断层以西区域，开度约为0.78×10－4m；最大值位于B1井附近，约为0.82×10－4m；东部B13－4井附近开度相对较大，大小约为0.78×10－4m。现今裂缝线密度模拟结果表明，研究区裂缝线密度为0.6～1.4条／m（图5），工区中部为一东西向长条状高值分布区，线密度约为1.3条／m，从工区中部向北、向南裂缝线密度逐渐减小。

利用钻井取心统计资料验证裂缝预测结果显示，井点裂缝与预测裂缝数据符合度高，说明在湖相灰岩与砂岩混积岩储层中利用构造应力场数值模拟来定量表征裂缝具有较好的效果。

图4 卞东油田裂缝开度

图5 卞东油田裂缝线密度

5 结 论

1）该次研究以灰岩－砂岩混积岩储层为对象，利用岩心声速法、压裂资料、声发射法确定了研究区目的层地应力的方向和大小。通过综合分析，研究区最小主应力为南北向，均值28MPa，最大主应力方向为东西向，均值38MPa。

2）研究区现今地应力场模拟结果显示，卞东油田地应力场中岩石三面受压，水平最小主应力方向为近南北向，工区中部应力较小，东北部应力较大。水平最大主应力方向为近东西向，工区中部靠近断层部位为应力低值区，向北部逐渐变大。

3）由于研究区现今应力场为挤压应力条件差，应力较小，不能产生新的裂缝，所以裂缝为古构造应力场中产生，古、今裂缝的线密度相同，但开度相差较大，现今裂缝比古裂缝开度要小。裂缝预测检验说明在湖相灰岩与砂岩混积岩储层中利用构造应力场数值模拟来定量表征裂缝具有较好的效果。

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［编辑］ 宋换新

30 Stress Field Simulation and Fracture Forecast in Lime－sandstone Diamictite Reservoirs of Biandong Oilfield in Jinhu Sag

ZHANG Jian－liang

（Authors Address：Geology Research Institute，Jiangsu Oilfield Company，SINOPEC，Yangzhou 225012，Jiangsu，China）

The E1f2reservoir in Biandong Oilfield of Jinhu Sag was a special reservoir with lime－sandstone diamictite deposition.The reservoir was a reservoir with double media of porosity and fracture，and it was difficult for fracture forecasting.The fracture forecasting was performed by the stress field simulation.First，the core acoustic velocity method，fracturing data，acoustic emission method was used to establish the direction and size of stress in the studied area.And the rational mechanics parameters were chosen of the target zone，the ANASYS software was used to simulate the stress field.The results showed that rocks in the area were pressed from three－directions.On the basis of the stress field simulation of the area，the fracture parameters and forecasted distribution of fracture were deployed for quantitatively predicting the spatial distribution of fractural parameters.Because the current stress field was compressional stress field，so new fractures could not be created.So all the fractures were created in paleo－stress field，the current fracture and paleofracture had the same density with different apertures，the aperture of the current fracture was less than that of paleofracture.The examination of the fracture forecasting shows that better effect is obtained by using the stress field simulation to forecast fracture inthe diamictite reservoirs.

Jinhu Sag；diamictite；reservoir；stress field；fracture forecasting

book=29,ebook=29

TE122.2

A

1000－9752（2012）05－0030－05

2012－02－09

张建良（1963－），男，1985年大学毕业，教授级高级工程师，现主要从事油田开发综合研究工作。