安达地区营城组火山岩构造裂缝特征及定量预测
2015-09-22姚磊华任德生
郭 鹏,姚磊华,任德生
(1.中国地质大学工程技术学院,北京100083;2.北京油谷科技发展有限公司,北京100085)
安达地区营城组火山岩构造裂缝特征及定量预测
郭鹏1,姚磊华1,任德生2
(1.中国地质大学工程技术学院,北京100083;2.北京油谷科技发展有限公司,北京100085)
查明裂缝的发育程度和分布规律对于火山岩油气藏勘探至关重要。根据松辽盆地安达地区营城组火山岩露头、岩心和薄片等资料,对其储集层构造裂缝的基本特征、力学性质和有效性进行了统计分析。结果表明,营城组储集层主要发育近南北向、北北西—南南东向、北西—南东向和近东西向的共轭构造裂缝系统,岩心裂缝线密度主体为0.20~1.00条/cm,以张性裂缝为主,多为半充填的有效裂缝。以三维构造应力场模拟为基础,结合破裂法和能量法,建立了安达地区营城组构造裂缝分布定量预测模型,并应用该模型预测了构造裂缝发育的有利区,为下步火山岩油气勘探开发提供参考。
松辽盆地;徐家围子断陷带;安达地区;营城组;火山岩储集层;构造裂缝;三维构造应力场;定量预测
火山岩裂缝性储集层发育程度主要受裂缝的控制,在低渗透地区,裂缝形成受到岩性和岩相的影响,经过成岩作用的改善,虽有发育,但连通性很差,大部分为无效孔隙[1]。而构造裂缝分布广、规律性强,成组出现,可以将原生裂缝和早期构造裂缝与其他孔隙连通起来。一般情况下,在构造裂缝发育区其他成因的裂缝也很发育[2],在勘探过程中寻找宽度不同的构造裂缝发育带,建立相应的地质模型,研究断层对裂缝的影响,特别是主干断裂系统对裂缝的控制作用,进而预测裂缝的变化规律,对寻找构造裂缝发育的火山岩油气藏具有十分重要的意义。
松辽盆地徐家围子断陷带安达地区营城组火山岩储集层致密、脆性较强,在构造应力场作用下易产生大量裂缝。这些裂缝发育区不仅是油气有效的储集空间,也是油气运移的主要通道。前人对徐家围子断陷带安达地区营城组火山岩构造裂缝特征缺乏系统的研究,且预测方法仅依靠岩石破裂法,很难取得较好的预测结果。火山岩要成为良好的储集层,必须发育受后期构造作用产生的构造裂缝,将原来的无效孔隙连通起来。本次研究主要从构造应力角度分析营城组构造裂缝的发育程度,同时基于破裂法和能量法建立了火山岩储集层构造裂缝定量预测模型,进而预测储集层构造裂缝分布有利区,为下一步火山岩油气藏的勘探、开发提供参考。
1 火山岩构造裂缝基本特征
1.1裂缝优势方位
安达地区位于松辽盆地徐家围子断陷带的北部(图1),构造总体上呈东西高、中间凹、南高北低的形态,面积约1 100 km2.多期构造运动造成安达地区次生构造裂缝发育,并成组出现在岩体中,分布广泛、规律性强[3]。为了恢复古构造最大水平主应力方向,根据吉林九台地区八棵树野外露头裂缝的描述与测量来鉴定裂缝的延伸方向。营城组火山岩裂缝具有成组、成带分布特征,平面延伸的优势方向为近南北向、东西向、北西向及南东向,裂缝的优势方向与断层走向基本一致(图2a)。根据共轭剪切裂缝野外分期配套,裂缝可分为3期:最早期为近南北向和北北西—南南东向;中期为北西—南东向;晚期为近东西向。裂缝倾向主要有5组,分别是南东向、正西向、正南向、南西向和正北向(图2b)。
图1 研究区构造位置
图2 安达地区野外相似露头区营城组构造裂缝走向及倾向
1.2裂缝特征参数
从研究区20口取心井岩心中可看出,营城组构造裂缝比较发育,以高角度裂缝为主,高角度裂缝、斜交裂缝和低角度裂缝所占比例分别为66.67%,30.77%和2.56%.通过对薄片中230条微裂缝开度统计,裂缝最大开度为1.61 mm,主要为0.01~0.60 mm;微裂缝( ≤0.10 mm)、小裂缝(0.10~1.00 mm)和中裂缝(1.00~10.00 mm)所占比例分别为74.40%,24.15%和0.97%,大裂缝( ≤10.00 mm)不发育。从岩心上看,裂缝开度与裂缝规模呈正相关关系,通常由2~4条单裂缝组成裂缝发育带。垂向上裂缝主要在岩层内发育,只在岩石力学性质相接近部位才切穿岩层,力学性质控制了裂缝的分布。徐家围子断陷带营城组火山岩裂缝线密度主要为0.20~1.00条/cm,占94.7%;1.20~1.60条/cm的裂缝约占5.3%.
1.3裂缝的力学性质和有效性
储集层构造裂缝以张性裂缝和张扭性裂缝为主,压扭性裂缝和剪切裂缝次之。裂缝大部分为半充填的有效裂缝,充填物多以硅质、火山岩屑及碎屑岩脉为主(图3)。由剪切作用形成的剪性裂缝较为平直,其特征为延伸较远、缝壁平直,一般共轭产出,常呈现“X”状共轭节理缝系,破裂面两侧具有一定的剪切错动。显微剪性裂缝可以切穿斑晶,剪性缝的共轭剪裂角一般小于40°.研究区早期形成的火山岩构造裂缝多已愈合,或被火山物质、硅质、钙质等次生矿物充填。这类裂缝的储集空间很小,多为无效裂缝,但此种裂缝在后期构造应力作用下,可能会重新开启或被溶蚀,成为油气运移的通道或储集空间。
图3 安达地区营城组火山岩典型显微裂缝特征
2 三维构造应力场模拟
2.1构造应力场特征
根据构造应力场演化特征,松辽盆地主要经历了3期构造运动[4],分别是嫩江组沉积末期,明水组沉积末期和现今期构造运动。通过古地磁定向和岩石的声发射测试,确定研究区构造应力的方向和大小。研究区在嫩江组沉积末期、明水组沉积末期和现今期的最大主应力方向分别为北北西—南南东向、南东东—北西西向和近东西向[5]。
2.2构造应力场数值模拟
区域构造应力展布不仅受构造运动背景、运动期次和空间位置的影响,还与构造运动的主压应力方向、岩石力学属性、断裂展布特征、位移边界条件和地层厚度等因素密切相关[6]。本次研究主要对安达地区营城组火山岩储集层进行构造应力场数值模拟。
(1)地质模型根据安达地区构造解释成果,以古构造图为背景,建立研究区(南北长约45 km,东西宽约38 km)地质模型。模型覆盖了安达地区的主要构造及断裂组合。
研究区火山岩构造应力场和构造裂缝的分布主要受断裂构造的控制[7]。模型中主要考虑了对研究区构造起控制作用的18条大断裂。由于3期构造运动最大主应力的作用方向不同,为了便于加载构造应力并消除边界效应,在模型的外围建立加载边框。
采用非均质连续介质力学模型,把断层和周围基岩设计成一定宽度的断裂带,将断裂带定义为弱值区[8-9],其宽度根据实际断裂的规模和水平断裂位移确定。
模型目的层为营城组,将营城组以下地层在建模时作为一个层组考虑,并根据各地层顶、底界的海拔及厚度,将研究区分为6个层位,从上到下分别为姚家组—嫩江组(K2y—K2n)、青山口组(K2qn)、泉头组三段-四段(K1q3-4)、登娄库组—泉头组一段-二段(K1d—K1q1-2)、火石岭组—营城组(J3h—K1y)和基底(图4)。
(2)参数确定安达地区的层序地层可以揭示主要地层及对应的岩性、岩相特征。在岩性分区时,不仅考虑了不同层组的岩石力学属性,还考虑了火山岩平面上岩相的分布特征(表1),如:营城组主要考虑了近火山口相、近源相和远源相的力学属性。
图4 研究区三维有限元地质模型
表1 研究区数值模拟物理力学参数
(3)边界条件地层模型建立后,施加应力边界条件和位移边界条件。模型受到的作用力有水平构造力、重力和上覆岩层压力。在边界条件加载时,假设z轴为深度方向,垂直向上为正,x轴正方向指向东,y轴正方向指向北(图4)。模型底部在垂向上约束,在模型的两个侧面加载垂直于边界面的构造应力,在模型的另两个侧面施加垂直于作用面方向的位移约束,模型的上表面定义为自由面,在z方向施加重力加速度。构造作用力分别按嫩江组沉积末期、明水组沉积末期和现今期3种情况进行加载。
(4)模型求解模型采用10节点的四面体单元进行剖分。先从断裂规模较小的实体开始剖分。再按每个层位分别剖分,构造三维网格模型。整个研究区域共划分110 462个单元,153 983个节点。数学模型建立后,采用Ansys有限元软件对嫩江组沉积末期、明水组沉积末期和现今构造应力场进行模拟,得到了目的层火山岩在古构造应力场和现今应力场作用下的3个主应力和最大剪应力分布。
3 构造裂缝定量预测方法
营城组火山岩构造裂缝的破裂类型有张性裂缝、张扭性裂缝和剪性裂缝,但张性裂缝和剪性裂缝是研究区主要的破裂形态[10]。
3.1岩石破裂法
岩心裂缝统计表明,安达地区营城组火山岩中张性裂缝约占15.9%,张扭性裂缝约占47.6%,剪性裂缝约占36.5%,为了定量说明张性裂缝发育程度,定义张性裂缝指数T=σT/[σt](σT为有效张应力,[σt]为岩石的抗张强度)。为了定量说明剪性裂缝发育程度,定义剪性裂缝指数F=τn/|τ|(τn为有效剪应力,|τ|为岩石的抗剪强度),岩石的张、剪破裂程度分别随着张裂缝指数T和剪裂缝指数F的增大而增加。从研究区岩心的裂缝分布特征判断,张性裂缝和剪性裂缝在储集层中不是单独存在,而是共同发育的,储集层裂缝发育程度也是两种裂缝的综合反映结果。因此,引入地层破裂值P,张裂缝指数和剪裂缝指数分别乘0.6和0.4后求和,即
原则上,P越大,地层裂缝越发育。事实上,火山岩储集层中裂缝的发育程度不仅仅由破裂值单个指标来决定[11]。
3.2能量法
根据Price建立的理论,岩石中的应变能从另一个角度反映了裂缝的发育程度[12]。通过构造应力场模拟得出地层中的应力值,单位体积的应变能由下式给出:
式中σ1——最大主应力,MPa;
σ2——中间主应力,MPa;
σ3——最小主应力,MPa;
E——杨氏模量,MPa;
v——泊松比。
能量值是岩石中单位体积的弹性应变能N,定义u=N/Nmax(Nmax为目的层最大弹性应变能)来表示岩石储存的能量值。为了弥补破裂值单个指标的不足,提出用能量值共同预测构造裂缝的发育程度。当岩石破裂时,能量值越大裂缝的发育程度可能越高。当岩石在静岩应力作用下,能量值很大,但是破裂值始终为零,岩石也不会破裂[13]。因此,破裂值或能量值单个指标均具有一定的局限性,应由二者结合才能准确评价火山岩构造裂缝的发育程度。
3.3构造裂缝定量预测模型
从上述分析可知,破裂值表示裂缝能否产生,能量值表示裂缝的发育能力。因此,将两种方法共同结合来判断构造裂缝的发育范围和程度。通过已知的井位数据,采用最小二乘法回归目的层的预测裂缝密度I,以此建立构造裂缝定量预测模型。如果裂缝密度预测值与岩心裂缝密度统计值误差小于25%,可以认为预测结果吻合较好[14]。
将破裂值P、能量值u与预测裂缝密度I之间进行最小二乘法拟合,通过反复试算确定预测裂缝密度I的计算公式为
将营城组火山岩的破裂值、能量值与已知井的岩心观测裂缝密度代入(3)式,经Matlab软件最小二乘法回归分析,可确定(3)式中的系数:a1=0.551 9,a2=0.398 9,a3=-0.641 3.
由应力场计算出破裂值P和能量值u,然后由(3)式可得到任意点的预测裂缝密度I.将已钻井岩心观测裂缝密度与(3)式所得预测裂缝密度对比(表2)可以看出,只有1口井的相对误差大于25%,表明预测结果较为理想。利用预测模型对营城组火山岩未知区域的构造裂缝密度进行预测,得出裂缝发育有利区。
表2 安达地区营城组火山岩预测裂缝密度与岩心观测裂缝密度对比
3.4营城组火山岩构造裂缝预测与评价
根据研究区营城组火山岩实际情况,定义营城组火山岩储集层中构造裂缝密度大于0.40条/cm区域为裂缝发育区,裂缝密度0.20~0.40条/cm的区域为次发育区,裂缝密度低于0.20条/cm的区域为不发育区(图5)。
由图5可以看出,研究区构造裂缝发育区主要位于达深401井、汪深101井、汪深1井北部和达深3井区等一带;裂缝不发育区主要位于升深203井、汪905井、达深6井、宋深1井等井区及达深1井西部井区。根据研究区已钻井试气结果,位于裂缝发育区的气井日产量均在5×104m3以上(表3),从而印证了本次裂缝预测的准确性。
图5 安达地区营城组火山岩储集层构造裂缝发育有利区分布
表3 安达地区气井试气成果
4 结论
(1)安达地区营城组火山岩储集层裂缝优势方向为近南北向、东西向、北西向及南东向;构造裂缝以张性裂缝和张扭性裂缝为主,裂缝大部分为半充填的有效裂缝。
(2)基于数理统计学原理,综合破裂法和能量法对营城组火山岩构造裂缝进行定量预测,比单一指标更能充分反映裂缝发育的程度,预测效果较好。预测裂缝密度与岩心观测裂缝密度符合度较高。预测裂缝密度越高的井位,对应点储集层的裂缝越发育。
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Characteristics and Quantitative Prediction of Tectonic Fractures of Yingcheng Formation in Volcanic Reservoir of Anda Area in Songliao Basin
GUO Peng1,YAO Leihua1,REN Desheng2
(1.School of Engineeringand Technology,ChinaUniversity of Geosciences,Beijing 100083,China;2.BeijingOil Valley Technology Development Corporation,Beijing 100085,China)
The key of exploration of avolcanic reservoir is to make clear the development and distribution of fractures in it.This paper pres⁃ents the statistical analysis of the basic feature,the mechanical property and the effectiveness of the tectonic fractures in the volcanic reser⁃voir of the Yingcheng formation in Anda area in Songliao basin,based on the outcrop,core and thin⁃section data of the volcanic rocks in this area.The results show that the Yingcheng reservoir mainly develops in regional conjugate tectonic fracture system to near⁃SN,NNWSSE,NW-SE and near⁃EW directions,with core fracture linear density of 0.20~1.00 ribbons per ceti meter.The most tectonic fractures are tensional and half⁃filled.By 3D tectonic stress field simulation,combined with rock burst method and energy method,a quantitative predic⁃tion model for tectonic fracture distribution of Yingcheng formation in Anda area is developed,by which the favorable areas with developed tectonic fractures are predicted,providing important reference for further exploration and development of the volcanic rock reservoirs in this area.
Songliao basin;Xujiaweizi rift zone;Anda area;Yingcheng formation;volcanic reservoir;tectonic fracture;3D tectonic stress field;quantitative prediction
TE112.2
A
1001-3873(2015)06-0696-06
10.7657/XJPG20150611
2015-06-06
2015-08-08
国家科技重大专项(2011ZX05001)
郭鹏(1984-),男,山西晋城人,博士研究生,石油地质,(Tel)18811783428(E-mail)tumuguopeng@163.com.