复杂断块区构造应力场分析及应用

武 刚

(中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257015)



复杂断块区构造应力场分析及应用

武 刚

(中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257015)

永3断块区位于东营凹陷东北部永安镇油田，其沙二段油藏为典型的复杂断块油藏，发育较多低序级断层。复杂断块区低序级断层地震解释存在多解性，在地震解释后应进行合理性分析。通过构造解析，在确定低序级断层发育时期和构造作用背景的基础上，开展了古构造应力场的数值模拟研究。以岩石破裂准则为依据，通过最小主应力、最大与最小主应力差值分析了低序级断层的优势发育部位，用平面剪应力分析了低序级断层的优势走向，用剖面剪应力分析了低序级断层的优势视倾向。通过精细地震解释，该复杂断块区断层描述较合理，可用于指导生产实践，同时，对同类型复杂断块区断层分布规律研究起到一定的指导作用。

数值模拟；复杂断块；构造应力场；低序级断层；永3断块区

0 引 言

胜利油区复杂断块油藏以断层发育为特征，不同级别的断层把地层切割成大小不同、形态各异的断块[1-2]。低序级断层由于落差小、延伸短，在地震解释中具有多解性，而构造应力场分析是研究低序级断层分布规律的有效途径[3]。永3断块区所在的永安镇油田位于济阳坳陷东营凹陷的东北部，目的层为古近系沙河街组二段，整体构造为受北部永3断层控制的滚动背斜[4-5]，主断层永3断层西段走向北东，东段走向北西，断面南倾(图1)。通过构造解析，确定低序级断层的形成时期和构造活动背景，开展古构造应力场数值模拟，能够对断层地震解释、复杂断裂系统组合的规律进行分析。

图1 永3断块沙二段3砂层组顶面构造

1 构造解析

永3断块北部边界的永3断层规模较大，沙二段落差为150～450 m，属于三级断层。断块中西部的北东走向断层和断块东部的北西走向断层规模较小，属于四级断层。断块中部的近南北走向断层规模更小，属于五级断层[6]。

根据西部A—A′剖面、东部B—B′剖面(位置见图1)构造演化分析，永3断块沙二段整体表现为受永3断层控制的滚动背斜，构造高点靠近永3断层。永3断层断面南倾，规模大，活动时期长，沙二段开始沉积时已经存在。南部的一系列北倾低序级断层规模较小，活动时期短，永3-3断层活动于沙二段、沙一段时期，其他断层活动于沙二段晚期和沙一段时期。在构造演化分析的基础上，可以将永3断块的构造演化历史划分3个阶段：①沙二段早期，断层活动较弱的整体沉降阶段；②沙二段晚期至沙一段时期，断层强烈活动的逆牵引背斜形成阶段；③东营组时期及其后永3断块的深埋阶段。滚动背斜的发育是永3断块的局部构造作用，影响着低序级断层的发育，控制着近南北走向的五级断层发育。由于滚动背斜的明显发育时期晚于四级断层的强烈活动时期，因此，五级断层的形成晚于四级断层。

综合上述分析，沙河街组晚期的近南北向伸展及逆牵引作用、永3断层与永3-3断层的先期存在是四级断层发育的主控因素，滚动背斜的发育则是五级断层产生的主控因素。

2 沙河街组晚期古构造应力场数值模拟

为了解释永3断块四级低序级断层的发育规律，用ANSYS有限元软件，在建立沙二段上部古构造模型的基础上，对沙河街组晚期的古构造应力场进行了数值模拟。

2.1 构造模型

根据前述构造解析结果，沙河街组晚期在低序级断层产生之前，永3断层和永3-3断层已经存在，其位置和走向根据沙二段第3砂层组顶面构造图确定，两断层倾角由剖面图获得。

2.2 力学参数选取及单元划分

整个模型划分为碎屑岩地层和断层带2种介质，通过文献调研选取了弹性模量、泊松比、岩石密度等力学参数[7-9](表1)。模拟选用solid45类型单元，选择网格划分密度，将实体模型网格化，共划分出34 601个单元，参与运算的节点数为7 396个。

表1 永3断块沙二段上部岩石力学参数

2.3 约束条件及加力方式

模型的总体坐标垂直方向为Z轴，东西方向为X轴，南北方向为Y轴。为满足有限元计算的基本要求，固定东西2个界面Z方向的位移，防止模型在垂向和平面上的转动。依据构造解析结果，在模型南、北边界分别施加SSW185 °、NNE5 °方向的拉张力。考虑到逆牵引作用，在模型中部和东部滚动背斜核部位置分别施加上拱力。沙二段的构造变形发生在非地表条件下，有厚度约为150 m的沙一段覆盖在其上面，因此，模型顶面施加0.33 MPa的压力(模型本身有重力作用)。经多次试算，在近南北方向施加6.00 MPa的拉张力，模型中部滚动背斜核部区域施加4.00 MPa的上拱力，东部滚动背斜核部施加3.00 MPa的上拱力。将每个节点的计算结果进行绘图处理，输出应力等值线和方位矢量图，并以此为依据开展低序级断层分布规律研究[10]。

3 低序级断层分布的地应力分析

断层的产生是岩石受力发生破裂的结果，依据格里菲斯破裂理论和库仑破裂理论[11-12]，可用最小主应力和最大、最小主应力差值来解释低序级断层的优势发育地区，用平面剪应力来解释低序级断层的优势走向，用剖面剪应力来解释低序级断层的优势视倾向。

3.1 最大、最小主应力差与断层发育程度

依据库仑破裂准则，岩石的破裂面是剪切破裂面，是截面上的正应力和剪应力综合作用的结果。在主应力方向、截面产状和岩石力学性质不变的条件下，主应力数值决定着截面上的正应力和剪应力。其中，最大主应力和最小主应力的差值是影响剪切破裂发育程度的最主要因素，最大、最小主应力差值越大，岩石的剪切破裂程度越强[13]。永3断块沙二段上部沙河街组晚期最大、最小主应力差值的高值区位于断块中部，属于低序级断层的优势发育部位(图2)。

图2 永3断块沙河街组晚期最大、最小主应力差与断层关系

3.2 平面剪应力与断层走向

在平面应变椭圆中，2组共轭剪切破裂线代表着2组断层的走向线。受平面剪应力分布的控制，2组断层的发育程度通常不同，在左旋平面剪应力环境中具有左旋性质的一组断层发育程度高，同样在右旋平面剪应力环境中具有右旋性质的一组断层发育程度高，据此可以根据平面剪应力的性质来解释断层的走向[14-16]。按照规定左旋剪应力为正值，右旋剪应力为负值。永3断块沙二段上部低序级断层形成于沙河街组晚期，该时期的区域应力场环境是近南北向拉张，整体应变椭球体长轴近南北向，短轴为垂向。平面应变椭圆长轴近南北向，短轴近东西向，左旋剪切破裂线为北西向，右旋剪切破裂线为北东向。沙河街组晚期沙二段上部平面剪应力的负值区分布在永3断块的西部和中部，是北东走向低序级断层发育的优势区域。平面剪应力的正值区位于断块的东部，是北西走向低序级断层发育的优势区域(图3)。

3.3 剖面剪应力与四级断层视倾向

剖面应变椭圆的剪切破裂线代表了断层的视倾斜线，将平面剪应力解释断层走向的原理应用到剖面上，就能够解释断层的视倾向。永3断块沙河街组晚期南北向剖面的整体应变椭圆长轴为南北向，与区域张应力方向基本一致；短轴为垂向，与重力方向一致。通常剖面不一定是主平面，因此，剖面应变椭圆中的2组共轭剪切破裂线所代表的通常是断层面的视倾斜线。断块西部沙河街组晚期剖面剪应力在永3断层之南为正值，即左旋剪应力，说明该剖面上低序级断层的视倾向为北。断块东部剖面剪应力在永3断层之南为负值，即右旋剪应力，说明该剖面上低序级断层的视倾向为南。

图3 永3断块沙河街晚期平面剪应力与断层关系

4 矿场应用

通过应用构造应力场对低序级断层分布规律进行分析，结合地震解释的成果，重组了复杂断裂系统，使得整个构造面貌有了变化，从而对含油小断块发育的有利区进行了预测(图4)。这种小“碎”断块虽然含油面积很小(一般小于0.1 km2)，但纵向上含油小层多(一般为20～30个)，储量丰度可达300×104t/km2以上，是断块油藏老区剩余油富集的有利区，也是设计高效调整井的有利区域。图4中，在预测的有利区中部署的新井A3X177产量达34 t/d。通过以上研究，在整体已进入特高含水期的断块老区，能够打出含水率极低的高产井，显示出复杂断块油藏特有的潜力。

图4 永3断块剩余油富集的有利区分布预测

5 结 论

(1) 通过构造解析，永3断块沙二段上部的低序级断层形成于沙河街组晚期，永3断层和永3-3断层在低序级断层形成之前已经存在，近南北向区域伸展、先存断层和逆牵引作用是低序级断层发育的主控因素。

(2) 沙河街组晚期古构造应力场数值模拟结果显示，最大、最小主应力高差值区分布在断块中部，是低序级断层集中发育区。

(3) 平面剪应力正值区分布在断块东部，有利于形成北西走向低序级断层；负值区分布在断块西部，是北东走向低序级断层的有利发育区。

(4) 南北向剖面剪应力正值区分布在断块西部，有利于发育视倾向为北的低序级断层；负值区分布在断块东部，为视倾向为南的低序级断层有利发育区。

(5) 通过应用构造应力场对低序级断层分布规律进行分析，结合地震解释成果，重组了复杂断裂系统，并据此预测了剩余油有利区，部署了调整井，取得了较好的生产效果。

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编辑 黄华彪

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.005

20160218；改回日期：20160810

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”子课题“胜利油田特高含水期提高采收率技术”(2016ZX05011)

武刚(1972-)，男，高级工程师，1993年毕业于石油大学(华东)石油地质专业，1996年毕业于石油大学(北京)石油地质专业，获硕士学位，现从事油气田开发地质综合研究工作。

TE123.1

A

1006-6535(2016)05-0022-04