鄂尔多斯盆地东缘临兴区块山西组天然裂缝发育特征与定量预测

2019-09-16徐延勇丁万贵张和伟

中国煤炭地质 2019年7期

徐延勇，丁万贵，李超，张和伟

(1.中联煤层气有限责任公司，北京 100011； 2.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008； 3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116)

0 前言

鄂尔多斯盆地山西组煤系气(致密气、煤层气、页岩气)资源丰富，区内临兴区块山西组层段见工业气流，邻区大牛地、苏里格等气田山西已成为主力产层，昭示着其具有勘探开发潜力[1]。然而，研究区山西组孔隙度和渗透率很低，储层非均质性强，为典型的致密储层[2]。天然裂缝的发育程度与天然气的运移、富集和成藏关系密切，其不仅提供了天然气的储集空间，更是重要的渗流通道[3-5]。储层天然裂缝发育时，可有效提高储层渗流能力，直接影响到非常规气田的开发效果和经济效益。因此，预测致密岩层天然裂缝发育与分布规律，对于煤系非常规天然气资源开发具重要意义。致密储层裂缝的描述和预测研究方法主要包括地质与地球物理、物理模拟与数值模拟及生产动态分析等方法[6-7]。目前，针对临兴区块山西组的裂缝预测研究鲜见报道，制约了该层段非常规天然气资源的产能释放。因此，本次研究拟通过岩心和成像测井裂缝观测和统计，通过三维地质构型和应力反演，采用经典剪切和张性裂缝破裂准则，预测研究区山西组裂缝演化规律，力争为致密气高效开发提供依据。

1 区域地质背景

鄂尔多斯晚古生代盆地属克拉通内盆地[8]。临兴区块构造位置为鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带(图 1)。晋西挠褶带在中晚元古代～古生代处于相对隆起状态，奥陶纪末的加里东运动，使盆地普遍缺失晚奥陶纪-早石炭世地层。随后盆地缓慢沉降，可见晚石炭世、早二叠世和三叠纪的沉积。三叠纪末的印支运动，沉积间断，并伴有一次中深成侵入型热力作用。中生代侏罗纪末，晋西挠褶带发生强烈的构造抬升，形成一系列NE向的压性或压扭性断层，并伴有构造岩浆活动。燕山运动使吕梁山上升并向西推挤，加上基底断裂的影响，形成SN走向的晋西挠褶带。喜马拉雅期以来则一直处于整体抬升、剥蚀状态。研究区山西组构造对简单(图 1)。研究区天然裂缝受印支期、燕山期和喜马拉雅期构造应力控制[9]。

图1 研究区地质背景Figure 1 Study area geological setting

研究区含煤地层主要包括上石炭统本溪组、上石炭统-下二叠统太原组、下二叠统山西组。本次研究目的层为下二叠统山西组(图 1)。山西组厚度58～108.3m，平均为90.58m。山西组以浅水三角洲沉积为主，水下分流河道呈近南北向展布。岩性主要以的暗色泥岩、粉砂质泥岩、砂岩及煤层组成。自北岔沟砂岩底面至骆驼脖子砂岩底面，将山西组划分为山1段、山21段、山22段和山23段等四小层。山23段为北岔沟砂岩底至4煤顶的一套岩层，自下而上包括北岔沟砂岩、5煤及4煤等岩层。4、5煤分布稳定，中间夹有砂岩或泥岩煤层厚度2.0～8.8m，平均为4.8m，在平面上呈现“中间厚，东西两端薄”分布。山22段为4煤顶至3煤顶之间的一套岩层。3煤在研究区稳定性相对较差。山21段为3煤顶至2煤顶之间的一套岩层，由中-粗砂岩、薄层粉砂岩及灰黑色泥岩夹煤层组成，发育砂岩1～2层。山1段为2煤顶至骆驼脖子砂岩底之间的一套地层，由中-粗砂岩、薄层粉砂岩及灰黑色泥岩夹煤层组成，发育砂岩1～4层。

2 天然裂缝发育特征

天然裂缝的描述手段主要借助地震、测井、航片、卫片、野外露头、显微镜、扫描电镜、核磁共振及CT、压汞等等直接或者间接不同尺度裂缝观测[10]。天然裂缝的描述内容主要包含裂缝产状、空间形态、性质、组系等参数[11]。本次研究基于研究区山西组岩心及成像测井资料，统计分析了山西组岩心天然裂缝产状、密度、开度及充填程度等特征。

2.1 天然裂缝产状与性质

按照王允诚对裂缝倾角的分类，裂缝分为近水平裂缝(0°～15°)、低角度斜交缝(15°～45°)、高角度斜交缝(45°～75°)以及近垂直缝(75°～90°)[12]。依据山西组42条岩心天然裂缝观测，整体上研究区4.76%裂缝为近水平缝，11.90%为低角度斜交缝，而高角度斜交缝和垂直缝各占了40.48%和42.86%，显示了临兴区块山西组天然裂缝总体上倾角较大(图2和图3)。根据成像测井解译的天然裂缝分析，区内山西组天然裂缝走向整体呈现～N-S、WNW-ESE和NE-SW三组方位(图4)。基于岩心裂缝产状和裂隙面特征，山西组天然裂缝中有85.7%为剪裂缝，14.3%为张裂缝。

图2 临兴区块山西组天然裂缝倾角统计图Figure 2 Statistics of natural fissure dip angles in Shanxi Formation, Linxing block

a-L-4井，1739.90 m b-L-15井，1862.67 m图3 临兴区块山西组天然裂缝照片Figure 3 Natural fissure photos in Shanxi Formation, Linxing block

图4 临兴区块山西组天然裂缝走向玫瑰花图N=28°Figure 4 Natural fissure strike rose diagram (N=28°) in Shanxi Formation, Linxing block

2.2 裂缝开度与密度特征

天然气裂缝开度指裂缝张开的大小。统计结果显示，研究区山西组裂缝开度在0～0.5mm、0.5～1.5mm、1.5～2.5mm 和>2.5mm分别占20%、30%、40%和10%(图5)。总体而言，研究区山西组天然裂缝的开度较小。天然裂缝密度指测量段中的裂缝数目与测量段长度的比值。裂缝密度大小反映了储层遭受应力改造后的破裂程度，是裂缝发育程度表征最直接简便的参数。根据研究区山西组13口井岩芯天然裂缝观察与统计分析，山西组天然裂缝密度较低，介于0～0.094m-1，整体上天然裂缝发育程度偏低(图6)。这与研究区较为简单构造地质背景吻合。

图5 临兴区块山西组天然裂缝开度统计图Figure 5 Statistics of natural fissure opennesses in Shanxi Formation, Linxing block

2.3 裂缝充填特征

根据微裂缝中矿物的充填程度，可将其划分为全充填缝、半充填缝和未充填缝3种类型。根据岩芯和成像测井天然裂缝观测，临兴区块山西组天然裂缝未充填约占79.07%，充填缝约占16.28%，半充填缝较少仅占总量的4.65%。由此可见，目标层段天然裂缝被充填的比例较低，以有效缝主导(图7)。充填裂缝的充填物主要为方解石(图3b)。

图7 临兴区块山西组天然裂缝充填程度统计图Figure 7 Statistics of natural fissure filling degrees in Shanxi Formation, Linxing block

3 天然裂缝定量预测

3.1 研究方法

地质条件的类型、结构、力学性质及受力状态共同控制着裂缝生成、形态、密度及走向等。应用有限元法进行数值模拟计算应力场，其实质是把求解地质体内的连续函数转化成求解有限个离散点处的场函数值，基本变量是位移、应变和应力。具体是：首先将研究的地质体离散成有限个连续的单元，单元之间以节点连接，然后对每个单元赋予其实际的岩石力学参数，根据边界受力条件和节点的平衡条件，建立并求解节点位移(或者单元内应力)与总体刚度矩阵的联合方程组，得到每个单元内的应力和应变值[16-17]。

有限元线性代数的方程组为：

KU=P+Q

(1)

其中：U是系统节点位移量，K是系统的刚度矩阵，P是体力载荷的等效节点矢量，Q是边界面载荷的等效节点矢量。

K=∑Ke

(2)

Ke=∭BTDBdv

(3)

P=∑Pe

(4)

Pe=∭NTqdv

(5)

Q=∑Qe

(6)

Qe=∭NTqdv

(7)

对于三维弹性问题，应力和应变张量用矢量表示为：

(8)

(9)

式中：T表示倒转。

对处在平衡状态的受载弹性物体内，应变与位移、应力与外力之间存在一定的关系，称为弹性力学的基本方程。在实际计算中，通过求解弹性力学的基本方程，可以获得地质体中每个有限单元的最大主应力、中间主应力和最小主应力的方向和大小。

计算出应力场之后，在每个单元上获得应力为：

(10)

通过正交相似变换，可以简化为对角矩阵，其对角元是矩阵[σ]的三个特征值，即三个主应力值，所对应的特征值向量分别为三个主应力方向的余弦。

(11)

在有限网格离散后，并知道岩石或者岩石组合常数(杨氏模量和泊松比)的情况下，系统刚度矩阵很容易计算得知，从而可获得系统节点位移矢量，进而求出应变场和应力场。

天然裂缝依据其性质可分为张性裂缝和剪性裂缝。对于张性裂缝运用格里菲斯准则判断其发育程度，格里菲斯准则是一种等效最大张应力理论，其从微观角度出发，经过严密的推导和事实验证，具有较强的理论基础和充分的适用性[18-20]。对于剪性裂缝需要运用库仑-纳维叶准则，其适用基础是岩层破裂是受剪应力破坏的结果[21]。当剪破裂发生时，岩层所受正应力(σn)和剪应力(τn)满足库仑-纳维叶准则。剪切面是两组共轭，最大主应力的方向与破裂面法线方向的夹角表示其方向，破裂面与由最大主应力和最小主应力组成的面垂直，最大主应力位于两组破裂面的夹角平分线上。

格里菲斯准则

Case 1:σ1+3σ3≥0

-24σT(σ1+σ2+σ3)

(12)

Case 2:σ1+3σ3<0

σT=-σ3

(13)

库仑-纳维叶准则

τ=C+σtanφ=C+σμ

(14)

数量不同且性质也不同的裂缝，对于研究区裂缝发育影响程度也不同，基于这方面的因素考虑，引入地层综合破裂值(Fy)的概念：

Fy=a*η+b*R

(15)

(16)

(17)

上述式中：a、b分别为张性裂缝和剪性裂缝所占比率；η代表张破裂系数；R表示剪破裂系数；σT为表示张应力的值；σTC表示岩层的张破裂强度；σ1为最大主应力；σ2为中间主应力；σ3为最小主应力；φ表示岩石的内摩擦角；τ0表示岩石的粘聚力。

对研究区山西组而言，综合破裂值为：

Fy=0.143η+0.857R

(18)

3.2 模型与边界条件

基于临兴区块地层和构造特征研究，将对应数据导入到 ANSYS 有限元软件中，选择SOLID 185单元模型构建了地质模型，表征了目标层段在三维空间中的形态及分布特征。依据岩石力学实验和测井数据解释，确定了数值模拟所用的岩石力学参数和边界载荷，并进行了参数赋值与网格划分，建立了力学模型(表1)。

表1 临兴区块山西组岩石力学参数表

其中，印支期山西组弹性模量为40.43GPa、泊松比为0.29，边界载荷的方向为S-N向，确定边界载荷依据是研究区主应力差值为80MPa。燕山期山西组的弹性模量为36.92GPa、泊松比为0.28，边界载荷的方向为NW-SE向，确定边界载荷依据是研究区主应力差值为120MPa。喜马拉雅弹性模量为35.16GPa、泊松比为0.30，边界载荷的方向为NE-SW向，确定边界载荷依据是研究区主应力差值为90MPa。

3.3 天然裂缝定量预测

如图8a所示，山西组印支期裂隙密度介于0.588～0.612，平均为0.599。在平面上，总体呈现天然裂缝北部优势发育，而在东南和西南相对欠发育，在L-20～L-13～L-11、L-50、L-33～L-53～L-10、L-51～L-84南等为高裂缝程度发育井区。

如图8b所示，山西组燕山期裂隙密度介于0.755～0.777m，平均为0.762m。在平面上，总体呈现天然裂缝西南部优势发育，而在中部相对欠发育，在L-91～L-23～L-90等井区存在高裂缝发育程度井区。

如图8c所示，山西组喜马拉雅期裂隙密度介于0.699～0.722，平均为0.710。在平面上，总体呈现天然裂缝中部优势发育，而在东部相对欠发育，在L-72北侧、L-13、L-84、L-90与L-42等井区存在高裂缝发育程度井区。

相比而言，临兴区块山西组天然裂缝发育程度由强到弱依次为燕山期、喜马拉雅期及印支期，即燕山期和喜马拉雅期是形成研究区裂缝主要地质时期。叠合三个时期裂隙密度图可见，在L-90、L-33～L-84北侧、L-23～L-10北、L-20、L-11西～L-72南等井区为高裂缝发育程度区，是山西组煤系气勘探开发甜点区(图 11)。

图8 临兴区块山西组天然裂缝发育程度分布图(a.印支期；b. 燕山期；c.喜马拉雅期；d. 三期叠加)Figure 8 Linxing block Shanxi Formation natural fissure development degree distributions(a: Indo-Chinese epoch; b: Yanshanian epoch; c: Himalayan epoch; d: three epochs stacked)