顺北油田碳酸盐岩地层天然裂缝分布及其造山运动力学特征

2021-10-30陈修平沈新普刘景涛a沈国晓

新疆石油地质 2021年5期

陈修平，沈新普，刘景涛a，沈国晓

（1.中国石化a.西北油田分公司石油工程技术研究院；b.碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室，乌鲁木齐 830011；2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

顺北油田是塔里木盆地北部区域的主要碳酸盐岩油田。顺北油田所在区域有13 条断裂带，地层中各类天然裂缝十分发育。由于经历了加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动等多期次造山运动[1-7]，天然裂缝分布复杂，难以准确预测，从而导致布井、钻井等具有较高的风险。钻井过程中，钻遇极端破碎地层时井壁坍塌和钻井液漏失严重，发生事故风险很高。而当设计目的层选在天然裂缝不发育的地层时，产量低[1-2]。因此，准确预测天然裂缝的分布，对顺北油田碳酸盐岩油藏开发具有重要意义。众多学者进行了断裂构造特征及天然裂缝研究[3，8-9]，采用不同技术方法得到的结果各有特点。

随着地质测量技术和计算技术的发展，近年来，三维地质模型和工程力学模型的建模及分析技术有了长足的进步，为解决上述问题提供了良好的技术基础。文献［10］和文献［11］利用塑性力学模型，结合地质力学有限元数值模拟，预测了天然裂缝的分布。

岩石的损伤研究[12-13]是固体力学的研究热点。储集层岩石属于准脆性材料，岩石地层中的裂缝一般以裂缝群的形式出现，而且天然裂缝的大小不同，既有百米级别的断层，也有毫米级别的微裂缝。在工程中，岩石地层的天然裂缝一般以一定宽度的破碎带形式出现。断裂力学难以准确表征这种情况下岩石的破坏现象，而损伤模型研究则较为理想[14-22]。

本文首先建立顺北油田顺8B 区块的三维地质模型，确定各层位天然裂缝分布；之后，分析奥陶系碳酸盐岩地层中的天然裂缝体系特征；最后，结合损伤有限元数值模拟，分析奥陶系碳酸盐岩储集层天然裂缝生成的力学机制。

1 顺8B区块三维地质模型

结合地震数据和单井层位信息，建立顺北油田顺8B区块的三维地质模型，该模型包括11套地层，自上而下分别为第四系—新近系中新统吉迪克组；下白垩统巴什基奇克组；上三叠统哈拉哈塘组；下三叠统柯吐尔组；石炭系卡拉沙依组；上泥盆统东河塘组；下志留统塔塔埃尔塔格组；下志留统柯坪塔格组；上奥陶统恰尔巴克组；中奥陶统一间房组；基底—底层（图1）。其中，底层是为了方便引入底面的位移边界而设的。研究区奥陶系碳酸盐岩地层恰尔巴克组—一间房组埋深为7 000～7 600 m。研究区三维地质模型长55 000 m，宽26 000 m，高9 980 m。地表海拔约985 m，接近平坦。研究区有限元模型共有137 088个节点、127 765个三维八节点立方体单元。

图1 顺8B区块三维地质模型Fig.1.3D geological model of Shun 8B block

2 顺8B区块天然裂缝分布特征

2.1 各层位天然裂缝分组

根据地震数据解释得到的天然裂缝平面分布（图2），结合天然裂缝的走向、地层中天然裂缝的贯通程度，将卡拉沙依组—一间房组天然裂缝分为5组：①卡拉沙依组天然裂缝；②东河塘组天然裂缝；③柯坪塔格组天然裂缝同时具有其上、下地层中天然裂缝的部分特征，最右侧的断层尚未形成南北贯通，属于造山运动过渡区；④上奥陶统桑塔木组泥岩为封盖层，天然裂缝发育少；⑤恰尔巴克组的天然裂缝上下贯通，主要的大型天然裂缝/断层南北贯通。

综上所述，模型中有5 组不同的天然裂缝体系，各自对应着不同时期的造山运动。大部分天然裂缝接近垂直，倾角为80°～90°；研究区右侧柯坪塔格组的天然裂缝/断层较多，与下部地层的天然裂缝/断层有明显区别；恰尔巴克组及以下地层的天然裂缝大部分都是上下及南北贯通的，属于同一个天然裂缝体系。

2.2 天然裂缝分布及造山运动

奥陶系碳酸盐岩地层中恰尔巴克组的天然裂缝平面分布如图2e 所示，共有3 组不同方向的天然裂缝/断层：第1 组为大型贯通天然裂缝，包括5 号断层和7 号断层；第2组天然裂缝断续分布，为北东—南西向；第3组天然裂缝断续分布，为北西—南东向。第2组天然裂缝与第3组天然裂缝呈交叉状，成对出现。

图2 顺8B区块地震解释天然裂缝平面分布Fig.2.Plane distribution of natural fractures from seismic interpretation in Shun 8B block

结合前述奥陶系天然裂缝分组与造山运动顺序[3]，认为奥陶系碳酸盐岩地层第1 组天然裂缝为拉伸/剪切走滑断裂裂缝，对应拉伸载荷，按照沉积顺序，对应的造山运动发生在加里东运动中期Ⅰ幕；第2组天然裂缝和第3组天然裂缝为受挤压产生的走滑断裂裂缝，对应挤压载荷，按照沉积顺序，对应的造山运动发生在加里东运动中期Ⅱ幕。

3 岩石损伤模型及原理

奥陶系碳酸盐岩地层中的天然裂缝是以准脆性材料中的天然裂缝群/破碎带的形式存在的，不是单一裂缝。损伤理论采用损伤变量来表示材料的破坏程度。损伤变量适用于量化表示岩石天然裂缝的破碎程度，0为完好，1为极其破碎。

图3 给出了损伤变量与有效应力的关系，这里的有效应力不是渗流计算的有效应力，而是与损伤变量有关的材料所受的净应力[12-13]。

图3 损伤变量与有效应力的关系Fig.3.Relationship between damage and effective stress

本文采用的损伤模型为Fenves-Lee 模型，是Abaqus 有限元软件中内嵌的岩石力学模型[13-14]。该损伤模型中包含拉伸损伤和压缩损伤2 个损伤变量。岩石在拉伸和压缩时的力学行为不同，拉伸时岩石软化，压缩时岩石先硬化，后软化（图4）。损伤变量定义为

图4 岩石的应力—应变行为Fig.4.Stress-strain behavior of rocks

由于在岩石损伤计算过程中，模型采用了拉伸损伤和压缩损伤，综合损伤变量与拉伸损伤和压缩损伤的关系为

在塑性变形有关的计算中，等效塑性应变是个标量，用于表达三轴应变状态下塑性应变的大小。由于塑性状态的判定采用了摩尔-库仑摩擦滑动的加载准则，而且塑性变形理论中设置了“体积塑性变形为零”的假设，塑性剪切应变由下式计算：

Fenves-Lee 模型对地质模型没有特别的要求，不仅可以用于模拟脆性较强的碳酸盐岩和页岩的破碎行为，也可以用于模拟砂岩的破碎行为，只需要根据岩性的不同调整参数值即可。另外，该模型对岩石经历的应变量大小也没有具体要求。

4 顺8B区块天然裂缝生成的力学机制

4.1 造山运动与有限元模型的载荷

中—下奥陶统的天然裂缝包括同一个裂缝体系中的3 组裂缝，分别对应着加里东运动中期Ⅰ幕拉伸和加里东运动中期Ⅱ幕挤压。

在加里东运动中期Ⅰ幕东西向拉伸载荷下，奥陶系碳酸盐岩中发育了5 号断层、7 号断层等天然裂缝/断层（图2e）。本文采用有限元模型，对这一过程进行模拟计算，并重点论述加里东运动中期Ⅱ幕挤压产生天然裂缝的力学机制，结合损伤模拟，用试算确定造山运动挤压载荷的方向和大小。

奥陶系碳酸盐岩地层生成于485—443 Ma。奥陶系经历的造山运动主要是加里东运动中期Ⅰ幕和Ⅱ幕的造山运动[4]，该造山运动对奥陶系天然裂缝的产生起决定作用，之后的造山运动对应其他层位的天然裂缝，跟奥陶系天然裂缝关系不大。因此，在计算奥陶系碳酸盐岩地层的天然裂缝的模型中，不包含桑塔木组及其以上的地层，仅包括恰尔巴克组和一间房组2个岩组，总共有38 885个单元、45 696个节点。虽然塔里木盆地边缘不规则，但是研究区只是盆地中的矩形区块，无需模拟不规则的盆地边缘几何形态。

模型位移边界：四周侧面及底面均施加法向零位移约束，顶部为面力载荷边界。有限元模型的载荷：①重力载荷，包括柯坪塔格组、一间房组等的重力载荷；②顶部的面力载荷为50 MPa，模拟可能的上覆地层压力，在数值模拟时起稳定模拟收敛效果的作用。采用初始应变法模拟造山运动的挤压载荷，初始应变法就是在有限元模型的每一个单元的每一个高斯积分点上施加一个初始应变张量，由此来施加地层内部各点承受的应变载荷，其优点是避免了边界加载法产生的加载点附近破碎严重的现象，所得到的损伤场分布较合理。

加里东运动中期Ⅰ幕—Ⅱ幕的造山运动来自东北方向对盆地边缘的挤压，为了确定造山运动挤压主应力方向，初始应变法的应变张量主方向2 的方向角分别取30°、15°和0°。初始主应变张量总共有3 个主方向，在这里，仅取应变张量主方向2 为非零应变张量主方向，另外2个应变张量主方向上的应变均为0。在应变张量主方向2 上，其方向角为15°，施加的初始应变分量为0～0.5，其他方向的初始应变分量为0。数值模拟结果表明，当应变张量主方向2 的应变分量为2.4%时，天然裂缝分布的损伤数值解与已知的天然裂缝分布情况吻合最好。

4.2 损伤模型参数

损伤模型参数和损伤起始准则可见文献［12］和文献［13］。模型参数取值通过试算和现象匹配确定，经过反复多次试算，奥陶系碳酸盐岩地层岩石的模型参数见表1。

表1 顺8B区块奥陶系碳酸盐岩地层的压缩损伤模型和拉伸损伤模型参数Table 1.Parameters of the compressive damage model and the tensile damage model for Ordovician carbonate formation in Shun 8B block

4.3 损伤模型数值模拟结果

初始应变加载方向角为15°时，恰尔巴克组最大损伤变量为0.256 6，即破碎程度为25.66%；一间房组的损伤变量较恰尔巴克组的略大（图5）。图5中的损伤局部化带代表了在造山运动下地层中产生的天然裂缝的分布情况，损伤变量值越大，天然裂缝的破碎程度越高。通过对比图5中的损伤变量与图2中恰尔巴克组和一间房组的天然裂缝分布认为：数值模拟结果和地震数据解释结果很接近，天然裂缝方向相同，细节有一定差别。