高建武

(延長(zhǎng)油田股份公司南泥灣采油廠，陜西 延安 716000)

1 地質(zhì)概況

南泥灣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地的中西部，面積約1600km2。該區(qū)三疊系延長(zhǎng)組地層以內(nèi)陸淡水湖泊三角洲沉積為主，為一套灰綠色、灰黑泥頁巖、泥質(zhì)粉砂巖與灰綠、灰白色細(xì)砂巖互層，地層層序發(fā)育完整，演化特征明顯。根據(jù)巖性及古生物組合，延長(zhǎng)組分自上而下為10個(gè)油層組，其中長(zhǎng)4+5油層組為研究區(qū)主力產(chǎn)油層，該目的層為低滲透油氣儲(chǔ)集層，前期的研究結(jié)果顯示其儲(chǔ)滲性能主要受構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度控制，而裂縫發(fā)育程度與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和斷裂構(gòu)造關(guān)系非常密切，前期多位學(xué)者注意到了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與油氣儲(chǔ)層裂縫發(fā)育分布的關(guān)系，但未進(jìn)行深入的研究。本文在對(duì)鄂爾多斯盆地南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5油層組聲發(fā)射地應(yīng)力測(cè)量、巖石力學(xué)參數(shù)和單軸抗拉強(qiáng)度測(cè)試并考慮斷裂對(duì)裂縫形成作用的基礎(chǔ)上，采用三維有限元法比較精細(xì)地模擬該區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合鉆井裂縫線密度和油氣井的分布，預(yù)測(cè)塔該區(qū)構(gòu)造裂縫儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)，為該地區(qū)油氣勘探開發(fā)提供新的地質(zhì)依據(jù)。

2 裂縫發(fā)育特征

根據(jù)南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層段巖心觀察(見圖1)和觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)(表1)，該地區(qū)4口井都不同程度上發(fā)育裂縫。南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5宏觀構(gòu)造裂縫以高角度裂縫為主，有效裂縫居多。張性縫大多開度在1～2 mm之間，切深大多在0～20cm之間，其被充填嚴(yán)重，充填物有泥質(zhì)或泥碳質(zhì)、方解石及瀝青。剪性縫開度大多在0.1～0.2 mm內(nèi)，切深大(＞20cm)的高角度無充填縫多為剪切縫。堡子灣地區(qū)長(zhǎng)4+5存在共軛剪裂縫，其中一組為SE－NW向(317.2°)，另一組為 NE－SW 向(65.2°)。裂縫主要發(fā)育于粉、細(xì)砂巖中，泥巖中裂縫不發(fā)育。總體南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5砂巖段宏觀構(gòu)造裂縫不太發(fā)育，但是局部有切深大的高角度無充填縫發(fā)育，將對(duì)滲流產(chǎn)生重大影響。

圖1 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5巖心裂縫觀察圖

表1 南泥灣地區(qū)巖心長(zhǎng)4+5裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬

低滲透油氣儲(chǔ)集層中構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和裂縫定量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是其模型的建立。由于地質(zhì)體形成過程中的長(zhǎng)期性、復(fù)雜性和不可逆性，只能用相對(duì)靜止和相對(duì)均質(zhì)的觀點(diǎn)來近似地再現(xiàn)在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期中形成的復(fù)雜地質(zhì)體中應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造裂縫的分布情況。模型的建立包括地質(zhì)模型和力學(xué)模型建立。

3.1 模型建立

對(duì)南泥灣研究區(qū)來說，晚三疊統(tǒng)主要表現(xiàn)為升降運(yùn)動(dòng)，地層相當(dāng)平緩，重力作用相對(duì)均等;延長(zhǎng)組儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫形成于燕山早中期及其以后。因此，根據(jù)長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)，我們采用二維平面模型能較好達(dá)到應(yīng)力場(chǎng)平面分布和裂縫預(yù)測(cè)研究目的。另外，在儲(chǔ)層段之中砂巖和泥巖厚度比值(砂地比)分布較好的反映了長(zhǎng)4+5儲(chǔ)層非均質(zhì)性(即反映了不同巖相中巖性或巖性組合巖石力學(xué)屬性的非均質(zhì)性)。因此，模擬對(duì)象的地質(zhì)體可用砂地比來表示，因?yàn)椴煌牡刭|(zhì)體其砂地比不同，其巖石力學(xué)性質(zhì)存在明顯的不同，相同的砂地比，其地質(zhì)體巖石力學(xué)性質(zhì)大致相同。采用這種等效處理的地質(zhì)非均質(zhì)建模方法，能達(dá)到較好模擬效果，另外，由于目的層頂?shù)酌嫫鸱胁町?，故在建模時(shí)應(yīng)該充分考慮這一因素。

表2 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+現(xiàn)今地質(zhì)模型巖石力學(xué)參數(shù)處理和選擇

表2 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+現(xiàn)今地質(zhì)模型巖石力學(xué)參數(shù)處理和選擇

底面構(gòu)造等值線 材料號(hào) 砂地比動(dòng)彈模(MPa)泊松比1 ＜20% 12000 0.352 20%－30% 14000 0.313 30%－40% 16000 0.284 40%－50% 19000 0.255 50%－60% 24210 0.2076 60%－70% 26000 0.2257 70%－80% 33000 0.195650－68021 ＞80% 36000 0.18680－71012 ＜40% 19000 0.3213 40%－50% 22500 0.2914 50%－60% 27000 0.2615 60%－70% 32000 0.2116 70%－80% 35000 0.1917 ＞80% 38000 0.17＞7108 50%－60% 30000 0.249 60%－70% 31000 0.21310 70%－80% 37000 0.1811 ＞80% 40000 0.1522 / 50000 0.1218 50%－60% 21000 0.319 60%－70% 25500 0.2620 70%－80% 31000 0.22外框＜650

根據(jù)南泥灣地區(qū)不同巖性巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)量資料，萃取不同地區(qū)泥巖、砂巖端元參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、巖石抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)模型砂巖與泥巖厚度比值(即砂地比)，采用加權(quán)平均法，賦予不同地區(qū)不同巖石物理力學(xué)屬性。

3.2 邊界力的作用方式及約束條件

3.2.1 邊界力作用方向

研究區(qū)主要形變期燕山期應(yīng)力場(chǎng)最大主壓方位由共軛配套節(jié)理和區(qū)域地層形變規(guī)律而得來。此次模擬σ1方向取值為101.2°～281.2°。

南泥灣地區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力作用方向確定是根據(jù)研究區(qū)巖石壓縮應(yīng)力－應(yīng)變實(shí)驗(yàn)而得來，南泥灣地區(qū)現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力為NEE向。研究結(jié)果表明，南泥灣地區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力方位N 59.5°E，此次模擬采用其方位為59.5°～239.5°。

3.2.2 邊界力作用大小

現(xiàn)今主應(yīng)力大小和燕山期應(yīng)力大小來源于聲發(fā)射法應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。模擬時(shí)按照不同地質(zhì)時(shí)期的現(xiàn)今應(yīng)力和古應(yīng)力分別取平均值。最小主應(yīng)力一方面可根據(jù)地殼淺部(4000m以內(nèi))σ1/σ3=2.1進(jìn)行推算，也可根據(jù)鄂爾多斯盆地南部σ1/σ3=1.548推算。在綜合考慮這兩個(gè)方面后，本次模擬研究取值(南泥灣地區(qū)燕山期與現(xiàn)今最大與最小主應(yīng)力之比為1.60:1)介于兩者之間。

邊界約束條件在有限元計(jì)算中，當(dāng)邊界力的作用方向與地質(zhì)體邊界不垂直，或者說邊界上作用力并不僅僅是正應(yīng)力，還有平行于邊界的剪應(yīng)力時(shí)，往往由于約束條件的不夠合理造成一定的畸變，而使整個(gè)計(jì)算結(jié)果受到影響。因此，我們采用了轉(zhuǎn)動(dòng)地質(zhì)模型角度的方法，使邊界作用力恰好以正應(yīng)力的方式施加于邊界上，這樣基本上避免了因約束不合理而造成的畸變，又能把剪切力的作用完全反映出來，這樣計(jì)算的結(jié)果令人滿意。

3.3 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5應(yīng)力場(chǎng)分布

圖2展示了南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5燕山期平均應(yīng)力(MPa)分布，平均應(yīng)力大于70MPa的區(qū)間為相對(duì)高勢(shì)區(qū)，主要位于包含南19－44、南40－45、南41－45井等井區(qū)以及研究區(qū)的四個(gè)角部區(qū)域，其應(yīng)力環(huán)境最不利于這些井區(qū)的油氣聚集。平均應(yīng)力位于65～70MPa之間的區(qū)間為相對(duì)較高勢(shì)區(qū)，主要位于包含南39－44、南41－44、南45－41井、南30－39井、南36－38井等井區(qū)，其應(yīng)力環(huán)境不利于這些井區(qū)的油氣聚集。平均應(yīng)力小于60MPa的區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)低勢(shì)區(qū)，主要位于南38－35、南42－33、南27－45、南25－43井、南26－29井、南28－41井區(qū)域。其它為過渡區(qū)，其平均應(yīng)力位于60～65 MPa之間。低勢(shì)區(qū)和相對(duì)低勢(shì)區(qū)應(yīng)力環(huán)境有利于油氣在燕山期聚集。

圖2 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5燕山期平均應(yīng)力分布圖

4 裂縫儲(chǔ)層有利區(qū)預(yù)測(cè)

在主要構(gòu)造形變期燕山期應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，利用格里菲斯準(zhǔn)則、莫爾－庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則裂縫形成的力學(xué)原理，對(duì)南泥灣地區(qū)主要目的層巖石剪破裂、張破裂發(fā)育情況(可能性)及其裂縫發(fā)育方位，進(jìn)行了預(yù)測(cè)及分級(jí)評(píng)價(jià)。

圖3 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5剪破裂指標(biāo)評(píng)價(jià)與發(fā)育方向圖

研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)4+5區(qū)域性剪破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育區(qū)主要位于研究區(qū)西部和東部等區(qū)域，主要發(fā)育方向?yàn)镹EE－近EW向與NWW向，局部地區(qū)方向有變化。而張性破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育區(qū)主要位于研究區(qū)的東北側(cè)與西南側(cè)，主要發(fā)育方向?yàn)镹EE向(圖3)。

研究區(qū)內(nèi)長(zhǎng)4+5區(qū)域性剪破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育在區(qū)研究區(qū)大部分地區(qū)都較發(fā)育，而在研究區(qū)東南側(cè)與南30－40與南24－34等井區(qū)域剪破裂不發(fā)育。剪破裂主要發(fā)育方向也為NEE－近EW向與NWW向，其發(fā)育方向基本較穩(wěn)定。而張性破裂裂縫發(fā)育區(qū)和次發(fā)育區(qū)主要位于研究區(qū)的東北側(cè)與西南側(cè)，主要裂縫發(fā)育方向?yàn)镹EE向(圖4)。

圖4 南泥灣地區(qū)長(zhǎng)4+5張破裂指標(biāo)評(píng)價(jià)與發(fā)育方向圖

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