王崢嶸，鄧 輝，黃潤秋

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都610059；2.中兵勘察設(shè)計研究院，北京 100053)

川西凹陷新場氣田須家河組二段砂巖巖體破裂特征

王崢嶸1,2，鄧 輝1，黃潤秋1

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都610059；2.中兵勘察設(shè)計研究院，北京 100053)

通過地表露頭調(diào)查、測井曲線、成像測井、鉆孔巖心分析等手段分析了新場地區(qū)須家河組二段的裂縫發(fā)育特征。須二段儲層裂縫以低角度裂縫為主，同時發(fā)育斜交縫、高角度縫、網(wǎng)狀縫等;裂縫走向主要有NEE,NE和SEE 3個方向，可分成構(gòu)造剪切裂縫、構(gòu)造張性裂縫和層理縫3種基本成因類型。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)基礎(chǔ)地質(zhì)資料和構(gòu)造演化特征建立三維數(shù)值計算模型，結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)關(guān)于裂縫與構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系的理論，同時參考研究區(qū)現(xiàn)有巖心觀察、測井分析、室內(nèi)試驗結(jié)果等資料，確定出研究區(qū)裂縫發(fā)育分布的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)。通過計算結(jié)果可知：須家河組二段第七、第四、第二砂組巖層頂板中裂縫主要發(fā)育在斷裂帶附近、翼部較陡的轉(zhuǎn)折端及構(gòu)造高點(diǎn)區(qū)域，以低角度剪切縫為主；在構(gòu)造高點(diǎn)地區(qū)，也發(fā)育有較多張性裂縫，其研究結(jié)果與實(shí)際勘探揭示情況基本一致，說明預(yù)測模型具有一定的實(shí)際應(yīng)用和參考價值。

裂縫預(yù)測；巖體破裂特征；須家河組二段；新場氣田；川西凹陷

新場氣田是川西坳陷孝泉—新場—合興場地區(qū)的大型氣田，已有研究資料表明深層須家河組氣藏巨大的勘探潛力，在須(須家河組)二段和須四段均獲得了較多油氣勘探成果。須家河組砂巖的基質(zhì)物性很差，沒有裂縫的改造，須家河組儲層不具備自然滲流的能力[1-2]，故裂縫預(yù)測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)預(yù)測的關(guān)鍵技術(shù)之一。在油氣藏勘探開發(fā)初期，人們大多通過構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法和經(jīng)驗方法來推測深部巖體的破裂特征和裂縫的發(fā)育分布規(guī)律[3]。近幾年來，國內(nèi)外專家學(xué)者通過巖心裂縫統(tǒng)計分析、成像測井、錄井等資料來分析深部裂縫的分布規(guī)律[4-8]。隨著巖石力學(xué)的發(fā)展，大家開始重視通過室內(nèi)試驗和理論分析來辨別巖石的破裂機(jī)制和變形破壞特征[9-12]，然而深部裂縫的形成與深部巖體力學(xué)特性、古構(gòu)造應(yīng)力特征是緊密相關(guān)的。本文在充分考慮研究區(qū)域構(gòu)造特征和構(gòu)造演化的基礎(chǔ)上，根據(jù)深部巖體力學(xué)特性與古構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系，研究新場須二段砂巖的破裂特征，從而進(jìn)行裂縫預(yù)測評價。

1 地質(zhì)特征

新場氣田處于四川盆地川西坳陷中段孝泉-豐谷北東東向大型隆起帶上，該隆起帶位于彭州-德陽向斜和梓潼向斜之間，是從晚三疊世以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動的大型復(fù)合隆起帶，其中影響較大的為印支晚期、燕山期及喜馬拉雅期[13]。每次構(gòu)造運(yùn)動都對川西坳陷產(chǎn)生較大影響，使其構(gòu)造、沉積表現(xiàn)出復(fù)雜性。新場須二段構(gòu)造為由多個局部高點(diǎn)構(gòu)成的復(fù)式背斜(圖1)。

通過對研究區(qū)內(nèi)須二段近30口鉆井砂巖發(fā)育狀況的統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)須二段各套砂組普遍發(fā)育，平均厚度為45～90 m，以T2(2)x、T2(4)x和T2(7)x砂組平均厚度最大，均為80余米，其中T2(2)x砂組厚度最大，平均值為90.2 m；其次為T2(3)x和T2(8)x砂組，有60多米；T2(5)x和T2(6)x砂組較薄，約40余米，其中T2(6)x砂組最薄，平均只有45.1 m。各砂組凈砂巖均較發(fā)育，從砂巖厚度比較來看，以T2(4)x砂組砂巖厚度最大，平均為71.8 m，其次為T2(2)x砂組，平均為64.6 m，T2(6)x砂組砂巖厚度最小，平均為32.2 m。從砂地比的比較來看，T2(4)x和T2(5)x砂組砂地比最大，均大于80%，說明這兩套砂組砂巖最為發(fā)育，其次為T2(6)x、T2(6)x和T2(7)x砂組，砂地比均約為70%左右；T2(3)x和T2(8)x砂組砂地比最小，均小于60%，說明這兩套砂組泥巖較發(fā)育。

2 須二段砂巖裂縫發(fā)育特征

2.1 野外裂縫調(diào)查統(tǒng)計

在漢旺鎮(zhèn)附近選取了須家河組二段的兩條代表性剖面，即漢旺剖面和九龍鄉(xiāng)剖面，對地表出露的須家河二段砂巖內(nèi)部發(fā)育的結(jié)構(gòu)面特征進(jìn)行了較詳細(xì)的調(diào)查。在漢旺剖面一共測量了2個斷面，第一個斷面主要發(fā)育有1組層面及層間錯動(圖3a)和3組節(jié)理(圖3b，c)，平均產(chǎn)狀為：①層面及層間錯動，315°∠45°；②13°∠56°；③180°∠78°；④32°∠50°。其中節(jié)理②和④構(gòu)成兩組平面X節(jié)理(圖3b)，最大主應(yīng)力方向為NW-SE向。第二個斷面測量主要發(fā)育有1組層面及層間錯動和5組節(jié)理(圖3d)，平均產(chǎn)狀為：①層面及層間錯動325°∠45°；②127°∠7°；③132°∠68°；④12°∠85°；⑤318°∠68°；⑥158°∠42°。節(jié)理③和⑤構(gòu)成一組平面X節(jié)理，最大主應(yīng)力方向為NE-SW向。在九龍鄉(xiāng)剖面測得類似結(jié)果，綜合兩條調(diào)查剖面方向上出露巖層內(nèi)裂縫發(fā)育情況的統(tǒng)計結(jié)果，初步表明須家河組巖層較為發(fā)育的構(gòu)造型裂縫有3組，其優(yōu)勢產(chǎn)狀分別為335°∠30°，231°∠59°和169°∠83°，據(jù)此也可初步判斷須家河組巖層歷史上也至少遭受過兩次明顯的構(gòu)造擠壓剪切過程，一次擠壓方向為為NW-SE向，另一次是NE-SW向。

圖2 新場氣田川孝93—新場12—川科1—新856—聯(lián)150—新5連井地震剖面(據(jù)中國石化西南油氣分公司)Fig.2 EW seismic section across Well CX93,XC12-,CK1,X856-,L150-and X5 in Xinchang gasfield

圖3 新場氣田漢旺剖面須二段砂巖裂縫發(fā)育特征Fig.3 Cracks characteristics of sandstone in the Xu2 Member in Hanwang outcrop,Xinchang gasfielda.層面及層間錯動；b.兩組平面X節(jié)理；c.第一個斷面主要節(jié)理赤平投影；d.第二個斷面主要節(jié)理赤平投影

2.2 鉆井巖心裂縫發(fā)育特征

通過對新場川豐563井、川孝560井、新3井、新5井、新8井、新10井、新11井、新101井、新201井和新203井等井位巖心的觀察，進(jìn)行定量統(tǒng)計(表1)，結(jié)果表明須家河組以低角度裂縫為主，在兩類裂縫中的出現(xiàn)頻率往往超過90%。無論是低角度還是高角度裂縫，須二段儲集層中T2(4)x、T2(5)x裂縫密度最大，出現(xiàn)頻率最高。

低角度裂縫包括平縫、斜縫、弧形縫等傾角小于45°的裂縫。巖心上出現(xiàn)密度最大、頻率最高的是低角度(通常<15°)裂縫，常沿低角度板狀交錯層理或平行(或水平)層理發(fā)育(圖4a)，多數(shù)裂縫寬度小于0.30 mm，顯微鏡下也可見到該類裂縫的發(fā)育，裂縫的最寬處已超過0.30 mm，以無充填的開啟狀態(tài)為主，部分可見有機(jī)質(zhì)殘留。高角度裂縫(含垂直裂縫)出現(xiàn)的密度相對較小，頻率也相對較低，主要為構(gòu)造裂縫。其在形態(tài)上與低角度裂縫有較大區(qū)別，高角度裂縫延伸較長，部分垂直裂縫的實(shí)際長度可能超過所觀察巖心的長度(圖4b)，裂縫的縫面較為平直，縫壁也相對整齊，裂縫寬度較低角度裂縫大，局部見有寬度約30 mm已被自生碳酸鹽礦物充填的高角度裂縫；另外，此類裂縫一般呈充填或半充填狀態(tài)，充填物包括硅質(zhì)和碳酸鹽礦物，未充填或半充填的裂縫縫壁常常被有機(jī)質(zhì)浸染。

2.3 成像測井裂縫發(fā)育特征

聲、電成像測井信息豐富，圖象顯示直觀，可以清晰地看到裂縫發(fā)育的條數(shù)和裂縫的傾角，是裂縫識別的重要手段。利用成象測井分析軟件，可以對成象測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取裂縫特征信息進(jìn)行裂縫識別和評價。共收集了新101井、新201井、新203井、新202井、新10井、新2井、新3井、新5井、新11井、新853井、新856井、川豐563井、川孝560井和川孝565井等測井成像(FMS)解釋結(jié)果。

根據(jù)新場地區(qū)鉆遇須二段井的測井曲線、成像測井、巖心及實(shí)鉆分析證實(shí)，須二段儲層裂縫發(fā)育特征為以低角度裂縫為主(表2)，同時發(fā)育斜交縫、高角度縫、網(wǎng)狀縫等，裂縫走向主要有NEE，NE和SEE 3個方向。根據(jù)各鉆井誘導(dǎo)縫及井眼崩落方位進(jìn)行地應(yīng)力統(tǒng)計分析得到現(xiàn)今最大主應(yīng)力為近NE80°。裂縫發(fā)育走向與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向近一致時，在應(yīng)力作用下裂縫易于張開；裂縫走向與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向近垂直時，在應(yīng)力作用下裂縫易于閉合。從各井裂縫定量參數(shù)統(tǒng)計揭示，須二段與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向走向一致的裂縫有效性較高，且規(guī)模有效裂縫的發(fā)育是獲得氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

新場地區(qū)須二段儲層物性具有特低孔、低滲特征，經(jīng)多井鉆探、測試成果揭示，在網(wǎng)狀縫和高角度裂縫發(fā)育層段，氣井產(chǎn)量相對較高。裂縫是改善新場須二段儲層儲集空間的最主要因素。

3 巖石破壞特征試驗

按照已有的巖石力學(xué)理論可知，巖石的破壞方式表現(xiàn)為兩大類,即脆性破壞與塑性破壞。脆性破壞往往意味著巖石介質(zhì)完整性、連續(xù)性的喪失；而塑性破壞，則表現(xiàn)為巖石的塑性流動，介質(zhì)的完整性、連續(xù)性得以保持。通常認(rèn)為巖石的脆性破壞是由于巖石中裂隙的存在與發(fā)展的結(jié)果，而塑性破壞是由于巖石內(nèi)部結(jié)晶晶格發(fā)生錯位的結(jié)果。然而，由于巖石礦物組成的多樣性、巖石結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、受力條件的多變性，深部地層巖石的破壞機(jī)制更為復(fù)雜，其破壞形式往往也多種多樣。本次共采集了20組須二段砂巖等巖石試樣，分別對其進(jìn)行了單軸和三軸巖石力學(xué)試驗，試驗結(jié)果表明，巖石的破裂特征除了受巖石本身的性質(zhì)影響外，在不同的受力條件下，其破壞形式差別較大，須二段砂巖的破壞形式主要有：脆性張破壞、脆性張剪破壞、沿弱面發(fā)展的剪破壞、壓剪破壞以及延性破壞5種(圖5)。

表1 新場氣田須二段巖心裂縫發(fā)育情況

圖4 新場氣田須家河組二段巖心裂縫發(fā)育特征Fig.4 Corecrack charalteristics of the Xu2 Member in Xinchang gasfielda.新10井，T2(4-1)x,平縫；b.川孝565井，T2(4-1)x，立縫

層位巖心長度/m裂縫數(shù)量/條裂縫密度/(條·m-1)頻率/%低角度縫高角度縫總量低角度縫高角度縫總密度低角度縫高角度縫T2(2)x1548964258904101605771912809T2(3)x860947115805501306781031897T2(4)x9406454490480040529184816T2(5)x513710711118208021230906810000T2(6)x81284665205700706488461154T2(7)x652210344401505206722737727T2(8)x230414500401702220008000

由于所研究地層處于地下數(shù)千米的深度，巖石承受著上覆巖層的巨大壓力，其力學(xué)參數(shù)和變形行為隨深度變化已發(fā)生了顯著的變化，故需考慮不同深度對地下巖石變形及破壞特征的影響。通過三軸實(shí)驗結(jié)果(圖6)可知，隨著圍壓(σ2=σ3)的增大，巖石試件的屈服破壞強(qiáng)度顯著增大，即彈性極限顯著增加；且隨著圍壓的增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了改變，巖石的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化，即由彈脆性—彈塑性—應(yīng)變硬化的顯著變化。結(jié)合前面地表露頭調(diào)查、巖心觀察、成像測井資料分析結(jié)果以及各構(gòu)造期次須二段巖層所處的應(yīng)力環(huán)境分析認(rèn)為，新場氣田須二段砂巖的破壞形式主要為脆性張破壞、脆性張剪破壞、沿弱面發(fā)展的剪破壞和壓剪破壞。

4 巖石破裂特征及裂縫發(fā)育數(shù)值模擬

通過地表露頭調(diào)查、巖心觀察、成像測井資料分析，可以直觀具體地統(tǒng)計巖石裂縫發(fā)育數(shù)量，但受各種條件的限制，只能得到少量的、個別井段的裂縫發(fā)育程度。我們知道巖石的破裂與其力學(xué)性質(zhì)、經(jīng)歷的構(gòu)造活動和應(yīng)力環(huán)境是緊密相關(guān)的，因而我們可以通過基于巖石力學(xué)理論的數(shù)值模擬技術(shù)來分析研究區(qū)須二段的裂縫發(fā)育程度，其研究思路如下。

圖5 部分巖石試件破壞模式Fig.5 Rock sample failure modes

圖6 第四組巖樣不同圍壓下巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves under different confining pressure for the fourth set of rock samples

從地質(zhì)原型入手，首先收集新場地區(qū)及鄰區(qū)已有的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其演化等方面的資料，對研究區(qū)構(gòu)造特征進(jìn)行全方位、系統(tǒng)的調(diào)查，同時結(jié)合深部巖體鉆井巖心觀察、錄井、測井、完井資料的對比，建立研究區(qū)的地質(zhì)模型，根據(jù)研究范圍確定地應(yīng)力分析的幾何邊界條件。結(jié)合已有的井孔崩落、鉆井誘導(dǎo)縫分析、水力壓裂曲線分析、微壓裂地應(yīng)力測試、Kaiser效應(yīng)測試等技術(shù)所獲得的地應(yīng)力資料，綜合確定模型的應(yīng)力邊界條件。通過高溫高圍壓巖石力學(xué)試驗、物理模擬和巖石力學(xué)分析確定深部巖體的物理力學(xué)參數(shù)，建立深部巖石的本構(gòu)關(guān)系及破裂準(zhǔn)則。然后利用三維數(shù)值模擬方法和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的分析方法，預(yù)測研究區(qū)巖體裂縫的發(fā)育特征及其分布規(guī)律。

通過數(shù)值計算可知，研究區(qū)巖石發(fā)生破壞的區(qū)域很小，巖體僅在斷層帶及其附近區(qū)域發(fā)生破壞，大部分巖體不會破壞，但在巖體內(nèi)部產(chǎn)生小型裂縫，受計算模型單元的大小及地質(zhì)資料的限制，不能直接用數(shù)值計算的塑性區(qū)來表示小型裂縫的產(chǎn)生，由于研究區(qū)主要發(fā)育剪切裂縫和張性裂縫，所以我們可以利用摩爾-庫侖準(zhǔn)則和格里菲斯(Griffith)理論建立的破壞接近程度來分析裂縫的發(fā)育程度。

根據(jù)摩爾理論， 巖石破壞接近程度可具體表示如下：

(1)

式中：k——與巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)的常數(shù)，無量綱；

η——巖石破裂系數(shù)，無量綱；

表3 新場氣田油氣田裂縫預(yù)測η值標(biāo)準(zhǔn)

σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

c——巖石內(nèi)聚力，MPa；

φ——巖石內(nèi)摩擦角，(°)。

當(dāng)σ1+3σ3≥0時，根據(jù)格里菲斯(Griffith)理論，巖石破壞接近程度的簡單表達(dá)式為：

(2)

式中：σt——抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)新場地區(qū)模擬計算結(jié)果，結(jié)合油田的地質(zhì)、構(gòu)造特征和鉆井、測井、試油等方面的生產(chǎn)資料，以及我們在其它地區(qū)裂縫預(yù)測經(jīng)驗進(jìn)行綜合分析對比，對新場地區(qū)裂縫發(fā)育評價制定以下標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以獲得研究區(qū)目的層各個構(gòu)造期次的巖石破壞接近程度，結(jié)合巖心觀察和成像測井的結(jié)果對比分析，可以獲得研究區(qū)各目的層裂縫發(fā)育程度，分析認(rèn)為須家河組二段第二、第四(圖7)、第七砂組巖層頂板中裂縫主要發(fā)育在斷裂帶附近、翼部較陡的轉(zhuǎn)折端及構(gòu)造高點(diǎn)區(qū)域。研究區(qū)裂縫總體方向主要是NE向、近SN向、NW向和EW向，以低角度剪切縫為主；此外在構(gòu)造高點(diǎn)地區(qū)，發(fā)育也有較大部分張性裂縫。

5 結(jié)論

根據(jù)新場地區(qū)須家河組二段的地表露頭調(diào)查、測井曲線、成像測井、鉆孔巖心分析說明，須二段儲層裂縫發(fā)育特征為以低角度裂縫為主，同時發(fā)育斜交縫、高角度縫、網(wǎng)狀縫等，裂縫走向主要有NEE，NE和SEE 3個方向。從各井段裂縫定量參數(shù)統(tǒng)計揭示，須二段與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向一致的裂縫有效性較高，且規(guī)模有效裂縫的發(fā)育是獲得氣井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因素。根據(jù)三維數(shù)值模擬的結(jié)果，結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)學(xué)關(guān)于裂縫與構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系的理論，同時參考研究區(qū)現(xiàn)有巖心觀察、測井分析等資料，確定出研究區(qū)裂縫發(fā)育分布的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)內(nèi)3個目的層裂縫發(fā)育特征的預(yù)測結(jié)果顯示，須家河二段第七、第四、第二砂組巖層頂板中裂縫主要發(fā)育在斷裂帶附近、翼部較陡的轉(zhuǎn)折端及構(gòu)造高點(diǎn)區(qū)域，與實(shí)際勘探結(jié)果基本一致。

圖7 新場氣田須二段第四砂組頂板綜合裂縫發(fā)育程度Fig.7 Roof fracture development degree of the fourth sand group of the Xu2 Member in Xinchang gas field

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(編輯 董 立)

Fracture characteristics of sandstone in the 2ndmember of Upper Triassic Xujiahe Formation in Xinchang gas field,Western Sichuan Depression

Wang Zhengrong1,2,Deng Hui1,Huang Runqiu1

(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.ChinaOrdnanceIndustrySurvey&GeotechnicalInstitute,Beijing100053,China)

Characteristics of fracture development in the 2nd member of the Upper Triassic Xujiahe Fm in Xinchang gas field were analyzed through outcrop observation,logging curve,image logging and analysis of borehole cores.The fractures in the studied interval are dominated by low angle fractures,followed by oblique fractures，high angle fractures and map cracking.And the strikes are mainly NEE,NE and SEE.The fractures can be divided into tectonic shear cracks,structural tensile fractures and bedding cleavages according to their genesis.On the basis of these studies,a three-dimensional numerical model of tectonic evolution was built according to the basic geological data and tectonic evolution features.Criteria for fracture identification were established based on theories of structural geology and taking the core observation and well logging analysis,laboratory test results into account.The calculation result shows that the T2(2)x,T2(4)xand T2(7)xsandstone roof fractures mainly developed near the fault zone.In the wing steep turn and structure peak area are main low angle shear fractures.And many tensile fractures are developed in the structure highs.Research results are basically consistent with exploration results,so the conclusion has a certain practical application and reference value.

fracture prediction,fracture characteristics of sandstone,second member of the Upper Triassic Xujiahe Formation,Xinchang gasfield,Western Sichuan Depression

2014-09-26;

2014-12-18。

王崢嶸(1970—)，女，博士研究生、高級工程師，地質(zhì)工程。E-mail:13701067318@163.com。

國家自然科學(xué)基金項目(41272332)。

0253-9985(2015)01-0080-07

10.11743/ogg20150110

TE121.2

A