郭　鵬，姚磊華，任德生

（1.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京油谷科技發(fā)展有限公司，北京100085）

安達(dá)地區(qū)營城組火山巖構(gòu)造裂縫特征及定量預(yù)測

郭鵬1，姚磊華1，任德生2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2.北京油谷科技發(fā)展有限公司，北京100085）

查明裂縫的發(fā)育程度和分布規(guī)律對于火山巖油氣藏勘探至關(guān)重要。根據(jù)松遼盆地安達(dá)地區(qū)營城組火山巖露頭、巖心和薄片等資料，對其儲集層構(gòu)造裂縫的基本特征、力學(xué)性質(zhì)和有效性進(jìn)行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，營城組儲集層主要發(fā)育近南北向、北北西—南南東向、北西—南東向和近東西向的共軛構(gòu)造裂縫系統(tǒng)，巖心裂縫線密度主體為0.20～1.00條/cm，以張性裂縫為主，多為半充填的有效裂縫。以三維構(gòu)造應(yīng)力場模擬為基礎(chǔ)，結(jié)合破裂法和能量法，建立了安達(dá)地區(qū)營城組構(gòu)造裂縫分布定量預(yù)測模型，并應(yīng)用該模型預(yù)測了構(gòu)造裂縫發(fā)育的有利區(qū)，為下步火山巖油氣勘探開發(fā)提供參考。

松遼盆地；徐家圍子斷陷帶；安達(dá)地區(qū)；營城組；火山巖儲集層；構(gòu)造裂縫；三維構(gòu)造應(yīng)力場；定量預(yù)測

火山巖裂縫性儲集層發(fā)育程度主要受裂縫的控制，在低滲透地區(qū)，裂縫形成受到巖性和巖相的影響，經(jīng)過成巖作用的改善，雖有發(fā)育，但連通性很差，大部分為無效孔隙［1］。而構(gòu)造裂縫分布廣、規(guī)律性強(qiáng)，成組出現(xiàn)，可以將原生裂縫和早期構(gòu)造裂縫與其他孔隙連通起來。一般情況下，在構(gòu)造裂縫發(fā)育區(qū)其他成因的裂縫也很發(fā)育［2］，在勘探過程中尋找寬度不同的構(gòu)造裂縫發(fā)育帶，建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，研究斷層對裂縫的影響，特別是主干斷裂系統(tǒng)對裂縫的控制作用，進(jìn)而預(yù)測裂縫的變化規(guī)律，對尋找構(gòu)造裂縫發(fā)育的火山巖油氣藏具有十分重要的意義。

松遼盆地徐家圍子斷陷帶安達(dá)地區(qū)營城組火山巖儲集層致密、脆性較強(qiáng)，在構(gòu)造應(yīng)力場作用下易產(chǎn)生大量裂縫。這些裂縫發(fā)育區(qū)不僅是油氣有效的儲集空間，也是油氣運(yùn)移的主要通道。前人對徐家圍子斷陷帶安達(dá)地區(qū)營城組火山巖構(gòu)造裂縫特征缺乏系統(tǒng)的研究，且預(yù)測方法僅依靠巖石破裂法，很難取得較好的預(yù)測結(jié)果?；鹕綆r要成為良好的儲集層，必須發(fā)育受后期構(gòu)造作用產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫，將原來的無效孔隙連通起來。本次研究主要從構(gòu)造應(yīng)力角度分析營城組構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度，同時基于破裂法和能量法建立了火山巖儲集層構(gòu)造裂縫定量預(yù)測模型，進(jìn)而預(yù)測儲集層構(gòu)造裂縫分布有利區(qū)，為下一步火山巖油氣藏的勘探、開發(fā)提供參考。

1　火山巖構(gòu)造裂縫基本特征

1.1裂縫優(yōu)勢方位

安達(dá)地區(qū)位于松遼盆地徐家圍子斷陷帶的北部（圖1），構(gòu)造總體上呈東西高、中間凹、南高北低的形態(tài)，面積約1 100 km2.多期構(gòu)造運(yùn)動造成安達(dá)地區(qū)次生構(gòu)造裂縫發(fā)育，并成組出現(xiàn)在巖體中，分布廣泛、規(guī)律性強(qiáng)［3］。為了恢復(fù)古構(gòu)造最大水平主應(yīng)力方向，根據(jù)吉林九臺地區(qū)八棵樹野外露頭裂縫的描述與測量來鑒定裂縫的延伸方向。營城組火山巖裂縫具有成組、成帶分布特征，平面延伸的優(yōu)勢方向為近南北向、東西向、北西向及南東向，裂縫的優(yōu)勢方向與斷層走向基本一致（圖2a）。根據(jù)共軛剪切裂縫野外分期配套，裂縫可分為3期：最早期為近南北向和北北西—南南東向；中期為北西—南東向；晚期為近東西向。裂縫傾向主要有5組，分別是南東向、正西向、正南向、南西向和正北向（圖2b）。

圖1　研究區(qū)構(gòu)造位置

圖2　安達(dá)地區(qū)野外相似露頭區(qū)營城組構(gòu)造裂縫走向及傾向

1.2裂縫特征參數(shù)

從研究區(qū)20口取心井巖心中可看出，營城組構(gòu)造裂縫比較發(fā)育，以高角度裂縫為主，高角度裂縫、斜交裂縫和低角度裂縫所占比例分別為66.67%，30.77%和2.56%.通過對薄片中230條微裂縫開度統(tǒng)計，裂縫最大開度為1.61 mm，主要為0.01～0.60 mm；微裂縫（ ≤0.10 mm）、小裂縫（0.10～1.00 mm）和中裂縫（1.00～10.00 mm）所占比例分別為74.40%，24.15%和0.97%，大裂縫（ ≤10.00 mm）不發(fā)育。從巖心上看，裂縫開度與裂縫規(guī)模呈正相關(guān)關(guān)系，通常由2～4條單裂縫組成裂縫發(fā)育帶。垂向上裂縫主要在巖層內(nèi)發(fā)育，只在巖石力學(xué)性質(zhì)相接近部位才切穿巖層，力學(xué)性質(zhì)控制了裂縫的分布。徐家圍子斷陷帶營城組火山巖裂縫線密度主要為0.20～1.00條/cm，占94.7%；1.20～1.60條/cm的裂縫約占5.3%.

1.3裂縫的力學(xué)性質(zhì)和有效性

儲集層構(gòu)造裂縫以張性裂縫和張扭性裂縫為主，壓扭性裂縫和剪切裂縫次之。裂縫大部分為半充填的有效裂縫，充填物多以硅質(zhì)、火山巖屑及碎屑巖脈為主（圖3）。由剪切作用形成的剪性裂縫較為平直，其特征為延伸較遠(yuǎn)、縫壁平直，一般共軛產(chǎn)出，常呈現(xiàn)“X”狀共軛節(jié)理縫系，破裂面兩側(cè)具有一定的剪切錯動。顯微剪性裂縫可以切穿斑晶，剪性縫的共軛剪裂角一般小于40°.研究區(qū)早期形成的火山巖構(gòu)造裂縫多已愈合，或被火山物質(zhì)、硅質(zhì)、鈣質(zhì)等次生礦物充填。這類裂縫的儲集空間很小，多為無效裂縫，但此種裂縫在后期構(gòu)造應(yīng)力作用下，可能會重新開啟或被溶蝕，成為油氣運(yùn)移的通道或儲集空間。

圖3　安達(dá)地區(qū)營城組火山巖典型顯微裂縫特征

2　三維構(gòu)造應(yīng)力場模擬

2.1構(gòu)造應(yīng)力場特征

根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場演化特征，松遼盆地主要經(jīng)歷了3期構(gòu)造運(yùn)動［4］，分別是嫩江組沉積末期，明水組沉積末期和現(xiàn)今期構(gòu)造運(yùn)動。通過古地磁定向和巖石的聲發(fā)射測試，確定研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的方向和大小。研究區(qū)在嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和現(xiàn)今期的最大主應(yīng)力方向分別為北北西—南南東向、南東東—北西西向和近東西向［5］。

2.2構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬

區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力展布不僅受構(gòu)造運(yùn)動背景、運(yùn)動期次和空間位置的影響，還與構(gòu)造運(yùn)動的主壓應(yīng)力方向、巖石力學(xué)屬性、斷裂展布特征、位移邊界條件和地層厚度等因素密切相關(guān)［6］。本次研究主要對安達(dá)地區(qū)營城組火山巖儲集層進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬。

（1）地質(zhì)模型根據(jù)安達(dá)地區(qū)構(gòu)造解釋成果，以古構(gòu)造圖為背景，建立研究區(qū)（南北長約45 km，東西寬約38 km）地質(zhì)模型。模型覆蓋了安達(dá)地區(qū)的主要構(gòu)造及斷裂組合。

研究區(qū)火山巖構(gòu)造應(yīng)力場和構(gòu)造裂縫的分布主要受斷裂構(gòu)造的控制［7］。模型中主要考慮了對研究區(qū)構(gòu)造起控制作用的18條大斷裂。由于3期構(gòu)造運(yùn)動最大主應(yīng)力的作用方向不同，為了便于加載構(gòu)造應(yīng)力并消除邊界效應(yīng)，在模型的外圍建立加載邊框。

采用非均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型，把斷層和周圍基巖設(shè)計成一定寬度的斷裂帶，將斷裂帶定義為弱值區(qū)［8-9］，其寬度根據(jù)實際斷裂的規(guī)模和水平斷裂位移確定。

模型目的層為營城組，將營城組以下地層在建模時作為一個層組考慮，并根據(jù)各地層頂、底界的海拔及厚度，將研究區(qū)分為6個層位，從上到下分別為姚家組—嫩江組（K2y—K2n）、青山口組（K2qn）、泉頭組三段-四段（K1q3-4）、登婁庫組—泉頭組一段-二段（K1d—K1q1-2）、火石嶺組—營城組（J3h—K1y）和基底（圖4）。

（2）參數(shù)確定安達(dá)地區(qū)的層序地層可以揭示主要地層及對應(yīng)的巖性、巖相特征。在巖性分區(qū)時，不僅考慮了不同層組的巖石力學(xué)屬性，還考慮了火山巖平面上巖相的分布特征（表1），如：營城組主要考慮了近火山口相、近源相和遠(yuǎn)源相的力學(xué)屬性。

圖4　研究區(qū)三維有限元地質(zhì)模型

表1　研究區(qū)數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

（3）邊界條件地層模型建立后，施加應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件。模型受到的作用力有水平構(gòu)造力、重力和上覆巖層壓力。在邊界條件加載時，假設(shè)z軸為深度方向，垂直向上為正，x軸正方向指向東，y軸正方向指向北（圖4）。模型底部在垂向上約束，在模型的兩個側(cè)面加載垂直于邊界面的構(gòu)造應(yīng)力，在模型的另兩個側(cè)面施加垂直于作用面方向的位移約束，模型的上表面定義為自由面，在z方向施加重力加速度。構(gòu)造作用力分別按嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和現(xiàn)今期3種情況進(jìn)行加載。

（4）模型求解模型采用10節(jié)點的四面體單元進(jìn)行剖分。先從斷裂規(guī)模較小的實體開始剖分。再按每個層位分別剖分，構(gòu)造三維網(wǎng)格模型。整個研究區(qū)域共劃分110 462個單元，153 983個節(jié)點。數(shù)學(xué)模型建立后，采用Ansys有限元軟件對嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行模擬，得到了目的層火山巖在古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)今應(yīng)力場作用下的3個主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分布。

3　構(gòu)造裂縫定量預(yù)測方法

營城組火山巖構(gòu)造裂縫的破裂類型有張性裂縫、張扭性裂縫和剪性裂縫，但張性裂縫和剪性裂縫是研究區(qū)主要的破裂形態(tài)［10］。

3.1巖石破裂法

巖心裂縫統(tǒng)計表明，安達(dá)地區(qū)營城組火山巖中張性裂縫約占15.9%，張扭性裂縫約占47.6%，剪性裂縫約占36.5%，為了定量說明張性裂縫發(fā)育程度，定義張性裂縫指數(shù)T=σT/［σt］（σT為有效張應(yīng)力，［σt］為巖石的抗張強(qiáng)度）。為了定量說明剪性裂縫發(fā)育程度，定義剪性裂縫指數(shù)F=τn/|τ|（τn為有效剪應(yīng)力，|τ|為巖石的抗剪強(qiáng)度），巖石的張、剪破裂程度分別隨著張裂縫指數(shù)T和剪裂縫指數(shù)F的增大而增加。從研究區(qū)巖心的裂縫分布特征判斷，張性裂縫和剪性裂縫在儲集層中不是單獨存在，而是共同發(fā)育的，儲集層裂縫發(fā)育程度也是兩種裂縫的綜合反映結(jié)果。因此，引入地層破裂值P，張裂縫指數(shù)和剪裂縫指數(shù)分別乘0.6和0.4后求和，即

原則上，P越大，地層裂縫越發(fā)育。事實上，火山巖儲集層中裂縫的發(fā)育程度不僅僅由破裂值單個指標(biāo)來決定［11］。

3.2能量法

根據(jù)Price建立的理論，巖石中的應(yīng)變能從另一個角度反映了裂縫的發(fā)育程度［12］。通過構(gòu)造應(yīng)力場模擬得出地層中的應(yīng)力值，單位體積的應(yīng)變能由下式給出：

式中σ1——最大主應(yīng)力，MPa；

σ2——中間主應(yīng)力，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa；

E——楊氏模量，MPa；

v——泊松比。

能量值是巖石中單位體積的彈性應(yīng)變能N，定義u=N/Nmax（Nmax為目的層最大彈性應(yīng)變能）來表示巖石儲存的能量值。為了彌補(bǔ)破裂值單個指標(biāo)的不足，提出用能量值共同預(yù)測構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度。當(dāng)巖石破裂時，能量值越大裂縫的發(fā)育程度可能越高。當(dāng)巖石在靜巖應(yīng)力作用下，能量值很大，但是破裂值始終為零，巖石也不會破裂［13］。因此，破裂值或能量值單個指標(biāo)均具有一定的局限性，應(yīng)由二者結(jié)合才能準(zhǔn)確評價火山巖構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度。

3.3構(gòu)造裂縫定量預(yù)測模型

從上述分析可知，破裂值表示裂縫能否產(chǎn)生，能量值表示裂縫的發(fā)育能力。因此，將兩種方法共同結(jié)合來判斷構(gòu)造裂縫的發(fā)育范圍和程度。通過已知的井位數(shù)據(jù)，采用最小二乘法回歸目的層的預(yù)測裂縫密度I，以此建立構(gòu)造裂縫定量預(yù)測模型。如果裂縫密度預(yù)測值與巖心裂縫密度統(tǒng)計值誤差小于25%，可以認(rèn)為預(yù)測結(jié)果吻合較好［14］。

將破裂值P、能量值u與預(yù)測裂縫密度I之間進(jìn)行最小二乘法擬合，通過反復(fù)試算確定預(yù)測裂縫密度I的計算公式為

將營城組火山巖的破裂值、能量值與已知井的巖心觀測裂縫密度代入（3）式，經(jīng)Matlab軟件最小二乘法回歸分析，可確定（3）式中的系數(shù)：a1=0.551 9，a2=0.398 9，a3=-0.641 3.

由應(yīng)力場計算出破裂值P和能量值u，然后由（3）式可得到任意點的預(yù)測裂縫密度I.將已鉆井巖心觀測裂縫密度與（3）式所得預(yù)測裂縫密度對比（表2）可以看出，只有1口井的相對誤差大于25%，表明預(yù)測結(jié)果較為理想。利用預(yù)測模型對營城組火山巖未知區(qū)域的構(gòu)造裂縫密度進(jìn)行預(yù)測，得出裂縫發(fā)育有利區(qū)。

表2　安達(dá)地區(qū)營城組火山巖預(yù)測裂縫密度與巖心觀測裂縫密度對比

3.4營城組火山巖構(gòu)造裂縫預(yù)測與評價

根據(jù)研究區(qū)營城組火山巖實際情況，定義營城組火山巖儲集層中構(gòu)造裂縫密度大于0.40條/cm區(qū)域為裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫密度0.20～0.40條/cm的區(qū)域為次發(fā)育區(qū)，裂縫密度低于0.20條/cm的區(qū)域為不發(fā)育區(qū)（圖5）。

由圖5可以看出，研究區(qū)構(gòu)造裂縫發(fā)育區(qū)主要位于達(dá)深401井、汪深101井、汪深1井北部和達(dá)深3井區(qū)等一帶；裂縫不發(fā)育區(qū)主要位于升深203井、汪905井、達(dá)深6井、宋深1井等井區(qū)及達(dá)深1井西部井區(qū)。根據(jù)研究區(qū)已鉆井試氣結(jié)果，位于裂縫發(fā)育區(qū)的氣井日產(chǎn)量均在5×104m3以上（表3），從而印證了本次裂縫預(yù)測的準(zhǔn)確性。

圖5　安達(dá)地區(qū)營城組火山巖儲集層構(gòu)造裂縫發(fā)育有利區(qū)分布

表3　安達(dá)地區(qū)氣井試氣成果

4　結(jié)論

（1）安達(dá)地區(qū)營城組火山巖儲集層裂縫優(yōu)勢方向為近南北向、東西向、北西向及南東向；構(gòu)造裂縫以張性裂縫和張扭性裂縫為主，裂縫大部分為半充填的有效裂縫。

（2）基于數(shù)理統(tǒng)計學(xué)原理，綜合破裂法和能量法對營城組火山巖構(gòu)造裂縫進(jìn)行定量預(yù)測，比單一指標(biāo)更能充分反映裂縫發(fā)育的程度，預(yù)測效果較好。預(yù)測裂縫密度與巖心觀測裂縫密度符合度較高。預(yù)測裂縫密度越高的井位，對應(yīng)點儲集層的裂縫越發(fā)育。

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Characteristics and Quantitative Prediction of Tectonic Fractures of Yingcheng Formation in Volcanic Reservoir of Anda Area in Songliao Basin

GUO Peng1，YAO Leihua1，REN Desheng2
（1.School of Engineeringand Technology，ChinaUniversity of Geosciences，Beijing 100083，China；2.BeijingOil Valley Technology Development Corporation，Beijing 100085，China）

The key of exploration of avolcanic reservoir is to make clear the development and distribution of fractures in it.This paper pres?ents the statistical analysis of the basic feature，the mechanical property and the effectiveness of the tectonic fractures in the volcanic reser?voir of the Yingcheng formation in Anda area in Songliao basin，based on the outcrop，core and thin?section data of the volcanic rocks in this area.The results show that the Yingcheng reservoir mainly develops in regional conjugate tectonic fracture system to near?SN，NNWSSE，NW-SE and near?EW directions，with core fracture linear density of 0.20～1.00 ribbons per ceti meter.The most tectonic fractures are tensional and half?filled.By 3D tectonic stress field simulation，combined with rock burst method and energy method，a quantitative predic?tion model for tectonic fracture distribution of Yingcheng formation in Anda area is developed，by which the favorable areas with developed tectonic fractures are predicted，providing important reference for further exploration and development of the volcanic rock reservoirs in this area.

Songliao basin；Xujiaweizi rift zone；Anda area；Yingcheng formation；volcanic reservoir；tectonic fracture；3D tectonic stress field；quantitative prediction

TE112.2

A

1001-3873（2015）06-0696-06

10.7657/XJPG20150611

2015-06-06

2015-08-08

國家科技重大專項（2011ZX05001）

郭鵬（1984-），男，山西晉城人，博士研究生，石油地質(zhì)，（Tel）18811783428（E-mail）tumuguopeng@163.com.