劉 暢,王 翔,趙長虎,尹 帥

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司,北京100016;2.中海石油(中國)有限公司非常規(guī)油氣分公司,北京100016;3.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司勘探事業(yè)部,四川成都610000;4.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司塔中油氣開發(fā)部,新疆庫爾勒841000;5.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710065)

致密砂巖氣是非常規(guī)油氣中最為常規(guī)的一種,也是當(dāng)前油氣勘探開發(fā)最為現(xiàn)實(shí)的一種資源[1-2]。國內(nèi)致密砂巖氣在2011年的產(chǎn)能已達(dá)到2.56×1010m3,約占天然氣總產(chǎn)量的25%[3]。沁水盆地是一個(gè)殘留型盆地,其上古生界發(fā)育多套海陸過渡相煤系[3]?！懊合怠庇址Q“煤巖系”或“含煤建造”,泛指含有煤層或煤線的沉積巖體系。目前,該區(qū)煤系已獲得煤層氣商業(yè)開發(fā),但致密砂巖氣尚處于勘探階段[4]。下二疊統(tǒng)山西組3號煤層是煤層氣開發(fā)的主力煤層,也是煤系致密砂巖儲層的主要烴源巖。氣測資料顯示,山西組致密砂巖具有較大的勘探潛力,但煤系致密砂巖儲層的單砂組厚度較薄,非均質(zhì)性強(qiáng)。概括來說,沉積作用是該類型儲層形成的基礎(chǔ);成巖作用對致密砂巖儲層發(fā)育進(jìn)行了適度改造;構(gòu)造演化調(diào)整了天然氣的分布;裂縫是天然氣富集的核心因素[3-5]。具有較高產(chǎn)能的“地質(zhì)甜點(diǎn)”主要分布在裂縫發(fā)育區(qū)內(nèi)[5-6]。

由于沁水盆地所處的特殊大地構(gòu)造位置,中新生代構(gòu)造應(yīng)力場的演化具有多期變化的特點(diǎn),不同構(gòu)造演化時(shí)期應(yīng)力場的變化和疊加,影響著裂縫的形成,其復(fù)雜程度制約著從力學(xué)角度進(jìn)行裂縫的表征和預(yù)測[3-4]。在致密砂巖儲層裂縫預(yù)測方面,采用的方法包括了地質(zhì)及測井分析法、構(gòu)造曲率分析法、地震預(yù)測方法及構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬方法等[7-8]。這些方法基于地質(zhì)、測井、地震及數(shù)值模擬方法可以對致密砂巖儲層裂縫進(jìn)行定量表征,不足之處在于:地質(zhì)及測井分析方法受資料限制,具有一定局限性;構(gòu)造曲率方法在考慮不同巖性地層變形及破裂特征方面存在缺陷;地震預(yù)測方法的分辨率通常無法達(dá)到巖心尺度裂縫級別;構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬方法基于應(yīng)力傳遞及應(yīng)變原理,可以對巖心尺度裂縫進(jìn)行較好的預(yù)測,但對于不同類型巖體而言,選取何種裂縫計(jì)算方法最為有效是一個(gè)難題。

沁水盆地自晚三疊世印支運(yùn)動(dòng)以來,經(jīng)歷了深埋藏、多期構(gòu)造旋回及晚期強(qiáng)烈快速隆升剝蝕等復(fù)雜構(gòu)造演化,煤系裂縫發(fā)育特征復(fù)雜[9]。裂縫的形成機(jī)制主要受控于古構(gòu)造應(yīng)力場環(huán)境,因此,對該類型儲層進(jìn)行系統(tǒng)裂縫表征及古構(gòu)造應(yīng)力場模擬是實(shí)現(xiàn)裂縫有效預(yù)測的可行方法[10]。本文以沁水盆地南部地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組為例,基于巖心、地震、測井、實(shí)驗(yàn)測試及三維有限元法(FEM),對致密砂巖的裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了研究,并對古構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了恢復(fù)。然后,結(jié)合Griffith張性破裂準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb剪切破裂準(zhǔn)則,對目的層的裂縫發(fā)育程度進(jìn)行了預(yù)測,取得了較好的評價(jià)效果。將該方法應(yīng)用于海陸過渡相煤系致密砂巖儲層預(yù)測,具有一定新意。

1 地震資料解釋

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沁水盆地南部的煤層氣開發(fā)區(qū)塊,范圍包括了莊區(qū)塊及樊莊區(qū)塊,區(qū)內(nèi)地震測線分布情況如圖1所示。利用地震資料對研究區(qū)構(gòu)造及斷裂進(jìn)行了精細(xì)刻畫。該區(qū)的地勢整體表現(xiàn)為東南高、西北低。沁水盆地南部地區(qū)的地層包括前寒武系、寒武系、奧陶系峰峰組、石炭系本溪組及太原組、二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組、三疊系及第四系,主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組及下二疊統(tǒng)山西組。本文研究的目的層為山西組,該地層屬于陸表海淺水三角洲沉積體系,主要發(fā)育三角洲平原相,三角洲前緣及前三角洲相相對欠發(fā)育,其主要沉積微相為分流河道、分流間灣及沼澤[11]。

圖1 研究區(qū)地震測線分布

山西組的主要巖性為中-粗粒長石石英砂巖及石英長石砂巖,其次為巖屑砂巖及少量礫巖。山西組的單砂組厚度較小,主要厚度范圍在1～20m。目的層在晚三疊世末經(jīng)歷了快速深埋藏的沉積過程,巖石顆粒的壓實(shí)程度高,后期又普遍經(jīng)歷了復(fù)雜成巖作用及剝蝕抬升等強(qiáng)改造作用,儲層物性較差[9]。山西組致密砂巖的儲集空間類型主要為次生孔隙、粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔及微裂縫。其覆壓孔隙度分布范圍為1.0%～14.5%,主值分布在1.0%～5.0%;覆壓滲透率分布范圍為(0.1～35.0)×10-3μm2,主值分布在(0.1～1.5)×10-3μm2。山西組自上而下被劃分為4個(gè)砂組,分別為Ⅰ砂組、Ⅱ砂組、Ⅲ砂組及Ⅳ砂組,其中,Ⅰ砂組和Ⅱ砂組的儲層物性最好,裂縫發(fā)育程度較高,致密砂巖氣勘探潛力較大。

1.2 褶皺發(fā)育特征

研究區(qū)上古生界地層普遍發(fā)生了強(qiáng)烈的變形作用,地層展布具有地壘和地塹相間分布的特征,發(fā)育負(fù)花狀斷裂(圖2)。負(fù)花狀斷裂具有走滑性質(zhì)的重要標(biāo)志[2]。該地區(qū)發(fā)育2條邊界二級斷裂,即寺頭斷裂及后城腰斷裂,這2條斷裂之間為一個(gè)大型地塹(圖2)。該地塹延伸距離遠(yuǎn),貫穿整個(gè)鄭莊區(qū)塊的東南部地區(qū)。地塹內(nèi)部的地層發(fā)生了較為嚴(yán)重的變形,并表現(xiàn)出階階下陷的構(gòu)造特征。研究區(qū)褶皺為橫彎褶皺作用形成的等厚褶皺,是由于燕山中晚期和喜山期的走滑拉分作用產(chǎn)生的高角度正斷層造成的基底塊斷差異升降作用而形成;背斜褶皺寬緩,向斜褶皺緊閉,構(gòu)成該地區(qū)低幅度“隔槽式”復(fù)式褶皺。

圖2 過地震測線QS08-97的剖面解釋結(jié)果 圖中,6個(gè)地震反射層從上到下分別為:下石盒子組(P1x)頂界),T5(山西組(P1s)頂界),T6(3號煤層(3#)),T7(太原組(C3t)頂界),T8(15號煤層(15#))和Tg(中奧陶統(tǒng)(O2)頂界)。

1.3 斷裂發(fā)育特征及分布

高角度近垂直走滑斷裂在沁水盆地南部地區(qū)極為發(fā)育。從盆地周邊出露的新老地層斷裂特征來看,如沁水盆地東側(cè)太行山斷裂帶的淺部發(fā)育NE向近垂直張性走滑斷裂,這些高陡張性走滑斷裂疊加在中晚侏羅世(J2+3)逆沖斷層之上[12],反映出盆地后期局部區(qū)域斷裂發(fā)生了強(qiáng)烈的負(fù)反轉(zhuǎn)活動(dòng)。研究區(qū)發(fā)育基底張性走滑斷裂控制的下降盤(上盤)正牽引褶皺和上升盤(下盤)等厚褶皺(圖3)。

研究區(qū)走滑斷裂面在水平面上呈S型、反S型、雁列式或側(cè)列式排列等多種形式分布。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育NE向、NEE向、NNE向及NNW向等多組斷裂體系(圖4)。其中,NE向斷裂的發(fā)育程度最高,該地區(qū)主干邊界大斷裂如寺頭斷裂及后城腰斷裂的主走向均為NE向,其次為NNE向,少量斷層的走向?yàn)镹S向及WNW向。

根據(jù)沁水盆地南部地區(qū)斷裂規(guī)模(斷距大小、延伸長度及斷開層位)以及對構(gòu)造與沉積的控制作用,將該地區(qū)的斷裂劃分為以下3個(gè)級別(圖4)。①二級斷裂:為盆內(nèi)二級構(gòu)造單元的邊界斷裂,斷裂規(guī)模較大、延伸長度大,屬于控“帶”斷裂,如寺頭斷裂,后城腰斷裂。②三級斷裂:為盆地內(nèi)局部構(gòu)造的邊界斷裂,斷裂規(guī)模中等,延伸長度較短,屬于控“圈”斷裂。③四級斷裂:斷裂規(guī)模小,多為主干斷裂派生的次級斷裂,走向多與主干斷裂一致或斜交,對構(gòu)造應(yīng)力的釋放主要起調(diào)節(jié)作用,其存在往往使局部構(gòu)造或圈閉復(fù)雜化。該地區(qū)主要發(fā)育四級斷裂。本文在有限元三維建模過程中,盡可能地精細(xì)刻畫目的層褶皺及各個(gè)級別斷裂的分布特征,從而提高裂縫預(yù)測精度。

圖3 過地震測線QS08-89.5的剖面解釋結(jié)果 圖中,6個(gè)地震反射層從上到下分別為:下石盒子組(P1x)頂界),T5(山西組(P1s)頂界),T6(3號煤層(3#)),T7(太原組(C3t)頂界),T8(15號煤層(15#))和Tg(中奧陶統(tǒng)(O2)頂界)。

圖4 研究區(qū)山西組不同級別斷裂平面分布

2 煤系致密砂巖儲層裂縫發(fā)育特征

2.1 裂縫發(fā)育特征

山西組致密砂巖的露頭及巖心尺度裂縫均較為發(fā)育。裂縫實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積分布的三維地質(zhì)體,因此,觀察露頭裂縫可以詳細(xì)了解裂縫的空間展布情況。而常規(guī)鉆井巖心僅為“一孔之見”,通常無法鉆遇大尺度裂縫,也無法對裂縫的組合規(guī)律或方向性進(jìn)行有效判定[6]。山西組露頭裂縫主要包括區(qū)域構(gòu)造裂縫、褶皺相關(guān)裂縫及斷層相關(guān)裂縫3種類型[13-15]。

山西組致密砂巖的裂縫類型包含構(gòu)造裂縫及多種非構(gòu)造裂縫。構(gòu)造裂縫主要包括張性裂縫(圖5a至圖5d)、剪切裂縫(圖5e至圖5h)及一定數(shù)量擠壓裂縫(圖5i)。張性裂縫是在拉張應(yīng)力環(huán)境下形成的一類裂縫,通常具有較大的張開度,所占比例約為58.5%。剪切縫多受局部擠壓及走滑剪切作用而形成,其縫面平直,延伸距離較長(圖5e至圖5g),所占比例約為28.5%。山西組致密砂巖中還發(fā)育相當(dāng)數(shù)量的擠壓縫(圖5i),該類裂縫形成于擠壓構(gòu)造作用下,同時(shí)兼具有剪切及張性裂縫(擠壓擴(kuò)張)的特征,其裂縫開度整體較小,通常無固定取向,所占比例約為7.0%。構(gòu)造裂縫的充填程度多為半充填及未充填,裂縫的有效性較好。非構(gòu)造縫主要發(fā)育溶蝕縫,所占比例約為6.0%。

圖5 研究區(qū)山西組致密砂巖裂縫特征巖心觀察a HG31-2井,670.0m; b 方解石半充填縫,HG31-1井,737.7m; c 半充填縫,HG31-2井,675.0m; d 中-高角度縫,全充填,華浦27-3井,620.0m; e 低角度剪切縫,未充填,ZS69井,668.0m; f 未充填縫,ZS69井,1153.6m; g 全充填縫,ZS72井,1089.4m; h 未充填縫及低角度炭質(zhì)條帶,HG31-2井,672.0m; i 未充填縫,ZS72井,1109.0m

2.2 構(gòu)造部位及斷裂對裂縫發(fā)育程度的影響

對單井山西組裂縫發(fā)育程度進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示,在構(gòu)造應(yīng)力值變化梯度較大的區(qū)域,即構(gòu)造復(fù)雜部位,主要指背斜的頂端及翼部、洼陷的底部及斜坡部位,這些區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力值梯度的變化通常較大,裂縫較為發(fā)育。如圖6中ZS69井處于洼陷的斜坡部位,該井NE方向附近有一條延伸規(guī)模較大的斷裂,該井的總縫密度達(dá)4.32條/m,有效縫密度為3.94條/m,裂縫較為發(fā)育。

在大型走滑斷裂附近或斷裂帶的交切部位及末端等位置,應(yīng)力集中導(dǎo)致的巖體被切割程度高,裂縫通常較為發(fā)育。如圖6中ZS83井位于該地區(qū)最大一條二級斷裂(寺頭斷裂)的北部及后城腰斷裂(二級斷裂)的南部,其周邊同時(shí)發(fā)育多條NE向近平行展布的斷裂,該井總縫密度達(dá)2.49條/m,有效縫密度為2.17條/m,裂縫較為發(fā)育。HG17-2井位于研究區(qū)東北部,靠近寺頭斷裂,同時(shí),其周邊分布多條近NNE分布的斷裂(圖6)。該井在山西組中總縫密度達(dá)2.37條/m,有效縫密度為1.79條/m,裂縫較為發(fā)育。

而ZS72井、ZS78井和ZS80井所處的構(gòu)造部位較為平緩,周邊斷裂相對欠發(fā)育,裂縫發(fā)育程度相對低一些,有效縫密度均小于1.67條/m(圖6)。此外,有些斷層的規(guī)模雖然不大,但其附近裂縫的發(fā)育程度卻很高,這可能與斷層的活動(dòng)性有關(guān)。例如HG17-2井附近斷裂規(guī)模不大,但這些斷裂的斷距均較大,約在80m,表明斷裂的活動(dòng)較為強(qiáng)烈,同時(shí),其發(fā)育受附近寺頭斷裂的影響。長期活動(dòng)性或活動(dòng)性強(qiáng)的斷層周邊巖體的裂縫發(fā)育程度會(huì)更高。

圖6 研究區(qū)下二疊統(tǒng)山西組巖心裂縫密度分布情況觀察結(jié)果

3 地應(yīng)力模擬及裂縫預(yù)測

3.1 地質(zhì)模型

山西組包含4個(gè)砂組,其中,Ⅱ砂組在4個(gè)砂組中的裂縫發(fā)育程度最高,致密砂巖氣勘探潛力最大。對4個(gè)砂組均建立了應(yīng)力場模型,本文僅以Ⅱ砂組為例進(jìn)行相關(guān)分析。首先,建立Ⅱ砂組的地質(zhì)模型,地質(zhì)模型包括層序地層分布、構(gòu)造形態(tài)及巖相[16]。Ⅱ砂組的沉積相及厚度分布如圖7所示,其主要沉積微相為分流河道及分流間灣。

該三維建模技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是實(shí)體模型及空間曲面的構(gòu)建。該技術(shù)的思路建立在形函數(shù)和趨勢面分析法的理論基礎(chǔ)上,遵循“點(diǎn)→線→面→體”的原則,生成符合真實(shí)地質(zhì)體幾何形狀的獨(dú)立實(shí)體模型,并借助布爾操作將實(shí)體模型連接在一起。為達(dá)到理想的效果,利用基于空間曲面插值擬合的方法來實(shí)現(xiàn)。

圖7 山西組Ⅱ砂組沉積相(a)及等厚圖(b)

利用某軟件進(jìn)行地質(zhì)建模,Ⅱ砂組的厚度變化、褶皺分布及斷裂都被考慮在內(nèi)。研究區(qū)的斷裂主要形成于燕山期,部分四級小斷裂形成于喜馬拉雅早期;研究區(qū)自燕山晚期以來以整體隆升剝蝕為主要特征,褶皺形態(tài)未發(fā)生明顯變化。因此,利用現(xiàn)今的斷裂和褶皺特征進(jìn)行喜馬拉雅期的古構(gòu)造應(yīng)力場模擬是合理的。三維建模技術(shù)建立在形態(tài)函數(shù)及趨勢面分析基礎(chǔ)之上[17]。利用Pre-processing模塊輸入地質(zhì)坐標(biāo)數(shù)據(jù),根據(jù)“點(diǎn)→線→面→體”的原則完成模型的構(gòu)建[18]。考慮到研究區(qū)主要發(fā)育走滑斷裂,所添加的斷裂均為垂直斷裂,這樣可以更好地模擬走滑斷裂對地應(yīng)力分布的影響。最終建立Ⅱ砂組地質(zhì)模型。

3.2 力學(xué)參數(shù)賦值

地質(zhì)模型構(gòu)建完成后,需要對模型的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行賦值,從而使地質(zhì)模型向力學(xué)模型轉(zhuǎn)換[19]。本文以沉積相為約束,參考了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果及力學(xué)參數(shù)測井解釋結(jié)果,對不同力學(xué)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了賦值,最終賦值結(jié)果如表1所示。盆地整體處于擠壓構(gòu)造環(huán)境下,斷層通常認(rèn)為是被弱化的單元,其密度略小于結(jié)構(gòu)完整的地層,且其楊氏模量和內(nèi)聚力較低,而泊松比較高。

表1 Ⅱ砂組力學(xué)參數(shù)賦值方案

注:ρ為密度;E為楊氏模量;ν為泊松比;T為抗張強(qiáng)度;C為內(nèi)聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

3.3 網(wǎng)格剖分及地應(yīng)力加載方案

將建立的地質(zhì)模型網(wǎng)格化,細(xì)分為一系列的節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格。研究區(qū)山西組Ⅱ砂組模型共含有節(jié)點(diǎn)37848個(gè),單元109078個(gè)(圖8)。主要網(wǎng)格單元為四面體,此外,在構(gòu)造復(fù)雜部位還包含一些五面體及六面體。

圖8 山西組Ⅱ砂組網(wǎng)格模型

對山西組致密砂巖樣品進(jìn)行了聲發(fā)射(AE)實(shí)驗(yàn)測試,2組樣品分別取自ZS83井的887～888m井段(Ⅱ砂組)及ZS72井的1101～1102m井段(Ⅲ砂組)。采用的儀器為Mistras Micro-Ⅱ數(shù)字聲發(fā)射測試系統(tǒng)。

研究區(qū)裂縫主要形成于燕山期和喜馬拉雅期,其中,燕山期裂縫屬于早期裂縫,多為全充填縫,裂縫的有效性差。該期裂縫的分布主要受斷裂的影響。而喜馬拉雅期裂縫為晚期裂縫,多為半充填縫及未充填縫,裂縫的有效性好。研究區(qū)含氣性較好的致密砂巖儲層多發(fā)育于未充填縫發(fā)育的區(qū)域,因此,對喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力場及裂縫預(yù)測至關(guān)重要。研究區(qū)經(jīng)歷了長期構(gòu)造變形,屬于強(qiáng)改造區(qū),喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較高的重要原因。因此,本文主要對該時(shí)期的古構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行模擬。研究區(qū)在喜馬拉雅中晚期的主壓應(yīng)力方向?yàn)楸睎|向。因此,水平最大主應(yīng)力加載方向?yàn)镹45°E;水平最小主應(yīng)力方向?yàn)镹45°W。通過不斷調(diào)試邊界加載應(yīng)力,當(dāng)模擬結(jié)果與聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果最為吻合時(shí),即認(rèn)為達(dá)到最合理的加載條件。最終,水平最大主壓應(yīng)力為140MPa;水平最小主壓應(yīng)力為60MPa。由于喜馬拉雅期受到右旋剪切作用力影響,故對模型的上角施加北東方向的張應(yīng)力10MPa,下角施加南西方向的拉應(yīng)力10MPa。AE測試結(jié)果與地應(yīng)力模擬結(jié)果間的對比如表2所示。模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果間的一致性較好,表明模擬結(jié)果可靠。

表2 地應(yīng)力AE測試結(jié)果與模擬結(jié)果對比

注:σh為水平最小主應(yīng)力;σH為水平最大主應(yīng)力。

3.4 地應(yīng)力分布

研究區(qū)山西組Ⅱ砂組的水平最大主應(yīng)力主要分布在-131～-179MPa(圖9),負(fù)號代表擠壓應(yīng)力。斷裂帶的內(nèi)部為相對“薄弱帶”,在這些區(qū)域內(nèi)部巖石的破碎程度較高,表現(xiàn)為具有較高的裂縫發(fā)育程度[20]。寺頭-后城腰走滑斷裂帶內(nèi)部地層的水平最大主應(yīng)力較低,而在構(gòu)造較為平緩的區(qū)域,連續(xù)地層的地應(yīng)力相對較高(圖9)。褶皺帶的內(nèi)部通常被認(rèn)為是“強(qiáng)硬區(qū)”,如果這些區(qū)域巖石發(fā)生了一定程度變形但尚未發(fā)生破裂,巖石處于臨界破裂狀態(tài)(或處于應(yīng)力集中狀態(tài)),其應(yīng)力表現(xiàn)為高值[21]。在具有較大垂向斷距的同一條大型斷裂的兩側(cè),例如寺頭斷裂及后城腰斷裂,其應(yīng)力差也具有較大的差異。而對于小規(guī)模斷裂,如研究區(qū)西北部地區(qū)斷裂,其斷裂兩側(cè)的應(yīng)力差不明顯(圖9)。

Ⅱ砂組的水平最小主應(yīng)力主要分布在-37～-72MPa(圖10)。其應(yīng)力分布也同樣受局部地層構(gòu)造及斷層的影響。低地應(yīng)力區(qū)域主要分布在斷裂帶附近,而高應(yīng)力區(qū)域主要分布在連續(xù)地層區(qū)域。寺頭-后城腰走滑斷裂帶的內(nèi)部的應(yīng)力明顯偏低。在寺頭斷裂及后城腰斷裂帶中段和南段,斷層的兩側(cè)具有明顯的應(yīng)力差(圖10)。走滑斷裂的一側(cè)表現(xiàn)為強(qiáng)擠壓,而另一側(cè)則表現(xiàn)為弱擠壓,這是走滑斷裂帶的“應(yīng)力平面非均質(zhì)性”的典型特征[22]。在水平最小主應(yīng)力較低的區(qū)域,地層的壓實(shí)程度較低。張性破裂總是沿著水平最小主應(yīng)力方向發(fā)生,兩者之間關(guān)系密切[23]。

圖9 研究區(qū)山西組Ⅱ砂組水平最大主應(yīng)力分布

因此,在該地區(qū)喜馬拉雅期強(qiáng)烈剝蝕條件下,水平最小主應(yīng)力較小的區(qū)域易于發(fā)生張性破裂。

Ⅱ砂組的垂向主應(yīng)力主要分布在-40～-56MPa(圖11),其分布主要受地層埋深及巖性(密度)的影響。

3.5 裂縫分布預(yù)測

研究區(qū)山西組致密砂巖中同時(shí)發(fā)育張性縫及剪切縫等多種類型構(gòu)造裂縫。本文通過同時(shí)考慮這兩種類型的破裂形式,對Ⅱ砂組的裂縫發(fā)育程度進(jìn)行定量預(yù)測。張性破裂采用Griffith破裂準(zhǔn)則[24],而剪切破裂則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[25]。

本文采用綜合破裂率(IF)來表示構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度[26]。綜合破裂率IF的定義為:

(1)

式中:a,b分別為張性縫和剪性縫在所有構(gòu)造裂縫中所占的比例,通過靜態(tài)巖心裂縫觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得;η為張性破裂率;R為剪切率,通過構(gòu)造應(yīng)力場模擬的各主應(yīng)力表示[26]。一般認(rèn)為,在IF>1時(shí),巖石開始發(fā)生破裂,IF越大,發(fā)生破裂的概率越大。分析IF在平面上的分布特征,可以定量評價(jià)地層裂縫的發(fā)育程度。

利用該方法獲得的Ⅱ砂組IF平面分布如圖12所示。從計(jì)算結(jié)果來看,Ⅱ砂組的IF基本分布在2.1以內(nèi)。對山西組Ⅱ砂組IF及所代表的裂縫發(fā)育等級進(jìn)行了分類(表3),將其劃分為一級、二級、三級及四級4個(gè)等級,一級區(qū)域裂縫最為發(fā)育,二級區(qū)域次之,三級區(qū)域裂縫發(fā)育程度較低,四級區(qū)域裂縫不發(fā)育。

圖10 研究區(qū)山西組Ⅱ砂組水平最小主應(yīng)力分布

圖11 研究區(qū)山西組Ⅱ砂組垂向主應(yīng)力分布

圖12 研究區(qū)山西組II砂組綜合破裂率分布

表3 裂縫發(fā)育程度辨別標(biāo)準(zhǔn)

從IF的平面分布結(jié)果來看,Ⅱ砂組整體以一級、二級及三級區(qū)域?yàn)橹?圖12)。這表明Ⅱ砂組中裂縫較為發(fā)育,這與該地區(qū)所經(jīng)歷的復(fù)雜構(gòu)造演化及晚期強(qiáng)改造有關(guān)。裂縫的發(fā)育程度在平面上具有一定差異性。裂縫中等發(fā)育區(qū)及強(qiáng)發(fā)育區(qū)主要分布在:①邊界斷裂帶(寺頭-后城腰斷裂帶)內(nèi)部及附近地區(qū);②研究區(qū)西北部地區(qū);③研究區(qū)東部樊莊區(qū)塊(HG17-2,F71及F66井附近區(qū)域)的小部分地區(qū)。寺頭-后城腰走滑斷裂帶是該地區(qū)的唯一邊界斷裂帶,為長期活動(dòng)性斷層,活動(dòng)性強(qiáng),其內(nèi)部裂縫較為發(fā)育。裂縫發(fā)育程度模擬結(jié)果與單井巖心裂縫觀察結(jié)果較為一致。

4 結(jié)論

1) 對沁水盆地南部地震資料進(jìn)行了解釋。該地區(qū)上古生界具有強(qiáng)烈的變形特征,地層中地壘和地塹相間分布,發(fā)育負(fù)花狀斷裂,斷裂具有走滑特征。研究區(qū)主要發(fā)育等厚褶皺,這些褶皺主要受燕山中晚期和喜山期的走滑拉分作用影響,由基底塊斷差異升降作用而形成。

2) 研究了煤系致密砂巖發(fā)育構(gòu)造裂縫及多種非構(gòu)造裂縫。構(gòu)造裂縫主要包括張性裂縫、剪切裂縫及一定數(shù)量擠壓裂縫。非構(gòu)造縫主要發(fā)育溶蝕縫。背斜的頂端及翼部、洼陷的底部及斜坡部位的構(gòu)造應(yīng)力值梯度變化較大,裂縫較為發(fā)育。大型走滑斷裂附近或斷裂帶的交切部位及末端等位置,應(yīng)力集中導(dǎo)致的巖體被切割程度高,裂縫通常也較為發(fā)育。構(gòu)造平緩部位,裂縫發(fā)育程度相對低一些。

3) 利用三維有限元方法對研究區(qū)山西組Ⅱ砂組進(jìn)行了精細(xì)地質(zhì)建模及古構(gòu)造應(yīng)力場模擬,恢復(fù)了目的層在喜馬拉雅期的應(yīng)力場。地應(yīng)力的分布主要受控于沉積相、褶皺及斷層。

4) 考慮到山西組致密砂巖中同時(shí)發(fā)育張性縫和剪切縫的特點(diǎn),聯(lián)合Griffith張性破裂準(zhǔn)則及Mohr-Coulomb剪切破裂準(zhǔn)則,構(gòu)建了綜合破裂率參數(shù)對目的層裂縫發(fā)育程度進(jìn)行定量預(yù)測。該方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)造區(qū)致密氣儲層裂縫甜點(diǎn)的有效預(yù)測。