三維可視化構造建模技術在沁水煤層氣田樊莊區塊的應用

劉建軍 李文戰 孫義領 王瑞明

(1. 中國石油華北油田勘探開發研究院, 河北 062552; 2. 中國石油華北油田第二采油廠, 河北 065700)

1 研究區構造地質背景

沁水盆地不是一個沉積盆地, 它是夾持在隆起之間的北北東向復式向斜, 向斜的軸沿榆社、沁縣至沁水、王必一線, 為一個寬緩的復向斜, 兩翼傾角平均4°左右。該盆地形成于燕山期。三疊紀末本區以整體抬升為主, 褶曲和斷裂主要是燕山運動形成的, 喜馬拉雅運動又有所改造, 形成了現今的構造面貌。從盆地邊緣向中心地層依次出露基巖、中上元古界、古生界、中生界地層, 向斜軸部地層為中上三疊統。

樊莊區塊位于沁水復式向斜南部構造端區, 結合區域構造特征可分為三個體系：

(1) 晉東南山字型構造的脊柱： 研究區中部普查勘探所揭示的主要為南北向褶曲構造群, 是晉東南山字型構造的脊柱部分。脊柱楔形帶的中南端正位于研究區內, 以燕山期形成的SN 向寬緩褶皺為主, 褶皺幅度和面積都較小, 西部稍偏NNW, 東部稍偏NNE, 兩翼傾角一般6～12°, 局部達20°。背斜幅度一般小于50m, 面積小于5km2, 延伸長度多在數百至上千米之間, 呈典型的長軸線型褶皺。

(2) 沁河復式向斜： 研究區西部的近南北向褶曲為沁河復式向斜。位于馬必至鄭莊一帶, 由二疊系石千峰組上部及三疊系下部構成開闊、波狀褶皺帶, 總體呈一北偏東向的復式向斜, 其槽部軸線在石槽、張峰至芹池一線。復式向斜兩翼發育有一系列走向NE5 - 15°的次級褶皺。兩翼傾角一般5～10°, 在向斜槽部可達20°左右, 褶皺線長一般為2～6km。

(3) 沁水帚狀構造發散端： 研究區西南部還有一組北東向的扭性正斷層 (寺頭、后城腰) 和由上古生界地層組成的較開闊褶皺, 為沁水帚狀構造東北部的發散端。

從研究區內構造體系所卷入的地層及其之間的相互關系, 并參照區域資料分析, 各類構造生成的順序是： 近南北向構造沁河復式向斜萌生較早 (印支期) , 成熟于燕山晚期; 晉東南山字型構造和沁水帚狀構造生成于燕山期。

區內局部構造以向盆地內傾伏的鼻狀構造為主。由于受北東東及東西向構造切割有一定的歪曲, 褶皺以SN 向和NE 向為主, 局部為近EW 向和弧形走向的褶皺。斷層不太發育; 以北北東和北西西方向正斷層為主, 具有斷距小、傾角大、延伸短的特點; 其中寺頭斷層為樊莊普查區西部邊界斷層, 燕山晚期一喜山期構造應力作用產生。斷層南端走向NE60°, 向北轉為NE10～25°, 傾向NWW,傾角70～75°。上盤為劉家溝組、石千峰組, 下盤為上石盒子組。斷距南端 (潘莊井田) 為190～250m, 往北一般為50～60m, 斷層帶較寬。該斷層規模較大, 全長約40km, 區內延伸約20km, 向南西延伸至寺頭、白龍廟一帶, 向北到圪堆上東側消失。

2 三維構造建模的研究思路及工作流程

由于沁水盆地南部樊莊區塊煤層氣開發采取的是邊勘探、邊建產、邊開發、邊摸索、邊總結的開發思路, 隨著各種資料的不斷積累和增多, 對地質和排采規律的認識也在不斷深化, 但都很不系統。

目前樊莊的全面建產已基本告一段落, 將進入全面投產開發階段, 所以有必要對該區塊進行一次全面、系統、精細的地質研究工作, 系統地研究該區的構造、地質特征及煤層特征, 為煤層氣富集規律、排采規律研究和煤層氣高產穩產奠定堅實的地質基礎, 為下步煤層數值模擬研究提供三維數據體, 也為水平井鉆井地質導向提供地質參數等。而三維可視化構造建模技術為精細研究煤層氣構造提供了良好的技術手段和平臺。因此, 我們首次在樊莊區塊進行了三維可視化構造建模技術運用的嘗試, 目的就是建立沁水盆地南部樊莊區塊3#煤三維可視化模型, 對區塊3#煤層的構造進行三維立體精細描述, 為深入分析煤層氣排采效果奠定地質基礎。

在二維地震解釋的基礎上, 落實斷層分布, 確定研究區斷層模型框架; 通過測井資料對比, 結合三維地質建模軟件提供的交互式構造分析工具落實氣藏構造細節; 通過地層、小層對比劃分, 采用三維建模技術, 建立研究區精細的三維構造模型。

建模采用多學科綜合一體化原則, 以科學的地質理論及三維地質建模理論為依據, 充分利用五類原始資料, 即地震、鉆井、測井及試井資料; 在地質基礎、測井綜合解釋等研究基礎上, 應用先進的三維可視化地質建模軟件—PetrelTM軟件, 建立樊莊區塊3#煤三維可視化模型構造模型, 并在一定的控制條件下, 確定出各種可能的變化過程, 然后根據具體目的而進行選擇, 得出最合理的結果, 具體工作流程見圖1。

3 構造特征

3．1 斷裂系統特征

依據二維地震解釋成果對煤層主體斷裂系統空間走向進行了定位, 根據井分層數據確定了斷層在井間的具體走向。

研究區內發育北北東向、北西西向兩組斷裂,其中北北東向斷裂為主控斷裂系統、北西西向斷裂為次生斷裂 (見圖2) 。北北東向斷層斷距在100～200m 左右, 北北向斷層斷距多在100m 以下; 北北東向斷層延伸長度在10km 以上, 北北西向斷層多小于8km; 斷層傾角均較大, 由于大多數井未鉆遇, 根據地震資料估計在70 度以上。

圖1 三維地質建模工作流程

3．2 層面構造特征

由地震及井分層所建立的層面構造高點位于研究區東南部, 研究區總體是由西北向東南逐漸抬升, 研究區內部構造結構比較復雜, 存在若干個小規模的復式背 (向) 斜構造, 局部在小斷層的控制下, 構造結構更為復雜。

圖2 樊莊區塊3#煤層斷層模型

從3#煤層的頂界構造圖 (圖3) , 分析認為研究區內部可能存在狹長的“溝壑”, 造成部分區域地震資料有斷裂顯示, 但井間構造相對平緩, 這些“溝壑”可能是導致部分井產水量大的原因。

圖3 樊莊區塊3#煤層構造模型

3．3 斷裂特征

通過將煤層氣井的鉆井和測井資料、煤炭勘探鉆孔資料、二維地震資料、區域構造背景和地面地貌形態等資料相結合的綜合分析方法, 大大提高了樊莊3#煤層構造的描述精度和落實程度。本區3#煤層構造整體呈東高西低特征。研究區內發育兩組斷裂, 將區塊進一步復雜化。其中北北東向斷裂發育在研究區西部, 北西西向斷裂發育在研究區南部。兩組斷裂在研究區西部的蒲池一帶相交, 所有斷裂均為正斷層。

通過對樊莊區塊三維構造模型的研究, 我們認為構造總體上為一東南高, 西北低的斜坡, 發育一系列與走向斜交的裙邊式鼻狀撓曲構造; 斷裂以北北東和北西西方向正斷層為主, 斷層不太發育, 具有斷距小、傾角大、延伸短的特點; 改變了以往平板斜坡的認識; 三維立體化對構造、斷層的描述更準確, 更形象。

4 樊莊區塊現今褶皺形成的力學機制分析

樊莊區塊位于晉東南山字型構造 (脊柱) 南端, 由 (圖4) 可以看出, 該區塊形成的褶皺構造以NNE、近SN 向和NW 向褶曲為主。從整個沁水盆地的構造格局來看, 整體表現為燕山期形成的NE 向褶皺, 喜山期早期以繼承性發育特征為主,晚期NW 向水平擠壓以及左旋走滑作用對先期形成的褶皺具有一定程度的改造, 形成了疊加褶皺的特征, 使得西部邊界處表現出NW 向褶皺的特點。

圖4 樊莊區塊3#煤層頂面構造綱要圖

疊加褶皺又稱重褶皺, 是指已經褶皺的巖層在后期變形過程中又發生彎曲變形而形成的褶皺。疊加褶皺的形成, 可以是兩個或兩個以上不同構造旋回的褶皺變形疊加復合而成的, 也可以是同一構造旋回不同構造幕的褶皺疊加的結果, 甚至還可以是同一期遞進變形過程中由于增量應變方位和性質改變而形成的疊加變形, 因此, 疊加褶皺變形是有先后順序的演化過程。

根據蘭姆賽對疊加褶皺類型的分類, 我們可以將樊莊區塊西部NW 向褶皺加以解釋 (圖5) ： 燕山期由于太平洋板塊的推擠, 對該區產生了NW 向擠壓應力, 形成NE 向褶皺, 喜山期NE 向擠壓應力疊加在先期褶皺之上, 根據疊加褶皺理論, 形成NW 向背斜、向斜及鞍部等構造, 但是此時褶皺帶整體的延伸方向仍然是NE 向。

圖5 樊莊區塊疊加褶皺機制模式圖

5 結論

沁水盆地是個構造盆地, 侏羅紀燕山期開始,沁水盆地進入了以較為強烈構造活動為特征的地臺活化階段。從沁水盆地及其鄰區中生代各組地層的接觸關系歸納判斷, 燕山期的構造活動十分頻繁,至少有過三期以上的褶皺運動, 即J1末、J2末和J 3 末, 中侏羅世末的褶皺運動最為強烈。而由沁水盆地內線性延伸的背向斜構造帶具有多方向相互疊置交切等現象、不同走向的斷層力學性質普遍有過轉換過程分析, 燕山期確有過多期且應力方向不同的構造活動。新生代喜山期以來, 沁水盆地主要表現為強烈的上升及剝蝕活動, 在此背景之下, 構造活動又有明顯的不均衡性： 一方面, 在西緣區形成了劇烈沉降的汾渭斷陷系, 其中晉中斷陷穿越了沁水盆地西北端區, 破壞了其完整性; 另一方面, 廣大的上升區存在有多次上升活動, 這由第四系黃土層的展布及保存現狀可得以證實。

在此背景下, 無論煤層氣還是煤系地層游離氣, 其富集特征受構造演化影響的權重是相當大的。因此, 在樊莊區塊構造是影響煤層氣井產量的主要因素之一。高產井一般位于構造的寬緩翼部;低產井主要位于向斜低部位和斷層、“陷落柱”附近以及含氣量較低的構造高部位。煤儲層中水的流動是制約煤層氣井產量的主要因素, 而構造特點則決定了煤儲層中水的流動方向, 摸清煤儲層中構造形態和展布情況是提高煤層氣井產量的關鍵; 針對不同構造部位煤層氣資源特點和壓降特點, 在今后的工作中選擇褶曲的寬緩翼部布井, 避開地下水補給邊界和斷裂、“陷落柱”進行布井; 逐步深化“五段兩點”法排采管理制度, 將極大地提高該區的勘探開發效益。

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