寶北區塊構造應力場模擬及裂縫預測

王紅坤，馬家虎，梁杰鋒，王海濤，張 云，楊瑞莎

（1.中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450018；2.延長油田股份有限公司勘探開發研究中心，陜西延安 716000；3.中國石化勘探開發研究院，北京 100083）

隨著油氣開發技術的進步，致密砂巖油氣的勘探和開發已經變得越發重要。前人的研究成果表明，裂縫的存在使致密儲層變得更加復雜，常規儲層的研究方法已經無法滿足勘探開發的需求。裂縫作為致密儲層中油氣的運移通道和儲集空間，決定了油氣的分布規律和特征，進而對開發效果有重大的影響[1–2]。

目前，國內外對裂縫的研究方法主要有綜合地質分析法、測井分析法、地震預測法、構造曲率分析法和構造應力場數值模擬法等[3]。由于綜合地質分析法和測井分析法需要昂貴的測試費用，且測試資料具有一定的局限性；地震預測法主要用于定性的描述，往往無法滿足定量分析的需求；構造曲率分析法對于不同巖性地層的變形和破裂特征方面存在一定缺陷；有限元數值方法結合實際地質因素來描述預測裂縫已越來越引起人們的重視。采用有限元的構造應力場數值模擬是數學、力學和地球科學等多學科的綜合，該方法可以對裂縫分布進行較準確預測[4–7]。在我國，構造應力的概念是由地質學家李四光提出，地層中各種形態的構造是構造應力的直接表現。按形成時間，構造應力可以分為古構造應力和現今構造應力。古構造應力是指地質歷史時期的構造應力，可以由觀測到的褶皺、斷層、裂縫等宏觀變形確定；現今構造應力是古構造應力的延續，指目前正在活動的構造應力。

寶北區塊是一個在壓扭性應力和局部剪切應力場中形成的背斜構造，背斜區塊內斷層和裂縫較為發育，儲層裂縫發育特征一直是困擾寶北油藏注水開發的難點，直接影響砂體的連通和油水分布情況[8]。

1 地質概況

1.1 區域構造概況

焉耆盆地由北部的和靜坳陷、中部的焉耆隆起和南部的博湖坳陷三部分組成。其中，博湖坳陷可劃分為南部凹陷、種馬場斷裂低隆起和北部凹陷。根據構造和地貌特征，可將博湖坳陷北部凹陷進一步劃分為“兩個向斜帶和兩個背斜帶”，即四十里城向斜帶、七里鋪向斜帶、寶浪蘇木背斜構造帶和本布圖背斜構造帶。寶北區塊位于寶浪蘇木背斜構造帶的北部，是一個北西–南東向展布、兩翼非對稱的彎曲長條狀高陡背斜構造（圖1）。

圖1 寶北區塊及鄰區區域構造位置

1.2 區域構造演化

焉耆盆地是一個存在復雜演化史的疊合盆地，寶北背斜作為其中的一個構造隆起，經歷了復雜的構造運動，主要的兩次為燕山運動和喜山運動。燕山運動導致研究區構造應力場由張拉作用為主轉變為擠壓作用為主，擠壓作用方向由南向北，是控制盆地構造發育的主導因素，在擠壓作用下，盆地自南向北發生了大規模的逆沖推覆，形成了種馬場沖斷背斜構造帶，使博湖坳陷內部構造幅度增大，南北凹陷分割更為明顯，隨著逆沖推覆活動的加劇，盆地內扭壓應力場更加強烈，強烈的扭壓作用使盆地南北兩側規模較大的斷裂發生了程度不同的左行扭動，寶北背斜構造雛形正是在這種逆沖、擠壓、褶皺和左行扭曲的綜合作用下形成的。喜山運動期，盆地中心下降、周圍隆升，進入不穩定的坳陷階段，全面接受了與下伏地層角度不整合的新生界沉積；喜山運動進一步加大了寶北區塊的構造幅度，加劇了小規模斷層的活動，這些小規模斷層在平面上表現為雁行式展布、與寶北焉南斷裂小角度斜交或者平行，并且數量較多，同時，強烈的變形和揉皺等現象在新生斷層附近發生，寶北區塊進入了同沉積背沖擠壓階段，寶北背斜構造更加復雜并最終 定 型[9–10]。

1.3 斷層發育特征

寶北區塊主要發育逆斷層，總體上呈北西走向，斷面呈彎曲或平直狀，寶北構造北東界F1斷層為北東掉南西傾的逆斷層，傾角62°，自南西向北東沖斷。以背斜核部為界的東部，各斷層產狀與F1斷層相近，均為北東掉南西傾的逆斷層；核部以西為南西掉北東傾向的逆斷層，傾角為52°～67°；兩側斷層相向傾斜，大體呈背沖對稱式幾何形態。結合區域宏觀分析可知，北東翼的F1斷層是邊界逆沖斷層，南西翼的F15、F16和F17斷層是主要的反沖斷層，這種沖起構造斷裂組合符合滑脫逆沖推覆構造的特點，研究區發生逆沖推覆的方向為南西–北東向[11]（圖2）。

圖2 寶北區塊斷層左階雁列與右階雁列分區特征

2 裂縫發育特征

裂縫是致密砂巖儲層主要的儲集空間和滲流通道，裂縫發育部位的確定是找到優質儲層的關鍵[12–13]。不同期次的構造裂縫具有不同的特征，根據構造演化過程，寶北區塊構造裂縫大體可分為兩期，分別為燕山期和喜山期：燕山期決定了構造裂縫分布的大致范圍，主要發育高角度裂縫；喜山期的構造裂縫大多是在原有裂縫的基礎上延伸并改造，部分是受構造和沉積綜合影響的低角度裂縫。據觀察，裂縫發育的取心井主要集中在背斜軸部和斷層發育的部位，背斜西南部構造較平緩且斷層不發育，取心井觀測均未發現裂縫。裂縫主要可以分為剪切裂縫、張性裂縫和擠壓裂縫。剪切裂縫的縫面具有明顯的擦痕，具有一定的走向，位移明顯，延伸規模較大，一般與構造局部的擠壓及剪切應力場有關，剪切縫在該區普遍存在，占比約為67.5%（圖3a、3b）；張性裂縫局部或全部被充填，縫面有浸染痕跡，一般與構造局部的拉張應力場有關，占比約為28.5%（圖3c）；擠壓裂縫同時具有張性裂縫和剪切裂縫的特征，故又稱作張剪裂縫，開度小、走向不具有規律性，一般與構造局部的擠壓應力場有關，占比約為4.0%（圖3d）。

圖3 寶北區塊儲層裂縫特征巖心觀察

2.1 裂縫密度

通過對9口取心井的巖心觀測對裂縫進行統計（表1），結果表明，不同取心井觀測到的裂縫發育程度差別較大，裂縫密度0.72～60.51條/m。

表1 目的層裂縫密度統計

2.2 裂縫傾向和傾角特征

針對寶北區塊切層裂縫的傾向和傾角進行了統計分析，結果表明：①裂縫傾向主要集中在北東、南東和南西三個方向上，北西傾向的裂縫發育較少（圖4）；②裂縫傾角分布范圍較廣，從10°～85°均有發育，主要集中在40°～70°（圖5）。

圖4 寶北區塊切層裂縫傾向玫瑰花圖

圖5 寶北區塊切層裂縫傾角玫瑰花圖

3 應力場模擬

3.1 三維有限元模型

模型范圍：模型范圍選擇寶北區塊6 000 m×2 400 m的矩形區域，矩形區塊以南偏東50°（褶皺軸跡方向）為X軸正向，Y、Z方向做相應轉換。

模型分層：寶北區塊目的層可劃分為3個油組，3個油組間由2套煤層隔開，每個油組又可細分為2個小層，沖起構造發生期間的上覆地層厚度考慮為300 m，基底地層可分為兩個地層單元。

模型斷層系統：模型范圍內不同規模斷層共計17條，斷層水平距離15～25 m。為考慮斷層面活動對構造應力場的影響，斷層面作為弱介質[14]。

三維有限元模型共劃分為15 636個單元和14 564節點。

3.2 巖石力學參數

巖石物理力學參數主要包括：巖石密度、巖石的抗張強度、抗壓強度、巖石的彈性模量、泊松比等，巖石的這些力學性質決定著在原始應力場中儲層的形變和儲層裂縫特征。寶北區塊礫巖、細砂巖和變質巖性巖類的巖石物理力學性質測試結果見表2[15–16]。

表2 寶北區塊巖石物理力學性質測試分析結果

3.3 邊界條件與載荷

模型邊界條件：①褶皺北翼施加位移平行于褶皺軸跡的位移約束；②東北端施加垂直于褶皺軸跡的位移約束；③基地單元底部施加Z向約束。

載荷：①南翼施加位移載荷，模擬擠壓作用形成的構造應力場；②東南翼施加較弱的位移載荷，模擬東南端的壓扭作用；③整個地質體施加重力載荷，模擬地殼沉積巖層所具有的靜巖壓力。

3.4 應力場模擬結果

目的層最大主壓應力主要分布在–213～–308 MPa（負號表示壓應力），斷裂帶內部最大主壓應力值相對較低，為相對薄弱區。這些區域的巖石破碎程度較高，裂縫發育程度較高；而在構造相對平緩的區域，最大主壓應力值相對較高。在褶皺軸部部位和斷層帶附近，最大主壓應力出現較大差異，這是因為，褶皺帶內部是所謂的“強硬區”，這些區域的巖石受力發生了一定程度的變形但是沒有發生破裂，這些巖石會處于“臨界破裂狀態”，應力無法釋放，表現為應力高值[17]。在褶皺東南端部位和F1、F4、F17、F18斷層兩側應力值差異較大，就是這個原因造成的，對于研究區其他小規模斷層而言，斷層兩側的應力差異相對較小（圖6a）。

目的層中間主壓應力主要分布在–138～–214 MPa，主要由巖石靜巖壓力及地應力圍壓引起，其應力值分布主要受地層埋深及密度的影響，同樣受褶皺和斷層的影響。最小主壓應力在褶皺軸部、斷裂帶和斷裂帶附近發生異常（圖6b）。

目的層最小主壓應力主要分布在–41～–116 MPa，主要由巖石靜巖壓力及地應力圍壓引起，應力值分布主要受地層埋深及密度的影響，同樣受褶皺和斷層的影響。最小主壓應力在褶皺軸部、斷裂帶和斷裂帶附近發生異常。在逆沖斷裂帶上盤最小主壓應力較高，而在下盤最小主壓應力相對較低（圖6c）。這是由于斷裂帶在擠壓應力作用下發生逆沖，在上盤，斷層帶向上的逆沖而會導致垂向應力的集中和升高。

目的層最大剪應力主要分布在64～130 MPa，其應力值分布也同樣受局部褶皺和斷層的影響，低應力區域主要分布在褶皺軸部和斷裂帶附近（圖6d）。

圖6 寶北區塊目的層應力平面等值云圖

4 預測裂縫

寶北區塊目的層同時發育張性裂縫、剪切裂縫和擠壓裂縫等多種類型構造裂縫，因此，采用綜合破裂率（IF）來表示研究區目的層裂縫的發育程度：當IF≥1時，認為巖石達到破裂狀態，IF值越大，巖石破裂程度越大。該方法進行預測時綜合考慮了張性裂縫準則和剪切裂縫準則，其中，張性裂縫破裂準則采用修正的三維Griffith準則，剪切裂縫破裂準則采用Mohr–Coulomb準則。計算時，擠壓裂縫歸屬為剪切裂縫[18]。

綜合破裂率IF定義為：IF=AIt+BIτ

式中：A為張性裂縫在所有構造縫中所占的比例，%；B為剪切裂縫在所有構造縫中所占的比例，%；It為張性裂縫破裂率，無量綱；Iτ為剪切裂縫破裂率，無量綱。

通過該方法對寶北區塊構造裂縫進行預測，預測結果顯示，綜合破裂率值基本分布在3以內，裂縫發育位置（IF≥1）可以大致分為兩大區域：①背斜軸部西北段條帶狀區域，在該區域，沿著褶皺軸跡形成一個成長條形的裂縫高發育帶；②背斜南東段扇狀區域，該區域褶皺軸跡發生扭轉，產生強烈的局部應力場作用，導致巖石破裂、應力釋放，應力釋放所伴生的天然裂縫也十分發育（圖7）。

圖7 寶北區塊目的層綜合破裂率預測分布

通過綜合破裂率分布圖和巖心裂縫觀測裂縫密度對比發現，雖然在綜合破裂率小于1的區域也發現了裂縫的存在，但是，裂縫比較發育的巖心均位于綜合破裂率值較高的區域，綜合破裂率與巖心觀測裂縫密度具有較好的正相關關系（圖8）。

圖8 寶北區塊目的層綜合破裂率和裂縫密度關系

5 結論

（1）寶北區塊構造裂縫主要為剪切縫、張性裂縫和擠壓裂縫。裂縫傾向主要集中在北東、南東和南西三個方向上，裂縫密度為0.72～60.51條/m，發育裂縫的取心井主要集中在背斜軸部和斷層發育的部位。

（2）通過三維有限元法對目的層古應力場分布特征的研究表明，地應力的分布主要受控于褶皺及斷層。

（3）考慮到目的層裂縫同時具有張性裂縫和剪切裂縫的特點，利用修正的三維Griffith張性裂縫破裂準則和Mohr–Coulomb剪切裂縫破裂準則，通過綜合破裂率對寶北區塊的裂縫發育程度進行定量預測，預測結果和巖心觀測裂縫密度具有較好的正相關關系。