應力場模擬技術在儲層構造裂縫預測中的應用研究

◇中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院 吳一平

目前，裂縫性油氣藏已經成為油氣勘探開發的重點。但是，由于各種因素的影響，極大地增加了裂縫性油氣藏研究的難度。其中，如何有效預測儲層裂縫的發育情況成為了石油從業人員關注的熱點和難點。本文主要對應力場模擬技術在儲層構造裂縫預測中的應用進行了分析與研究，首先簡要應力場模擬技術的基本原理和基本流程，然后應用該技術對LH油田東部凹陷的實際工區進行了裂縫預測，結果表明該技術可以有效預測儲層構造裂縫的發育情況，從而有效地指導了該地區的油氣勘探開發工作。

據有關部門調查表明，2020年全球石油探明儲量為17324×108桶，相比于2018年減少了37×108桶。目前，常規的規模大、地質條件好的構造油氣藏基本已勘探殆盡，而裂縫性油氣藏的儲量和產量都比較大，分別占全世界的28%和50%，因此，裂縫性油氣藏將成為今后油田勘探開發的重點[1-2]。但是，裂縫性油氣藏具有孔隙度小、非均質性比較強、縫隙分布十分復雜等特點，極大地增加了裂縫性油氣藏研究的難度。如何對儲層構造裂縫進行有效預測成為研究裂縫性油氣藏的關鍵問題，長期困擾著石油行業的從業者[1-2]。目前，常規的裂縫預測技術較多，主要分為以下3大類：①地質類比法；②測井識別法；③地震預測法。但是，這些方法各有優缺點，并不能適用于所有類型的儲層裂縫預測工作。應力場模擬技術可以有效利用各種地質信息，深入分析地質界面的應力場分布特征，從而可以預測儲層構造裂縫的發育情況。

1 基本原理

一般而言，構造運動通常伴生大量的構造裂縫，而且因為地質演化史的基本相同，相同地區在某一地質歷史時期內所受到的應力場具有一定特征和規律，這就為利用應力場模擬技術預測構造裂縫的發育情況奠定了理論依據[3]。應力場模擬技術是基于彎曲薄板理論，以彎曲薄板作為儲層應力場模擬的力學模型，能夠將邊界當作自由邊界處理，然后用二維的方式來處理儲層的構造，計算十分方便，人為干擾因素少。從儲層構造類型上而言，應力場模擬技術主要是針對背斜構造進行分析，計算儲層構造界面上某一點的最大主曲率值，以曲率值的大小來判斷構造裂縫的發育情況，而用最小曲率的方向來描述構造裂縫的走向[3-4]。如此一來，構造裂縫預測的問題就可以轉化為構造面的主曲率的計算問題。圖1為薄板模型示意圖，中面為，規定直角坐標系按右手法則，則薄板的趨勢面函數可表示為：

圖1 彈性薄板模型示意圖

采用最小二乘擬合的方式來計算式（1）中的趨勢面系數，計算公式如下：

當用 個散點數據擬合一個趨勢面時，就可以得到相應的擬合方程組，求解此方程組，獲得趨勢面的6個系數，最終就可以得到薄板的趨勢面函數，然后根據相關公式就可以獲得薄板上點的曲率分量，從而就可以求出相對應的應力場，從而預測儲層構造裂縫的發育情況[4-5]。

2 基本流程

在實際應用過程中，應力場模擬綜合應用了地層的厚度、巖性、彈性參數（縱橫波速度、密度）等信息，并且也考慮了儲層的斷層、深度等構造因素，然后從構造力學出發，計算地層的構造曲率，再根據廣義虎克定律薄板理論，模擬出地層的主應變強度，進而得到地層各點的主應力、方向，最后根據應力場的分布情況，就可以對儲層構造裂縫的發育程度及展布關系進行預測和分析[5-6]。應力場模擬的技術流程如圖2所示。

圖2 應力場模擬技術流程圖

3 實際應用

經過幾十年的勘探開發，LH油田已經進入勘探開發的中后期，常規的構造油氣藏基本已勘探開發殆盡，急需尋找新的儲量接替區。據相關研究數據表明，LH油田東部凹陷的油氣資源探明率比較低，依舊具有非常大的潛力。其中，NQ斷裂背斜構造帶是一個凹中之隆，位于LH油田東部凹陷的北段，構造面積為303km2。近些年以來，NQ地區獲得多口高產工業油流井，顯示了該區具有較大的勘探潛力，是LH油田下步勘探開發部署的重點地區。NQ地區具有構造復雜、微構造和小斷層發育、油氣藏埋藏比較淺（1300-2000m以下）、油氣層薄（10m以下）、橫向變化大的特點，油氣藏主要有3種類型：①構造油氣藏；②構造-巖性油氣藏；③非構造油氣藏。目前，研究人員的難點就是如何對微構造、裂縫、薄儲層等進行精細刻畫，進而對油層空間展布特征進行精確描述，從而提高油層鉆遇率。

本文嘗試采用應力場模擬技術對NQ地區的中生界潛山進行裂縫預測，結果如圖3所示。從圖中可以看出，NQ地區中生界潛山應力特征為牛青斷層西部附近普遍受拉張應力影響，附近巖體極有可能裂縫發育。巖體受應力作用是否產生裂縫，不僅與外力大小有關，還與巖石的巖性、地層厚度、巖石密度、地層孔隙壓力、地層形態等因素有關。NQ地區潛山主要為脆性火成巖，所以受拉張區域很可能就是裂縫發育帶。

圖3 中生界潛山應力場模擬結果

4 結束語

（1）應力場模擬技術的理論依據十分充分，并且實際應用效果也比較好。應力場模擬技術可以綜合利用各種信息，如構造、巖性、彈性參數等，從而為儲層構造裂縫的識別與預測開辟了新的途徑。

（2）裂縫預測的方法眾多，如疊前方位各向異性技術、DFN技術、有限元技術、疊后幾何屬性分析技術等，在實際裂縫預測過程中，研究人員不能只依靠單一技術，而應該結合各種裂縫預測技術的優勢，盡可能地減少裂縫預測的多解性和誤差，從而提高裂縫預測的精度和可信度。