沿河湾探区低渗透储层构造裂缝特征及分布规律定量预测.pdf
第30卷 第2期 2009年3月 石油学报 ACTA PETROL EI SINICA Vol.30 Mar1 No.2 2009 作者简介周新桂,男,1966年8月生,1991年毕业于成都地质学院,2003年获中国地质大学北京工学博士学位,现为中国地质科学院地质力学研 究所研究员,主要从事储层裂缝预测和油气成藏潜力研究。E2mail xinguizhou100 文章编号0253Ο2697200902Ο0195Ο06 沿河湾探区低渗透储层构造裂缝特征及 分布规律定量预测 周新桂1 张林炎1 屈雪峰2 李 亮2 黄臣军1 11 中国地质科学院地质力学研究所 北京 100081; 21 中国石油长庆油田公司勘探开发研究院 陕西西安 710021 摘要鄂尔多斯盆地沿河湾探区主力油层上三叠统延长组长61油层组属于特低渗透储层,其裂缝发育和分布状况成为制约油气勘 探和有效开发的瓶颈。根据露头地层、 钻井岩心及岩石薄片等实物资料,利用古地磁岩心定向方法,对沿河湾探区上三叠统延长组 长61储层构造裂缝的基本特征、 裂缝力学性质和裂缝有效性进行了定性 定量化观测统计。结果表明,沿河湾探区长61储层主要 发育有区域性NEE向和近SN向高角度的共轭构造裂缝系统;储层段岩心构造裂缝密度为0112~3156条/ m ,以偏张性裂缝为主, 充填较为严重,多为无效裂缝。依据长61岩心构造裂缝观测值,以有限元数值模拟方法为基础,岩石破裂法和能量法相结合,建立 了长61储层构造裂缝分布定量预测数学模型。利用该模型预测了目的层裂缝相对发育区、 次发育区和不发育区,并预测了张剪裂 缝走向,为建立沿河湾探区长61储层裂缝分布网络模型和今后油气勘探、 开发提供了地质依据。 关键词鄂尔多斯盆地;沿河湾探区;延长组;低渗透储层;构造裂缝;定量预测;数学模型 中图分类号 TE11212 文献标识码 A Characteristics and quantitative prediction of distribution laws of tectonic fractures of low2permeability reservoirs in Yanhewan area ZHOU Xingui 1 ZHANG Linyan 1 QU Xuefeng 2 LI Liang 2 HUAN G Chenjun 1 1. Institute of Geomechanics , Chinese Academy of Geoscience , Beijing 100081 , China; 2. Research Institute of Ex ploration and Development , PetroChina Changqing Oilf ield Company , Xi’an 710021 , China Abstract The Chang61layer is a low2permeability reservoir of Yanchang ation in the Upper Triassic System and is also the main oil layer in Yanhewan area of Ordos Basin. The distribution and development degree of tectonic fractures restrict the petroleum exploration and valid development. The observation of outcrop and drilled core , thin2section analysis and paleo2magnetis core orienta2 tion were applied to the quantitative statistics of tectonic fractures ,including the basic characteristics ,mechanics and valitidy of tec2 tonic fractures of Chang61low2permeability reservoir in the Yanhewan area. Chang61reservoir developed the regional conjugate high2 angle tectonic fracture system with NEE and NS directions. The density of tectonic fractures is from0112to3156ribbons per meter. The most tectonic fractures are tensional and filled seriously ,which belong to the invalid tectonic fractures in Chang61reservoirs of Yanhewan area. According to the density of tectonic fractures in cores obtained from different drilling wells in Yanhewan area , a mathematical model for quantitatively predicting and uating the distribution and development degree of tectonic fractures was de2 veloped by using the finite element simulation ,the rock burst and the strain energy . The model was used to predict the areas of developed , sub2developed and un2developed fractures and to determine the strikes of tensile2shear fractures. These results can provide the important geological references for establishment of fracture network model and further petroleum ex2 ploration in Yanhewan area. Key words Ordos Basin; Yanhewan area ; Yanchang ation; low2permeability reservoir ;tectonic fractures;quantitative predic2 tion;mathematic model 沿河湾探区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡的东南 部,区域构造背景为一平缓的西倾单斜,地层近于水 平。截至2004年该区共钻探井23口,其中取心井15 口。该区主要勘探目的层为上三叠统延长组长6 1 油 层组,主要储层为NESW走向的三角洲水下分流河 道砂体,平均孔隙度为912 813 ~1012 , 平均 渗透率为011710 - 3μm2 [ 0112~011910 - 3 μm2] ,为低孔隙特低渗透储层。它与中、 高渗透率砂 196 石 油 学 报2009年 第30卷 岩储层的本质差别是砂岩致密,岩石脆性相对较大,经 过一定的构造活动后,普遍发育不同程度的构造裂缝。 一般而言,该类储层中发育的裂缝大都为隐裂缝或无 效裂缝 , 不压裂就不具工业产能。但经合适的压裂改 造后,与现今主应力方向近于平行或小角度相交的无 效隐裂缝可优先转变为 “张性” 显裂缝,改善储层有效 渗流面积和渗流能力[ 1] 。所以,该类低渗透储层裂缝 发育特征及分布规律研究是该区油气勘探开发过程中 的重要问题之一。 1 储层构造裂缝基本特征 111 储层构造裂缝优势方位 晚中生代燕山期构造运动造成了鄂尔多斯盆地 中生界 “区域性构造裂缝” 的广泛发育[ 223] 。根据沿 河湾探区钻井岩心和延河剖面相似露头区同一层位 岩石裂缝的定向观测、 统计以及不同裂缝系统之间 的相互切错关系判断,长6 1 储层段发育高角度的共 轭构造裂缝系统,其优势方位主要为NEE向和近 SN向图1。 图1 相似露头区及岩心长61储层构造裂缝走向 Fig. 1 Tectonic fracture strike of Chang 61reservoir in similar outcrop area and drilling cores 露头区延河剖面长6 1 岩层构造裂缝走向以NEE 向为主,其次为NNE向,再次为NW向[图1 a ] 。 覆盖区钻井岩心裂缝的定向分析是利用古地磁 原理测量岩石黏滞剩磁,以确定岩心磁北方位进行 岩心定向,进而进行岩心裂缝系统观测和统计的。 对沿河湾探区10口井长6 1 储层27块含裂缝岩心的 数十条构造裂缝走向定向结果表明,其构造裂缝以 近SN及NEE向裂缝为主,其次为NW向的裂缝系 统[图1b ]。与相似露头区裂缝系统优势方位 一致。 112 储层段裂缝特征参数 沿河湾探区15口取心井长6 1 储层段不同程度地 发育构造裂缝。构造裂缝以高角度裂缝为主,高角度、 斜交和低角度裂缝所占比例分别为48124 、32194 和18182 。构造裂缝开度为0~013mm的裂缝约占 70 ,裂缝开度为015~1mm的约占12 ,裂缝开度 大于5mm的不到2 ;裂缝切深变化范围比较大,但 95 的裂缝切深为0~20cm ,其中切深为0~5cm的 约占50 ,切深大于50cm的所占比例不到2 ;裂缝 间距呈非正态分布,86 的样品裂缝间距为0~3cm , 裂缝间距大于7cm的仅约占3 。 113 储层裂缝系统的有效性 沿河湾探区长6 1 储层构造裂缝系统充填较为严 重,约有61175 的裂缝被充填,但不同井的裂缝充填 程度有所差别表1。其中,沿1井、 沿34井、 沿50 井、 沿4井、 沿13井、 沿7井裂缝充填严重,约85 的 裂缝为全充填缝,15 的为半充填缝,充填物多为泥质 或泥炭质,部分为方解石。裂缝系统本身及其之间的 连通性差。 储层岩心构造裂缝的力学性质以偏张性为主,其 次为偏剪性表1。偏张性裂缝约占77198 ,仅沿 25井、 沿7井、 沿16井、 沿26井岩心以偏剪性裂缝为 主。岩心裂缝多以单一裂缝出现,部分呈平面或剖面 “X” 型。对于以平面或剖面 “X” 型剪性裂缝和高角度 张性裂缝为主的构造裂缝而言,它们一般能起到贯穿 储层孔隙喉道,提高储层渗透率及改善储层渗流能力 的作用。 根据岩心裂缝充填比率和裂缝力学性质可以对裂 缝有效性进行判断,即裂缝被充填或裂缝结构面力学 性质为压扭性、 扭性,则为无效裂缝。以此标准对沿河 湾探区长6 1 储层岩石裂缝系统的有效性进行了判断。 由表1可知,沿河湾探区长61储层段裂缝大多为无效 裂缝,无效裂缝约占总裂缝的76150 ,即有效裂缝与 无效裂缝之比为1∶3126。但不同井有效裂缝的发育 程度有所差别,其中沿12井、 沿46井、 沿6井、 沿18 井和沿5井以有效裂缝为主。 第2期周新桂等沿河湾探区低渗透储层构造裂缝特征及分布规律定量预测197 表1 沿河湾探区长61储层段裂缝特征参数 Table 1 Characteristic parameters of tectonic fracture for Chang 61reservoir in Yanhewan area 井 号充填频度/未充填频度/张裂缝频度/剪裂缝频度/有效裂缝频度/无效裂缝频度/ 沿1100100010010010001000100100100 沿12010010010010010001001001000100 沿46010010010010010001001001000100 沿47441445515685171141294414455156 沿3480100201009313361671313386167 沿4100100010010010001001811881182 沿508616713133931336167313396167 沿25251007510025100751000100100100 沿7551564414442111571891015389147 沿6010010010010010001001001000100 沿26121508715050100501003715062150 沿13931026198921867114213397167 沿18010010010083133161677510025100 沿16371506215037150621502510075100 沿5221227717872122271786111138189 Ο周新桂,张林炎,范昆,等.安塞沿河湾、 吴旗地区长6储层裂缝特征及其分布规律研究.中国石油长庆油田公司,2006. 2 构造裂缝分布定量研究方法 储层裂缝研究是20世纪中叶开始的,至今已提出 了许多观点,形成了许多研究方法[ 2,4219] 。但从国内外 研究现状来看,关于裂缝参数定量表征和空间裂缝分 布定量预测仍然是一个尚待进一步研究的课题,而低 渗透储层裂缝分布定量预测更是油气地质学研究的前 沿领域之一。目前裂缝定量预测方法主要有岩石破裂 法[12 ,19] 、 能量法[14 ] 、 主曲率法[15216 ] 、 数学统计法[17 ] 和 地球物理学方法。笔者主要是在地质统计法的基础 上,利用岩石破裂法与能量法相结合来定量预测构造 裂缝发育程度 Ο 。 211 岩石破裂法 地层中一般发育以张性和剪性为主的两种构造裂 缝系统,根据格里菲斯张破裂准则[ 11] 和莫尔2库仑剪 破裂准则[ 12] 可分别得出岩石张破裂和剪破裂的发育 和分布状态。考虑到不同性质裂缝对储层段构造裂缝 发育程度贡献不同,在岩石张、 剪裂缝预测基础上,根 据目的层岩心中张、 剪裂缝统计结果,定义了地层岩石 综合破裂值Fy Fy η m Rn1 式中 η和 R为张破裂系数和剪破裂系数, m和n分 别代表岩心裂缝系统中张性和剪性裂缝所占比率或 贡献率。原则上认为, Fy值愈大,裂缝系统愈发育。 但是仅利用Fy值无法判断裂缝的发育程度。 212 能量法 地层中单位体积的形变能量值或应变比能表达 式为[ 13] W σ 2 1σ 2 3 / 2 E-σ1σ3ν/ 2 E 2 式中W为应变比能,MPa; E为弹性模量,MPa; ν为 泊松比,无量纲;σ1为最大主应力,MPa;σ3为最小主 应力,MPa。 为了弥补Fy不能单独决定岩石破裂之后裂隙发 育程度的不足,把形变能量值作为破裂准则的补充判 据,共同来研究构造裂缝发育程度。当岩石发生破裂 时,能量值大者有可能发育更多的裂缝 [12213 ] 。但是, 能量值W大,也不一定能发育裂缝。比如,在岩石受 静岩应力作用这种特殊情形下,它的能量值可以很大, 但其破裂值始终为零,这时岩石不会发生破裂[12213 ]。 由此可见,单独由破裂值或能量值来确定裂缝发育程 度均有一定局限性,而这两种方法的模拟结果往往又 互为补充 [13 ] ,因此,要两者结合才能准确判断岩层裂 缝的发育程度。 213 构造裂缝定量预测数学模型 由上可知,破裂值代表裂缝发育的可能性,能量值 代表裂缝发育能力大小。因此,可以用能量值 W 和 综合破裂值 Fy两者共同来预测构造裂缝发育范 围和发育程度,并以此建立了构造裂缝密度预测数学 模型 β aFy 2 bW 2 cFy dW e, Fy 110 xFy 2 yFy z , Fy≤110 3 式中β为裂缝密度,条/m; a、b、c、d、e、x、y和z均为 经验常数。 数学模型的物理意义当岩石破裂值低于 198 石 油 学 报2009年 第30卷 Ο周新桂,张林炎,范昆,等.安塞沿河湾、 吴旗地区长6储层裂缝特征及其分布规律研究.中国石油长庆油田公司,2006. 发生宏观破裂临界值时,裂缝发育程度由破裂值决定; 当岩石已发生明显宏观破裂时,裂缝发育程度由破裂 值与能量值共同来决定。 3 沿河湾探区上三叠统延长组长61储 层构造裂缝分布定量预测 311 长61储层构造应力场模拟地质模型和力学模型 的建立 晚中生代燕山期为沿河湾探区构造裂缝主成期和 重要油气运移期,燕山期构造应力场分布特征是裂缝 定量预测的关键,而非均质储层的岩石力学和外界应 力等边界条件又是构造应力场数值模拟工作的关键因 素 Ο 。为此,采用砂地比等值线反映长61低渗透储层 的非均质性,在大量岩石力学参数实测基础上,对不同 砂地比值赋予不同的岩石力学属性表2 , 并以此建 立低渗透储层模拟的非均质地质模型。燕山期应力场 最大主压的加载方位可由岩石共轭配套节理和区域地 层形变规律得知,其主压应力倾伏角近于水平,水平投 影方位最大主压应力为129 ~309,最小主压应力为 39 ~219 。利用岩石声发射法测得燕山期最大主应 力为89MPa Ο 。在此基础上,利用ANSYS软件开展 了沿河湾探区长6 1 低渗透储层裂缝形成期构造应力 场分布精细数值模拟研究,系统了解其最大、 最小主应 力大小分布和方向的变化;然后根据上述裂缝预测方 法,计算不同点的Fy和W值;最后通过已知钻井岩 心裂缝密度观察值与Fy和W值拟合,得出裂缝预测 数学模型,并以此开展储层裂缝密度分布预测及评价。 表2 沿河湾探区长61储层非均质地质模型中 岩石力学参数选取 Table 2 Selection of rock mechanic parameters in geologic model for Chang 61heterogeneity reservoir in Yanhewan area 材料号 砂地比/ 弹性模量/ MPa 泊松比 抗拉强度/ MPa 内聚力/ MPa 内摩擦角/ 1 8050 0000112851851 611105342185 275~8046 7000114791584 011105342185 370~7543 4000116691584 011105342185 465~7040 1000118551597 011105343179 560~6536 8000120451597 011105343179 655~6033 5000122431572 014100041191 750~5530 2000124331572 014100041191 845~5026 9000126241908 011105342185 940~4523 6000128141908 011105342185 10≤4020 3000130051851 611105342185 312 长61储层构造裂缝数学模型的建立 沿河湾探区长6 1 储层岩心发育不同程度的构造 裂缝,构造裂缝密度观测统计结果见表3。由表3可 知,储层段岩石裂缝密度为0112~3156条/ m。 据已 表3 沿河湾探区长61储层构造裂缝密度 观测值与预测值对比 Table 3 Comparison of observation and prediction results of tectonic fracture densities in Chang 61reservoir from drilling wells in Yanhew an area 井号 应变比能/ MPa 综合 破裂值 观测密度/ 条m- 1 预测密度/ 条m- 1 误差/ 沿1011160159101190011890153 沿16011260179001740017430141 沿4011240191811190111830158 沿250112301947116801128923128 沿5011140196911370113740131 沿13011381108131560316743120 沿70114211531217502141012137 沿46011391159401120117381 348137 沿34011391160811770116934135 沿470114111666116401182311115 沿50011741184611650116882130 沿1201157212390150011659231179 沿260114921281110901122011193 沿18011712184601880018147145 知各井岩心裂缝密度观测值与数值模拟得到的能量值 和综合破裂值,采用数理统计的回归分析方法,得到了 沿河湾探区长6 1 储层裂缝预测数学模型 当Fy 110时,β-801977-81012Fy 11691908W 1145Fy 2 -3 6661571W 2 R 01 982 4 当Fy≤110时,β -01534 3 01059 8Fy 11971 2Fy 2 R 11 0 5 根据上述数学模型,可以求取探区未知点构造裂 缝密度大小和分布。如果构造裂缝密度观测值与相应 点预测值β误差小于25 ,则认为符合得较好。同点 观测值和预测值对比结果表明,预测的构造裂缝密度 除沿46井和沿12井误差较大外密度基值小,不致于 影响评价 , 其他井预测值误差均小于23128 ,预测 结果较为理想表3。由此可以对沿河湾探区未知区 域构造裂缝密度分布进行定量预测图2及评价 图3。 313 长61储层裂缝发育预测和评价 根据研究区实际情况,定义沿河湾探区长6 1 储层 构造裂缝密度大于2条/ m的区域为裂缝发育区,裂缝 第2期周新桂等沿河湾探区低渗透储层构造裂缝特征及分布规律定量预测199 图2 沿河湾探区长61储层构造裂缝密度等值线 Fig. 2 Distribution prediction of tectonic fracture densities in Chang 61reservoir in Yanhewan area based on different drilling cores 注虚线为张破裂方位;交叉实线为共轭剪破裂方位。 图3 沿河湾探区长61储层构造裂缝评价及裂缝方位预测 Fig. 3 uation of tectonic fracture and prediction of fractures strikes in Chang 61reservoir in Yanhew an area 密度019~2条/ m的区域为裂缝次发育区,裂缝密度 小于019条/ m的区域为裂缝不发育区。 由图2和图3可见,裂缝发育区主要位于沿32 塞97 沿7 沿13 沿15井区一带,其次位于沿34 井区、 沿50井东侧NE向区域及沿25井东侧NNE NE向条带。裂缝不发育区主要位于研究区中北部的 沿1、 沿4井区,其次为沿38井区和沿18井区。其他 地区主要为裂缝次发育区。 沿河湾探区长6 1 储层段岩石张破裂预测方向主 要为NW向;共轭剪破裂预测方向主要为NEE 近 EW向及近SN向,局部地区角度大约有10 的变化 图4和图5 , 裂缝方位预测结果与地质调研图1结 果基本一致。 图4 沿河湾探区长61岩石张破裂方位预测 Fig14 Prediction of tensile fracture strikes in Chang 61 rocks in Yanhew an area 图5 沿河湾探区长61岩石共轭剪破裂方位预测 Fig15 Prediction of shear fracture strikes in Chang 61 rocks in Yanhewan area 4 结 论 1对沿河湾探区相似露头地层和岩心定向构造 裂缝定量观测表明,沿河湾探区长6 1 储层主要发育有 NEE向和近SN向高角度的共轭的区域性构造裂缝 系统;沿河湾探区长61储层段岩心构造裂缝以偏张性 构造裂缝为主,充填较为严重,多为无效裂缝。 200 石 油 学 报2009年 第30卷 2以统计学研究为基础,综合岩石破裂法和能 量法,以构造应力场有限元数值模拟为桥梁,对沿河湾 探区上三叠统延长组长6 1 低渗透储层构造裂缝特征 和分布规律进行了系统研究,建立了长6 1 储层构造裂 缝分布定量预测数学模型,合理预测了目的层裂缝相 对发育区、 次发育区和不发育区。 参考文献 [1] 周新桂,孙宝珊,谭成轩,等.现今地应力与断层封闭效应[J ].石 油勘探与开发,2000,275 1272131. 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