储层构造应力场模拟预测裂缝技术研究与应用

【摘要】根据地质及地震资料分析区域构造演化，在系统的野外岩心观测及测井裂缝识别的基础上，通过古构造应力场数值模拟反演，恢复古构造应力场，从而进行储层裂缝预测，通过建立地质模型进行古构造应力计算，从裂缝的成因着手进行裂缝预测，将预测结果与实际资料进行对比，综合分析认为：这是一套行之有效的裂缝预测方法。

【关键词】古构造应力场 裂缝预测 储层 坳陷

近年来，在石油地质领域，碎屑岩储层中寻找裂缝发育规律，碳酸盐岩中识别裂缝、孔洞是目前攻关的难题和重点。对于致密性裂缝油气藏而言，裂缝既是储集空间也是运移通道，裂缝的发育与否直接控制着油气井的产能，同时由于裂缝产生规律复杂且早期形成的裂缝受到后期多个构造运动的叠加、改造、裂缝发育及其复杂，规律可循度较低，因此，裂缝的预测一直是世界石油界的难题。没有精确定量的方法用于裂缝识别与预测。笔者结合弹性力学和断裂力学相关理论，从导致裂缝发生的构造应力着手，基于现今构造形态，反演古构造应力场，从而对裂缝进行预测。

1 储层构造应力场数值模拟预测裂缝的地质理论基础

地应力是产生裂缝的主要原因。岩石裂缝与地质构造关系密切，它与构造运动中形成的褶皱、断层和区域构造在几何特征、形成作用和发展演化都具有密切的关系，这也是当前裂缝研究的方向。结合构造地质学理论，笔者对裂缝在不同地质构造的发育规律简述如下（图1）

1.1 与纵弯褶皱有关的裂缝

图1？不同地质构造上裂缝发育规律

原始水平岩层在压应力作用下，发生弯曲褶皱以前往往先形成一对直立的平面X剪裂缝，B轴直立，A轴和G轴水平。当应力继续作用岩层弯曲产生褶皱时，也可产生平面X剪裂缝，C轴平行于枢纽方向，A轴垂直于枢纽方向。褶皱发展到一定程度，将产生两组走向平行于枢纽的剖面X剪裂缝。在褶皱形成期间，将产生一组横张裂缝，一组纵张裂缝，横张裂缝一般发育在向斜部位以及背斜的倾伏端，他们都是由沿着褶皱枢纽方向的张应力作用产生的。张裂缝一般发育在：背斜枢纽或轴的延伸方向上；背斜构造高点的范围内；枢纽发生弯曲部位；背斜的倾伏端；岩层倾角突然变陡的部位。此外，褶皱两翼层间滑动往往会产生层间剪裂缝。

1.2 与断层有关的裂缝

根据应力的来源，主要分为派生裂缝和伴生裂缝。派生裂缝包括一组羽状张裂缝，两组派生剪裂缝。张裂缝沿断层成羽状排列，常与断层面呈锐角相交，与断层所交的锐角方向指示本盘的运动方向。派生剪裂缝一组与断裂呈大角度相交，一组呈小角度相交，其中第二种裂缝更为发育，交角一般不超过15度，相当于羽状剪裂缝。在伴生应力场下，主要形成两组伴生剪裂缝，一组与断层面平行，一组与断层面斜交，两组裂缝的锐角平分线代表最大主应力的方向。1.3 区域性裂缝

在野外观察到，有些区域广泛发育着间距宽且稳定的并且不受断裂和褶皱控制的裂缝，该类裂缝往往是在沉积过程中，同地区同层位普遍发育一对直立共轭剪切缝。其发育范围广，产状稳定，规模、间距大，构成一定几何形式。

2 储层构造应力场模拟思路

构造应力是产生裂缝的主要因素，用计算力学方法对构造应力场进行定量（或半定量）模拟计算，恢复古构造应力场，然后结合构造地质学的方法预测构造裂缝的发育程度、裂缝的方位、性质。古构造应力场的数值模拟基本思路主要包括以下两个方面的研究内容：

2.1 构造数值模拟

以弹塑性力学和岩石力学为基础，以数值分析的有限元技术为手段，以研究区内的构造（褶皱、断裂等）形迹为依据来模拟并计算出构造形成时期的应力场特征，使构造应力的研究达到定量化。2.2 裂缝的评价、预测

对裂缝的预测是以数值模拟得到的构造应力场为基础，结合岩石破裂理论、岩石力学性质以及地质特征等，确定岩石断裂破坏的判据；最终根据构造应力和岩石破裂判据，预测裂缝的发育程度。

3 储层构造应力场模拟预测裂缝技术应用

某背斜构造，构造圈闭受局部构造和断层的双重控制，褶皱变形适中，整体为两翼被F1、F2断层遮挡，轴部被F2派生羽状断层切割，构造演化显示，该区主要受NW-SE挤压应力作用，不断向SE方向挤压推覆，F2断层在海相地层滑脱、向上逆冲形成了断展褶皱构造。该构造中深层、浅层以及表层的构造特征、断裂发育程度的差异主要与各期次构造运动在该地区的活动强度有关，构造两翼的地层倾角为北西陡，南东缓，反映了该构造发育程度自东南向西北逐渐加强的趋势。本次利用古构造应力场数值模拟对该区裂缝进行预测$通过建立地质模型（图2）。选择材料值，模拟得到该区古构造应力场，最终对裂缝进行预测（图3）。根据计算结果，该构造主要受到北西向挤压力作用，最大主应力矢量方向为近北西向展布。整体上呈北西向延伸的条带状分布，除去边界的影响，其值主要分布在45-53MPa，最大值分布在构造高点附近区域，在其余地区总体上分布比较均匀。在经过构造高点及断层时，应力会相应增大。最小主应力方位与最大主应力垂直，最小主应力基本上沿南东方向展布，其值一般在8-12MPa之间。平缓地带的最小主应力值较小，在断层周围值较大，而其它区域分布则比较均匀。

从裂缝的成因着手，提出了一套预测裂缝行之有效的方法。以构造地质学、地质力学理论为指导，以工区岩心观察及测井识别裂缝为依据，基于现今构造形态，通过建立地质模型，反演古构造应力场，结合岩石破裂理论。从而预测裂缝的分布规律。将该方法应用到裂缝进行预测中，所得结果与实际资料对比显示，该方法误差较小，具有重要的推广和应用价值。

参考文献

[1] 宋惠珍.脆性岩储层裂缝定量预测的一种尝试 地质力学学报，1999

[2] 宋惠珍，等.储层古应力场的数值模拟 地震地质，1999

[3] 唐湘蓉，等.构造应力场有限元数值模拟在裂缝预测中的应用.特种油气藏，2005

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