貝爾凹陷基巖潛山致密儲(chǔ)層裂縫分布預(yù)測

楊 勉，徐梓洋，楊柏松,魏 偉，李啟菊

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油對(duì)外合作部，北京 100007； 3.中國石油 青海油田分公司 采油一廠，青海 茫崖 816499)

1 地質(zhì)背景

貝爾凹陷是海拉爾盆地中部斷陷帶內(nèi)的一個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，面積約3 010 km2，受北東向和北東東向主干斷裂控制，凹陷具有“三凹二隆一斜坡”的特點(diǎn)，自西向東分別是貝西斜坡帶、貝西次凹、貝中斷隆帶、貝中次凹、貝東斷隆帶和貝東次凹6個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元[1-3](圖1)。目前，貝爾凹陷內(nèi)勘探目的層主要為基巖、下白堊統(tǒng)的銅缽廟組、南屯組和大磨拐河組。

截至2012年凹陷內(nèi)已鉆探評(píng)井158口，其中工業(yè)油流井達(dá)59口，預(yù)測資源量為2.78×108t，提交探明儲(chǔ)量1.59×108t。其中，貝中斷隆帶的蘇德爾特潛山構(gòu)造帶和貝中次凹基巖潛山獲得工業(yè)油流，提交探明儲(chǔ)量2 568×108t；貝中斷隆帶內(nèi)的霍多莫爾構(gòu)造帶、貝西斜坡帶、貝西次凹、貝東次凹等也獲得低產(chǎn)油流或見油氣井，顯示出貝爾凹陷基巖潛山油藏巨大的勘探潛力。

圖1 貝爾凹陷構(gòu)造區(qū)劃及結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural division and characteristics of Beier Depression

2 儲(chǔ)層特征

貝爾凹陷基巖潛山油藏儲(chǔ)層巖石類型以火山碎屑巖為主、陸源碎屑巖次之，主要為四大類巖性：凝灰?guī)r，沉凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)砂礫巖和普通砂礫巖。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，貝爾凹陷儲(chǔ)層孔隙度變化范圍在0.1%～29.09%，平均孔隙度為5.58%；滲透率變化范圍在(0.005～2 968)×10-3μm2，平均滲透率為2.56×10-3μm2。盡管基巖潛山儲(chǔ)層孔隙度和滲透率值變化較大，但總體上屬于低孔低滲-超低孔超低滲型致密儲(chǔ)層(圖2)。在經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和成巖作用的改造及疊加后，基巖潛山儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間類型以裂縫為主，尤以構(gòu)造應(yīng)力作用形成，受應(yīng)力性質(zhì)、巖性、圍巖等因素影響的構(gòu)造縫為主[4-7]

3 裂縫分布預(yù)測

構(gòu)造縫的形成主要受控于構(gòu)造應(yīng)力場的變化。在構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力大小超過巖石破裂極限時(shí)就會(huì)造成巖石變形、破裂，形成構(gòu)造縫[8-9]。構(gòu)造縫的形成和發(fā)育主要集中在兩種構(gòu)造類型上：一是斷裂，伴隨斷裂的形成和活動(dòng)會(huì)引起局部應(yīng)力集中，沿?cái)嗔训闹苓吅投鄺l斷裂的交匯端是裂縫主要發(fā)育區(qū)；二是褶皺，地層發(fā)生褶皺變形時(shí)其轉(zhuǎn)折部位會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)，在褶皺曲率變化大的部位形成裂縫發(fā)育區(qū)。

3.1 與褶皺相關(guān)裂縫發(fā)育帶預(yù)測

裂縫在不同構(gòu)造成因褶皺上的分布特征不同，主要分布于構(gòu)造的翼部、撓曲、傾沒端和軸部(圖3)。這些裂縫發(fā)育帶均因巖層褶皺強(qiáng)烈變形產(chǎn)生，發(fā)育于褶皺的強(qiáng)烈變形區(qū)，形成的裂縫孔隙度與曲率值呈正比[式(1)][10]，因此可以用曲率來反映裂縫的相對(duì)發(fā)育程度，曲率值高的區(qū)域代表了巖層褶皺強(qiáng)烈變形區(qū)，是裂縫相對(duì)發(fā)育區(qū)。

(1)

式中:Φf——張裂縫的孔隙度，%；

R——巖層彎曲的曲率半徑，m；

T——中性面以上厚度，m。

利用式(1)對(duì)貝爾凹陷基巖頂面的曲率值進(jìn)行計(jì)算后成圖，結(jié)果表明(圖4)，貝爾凹陷內(nèi)各次級(jí)構(gòu)造帶邊緣、局部構(gòu)造凸起區(qū)及斷裂帶周邊為曲率高值區(qū)，代表了地層強(qiáng)烈褶皺變形區(qū)，是構(gòu)造縫主要發(fā)育的部位；其余地形相對(duì)平緩區(qū)地層褶皺變形較弱，是構(gòu)造縫相對(duì)不發(fā)育區(qū)。

圖3 裂縫發(fā)育的有利褶皺構(gòu)造部位示意圖[11]Fig.3 Schematic diagram showing fold structural positions favorable for fractures development

圖4 貝爾凹陷基巖頂面曲率分布Fig.4 Bedrock top surface curvature distribution of Beier Depression

3.2 與斷裂相關(guān)裂縫發(fā)育帶預(yù)測

與斷裂相關(guān)的裂縫是局部構(gòu)造裂縫的重要類型,斷裂帶內(nèi)以伴生裂縫為主，而斷裂附近則是誘導(dǎo)裂縫的發(fā)育部位。在構(gòu)造應(yīng)力場作用下，往往產(chǎn)生一系列與斷裂平行的剪破裂，裂縫的密度在斷裂帶中央部位最大，裂縫帶寬度一般不超過數(shù)十米。此外，斷裂在活動(dòng)過程中派生的局部應(yīng)力場也會(huì)產(chǎn)生一些裂縫，其分布由斷層活動(dòng)引起的次級(jí)構(gòu)造應(yīng)力場和巖石力學(xué)性質(zhì)所決定，離斷裂越近，密度越大[12-14]。此外，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的長期活動(dòng)斷層周邊裂縫系統(tǒng)更加密集和復(fù)雜，是多期裂縫相互交叉和疊加的最終結(jié)果[15]。

有限元數(shù)值模擬方法是現(xiàn)今裂縫平面預(yù)測采用最為普遍的方法，其主要通過建立地質(zhì)模型、加載邊界條件和載荷、模擬計(jì)算等一系列步驟反演出裂縫形成時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力場的分布，從而分析獲得裂縫發(fā)育的特征及分布規(guī)律。

貝爾凹陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造演化，主要可分為“斷陷期”、“斷-凹轉(zhuǎn)化期”和“凹陷期”三個(gè)階段，其中斷陷期階段構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈，這一時(shí)期沉積形成了南屯組地層，也是基巖潛山構(gòu)造裂縫形成的主要時(shí)期。據(jù)此，選擇南屯組沉積時(shí)期基巖潛山的頂面構(gòu)造格局來建立數(shù)值模擬模型，賦予其力學(xué)參數(shù)、邊界條件及載荷(表1)，進(jìn)行計(jì)算后即求得基巖潛山頂面在南屯組沉積時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力值的分布。

表1 構(gòu)造應(yīng)力數(shù)值模擬巖石力學(xué)參數(shù)及邊界條件Table 1 Rock mechanical parameters and boundary conditions for structural stress simulation

圖5 貝爾凹陷基巖頂面南屯組沉積時(shí)期應(yīng)變能密度Fig.5 Strain energy density map of top bedrock in Beier Depression during the deposition of the Nantun Fm

圖6 貝爾凹陷基巖頂面裂縫發(fā)育區(qū)Fig.6 Fracture distribution on top bedrock of Beier Depression

研究發(fā)現(xiàn)，裂縫的發(fā)育程度與應(yīng)變能密度具有非常高的相關(guān)性，并可以將之作為裂縫定量預(yù)測模型加以應(yīng)用[16][式(2)]。

(2)

式中：σ1——最大主應(yīng)力值，MPa；

σ2——中間主應(yīng)力值，MPa；

σ3——最小主應(yīng)力值，MPa；

γ——泊松比，小數(shù)；

E——彈性模量，MPa；

利用數(shù)值模擬計(jì)算得到的構(gòu)造應(yīng)力值分布結(jié)果，通過式(2)計(jì)算后求得南屯組沉積時(shí)期貝爾凹陷基巖頂面的應(yīng)變能密度大小。在斷裂的末端、轉(zhuǎn)折部位及交匯處存在應(yīng)變能密度高值區(qū)，這些區(qū)域是“與斷裂相關(guān)裂縫”的發(fā)育區(qū)(圖5)。

圖7 貝16井基巖潛山巖心裂縫發(fā)育特征Fig.7 Fractures in cores of bedrock buried hill in well Bei16

3.3 裂縫發(fā)育帶分布范圍及分布規(guī)律

將上述兩種類型的裂縫發(fā)育區(qū)帶預(yù)測結(jié)果進(jìn)行綜合，即為研究區(qū)基巖頂面裂縫發(fā)育區(qū)帶的分布范圍(圖6)

由裂縫分布預(yù)測圖可以看出，貝爾凹陷內(nèi)，基巖頂面與褶皺相關(guān)裂縫發(fā)育帶分布規(guī)律明顯，主要沿構(gòu)造走向分布。在貝西次凹裂縫相對(duì)發(fā)育帶分布于貝302-貝13井及貝D4井東部；貝中斷隆帶則分布于北部霍多莫爾構(gòu)造帶霍10井周邊、中部蘇德爾特構(gòu)造帶貝42-貝16井一線。貝中次凹內(nèi)分布于希13-希5-德8井附近。與斷裂相關(guān)裂縫發(fā)育帶則主要分布于貝西次凹西南部及中部、貝中斷隆帶貝30井附近、貝中次凹東北部德8井附近及西南部希5井周邊。

3.4 驗(yàn)證實(shí)例

貝16區(qū)塊是貝爾凹陷內(nèi)含油氣性較好的基巖潛山油藏之一，目前已投入開發(fā)階段，單井日產(chǎn)油量3.1噸。油藏儲(chǔ)層巖性主要為凝灰?guī)r和砂礫巖。

鉆井巖心觀察與描述表明(圖7)，區(qū)內(nèi)貝16井基巖潛山頂部主要為褐灰色凝灰?guī)r，見油斑、油跡。溶蝕性裂縫極發(fā)育，裂縫寬度在2～120 mm之間，多為5～30 mm，呈串珠狀分布，為早期發(fā)育的裂縫后期擴(kuò)溶而成，是油氣的主要儲(chǔ)集空間。隨著深度的增加，下部裂縫的數(shù)量和寬度均減小，且大部分被方解石充填。據(jù)此證明貝16井基巖頂部的溶蝕性裂縫儲(chǔ)層主要是由構(gòu)造曲率控制下形成的裂縫發(fā)育區(qū)演變而來；此外，該井距基底主干斷層較遠(yuǎn)，并不發(fā)育構(gòu)造應(yīng)力控制下形成的裂縫區(qū)。這與貝爾凹陷基巖頂面裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測結(jié)果相一致，證明了預(yù)測方法的合理性。

4 結(jié)論

1) 貝爾凹陷基巖潛山儲(chǔ)層總體上屬于低孔低滲—超低孔超低滲型致密儲(chǔ)層，儲(chǔ)集空間以“與褶皺相關(guān)裂縫”和“與斷裂相關(guān)裂縫”形成的構(gòu)造裂縫為主。

2) 利用“曲率法”和“有限元數(shù)值模擬法”預(yù)測裂縫分布的結(jié)果表明，貝爾凹陷基巖頂面與褶皺相關(guān)裂縫發(fā)育帶主要沿構(gòu)造走向分布，主要分布于貝西次凹貝302-貝13井及貝D4井東部、貝中斷隆帶霍10井周邊及貝42—貝16井一線、貝中次凹內(nèi)希13—希5—德8井附近。與斷裂相關(guān)裂縫發(fā)育帶主要分布于貝西次凹西南部及中部臨近蘇德爾特構(gòu)造帶的貝30井附近、貝中次凹東北部德8井附近及西南部希5井周邊。

3) 巖心觀察表明貝16井基巖潛山頂部主要發(fā)育構(gòu)造曲率控制下的溶蝕性裂縫，與裂縫預(yù)測結(jié)果相一致，證明了預(yù)測方法的合理性。

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