川東北馬路背須四段儲層裂縫預測

劉聰穎 梅 梓 陶佳麗 劉志毅 藺明陽 羅夢原

(1.西南石油大學資源與環(huán)境學院，成都 610500;2.長慶油田公司采油三廠，銀川 750000;3.西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧 629000)

1 地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造及地質(zhì)特征

馬路背位于通南巴構(gòu)造帶涪陽壩次級構(gòu)造上(圖1)，通南巴構(gòu)造帶位于四川盆地東北緣，米倉山?jīng)_斷構(gòu)造帶位于其北側(cè)，東北側(cè)為大巴山前緣弧形推覆構(gòu)造帶，南鄰川中平緩構(gòu)造帶，北西與米倉山前緣凹陷帶相接，東南與通江凹陷帶相連，是古生代—早中三疊世四川盆地地臺沉積的一部分，也是中生代和新生代米倉山 — 大巴山的前陸盆地［1］。

圖1 馬路背構(gòu)造位置圖

馬路背構(gòu)造須家河組四段底界由馬1斷鼻和馬2斷背斜組成，主要存在北東向和北西向2組斷層，它們是多期構(gòu)造運動的結(jié)果。馬路背構(gòu)造上三疊統(tǒng)須家河組主要發(fā)育湖相與河沼相的陸相碎屑巖，可劃分為須五段、須四段、須三段、須二段及須一段共5個巖性段［2-3］。須四段上部為雜色、深灰色礫狀砂巖;中部黑色泥巖、灰色中砂巖互層，下部灰色含礫粗砂巖與須三段上部黑色頁巖及黑色泥巖呈整合接觸。

1.2 馬路背構(gòu)造形成及演化

馬路背構(gòu)造須家河組須四段底部主要存在北東向和北西向2組斷層，其中北東向斷層發(fā)育較早，北西向斷層發(fā)育較晚，并且以北東向斷層為輔、北西向斷層為主。從燕山運動晚期開始，經(jīng)雪峰山、武陵山傳導而來的擠壓應力作用，使馬路背形成了明顯的北東向構(gòu)造主體。新老第三紀間的喜馬拉雅運動中期，由于受太平洋板塊俯沖的影響，馬路背再次受到南東方向擠壓作用，對早期的北東向構(gòu)造進行加強或改造，形成了褶曲幅度更高的NE向構(gòu)造。喜山運動晚期，四川盆地持續(xù)受到南北向的擠壓應力作用，從南秦嶺傳來的南北向擠壓力在大巴山弧形構(gòu)造帶處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成了北東 — 南西方向的擠壓［4-5］，馬路背在此構(gòu)造作用力的影響下相繼形成了一系列北西向的斷層和構(gòu)造。

2 有限元裂縫預測原理

2.1 有限元應力場模擬的原理

地應力是在巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造作用、地質(zhì)體巖性、地形地貌、溫度應力等作用下形成的。在一個較大的區(qū)域上，區(qū)域現(xiàn)今應力場的總體規(guī)律，可以在調(diào)查斷層的新構(gòu)造活動特征，震源機制解和地應力實測的基礎(chǔ)上得出初步認識，但要定量地反映區(qū)域應力場，找出應力集中部位，則需要通過地應力實測和數(shù)值模擬來實現(xiàn)。

對于現(xiàn)代地應力可用區(qū)域應力場的有限元反演來分析計算，也就是采用有限單元法根據(jù)已知地應力實測點和震源機制解的結(jié)果來推求整個計算區(qū)域的地應力場。其方法是首先根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，建立研究區(qū)的地質(zhì)力學模型;然后通過不斷改變邊界力作用方式和大小量值(包括大小和方向)與已有地應力實測結(jié)果和地震震源機制(最大主應力大小和方向)達到最佳擬合。由此即可得出反映研究區(qū)現(xiàn)今應力—形變場的真實情況。

然而，古構(gòu)造應力場不能像現(xiàn)代區(qū)域應力場那樣用實測點來進行擬合模擬，因為古構(gòu)造應力場特別是比較久遠的構(gòu)造應力場現(xiàn)在還沒有辦法實測其在個別點的值的大小和方向，所以古構(gòu)造應力場只能根據(jù)現(xiàn)今的構(gòu)造形跡來進行應變場的模擬，這種模擬需要有正確的構(gòu)造發(fā)展及演化的認識結(jié)果，并且模擬結(jié)果是相對結(jié)果，不一定代表實際的古應力值。其研究思路可簡單地用計算流程圖(圖2)表示。

2.2 構(gòu)造力學模型及其建立依據(jù)

地質(zhì)模型是通過對地質(zhì)體所發(fā)生的各種地質(zhì)過程的認識所形成的一個理想模式，也可以叫做地質(zhì)過程的再現(xiàn)。地殼巖體中的褶皺、斷層和裂縫等構(gòu)造都是由于巖層受到構(gòu)造應力的作用而產(chǎn)生構(gòu)造變形的結(jié)果，其形成過程是一個力學的應力 — 應變過程。因此，構(gòu)造力學模型是對巖體構(gòu)造及其形成的力學過程的認識，由于構(gòu)造運動也是一種地質(zhì)作用，構(gòu)造力學模型是地質(zhì)模型的一種，也簡稱為地質(zhì)模型。

地質(zhì)模型的建立是以地質(zhì)原型的認識為基礎(chǔ)建立起來的，同時又對地質(zhì)的作用結(jié)果產(chǎn)生重要影響。因此，要想準確獲得構(gòu)造運動時期研究區(qū)目的層位的構(gòu)造應力場和應變場特征，準確地預測巖體破壞及裂縫發(fā)育特征，就必須要正確地認識地質(zhì)原型，掌握研究區(qū)構(gòu)造運動的發(fā)生、發(fā)展及其特征等規(guī)律。

圖2 裂縫預測方法流程圖

2.3 巖石破壞接近程度系數(shù)在裂縫預測中的應用

在巖石力學的應力 — 應變分析中，評價裂縫的發(fā)育程度除依靠構(gòu)造應力大小和分布外，還需要巖石的破裂接近程度η(根據(jù)巖石強度理論計算得出)加以輔助判斷，η值是影響巖石破裂程度的諸多因素(最大主應力、最小主應力、剪應力、巖石的材料力學性質(zhì)等)的綜合體現(xiàn)。一般η值越大，裂縫孔隙度越大，裂縫越發(fā)育。

3 古構(gòu)造應力場模擬及裂縫預測

根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造油田須四段頂面構(gòu)造圖以及其他地質(zhì)資料，抽象出用于實際計算的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)須四段構(gòu)造形態(tài)和斷層規(guī)模大小不同，將計算模型劃分為若干類巖體介質(zhì)，對于斷層，主要按照方位分為南北向、北西向，并考慮各斷層構(gòu)造部位，分別給定材料。對于研究區(qū)內(nèi)不同向斜、陡坡等構(gòu)造同樣是通過調(diào)節(jié)其所在位置的單元材料來實現(xiàn)的。模擬采取地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和離散化網(wǎng)格，通過加載荷和約束邊界條件來實現(xiàn)。計算模型均采用八節(jié)點四邊形單元和六節(jié)點三邊形單元進行分割。所涉及參數(shù)主要是依據(jù)鄰區(qū)相同層位巖石力學試驗測試結(jié)果，并結(jié)合工程地質(zhì)類比法來確定［6］。

3.1 古構(gòu)造應力場模擬及分布特征

在建立起上述地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，利用日本軟件公司的有限元應力計算軟件“2D-δ”，建立馬路背須四段儲層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)構(gòu)造形態(tài)的不同將模型劃分為若干類巖體介質(zhì)，分別給予每一種介質(zhì)不同的物理力學參數(shù)，然后對模型附加不同的邊界條件 — 載荷和束約，再通過調(diào)節(jié)載荷的量值(大小和方向)，使模擬的形變達到與實際構(gòu)造形態(tài)最佳的擬合來實現(xiàn)對古構(gòu)造應力場的模擬計算。

早期須四段底部巖體在鼻狀構(gòu)造形成時期持續(xù)受到近北西向構(gòu)造擠壓力的作用，最大主應力矢量方向主要是呈北西方向展布。應力值總的分布特征是應力值大小較均勻，整體呈帶狀分布。最大主應力的最高值約為-84.699 MPa，最小主應力方位基本上沿北東 —南西方向展布，最小值為-69.133 MPa。

晚期研究區(qū)在持續(xù)受到北東方向構(gòu)造擠壓力的作用下，最大主應力矢量主要呈近北東方向展布。最大主應力總體上分布比較均勻，一般在-29.189～-30.407 MPa之間。最小主應力矢量基本上沿北西(NW)方向展布，應力值相對較小，且最小主應力分布較均勻，最小主應力值一般分布在-8.785～-10.218 MPa之間。

3.2 巖石破裂程度預測

由于研究區(qū)的構(gòu)造成型經(jīng)歷了2個構(gòu)造應力作用階段，而不同構(gòu)造運動階段巖石的破裂程度各不相同，故將其按照不同構(gòu)造運動階段進行分期描述［7-8］。基于構(gòu)造應力場結(jié)果，利用巖石力學的莫爾— 庫侖強度破裂準則，可計算出巖體破裂接近程度系數(shù)及其分布特征(圖3)。

圖3 馬路背須四段儲層破壞程度色譜圖

模擬結(jié)果表明:研究區(qū)早期巖體的破壞程度系數(shù)處于1.369～1.433之間，基本上超過了破裂臨界值(理論上的破裂臨界值是1)。根據(jù)模擬結(jié)果研究區(qū)須四段早期巖體破壞的程度較高，而且整體分布規(guī)律性較強，鼻狀構(gòu)造和背斜長軸部分破壞程度最高。在晚期構(gòu)造作用時期，大于1的地區(qū)在須四段分布較廣，主要分布在第一階段形成的背斜長軸的肩部構(gòu)造區(qū)，以及第二階段形成的北東構(gòu)造帶及其附近地區(qū)，其中最明顯的是形成的北西向斷層，這些地區(qū)巖體破壞接近程度系數(shù)普遍高于1.516。上述地區(qū)的外圍帶巖體破壞程度系數(shù)也比較高，一般大于1.326，說明構(gòu)造作用的第二階段構(gòu)造作用強烈，巖體的破壞程度較高，裂縫發(fā)育。整體來看，在2期構(gòu)造運動的綜合作用下，須四段巖體第二階段的構(gòu)造作用力最強，對巖體所造成的破壞性也最大，裂縫較發(fā)育。

3.3 裂縫發(fā)育預測

根據(jù)上述裂縫發(fā)育程度評價標準，結(jié)合野外裂縫觀測及實際生產(chǎn)資料結(jié)果等進行綜合分析，將官南構(gòu)造須四段巖體裂縫發(fā)育區(qū)域及發(fā)育分布總體特征預測如下(圖4):

(1)裂縫Ⅰ級發(fā)育區(qū)主要分布在馬路背構(gòu)造的斷鼻的高點、晚期形成的北東向構(gòu)造高點，馬路背構(gòu)造背斜的肩部，此外在斷層的破裂帶外圍的小范圍內(nèi)也存在著呈條帶狀分布的Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)，這些Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)主要受2期構(gòu)造應力場作用的結(jié)果，晚期的改造作用使得其破壞程度進一步加大。該區(qū)巖體破壞接近程度值高。

(2)Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)主要位于在斷鼻上主要發(fā)育在次高帶區(qū)域以及北西向隆起區(qū)域的Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)的外圍及相鄰區(qū)域的斷層周圍，這些Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)圍繞Ⅰ級裂縫區(qū)呈環(huán)帶狀分布;Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)也是受到2期構(gòu)造運動作用的結(jié)果，與Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)形成原因相比，其主要破壞程度依賴于早期構(gòu)造作用力的結(jié)果，早期構(gòu)造作用力對其改造作用相對較弱，改造程度很低。

圖4 馬路背須四段儲層裂縫綜合預測成果圖

(3)Ⅲ級裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在馬路背構(gòu)造的Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)外圍，呈條帶狀分布，巖體的破壞程度直接決定于早期構(gòu)造運動作用力，晚期構(gòu)造運動作用力對這些區(qū)域的影響程度較Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)還低，這也是造成這些區(qū)域裂縫發(fā)育程度比Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)和Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)低的根本原因。

4 結(jié)論

(1)喜山晚期運動對馬路背影響最大，主要形成北西向構(gòu)造并對早期北東向構(gòu)造加以改造或加強。裂縫主要分布在背翼部高陡帶、背斜長軸及斷裂帶。

(2)馬路背構(gòu)造須家河組四段底部在2期構(gòu)造應力場作用下發(fā)育裂縫有2期5組，早期的高角度剪切縫、低角度剪切縫和派生剪切縫 ，晚期的高角度剪切縫、低角度剪切縫和高角度張性縫。裂縫的延伸方向主要為北西向、北東向以及近南北向。

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