巖石力學層與構(gòu)造裂縫發(fā)育關系研究

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(1.中石化勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015；2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580)

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巖石力學層與構(gòu)造裂縫發(fā)育關系研究

趙樂強1，馮建偉2

(1.中石化勝利油田勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015；2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580)

裂縫性儲層的層間力學性質(zhì)差異是控制裂縫發(fā)育的主要因素，準確識別巖石力學層結(jié)構(gòu)并建立與裂縫分布的關系，對于提高裂縫預測和建模精度至關重要。以庫車坳陷D氣田深層致密砂巖為例，綜合野外露頭、巖心、測井、地震資料，基于力學實驗、古孔隙度恢復和數(shù)值模擬方法，識別泥巖隔夾層和裂縫特征，恢復古孔隙度、古彈性模量、古泊松比及古應力場，探討巖石力學層與裂縫發(fā)育之間的關系，建立力學層-裂縫層綜合發(fā)育模式。結(jié)果表明：巖石力學層常以巖相、隔夾層、力學參數(shù)的垂向差異為主控因素，單一巖性條件下，層厚與裂縫密度負相關，與裂縫間距正相關，復合砂巖條件下，層厚與裂縫密度正相關，與裂縫間距負相關；裂縫密度、長度與泥巖隔夾層頻率負相關，裂縫平均間距與泥質(zhì)含量負相關，在互層條件下，砂泥巖厚度比約為6.7時，裂縫密度呈現(xiàn)高值，中尺度縫以層間穿透縫為主，小尺度縫以層內(nèi)縫為主；彈性模量與基質(zhì)孔隙度冪指數(shù)正相關，泊松比則與孔隙度“躺椅式”負相關；巖石力學層和裂縫發(fā)育對應模式可劃分為水平型和褶皺型兩大類，進一步劃分為厚層砂巖低密度裂縫型、中層砂巖+薄層泥巖高密度裂縫型、厚層泥巖+薄層砂巖中密度裂縫型和等厚泥巖+砂巖低密度裂縫型。

巖石力學層；裂縫層；古力學參數(shù)；深層致密砂巖

大量野外露頭、巖心及地震資料分析表明，巖石物性、地層厚度以及巖性界面對斷層和裂縫構(gòu)造的發(fā)育至關重要，造成了層狀地層間裂縫樣式及密度的顯著差異和不均一性。由于目前地下裂縫的分布預測存在很大難度，建立已知層狀地層的屬性與裂縫分布之間的關系并進行未知區(qū)域的裂縫預測和建模，對于裂縫性油氣藏的勘探開發(fā)具有重要的實際意義[1-3]。早期，主要通過觀察褶皺內(nèi)部層間形態(tài)的差異來評價分析各種類型巖石的變形過程以及地層界面對構(gòu)造發(fā)育的影響[4-5]，基于這些層狀結(jié)構(gòu)的變形現(xiàn)象以及巖石力學測試，可以對褶皺構(gòu)造樣式、斷層相關褶皺作用、斷層形態(tài)、沖斷系統(tǒng)幾何學、斷層尺度劃分等的形成機制較為合理的解釋。同時，Donath[6]和Fruth[7]等通過室內(nèi)模擬實驗研究了埋藏史和成巖演化史對構(gòu)造樣式和巖層力學性質(zhì)的控制和影響作用。后來，地層結(jié)構(gòu)控制裂縫產(chǎn)狀和力學性質(zhì)這一觀念逐漸地被應用到地下開啟縫網(wǎng)的形成機制及主控因素評價當中[8-10]。不僅地層結(jié)構(gòu)影響著裂縫的產(chǎn)狀、規(guī)模(裂縫長度、高度和開度)、級別、樣式和空間展布形態(tài)，不同成巖階段的巖石力學性質(zhì)、層狀結(jié)構(gòu)的頻率以及沉淀膠結(jié)作用也不同程度地影響著裂縫的規(guī)模和孔隙度，而且，層狀地層的力學性質(zhì)是控制裂縫形成和發(fā)育模式的主要因素[11-14]。再者，層狀地層的力學性質(zhì)對于地下開啟狀態(tài)裂縫的形成也具有一定的影響，主要包括抗張強度、彈性模量、脆性指數(shù)、裂縫力學性質(zhì)、單層厚度及巖性界面性質(zhì)，這些參數(shù)可以直接通過室內(nèi)巖石力學實驗、測井解釋和地震資料反演獲得[15]。

近年來研究表明，巖石力學性質(zhì)之間的差異可以將地層垂向上分割為連續(xù)分布的層狀結(jié)構(gòu)單元[3]，這些有力學性質(zhì)差異的結(jié)構(gòu)層就叫做力學層，可進一步理解為巖石受力后的力學響應層。相比較來看，裂縫層這一概念在地質(zhì)學界鮮有提及，通常指基于裂縫發(fā)育范圍、強度及觀測的裂縫參數(shù)劃分出的次級構(gòu)造單元，也就是說力學層和裂縫層之間可以相互替代。Stephen[3]認為力學層概念和裂縫層概念不能混淆使用，在2008年召開的AAPG、SPE和SEG裂縫研究會議上，對于如何建立一個最直接有效的辦法來區(qū)別觀測到的裂縫類型及分布特征與巖石力學性質(zhì)變化之間的關系，最終沒有達成一致意見，而是要強調(diào)和重視巖石力學性質(zhì)具有時效特性這一觀點。

對于完整巖石來說，力學參數(shù)會隨著成巖作用的演化而變化，成巖作用可能從沉積之后開始持續(xù)到現(xiàn)在，也可能發(fā)生在幾十萬年到幾百萬年之間的一段時期內(nèi)。因此，在室內(nèi)所測試得到的巖石力學性質(zhì)不能很好地解釋當時巖石破裂時的機制。為了搞清楚裂縫層和力學層之間的關系，需要開展從造縫時間到現(xiàn)今的地層力學性質(zhì)演化研究。Stephen等[3]在巖心觀察和野外統(tǒng)計的基礎上，對裂縫層和力學層進行了對比分析，認識到力學結(jié)構(gòu)對裂縫樣式的分布具有明顯的控制作用，認為巖性界面導致了軟硬巖層間的應力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以及彈性模量、泊松比等強度參數(shù)的差異，最終影響著縱向上裂縫的延伸可擴展，但未實現(xiàn)地層力學性質(zhì)的演化研究。戴俊生等[16-18]陸續(xù)通過有限元數(shù)值模擬的方法，對砂泥巖互層低滲透砂巖儲層的裂縫發(fā)育規(guī)律及垂向穿透性進行了定量評價，認為泥巖層大于3 m或5 m時，不管砂巖層多厚、裂縫都恰好不能穿透。本次研究擬以庫車坳陷深層致密砂巖互層為例，從地震、測井、巖心、鏡下、露頭、測試相結(jié)合的古巖石力學參數(shù)的恢復出發(fā)，通過對不同級次裂縫參數(shù)的大量統(tǒng)計，分析砂巖、泥巖厚度、組合、成分及力學性質(zhì)對裂縫發(fā)育和分布的控制作用，建立地質(zhì)參數(shù)與裂縫參數(shù)之間的相關性[19-20]，對井間裂縫分布進行有效預測。

1 地質(zhì)概況

庫車坳陷位于天山?jīng)_斷褶皺帶與塔里木板塊北緣的接合部位，依其褶皺形式及隆凹成帶的展布格局，由山前向盆內(nèi)可進一步細分為北部單斜帶、克拉蘇-依奇克里克構(gòu)造帶、拜城凹陷、秋里塔格背斜帶和陽霞凹陷五個二級構(gòu)造單元[21]。D氣田位于天山南緣秋里塔格背斜帶東段(圖1)，北界控邊斷裂為迪北斷裂，南界控邊斷裂為東秋里塔格斷裂，斷裂走向均為NEE或近EW向，從下至上斷穿了三疊系、侏羅系、白堊系以及新近系，并向上消失于吉迪克組內(nèi)，在兩條主斷裂的控制下地層褶皺呈現(xiàn)為近EW走向的長軸背斜。研究目的層段古近系由下至上依次發(fā)育了庫姆格列木群(EII)和蘇維依組(EI)，兩套地層均可進一步細分為三個巖性段，每個巖性段厚度總體在79.4～135.5 m之間，頂部與新近系吉迪克組(N1)呈整合接觸。總體上，蘇維依組(EI)巖性以褐色粉砂巖、粉細砂巖為主，中部過渡部位巖性以礫巖、砂礫巖為主，夾層大量分布，多為薄層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，庫姆格列木群(EII)靠上部位發(fā)育一套泥巖、粉砂質(zhì)泥巖隔層，厚度分布穩(wěn)定，大約為12～14 m，上覆吉迪克組巖性以棕紅色泥巖、灰綠色泥巖條帶及厚層膏鹽為主，具有較強塑性變形特征，是下部儲層的有效蓋層。D氣田位于天山南緣的斜坡地帶，古近系沉積時位于一大型扇三角洲的前緣位置，水下分流河道沉積微相發(fā)育，分流間灣和席狀砂微相次之[22]。目前古近系儲層埋藏深度普遍大于4 500 m，壓實程度高，礦物之間以線接觸和面接觸為主，局部鈣質(zhì)膠結(jié)使得儲層脆性變強，由于原生孔隙所剩無幾，裂縫不僅是重要的儲集空間，也是主要的滲流通道，對于氣藏的開發(fā)和生產(chǎn)至關重要。

圖1 塔里木盆地D氣田地理位置及構(gòu)造區(qū)劃

2 野外露頭裂縫的層狀特征

2.1 裂縫密度測量

目前裂縫研究中，線密度、面密度、體密度是描述裂縫發(fā)育程度及總體規(guī)律的最直接參數(shù)[23]，但鉆井巖心和野外露頭測量過程中，體密度和面密度測量工作繁瑣且實際操作難度大，更容易受到人工認識程度的干擾，線密度測量簡便易行，尤其在增加測線密度后能很好地表征裂縫整體發(fā)育強度。在庫車坳陷索罕村地區(qū)設計了2條剖面的4條測線，對每條測線測量并分別統(tǒng)計裂縫開度、線密度、充填度、產(chǎn)狀及力學，剔除方向性不明顯的后期應力誘導縫后，共剩余178條裂縫，同時對露頭巖性組合、巖性界面、厚度、夾層等也進行了詳細統(tǒng)計。

2.2 裂縫分布的成層性

一般認為，強硬的巖層通常表現(xiàn)為脆性，裂縫一般比軟弱的巖石更發(fā)育；在相同組分的巖石中，隨著顆粒變細，裂縫越發(fā)育[14]。但野外露頭統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，從粗粒級的砂礫巖到砂質(zhì)泥巖中裂縫均較發(fā)育，其中含礫砂巖和粉細砂巖級別的巖石中最為發(fā)育，達到0.8條/m以上，與層狀巖石相比，如不同級別的砂巖互層或砂巖夾薄層泥巖時，裂縫密度表現(xiàn)為高值(圖2、圖3)。根據(jù)鏡下鑄體薄片觀察結(jié)果，古近紀地層內(nèi)主要發(fā)育構(gòu)造裂縫，其次為溶蝕縫、收縮縫和粒內(nèi)粒緣縫。盡管粒內(nèi)粒緣縫僅占總裂縫數(shù)量的2.6%左右，且主要發(fā)育在粒度較粗的砂礫巖、礫巖中，粒間常充填一定量的塑性泥質(zhì)膠結(jié)物，但埋藏深度均大于4 000 m以下，壓實成巖作用強烈，較常規(guī)砂礫巖層的脆性更強，在受力過程中較大的剛性顆粒容易發(fā)生應力集中，產(chǎn)生局部破裂，且繞過顆粒邊緣或切穿顆粒延伸，此類裂縫在形態(tài)上表現(xiàn)為構(gòu)造縫-粒緣粒內(nèi)縫-構(gòu)造縫的交替組合，具有很好的連通性和滲透性。相比較下，粗砂巖、中砂巖內(nèi)裂縫密度較低，線密度都小于0.4條/m，而細砂巖、粉細砂巖裂縫密度較高，達到0.7～0.8條/m。D氣田古近系沉積時，區(qū)域構(gòu)造環(huán)境相對平靜，地形地貌相對平整，天山南緣作為主要的物源區(qū)，逐漸向北退縮，南部前緣隆起開始成為主要物源區(qū)，在D氣田地區(qū)發(fā)育大量的水下分流河道微相、河口壩微相，平面上展布廣，常連片分布，加上水流搬運距離較遠，碎屑巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度都較山前地區(qū)和隆起周圍要高，石英含量可達到50%～80%。沉積后的儲層在后期受到地層水礦物膠結(jié)作用，脆性礦物如石英、方解石和白云石等大量發(fā)育，增強了巖石的整體剛性特征，更容易形成構(gòu)造裂縫。

一般情況下，隨著砂體單層厚度的變小，裂縫會越發(fā)育，單層厚度越大，裂縫平均間距越大，而且兩者呈反比例關系[24]。本次野外統(tǒng)計表明，不管單砂體或者單泥巖層內(nèi)都表現(xiàn)為薄層裂縫密度大于厚層裂縫密度，曲線呈座椅式負相關，即單層厚在1～4 m區(qū)間內(nèi)裂縫密度降低較快，單層厚在4～8 m區(qū)間內(nèi)裂縫密度幾無變化，單層厚在8～12 m區(qū)間內(nèi)裂縫密度急速降低，泥巖和粉砂質(zhì)泥巖層裂縫稀疏，不同厚度巖層中裂縫密度差別不大(圖4(a)、4(b))，當大套泥巖中夾厚約1～3 m的砂巖裂縫分布比較集中。而對于復合砂體來說，其裂縫發(fā)育情況以及與單巖性層或單層砂體的裂縫發(fā)育情況有所不同，甚至完全不相同。由圖4(c)、4(d)可以看出，露頭區(qū)裂縫密度與復合砂體厚度呈正相關關系，即厚度在小于7.5 m時，裂縫密度迅速增大，超過7.5 m后基本呈水平趨勢，且裂縫平均間距與復合砂體厚度呈負相關關系，與之相比單砂體厚度與裂縫間距呈正相關關系。從砂體厚度與裂縫平均長度的擬合關系來看，單砂體曲線具正相關性，在砂體厚度大于7.5 m后基本呈水平趨勢，而復合砂體曲線則在4.5 m處出現(xiàn)拐點，即在4.5 m以下裂縫長度逐漸減小，在4.5 m時達到最低值，然后迅速增加直到7.5 m趨于水平?？梢?，裂縫發(fā)育的影響因素不僅僅是單層厚度，還受巖性、隔夾層、巖性韻律組合的影響。在露頭區(qū)陸相扇三角洲前緣砂體發(fā)育，但在水進期常夾雜大量泥質(zhì)隔夾層，不僅改變了儲層的整體結(jié)構(gòu)，也影響著力學性質(zhì)的連續(xù)性，造成了局部應力場的變化和集中，影響著裂縫的發(fā)育。以上分析說明厚層均質(zhì)砂巖內(nèi)裂縫并不發(fā)育，層狀砂巖或含泥質(zhì)夾層砂巖裂縫相對發(fā)育。

圖2 天山南緣庫車河野外剖面裂縫發(fā)育模式Fig.2 Fracture development mode of Kuqa field outcrops at the South Tianshan piedmont

圖3 庫車坳陷野外露頭不同巖性中的裂縫發(fā)育程度對比

圖4 庫車坳陷D氣田裂縫發(fā)育與地層厚度關系Fig. 4 Relationship between fracture development and layer thickness in D gas field, Kuqa depression

圖5 天山南緣庫車河野外露頭裂縫發(fā)育模式

為了研究泥巖隔夾層對裂縫發(fā)育的控制影響作用，可首先將裂縫進行分級歸類。參考現(xiàn)行裂縫分類劃分標準，同時考慮幾何形態(tài)、成因機制，劃分出三種尺度類型：大尺度縫、中尺度縫和小尺度縫[25]。大尺度縫與微斷層尺度相當，但斷距不明顯，空間上分布相對穩(wěn)定，延伸距離一般超過1 km，開度大于1 mm，縱向上可同時切穿幾套巖層，主要形成于區(qū)域應力環(huán)境中；中尺度縫一般指縱向上可切穿幾個單砂層的裂縫，受泥巖隔層限制，延伸距離一般位于10 m至幾百米，主要形成于區(qū)域應力環(huán)境中，局部受到次級應力場影響而發(fā)生走向變化；小尺度縫是指受局部應力場控制產(chǎn)生或較大尺度縫被隔夾層分割成的層內(nèi)裂縫，受塑性夾層和物性變化影響明顯，空間尺度一般小于10 m，與較大規(guī)?？p呈斜交關系。這些夾雜在致密砂巖中的一系列泥巖隔夾層，在深層高溫高壓條件下具有強烈的塑性特征，一方面積累了部分塑性勢能，同時降低了砂巖中的彈性應變能，使脆性砂巖更難于產(chǎn)生破裂，另一方面卻造成了地層結(jié)構(gòu)的強烈非均質(zhì)性，容易在巖性界面附近發(fā)生應力集中，使周圍脆性砂巖更容易產(chǎn)生裂縫。兩者看似矛盾，但由前面分析可知，厚層砂巖產(chǎn)生的裂縫間距大、延伸長，層狀復合砂巖或含夾層厚砂巖卻在一定范圍內(nèi)隨著厚度增加裂縫密度迅速增大，只是裂縫規(guī)模相對變小，且通常在巖層內(nèi)發(fā)育，要么終止于巖性界面上，要么極少穿越巖層界面或巖性界面后發(fā)生產(chǎn)狀改變。因此泥巖隔夾層的發(fā)育，對巖石力學機制起到減緩作用，降低了裂縫的穿透程度(圖5(a)～5(g)、5(h)～5(i))。通過對77條中尺度縫的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，直接切穿一到幾個夾層的占46.5%，被夾層限制且消失于砂體內(nèi)部的占12%。對89條小尺度縫的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，能夠穿透一個夾層的占15.5%，首尾延伸被夾層限制的占37%左右。統(tǒng)計結(jié)果顯示兩者之間存在一定的反比例關系，即裂縫的規(guī)模越大越容易切穿夾層，以層間縫為主，小尺度縫以層內(nèi)縫為主(圖5(j))。進一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，裂縫的線密度、長度與泥巖夾層頻率也呈反比例關系(圖5(h)～5(i))，即泥巖夾層頻率越高，裂縫密度越低，延伸距離越近。另外，裂縫間距與泥質(zhì)含量呈反比例的關系，說明隨著巖石礦物顆粒越小，巖層厚度一般越薄，應力分布越集中，同時泥質(zhì)含量的增加，更增強了巖層微觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，進一步造成了應力的集中，容易產(chǎn)生小規(guī)模裂縫。重點選取幾個典型的砂泥巖互層段進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當砂/泥厚度比值為6.7左右時，裂縫密度達到最高值，即裂縫最發(fā)育，小于或超過此范圍時裂縫密度又開始降低。造成這種現(xiàn)象的原因很可能是由于砂/泥厚度比位于此范圍時，地層整體結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強，砂巖中應力迅速集中并產(chǎn)生大量裂縫，然后逐漸擴展到泥巖內(nèi)或切穿泥巖。

3 巖石力學層與裂縫發(fā)育關系建立

3.1 巖石力學參數(shù)分布與裂縫發(fā)育關系

巖石力學層的本質(zhì)差異體現(xiàn)在巖石物理性質(zhì)的差異上，從而制約著裂縫的發(fā)育及分布規(guī)律。為了獲得連續(xù)的巖石力學參數(shù)剖面，在單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗及測井資料計算的基礎上，先將單軸測試結(jié)果進行圍壓虛擬設定，逐步校正到三軸測試條件下，再將測試點深度校正到測井曲線深度上，并與測井計算結(jié)果進行對比分析，獲得靜態(tài)力學參數(shù)和動態(tài)力學參數(shù)之間的關系公式，最后以靜態(tài)測試結(jié)果為準，對連續(xù)的測井計算結(jié)果校正為靜態(tài)力學參數(shù)曲線。從D氣田沿背斜長軸的近東西向連井剖面來看，巖石力學參數(shù)如彈性模量(E)和泊松比(U)的縱向分布規(guī)律與裂縫密度具有較好的一致性，總體上彈性模量高、泊松比低的部位裂縫相對發(fā)育(圖6)。如D2-14井泥巖發(fā)育，砂巖往往以夾雜于厚層泥巖中的形式出現(xiàn)，經(jīng)力學實驗約束下的測井力學解釋及動靜態(tài)校正后，彈性模量相對其它井要低的多，裂縫發(fā)育密度呈現(xiàn)低值。并不是彈性模量高裂縫就一定發(fā)育，綜合前期研究發(fā)現(xiàn)，厚層致密砂巖具有高的彈性模量和低的泊松比，但裂縫密度低、間距大、規(guī)模大，含泥質(zhì)夾層的層狀復合砂巖則密度變大，且隨著夾層頻率的增大呈現(xiàn)高值，如EI1-EI2之間的厚層砂巖裂縫發(fā)育程度明顯低于EI3-EI4之間的層狀含夾層復合砂巖。對比裂縫密度和力學參數(shù)縱向分布趨勢，裂縫密度由EII3至EI1具有明顯的旋回特征，與力學參數(shù)的旋回特征基本吻合，同時又可以反映在巖性及其組合變化方面。由于庫姆格列木群(EII)和蘇維依組(EI)共發(fā)育四套區(qū)域性泥巖隔層，EⅡ1隔層厚度最大，在13.2～41.5 m之間，偶夾薄砂層，由西向東減薄，EI4底部泥巖厚度變化大，位于3.84至20.1 m之間，在局部井變薄，EⅡ2底部隔層的厚度較均一，在11 m左右，西部連續(xù)性好，東部偶有薄砂層，EI3隔層厚度最薄，橫向連續(xù)性差，局部含較厚砂體。垂向上，泥巖隔層附近的裂縫密度迅速降低，甚至改變產(chǎn)狀及規(guī)模延伸到泥巖內(nèi)或消失；平面上，隔層控制著裂縫的分布趨勢，即從西向東裂縫密度逐漸升高。可見，致密砂巖儲層中的穩(wěn)定隔層起著控制低級序斷層及大尺度裂縫發(fā)育的作用，不連續(xù)夾層則控制著小尺度裂縫發(fā)育和延伸，形成大量層內(nèi)縫，而且以EI和EII之間的局部不整合為界限，上部裂縫相對下部更為發(fā)育，上部裂縫傾向以SSE和NNW為主，SSW向和NNE次之，下部則以NNW和NW為主，SSE次之，在界限附近裂縫密度出現(xiàn)大范圍低值區(qū)?？梢姡瑤r石力學層是以泥巖隔層、不整合面為界限，以巖性組合方式為主導，局部以砂層組界面和泥質(zhì)夾層為界限的橫向上連續(xù)分布的力學結(jié)構(gòu)單元，在受力過程中控制著裂縫的空間發(fā)育特征和垂向旋回性。

3.2 巖石力學-裂縫層發(fā)育地質(zhì)模式及主控因素

野外露頭、巖心觀察及數(shù)值模擬結(jié)果同樣證明了巖石力學層和裂縫層存在的合理性及可靠性，兩者基于巖石力學性質(zhì)及應力分布緊密聯(lián)系在一起。作為一種復合地層，多套巖石力學層在受力過程中不再是單純的有規(guī)律的各向均質(zhì)變形和破壞，而是可以簡化為橫向均質(zhì)破壞和縱向復雜變形破壞兩種基本類型，此時彈性模量、泊松比、密度、抗剪強度和抗張強度屬于復合力學強度范疇。由于研究區(qū)埋藏深，構(gòu)造解析認為裂縫形成時期巖層埋深約3 500～4 000 m，上覆巖層密度按2.517 g/cm2計算，該深度產(chǎn)生約85～105 MPa的下壓力(即垂向應力)再減去孔隙流體所承受的壓力得到巖層頂面所受垂向有效應力范圍為40～55 MPa，地應力狀態(tài)屬于III類。因此根據(jù)拉-剪復合破裂準則，均質(zhì)厚層砂巖的破裂方式以剖面高角度共軛剪切縫為主，兼具走滑性特征，當泥質(zhì)夾層大量出現(xiàn)時，巖性界面處派生出局部張應力造成張性縫的產(chǎn)生，由于從山前向盆內(nèi)最大有效古應力值總體呈降低趨勢，即越向山前，應力值越高，地應力狀態(tài)開始向II類轉(zhuǎn)換，以發(fā)育水平共軛剪切縫和高角度縫為主，在背斜變形隆升過程中局部應力場改變派生張應力環(huán)境，這時應力場分布對裂縫分布起主導作用，巖石力學層則在垂向上起封隔作用，如穩(wěn)定隔層常成為力學中和面，中和面之上以張性縫為主，之下以剪切縫和滑脫縫為主，當厚度(EⅡ1)達到一定值時，會阻斷次級斷層的發(fā)育，相應地，背斜前翼應力強度明顯高于后翼，裂縫密度也明顯高于后者，但總體上由于兩者都處在應力狀態(tài)的過渡帶，因此網(wǎng)狀縫十分發(fā)育。綜合考慮巖相、厚度、夾層、地應力及褶皺程度，可將巖石力學層-裂縫層劃分為兩大類：水平型和褶皺型，水平型以層間力學參數(shù)的差異為裂縫發(fā)育的主控因素。水平型進一步細分為厚層砂巖低密度裂縫型、中層砂巖+薄層泥巖高密度裂縫型、厚層泥巖+薄層砂巖中密度裂縫型和等厚泥巖+砂巖低密度裂縫型，褶皺型以層間力學參數(shù)差異為主，同時受控于褶皺形態(tài)及地應力狀態(tài)，進一步細分為頂部沖起層狀背斜型和頂部地塹層狀背斜型(圖7)。

圖6 連井力學參數(shù)與裂縫關系剖面

圖7 巖石力學層-裂縫層對應發(fā)育模式分類Fig.7 Division for corresponding development modes between rock mechanical stratigraphy and fracture stratigraphy

厚層砂巖低密度裂縫型力學層-裂縫層以厚層砂巖為主，有時為中層砂巖的垂向疊加體，常發(fā)現(xiàn)于在水下分流河道微相中，巖性多以含礫砂巖、中砂巖、細砂巖等為主，受力后應力分布均勻，積聚的應變能密度低，通常產(chǎn)生規(guī)模較大的低密度、大間距大尺度縫，延伸遠，共軛縫發(fā)育，如圖5(a)、5(b)中所示，位于庫車河野外的厚層均質(zhì)細砂巖中共軛剪切縫異常發(fā)育，平面連通性好、單條延伸長，但間距相對小，這種模式在圖6中D2-12井、D2-3井D2-6井、D2-3井EI1層也有明顯特征；中層砂巖+薄層泥巖高密度裂縫型力學層-裂縫層以中厚層砂巖夾大量薄層泥巖或一定厚度的隔層為主，砂巖厚度遠遠大于泥巖厚度，這種地層仍具有較高的彈性模量和脆性特征，只是軟弱夾層的存在加劇了應力和能量在砂巖內(nèi)迅速聚積，并產(chǎn)生較高密度的層間共軛縫及部分穿層大尺度縫，也有少量泥巖界面的轉(zhuǎn)換縫，常常先在泥巖內(nèi)產(chǎn)生后低角度延伸入泥巖內(nèi)，如圖2、圖6所示，一旦泥巖夾層出現(xiàn)，裂縫密度迅速增加，產(chǎn)狀也變得雜亂，部分小尺度縫會被夾層限制，同樣圖6 中D2-23井EII2層也顯示了厚層砂巖中夾雜薄層泥巖時，裂縫密度為高值；厚層泥巖+薄層砂巖中密度裂縫型力學層-裂縫層以厚層的韌性泥巖為主，夾薄層砂巖，砂巖多以河道側(cè)緣、前緣席狀砂微相的粉細砂巖、粉砂巖為主，通常這種地層內(nèi)極少發(fā)育裂縫，但當廣泛分布或應力作用強、持續(xù)時間長時，應力會逐漸轉(zhuǎn)移到薄層砂巖內(nèi)，從而產(chǎn)生一定數(shù)量的層內(nèi)縫，常表現(xiàn)為中等密度的高角度縫，另有一些在巖性界面處的低角度縫延伸入泥巖后很快消失或終止，有的則順層或巖性界面滑脫，因為露頭泥巖難以保存，這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在研究區(qū)南部的鉆井巖心中，如圖6中的三套穩(wěn)定隔層附近裂縫密度呈明顯低值，隔層內(nèi)裂縫零星分布，常由斷層的強烈活動誘導發(fā)育；等厚泥巖+砂巖低密度裂縫型力學層-裂縫層是一種常見的互層型地層組合方式，通過有限元裂縫發(fā)育數(shù)值模擬結(jié)果，不論在多大的應力條件下此類型中的砂巖和泥巖內(nèi)裂縫密度都表現(xiàn)為低值，與厚層泥巖內(nèi)的砂巖裂縫分布密度相近，這在圖6中的D2-B1井EII內(nèi)部表現(xiàn)較好，即砂巖、泥巖穩(wěn)定互層發(fā)育時，裂縫密度低且呈中低角度發(fā)育。頂部沖起層狀背斜型力學層-裂縫層同時考慮了橫向應力分布和縱向力學參數(shù)分布，這種背斜往往屬于中低幅度背斜，發(fā)育在前陸沖斷帶的前緣位置，埋藏深度大，受力后受高圍壓影響，隆升幅度受限制，整體仍以擠壓應力為主，廣泛發(fā)育大量高角度剪切縫和共軛縫，僅在背斜的最頂部發(fā)育少量張性縫和擴張縫(圖7)，如庫車坳陷內(nèi)的大北、克深氣田屬于典型的深層、超深層致密儲層，背斜幅度相對D氣田低200 m以上，頂部以大規(guī)模次級逆沖斷層為主，裂縫不甚發(fā)育且以剪切縫為主，張性縫僅出現(xiàn)在背斜樞紐部位；頂部地塹層狀背斜型力學層-裂縫層則正好相反，埋藏深度淺，隆升幅度大，隨著背斜的進一步變形及擠壓能量的消耗，頂部應力狀態(tài)發(fā)生改變，最大主應力轉(zhuǎn)移到垂向上，控制產(chǎn)生了核部的大量張性縫和小型地塹發(fā)育，向兩翼逐漸過渡為剪切縫和共軛縫，但這兩種類型的總體裂縫發(fā)育特征仍然以層間的力學性質(zhì)差異為主控因素，如不論泥巖隔層位于背斜的何種位置都不會產(chǎn)生可觀的裂縫系統(tǒng)，這在D氣田表現(xiàn)的非常明顯，背斜頂部發(fā)育大量張性縫，盡管延伸短，但開度大、滲透性好，與密集正斷層連接后組成垂向滲流通道，同時也會引起水錐破壞氣藏生產(chǎn)。

4 巖石力學層約束下的裂縫分布預測

為了準確預測裂縫的空間分布，基于多因素約束的綜合地質(zhì)建模平臺，首先對深度域的三維地震資料進行測井約束下的反演，計算獲得地層彈性模量、泊松比、密度，根據(jù)力學參數(shù)的空間變化劃分巖石力學層，建立氣藏構(gòu)造地質(zhì)模型和三維力學模型(圖8)；其次，采用有限元法進行三維巖石力學參數(shù)約束下的古應力場、現(xiàn)今應力場模擬，建立應力-應變與裂縫參數(shù)之間的定量關系式，計算裂縫密度空間分布[16]；再次，基于巖石力學層及應力場計算得到的裂縫密度或強度體，同時考慮巖相、夾層頻率、斷層距離及褶皺曲率等多重地質(zhì)因素對裂縫發(fā)育的控制影響程度，對裂縫強度體進行權(quán)重約束雕刻，獲得最可靠的裂縫密度分布范圍，最終建立離散裂縫網(wǎng)絡地質(zhì)模型(圖9)，模型結(jié)果與實際成像測井解釋和巖心觀察統(tǒng)計吻合率達到85%以上。

模擬結(jié)果表明：具不同彈性模量、泊松比參數(shù)的巖石力學層在空間上對裂縫的分布約束差異明顯。總體上，如EI5層細砂巖、中砂巖巖相約束下的裂縫強度總體高于粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖的裂縫強度，且以細砂巖裂縫強度最高，粉砂巖和中砂巖其次，泥質(zhì)粉砂巖最低，根據(jù)前面統(tǒng)計結(jié)果顯示細砂巖的彈性模量相對為高值，泥質(zhì)粉砂巖則呈現(xiàn)低值。但在背斜頂部地區(qū)彈性模量分布中等，含有一定數(shù)量的夾層，裂縫密度卻較為發(fā)育，但在背斜的鞍部D2-27、D2-28井附近彈性模量整體為高值，但裂縫密度一般或較低，參考喜馬拉雅期最大有效古應力場分布，應力強度(最大主應力與最小主應力之差)較背斜頂部和翼部都要低的多，通常應力強度越大巖石越容易破裂。由于研究區(qū)物源方向以NNE向為主，三角洲砂體厚度具有明顯從北向南、從東向西減薄的趨勢，全區(qū)穩(wěn)定分布的4套隔層阻礙了裂縫的發(fā)育，有效性好，泥巖夾層則在EI1、EI5、EI2內(nèi)零星分布，西部較東部多且厚度大、連續(xù)性好。垂向上，EⅡ1、EI4、EⅡ2、EI3層內(nèi)以發(fā)育厚層泥巖+薄層砂巖中密度型裂縫層為主，以等厚泥巖+砂巖低密度型裂縫層為次，EI1、EI5、EI2以發(fā)育中層砂巖+薄層泥巖高密度型裂縫層為主，以厚層砂巖低密度型裂縫層為次，EII3以發(fā)育厚層砂巖低密度型裂縫層為主，D氣田總體上符合頂部地塹層狀背斜型裂縫發(fā)育模式。平面上，背斜翼部以發(fā)育水平型裂縫層為主，背斜頂部以發(fā)育褶皺型裂縫層為主，其中，北翼的東部以中層砂巖+薄層泥巖高密度型裂縫層發(fā)育為主，以厚層砂巖低密度型裂縫層為次，北翼的西部則以發(fā)育等厚泥巖+砂巖低密度型裂縫層為主，南翼的東部以等厚泥巖+砂巖低密度型裂縫層為主，以厚層泥巖+薄層砂巖中密度型裂縫層為次，南翼的西部整體以發(fā)育厚層泥巖為主，裂縫密度相對最低，局部有厚層泥巖+薄層砂巖中密度型裂縫層發(fā)育，背斜核部以發(fā)育厚層砂巖低密度型裂縫層為主，偶見中層砂巖+薄層泥巖高密度型裂縫層發(fā)育(圖9)。因此，深層圍壓條件下裂縫層分布特征不僅受控于巖石力學層，同時也受控于構(gòu)造應力場，畢竟構(gòu)造應力是產(chǎn)生裂縫的直接驅(qū)動力，或者說裂縫層是現(xiàn)今裂縫分布的結(jié)果，巖石力學層則是巖石力學參數(shù)和應力場的耦合。

圖8 D氣藏古近系彈性模量與單井裂縫密度關系圖Fig.8 Elastic modulus and single-well fracture density in Paleogene formation of D gas reservoir

圖9 D氣藏古近系力學參數(shù)約束下的離散裂縫地質(zhì)模型

由此可見，巖石力學層的識別和劃分對于裂縫預測和建模研究至關重要，只有劃分巖相組合，恢復古力學參數(shù)及古應力場分布，確定巖石力學層界面及應力狀態(tài)，才能從根本上解決裂縫的形成機制和演化規(guī)律，最終獲得可靠的裂縫地質(zhì)模型，服務于裂縫性儲層尤其是深層致密氣藏的勘探開發(fā)，最終有效指導儲層壓裂及開發(fā)方案的調(diào)整。

5 結(jié)論

1) 單一巖性條件下，裂縫密度與層厚負相關，即薄層單砂巖或泥巖層裂縫密度要大于厚層裂縫密度，單層厚在1～4 m時裂縫密度降低較快，在4～8 m時密度幾乎無變化，在8～12 m時裂縫密度急速降低，當厚層泥巖中夾厚約1～3 m砂巖時裂縫發(fā)育集中；復合砂巖條件下，裂縫密度與厚度正相關，即厚度小于7.5 m時，裂縫密度迅速增大，超過7.5 m后基本無變化，裂縫間距與復合砂巖厚度負相關，則與單一巖性厚度正相關。

2) 裂縫密度、長度與泥巖隔夾層頻率負相關，裂縫平均間距與泥質(zhì)含量負相關，容易產(chǎn)生小尺度縫，在互層條件下，砂泥巖厚度比約為6.7時，裂縫密度最大并向兩端逐漸減小，中尺度縫中穿透比例大，以層間縫為主，小尺度縫中穿透比例小，以層內(nèi)縫為主。

3) 巖石的力學參數(shù)分布差異是巖石力學層的根本體現(xiàn)，恢復地層的古孔隙度并建立與力學參數(shù)之間的演化關系是恢復古力學參數(shù)及預測裂縫的有效途徑，彈性模量與基質(zhì)孔隙度冪指數(shù)正相關，泊松比則與孔隙度“躺椅式”負相關，孔隙度大于15%后，彈性模量漸水平，泊松比則迅速減小，孔隙度和砂質(zhì)百分含量與裂縫密度正相關，孔隙度大于11%后，裂縫密度漸水平，砂質(zhì)百分含量大于70%后，裂縫密度迅速增大。

4) 巖石力學層受控于巖相、隔夾層、不整合及力學強度參數(shù)分布，裂縫層則是巖石力學層受構(gòu)造應力作用后的結(jié)果，同時受褶皺和斷層的影響，可將巖石力學層-裂縫層對應模式劃分為水平型和褶皺型。水平型進一步劃分為厚層砂巖低密度裂縫型、中層砂巖+薄層泥巖高密度裂縫型、厚層泥巖+薄層砂巖中密度裂縫型和等厚泥巖+砂巖低密度裂縫型，對于指導深層致密氣勘探開發(fā)具有重要的實際意義。

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InterrelationshipStudyBetweenRockMechanicalStratigraphyandStructuralFractureDevelopment

ZHAO Leqiang1, FENG Jianwei2

(1. Exploration and Development Research Institute, Petro China Shengli Oilfield Branch, Dongying, Shandong 257015, China; 2. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China)

Because of mechanical difference between layers controlling fracture development, how to identify rock mechanical stratigraphy and establish relationship with fracture distribution is important for accurate fracture prediction and modeling. Using examples from studies of field outcrops, drilling cores, logging data and seismic data, this article shows that separate identification of mechanical stratigraphy and fracture stratigraphy leads to a clearer understanding of fracture patterns and more accurate prediction of fracture attributes away from the wellbore. Mechanical stratigraphy subdivides stratified rock into discrete mechanical units defined by properties such as elastic stiffness, poisson’s ratio and fracture mechanics properties. The results show that lithological combination, interlayer and unconformity are basic components for fracture stratigraphy. Under single lithology condition, layer thickness has negative correlation with fracture density and has positive correlation with fracture density, in contrast, under single lithology condition, layer thickness has positive correlation with fracture density and has negative correlation with fracture density. The fracture density, length have negative relationship with interlayer frequency, and the average spacing decrease along with shale content, under alternating lithology condition, when sandstone-mudstone ratio reaches 6.7 the fracture density shows high value. Most of middle-scale fractures are developed between layers and, but most of little-scale fractures are only developed in layers. Within certain limits, positive power relationship lies between matrix porosity and elastic modulus, however negtive seat-like relationship lies between matrix porosity and poisson’s ratio. Finally, the mechanical and fracture stratigraphy can be divided into two main categories and subdivided into six types.

rock mechanical stratigraphy; fracture stratigraphy; paleo-mechanical parameters; deep tight sandstone

2017-02-15

國家自然科學基金項目(41572124)；國家科技重大專項(2016ZX05047-003, 2016ZX05014002-006, 2017ZX 05013006-003, 2016ZX05006-007-006)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(17CX05010)

趙樂強(1972—)，男，山東聊城人，高級工程師，主要從事石油地質(zhì)研究.

馮建偉(1979—)，男，山東臨朐人，副教授，博士后，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學與巖石學研究，本文通信作者.

趙樂強,馮建偉.巖石力學層與構(gòu)造裂縫發(fā)育關系研究[J].山東科技大學學報(自然科學版),2018,37(1):35-46.

ZHAO Leqiang,FENG Jianwei. Interrelationship study between rock mechanical stratigraphy and structural fracture development[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2018,37(1): 35-46.

P548

A

1672-3767(2018)01-0035-12

10.16452/j.cnki.sdkjzk.2018.01.004

(責任編輯:李 磊)