深層碳酸鹽巖儲層溶洞垮塌物理模擬及分布預測

呂心瑞，鄔興威，孫建芳，夏東領，李彥普，丁炎志，王 斌

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；2.中國石油大港油田分公司第一采油廠，天津 300280；3.山東大學巖土與結構工程中心，山東 濟南 250061）

中國碳酸鹽巖油氣勘探開發(fā)逐漸走向深層（埋深＞4 500 m）和超深層（埋深＞6 000 m）領域，先后在塔里木、四川和鄂爾多斯等盆地古老海相碳酸鹽巖層系取得重大突破，其中巖溶縫洞型儲層占據重要地位［1-3］。塔河油田位于塔里木盆地沙雅隆起上的阿克庫勒凸起，奧陶系儲層埋深在5 300～6 200 m，是經多期成藏、多期改造形成的典型深層碳酸鹽巖縫洞型油氣藏，大型古巖溶喀斯特洞穴系統(tǒng)是其主要儲集空間類型［4-6］。古巖溶縫洞的充填現象在塔河油田普遍存在，部分區(qū)塊儲層中溶洞70%以上的空間被沉積砂泥和垮塌角礫等物質所充填，其中垮塌角礫約占30%，通過塔河160余口井的測井和地震資料綜合解釋，表明靠近斷層和落水洞的部位垮塌角礫比較發(fā)育，原巖為薄層灰?guī)r時也容易形成垮塌角礫，充填及垮塌的存在增強了巖溶縫洞型儲層的非均質性，進而對油氣產能產生明顯影響［7-9］。生產實踐表明，溶洞的垮塌會形成更大范圍的角礫及裂縫分布帶，進而改善儲層的儲、滲性能，成為重要油氣儲集空間，使油井能夠獲得良好產能［10］。因此，研究溶洞的垮塌機制、垮塌模式及影響因素，建立深層儲層溶洞垮塌體的地震預測方法，揭示垮塌充填分布規(guī)律，指導高產井的部署，對于此類油藏的高效開發(fā)具有重要意義。

眾多學者針對溶洞垮塌開展了研究工作，在垮塌角礫充填特征［7］、垮塌類型及成因分析［11-13］、臨界垮塌深度［14-15］、塌陷體結構及預測［16-18］等方面取得諸多進展。通常儲層淺部水平應力大于垂直應力，而深部水平應力小于垂直應力，但這種規(guī)律因區(qū)域構造、地質條件的不同也會有差異。由于深層碳酸鹽巖儲層溶洞的特殊性，傳統(tǒng)方法在研究其垮塌機制、模式及垮塌后存在狀態(tài)等方面直觀性不夠，礦場溶洞垮塌原位實驗條件受限且費用昂貴，相比之下地質力學物理模擬試驗具有直觀、真實的特點，成為研究深部洞室、儲氣庫、巷道等穩(wěn)定性的重要手段，但在模擬深層溶洞垮塌時面臨三維模型不確定性大、高壓應力模擬難、充填特征表征難度大等問題［19-21］。本文基于三維地質力學試驗模擬深層碳酸鹽巖溶洞垮塌過程，研究了不同充填特征溶洞的垮塌機制與破壞模式，揭示了垮塌溶洞形態(tài)及破壞范圍，提出了主要受壓實破壞和剪切破壞的兩類溶洞垮塌模式，結合不同類型垮塌模式的地震響應特征，建立了以垮塌模式為指導、井-震結合的溶洞垮塌體預測識別方法與流程，明確了塔河中西部典型區(qū)兩類垮塌體的分布特征，為井位部署和開發(fā)調整提供了指導。

1 深層碳酸鹽巖溶洞垮塌物理模擬

1.1 相似性設計

按照現代巖溶劃分標準，大于20 cm的洞體統(tǒng)稱為洞穴。根據油藏多類型資料識別精度，塔河油田深層縫洞型儲層中高度大于5 m的洞穴稱為大型溶洞，多數通過地震信息可以識別，高度5 m以下的溶洞稱為中、小型溶洞，主要利用鉆、錄、測井等資料進行識別［22-24］。綜合單井、露頭、地震、動態(tài)等信息，多維互動識別描述，塔河油田溶洞主要有地下暗河管道系統(tǒng)、廳堂洞、斷控溶洞和落水洞等類型，不同類型的溶洞形態(tài)各異，尺度差異大。其中，地下暗河系統(tǒng)相對較連續(xù)，規(guī)模較大，呈管道狀分布，結構復雜，直徑在2.0～10.0 m；廳堂型溶洞呈近圓或城門型，直徑大于10.0 m，高度大于5.0 m，底部多有垮塌角礫充填；斷控型溶洞分布受斷裂控制，呈不規(guī)則長方體型，主體高度在0.2～10.0 m，多充填方解石或砂泥；落水洞呈不規(guī)則多邊體型，大多分布在負地形內的匯水區(qū)［22，25］。

根據溶洞實際特征抽象原型模型，基于相似性原理建立物理試驗模型，試驗模型與溶洞原型是兩個相似系統(tǒng)，因此可利用試驗模型模擬地下溶洞垮塌過程，為垮塌機制和模式的研究提供依據。按照相似理論定義相似系數Ci為溶洞原型p與試驗模型m的比值，即：

式中：C為相似比例系數，無量綱；定義變量i可以表示長度（L），m；重度（r），N/m3；應力（σ），Pa；應變（ε），無量綱；位移（δ），m；彈性模量（E），Pa；泊松比（μ），無量綱；摩擦系數（f），無量綱；或摩擦角（φ），°等參數。

根據相似性原則，必須滿足以下準則［26］：

式中：Cσ為應力相似比，無量綱；Cr為容重相似比，無量綱；CL為幾何相似比，無量綱；Cδ為位移相似比，無量綱；Cε為應變相似比，無量綱；CE為彈性模量相似比，無量綱；Cf為摩擦系數相似比，無量綱；Cφ為摩擦角相似比，無量綱；Cμ為泊松比相似比，無量綱。

考慮塔河油田深層碳酸鹽巖儲層溶洞特征及模型制作的可操作性，將溶洞形狀簡化為圓球型，原型地層模型尺寸假設為：長×寬×高=35 m×35 m×35 m，模型溶洞直徑為5 m。設計幾何相似比例尺CL=50，根據物理模擬相似理論，物理模型尺寸為：長×寬×高=0.7 m×0.7 m×0.7 m，模型溶洞直徑為100 mm。如圖1所示，由實際儲層應力狀況計算出真實三維載荷作用于物理模型（垂直應力σ1×最大水平主應力σ2×最小水平主應力σ3=3.00 MPa×1.80 MPa×1.08 MPa）。為了簡化物理模型與溶洞原型工程物理參數的換算，盡量滿足相似材料容重與碳酸鹽巖儲層巖體容重相近，選擇以鐵晶砂膠巖土相似材料為基礎，通過改變各組分的含量，來獲得符合塔河油田碳酸鹽巖原巖及充填物力學性質的相似材料［26］。

圖1 塔河地區(qū)典型溶洞概念模型應力加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of conceptual model for stress loading on typical karst caves in the Tahe area

1.2 試驗裝置及模型制作

試驗裝置選用智能數控高壓真三維加載模型試驗系統(tǒng)，包括仿真儲層地質力學模型試驗臺架、液壓加載控制裝置和數據采集系統(tǒng)，可實現真三維高地應力加載，加荷量值可達63 MPa，穩(wěn)壓性能好，能夠滿足塔河油田深層溶洞垮塌仿真物理模擬［27］。圖2為物理模擬試驗系統(tǒng)內部構成示意圖，其中試驗臺架內部包含由相似材料采用分層壓實法制作的地質體及儲層溶洞。在實際制作模型體時，首先制作溶洞石蠟體，將液態(tài)石蠟注入預制玻璃模具中，從模具正上方中心處豎直插入一根2倍模具高度的中空管，再將鋼管與模具的相對位置固定，冷凍后將玻璃模具砸裂并剝除；接著利用相似材料采用分層壓實法制作包含溶洞的模型體，用PVC膜將石蠟體包裹并固定在中空管上，并埋入預定位置，填鋪相似材料直至完全覆蓋石蠟，試驗中使用的石蠟也可以用冰或者其他熔點低的物質代替；然后將石蠟體融化，用老虎鉗夾住中空管，在其中插入加熱棒，加熱石蠟融化后抽出，放入導管將融化的石蠟抽出；最后待中空管冷卻至常溫，將中空管和PVC膜提出，模型內部洞腔形成，若需向洞內填充固體物質，可通過原中空管洞口處添加，若需向洞內填充水，則需要通過空洞上部預留孔把預制的乳膠氣囊放入其中，將氣囊內充滿水并保持內壓在0.1 MPa。

圖2 物理模擬試驗系統(tǒng)內部儲層溶洞構成示意圖Fig.2 Schematic diagramshowing a physical simulation test systemwith karst caves inside reservoirs

1.3 試驗方案

根據塔河油田鉆井揭示的深層碳酸鹽巖儲層溶洞實際情況，分別制作含3種不同充填類型球型溶洞的模型，模型1為未充填溶洞，模型2為全充填砂泥溶洞，模型3為全充填水溶洞，然后采用高地應力真三維地質力學模型試驗系統(tǒng)對含預制溶洞的模型體逐漸進行初始地應力加載，根據相似比例模擬在加里東中、晚期構造應力和自重應力作用下溶洞的垮塌過程。模型試驗模擬中采用信息監(jiān)測系統(tǒng)全程記錄3組模型在加載過程中洞周應力和位移變化信息。

為有效觀測溶洞加載時的變形與應力變化狀況，在模型體典型部位布設了監(jiān)測點。其中微型多點位移計和微型應變磚用于監(jiān)測洞周變形，微型壓力盒用于監(jiān)測洞周的應力。如圖3所示，每條測線共埋設5個觀測點，與洞壁的距離分別為5，50，100，200，300 mm。

圖3 物理模擬試驗位移及壓力測點布置俯視圖Fig.3 Top view of displacement and pressure measurement points for the test

2 物理模擬結果分析

2.1 洞周位移變化規(guī)律

通過對未充填、全充填砂泥和全充填水3類溶洞試驗結果分析，發(fā)現在構造應力和自重應力逐漸作用下，未充填溶洞加載到最終荷載的50%時，溶洞頂板就產生了裂縫并開始垮塌，此時溶洞處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當加載到最終荷載時溶洞完全垮塌，已處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時洞頂方向的變形遠大于其他方向，說明頂板垮落是溶洞垮塌的重要表現；全充填砂泥溶洞加載到最終荷載的80%時已被壓實，頂部變形較大，整體下移，溶洞被壓成扁球狀，洞周整體變形較小，處于穩(wěn)定狀態(tài)；全充填水溶洞當加載到最終荷載的70%后，溶洞形狀不再變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4為洞周測點徑向位移隨距洞距離的變化分布曲線，3種類型溶洞模型試驗均表現為洞周向洞內收縮，距離洞壁越近，圍巖徑向位移越大，同一測點的徑向位移3種類型相差較大，未充填溶洞的位移遠大于充填溶洞，全充填水溶洞的位移大于全充填砂泥溶洞。在1倍洞徑范圍內圍巖位移受加載影響變化顯著，超過此范圍應力加載對圍巖變形的影響逐漸減小，2倍洞徑部位仍有一定位移，最終在3倍洞徑處位移均趨向于0，表明溶洞的垮塌影響范圍在2～3倍洞徑。

圖4 物理模擬試驗中洞周徑向位移分布規(guī)律Fig.4 Radial displacement distribution pattern around a karst cave

2.2 洞周應力變化規(guī)律

通過對未充填、全充填砂泥和全充填水3類溶洞模型試驗結果分析，在構造應力和自重應力逐漸作用下，加載后洞壁徑向應力釋放、切向應力增加，隨距洞壁距離增加，圍巖應力逐漸趨向原始應力，其中2倍洞徑范圍內圍巖應力變化明顯。

圖5為不同測線徑向及切向應力隨距洞距離的變化曲線。對于未充填溶洞，圍巖徑向應力產生應力釋放，距洞壁越近徑向應力越小，隨著與洞壁距離的變大，圍巖切向應力發(fā)生應力集中，隨著與洞壁距離由近及遠呈現先增加后減小的趨勢，最終均趨向于原巖應力，在圍巖深處形成了范圍更遠的壓力拱，可見圍巖應力向圍巖深部發(fā)生了應力轉移；對于全充填砂泥溶洞，隨加載應力的增大，同一測線上各測點間應力增大速率無明顯差異，表明溶洞處于穩(wěn)定狀態(tài)，內部的砂泥已被壓實，能夠完全傳遞力的作用，在加載過程中，溶洞產生微小變形的同時，應力會部分釋放，距離洞壁越近，應力釋放越大，徑向應力越小，洞周切向應力產生應力集中，隨距洞壁距離增大逐漸減小，最終趨于原巖應力；對于全充填水溶洞，在加載過程中，洞周應力會部分釋放，距離洞壁越近，徑向應力越小，洞周切向應力產生應力集中，隨距離洞壁距離增大逐漸減小，最終趨于原巖應力。

圖5 物理模擬試驗中不同測線徑向及切向應力隨距洞距離變化曲線Fig.5 Radial and tangential stress variation curves with distance from the karst cave for different measurement lines

2.3 溶洞垮塌模式

將完成垮塌試驗的未充填溶洞模型切剖打開，觀測如圖6所示溶洞垮塌后的具體情形。通過對試驗前后模型進行對比，發(fā)現溶洞頂板產生了整體下沉，垮塌后的溶洞頂板呈M形，溶洞下半部呈扁球狀，這是由于隨上覆重力加大，溶洞頂板承受能力固定，更易產生重力主控的垮塌破壞。溶洞下半部周邊出現剪切滑移破壞線，兩簇破裂帶在洞底周圍相交彼此切割，這是由于隨剪切應力的加大，溶洞周邊巖體松動破裂，部分掉落至洞底，并出現環(huán)繞洞壁的劈裂破壞帶。清理后的空腔內部洞壁出現大量裂縫和松動破裂帶，距洞壁2倍洞徑外仍隱約可見細微裂紋。切剖觀測出的現象與試驗過程中通過檢測元件得到的數據結果基本吻合。

圖6 物理模擬試驗中未充填溶洞模型試驗完畢剖開垮塌結果Fig.6 Dissection of an unfilled cave after collapsing simulation test

根據物理試驗揭示的垮塌機制、洞周位移及應力變化特征，結合物理試驗模型剖切結果，分析溶洞垮塌原因主要是上覆地層重力和構造剪切應力造成周圍地層受力失穩(wěn)所致，結合前人研究［10-12，16］，建立了塔河油田2類深層溶洞垮塌模式。Ⅰ類溶洞垮塌主要受上覆地層重力作用影響，當溶洞頂板之上負載作用超出頂板巖石抗壓強度時，溶洞就會出現變形垮塌，上覆地層下凹，大量的頂部角礫掉落洞底形成充填，受垮塌作用及剪切應力影響溶洞周邊會產生裂縫，形成灰?guī)r裂縫帶，寬度約2～3倍洞徑，裂縫密度自洞壁向外逐漸減小，建立圖7a所示Ⅰ類溶洞垮塌體模式。Ⅱ類溶洞垮塌主要受構造剪切應力作用影響，構造運動導致溶洞受力不平衡，溶洞周邊斷層及伴生裂縫數量規(guī)模不斷增加，圍巖抗壓強度降低導致溶洞形成張性垮塌，頂部及邊緣角礫均出現掉落形成充填，溶洞周邊也會產生大量裂縫，形成微裂縫發(fā)育區(qū)，垮塌系統(tǒng)體積擴大，寬度2～3倍洞徑，建立圖7b所示的Ⅱ類溶洞垮塌體模式。

圖7 兩種類型溶洞垮塌體模式Fig.7 Two karst cave collapsing modes

3 不同類型溶洞垮塌體預測方法

以塔河中西部典型區(qū)奧陶系油藏溶洞垮塌體分布預測為例，根據不同類型垮塌模式的地震響應特征，選取典型井進行精細井震標定，確定溶洞垮塌體識別模式，建立兩類典型溶洞垮塌體的預測方法和流程。

3.1 地震響應特征

研究區(qū)Ⅰ類溶洞垮塌斷開層位主要為巴楚組及其以下地層，由于巖溶洞穴上覆地層上奧陶統(tǒng)和石炭系沉積后，重力負載作用超過古溶洞系統(tǒng)的支撐能力，造成溶洞的垮塌，伴隨洞穴周緣產生裂隙角礫巖和洞底角礫巖堆積物。塌陷體上部石炭系厚度增大，總體上奧陶系巖溶古地貌呈下凹狀。結合前人地震正演模擬研究結果表明：溶洞垮塌體及上覆地層地震同相軸出現“下凹”，并存在缺失現象；垮塌體內部會出現多組強“串珠”狀反射或大片雜亂反射特征；垮塌體與圍巖邊界較為清晰，多以同相軸擾動或“串珠”狀反射為界［16，18］。而Ⅱ類溶洞垮塌斷開層位較新，一般終止于卡拉沙依組以上地層，由于海西運動早期南北向擠壓形成北北東-南南西向和北北西-南南東向壓扭斷裂，斷裂作用和巖溶作用增加了溶洞周邊裂縫數量，導致了部分縫洞系統(tǒng)的張性垮塌；海西運動晚期構造運動促使沿斷裂帶發(fā)育的溶洞系統(tǒng)在石炭系負載和斷裂聯(lián)合作用下，形成沿斷裂帶的局部垮塌。地震反射特征主要為：界面出現明顯錯斷，大型斷裂附近溶洞是垮塌產生有利地帶；垮塌體內部同樣具有多組“串珠”狀反射或大片雜亂反射特征；垮塌體周圍和內部存在比較復雜的斷裂系統(tǒng)，通常也會以同相軸錯斷或強“串珠”反射為邊界［10，18］。

3.2 Ⅰ類溶洞垮塌體預測

根據Ⅰ類溶洞垮塌體的發(fā)育模式，研究區(qū)儲層上覆石炭系增厚、奧陶系頂面強反射界面明顯具有下凹的特征，據此判別Ⅰ類溶洞垮塌發(fā)育區(qū)，利用鉆遇此類垮塌溶洞的典型井測井解釋結果，井-震結合建立其識別方法與流程。首先，根據地震有色反演屬性預測頂面低洼地形處的儲集體展布特征；其次，利用地震AVF（振幅隨頻率的變化關系）反演屬性預測充填程度，明確溶洞垮塌區(qū)的展布范圍；最后，利用趨勢面約束AVF反演數據確定垮塌范圍內的有利區(qū)域。由于Ⅰ類溶洞塌陷區(qū)泥質充填成分較多，利用GR泥質充填反演方法結合地形洼地分布特征，實現了奧陶系頂面負地形內Ⅰ類溶洞垮塌體展布預測。

圖8為利用上述技術方法及流程，對塔河中西部典型區(qū)Ⅰ類溶洞垮塌體分布的預測結果圖。該區(qū)整體上存在較多Ⅰ類溶洞垮塌體，且區(qū)內暗河系統(tǒng)較發(fā)育，在河道發(fā)育段該類型溶洞垮塌體大量分布，這是由于長期的水流沖刷，使得暗河系統(tǒng)規(guī)模擴大，頂板寬度逐漸變大，上覆重力作用增強，易導致溶洞垮塌，造成垮塌角礫充填。同時，由于水流的機械搬運作用，使得Ⅰ類溶洞垮塌體內砂泥充填也較為嚴重，有效儲集空間少，鉆遇該類垮塌體的井多為低產、低效油井，日產油多低于15 t，能量不充足，無水生產期短，生產過程中呈間歇式或波動式含水。

圖8 塔河中西部典型區(qū)Ⅰ類溶洞垮塌體平面分布Fig.8 Plan view of a typeⅠcollapsed karst cave in the typical block of midwestern Tahe area

3.3 Ⅱ類溶洞垮塌體預測

根據Ⅱ類溶洞垮塌體的發(fā)育模式，研究區(qū)該類型垮塌多是在早期洞穴基礎上受構造剪切力作用形成，多集中在廳堂洞等處，規(guī)模較大，主要受控于奧陶系發(fā)育的二級斷裂，多期構造斷裂活動會導致溶洞垮塌，垮塌體內充填角礫、砂泥，儲層物性非均質性強，為較好勘探開發(fā)目標。井-震結合對Ⅱ類溶洞垮塌體進行識別，采用地震有色反演屬性預測洞穴內部巖性及厚度變化，結合分頻能量確定構造垮塌體發(fā)育位置，利用相干能量梯度對能量差異變化的敏感性，預測垮塌體邊界和輪廓，最后進一步對相干能量梯度進行求導得到能量曲率體，用來預測該類型溶洞垮塌體的橫向和垂向物性變化趨勢。

圖9為利用上述技術方法及流程，對塔河中西部典型區(qū)Ⅱ類溶洞垮塌體分布的預測結果圖。該區(qū)存在多個Ⅱ類溶洞垮塌體，受暗河系統(tǒng)及斷裂發(fā)育的影響，該類型垮塌體在不同溶洞區(qū)發(fā)育程度不一，暗河交匯處和斷裂交匯處是該類型垮塌體的集中發(fā)育段。由于其主要受剪切力作用使得圍巖剝落，并在洞周產生大量裂縫，大大增強了垮塌體的儲滲能力，鉆遇Ⅱ類溶洞垮塌體的井多為高效井，日產油多大于25 t，能量較充足，初期油壓穩(wěn)定，自噴生產期大于1年，見水后含水上升較快，油井累計產油量較高。在52口累產2×104t以上的高產井中，43口與Ⅱ類溶洞塌陷體預測相吻合。

圖9 塔河中西部典型區(qū)Ⅱ類溶洞垮塌體平面分布Fig.9 Plan view of a typeⅡcollapsed karst cave in the typical block of midwestern Tahe area

4 結論

1）可融體成型后易融的特性滿足了物理模擬中溶洞預制的需求，裝置加荷量值最大可達63 MPa，該物理試驗方法及流程適用于深層碳酸鹽巖溶洞垮塌的模擬，彌補了傳統(tǒng)方法在直觀、真實性方面的不足。

2）物理模擬揭示了溶洞垮塌機制主要為壓實破壞和剪切破壞，溶洞頂板變形垮落，洞壁巖體擠壓剝落，形成角礫充填，洞周邊出現剪切滑移破壞帶，裂紋明顯，范圍為2～3倍洞徑；砂泥充填溶洞穩(wěn)定性大于水充填溶洞穩(wěn)定性，未充填溶洞穩(wěn)定性最差，垮塌影響范圍相近。

3）基于物理模擬結果建立了兩類溶洞垮塌模式，二者主控因素不同，Ⅰ類溶洞垮塌模式主要受重力影響，Ⅱ類溶洞垮塌模式主要受剪切應力影響，在實際油藏中均有存在，部分成為良好儲層。

4）兩類溶洞垮塌體地震反射特征存在局部差異，根據垮塌體的地震反射特征，綜合有色反演、分頻能量、GR反演及相干能量梯度等屬性能夠實現2類垮塌體的預測，塔河中西部典型區(qū)綜合預測結果與油井產能具有較好對應關系。