應(yīng)力場模擬技術(shù)在儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫預(yù)測中的應(yīng)用研究

◇中國石油遼河油田分公司勘探開發(fā)研究院 吳一平

目前，裂縫性油氣藏已經(jīng)成為油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)。但是，由于各種因素的影響，極大地增加了裂縫性油氣藏研究的難度。其中，如何有效預(yù)測儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育情況成為了石油從業(yè)人員關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文主要對應(yīng)力場模擬技術(shù)在儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫預(yù)測中的應(yīng)用進(jìn)行了分析與研究，首先簡要應(yīng)力場模擬技術(shù)的基本原理和基本流程，然后應(yīng)用該技術(shù)對LH油田東部凹陷的實(shí)際工區(qū)進(jìn)行了裂縫預(yù)測，結(jié)果表明該技術(shù)可以有效預(yù)測儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況，從而有效地指導(dǎo)了該地區(qū)的油氣勘探開發(fā)工作。

據(jù)有關(guān)部門調(diào)查表明，2020年全球石油探明儲(chǔ)量為17324×108桶，相比于2018年減少了37×108桶。目前，常規(guī)的規(guī)模大、地質(zhì)條件好的構(gòu)造油氣藏基本已勘探殆盡，而裂縫性油氣藏的儲(chǔ)量和產(chǎn)量都比較大，分別占全世界的28%和50%，因此，裂縫性油氣藏將成為今后油田勘探開發(fā)的重點(diǎn)[1-2]。但是，裂縫性油氣藏具有孔隙度小、非均質(zhì)性比較強(qiáng)、縫隙分布十分復(fù)雜等特點(diǎn)，極大地增加了裂縫性油氣藏研究的難度。如何對儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫進(jìn)行有效預(yù)測成為研究裂縫性油氣藏的關(guān)鍵問題，長期困擾著石油行業(yè)的從業(yè)者[1-2]。目前，常規(guī)的裂縫預(yù)測技術(shù)較多，主要分為以下3大類：①地質(zhì)類比法；②測井識(shí)別法；③地震預(yù)測法。但是，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，并不能適用于所有類型的儲(chǔ)層裂縫預(yù)測工作。應(yīng)力場模擬技術(shù)可以有效利用各種地質(zhì)信息，深入分析地質(zhì)界面的應(yīng)力場分布特征，從而可以預(yù)測儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況。

1 基本原理

一般而言，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)通常伴生大量的構(gòu)造裂縫，而且因?yàn)榈刭|(zhì)演化史的基本相同，相同地區(qū)在某一地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)所受到的應(yīng)力場具有一定特征和規(guī)律，這就為利用應(yīng)力場模擬技術(shù)預(yù)測構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況奠定了理論依據(jù)[3]。應(yīng)力場模擬技術(shù)是基于彎曲薄板理論，以彎曲薄板作為儲(chǔ)層應(yīng)力場模擬的力學(xué)模型，能夠?qū)⑦吔绠?dāng)作自由邊界處理，然后用二維的方式來處理儲(chǔ)層的構(gòu)造，計(jì)算十分方便，人為干擾因素少。從儲(chǔ)層構(gòu)造類型上而言，應(yīng)力場模擬技術(shù)主要是針對背斜構(gòu)造進(jìn)行分析，計(jì)算儲(chǔ)層構(gòu)造界面上某一點(diǎn)的最大主曲率值，以曲率值的大小來判斷構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況，而用最小曲率的方向來描述構(gòu)造裂縫的走向[3-4]。如此一來，構(gòu)造裂縫預(yù)測的問題就可以轉(zhuǎn)化為構(gòu)造面的主曲率的計(jì)算問題。圖1為薄板模型示意圖，中面為，規(guī)定直角坐標(biāo)系按右手法則，則薄板的趨勢面函數(shù)可表示為：

圖1 彈性薄板模型示意圖

采用最小二乘擬合的方式來計(jì)算式（1）中的趨勢面系數(shù)，計(jì)算公式如下：

當(dāng)用 個(gè)散點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合一個(gè)趨勢面時(shí)，就可以得到相應(yīng)的擬合方程組，求解此方程組，獲得趨勢面的6個(gè)系數(shù)，最終就可以得到薄板的趨勢面函數(shù)，然后根據(jù)相關(guān)公式就可以獲得薄板上點(diǎn)的曲率分量，從而就可以求出相對應(yīng)的應(yīng)力場，從而預(yù)測儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況[4-5]。

2 基本流程

在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)力場模擬綜合應(yīng)用了地層的厚度、巖性、彈性參數(shù)（縱橫波速度、密度）等信息，并且也考慮了儲(chǔ)層的斷層、深度等構(gòu)造因素，然后從構(gòu)造力學(xué)出發(fā)，計(jì)算地層的構(gòu)造曲率，再根據(jù)廣義虎克定律薄板理論，模擬出地層的主應(yīng)變強(qiáng)度，進(jìn)而得到地層各點(diǎn)的主應(yīng)力、方向，最后根據(jù)應(yīng)力場的分布情況，就可以對儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度及展布關(guān)系進(jìn)行預(yù)測和分析[5-6]。應(yīng)力場模擬的技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 應(yīng)力場模擬技術(shù)流程圖

3 實(shí)際應(yīng)用

經(jīng)過幾十年的勘探開發(fā)，LH油田已經(jīng)進(jìn)入勘探開發(fā)的中后期，常規(guī)的構(gòu)造油氣藏基本已勘探開發(fā)殆盡，急需尋找新的儲(chǔ)量接替區(qū)。據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明，LH油田東部凹陷的油氣資源探明率比較低，依舊具有非常大的潛力。其中，NQ斷裂背斜構(gòu)造帶是一個(gè)凹中之隆，位于LH油田東部凹陷的北段，構(gòu)造面積為303km2。近些年以來，NQ地區(qū)獲得多口高產(chǎn)工業(yè)油流井，顯示了該區(qū)具有較大的勘探潛力，是LH油田下步勘探開發(fā)部署的重點(diǎn)地區(qū)。NQ地區(qū)具有構(gòu)造復(fù)雜、微構(gòu)造和小斷層發(fā)育、油氣藏埋藏比較淺（1300-2000m以下）、油氣層?。?0m以下）、橫向變化大的特點(diǎn)，油氣藏主要有3種類型：①構(gòu)造油氣藏；②構(gòu)造-巖性油氣藏；③非構(gòu)造油氣藏。目前，研究人員的難點(diǎn)就是如何對微構(gòu)造、裂縫、薄儲(chǔ)層等進(jìn)行精細(xì)刻畫，進(jìn)而對油層空間展布特征進(jìn)行精確描述，從而提高油層鉆遇率。

本文嘗試采用應(yīng)力場模擬技術(shù)對NQ地區(qū)的中生界潛山進(jìn)行裂縫預(yù)測，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，NQ地區(qū)中生界潛山應(yīng)力特征為牛青斷層西部附近普遍受拉張應(yīng)力影響，附近巖體極有可能裂縫發(fā)育。巖體受應(yīng)力作用是否產(chǎn)生裂縫，不僅與外力大小有關(guān)，還與巖石的巖性、地層厚度、巖石密度、地層孔隙壓力、地層形態(tài)等因素有關(guān)。NQ地區(qū)潛山主要為脆性火成巖，所以受拉張區(qū)域很可能就是裂縫發(fā)育帶。

圖3 中生界潛山應(yīng)力場模擬結(jié)果

4 結(jié)束語

（1）應(yīng)力場模擬技術(shù)的理論依據(jù)十分充分，并且實(shí)際應(yīng)用效果也比較好。應(yīng)力場模擬技術(shù)可以綜合利用各種信息，如構(gòu)造、巖性、彈性參數(shù)等，從而為儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的識(shí)別與預(yù)測開辟了新的途徑。

（2）裂縫預(yù)測的方法眾多，如疊前方位各向異性技術(shù)、DFN技術(shù)、有限元技術(shù)、疊后幾何屬性分析技術(shù)等，在實(shí)際裂縫預(yù)測過程中，研究人員不能只依靠單一技術(shù)，而應(yīng)該結(jié)合各種裂縫預(yù)測技術(shù)的優(yōu)勢，盡可能地減少裂縫預(yù)測的多解性和誤差，從而提高裂縫預(yù)測的精度和可信度。