库车坳陷应力状态转换特征及其地质与力学响应

Characteristics of stress state transitions and its geological and mechanical response in the Kuqa Depression

摘要

结合最新的钻井、测井和地震资料,采用数值模拟手段,明确了塔里木盆地库车坳陷喜马拉雅晚期古应力状态转换特征。通过有限元数值模拟方法揭示了库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组喜马拉雅晚期应力场三维分布并准确地厘定了古应力状态。通过分析古应力状态与宏观构造样式、裂缝产状及储层物性的关系,系统揭示了古应力状态转换的地质与力学响应,最后利用离散元数值模拟,揭示了古应力状态转换对储层物性的影响机制。综合分析认为:研究区在喜马拉雅晚期6 500~7 500 m的深度区间逐渐由逆冲型应力场转换为走滑型应力场;6 500 m之上为逆冲型应力场,压实减孔量随埋深增大而增大,应力状态与岩石强度均不利于裂缝发育;7 500 m之下为走滑型应力场,有利于储层孔隙保存和岩石破裂成缝。研究结果深化了对库车坳陷构造、储层和岩石力学性质的认识,并认为古应力状态转换是克拉苏构造带超深部储层具备形成大-中型油气田的力学基础,其发现对克拉苏构造带下一步的油气勘探、开发具有指导意义。

关键词

古应力状态 / 地质力学 / 克拉苏构造带 / 应力场模拟 / 构造裂缝

Key words

paleostress state / geomechanics / Kelasu tectonic belt / stress field simulation / tectonic fracture

0 引言

克拉苏构造带位于塔里木盆地库车坳陷的北部,是一个呈北东东-东西向展布的冲断褶皱带,具有东西分段、南北分带特征,以强挤压、大变形著称^[1-2]。克拉苏构造带具有完善的“生储盖运圈保”系统,深层-超深层油气潜力巨大,但复杂的地质条件导致油气藏勘探开发过程中面临着勘探风险大、效益开发难的严峻考验^[3-4]。目前关于库车坳陷构造转换的研究也逐渐升温,基本形成了东西向不同构造段之间发生构造转换的共识^[5-6]。然而,克拉苏构造带整体断裂发育,构造十分破碎,超深部储层品质、裂缝有效性和力学性质评价是制约该地区油气勘探与开发效益的重要因素^[7]。目前的相关研究成果主要侧重于对大构造区段的宏观变化规律进行预测,但该地区下一步的油气勘探、开发需开展更精细的裂缝成因机制解剖、储层物性与力学性质响应研究,例如超深储层储集性能与古今应力的关系,不同组系裂缝在不同区段空间上的分布规律等诸多问题依然未能找到明确的答案,同时裂缝分布与应力演化的时空关系不明,古应力场与现今应力场的地质与力学响应混淆,这些因素已然影响了目前深层-超深储层地质工程一体化实践^[7⇓⇓-10]。因此,需要从四维应力演化的角度揭示应力大小或类型对宏观构造、微观裂缝乃至储层品质的影响机制。

近年来,作者结合前人地震解析、储层评价和地质工程一体化实践认识,利用最新的测井资料、三维地震资料和地质力学实践成果,在开展克拉苏构造带不同区段构造变形解释的基础上,建立了克拉苏构造带全层系连片地质力学模型,结合岩石声发射实验结果,预测了喜马拉雅晚期三维古应力场分布。研究发现,库车坳陷在喜马拉雅晚期发生了古应力状态转换,并准确地厘定了古应力状态转换特征。本文在介绍这一新发现的基础上,重点从宏观构造类型、裂缝展布和储层物性3个角度系统阐明了古应力状态转换的地质与力学响应,厘清了古今应力地质响应差异影响规律。最后通过离散元数值模拟剖析了古应力状态对储层物性的影响机制。综合分析认为走滑型应力分布区具有巨大勘探潜力,古应力状态转换是克拉苏构造带超深部储层具备形成大-中型油气田的力学基础,下一步精细刻画不同构造段的应力转换深度与展布规律并寻找喜马拉雅晚期的走滑应力分布区是该区的重要研究方向。

1 基础地质特征

1.1 构造位置与地质结构

本文重点解剖区克拉苏构造带位于塔里木盆地库车坳陷北部前陆冲断带,南天山造山带以南,勘探面积约为4 800 km²(图1a),自东向西可划分为克深、大北、博孜和阿瓦特等区带^[1]。如图1b所示,研究区南北向发育一系列长条叠瓦背斜,自北向南挤压强度逐渐减弱^[2⇓-4]; 克拉苏地区发育的地层中古近系为区域封闭性膏盐岩层,克拉苏构造带南部与生烃凹陷相邻,巴什基奇克组发育逆冲推覆构造圈闭,储盖组合发育良好,具有良好的成藏地质条件(图1c)。

1.2 应力场演化与裂缝发育期次

库车坳陷中、新生代构造应力环境不同,三叠纪为构造挤压,在古天山前形成前陆盆地,侏罗纪—白垩纪板块内部应力松弛,且受岩石圈热活动作用,库车坳陷构造应力为近南北向拉张应力,地层北厚南薄,古近纪为弱拉张应力环境,形成坳陷盆地,新近纪—第四纪新天山隆起,受近南北向挤压应力作用,库车坳陷形成再生前陆盆地。克拉苏构造带构造变形复杂。新生代南天山隆升引起自南向北斜向上的挤压应力,克拉苏构造带受到挤压作用明显^[11⇓-13]。由于库车坳陷经历了多期构造运动,目的层位巴什基奇克组储层具有早期缓慢浅埋、中期快速深埋藏和晚期推覆调整的特点^[4-5](图2)。

结合裂缝充填物、裂缝交切关系、声发射古应力实验和流体地球化学证据,认为克拉苏地区的裂缝可分为3个主要形成期次^{[13⇓⇓-16]}。第Ⅰ期主要形成于燕山运动—喜马拉雅早期运动时期(三叠纪—古近纪早期),中生界埋深小于4 km。该时期克拉苏地区整体处于近NS向的挤压作用环境,一些早期的基底断裂开始发育。声发射实验测得的水平最大有效主应力一般小于70 MPa,构造作用形成的裂缝以近NS向的剪切裂缝为主。在侏罗纪,库车地区整体处于弱伸展环境,因此还形成了少量近东西向的张性裂缝。同时,成岩过程中易形成多种成因的非构造裂缝,以张性裂缝为主。该时期构造应力较弱,因此形成的裂缝数量较少,由于经历了长期的胶结作用,裂缝基本已被矿物完全充填,成为无效裂缝,裂缝充填物形成温度为15~45 ℃。第Ⅱ期主要形成于喜马拉雅运动中期(新近纪吉迪克组—康村组沉积期),库车坳陷整体发生快速沉降,中生界埋深最大可达8 km。该时期克拉苏地区仍处于近NS向的挤压作用环境,声发射测得的水平最大主应力一般为60~90 MPa,构造作用形成的裂缝仍以近NS向的剪切裂缝为主,但局部地区已发育背斜雏形(图2),在背斜长轴可能发育少量与背斜弯曲拱张作用有关的张性裂缝,走向与背斜长轴近似平行,即近EW向。该时期的构造应力较前期增强,因此形成的裂缝数量较多,经历了较长期的胶结作用,裂缝多数呈全充填或半充填状态,裂缝充填物形成温度为60~150 ℃。第Ⅲ期主要形成于喜马拉雅运动晚期—新构造期(新近纪库车组—第四纪沉积物生成时期),该时期在库车前陆区形成了一系列的北倾逆冲断裂,以古近系库姆格列木群膏盐岩层为滑脱层发生分层变形,盐上发育一系列的断层相关褶皱(图2),在地表表现为近EW向的褶皱带,盐下形成叠瓦冲断构造样式。声发射测得的水平最大主应力在120 MPa以上。构造作用形成的裂缝既包括近NS向的剪切裂缝,也包括背斜轴部因弯曲拱张作用形成的大量张性裂缝,其走向与背斜长轴近似平行,即近EW向,该时期构造应力作用最强烈,因此形成的裂缝数量最多,并且以未充填为主。

1.3 储层与构造裂缝发育特征

研究区产气层位主要位于白垩系巴什基奇克组致密砂岩储层中(图1c),钻遇厚度为40~300 m,岩性以灰褐色含砾细砂岩、细砂岩和粉砂岩为主。前人研究^[2]表明,各区段岩性差别不大,大北、克深区段成分成熟度和结构成熟度较高,博孜区段成分成熟度和结构成熟度较低。巴什基奇克组沉积具有双物源特征^[15⇓-17];巴什基奇克组孔隙度较低,储集空间主要为孔隙和裂缝^[18-19]。

如图3所示,研究区目的层位裂缝包括开启缝、闭合缝和半张开缝等^[16,18]。一般情况下,对于张开缝,由于油基泥浆充填,电阻率图像上沿裂缝面显示亮色,表现为高阻特征。同时,电极与井壁地层的间隙图像显示暗色,表现为较大间隙距离特征。对于闭合缝,电阻率图像上沿裂缝面显示暗色或亮色,同时电极与井壁地层间隙图像显示亮色或与围岩同色,表现为基本无间隙特征。成像测井解释结果显示研究区充填缝少见,走向一般为NW-SE和NE-SW向,裂缝倾角60°~90°。图3c显示,在6 904.5~6 906.2 m深度段的砂岩发育高角度张开缝、半张开缝,而底部张开缝被6 906.2 m的岩性界面截断,界面向下泥质含量增加,这种现象表明不同岩性由于其岩石力学性质不同,裂缝发育特征也会有差异^[20-21]。

岩心观察(图4)表明,克拉苏构造带发育不同充填程度、不同尺度的剪切裂缝。不同区段构造裂缝发育类型具有显著差异性,博孜区段主要以发育剪切裂缝为主,倾角主要为高角度裂缝,其次为直立裂缝。裂缝充填程度方面,大北地区构造裂缝充填程度整体较高,可见全充填、半(局部)充填和未充填3类裂缝。博孜地区裂缝充填程度整体较低,裂缝有效性高。研究区由于受到强烈挤压,其目的层裂缝发育,且具有高角度、开启和多期次切割的特点。裂缝发育是深层-超深层储层增产的关键,同时导致储层渗透率强烈各向异性与应力敏感性的增强,这些均增加了后期油气开发的难度^{[22⇓⇓-25]}。

薄片裂缝观察(图5)表明,储层微观裂缝包括粒内缝、粒缘缝和穿粒缝3种类型。镜下薄片可见未充填缝切割充填缝、充填缝重新裂开等现象。裂缝内的充填物包括硅质、碳酸盐等多种矿物,代表不同的充填事件。综合以上分析后认为克拉苏露头区可能存在3期裂缝(最后一期未充填)。K₁b s_2^3裂缝开度最大。各小层中,K₁b s_2^{3-2}裂缝开度最大,其次为K₁b s_2^{3-1}和K₁b s_2^{3-3}。镜下微观裂缝开度多分布在0.02~0.07 mm之间,近80%微观裂缝开度<0.1 mm,少数可达到0.1 mm,修正到地下开度后,多分布在0.01~0.05 mm之间,少数可达0.06 mm以上。总体来看,大北地区裂缝开度较大,博孜地区裂缝开度较小。

2 喜马拉雅晚期古应力状态转换特征

2.1 古应力状态概念

古今应力状态按照最大与最小主应力所处的方位,同时兼顾主应力可能出现负值(拉张)的情况,可以分为三型四类^[26]。(1)正断型地应力。最大主应力在垂直方向,即S_z>S_y>S_x,根据S_x的正负,可以进一步分为两种亚类:Ⅰa类,S_y>0,S_x>0;Ⅰb类,S_y<0或者S_x<0。(2)逆冲型地应力。最小主应力方向在垂直方向。(3)走滑型地应力。中间主应力方向在垂直方向。

转换型应力特指不同应力类型变化的应力状态,是调节不同应力强度和应变大小的应力状态,转换型应力不同应力类型混杂,不同应力类型所占比例逐渐过渡^{[27⇓⇓⇓-31]}。

2.2 喜马拉雅晚期地质力学建模

利用测井资料解释岩石力学参数主要依据声波时差、岩石密度和泥质含量等数据,相关计算公式^[31⇓-33]如下:

(1)E_d= \frac{{\rho }_{\mathrm{b}}}{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2}· \frac{3\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2-4\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}^2}{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2-\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}^2}

(2)μ_d= \frac{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2-2\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}^2}{2(\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2-\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}^2)}

(3)S_c=E_d[0.008V_sh+0.004 5(1-V_sh)]

(4)φ= \frac{\mathrm{\pi }}{12} \left(1-\frac{{\mu }_{\mathrm{d}}}{1-{\mu }_{\mathrm{d}}}\right)+1

公式(1)~(4)中:E_d为杨氏弹性模量,GPa;μ_d为泊松比,无量纲;S_c为抗压强度,MPa;V_sh为泥质含量,无量纲;ρ_b为岩石密度,g/cm³;Δt_p和Δt_s分别为纵波时差和横波时差,μs/ft;φ为内摩擦角,°。

利用上述公式,通过测井资料计算,得到岩石的动态力学参数(图6),综合利用岩石单轴压缩试验和三轴压缩试验,并通过单轴-三轴校正和动态-静态校正^[32],确定了研究区目的层、膏盐层和盐上地层的岩石力学参数,建立了克拉苏构造带的力学模型。

有限元数值模拟法是古地质力学建模、古应力场预测的有效方法^{[32⇓⇓-35]}。从理论来讲,古应力场预测应在结合研究区构造演化史、恢复喜马拉雅晚期古构造形态的基础上建立,但古构造恢复具有多解性,同时分析克拉苏构造带博孜—大北段的构造演化史认为,其构造形态在新近纪—第四纪已基本定型,与现今构造形态相似,因此近似利用现今构造几何模型进行古应力场预测^[36]。在克拉苏构造带三维地应力场建模过程中,复杂构造及复杂岩性建模精度要求高,现有三维地应力建模方法难以实现准确描述,本文主要通过以下流程实现喜马拉雅晚期复杂构造地应力网格建模:(1)在研究区地震解释的基础上,建立三维全层系构造几何模型(图7a),构造几何模型主要考虑地表起伏、叠瓦构造和盐构造层3部分(图7b);(2)在建立研究区构造几何模型的基础上,建立有限元几何模型,表征层面与层面、断层与层面、断层与断层之间的交接关系,建立地层、构造格架,并与构造几何模型对比,确定有限元几何模型误差分布,通过调整局部构造起伏,使构造几何模型与有限元几何模型的误差在允许范围内;(3)采用层面干预-有限元定向网格剖分方法,建立兼容主流有限元地应力模拟软件的地应力网格模型(图7c);(4)利用阵列声波测井,计算岩石动态力学参数,结合岩石三轴力学实验结果,通过岩石动静态力学参数转换,得到单井岩石静态力学参数垂向分布(表1),值得注意的是,古岩石力学参数相对较难确定,但新近系—第四系构造特征已基本定型,岩石力学属性垂向变化较小,因此喜马拉雅晚期应力场预测可近似采用现今岩石力学参数建立地质力学模型;(5)边界条件的准确性是影响三维应力场预测结果准确程度的重要因素,通过岩石力学试验应力-应变曲线,确定岩石的破裂压力,并利用数值模拟试验反演古应力大小,并结合声发射实验,确定喜马拉雅晚期等效应力大小。前文分析认为,喜马拉雅晚期主要发育近NS向的剪切裂缝,并结合活动断层走向、构造变形规律和裂缝破裂模式最终确定喜马拉雅晚期挤压应力方向。最终的数值模拟边界条件如图7d所示,在南北向施加84 MPa挤压应力,在东西向施加68 MPa的挤压应力,并根据模型埋深在模型顶部施加垂向应力。

2.3 喜马拉雅晚期应力场数值模拟结果

在本文中定义古应力状态系数S_p刻画应力转换过程,判断古应力状态是否在特定区域发生变化^[30]:

(5)S_p= \frac{N_{\mathrm{p}}}{N_{\mathrm{T}}}

公式(5)中:N_T是指定深度处古应力状态的总数,无量纲;N_p是指定深度处特定类型古应力的量,无量纲。

喜马拉雅晚期应力场数值模拟结果(图8a)表明,喜马拉雅晚期三向主应力均为挤压应力,东部、西部应力为低值,南部、中部为高值。最小主应力为45~68 MPa,北部应力为垂直方向,南部应力以近东西向为主。中间主应力为56~82 MPa,北部应力为近东西方向,南部应力以近垂向为主。最大主应力为76~89 MPa,以近南北向为主。古应力状态系数计算结果显示,喜马拉雅晚期研究区浅层(5 000~6 500 m)为逆冲型应力场,深层(7 500~9 000 m)为走滑型应力场(图8b)。古应力状态并不是在某一固定的深度发生转换,而是在6 500~7 500 m的深度区间逐渐由逆冲型应力场转换为走滑型应力场。

3 古应力状态转换的地质与力学响应

3.1 古应力状态转换与宏观构造样式的发育关系

三维地震解释成果显示,克拉苏构造带盐下层构造变形表现出分带特征,自北向南可划分为3个变形区^[37],分别为高角度基底断层卷入变形区、低角度基底断层卷入变形区和盖层滑脱变形区。如图9所示,A为高角度基底断层卷入变形区, 断层数量少,规模大,为高角度基底断层,断距大,块体强烈抬升,地层厚度较大,向北部减薄。B为低角度基底断层卷入变形区(过渡区),断层数量较多,规模中等,断面较缓,多为基底断层,断距较大,断层向深部与克拉苏断裂相交,地层厚度较大,分布稳定。C为盖层滑脱变形区,断层数量较少,规模小,断距小,多在基底面上滑脱,地层厚度向南明显减薄。3个变形区中,低角度基底断层卷入变形区和盖层滑脱变形区的分界带埋深基本与古应力状态发生转换的深度区间一致,这也反映了宏观构造样式对古应力状态转换的控制作用。

3.2 古应力状态转换对构造裂缝的控制作用

成像测井识别裂缝的主要依据是裂缝发育处电阻率与围岩的差异^[38],裂缝解释依据主要是成像测井图像上裂缝正弦曲线的形态,其振幅可以反映裂缝的倾角,振幅越大表明裂缝倾角越大,相位则反映了裂缝的走向信息(图3)。对成像测井资料处理解释认为,在博孜—大北地区,自西向东裂缝倾角总体由垂直缝逐渐过渡到高角度缝再至中高角度缝,这可能与博孜西部强挤压、高度叠置的构造背景有关。如图10所示, 在博孜—大北地区古应力状态发生转换的深度区间6 500~7 500 m附近(A→B→C),构造裂缝以中高角度为主,同时低角度裂缝少量发育。目的层位埋深6 500 m以上,裂缝以中高角度裂缝为主。目的层位埋深7 500 m以下,裂缝以垂直缝为主,中高角度裂缝发育。如图11所示,古应力状态对储层裂缝产状尤其是倾角影响作用显著:在逆冲型应力场中,更容易发育中高角度的裂缝,同时低角度裂缝少量发育;在走滑型应力场中,更容易发育直立裂缝,中高角度裂缝发育,而低角度裂缝基本不发育。

3.3 古应力状态转换对储层物性的控制作用

如图12所示,研究区巴什基奇克组储层储集空间类型总体为裂缝-孔隙型,主要是次生溶蚀孔、原生粒间孔、晶内-晶间孔和混合成因孔等4类孔隙和构造缝、溶蚀缝、成岩缝3类裂缝及其构成的孔-缝复合储集空间系统^[39-40]。巴什基奇克组储层储集空间类型主要为小孔细喉型,裂缝极大地改善了孔隙结构,提高了渗流能力(图5)。统计研究区岩心常规物性和测井解释物性可知,巴什基奇克组有效储层属于特低孔-低渗/特低渗,岩心常规分析平均物性为5.8%/0.16×10^-3 μm²。整体上巴二段砂岩基质物性要比巴三段好,巴二段有效储层平均孔隙度为6.09%/7.27%(岩心常规分析/测井解释),平均渗透率为0.16×10^-3 μm²/0.10×10^-3 μm²。巴三段有效储层平均孔隙度为4.96%/6.58%(岩心常规分析/测井解释),测井解释平均渗透率为0.10×10^-3 μm²。对研究区目的层228片岩石薄片进行观察后可知,大北气田K₁bs砂岩面孔率较低,其中有效砂岩储层的平均面孔率仅为2.02%,但储集空间类型多种多样(图12)。其中,孔隙占面孔率的89%,主要为各类次生溶孔和少量残余原生孔;裂缝占面孔率的11%,主要为构造裂缝,可见少量成岩缝。薄片观察表明:即使在超深层(>7 500 m;图12d,e,f),储层总面孔缝率仍然可以达到6%,部分可达20%;储集空间类型属裂缝-孔隙型,粒间孔、粒间溶孔较发育,部分连通,孔径大小主要在0.01~0.08 mm范围,最大为0.5 mm;孔喉配位数一般为0~1,最大为4。

前人对影响研究区储层物性的因素进行了细致的剖析,发现沉积相带的差异是影响研究区储层物性的重要因素:辫状河三角洲前缘砂体物性好于扇三角洲前缘砂体;河口坝微相物性好于水下分流/辫状河道砂体^[41]。压实作用、胶结作用和溶解作用等成岩事件以及地壳抬升引起的表生溶蚀和风化破裂作用、构造破裂成缝作用、构造挤压减孔作用、异常高压和巨厚膏盐层等因素对储层物性也有重要影响^[39⇓-41]。

从宏观来看,岩心孔隙度与埋深呈现两段式变化:大约在7 000 m以上,随埋深增大,岩心孔隙度迅速减小,表明转换型应力深度区间之上的逆冲型应力对孔隙起到了显著的控制作用;埋深大于7 000 m,岩心孔隙度基本不发生变化。如图13所示,岩心压实损失孔隙度与埋深也呈现两段式变化:在大约7 000 m以上,随埋深增大,岩心压实损失孔隙度逐渐增大,在转换型应力深度区间,压实损失孔隙度达到最大,表明转换型应力深度区间之上的逆冲型应力场对孔隙损失量有控制作用;当埋深大于7 000 m,岩心压实损失孔隙略有减小,说明走滑型应力场有利于孔隙的保存。

综上所述,受古应力状态转换的影响,克拉苏构造带博孜—大北地区以及克深地区储层物性分布特征相似。如图14a和b所示,从剖面来看,自北向南储层岩石物性由好变差,再变好,总体而言,垂向上,上部储层岩石物性普遍好于下部。在单一构造内,背斜核部与靠近断层的陡翼一侧,岩石物性普遍好于缓翼一侧,背斜核部与距断层较近的陡翼端,一般物性较好,远离断层一侧的背斜缓翼段,储层物性一般较差^[39]。这可能与喜马拉雅晚期应力场分布有关,如图14c和d所示,喜马拉雅晚期水平最大主应力北翼为高值,南翼次之,核部为低值,垂向应力北、南两翼为高值,核部为低值,喜马拉雅晚期水平最大有效主应力分布与孔隙分布相似,是控制单一构造内背斜核部、陡翼、缓翼孔隙度差异的主要原因。

4 讨论

4.1 古今应力场差异性分析

孔隙弹性公式能够较全面地反映水平地应力的内在机理,在国内外得到了广泛的使用。孔隙弹性公式^[42]表示为

(6)S_H= \frac{\nu }{1-\nu }σ_v- \frac{\nu }{1-\nu }αP_p+αP_p+ \frac{E}{1-{\nu }^2}ε_y+ \frac{\nu E}{1-{\nu }^2}ε_x

(7)S_h= \frac{\nu }{1-\nu }σ_v- \frac{\nu }{1-\nu }αP_p+αP_p+ \frac{E}{1-{\nu }^2}ε_x+ \frac{\nu E}{1-{\nu }^2}ε_y

公式(6)和(7)中:S_H和S_h分别为水平最大、最小主应力,MPa;ν为泊松比,无量纲;σ_v为上覆岩层压力,MPa;α为比奥弹性系数,无量纲;P_p为孔隙压力,MPa;E为杨氏模量,GPa;ε_x和ε_y分别为最小水平主应力和最大水平主应力方向上的应变,无量纲。ε_x及ε_y主要用来刻画由于构造应力产生的额外的水平地应力,也用于在已有水平地应力测量点的条件下刻度水平地应力剖面。

利用公式(6)和(7),计算得到现今地应力大小。如图15所示,通过统计研究区46口井现今水平最小、最大主应力的大小,发现水平最小主应力和最大主应力与埋深成正相关关系,且研究区现今应力场以走滑型为主;如图16所示,与喜马拉雅晚期相比,现今地应力明显不具有继承性。因此,现今地应力无法解释研究区巴什基奇克组储层参数与埋深呈两段式变换的原因。

4.2 古应力状态转换对储层物性的影响机理

不同应力状态下,应力对岩石孔隙的影响机制不同。颗粒流数值模拟的方法可以通过考虑岩石真实的力学性质与所处应力环境,揭示不同应力状态下应力对孔隙的影响机理。离散元方法通过将岩石材料划分为具代表性的数千乃至上万的颗粒单元,是分析岩石材料内部微观变化的有力工具^[43-44]。在本文中,参考喜马拉雅晚期古应力类型,采用离散元方法对不同应力类型条件下岩石孔隙度进行数值模拟,并引入监测球实时监测不同应力条件下岩石残余孔隙的变化。

如图17a所示,建立颗粒流模型,设置模型尺寸为50 mm×50 mm×120 mm,模型细观参数颗粒平行粘结法向强度、平行粘结切向强度为定值,初始孔隙度设置为30%,其他相关参数设置大小如表2所示。通过设置墙体确定颗粒生成范围,在范围内随机生成颗粒,在生成试样后利用颗粒流内置fish语言编写伺服函数,确保墙体施加恒定的法向压力。如表3所示,依据声发射实验测试的古应力大小^[13],本次试验设置4组对照实验,保持水平最大主应力和水平最小主应力不变,改变垂向主应力大小以模拟不同应力状态对储层孔隙的影响。

对比4组试验不同应力类型的模拟结果(图17b)可知:随着试验时间(step)的增加,岩石受3轴应力的影响,在1 000 step之前4组试验残余孔隙度均呈快速下降的趋势,随着试验的进行,残余孔隙度下降速率逐步降低,至2 000 step时岩石致密程度最高,残余孔隙度降至最低点,其中,在逆冲型应力场中残余孔隙度最低仅为5%左右;之后由于岩石颗粒之间相互错动和微观裂纹的出现,残余孔隙度缓慢增高,至3 600 step时残余孔隙度基本不发生变化。对比4组试验发现,不同应力状态对相同力学性质岩石孔隙变化影响较大。其中,在逆冲型应力场中,岩石压实作用强烈,岩石剪切位移量较小,颗粒接触主要分布在以四周墙体所围成的紧密四边形区域(图18a),颗粒剪切滑移量小,压实减孔量大,最终残余孔隙度仅为8%左右;在转换型应力场中,岩石垂向压实作用依然起到主要作用,但相较于逆冲型应力场,剪切位移略有增大,颗粒以及墙体产生较明显剪切滑移(图18b),残余孔隙度有所增加,约为10%;在走滑型应力场中,岩石受剪切应力作用明显(图18c),颗粒和墙体剪位移持续增大,对模型残余孔隙度影响较大,部分颗粒因应力超过岩石抗剪强度而产生微裂隙,至试验结束时残余孔隙度增加至15%左右。

5 结论

(1)综合库车坳陷克拉苏构造带地质与工程资料,采用物理与数值模拟方法,揭示了库车坳陷克拉苏构造带喜马拉雅晚期古应力状态转换特征,并从宏观构造、微观裂缝和储层物性3个角度系统揭示了古应力状态转换特征及其地质与力学响应,初步将地质力学研究拓展至四维。

(2)库车坳陷喜马拉雅晚期目的层位转换型应力场深度区间为6 500~7 500 m,且自西向东埋深逐渐变浅,在转换型应力场之上为逆冲型应力场,转换型应力场之下为走滑型应力场,综合分析认为古应力状态转换是克拉苏地区超深部具备形成大-中型油气田的力学基础。

(3)初步建立了古应力状态判别响应地质力学模型,为通过裂缝参数和储层参数变化判别喜马拉雅期转换型应力场范围奠定了理论基础。宏观构造样式的差异控制了古应力状态,同时古应力状态对裂缝产状和储层物性的差异分布有重要影响。在转换型应力场之上,逆冲型应力场中岩石压实减孔量随埋深增大而增大,不利于裂缝发育;在转换型应力场之下,走滑型应力场中储层孔隙得以保存,岩石破裂成缝,是有效储层发育的主要位置。

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