顺北地区走滑断裂带奥陶系碳酸盐岩裂缝分布预测与主控因素研究

Fractures in Ordovician carbonate rocks in strike-slip fault zone, Shunbei area: Fracture distribution prediction and fracture controlling factors

摘要

构造裂缝是碳酸盐岩的主要储集空间之一,能为致密灰岩提供油气运移的良好通道和储集空间。构造裂缝的发育受构造位置、岩性、地层厚度、温度、围压和构造破裂等多种因素的影响,其中区域构造应力场的局部构造应力导致的构造破裂是控制构造裂缝发育的主导因素。针对碳酸盐岩储层的特点与裂缝发育特征,采用在单井动态岩石力学参数标定下,基于三维地震数据体的岩石力学参数反演功能获取非均质岩石力学模型,以提升应力场模拟中模型力学参数的真实性和准确性;引入自适应边界条件约束方法,以自动获取模拟结果与实测结果误差最小时的最优边界条件,从而显著提升应力场模拟的精度与可靠性。并在此基础上,通过储层张破裂率、剪破裂率、综合破裂率、水平两向应力差、应力非均质系数和断裂面滑动趋势系数等参数,定量表征了SHB16号断裂带及邻区的储层裂缝发育特征与活动性。储层裂缝的发育特征与断裂的活动关系密切,故定性或定量研究了水平两向应力差、距断裂的距离和断裂的垂向活动强度等参数对储层裂缝发育特征的控制作用,用斯皮尔曼等级相关系数定量研究变量之间的相关性。在明确储层裂缝发育的控制因素的基础上,构建奥陶系碳酸盐岩储层规模储集体发育指标,将奥陶系碳酸盐岩储层划分为从最优至最差的I~IV类储集体,并明确了走滑断裂的变形方式和规模储集体发育程度的相关性,进一步建立了不同类型储集体中钻井奥陶系碳酸盐岩储集体发育的地质模式。该地质模式不仅提升了基于应力场模拟的裂缝发育特征及多参数分布定量预测的准确性和可靠性,而且对碳酸盐岩储层裂缝发育的控制因素的定性或定量研究、规模储集体发育指标的构建以及单井储集体发育的地质模式的建立、对碳酸盐岩储集体的勘探与开发进程的加快,具有重要的参考价值。

关键词

顺北地区 / 奥陶系碳酸盐岩储层 / 构造应力场模拟 / 裂缝多参数分布定量预测 / 规模储集体定量评价

Key words

Shunbei area / Ordovician carbonate reservoirs / tectonic stress field simulation / quantitative prediction of fracture multiparameter distribution / quantitative evaluation of reservoir scale

0 引言

构造裂缝是碳酸盐岩的主要储集空间之一,能为致密灰岩提供油气运移的良好通道和储集空间^[1⇓-3]。塔里木盆地以中石化近期在顺北油田的重大商业发现为代表的油气勘探成果表明,地下的走滑断层是埋藏较深的奥陶系碳酸盐岩裂缝型储层分布、发育和油气聚集的重要影响因素^[4⇓⇓-7]。四川盆地东南部二叠系茅口组热液白云岩岩溶缝洞储层沿NW向基底走滑断裂带的展布特征也表明,走滑断层对碳酸盐岩储层的油气富集成藏有极强的控制作用^[8⇓-10]。顺北地区加里东运动中期形成的以SHB16号断裂带为代表的NNE向走滑断裂带其核部两侧的破碎带发育大量未改变原岩结构的诱导裂缝,改善了原岩的渗透性,利于流体运移与聚集^[11-12]。但复杂的几何学特征与运动学演化使得走滑断裂带沿其走向的分段特征明显,不同段内的钻井油气显示与储层发育特征差距较大,裂缝发育的主控因素并不明确。构造裂缝的发育特征在油藏注水开发阶段扮演着极其重要的角色,将影响裂缝的开启压力和开启顺序及储层破裂压力预测,与能否提高油气采收率和经济效益关系密切^{[13⇓⇓⇓-17]}。因此,落实走滑断裂带的活动诱导产生的构造裂缝的发育特征和主控因素,对明确其在裂缝型储层油气勘探与开发计划中的角色具有非常重要的理论和实践意义。

构造裂缝的发育受构造位置、岩性、地层厚度、温度、围压和构造破裂等多种因素的影响^{[18⇓⇓⇓-22]},其中区域构造应力场的局部构造应力导致的构造破裂是控制构造裂缝发育的重要因素^[2]。应力场模拟的构造裂缝发育特征定量预测已成为研究储层构造裂缝分布重要且有效的方法^{[13,23⇓-25]},但已开展的研究中仍然存在应力场模拟精度有限、边界条件调整过程烦琐和裂缝发育的主控因素不清晰等问题。因此,采用在单井动态岩石力学参数标定下,基于三维地震数据体的岩石力学参数反演功能获取非均质岩石力学模型,以提升应力场模拟中模型力学参数的真实性和准确性,引入自适应边界条件约束方法以自动获取模拟结果与实测结果误差最小时的最优边界条件,从而显著提升应力场模拟的精度与可靠性。并在此基础上,通过储层张破裂率、剪破裂率、综合破裂率、水平两向应力差、应力非均质系数和断裂面滑动趋势系数等参数,定量表征了SHB16号断裂带及邻区的储层裂缝发育特征与活动性。储层裂缝的发育特征与断裂的活动关系密切,故定性或定量研究了水平两向应力差、距断裂的距离和断裂的垂向活动强度等参数对储层裂缝发育特征的控制作用,用斯皮尔曼等级相关系数定量研究变量之间的相关性。在明确储层裂缝发育的控制因素的基础上,构建奥陶系碳酸盐岩储层规模储集体发育指标,将奥陶系碳酸盐岩储层划分为从最优至最差的I~IV类储集体,并明确了走滑断裂的变形方式和规模储集体发育程度的相关性,进一步建立了不同类型储集体中钻井奥陶系碳酸盐岩储集体发育的地质模式。本文开展的工作不仅提升了基于应力场模拟的裂缝发育特征和多参数分布定量预测的准确性和可靠性,而且对碳酸盐岩储层裂缝发育的控制因素的定性或定量研究、规模储集体发育指标的构建和单井储集体发育的地质模式的建立具有重要的参考价值,还可以加快碳酸盐岩储集体的勘探与开发进程。

1 区域地质概况

顺北地区位于中国塔里木盆地塔中1号断裂带下盘,塔东隆起西北部与顺托果勒低隆邻近(图1a,b^[4,5,11,26])。顺北地区发育一系列近NE和NEE走向的走滑断裂,这些走滑断裂在平面上具有线性延伸、断续展布的特征,不同断裂的级别和规模有较大差异。垂向上,NE走向断裂断穿自基底至上古生界石炭系或二叠系等地层。平面上,自西向东为SHB14号断裂带、SHB16号断裂带和SHB18号断裂带。顺北地区经历了多个阶段的构造活动,致使走滑断裂具有复杂的几何学与运动学特征^[11]。

中奥陶世及之前,塔里木盆地处于伸展背景下^[4,27-28]。中—晚奥陶世是塔里木盆地构造演化的重要变革期,其特征是,由周围海洋域的闭合及其后续碰撞导致的区域应力从伸展到挤压的转换使得塔中隆起与塔北隆起及塔中1号断层形成,挤压应力场环境一直持续至中泥盆世^{[29⇓⇓-32]}。顺北地区志留系底界面这一区域不整合面以下的走滑断裂构造样式与浅层断裂构造样式差异明显,故加里东运动中期为顺北地区走滑断裂的重要活动时期^[33]。利用奥陶系断裂方解石胶结U-Pb定年确定的走滑断裂形成时间为距今460 Ma,这进一步表明顺北地区走滑断裂形成于加里东运动中期^[34]。晚泥盆世至二叠纪,塔里木盆地北缘和南缘分别存在活动大陆边缘与被动大陆边缘。二叠纪以广泛发育的岩浆活动为特征^[35]。三叠纪天山造山带持续隆升,并导致塔里木盆地在侏罗纪末至白垩纪的区域性剥蚀^[36⇓-38]。古近纪以来,远场挤压作用持续影响着塔里木盆地^[39⇓-41]。

如图1c所示,研究区发育的沉积地层主要由古生代、中生代和新生代3个层序组成,缺少下中泥盆统、侏罗系和上白垩统地层。顺北地区的主要勘探目的层系为奥陶系^[2,11],其中受加里东运动中期影响较大的为中奥陶统一间房组和上奥陶统地层。中奥陶统一间房组厚度为90~190 m,主要由深灰色泥晶灰岩和砂屑泥晶灰岩等构成。上奥陶统厚度为2 580~2 680 m,主要由石灰岩、泥质灰岩、泥岩和砂岩构成。裂缝储层是迄今为止在顺北地区发现的最重要的储层类型,故走滑断裂在形成与活动时派生的构造裂缝可有效改善碳酸盐岩的储集能力和渗流能力。

2 SHB16号断裂带发育特征与奥陶系碳酸盐岩储层裂缝识别

2.1 SHB16号断裂带发育特征

SHB16号断裂带位于顺北地区中部,具有复杂的几何学与运动学特征,研究其在形成时对中、上奥陶统地层中构造裂缝的形成与控制作用具有重要意义。在 {{\mathrm{T}}_7}^4界面上,走滑断裂呈左阶或右阶排列,形成3个断层叠接区(见图2a中构造起伏区②、③和④)。断裂带沿走向表现出正起伏与负起伏交替的特征。正起伏与剖面断层解释中 {{\mathrm{T}}_7}^4界面附近地层中正花状构造的发育相对应(图2b,d),负起伏则与负花状构造的发育相对应(图2c,e)。走滑断裂在平面与剖面中的几何学特征表明:负起伏②和④中左阶排列的断层控制的叠接区具备拉张性质,指示左行走滑活动;正起伏③中右阶排列的断层控制的叠接区具备挤压性质,这也指示左行走滑活动。

综合时深转换关系和SHB16断裂带及邻区 {{\mathrm{T}}_7}^4界面双程旅行时,获取 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的实际深度,依据式(1)计算出 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的现今垂向主应力:

(1) {\sigma }_{\mathrm{v}} = {\int }_0^z\mathrm{\rho } \mathrm{g} d \mathrm{h} = \stackrel{n}{\sum _{i=1}} {\rho }_i g \mathrm{\Delta } h

式中:h为深度,m;ρ是在深度h处的地层密度,g/cm³;g为重力加速度,m/s²;z为 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的埋藏深度,m;ρ_i为第i个密度数据采样点;n为密度数据采样点的总数量;Δh为密度数据采样点的间隔,m。结合单井 {{\mathrm{T}}_7}^4界面垂向主应力的计算结果和SHB16X井奥陶系碳酸盐岩应力测试数据,获取SHB16号断裂带及邻区 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的垂向主应力(图2a)。SHB16号断裂带及邻区 {{\mathrm{T}}_7}^4界面垂向主应力为119~138 MPa,从南东向北西逐渐变大,表明埋深逐渐增大。

“深部正花状-浅部负花状”(图3b,d)和“深部负花状-浅部负花状”(图3c,e)两种花状构造垂向叠置模式是SHB16号断裂带在剖面上最重要的几何学特征,这表明 {{\mathrm{T}}_7}^4界面附近地层和 {{\mathrm{T}}_5}^4界面附近地层的变形处于完全不同的应力场环境中(图3f)。 {{\mathrm{T}}_5}^4界面附近地层的变形可能与海西运动中期的区域性伸展活动有关, {{\mathrm{T}}_7}^4界面附近地层的变形则由使得走滑断裂形成的加里东运动中期引起。

2.2 奥陶系碳酸盐岩储层裂缝识别

SHB16断裂带及邻区奥陶系岩性单一,主要为灰色泥晶灰岩,裂缝较为发育。X4井在奥陶系灰岩段主要发育高角度剪裂缝,裂缝被充填,充填物以泥质为主(图3a-d)。X5井在奥陶系灰岩段主要发育水平缝,既有张裂缝又有剪切缝,裂缝普遍被泥质充填(图3e-h)。

SHB16号断裂带和邻区钻井的奥陶系裂缝发育段在不同测井曲线响应特征具有明显不同的状态,其中声波时差(AC)、纵波时差(DTC)、横波时差(DTS)、井径(CAL)、自然电位(SP)和自然伽马(GR)数值在裂缝发育段表现为上升趋势,密度(DEN)数值在裂缝发育段上表现为下降趋势(图4)。根据钻井的阵列声波测井数据和常规测井数据并分别根据式(2)和(3)计算出奥陶系储层的动态杨氏模量和泊松比^[42-43]:

(2)E_d= \frac{\rho }{\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}

(3)μ_d= \frac{1}{2} \left(\frac{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2-2\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}^2}{\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{s}}^2-\mathrm{\Delta }{t}_{\mathrm{p}}^2}\right)

式中:Δt_p为纵波时差,μs/ft;Δt_s是横波时差,μs/ft;ρ为岩石体积密度,g/cm³。根据碳酸盐岩储层裂缝发育层段具有的“低杨氏模量、高泊松比”的特征,对SHB16号断裂带周缘钻井中奥陶统一间房组的裂缝发育层段进行划分,其中X4井具备“裂缝发育层段少但厚度大”的特征(图4a),X7井具备“裂缝发育层段多但厚度小”的特征(图4d),裂缝发育层段少且厚度小的钻井以X6和X5井位为代表(图4b,c)。

3 奥陶系碳酸盐岩加里东中期与现今构造应力场模拟

3.1 地应力大小与方向及岩石力学参数的获取

SHB16号断裂带及邻区在加里东中期的水平最大主应力方向是根据断裂带的变形机制确定的。塔中隆起沿塔中1号断裂带对顺北地区的差异推挤和塔中1号断裂带的右行走滑控制了顺北地区NE向走滑断裂的形成与活动(图1b),水平最大主应力的方向应大致与塔中1号断裂带垂直。前人对加里东中期顺北地区水平最大主应力方向的判定也用于厘定本文中加里东中期水平最大主应力的方向^[11,44-45],平均值约为NNE 17°(图5a)。

从X4井奥陶系一间房组的不同深度共选取3个样品以开展古地磁测试来重新定岩心的方向^[46]。当受到现今三维挤压应力的岩石与地下应力状态分离时,岩石内部形成的具有方向性的裂缝会导致声波从不同方向穿过岩心时具有不同的速度,即声波各向异性。声波在最大主应力和最小主应力方向上分别具有最慢和最快的速度。当声波穿过岩心的波速的振幅超过3%时,认为是原位应力引起了声速的差异。对上述3个岩石样品开展的声速实验可分别明确声速最大和最小的位置与样品标记线的夹角,将该结果结合古地磁实验可明确现今水平最大主应力的方向^[47]。

声速各向异性实验的结果显示,来自X4井的样本1和2的声速的振幅超过3%(图5b),与古地磁实验的综合分析表明现今水平最大主应力的方向为NE 51°(表1)。从X6井的正交多极子阵列声波测井获取的声波各向异性数据显示水平最大主应力的平均方位为NE 49.8°(图5c)。地层深部的井眼经常发生崩落,由井壁坍塌形成的椭圆形井眼使得一条井径曲线增加而其他曲线不变,椭圆形井眼的长轴与水平最大主应力垂直,与水平最小主应力平行^[48⇓-50]。根据X5井的地层倾角测井数据对井径进行分析,结果表明,主钻孔的崩落方向即现今水平最大主应力方向为NE 45°(图5d)。当集中在井筒周围的应力超过井筒壁的抗拉强度时,就会产生狭窄且清晰的钻井诱导缝,大致平行于现今水平最大主应力方向发育。在X2井奥陶系成像测井中(图5e),钻井诱导缝的走向为NE 30°~50°(图5f),倾角通常大于80°(图5g)。根据声速各向异性、阵列声波测井、井眼崩落和钻井诱导缝产状等资料分析得出,SHB16号断裂带及邻区的现今水平最大主应力方向被定为NE 45.9°。

声发射技术被广泛用于估计地层产生微裂缝时的古应力和原位应力的大小,这是因为岩石内部微裂缝的扩展是声发射的基本机制^[51-52]。仅当作用于岩石的应力等于或高于上一期破裂所承受的应力时,裂缝才能扩展,新的裂缝才能形成,并发生与凯瑟尔效应对应的声发射^[53-54]。在本研究中,对来自X4井中奥陶统一间房组的1个岩石样品开展了声发射分析(图6a,b),沿岩心的不同方向确定的法向应力被用来计算水平主应力的大小。

声发射实验表明SHB16号断裂带及邻区至少经历了6~7期应力(图6c-f),结合加里东运动中期所处的构造历史时期以及Ding等^[2]在塔里木盆地开展的声发射实验结果,认为54和25 MPa可分别作为SHB16号断裂带及邻区在加里东中期的水平最大主应力和水平最小主应力。声发射实验结果显示的原位应力为:σ_H=122.43 MPa;σ_h =88.37 MPa;σ_V=124.70 MPa。

利用SHB16号断裂带及邻区的三维地震数据体和钻井的动态岩石力学参数对奥陶系碳酸盐岩储层杨氏模量和泊松比进行反演,利用前人在顺北地区开展的奥陶系碳酸盐岩岩石力学实验的结果(静态岩石力学参数)对反演得到的动态岩石力学参数进行校正(表2),明确了SHB16号断裂带奥陶系碳酸盐岩储层现今静态杨氏模量和泊松比的平面分布特征(图7)。静态杨氏模量和泊松比在断裂带处均具有较为明显的响应,体现为“低杨氏模量、高泊松比”的特征。

Ding等^[2]认为在古构造应力场模拟中,为了模拟计算需要,断裂带处的杨氏模量是正常的、未破裂的岩石的两倍,而泊松比则是未破裂的岩石的30%,故在SHB16号断裂带形成期(加里东中期)的应力场模拟中,断裂带处的杨氏模量和泊松比分别调整为原先位置杨氏模量和泊松比的200%和30%。

3.2 基于自适应边界条件约束方法的应力场模拟边界条件厘定与地质力学模型、数学模型的建立

以SHB16号断裂带及邻区在加里东中期NE 17°的水平最大主应力方向和现今近NE 45.9°的水平最大主应力方向分别厘定了模型的施力边界(图8a,c),为了消除模型在模拟过程中产生的边界效应,将施力方框的面积设置为工区外框面积的12.5倍。模型的西侧和东侧两个顶点被固定,南西侧和北东侧的边界将施加水平最大主应力载荷,而南东侧和北西侧的边界将施加水平最小主应力的载荷。将断裂带、研究区中除断裂带以外的地区、施力边框和研究区边框之间的地区设置为不同类型的面单元,从而在后续的数学模型建立中采用不同的单元密度。

用ANSYS有限元分析软件对SHB16号断裂带应力场模拟的力学模型进行三角网格单元划分,分为3个层次进行划分,分别是断裂带周缘、研究区内除断裂带以外的正常地层、施力边框以内位于研究区以外的地区,这3个层次的三角网格单元划分密度由高至低(图8b,d)。将SHB16号断裂带形成期(加里东中期)的力学模型三角网格化得到数学模型(图8b),共有55 690个单元和111 797个节点。SHB16号断裂带现今应力场模拟的数学模型共划分为33 398个单元和128 025个节点(图8d)。图7表明SHB16号断裂带及邻区的静态岩石力学参数具有较高的非均质性,将非均质岩石力学参数赋予数学模型中的各个单元,以构建非均质且高精度的岩石力学模型,这是实现高精度应力场模拟的基础。

采用X4井奥陶系碳酸盐岩样品古地磁、声发射、声波各向异性实验获取的现今地应力数据对模型边界施加的载荷开展自适应边界条件约束(图9),在SHB16号断裂带现今应力场模拟的数学模型边界上施加118~127 MPa的水平最大主应力和84~93 MPa的水平最小主应力,运算间隔均为1 MPa,共运算100次,获取在不同的水平最大主应力和水平最小主应力载荷下离X4井最近的模型单元处的水平最大主应力数值,可以发现随着模型边界施加载荷的逐渐增大,X4井处的水平最大主应力也逐渐增大(图10a)。为了确定模拟误差最小的边界条件,用式(4)计算模拟数值与实测数值的误差:

(4)error=lg \left(\frac{{\sigma }_{\mathrm{H}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{m}}-{\sigma }_{\mathrm{H}-\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{a}}}{{\sigma }_{\mathrm{H}-\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{a}}}\right)

式中:error为模拟数值与实测数值的误差;σ_H-sim为水平最大主应力的模拟值,MPa;σ_H-mea为水平最大主应力的实测值,MPa。当施加的水平最大主应力为123 MPa,水平最小主应力为87 MPa时,顺北16X井附近模拟计算出的水平最大主应力数值为122.440 555 MPa,和样品实测值(122.43 MPa)之间的误差最小,且仅为0.008 6%(图10b),故123和87 MPa分别作为SHB16号断裂带奥陶系碳酸盐岩储层现今应力场模拟施加的水平最大主应力载荷和水平最小主应力载荷。

3.3 奥陶系碳酸盐岩加里东中期与现今构造应力场分布特征

3.3.1 加里东中期构造应力场分布特征

构造应力场模拟结果表明SHB16号断裂带及周缘地区奥陶系碳酸盐岩储层加里东中期最大主应力集中分布在-116~-22 MPa(图11a),负值为压应力。断裂带内部的最大主应力比普通沉积地层的最大主应力大,主要分布在-116~-78 MPa,同时断裂的末端由于逐渐转换至普通沉积地层,水平最大主应力逐渐减小为-78~-55 MPa。与断裂带相比,连续沉积地层在区域上岩性分布稳定,最大主应力值分布范围为-55~-22 MPa,该应力数值范围分布最广。值得注意的是,NE向走滑断裂周缘地层的水平最大主应力(-116~-78 MPa)比NEE向断裂周缘地层的水平最大主应力(-78~-55 MPa)要大,表明不同走向的走滑断裂周缘地层所处应力场环境有差别。

SHB16号断裂带附近岩石在加里东中期的水平最小主应力相对普通沉积地层也更大(图11b),其中NEE向断裂周缘岩石的水平最小主应力可达-31.48~-28 MPa,而NE向断裂周缘地层的水平最小主应力为-25.5~-22.5 MPa,均大于普通沉积地层的-22.5~-17.82 MPa。

水平两向应力差为水平最大主应力和水平最小主应力的差值,反映了应力场的非均质性^{[55⇓⇓⇓-59]}:

(5)Δσ=σ_H-σ_h

式中:Δσ为水平两向应力差,MPa;σ_H和σ_h分别为水平最大主应力与水平最小主应力,MPa。SHB16号断裂带在加里东中期的应力场模拟结果表明断裂及邻区具有较大的水平两向应力差(图11c)。SHB16号断裂带在加里东中期的水平两向应力差往往大于27 MPa,大于普通沉积地层的水平两向应力差。不同走向的断裂在形成期具备不同的水平两向应力差,NEE向断裂附近地层的水平两向应力差仅略高于普通沉积地层,而显著低于NE向断裂附近地层的水平两向应力差(图11c)。

应力非均质系数为水平最大主应力和水平最小主应力的比值,同样反映了应力场的非均质性:

(6)K_h= \frac{{\sigma }_{\mathrm{H}}}{{\sigma }_{\mathrm{h}}}

式中:K_h为应力非均质系数。SHB16号断裂带在加里东中期的应力场模拟结果表明断裂在形成期时具有较大的应力非均质系数(图11d)。SHB16号断裂带在形成期的应力非均质系数往往大于3.5,大于普通沉积地层的应力非均质系数(1.7~2.45)。不同走向的断裂在形成期具备不同的应力非均质系数,NEE向断裂附近地层的应力非均质系数略低于普通沉积地层,而显著低于NE向断裂附近地层的应力非均质系数(图11d)。

水平最大主应力方位角的范围是NW-4.07°~NE30.79°,断裂带周缘NE 11.30°~30.79°的水平最大主应力方位角明显大于普通沉积地层(NW-4.07°~NE11.30°),体现为水平最大主应力方向显著的顺时针偏转(图11e)。

3.3.2 现今构造应力场分布特征

SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层现今最大主应力集中分布在-126~-113 MPa(图12a)。断裂带内部岩石破碎程度较高,其内部的最大主应力相对于普通沉积地层较低,强度值主要分布在-117~-113 MPa。与断裂带相比,连续沉积地层在区域上岩性分布稳定,最大主应力值分布范围为-126~-117 MPa,该范围值分布面积最广。SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层最小主应力集中分布在-84.39~-78.06 MPa(图12b)。普通地层的水平最大主应力主要集中在-84.39~-82.8 MPa,而断裂带附近的地层中水平最小主应力比普通地层的水平主应力小1~1.5 MPa。

SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层现今水平两向应力差的分布表明断裂带附近地层的水平两向应力差相对普通沉积地层较小(图12c),均小于35 MPa,而普通沉积地层的水平两向应力差往往大于37.36 MPa。SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层现今应力非均质系数的分布表明断裂带附近地层的应力非均质性相对普通沉积地层较小(图12d),均小于1.48,而普通沉积地层的应力非均质系数往往大于1.5。

水平最大主应力方位角集中在NE 33°左右,断裂带周缘水平最大主应力的方位角并没有较大的改变(图12e),这也可能与断裂带周缘岩石力学参数与正常地层的岩石力学参数较为接近有关。

4 奥陶系储层裂缝多参数分布预测及走滑断裂对储层裂缝发育的控制作用

4.1 奥陶系碳酸盐岩储层裂缝的破裂率与断面滑动趋势系数

通常情况下,在应力作用下岩石内部的破裂形式主要有两种:一种是张破裂;另一种是剪切破裂。其中,剪切破裂主要是根据库伦-莫尔(Coulomb-Mohr)剪切破裂准则来进行判别,而张破裂主要用格里菲斯(Griffith)破裂准则来判别^[23,60-61]。

格里菲斯针对脆性材料的破坏提出了格氏强度理论。格氏认为含有大量微细的、似椭圆状的裂隙的脆性材料在应力场作用下,椭圆裂隙周边将产生切向拉应力集中,一旦裂隙周边端部附近某处的切向拉应力高度集中达到材料的分子内聚强度值时,则材料将在该处开始沿某一确定方向发生脆性破坏。格里菲斯强度理论的平面破裂准则表达式为当σ₁+3σ₃≥0时,破裂准则为

(7)(σ₁-σ₃)²-8(σ₁+σ₃)σ_T=0

当σ₁+3σ₃<0时,破裂准则为

(8)σ₃+σ_T=0

式中:σ₁为最大主应力,MPa;σ₃为最小主应力,MPa;σ_T为岩石的张应力,MPa。

库伦-莫尔准则认为,岩石的破裂沿某一截面发生剪切破裂,不仅与该截面上的剪应力τ的大小有关,而且与该面上的正应力σ有关,即平面上的剪切破坏与该面上的正应力σ和剪应力τ的组合有关。库伦-莫尔剪切破裂准则可表示为式(9):

(9) \left|\tau \right|=C+σ·tanφ

式(9)中: \left|\tau \right|为岩石的抗剪强度,MPa;σ为正应力,MPa;C为黏聚力,是正应力为零时岩石的抗剪强度,MPa;φ为内摩擦角,°;tanφ为内摩擦系数。

在构造应力场模拟的基础上,针对奥陶系碳酸盐岩储层中主要发育高角度与低角度的张-剪性缝的特点,依据裂缝的成因类型,采用不同的裂缝判别准则,分别计算出SHB16号断裂带及邻区碳酸盐岩储层的张应力值和剪应力值,通过与岩石的抗张强度、抗剪强度进行比较,判断岩石是否发生破裂。

为便于定量分析计算,丁文龙等^[23]引入了裂缝的张破裂率I_t和剪破裂率I_n:

(10)I_t=σ_T/σ_t

式(10)中:σ_T为有效张应力,MPa;σ_t为岩石的抗张强度,MPa。当I_t≥1时,岩石发生张破裂。

(11)I_n=τ_n/ \left|\tau \right|

式(11)中:τ_n为有效剪应力,MPa; \left|\tau \right|为岩石的抗剪强度,MPa。当I_n≥1时,岩石发生剪破裂。

利用上述方法得到了SHB16断裂带及邻区 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的张破裂率和剪破裂率。为了使张破裂率和剪破裂率在平面上具有可对比性,对这两个参数分别进行归一化处理。在实际情况中,碳酸盐岩储层中往往既发育张裂缝系,又发育剪切裂缝系,两者呈共生或伴生关系。岩石破裂方式是张性应力和剪切应力两者的综合反映。因此,为了更好地定量表征碳酸盐岩储层中构造裂缝发育程度,又引入了综合破裂率:

(12)I_z=(aI_t+bI_n)/2

式中:a和b分别是碳酸盐岩岩心和电镜观察中所得到的张裂缝(包括张剪缝)和剪裂缝所占比例,由X4井奥陶系碳酸盐岩裂缝统计与电镜中微观裂缝观察结果,最终确定SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层现今张裂缝与剪裂缝的数量比值为6:4。同样当I_z≥1时,岩石达到破裂状态,而且综合破裂率值越高,破裂程度就越大。利用该方法得到SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层现今综合破裂率,同样进行归一化处理。

SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩现今张破裂率表明断裂带附近地层中的张破裂率较低(图13a),断裂带西侧普通沉积地层的张破裂率在工区内最高,而断裂带东侧普通沉积地层的张破裂率明显比断裂带西侧普通沉积地层的张破裂率更低。现今剪破裂率仍体现出断裂带附近地层低,普通沉积地层高的特点(图13b),并且NNE向断裂带西侧沉积地层的剪破裂率高于断裂带东侧沉积地层的剪破裂率。综合破裂率同样表现为断裂带附近地层较低,断裂带西侧最高,断裂带东侧其次的特征(图13c)。

为明确SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩中断裂的活动性,引入断面滑动趋势系数,即断面剪应力σ_τ与正应力σ_n的比值,根据临界应力断层假说,当滑动趋势系数大于0.6时,断裂或裂缝处于临界应力状态,地下流体能够在这种状态的断裂和裂缝中渗流。滑动趋势系数实际上是探究水平最大主应力、水平最小主应力和垂向主应力在断面或裂缝面上的应力分解,每个力均可分解为垂直断面或裂缝面的分量(正应力σ_n),以及平行断面或裂缝面的分量(剪应力σ_τ),故计算断面的滑动趋势系数首先要明确主干断裂各位置的水平最大主应力、水平最小主应力。

依据SHB16断裂带及邻区 {{\mathrm{T}}_7}^4界面垂向主应力的分布(图2a),得到SHB16号断裂带主干断裂处的垂向主应力,并结合有限元应力场数值模拟分析结果,得出主干断裂处的水平最大主应力和水平最小主应力。因SHB16号断裂带的主干断裂在 {{\mathrm{T}}_7}^4界面的行迹不是直线,且断裂的倾角也沿断裂走向发生改变,故在每一条断裂上设置若干个采样点,在Petrel软件上读取对应采样点位置的断面倾向与倾角,并结合水平最大主应力、水平最小主应力和垂向主应力开展断面应力分解,分别得出SHB16号断裂带主干断裂的断面应力数据,由此可计算出主干断裂在不同位置的滑动趋势系数。

SHB16号断裂带主干断裂面滑动趋势系数受断裂走向影响较大,表现为NE走向断面的滑动趋势系数较高,而NW走向和近EW走向断面的滑动趋势系数较低(图14)。断裂①的走向从南往北由NW向转变为NE向,故滑动趋势系数由小变大,断裂②的走向从南往北由NE向转变为NW向,故滑动趋势系数由大变小。断裂③的南端和断裂④的北端也同样具有较小的滑动趋势系数。NEE走向的断裂⑧和近E-W向的断裂⑨的滑动趋势系数显著低于NE向断裂的滑动趋势系数。滑动趋势系数与断裂走向的大致对应关系为:NE向断裂的滑动趋势系数最大,NEE和近E-W向的断裂次之,NW向断裂的滑动趋势系数最小。

4.2 走滑断裂对碳酸盐岩储层裂缝发育的控制作用

4.2.1 走滑断裂的力学性质和垂向活动强度沿断裂走向的分均质性对裂缝发育的控制作用

SHB16号断裂带的力学性质分段性对裂缝发育特征具有控制作用(图15)。从SHB16号断裂带平面所有分段的综合破裂率平均值可以看出,压扭段综合破裂率的平均值为0.565~0.653,而张扭段综合破裂率的平均值为0.494~0.607,平移段综合破裂率的平均值为0.589,故压扭段附近地层裂缝发育程度最高,其次为平移段,张扭段附近地层的裂缝发育程度最低。

SHB16号断裂带周缘奥陶系碳酸盐岩裂缝发育程度也与断裂活动强度密切相关(图16a,b),尤其是剖面10至17代表的张扭段,断裂活动强度显著降低,并且地层裂缝发育程度降低(见图15b中最北侧张扭段的低地层破裂率),这种特征在剖面30至37代表的张扭段中也较为明显(断裂活动强度见图16d,裂缝发育程度见图15b中由北至南第二个张扭段的南段的低地层破裂率)。剖面19至27和剖面40至50代表的高活动强度段的地层裂缝发育程度很高(断裂活动强度见图16d,裂缝发育程度分别见图15b中由北至南第二个压扭段和由南至北第二个压扭段的北部高地层破裂率)。

4.2.2 距走滑断裂的距离和水平两向应力差对裂缝发育的控制作用

与断裂的距离不同的地层破裂概率也存在很大差别,斯皮尔曼等级相关系数被用来定量研究这两个变量的相关性^{[62⇓⇓-65]}:

(13) R_{\mathrm{s}} \left( n \right) = 1 - \frac{6\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{d}_i^2}{n(n^2-1)}

式(13)中:R_s(n)为斯皮尔曼等级相关系数;n是用于两个变量的定量关系分析的数据集的数量;d_i是第i个变量集(X,Y)的排序差。斯皮尔曼等级相关系数的负值和正值分别代表所研究变量呈负相关和正相关,其绝对值越接近1,变量之间的负相关性或正相关性越强。每组变量集(X,Y)均由下面的等式变更为变量集(X',Y'),使得X(或Y)中不存在相同等级的变量:

(14)X'=X+Rand()/10⁸

(15)Y'=Y+Rand()/10⁸

式(14)和(15)中的Rand()为0至1之间的随机数。在变量之间的定量关系研究中,至少10组变量集(X,Y)组成的变量组的定量关系才被研究以避免定量关系的偶然性。

在SHB16号断裂带及邻区内,距断裂距离小于3 400 m时,正值且递增的斯皮尔曼等级相关系数表明综合破裂率和距断裂的距离的正相关性越来越大,地层破裂概率随着距断裂距离的增大而显著提升,这可能表明距断裂的距离从0提升至3 400 m时,依次经过以泥质为主的断层核和以构造裂缝为主的诱导裂缝带,裂缝发育程度显著提升。但当距断裂的距离为3 400 ~6 060 m时,斯皮尔曼相关系数虽然仍为正值,但随着距断裂距离的增大而减少,这表明虽然综合破裂率和距断裂的距离呈正相关,但相关性降低,直至距断裂的距离为6 060 m时,相关性系数降为0,这表明距断裂的距离为3 400 m时,诱导裂缝带中裂缝的发育程度达到最高值,但进一步提升至6 060 m时,裂缝发育程度持续下降。当距断层的距离大于6 060 m时,斯皮尔曼等级相关系数为负值且递减,这表明随着距断裂距离的增大,地层破裂概率降低,处于该范围内的碳酸盐岩并未受到走滑断裂活动的影响而显著破裂,几乎接近于普通沉积地层的性质(图17a)。

SHB16号断裂带及邻区现今水平两向应力差的高值、低值的分布条带与地层综合破裂率具有良好的匹配性(图12c,13c),两者的交会图表明地层综合破裂率与水平两向应力差满足y=0.062 9x-1.913的线性正相关关系(图17b),其中x和y分别指综合破裂率与水平两向应力差,表明水平两向应力差越大,地层破裂概率越高。

5 走滑断裂控制的规模储集体分布规律与储集体发育模式

5.1 奥陶系碳酸盐岩规模储集体发育指数的构建

为明确SHB16号断裂带周缘奥陶系碳酸盐岩储集体规模大小与等级,需要综合多项参数综合评判,具体包括地层岩石力学参数(泊松比和杨氏模量)、距断裂带的距离、水平两向应力差、应力非均质系数和地层综合破裂率,这6个参数在上述分析中均被证明与地层裂缝发育程度具有很高的相关性,其中,地层泊松比、水平两向应力差、应力非均质系数和地层综合破裂率均与地层裂缝发育程度呈正相关,而杨氏模量和据断裂距离均与地层裂缝发育程度呈负相关,为了体现上述相关性,将这6个参数均一化处理,并定义奥陶系碳酸盐岩储集体发育指数f(x_i):

(16)f(x_i)= \frac{{\mu }_i-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mu \right)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(\mu \right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mu \right)}+ \frac{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(E\right)-E_i}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(E\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(E\right)}+ \frac{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(D\right)-D_i}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(D\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(D\right)}+ \frac{({\sigma }_1-{\sigma }_3{)}_i-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}({\sigma }_1-{\sigma }_3)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}({\sigma }_1-{\sigma }_3)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}({\sigma }_1-{\sigma }_3)}+ \frac{{\left(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_3}\right)}_i-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_3}\right)}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_3}\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_3}\right)}+ \frac{(I_{\mathrm{z}}{)}_i-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(I_{\mathrm{z}})}{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(I_{\mathrm{z}}\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(I_{\mathrm{z}}\right)}

式(16)中:μ为地层泊松比;E为地层杨氏模量,GPa;D为距断裂带的距离,m;σ₁和σ₃分别为水平最大主应力和水平最小主应力,MPa;I_z为地层综合破裂率。当奥陶系碳酸盐岩储集体发育指数越高时,储集体规模越大。

5.2 奥陶系碳酸盐岩规模储集体分布规律与储集体发育模式

基于SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储集体发育指数的计算,储集体的发育程度被定量表征(图18a)。SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储集体按照发育程度可分为4级:当储集体发育指数大于3.8时,奥陶系碳酸盐岩储集体的发育规模最大,为I级储集体;当储集体发育指数为>3.4~3.8时,奥陶系碳酸盐岩储集体的发育规模其次,为II级储集体;当储集体发育指数为2.5~3.4时,奥陶系碳酸盐岩储集体的发育规模较小,为III级储集体;当储集体发育指数低于2.5时,奥陶系碳酸盐岩储集体的发育规模最小,为IV级储集体(表3)。

SHB16号断裂带及邻区I级储集体主要发育在X4、X5和X6井附近断裂面密度较大、受断裂影响较为破碎的地层中,其中X4井处于I级储集体范围内,X5、X6和X7井均处于II级储集体范围内。NEE向走滑断裂的西侧附近地层也发育范围较广的I级储集体。SHB16号断裂带及周围的井位均至少处于II级储集体范围内,碳酸盐岩储层发育程度较高,规模较大,具有很好的勘探与开发前景(图18a)。

统计SHB16号断裂带不同的应力分段内不同级别储集体的占比,并根据式(17)计算出每一个分段内的储集体综合评价级别R:

(17)R=3R_I+2R_II+R_III

式(17)中:R为每一个分段内的储集体综合评价级别;R_I、R_II和R_III分别为单个应力分段内I、II和III类储集体的占比。当储集体综合评价级别大于2时,储集体综合评价为优;当储集体综合评价级别大于1.8且小于等于2时,储集体综合评价为中;当储集体综合评价级别小于或等于1.8时,储集体综合评价为差(表4)。SHB16号断裂带不同应力分段的储集体综合评价级别计算结果表明张扭变形段中储集体综合评价级别更高,压扭段次之,平移段最差(表5)。

根据X4和X5井的奥陶系碳酸盐岩储层单井裂缝识别与表征(图3,4),建立了X4和X5井储集体发育的地质模式(图18b,c),分别代表I和II级储集体的单井发育模式。单井奥陶系储集体发育的地质模式表现为“垂向分层结构明显,断裂力学性质控制裂缝发育程度和垂向分段性”的特征,其中与加里东早期形成的近直立断层伴生的窄的高角度裂缝发育段是寒武系的主要特征,与加里东中期的张扭变形伴生的较宽的高角度剪破裂段(X4井)或低角度张-剪破裂段(X5井)是中-下奥陶统碳酸盐岩的裂缝发育模式。

6 结论

(1)SHB16号断裂带在中奥陶统一间房组顶界面上呈左阶或右阶排列并形成3个断层叠接区,断裂带沿走向表现出正构造起伏与负构造起伏交替的特征。走滑断裂在平面与剖面中的几何学特征表明:负构造起伏中左阶排列的断层控制的叠接区具备拉张性质,正构造起伏中右阶排列的断层控制的叠接区具备挤压性质,这表明断裂带沿走向的左行走滑。SHB16号断裂带在剖面上“深部正花状-浅部负花状”和“深部负花状-浅部负花状”两种花状构造的垂向叠置模式表明, {{\mathrm{T}}_5}^4界面附近地层的变形可能与海西运动中期的区域性伸展活动有关, {{\mathrm{T}}_7}^4界面附近地层的变形则与加里东运动中期走滑断裂形成有关。SHB16断裂带及邻区奥陶系主要为灰色泥晶灰岩,张性裂缝和剪切裂缝均发育,倾角多变,普遍被泥质充填。碳酸盐岩储层裂缝发育段在常规测井和阵列声波测井上具有明显响应,且岩石力学特征与普通沉积地层差异明显,其中X4井裂缝发育层段少但厚度大,X7井裂缝发育层段多但厚度小,裂缝发育层段少且厚度小的钻井以X6和X5井位为代表。

(2)基于非均质岩石力学模型和自适应边界条件约束算法的应力场模拟新方法的应用,提升了数值模拟的精度和准确性,降低了模拟结果和实测结果的误差。结果表明,SHB16号断裂带附近的奥陶系碳酸盐岩,在加里东中期和现今的应力数值分别高于和低于普通沉积地层,且应力方向均顺时针偏转。断裂带末端附近地层和断裂叠接区的地层应力状态均逐渐过渡至普通沉积地层的应力状态,断裂走向的多变也使得应力状态的非均质性增强。断裂附近地层加里东中期的水平两向应力差和应力非均质系数明显高于普通沉积地层,而现今的水平两向应力差和应力非均质系数小于普通沉积地层。

(3)SHB16号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩现今归一化后的张破裂率、剪破裂率和综合破裂率在断裂带附近地层中均较低,而在断裂带西侧普通沉积地层内最高,断裂带东侧普通沉积地层的破裂率明显小于断裂带西侧普通沉积地层的破裂率。走滑断裂的变形方式(压扭变形、张扭变形和简单剪切变形)沿走向的多变,使储层破裂概率的非均质性较强,其中压扭段地层破裂概率最高,其次为平移段,张扭段的地层破裂概率最低。走滑断裂垂向活动强度、水平两向应力差和应力非均质系数均与储层裂缝发育程度表现为正相关。距断裂距离对储层破裂概率的控制作用具有分段性:当距断裂的距离小于3 400 m时,随着距断裂距离的增大,储层破裂概率提升且两个变量的正相关性提升;当距断裂的距离大于3 400 m且小于6 060 m时,随着距断裂距离的增大,储层破裂概率提升且两个变量的正相关性降低;当距断裂的距离大于6 060 m时,随着距断裂距离的增大,储层破裂概率降低且两个变量的负相关性提升。

(4)为明确SHB16号断裂带周缘奥陶系碳酸盐岩储集体规模大小与等级,首次建立了奥陶系碳酸盐岩储集体发育指数,由好至差分为I~IV级。断裂叠接区的储集体非常发育,单条断裂两侧的储集体规模次之,同时NEE向走滑断裂两侧储集体规模略高于NE向走滑断裂两侧储集体规模,NEE向走滑断裂的西侧附近地层也发育范围较广的I级储集体。SHB16号断裂带及邻区的钻井均位于储集体规模较为发育的位置,其中X4井处于I级储集体范围中,X5、X6和X7井处于II级储集体范围中。SHB16号断裂带不同的应力分段的储集体综合评价级别计算结果表明,张扭变形段中储集体综合评价级别最高,压扭段次之,平移段最差。根据SHB16号断裂带发育特征、奥陶系储层裂缝多参数分布预测和规模储集体综合评价确定的单井储集体发育地质模式,表现为“垂向分层结构明显、断裂力学性质控制裂缝发育程度和垂向分段性”的特征。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42372171)

国家自然科学基金面上项目(42072173)