青西油田下沟组构造裂缝发育特征与分布预测

孙维凤，宋 岩,3，公言杰，桂丽黎

(1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2. 提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083；3. 中国石油大学(北京)非常规天然气研究院，北京 102249)

青西油田下沟组构造裂缝发育特征与分布预测

孙维凤1,2，宋 岩1,2,3，公言杰1,2，桂丽黎1,2

(1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2. 提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083；3. 中国石油大学(北京)非常规天然气研究院，北京 102249)

青西油田下白垩统下沟组低孔低渗泥云岩是该区主要的储集层，其中构造裂缝是油气渗流的重要通道和储集空间。本次研究首先基于岩心及成像测井资料分析和构造裂缝的发育特征，然后在岩石力学参数测试的基础上，考虑断层对构造裂缝形成的影响，采用三维有限元法对青西油田主要裂缝形成期的古构造应力场进行数值模拟，并预测出青西油田下白垩统下沟组构造裂缝的分布规律。预测结果表明：在青西油田的东部和西部存在两个构造裂缝发育区，尤其是在窿10井和柳102井等附近，构造裂缝较为发育，而中部地区构造裂缝相对不发育。本次研究可为该区下沟组构造裂缝评价和油气勘探提供新的地质依据和指导。

构造裂缝 预测 低孔低渗泥云岩储层 下白垩统下沟组 青西油田

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构造裂缝是油气储集的重要形式，在岩石中因构造应力作用而产生的构造裂缝系统是油气的主要储集空间和渗流通道(彭红利等，2005；万永平等，2010)。构造裂缝的研究方法多样(Murray，1968；曾锦光等，1982；Walsh，1993；侯贵廷，1994；丁中一等，1998)，既可以通过探讨构造形变主曲率与构造裂缝发育的关系，提出裂缝性岩体的力学模型(Murray，1968)；又可以将地质基础与构造应力场数值模拟紧密结合，应用岩石破裂准则进行构造裂缝定量研究与预测(丁中一等，1998；周新桂等，2003；鞠玮等，2013)；也可以从分形角度对构造裂缝进行定量化研究分析(Walsh，1993；侯贵廷，1994；鞠玮等，2011)。

研究区主要储集层段为下白垩统下沟组泥云岩，埋深约4000 m，基质孔隙度小于5%，渗透率小于0.5×10-3μm2，属典型的低孔、特低渗储集层(杨红梅等，2004)。构造裂缝的发育会改善下沟组泥云岩储集层对油气等流体的渗流和储集能力(赵应诚等，2005；孙星等，2011；吴丰等，2012)。因此，本次研究首先分析青西油田下白垩统下沟组构造裂缝的发育特征，然后在岩石力学参数测试的基础上，考虑断层对构造裂缝形成的影响，对主裂缝形成期的古构造应力场进行数值模拟，预测出构造裂缝的分布情况，以期为该区油气勘探提供新的地质参考和依据。

1 区域地质背景

青西油田位于甘肃省玉门市以西约40 km，西南紧依祁连山北麓，西北至红柳峡，东南抵玉门鸭儿峡油田(石兰亭等，2008)。油田主体部分属于酒泉盆地酒西坳陷青西凹陷南部窟窿山背斜构造(图1)，勘探面积约80 km2。平均地表海拔2500 m左右，南部为丘陵及陡峭的石山区，北部为平坦戈壁，总体呈南高北低的冲积低缓斜坡。青西油田属于典型的箕状断陷盆地，由于北祁连山不断向盆地逆冲推覆，盆地南部发育北西向冲断片，中部发育北东向展布的走滑断层(师永民等，2004)。

图1 青西凹陷构造图(据玉门油田2002年资料编)Fig. 1 Structural map of the Qingxi Sag(base on data from Yumen Oilfield, 2002)1-喜马拉雅期逆掩推覆断层；2-喜马拉雅期走滑断层；3-控盆边界断层；4-次级正断层；5-推测控盆断层；6-井位及编号；7-断层及编号：Ⅰ-509断层；Ⅱ-青北断层；Ⅲ-盆地南缘断层1-overthrust nappe fault in Himalayan; 2-strike-slip faults in Himalayan; 3-boundary fault-controlled basin; 4-secondary normal faults; 5-inferred fault-controlled fault; 6-well location and number; 7-fault and number: Ⅰ-509 fault; Ⅱ-Qingbei fault; Ⅲ-south margin alfault

青西油田油气主要产自下白垩统下沟组，泥云岩是最有利的储集岩，包括泥质白云岩、白云质泥岩及白云岩。主要储集层段下沟组自下而上划分为 K1g0，K1g1，K1g2和 K1g3，油藏埋深为3700～4610 m。储集空间主要为裂缝，其次为溶蚀孔、洞，为典型的裂缝型储集层(马国福等，2002；刘战君，2003；郑应钊等，2011)。油藏具有断层发育，储集体岩性复杂多样，非均质性强，储集空间多样化等特点，油藏呈断块分布(郑应钊等，2011)。

根据岩心分析，下白垩统下沟组储集层基质孔隙度和渗透率较小(杜文博等，2003；周晓峰等，2006；吴丰等，2012)，属于低孔低渗致密储层。构造裂缝的发育和分布对改善储集层储集性能具有重要的影响，研究储集层构造裂缝的分布特征与发育规律，对储集层评价和指导油气勘探具有重要意义。

2 构造裂缝发育及分布特征

根据取心井下沟组岩心裂缝的观察与统计，结合成像测井构造裂缝的资料分析(图2) ，该区下沟组裂缝类型主要有构造裂缝、构造溶蚀缝、成岩缝及微裂缝等，其中构造裂缝的总体特点是：(1) 裂缝以水平缝和垂直缝为主；(2) 裂缝处于未充填-充填状态，充填物主要为方解石、黄铁矿、白云石等；(3) 裂缝产状规律性较好，发育北北东和北西西向两组，裂缝裂面多见垂直状擦痕、阶步。

图2 青西油田下沟组构造裂缝岩心照片及成像测井显示(红色-自然裂缝；绿色-诱导缝)Fig. 2 Cores photos and imaging logging of tectonic fractures in the Xiagou Formation of the Qingxi Oilfield(red-natural fracture, green-induced fracture)

另外，据杜文博等(2003)的研究，区内构造裂缝主要形成于燕山期和喜马拉雅期构造活动，其中燕山运动末期形成的构造裂缝多数已被矿物充填-半充填，对储集层物性改善不明显，有效性差；而喜马拉雅运动期形成的构造裂缝以层间缝、斜交缝和高角度缝为主，呈半充填-未充填(杜文博等，2003)。

青西油田裂缝大多由后期构造变形所成，部分可能是早期裂缝经后期构造变形改造所致，裂缝开启性好，宽约1～3 mm，最大可达15 mm，根据岩心观察和分析资料，下沟组储集层中孤立的孔洞被原油、黄铁矿等的充填程度较低，而在裂缝发育处及沿缝壁分布的孔洞，充填程度较高。岩心观察时能看到裂缝处沥青残留。

3 构造应力场数值模拟

应用有限元法进行数值模拟计算应力场(谭成轩等，1997；魏国齐等，2000；Juetal.，2013)，是一种近似求解一般连续问题的数值求解法，其基本思路是将一个地质体离散成有限个连续的单元，单元之间以节点连接，每个单元赋予其实际的岩石力学参数，用构造插值函数求得每个节点上的位移，进而计算每个单元内的应力和应变值(丁文龙等，2011)。

据前分析可知，燕山期构造裂缝多被充填，有效性较差，而喜山期构造裂缝多未充填，且青西油田的构造裂缝多是后期构造变形所成(周晓峰等，2006)，因此，本次研究主要是针对喜山期构造应力场，进行数值模拟研究，模拟过程采用有限元软件Ansys 13.0系统。

3.1 地质模型及岩石力学参数

控制裂缝形成的地质因素主要为构造和岩性等因素，其中岩性是控制裂缝发育的基础，构造作用是控制裂缝发育的关键(王允诚，1999)。因此，建立三维地质模型，可以将上述因素加以考虑，比二维模型更能准确地预测构造裂缝的发育程度和分布规律。依据青西油田下白垩统下沟组顶面构造图(图3)，结合该区的地质剖面特征，建立研究区的三维地质模型(图4)。

图3 青西油田下白垩统下沟组K1g1顶面构造图(据陈建军等，2004)Fig. 3 Top structure maps of the K1g1 in the Qingxi Oilfield(after Chen et al.,2004)1-逆断层；2-构造等高线；3-工业油流井；4-油气显示井1-thrust fault; 2-structural contour; 3-commercial oil flow well; 4-oil and gas show well

在14块样品岩石力学测试的基础上，确定模型中所用的岩石力学参数(表1)。

3.2 边界力作用方式与约束条件

应用黏滞剩磁、波速各向异性、井孔崩落、钻井诱导缝分析、热应变恢复等测量方法，综合确定青西油田的地应力方向为：水平最大主应力优势方向为25°～32°。采用差应变测试及井孔崩落两种方法，进行地应力数值大小的模拟计算，结果基本一致：水平最大主地应力梯度为0.023 MPa/m，水平最小主地应力梯度为0.019 MPa/m，垂向主地应力梯度平均为0.027 MPa/m(张虎俊，2009)(表2)。

图4 青西油田下白垩统下沟组三维地质模型Fig. 4 Three dimensional geological model of the Xiagou Formation in the Qingxi Oilfield1-断层；2-工区边界1-fault; 2-the boundary of study area表1 青西油田下白垩统下沟组岩石力学参数 (据张虎俊，2009)Table 1 Rock mechanics parameters of the Xiagou Formation in the Qingxi Oilfield(after Zhang, 2009)

单元密度ρ(kg/m3)杨氏模量E(GPa)泊松比υK1g2.682.3580.28断层2.001.3000.30外围地层2.502.1000.25

因此，根据地应力大小及方向，施加最大水平主应力方向30°～210°，大小为96.6 MPa；最小水平主应力方向120°～300°，大小为80.1 MPa；垂直应力113.6 MPa。为防止模型发生移动并获得收敛的结果，因此固定模型的底面。

3.3 应力场数值模拟结果

通过Ansys 13.0有限元软件的模拟，得到研究区最大主应力分布等值线图(图5)和最小主应力分布等值线图(图6)。研究区最大主应力(σ1)大小为85～115MPa，且均为挤压应力(图5；负号表示挤压应力，正号表示拉张应力，下同)，在断层带附近较大，远离断层带的区域则略小；而最小主应力(σ3)大小为61.5～48.0MPa，其分布规律同σ1相似(图6)。

表2 应变法测试最大地应力值结果(据张虎俊，2009)Table 2 The maximum geostress values obtained from the strain method(after Zhang, 2009)

注：通过差应变分析测试(即对试样进行室内三维试验)确定就地主应变的方向及大小，并由此确定地主应力的方向及大小。

图5 青西油田下白垩统下沟组喜山期最大主应力分布图Fig.5 The maximum principal stress distribution map of the Xiagou Formation in the Himalayan period1-断层；2-井号1-fault; 2-well name

图6 青西油田下白垩统下沟组喜山期最小主应力分布图Fig.6 The minimum principal stress distribution map of the Xiagou Formation in the Himalayan period1-断层；2-井号1-fault; 2-well name

4 构造裂缝分布预测

目前，储层构造裂缝发育和分布情况的预测研究已经形成了许多观点和研究方法(丁中一，1998；宋惠珍等，1999；周新桂等，2003；Juetal.，2014)，主要有岩石破裂法、主曲率法、能量法以及地质统计法等，其中能量法主要认为具有相对较高应变能的岩石比同样厚度但是较低应变能的岩石有更多的裂缝(Price, 1996)。本次构造裂缝分布定量预测主要是采用能量法定量预测构造裂缝发育程度。

弹性变形固体内任一单元的应变比能用主应力表示为：

(1)

式中：E为杨氏模量(MPa)；υ为泊松比。

应变比能可以分为体积改变比能(uv)和形状改变比能(ud)。

(2)

(3)

构造裂缝的发育程度与形状改变有关，三维构造应力场数值模拟给出的Von Mises应力(uvon)为形状改变比能理论的等效值。一般认为，Von Mises应力越大，构造裂缝越发育。因此，可以根据Von Mises应力的分布预测构造裂缝发育的程度(石胜群，2008)。

(4)

根据青西油田下沟组Von-Mises应力分布的特征，可以发现在青西油田的东部和西部存在两个构造裂缝发育区，尤其是在窿10井和柳102井等区域，构造裂缝较为发育，而中部构造裂缝相对不发育(图7)。

图7 青西油田下白垩统下沟组Von-Mises应力分布图Fig.7 The Von-Mises stress distribution map of the Xiagou Formation in the Himalayan period1-断层；2-井号1-fault; 2-well name

然后，据Von-Mises应力值的大小，提出研究区下沟组构造裂缝发育评价指标(表3)。Von-Mises应力值越大，其等级越高，对应的构造裂缝越发育。

表3 青西油田构造裂缝发育评价指标Table 3 Evaluation Index for the tectonic fractures in the Qingxi Oilfield

由上述指标，在研究区下沟组可划分出两个Ⅰ级和三个Ⅱ级构造裂缝发育区(图8)，此五个地区Von-Mises应力值较高，储集层构造裂缝发育程度较高，进而储集层储集物性相对较好，这已经在实际生产中得到了验证。

图8 青西油田下白垩统下沟组构造裂缝发育程度评价图Fig. 8 The evaluation map of tectonic fractures of the Xiagou Formation in the Qingxi Oilfield1-断层；2-井号；3-构造裂缝发育区1-fault; 2-well name; 3-tectonic fracture development zone

5 讨论

5.1 预测结果评价

通过对窿6区块和窿8区块岩心构造裂缝统计(表4和图9)，结果显示：构造裂缝的线密度与利用能量法预测的能量值基本呈正相关关系，建立二者之间的关系：

y=0.684x-1.902 (R2=0.8986)

(5)

式中：y为实测构造裂缝密度(条/m)；x为Von-Mises应力值(MPa)；R为相关系数。

由上可知，构造裂缝密度与Von-Mises应力值具有很好的线性关系，并且相关系数较高，从而说明预测结果较为可信。

5.2 岩性与构造裂缝发育的关系

裂缝的形成除了与古构造应力场有关外，还与储层的岩性等内部因素有关，岩性等内部因素影响着裂缝发育的密度及分布等。

对窿6、窿8两个区块不同岩性裂缝发育情况进行统计(图10)，结果显示，白云质泥岩和泥质白云岩裂缝相对较发育，而泥岩、泥灰岩裂缝发育较差。这可能是因为白云质泥岩和泥质白云岩含脆性矿物较多引起的。

表4 青西油田窿6和窿8区块下沟组构造裂缝密度与 Von-Mises应力值统计表Table 4 Tectonic fracture density of the Xiagou For mation and the Von-Mises stress in the Long 6 and Long 8 areas of the Qingxi Qilfield

图9 窿6和窿8区块下沟组构造裂缝密度与Von-Mises应力拟合关系Fig. 9 The relationship between fracture density of the Xiagou Formation and the Von-Mises stress value in the Long 6 and Long 8 areas

图10 窿6和窿8区块下沟组不同岩性构造裂缝发情况Fig. 10 The development of tectonic fractures in different Xiagou Formation lithologies in the Long 6 and Long 8 areas

5.3 构造裂缝与油气富集关系

一般而言，构造裂缝的发育对油气的富集具有积极的作用，油气的富集以及试井的产能往往与储层裂缝系统的有效性，即充填程度、连通性、力学性质和外界流体压力等因素相关，裂缝未充填并且连通性较好的储层在一定的条件下油气富集度和试井产能往往也会较高(张林炎，2007)。

通过对窿6、窿8区块裂缝统计(图11)，结果显示裂缝密度与产量密切相关，两者基本呈正相关关系。裂缝密度大于1条/m，一般能获得高产(>60t/天)，裂缝密度0.5～1条/m，一般可获得中产(20～60t/天)，裂缝密度小于0.5条/m，一般产能较低(<20t/天)。

图11 青西油田窿6和窿8区块裂缝与产量关系图Fig. 11 Relationship between the fracture density and well productivity in the Long 6 and Long 8 areas of the Qingxi Oilfield

当然，也不排除裂缝对油气聚集的破坏作用，由于油气源的供给有限，如果裂缝发育沟通到地表，会导致油气的逸散。

6 结论

本次研究基于岩心和成像测井的研究获取青西油田下沟组构造裂缝发育特征，然后在岩石力学参数测试的基础上，考虑断层对构造裂缝形成的影响，对青西油田主裂缝形成期的古构造应力场进行数值模拟，预测出青西油田下白垩统下沟组构造裂缝的分布情况，并在此基础上，对影响构造裂缝发育的因素进行了分析和探讨。获得如下结论：

(1) 通过对构造裂缝发育特征的研究，发现：该区下沟组裂缝类型为构造裂缝、构造溶蚀缝、成岩缝及微裂缝等；构造裂缝主要形成于燕山期和喜马拉雅期构造活动，其中燕山运动末期形成的构造裂缝多数被充填，储层物性有效性差，喜马拉雅运动期形成的构造裂缝以层间缝、斜交缝和高角度缝为主，呈半充填-未充填。

(2) 构造预测结果显示，在青西油田的东部和西部存在两个构造裂缝发育区，在窿10井和柳102井等区域，构造裂缝较为发育，而中部构造裂缝相对不发育。根据Von-Mises应力值评价指标，在研究区划分出两个Ⅰ级和三个Ⅱ级构造裂缝发育区。

(3) 青西油田下白垩统下沟组内不同岩性会对构造裂缝的发育产生影响，通过分析发现：白云质泥岩和泥质白云岩储层构造裂缝相对较发育。此外，构造裂缝发育密度与产量也呈现较好的正相关关系，构造裂缝越发育，其产量也越好。

总之，本次研究成果可为研究区低渗透储集层裂缝分布概念模型、裂缝孔隙度计算模型的建立提供基础资料，同时也可为该区下沟组构造裂缝评价和油气勘探提供新的地质依据和指导。

致谢 感谢评审老师对本文提出的建设性意见，玉门油田提供了部分岩心和成像测井数据，在此一并致谢！

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Characteristics and Distribution Prediction of Structural Fissures in the Lower Cretaceous Xiagou Formation in the Qingxi Oilfield

SUN Wei-feng1,2, SONG Yan1,2,3, GONG Yan-jie1,2,GUI Li-li1,2

(1.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,Beijing100083;2.StateKeyLaboratoryofEnhancedOilRecovery,Beijing100083;3.CollegeofUnconventionalNaturalGas,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249)

The Lower Cretaceous Xiagou low porosity and low permeability argillaceous dolomite formation is the main reservoir in the Qingxi oilfield, where structural fissures serve as important migration pathways and accumulation spaces. This work analyzed the characteristics of these fissures based on cores and imaging logging data. Then considering the influence of faults on the fracture formation, a 3D finite element method was applied to simulate the paleostress field when fissures formed and predict the distribution of fissures in the Xiagou Formation on the basis of rock mechanical tests. The modeling results show that the zones with concentrating fissures are distributed in the east and west, respectively, especially around the wells Long10 and Liu102. While the middle potion of the oilfield hosts relatively few fissures. These study results can provide new geological evidence for the fissure assessment and hydrocarbon exploration in the Xiagou Formation of the oilfield.

structural fissure, prediction, low porosity and low permeability argillaceous dolomite, Lower Cretaceous Xiagou Formation, Qingxi Oilfield

2014-04-14；[修改日期]2014-08-21；[责任编辑]郝情情。

中国石油重大科技专项《玉门探区非常规油气勘探开发目标优选》(编号 2012E-3303)资助。

孙维凤(1986年-)，女，中国石油勘探开发研究院博士研究生，主要从事油气成藏研究。E-mail: sunweifeng1986@163.com。

TE121

A

0495-5331(2014)06-1181-09