大牛地气田马五1-2致密碳酸盐岩储层平缓构造带裂缝预测

张 冲，周 文，2，谢润成，2，朱 涛，杨秀堃

（1.成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059； 2.成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059； 3.中法渤海地质服务有限公司，广东 湛江 504057）

0 引言

天然裂缝普遍存在于致密碳酸盐岩储层中，其裂缝系统发育程度对油气成藏及后续开发评价具有重要作用[1］.人们认为不同沉积盆地储层的裂缝预测方法和思路存在较大差异[2］.致密碳酸盐岩储层储集空间主要为裂缝和溶蚀孔洞，裂缝的延伸和发育规律影响储层中天然气的流动能力[3］.近年来，鄂尔多斯盆地在碳酸盐岩储层中的勘探开发取得重大突破，发现下古生界奥陶系岩溶风化壳储集层[4］，并获得高产工业气流，裂缝在这些储层中起重要作用.由于致密碳酸盐岩储层裂缝发育规律具有复杂性，对其进行裂缝预测评价较为困难.

目前，对裂缝预测和分布规律的研究已取得进展[5］.20世纪80年代以来，裂缝预测评价方法在物探、数学、地震相分析、构造曲率和区域应力场模拟等方面得到发展[6-7］，Pollard D D等基于测井资料运用分形理论开展裂缝研究，认为构造裂缝属于裂缝成因类型最为常见的一种类型[8］.黄光玉等对构造变形较大的地区进行构造主曲率预测，但预测方法在不同沉积盆地、不同构造形态应用效果存在差异[9］.近年来，将变形的岩层作为屈曲薄板，采用弹性应力应变方程，模拟水平状态至发生一定挠度时的应力场，进行裂缝评价[10］，并在鄂尔多斯盆地麻黄山等区块低渗透砂岩储层中获得较好应用效果[11］，但是缺乏对碳酸盐岩储层的应用实践.郭鹏等利用线弹性的有限元应力场模拟方法对鄂尔多斯盆地进行裂缝预测，认为地应力场数值模拟可以有效解决低渗透油气藏储集应力分布[12］.周文等利用有限元法古构造应力场模拟技术，对鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储层裂缝的评价取得突破，推动上古生界油气的开发进程[13］.由于碳酸盐岩储层的弹性参数获取困难和孔隙缝洞情况复杂，应力应变曲线常不出现线弹性阶段，因此不适宜利用线弹性有限元应力模拟方法研究裂缝规律.

大牛地气田下古生界奥陶系风化壳地层是中石化华北石油局重点勘探开发层位，目前已进入水平井开发阶段，获得高产工业气流.水平井的高效开发离不开对地下天然裂缝的发育模式和分布规律的研究，现阶段的勘探开发实践也表明裂缝对大牛地气田下古生界奥陶系风化壳地层的开发起关键作用；但是因为大牛地气田构造平缓，裂缝研究基础薄弱，对于平缓构造带和致密碳酸盐岩储层尚缺乏有效预测模型.因此，基于大牛地气田马五1-2致密碳酸盐岩储层的力学特征差异，结合岩心观察、裂缝测井识别和岩石力学测试等研究，进行非线性弹塑性力学模型的应力模拟裂缝预测，为该地区碳酸盐岩储层开发评价和其他平缓构造带碳酸盐岩储层裂缝评价提供参考.

1 区域地质概况

大牛地气田北临伊金霍洛旗古鼻隆带和乌审旗北鼻隆，西为乌审旗—盐池鼻隆带，南接榆林横山鼻隆带，断裂不发育，整体为北东偏高、西南略低的平缓单斜，坡降不超过9m／km，地层倾角为0.2°～0.7°（见图1）.马家沟组在沉积末期遭受加里东长达1.0～1.4亿年的风化和侵蚀，形成现今准平原化的岩溶地貌和奥陶系顶部岩溶风化壳[14］，因此大牛地气田马五1-2储层受到严重的风化剥蚀，其中马五1主要分布在研究区中部；马五2未被完全剥蚀，在气田大部分地区发育.

图1 大牛地气田区域构造位置（据文献[13］修改）Fig.1 The regional tectonic position of Daniudi gas field

2 储层及裂缝特征

2.1 储层

马五1-2储层是大牛地气田具有开发潜力的白云岩储层，白云岩夹薄层含云质灰岩和角砾云岩是马五1-2储层主要岩性特征.马五1平均孔隙度为2.90%，平均渗透率为0.35×10-3μm2；马五2平均孔隙度为2.80%，平均渗透率为0.65×10-3μm2，属于致密低孔低渗白云岩储层.根据岩石力学性质、储层岩性和物性特征，可以将马五1-2储层看作是一个岩石破裂单元，对它采用非线性弹塑性模型进行应力模拟.

2.2 裂缝

大牛地气田下古生界10口取心井共观察到170条天然裂缝（其中马五1占54.7%），平均倾角约为55°，岩心上多呈斜交型和垂直型展布.马五1岩心平均裂缝线密度为1.87条／m，较马五2的1.49条／m略为发育，表明靠近不整合面的地层受到强烈剥蚀而岩石更易发生破裂.马五1-2储层主要为微—细粉晶云岩夹泥云岩，局部含薄层的角砾云岩；角砾云岩是受表生期风化淋滤即岩溶作用形成的，在大牛地气田部分井中有分布.这种岩性存在许多力学结构面，在构造活动强烈时期易发生破裂，岩心上可见切割岩溶角砾现象；但是该类破裂多呈网状，通常为方解石、泥质等填充，对天然气地下纵横向流动无意义[15］.

研究区钻井岩心上以构造破裂相关的裂缝类型为主，其中构造压剪力学成因的破裂主要在微—细粉晶白云岩中分布，且较为主要；其他岩石破裂形式相对较为少见（见图2）.根据岩心上观察到的缝面力学性质及岩石力学强度测试时发生的破裂形式，认为马五1-2储层裂缝成因主要在压剪应力环境下形成.邓虎成等认为构造变形曲率仅适于对构造拉张环境下形成的裂缝进行分布评价，因此马五1-2储层不再适于利用构造曲率进行裂缝评价[11］.马五1-2储层镜下薄片裂缝多为构造破裂，裂缝有效宽度一般为3～40 μm，明显低于岩心的0.1～1.0mm（见图2），更为客观地反映地下裂缝的闭合程度.根据地下天然气流体动力学，马五1-2储层构造裂缝有效性高，裂缝有效比例达到85%，在油气运移成藏过程中对上古生界气源到下古生界成藏起积极的疏导作用，也可为天然气开发提供通道.大牛地气田马五1-2储层电阻率成像测井资料解释显示，地下天然裂缝为NW-SE和近东西（NWW-SEE）向两个组系裂缝发育，与奥陶系顶部构造几排压性鼻隆受力分析确定的最大主压应力方向保持一致，为大牛地气田奥陶系顶面的应力场模拟提供地质依据[16］.

图2 大牛地气田马五1-2储层裂缝特征Fig.2 The fracture characteristics of Ma51-2in Daniudi gas field

3 地质环境及裂缝期次

3.1 地质环境

马五1-2储层经历加里东时期抬升剥蚀后，在随后的印支、燕山和喜山期受到强烈的构造运动，其中印支期持续时间短，对大牛地地区地层变形影响较弱；燕山期包括大牛地气田的整个鄂尔多斯盆地，构造活动剧烈、影响时间长，使整个盆地变为向西倾斜的构造新格局；到燕山中后期—喜山期基本塑造大牛地气田鼻隆构造形态，地层构造变形最大，燕山期对大牛地马五1-2储层岩石破裂起重要作用.由于加里东时期存在地层剥蚀和岩溶作用，岩石的力学强度受到极大削弱，在随后的构造运动中，表层的马五1-2储层更易发生破裂.

3.2 裂缝期次

地下岩体经受不同构造运动期作用，对它所经历的构造应力存在记忆；地下岩石中声发射的不可逆现象是研究储层岩石破裂期次的判断依据.对3个方向岩样（1组9个，每个方向3个）进行应力加载，岩石样品内部存在早期构造作用产生的微裂隙，在应力加载时造成应力集中，进一步失稳扩展，岩石内部的弹性能量迅速释放，其中一部分能量将转换为声波或是声发射信号，可通过仪器接收并记录信号所经历的应力加载时间和声发射事件的累计频数关系曲线.当施加应力超过岩石形成微裂隙的应力时，岩石产生失稳和扩展的不可逆现象称为“Kaiser”效应，声发射曲线上的“Kaiser”效应点数反映岩石所经历的构造应力历史[17-18］.

采集一组马五2岩石声发射样品，所测试的声发射曲线显示该段地层经历多期应力受力史.由声发射实验结果曲线（见图3）可以看出：绝大多数试件出现3个特征点，即3级“Kaiser”效应点.岩石声发射曲线的三级效应点是岩石在单一方向上施加载荷，在某一加载时间不同时期构造应力产生的微裂隙发生能量集体释放，一般为3～5s（实验室加载速度为15kN／min）.由于逐渐施加荷载，因此样品破坏前的“Kaiser”效应点数反映岩石的受力历史期次，即显示裂缝形成期次至少为3期（见图3），第二个Kaiser点声发射效应最为明显，是燕山构造期.这是因为燕山构造期马五1-2储层受到的应力强度最大，岩石在遭受某一期高应力后，岩石内部产生新的裂隙，应力较小的前一期存在岩石中的应力记忆被消除或减弱.因此，声发射曲线可用于确定燕山期应力大小，用于后续的非线性弹塑性应力模拟结果的验证和分析.大牛地气田马五2岩石声发射实验结果见表1.表1显示岩石声发射测试计算的三级应力值，反映马五1-2储层曾处于61.37～120.75MPa的应力环境，因此在地质历史时期，岩石受到构造应力作用发生破裂时应力应大于声发射测试得到的一级最小应力值，为非线性弹塑性模型应力模拟裂缝预测提供应力参考.

图3 声发射实验曲线Fig.3 The curve of acoustic emission test

表1 大牛地气田马五2岩石声发射实验结果（大24井）Table1 Acoustic emission test results of Ma52in Daniudi gas field（well D24） MPa

此外，由于裂缝的形成过程属于“真空扩容”过程，饱和地层水在第一时间进入裂隙中，必然或多或少在缝壁富集.因此，采集马五1-2储层充填或半充填裂缝壁方解石充填物进行稳定同位素测试分析，δ18O PDB（‰）值相差较大，可分为3个区，反映裂缝产生多期性.结合研究区典型井埋藏史，根据氧同位素测温方程[11］，可确定3个同位素分区的裂缝形成期次为加里东期（1个测点，氧同位素大于-10‰，折算形成温度小于40℃）、印支期（2个测点，氧同位素为-10‰～-12‰，折算形成温度为90～100℃）、燕山期（8个测点，氧同位素为-12‰～-15‰，折算形成温度为100～120℃）.因此，综合声发射和同位素测试结果，可以确定燕山期是马五1-2储层裂缝的主要形成期，形成环境属于高温环境.

4 裂缝预测与分布规律

马五1-2储层特征和地质背景相似，岩石抗张和抗压强度测试也表明力学强度基本相当，平均厚度为15～20m，因此在进行裂缝评价时可以将马五1-2储层作为整体进行预测.由于大牛地地区构造属于平缓单斜，仅有几排鼻隆发育，对这类平缓构造进行应力模拟研究较少.这是因为没有较为准确的岩层变形形态可以当作模拟的参照标准，在此背景下采用弹塑性变形有限元方法进行应力场模拟.

4.1 弹塑性模型力学地质适应性

基于线弹性有限元应力模拟裂缝预测方法，是基于岩石应力—应变关系呈现线弹性特征的.对大牛地气田马五1-2储层岩石力学测试分析表明，该地区白云岩储层岩石应力—应变曲线无线弹性阶段（见图4）.非线性弹塑性特征是马五1-2储层岩体介质力学特征的重要表现形式.当作用在白云岩储层岩石上的荷载超过一定量时，产生一定量的不可恢复的非线性塑性变形，是由碳酸盐岩储层后期溶蚀、白云岩化等改造作用导致的.地层经历加里东时期强烈的抬升剥蚀，受到强烈的岩溶作用，岩石内部孔隙缝洞关系复杂，因此岩石力学性质也与砂岩储层具有显著差别，应力—应变曲线不再出现线弹性阶段.因此，利用非线性弹塑性力学模型进行应力模拟裂缝预测是可行的，能反映大牛地气田马五1-2储层基本力学特征.

图4 大牛地气田马五1-2储层白云岩应力（σ）—应变（εa）关系曲线Fig.4 The stress（σ）—strain（εa）relationship curve of dolomite in Ma51-2Daniudi gas field

4.2 非线性弹塑性模型预测方法

4.2.1 非线性弹塑性模型

大牛地气田深埋于地下的马五1-2储层经历燕山构造期剧烈的构造活动，在燕山中期的构造反转及燕山期强烈的左旋挤压应力作用下处于高温、高压环境中，长时期受到构造变形应力作用，产生塑性变形不可恢复现象；由于发生地下岩层塑性变形，使地层的应力（σ）—应变（εa）曲线呈现非线性关系.为建立和模拟非线性的弹塑性应力场，可进行简化：

（1）当强度进入峰值后，应力（σ）—应变（εa）关系进入理想化的塑性状态，令地下岩体的软硬化参数趋于0.

（2）根据塑性势函数与屈服函数关联的流动法则，岩体弹塑性相应本构关系[19-21］为

其中，弹塑性矩阵Dep表示为

其中，

式（1-4）中：De为岩体弹性矩阵；Dep为弹塑性矩阵；ν为岩石泊松比；E为弹性模量；f为采用应力张量代表莫尔库仑屈服准则的屈服函数；I1、J2分别为应力张量和应力偏量的第一和第二不变量；a、k为常数，根据 Druck-Prager准则[22］，a、k分别表示为

式中：στ、φ分别为实验测试的抗压强度和岩石内摩擦角.

（3）采用有限元方法构建岩石总体平衡函数方程：

式中：K（δ）为结构刚度矩阵；δ为结构位移；R为荷载列阵.

（4）应用增量—初应力法，反复进行总体平衡函数式的迭代，每次迭代结果进行趋势面拟合分析，并与大牛地气田奥陶系顶面构造趋势面结果对比，关联度高于80%以上模拟结果为可靠.

4.2.2 介质模型和边界

根据厚度统计和岩石力学测试分析，将马五1-2储层视为厚度为15m、岩性为纯白云岩、分布特征均匀的理想地层，且形变特征与大牛地气田奥陶系顶面一致.模型的边界条件要考虑构造应力的来源，区别主动边界和被动边界，分别用不同的情况施加，主应力方向根据声发射测试结果进行计算，施加应力参考声发射测试的燕山期应力计算结果[23-24］，将研究区北部和西部作为被动边界，南部作为约束边界，施加约束力50MPa，东部边界作为主动边界，施加北东方向挤压应力100MPa；根据包裹体测温推演古时地层埋深，在垂向施加相当于埋深3km的垂直应力，与大牛地气田研究区应力状态较为接近[25］.

4.2.3 马五1-2储层应力计算方法

以非线性弹塑性模型预测方法为基础，利用大牛地气田奥陶系顶面构造，基于有限元单元划分原则，对大牛地气田研究区进行网格划分[26-28］，网格精度为100m×80m；利用3D-σ软件，设定约束和加载条件，生成大牛地气田奥陶系顶面应力分析的计算网格；最后采用软件的弹塑性模块，结合马五1-2储层实验测试的岩石力学参数进行应力计算（见表2）.

表2 大牛地气田岩石力学参数Table 2The rock mechanics parameters in Daniudi gas field

4.3 应用效果

根据非线性弹塑性应力模型预测方法，模拟大牛地气田奥陶系顶部平缓构造带最大主应力平面分布（见图5）.井下岩石力学测试马五1-2储层古应力环境在61.37～120.75MPa之间，与应力模拟结果较为接近.模拟高值应力区沿构造鼻隆呈条带分布，应力一般在70MPa以上，实验测试岩石平均抗压强度为67.39MPa，因此构造鼻隆带和构造变形较强的区域是马五1-2储层岩石的主要破裂区.D98、D13井处于应力场强度较高的区域，岩心裂缝也较为发育，尤其是D98井在马五2获得较高的工业气流量；D24井应力较弱，达不到岩石破裂所需条件，岩心裂缝相对不发育.

根据应力模拟计算结果，拾取单井应力场强度，与大牛地气田马五1-2储层当前测试产量进行统计分析（见图6），马五1-2储层岩石构造破裂受到构造应力强度制约较为明显，单井产能随构造应力增大而增大.基于逐步判别和R／S分形裂缝常规识别方法，对大牛地气田单井进行常规测井裂缝识别，对马五1-2储层单井进行裂缝发育指数统计，单井裂缝发育指数越高，对应的构造应力模拟值也越大（见表3）.综合应力模拟结果、裂缝识别和产能统计，大牛地气田马五1-2储层构造应力反映研究区裂缝发育程度，同时通过裂缝发育规律控制白云岩储层的产能，模拟应力越大，裂缝越发育，测试产能也越高，表明裂缝预测结果是合理的.综合岩心裂缝统计、裂缝测井识别和单井测试情况分析，确定构造最大主应力大于80MPa为裂缝发育区，60～80MPa为裂缝较发育区，低于60MPa的地区为裂缝不发育区.

图5 大牛地气田奥陶系顶面构造主应力分布Fig.5 The principal structure stress distribution of top Ordovician in Daniudi gas field

图6 大牛地气田马五1-2储层产能与应力关系Fig.6 The diagram of structure stress relationship with the productivity of Ma51-2in Daniudi gas field

表3 大牛地气田马五1-2储层单井测试产量、裂缝指数与构造应力基础数据Table3 Basic data of well test production，fracture index and structure stress in Ma51-2，Daniudi gas field

5 结论

（1）大牛地气田马五1-2储层岩石破裂按成因有构造压剪破裂、拉张破裂和风化破裂，后2种破裂在马五1-2储层中发育极少，NW-SE和近东西（NWW-SEE）向裂缝发育，与最大主应力方向保持一致，裂缝有效性高.

（2）马五1-2储层裂缝存在3个形成期次，其中燕山期是裂缝的主要形成期，裂缝形成应力环境在61.37～120.75MPa之间，与应力模拟结果揭示的古地质环境吻合.

（3）马五1-2储层构造最大主应力大于80MPa为裂缝发育区，60～80MPa为裂缝较发育区，低于60 MPa为裂缝不发育区.

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