川东北马路背须四段储层裂缝预测

刘聪颖 梅 梓 陶佳丽 刘志毅 蔺明阳 罗梦原

(1.西南石油大学资源与环境学院，成都 610500;2.长庆油田公司采油三厂，银川 750000;3.西南油气田分公司川中油气矿，四川遂宁 629000)

1 地质概况

1.1 构造及地质特征

马路背位于通南巴构造带涪阳坝次级构造上(图1)，通南巴构造带位于四川盆地东北缘，米仓山冲断构造带位于其北侧，东北侧为大巴山前缘弧形推覆构造带，南邻川中平缓构造带，北西与米仓山前缘凹陷带相接，东南与通江凹陷带相连，是古生代—早中三叠世四川盆地地台沉积的一部分，也是中生代和新生代米仓山 — 大巴山的前陆盆地［1］。

图1 马路背构造位置图

马路背构造须家河组四段底界由马1断鼻和马2断背斜组成，主要存在北东向和北西向2组断层，它们是多期构造运动的结果。马路背构造上三叠统须家河组主要发育湖相与河沼相的陆相碎屑岩，可划分为须五段、须四段、须三段、须二段及须一段共5个岩性段［2-3］。须四段上部为杂色、深灰色砾状砂岩;中部黑色泥岩、灰色中砂岩互层，下部灰色含砾粗砂岩与须三段上部黑色页岩及黑色泥岩呈整合接触。

1.2 马路背构造形成及演化

马路背构造须家河组须四段底部主要存在北东向和北西向2组断层，其中北东向断层发育较早，北西向断层发育较晚，并且以北东向断层为辅、北西向断层为主。从燕山运动晚期开始，经雪峰山、武陵山传导而来的挤压应力作用，使马路背形成了明显的北东向构造主体。新老第三纪间的喜马拉雅运动中期，由于受太平洋板块俯冲的影响，马路背再次受到南东方向挤压作用，对早期的北东向构造进行加强或改造，形成了褶曲幅度更高的NE向构造。喜山运动晚期，四川盆地持续受到南北向的挤压应力作用，从南秦岭传来的南北向挤压力在大巴山弧形构造带处发生偏转，形成了北东 — 南西方向的挤压［4-5］，马路背在此构造作用力的影响下相继形成了一系列北西向的断层和构造。

2 有限元裂缝预测原理

2.1 有限元应力场模拟的原理

地应力是在岩体自重、地质构造作用、地质体岩性、地形地貌、温度应力等作用下形成的。在一个较大的区域上，区域现今应力场的总体规律，可以在调查断层的新构造活动特征，震源机制解和地应力实测的基础上得出初步认识，但要定量地反映区域应力场，找出应力集中部位，则需要通过地应力实测和数值模拟来实现。

对于现代地应力可用区域应力场的有限元反演来分析计算，也就是采用有限单元法根据已知地应力实测点和震源机制解的结果来推求整个计算区域的地应力场。其方法是首先根据区域地质调查结果，建立研究区的地质力学模型;然后通过不断改变边界力作用方式和大小量值(包括大小和方向)与已有地应力实测结果和地震震源机制(最大主应力大小和方向)达到最佳拟合。由此即可得出反映研究区现今应力—形变场的真实情况。

然而，古构造应力场不能像现代区域应力场那样用实测点来进行拟合模拟，因为古构造应力场特别是比较久远的构造应力场现在还没有办法实测其在个别点的值的大小和方向，所以古构造应力场只能根据现今的构造形迹来进行应变场的模拟，这种模拟需要有正确的构造发展及演化的认识结果，并且模拟结果是相对结果，不一定代表实际的古应力值。其研究思路可简单地用计算流程图(图2)表示。

2.2 构造力学模型及其建立依据

地质模型是通过对地质体所发生的各种地质过程的认识所形成的一个理想模式，也可以叫做地质过程的再现。地壳岩体中的褶皱、断层和裂缝等构造都是由于岩层受到构造应力的作用而产生构造变形的结果，其形成过程是一个力学的应力 — 应变过程。因此，构造力学模型是对岩体构造及其形成的力学过程的认识，由于构造运动也是一种地质作用，构造力学模型是地质模型的一种，也简称为地质模型。

地质模型的建立是以地质原型的认识为基础建立起来的，同时又对地质的作用结果产生重要影响。因此，要想准确获得构造运动时期研究区目的层位的构造应力场和应变场特征，准确地预测岩体破坏及裂缝发育特征，就必须要正确地认识地质原型，掌握研究区构造运动的发生、发展及其特征等规律。

图2 裂缝预测方法流程图

2.3 岩石破坏接近程度系数在裂缝预测中的应用

在岩石力学的应力 — 应变分析中，评价裂缝的发育程度除依靠构造应力大小和分布外，还需要岩石的破裂接近程度η(根据岩石强度理论计算得出)加以辅助判断，η值是影响岩石破裂程度的诸多因素(最大主应力、最小主应力、剪应力、岩石的材料力学性质等)的综合体现。一般η值越大，裂缝孔隙度越大，裂缝越发育。

3 古构造应力场模拟及裂缝预测

根据研究区构造油田须四段顶面构造图以及其他地质资料，抽象出用于实际计算的地质结构模型。根据须四段构造形态和断层规模大小不同，将计算模型划分为若干类岩体介质，对于断层，主要按照方位分为南北向、北西向，并考虑各断层构造部位，分别给定材料。对于研究区内不同向斜、陡坡等构造同样是通过调节其所在位置的单元材料来实现的。模拟采取地质结构模型和离散化网格，通过加载荷和约束边界条件来实现。计算模型均采用八节点四边形单元和六节点三边形单元进行分割。所涉及参数主要是依据邻区相同层位岩石力学试验测试结果，并结合工程地质类比法来确定［6］。

3.1 古构造应力场模拟及分布特征

在建立起上述地质模型的基础上，利用日本软件公司的有限元应力计算软件“2D-δ”，建立马路背须四段储层的地质结构模型，根据构造形态的不同将模型划分为若干类岩体介质，分别给予每一种介质不同的物理力学参数，然后对模型附加不同的边界条件 — 载荷和束约，再通过调节载荷的量值(大小和方向)，使模拟的形变达到与实际构造形态最佳的拟合来实现对古构造应力场的模拟计算。

早期须四段底部岩体在鼻状构造形成时期持续受到近北西向构造挤压力的作用，最大主应力矢量方向主要是呈北西方向展布。应力值总的分布特征是应力值大小较均匀，整体呈带状分布。最大主应力的最高值约为-84.699 MPa，最小主应力方位基本上沿北东 —南西方向展布，最小值为-69.133 MPa。

晚期研究区在持续受到北东方向构造挤压力的作用下，最大主应力矢量主要呈近北东方向展布。最大主应力总体上分布比较均匀，一般在-29.189～-30.407 MPa之间。最小主应力矢量基本上沿北西(NW)方向展布，应力值相对较小，且最小主应力分布较均匀，最小主应力值一般分布在-8.785～-10.218 MPa之间。

3.2 岩石破裂程度预测

由于研究区的构造成型经历了2个构造应力作用阶段，而不同构造运动阶段岩石的破裂程度各不相同，故将其按照不同构造运动阶段进行分期描述［7-8］。基于构造应力场结果，利用岩石力学的莫尔— 库仑强度破裂准则，可计算出岩体破裂接近程度系数及其分布特征(图3)。

图3 马路背须四段储层破坏程度色谱图

模拟结果表明:研究区早期岩体的破坏程度系数处于1.369～1.433之间，基本上超过了破裂临界值(理论上的破裂临界值是1)。根据模拟结果研究区须四段早期岩体破坏的程度较高，而且整体分布规律性较强，鼻状构造和背斜长轴部分破坏程度最高。在晚期构造作用时期，大于1的地区在须四段分布较广，主要分布在第一阶段形成的背斜长轴的肩部构造区，以及第二阶段形成的北东构造带及其附近地区，其中最明显的是形成的北西向断层，这些地区岩体破坏接近程度系数普遍高于1.516。上述地区的外围带岩体破坏程度系数也比较高，一般大于1.326，说明构造作用的第二阶段构造作用强烈，岩体的破坏程度较高，裂缝发育。整体来看，在2期构造运动的综合作用下，须四段岩体第二阶段的构造作用力最强，对岩体所造成的破坏性也最大，裂缝较发育。

3.3 裂缝发育预测

根据上述裂缝发育程度评价标准，结合野外裂缝观测及实际生产资料结果等进行综合分析，将官南构造须四段岩体裂缝发育区域及发育分布总体特征预测如下(图4):

(1)裂缝Ⅰ级发育区主要分布在马路背构造的断鼻的高点、晚期形成的北东向构造高点，马路背构造背斜的肩部，此外在断层的破裂带外围的小范围内也存在着呈条带状分布的Ⅰ级裂缝发育区，这些Ⅰ级裂缝发育区主要受2期构造应力场作用的结果，晚期的改造作用使得其破坏程度进一步加大。该区岩体破坏接近程度值高。

(2)Ⅱ级裂缝发育区主要位于在断鼻上主要发育在次高带区域以及北西向隆起区域的Ⅰ级裂缝发育区的外围及相邻区域的断层周围，这些Ⅱ级裂缝发育区围绕Ⅰ级裂缝区呈环带状分布;Ⅱ级裂缝发育区也是受到2期构造运动作用的结果，与Ⅰ级裂缝发育区形成原因相比，其主要破坏程度依赖于早期构造作用力的结果，早期构造作用力对其改造作用相对较弱，改造程度很低。

图4 马路背须四段储层裂缝综合预测成果图

(3)Ⅲ级裂缝发育区主要分布在马路背构造的Ⅱ级裂缝发育区外围，呈条带状分布，岩体的破坏程度直接决定于早期构造运动作用力，晚期构造运动作用力对这些区域的影响程度较Ⅱ级裂缝发育区还低，这也是造成这些区域裂缝发育程度比Ⅰ级裂缝发育区和Ⅱ级裂缝发育区低的根本原因。

4 结论

(1)喜山晚期运动对马路背影响最大，主要形成北西向构造并对早期北东向构造加以改造或加强。裂缝主要分布在背翼部高陡带、背斜长轴及断裂带。

(2)马路背构造须家河组四段底部在2期构造应力场作用下发育裂缝有2期5组，早期的高角度剪切缝、低角度剪切缝和派生剪切缝 ，晚期的高角度剪切缝、低角度剪切缝和高角度张性缝。裂缝的延伸方向主要为北西向、北东向以及近南北向。

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