应力场模拟约束下的碳酸盐岩裂缝综合预测——以塔中地区ZG8井区为例

狄贵东,孙赞东,庞雄奇,刘立峰

(1.中国石油大学(北京)地质地球物理综合研究中心,北京102249;2.中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心,北京102249)



应力场模拟约束下的碳酸盐岩裂缝综合预测——以塔中地区ZG8井区为例

狄贵东1,2,孙赞东1,庞雄奇2,刘立峰1

(1.中国石油大学(北京)地质地球物理综合研究中心,北京102249;2.中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心,北京102249)

摘要:针对叠前各向异性裂缝检测方法对单组裂缝预测有效、对多组裂缝发育区表现为弱各向异性的特点,提出应力场模拟约束下的裂缝综合预测思路。首先通过有限元分析模拟的构造应力场识别出单组及多组裂缝发育区,将其作为地震预测手段的宏观约束,然后在单组裂缝发育区域优选叠前各向异性裂缝检测结果,在多组裂缝发育区域优选曲率等叠后地震属性预测结果。将该方法应用于塔中地区ZG8井区鹰山组碳酸盐岩裂缝型储层综合预测，结果与该区测井解释结果以及构造环境具有很好的一致性,说明应力场模拟约束下的裂缝综合预测思路可行,为复杂碳酸盐岩裂缝预测提供了一条新的途径。

关键词：碳酸盐岩;裂缝预测;叠前各向异性反演;应力场模拟

目前,叠前纵波方位各向异性反演因其很强的实用性而被广泛应用于小尺度定向裂缝发育带的预测,并取得了一定的效果[1-4]。但由于地质历史时期多组裂缝的存在会削弱地震纵波方位各向异性的特征[5],利用该方法无法准确表征多组裂缝的发育。20世纪90年代末以来,越来越多的学者开始以构造应力场理论为指导,应用有限元方法预测应力的分布,通过破裂准则对古应力计算结果进行判别,达到有效识别宏观裂缝发育带及裂缝方位的目的[6-10]。本文以塔中地区ZG8井区鹰山组碳酸盐岩裂缝型储层为例,提出地震裂缝预测与构造应力场模拟相结合的综合配套技术思路。在应力场模拟的单组裂缝发育区域采用叠前各向异性反演的结果,而应力场模拟的多组裂缝发育区域采用叠后预测结果(如曲率属性等)作为叠前预测结果的补充,实现对裂缝预测结果的进一步优化,提高裂缝型储层的预测精度,有效指导研究区井位部署。

1研究区地质背景及裂缝发育期次

塔中地区位于塔里木盆地中央隆起区中部,东与塔东低凸起相连,西与巴楚断隆相接,北部紧邻满加尔凹陷,南部为塘古孜巴斯凹陷,是一个长期发育的继承性隆起[11],呈北西向展布。ZG8井区位于塔中隆起北斜坡西部(图1),受古隆起多期调整改造的影响,形成了中—晚加里东期北西向逆冲断裂及早海西期北东向走滑断裂[12]。伴随构造运动及断裂的形成,该区裂缝具有多期成因、多期改造、多期充填的特点[13]。通过普通薄片、铸体薄片和岩心观察裂缝的产状、组系展布以及裂缝之间的切割关系等发现,该区鹰山组碳酸盐岩裂缝型储层有效裂缝以溶蚀缝及构造裂缝为主,且具有早期裂缝被晚期裂缝切割的特点(图2)。全区裂缝发育于中—晚加里东期、海西期及燕山-喜山期,其中中—晚加里东期及海西期为裂缝发育的主要时期,燕山-喜山期裂缝细小,且规模较小[14-16]。

图1　研究区区域位置

图2　研究区奥陶系典型裂缝镜下特征(据塔里木油田勘探开发研究院)a 颗粒泥晶灰岩,溶蚀缝发育,晚期缝切割早期构造裂缝; b 亮晶砂屑灰岩,3条裂缝方解石脉相交; c 亮晶砂屑灰岩,海西期羽状橙黄色方解石脉切割2条早期暗橙红色方解石脉

2应力场模拟约束下的裂缝综合预测

2.1研究思路

针对叠前各向异性裂缝检测方法对单组裂缝预测有效、对多组裂缝发育区表现为弱各向异性的特点,我们将研究区有限元分析的应力场方位信息作为该地区地震裂缝预测的约束,在应力场模拟的单组裂缝发育区域采用叠前各向异性反演的结果,而在多组裂缝发育区域采用叠后地震预测结果作为叠前预测结果的补充,从而实现复杂碳酸盐岩裂缝型储层的精确预测。图3为应力场模拟约束下的裂缝综合预测研究思路。

图3　应力场模拟约束下的裂缝综合预测研究思路

2.2叠前各向异性裂缝反演

在叠前各向异性裂缝反演方法中,最常用的PP波反射系数近似方程是Ruger近似方程[17]。该方程基于HTI介质假设,且适用于上下两层介质速度和密度相差不大、弱各向异性介质的情况。当入射角相对较小时,该方程由以下方式表达：

(1)

式中：A为AVO截距,Biso代表各向同性梯度,Bani代表各向异性梯度,φs代表裂缝方位,i代表入射角,φ代表采集方位角。利用方程(1)进行反演时,理论上需要利用宽方位采集的地震资料,并且对噪声非常敏感。

分析ZG8井区地震数据的偏移距和方位角分布可知，该区地震道集属于典型的窄方位(即有限方位)资料，且在10°～61°范围内覆盖次数较高。将该范围数据按13°一个方位角划分成4个方位角道集，分别对应方位角为16°，29°，42°，55°的数据体；基于纵波方位各向异性的Ruger反射近似，通过加入压噪因子，使用奇异值分解方法(Sigular Value Decomposition,SVD)，实现了含噪声和有限方位条件下的叠前各向异性裂缝反演(图4)[1]。图5为ZG8井区两口典型井B201和A461周围的裂缝各向异性显示，两口井成像测井解释目的层裂缝均较发育，分别为34条/315m(图5a)和31条/332m(图5b)。由图5可见，以单组裂缝发育为主(NE向为主)的B201井点周围反演结果表现为强各向异性，各向异性值为4.2×106，与实际情况吻合；而以多组裂缝发育为主(NE向及NW向为主)的A461井点周围表现为弱各向异性，各向异性值为2.1×106，不能被准确预测，这是由于随着裂缝之间夹角的增大，介质的各向异性程度趋于减弱[5]。

图4　裂缝各向异性反演的裂缝密度分布

显然,叠前各向异性裂缝反演在单组裂缝发育区具有很强的实用性,但对于多组裂缝发育部位,需要结合应力场模拟结果的约束才能实现更为准确的裂缝预测。

2.3应力场模拟

应力场模拟主要是通过有限元分析实现裂缝宏观预测的目的[7,9]。其过程主要包括三维单元网格划分及岩石力学参数确定、应力边界条件及边界约束等。

2.3.1三维单元网格划分及岩石力学参数确定

在研究区鹰山组中—晚加里东期及海西期古构造恢复的基础上建立地下地质模型,采用非结构化网格的方法对其进行四面体网格剖分。通过叠前AVO反演得到海西期应力场模拟的岩石力学参数(图6),逆冲断裂及走滑断层的弹性模量赋予地层的1/2,泊松比赋予地层的1/3,密度与地层相当。根据前人力学实验结果的变化趋势(表1),将叠前AVO反演得到的岩石力学参数予以相应比例变化后作为中—晚加里东期应力场模拟的岩石力学参数,逆冲断裂弹性模量赋予地层的1/2,其它参数基本不变。

图5　B201井(a)和A461井(b)周围的裂缝各向异性反演结果与测井解释结果对比

图6　基于叠前AVO反演结果得到的海西期泊松比平面分布

2.3.2应力边界条件及边界约束

根据研究区构造环境特征,应力场模拟采用面约束,地质模型边界条件的设置为：顶面是自由面,在底部界面垂直方向进行刚性约束,保证模型没有整体的刚体平动和转动,四周界面为受力面。中—晚加里东期由于古昆仑山造山运动的影响,主要受到SW—NE方向的构造挤压作用;海西期在古阿尔金造山运动及南天山造山运动的影响下,主要受到NE,SE方向的作用力(图7)。结合前人声发射试验及测试结果,确定加里东期最大主压应力有效值为51.97MPa,海西期最大主压应力有效值为41MPa[10,18]。海西期走滑断裂以水平方向为最大主应力和最小主应力、以垂直方向为中间主应力进行载荷;逆冲断裂以水平方向为最大主应力和中间主应力、垂直方向为最小主应力进行载荷。中—晚加里东期逆冲断裂以垂直方向为最小主应力、水平方向为最大主应力和中间主应力进行载荷。各期的约束条件如表2所示。

2.3.3应力场模拟结果分析

基于有限元分析方法的应力场模拟结果如图8 所示。在多组裂缝发育的A47C井、A10井位置,中—晚加里东期模拟的最大主应力方向(图8a)与区域应力场方向(SW方向)一致,而海西期由于受到NE方向和SE方向的构造挤压,模拟的最大主应力方向偏转较大,以北西向为主(图8b)。

表1　应力场模拟的岩石力学参数[10,18]

图7　中—晚加里东期及海西期载荷方向

在应力场模拟得到主应力的基础上,用有效张应力来描述裂缝发育程度是一个切实有效的方法。由三维格里菲斯破裂准则[7,19]可知：

(2)

(3)

式中：β为格氏椭圆裂隙长轴与最大主压应力轴之间的夹角,约定张为正;σT为应力场模拟的最大主应力σ1,中间主应力σ2和最小主应力σ3的函数。假设岩石破裂时的局部抗张强度为σT2,若σT/σT2≥1,表示该点处岩石趋于破裂或已破裂,取中—晚加里东期抗张强度为5.81MPa,海西期抗张强度为5.80MPa[10,20],此时通过参数求取β,可以获得区内裂缝方位的分布。

图9为研究区中—晚加里东期及海西期应力场模拟的裂缝方位分布和测井解释的裂缝方位,可以看出,基于应力场模拟的裂缝方位与测井解释的结果具有很好的一致性。根据中—晚加里东期及海西期的裂缝方位,可以划分出单组及多组裂缝发育范围：如果两期模拟出的裂缝方位相同或夹角较小,可以认为是单组裂缝;反之,为多组裂缝。图9黄绿色区域代表多组裂缝发育区域，可以看出,多组裂缝发育区域主要为受海西期构造运动影响较大的NE向走滑断裂两侧、断裂破碎带、断层交叉部位及局部构造位置。

表2　应力场模拟的约束条件

中—晚加里东期海西期底部边界刚性约束底部边界刚性约束东北边界刚性约束东北边界30～41MPa东南边界y方向约束东南边界30～41MPa西北边界y方向约束西北边界y方向约束西南边界30.00～51.97MPa西南边界y方向约束

图8　中—晚加里东期(a)和海西期(b)应力分布 (蓝色和白色箭头分布代表最大主应力和最小主应力方向)

图9　海西期和中—晚加里东期应力场模拟的裂缝方位

2.4裂缝综合预测效果

图10为研究区鹰山组碳酸盐岩裂缝型储层综合预测平面分布,红色和绿色为单组裂缝发育区叠前预测的结果,黄色和粉色为多组裂缝发育区叠后识别的结果,绿色柱子代表测井解释的裂缝线密度,可见裂缝综合预测的结果与测井解释结果能够很好地吻合。从图10还可以看出,研究区裂缝沿构造褶皱部位发育,在NW向逆冲断裂、NE向走滑断裂的走向方向及断层相交部位也有裂缝的形成,而次级走滑断裂的斜列状末端(A47C井区域)及尾端羽裂位置(A10井以北)处于张剪性环境的断裂破碎带,发育裂缝型储层。

图10　鹰山组裂缝综合预测平面分布

综合预测在研究区取得了良好的实际应用效果。如A102井在6022.5～6410.0m预测裂缝发育,实钻结果以裂缝-孔洞型储层为主,由于裂缝的存在改善了储层物性,该井产油74.70t/d。新投产的A11-H3井孔隙-裂缝发育,钻至目的层6302.7m漏失钻井液813m3,产油31.68t/d。A101井预测裂缝不发育,实钻显示该井以Ⅲ类储层(低产油层)为主。

3结论与认识

将地震预测方法与构造应力场模拟结合,在应力场模拟的单组裂缝发育区域采用叠前各向异性反演的结果,而应力场模拟的多组裂缝发育区域采用叠后预测结果(如曲率属性等)作为叠前预测结果的补充,可以实现对裂缝预测结果的进一步优化,提高裂缝型储层的预测精度,有效指导井位部署。

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(编辑：戴春秋)

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副主编潘宏勋蔡俩

Comprehensive fracture prediction technology constrained by stress field simulation:a case study from ZG8 area of central Tarim Basin

DI Guidong1,2,SUN Zandong1,PANG Xiongqi2,LIU Lifeng1

(1.LaboratoryforIntegrationofGeologyandGeophysics,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.BasinandReservoirResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

Abstract:Accurate fracture prediction plays a significant role in the exploration of carbonate reservoirs.However,it is difficult to identify fractures due to extremely complex anisotropic characteristics in fractured carbonate reservoirs.The paper integrates seismic technique with geology means to comprehensively quantitatively predict fracture.On the one hand,pre-stack P-wave anisotropic inversion is adopted to obtain fracture density and orientation.On the other hand,3D post-stack seismic attributes analysis is employed to detect relatively large-scale fracture.In addition,stress field simulation based on finite element analysis is used to discriminate single and multiple sets of fractures.Subsequently,the stress simulation result is used to constrain the results from seismic prediction to optimally characterize fractures.Finally,the method of combining the results from pre-stack and post-stack results with outcomes from stress analysis is applied for fracture prediction in ZG8 area of Tarim Basin,where fractures are comprehensively developed.The results are in good agreement with FMI information and geologic settings,which suggests that the combination of seismic detection method and stress field prediction is a feasible way to delineate fracture property in complex carbonate reservoirs.

Keywords:carbonate,fracture prediction,pre-stack anisotropic inversion,stress field simulation

文章编号：1000-1441(2016)01-0150-07

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.01.019

中图分类号：P631

文献标识码：A

基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05004003)、国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB201103)项目联合资助。

作者简介：狄贵东(1984—),男,博士在读,主要从事地质、地震综合研究及储层预测工作。

收稿日期：2015-03-25;改回日期：2015-07-14。

狄贵东,孙赞东,庞雄奇,等.应力场模拟约束下的碳酸盐岩裂缝综合预测[J].石油物探,2016,55(1):-156

DI Guidong,SUN Zandong,PANG Xiongqi,et al.Comprehensive fracture prediction technology constrained by stress field simulation:a case study from ZG8 area of central Tarim Basin[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2016,55(1):-156

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05004003) and the National Key Basic Research and Development Program of China (973 Program) (Grant No.2013CB201103).