鄂尔多斯盆地定边地区延长组长71储层构造裂缝分布预测

王金月，鞠 玮，2，申 建，2，孙维凤

(1.中国矿业大学，资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2.中国矿业大学，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008)

鄂尔多斯盆地定边地区延长组长71储层构造裂缝分布预测

王金月1，鞠 玮1，2，申 建1，2，孙维凤1

(1.中国矿业大学，资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；
2.中国矿业大学，煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏徐州 221008)

研究构造裂缝系统的发育和分布规律对鄂尔多斯盆地定边地区上三叠统延长组低渗透砂岩油藏的勘探开发选区具有重要的实践意义。本次研究基于有限元对定边地区主要裂缝形成期进行古构造应力场数值模拟，以岩石综合破裂值为判定依据，对该区延长组长71储层构造裂缝的发育程度和分布规律进行预测。结果显示，该地区燕山期岩石破裂程度普遍较高，表明裂缝发育程度高且分布范围广；喜马拉雅期岩石破裂程度整体较低，并且裂缝发育区仅集中于研究区的西北部，少数分布于中北部。本次研究可为鄂尔多斯盆地定边地区低渗透油藏的勘探和有效开采提供地质依据和参考。

构造裂缝 长71储层 定边地区 数值模拟 鄂尔多斯盆地

Wang Jin-yue，Ju Wei，Shen Jian，Sun Wei-feng.Quantitative prediction of tectonic fracture distribution in the Chang 71reservoirs of the Yanchang Formation in the Dingbian area，Ordos basin[J]. Geology and Exp loration，2016，52(5):0966－0973.

近年来，鄂尔多斯盆地定边地区已落实多个上三叠统延长组长7低渗透油藏，这些油藏分布范围广、增储潜力大，显示较好的资源远景。裂缝是低渗透油气藏重要的储集空间和渗流通道(Zeng and Li，2009；鞠玮等，2013；孙维凤等，2014；王兴杰等，2014)，并控制着油气藏的分布。前人针对裂缝分布预测做了大量研究，可以从构造本身出发，基于构造变形主曲率与裂缝发育的关系，建立裂缝性岩体的力学模型(Murray，1968)；可以从构造应力场入手，基于岩石破裂准则进行裂缝分布规律研究(曾锦光等，1982)；也可以将构造应力场数值模拟和地质基础工作相结合，进行构造裂缝预测研究(丁中一等，1998；鞠玮等，2014)。

鄂尔多斯盆地定边地区上三叠统延长组长71储层渗透率低，非均质性强，砂岩中裂缝、微裂缝发育程度不同且分布规律不清晰(畅斌，2013)，现阶段的定性描述和监测资料不能有效指导其勘探与开发，预测该区长71储层构造裂缝发育程度和分布规律可为其提供新的地质依据。本次研究采用有限元法对定边地区主构造裂缝形成期进行古构造应力场数值模拟，以岩石综合破裂值为判定依据，结合应力场模拟结果预测构造裂缝的发育程度和分布规律，从而指导该区低渗透油藏的勘探与开发。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是一个整体稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的大型多旋回克拉通盆地，盆地边缘褶皱、断裂构造发育，内部构造简单(党犇等，2005；Ju et al.，2015)，依据现今的构造形态，可划分为六个一级构造单元，其中陕北斜坡带为盆地油气的勘探主体(熊林芳等，2015)。大面积中低孔、低渗或特低渗是中生界储层的普遍特点，经历多期构造运动改造后，构造裂缝普遍发育(张林炎等，2006)。

定边地区位于鄂尔多斯盆地西缘中区，处于陕北斜坡带与天环坳陷接合处(图1)。该区钻遇地层自老至新分别为：三叠系延长组、侏罗系富县组、延安组、直罗组、安定组、白垩系洛河组和第四系，其中三叠系延长组是该区主要的含油层系(唐建云，2014)。根据含油特征，上三叠统延长组自上而下划分为长1～长10共10个油层组，下部主要发育三角洲－湖泊相沉积，长7以湖泊相沉积为主(王变阳等，2014；曾联波等，2008)。长71段地层岩性以深灰色泥岩、粉砂质泥岩夹灰色泥质粉砂岩为主，局部发育灰色细砂岩，厚度18～44m。长7砂岩的孔隙类型主要为长石溶孔，其次为粒间孔，孔隙度介于5%～15%，渗透率介于0.01×10－3～1×10－3μm2，为区内主要产油层(冯胜斌等，2013)。构造裂缝作为其重要的储集空间和渗流通道，控制着长7低渗透油藏的勘探和开发。

图1 鄂尔多斯盆地构造格架及单元分区图(据Darby and Ritts，2002；Ritts et al.，2004修改)Fig.1 Tectonic framework and units of the Ordos basin(modified from Darby and Ritts，2002；Ritts et al.，2004)

2 构造应力场数值模拟

2.1 原理

在含油气盆地中，构造应力场是导致岩体构造变形和推动油气运移的重要动力，也是控制裂缝的主要力学原因(孙晓庆，2008)。鄂尔多斯盆地构造演化史表明，研究区的构造裂缝主要形成于燕山期和喜马拉雅期(曾联波等，1999)。本次数值模拟研究采用有限元ANSYS 14.5软件，其原理是运用网络分析将地质体离散成有限个连续单元，并赋予岩石力学参数，单元之间以节点连接，将求解研究区域内的连续场函数转化为求解节点处的场函数值，其基本变量是位移、应变和应力。根据边界的受力条件和节点的平衡条件，建立以节点位移或单元内应力为未知量、总体刚度矩阵为系数的联合方程组，并求解，用构造插值函数求出每个节点上的位移量，进而计算出每个单元内的应力和应变值(丁文龙等，2011)。

2.2 模型构建

2.2.1 几何模型

构建地质模型的先决条件是确定几何模型，而几何模型的关键是维数和边界的选择。在维数的选择上，考虑到研究区垂向厚度远小于平面尺寸，本次模拟选择二维有限元平面模型。针对模型边界，主要考虑两点因素：(1)尽可能削弱边界效应对研究区构造应力场模拟结果的影响，因此边界范围应尽可能大；(2)模型边界与研究区构造应力场的水平主应力方位尽可能保持垂直(沈国华，2008)。综合以上两点，采用面积为研究区4倍的矩形边界(图2c)。

图2 鄂尔多斯盆地定边地区有限元模型Fig.2 The finite elementmodel for the Dingbian area of the Ordos basin

2.2.2 地质模型

根据研究区储层岩性和岩石组合差异，将边界和研究区按砂体累计厚度(图2a)划分为5个区块。模拟要用到的力学参数主要有杨氏模量、泊松比、抗拉强度、内聚力、内摩擦角，依据定边地区钻井岩心的三轴岩石力学实验测试结果，将测定的岩石力学参数平均处理(表1)，代入到几何模型中进行材料属性定义，并进行单元剖分。全部网格化后，共计获得18976个节点，6306个单元，其中研究区12799个节点，4211个单元(图2b)。

表1 研究区岩体力学参数Table 1 Mechanical param eters of rock Mass in the study area

2.2.3 力学模型

将地质模型转化成数值计算的关键是构建力学模型。考虑到研究区受多期次构造应力场影响，本次研究针对不同期次分别建立相应的力学模型。

(1)燕山期

鄂尔多斯盆地燕山期构造应力场的形成是特提斯构造动力体系的远程构造效应以及古太平洋板块与欧亚板块斜向碰撞所产生的区域构造效应联合作用的结果(徐黎明等，2006)，具有四周盆缘向内挤压的特点。应力场的定量研究结果显示，定边周边地区燕山期最大主压应力轴呈NWW－SEE向，最小主压应力轴呈NNE－SSW向。结合研究区钻井岩心声发射实验实测地应力数据，定边地区燕山期最大主应力平均为99MPa，最小主应力平均为56MPa。

(2)喜马拉雅期

鄂尔多斯盆地喜马拉雅期构造应力场的形成是新特提斯构造动力体系与今太平洋构造动力体系联合作用的结果，盆地西南缘受NNE－SSW方向强烈的挤压。应力场的定量研究结果显示，喜马拉雅期研究区最大主压应力轴呈NEE－SWW向，最小主压应力轴呈NNW－SSE向(徐黎明，2006等)。结合研究区钻井岩心声发射实验实测地应力数据，定边地区喜马拉雅期最大主应力平均为60MPa；最小主应力平均为35MPa。

2.3 模拟结果及分析

基于上述构建的地质模型和力学模型，结合弹性理论得出研究区在燕山期和喜马拉雅期区域构造应力场影响下各个单元内最大主应力(σ1)和最小主应力(σ3)分布图(图3～图4)。图中应力以拉应力为正值，压应力为负值。

图3 定边地区燕山期应力分布图Fig.3 The distribution of Yanshanian stress field in the Dingbian area

(1)燕山期

定边地区燕山期最大主应力(σ1)介于－80.2～－111MPa(图3a)，其应力值从中北部呈近似放射状向四周递增。马家山附近、C1井西南方向应力值最低，为－80.2～－87 MPa；冯地坑－H1井－G1井－C2井－G2井－小涧子应力值为－90.5～－97.3 MPa；冯地坑西北角应力值最高为－104～－111 MPa。该区燕山期最小主应力(σ3)介于－52.6～－82MPa(图3b)，其应力高值区主要集中于马家山南部，为－78.7～－82 MPa，并呈放射状向四周递减；冯地坑－H1井－C2井－C1井应力值为－68.9～－78.7 MPa；堡子湾－小涧子以东应力值较低，G2井附近应力值为－52.6～－59.1 MPa。

(2)喜马拉雅期

定边地区喜马拉雅期最大主应力(σ1)介于－55.6～－79.3MPa(图4a)，其应力高值分布于西北地区，并沿NW－SE方向逐渐递减。冯地坑－H1井一带应力值偏高，应力值为－71.4～－76.7 MPa，冯地坑西北部应力值最高，为－76.7～－79.3MPa；姬塬－小涧子一带应力值为－60.8～－66.1 MPa；G2井附近及堡子湾地区应力值较低，为－55.6～－60.8MPa。该区喜马拉雅期最小主应力(σ3)介于－12.3～－33.6MPa(图4b)，其应力高值区主要集中于东南部，并沿SE－NW方向逐渐递减。G2井附近应力值偏高，为－31.2～－33.6 MPa；堡子湾－小涧子一带应力值为－28.9～－31.2 MPa，G1井－C2井－C1井附近应力值为－24.1～－28.9 MPa；马家山－冯地坑一带及H1井北部应力值较低，应力值为－12.3～－21.8 MPa。

根据声发射实验测定结果，定边地区上三叠统燕山期和喜马拉雅期的最大主应力(σ1)和最小主应力(σ3)平均值分别为－99 MPa和－56 MPa，－60 MPa和－35 MPa；应力场模拟燕山期和喜马拉雅期的最大主应力(σ1)和最小主应力(σ3)值介于－80.2～－111MPa和－52.6～－82MPa，－55.6～－79.3MPa和－12.3～－33.6MPa。由此表明，本次模拟结果符合实际，模拟结果可信。

图4 定边地区喜马拉雅期应力分布图Fig.4 The distribution of Himalayan stress field in the Dingbian area

3 裂缝分布预测

基于定边地区燕山期和喜马拉雅期古构造应力场的数值模拟结果，将张、剪破裂率、相应的加权系数代入有限元分析模块计算研究区燕山期和喜马拉雅期的岩石综合破裂值，并据此对该区裂缝发育程度和分布状态进行预测。

3.1 预测方法

地层中同时发育张性和剪性裂缝系统，因此，需要分别采用不同的判定准则分析。一般采用格里菲斯张破裂准则和莫尔－库仑剪破裂准则进行判定(王连捷等，2004；Ju et al.，2015)。

式中：ξ－剪破裂系数；η－张破裂系数；F－岩石综合破裂值；m和n分别为张、剪破裂率；σT－张应力值；σTC－岩石张破裂强度；φ－岩石内摩擦角；C－岩石内聚力，其中σTC、φ、C均通过实验测得。

根据岩心的观察结果，研究区张、剪破裂率相应的加权系数分别为0.2和0.8。因此，定边地区长71储层的岩石综合破裂值可表示为：

3.2 裂缝结果及验证

定边地区燕山期的岩石综合破裂值介于0.85 ～1.23(图5a)，整体破裂程度较高。其中堡子湾－G2井一带、C2井以南、姬塬附近、H1井以西、冯地坑西部和南部破裂值较高，为1.14～1.23；马家山附近、冯地坑以东、C1井以东、小涧子附近、G2井西北方向破裂率较低，为0.85～0.97。

定边地区喜马拉雅期的岩石综合破裂值介于0.72～1.08(图5b)，整体破裂程度较低。其中H1井以西、冯地坑西部和南部破裂率较高，为0.96～1.08；堡子湾－G2井一带、C2井以南、姬塬附近为0.92～1.00；马家山附近、冯地坑以东、C1井附近、小涧子附近、G2井西北方向、堡子湾以东破裂率较低，为0.72～0.84。

图5定边地区燕山期－喜马拉雅期构造裂缝综合破裂值评价图Fig.5 The Yanshanian－H imalayan com prehensive rupture rate in the Dingbian area

一般而言，当F＜1时，岩石不破裂，裂缝不发育；当F＞1时，岩石达到破裂状态，裂缝出现，且F越大，其破裂程度越大，裂缝越发育(Ju et al.，2015；鞠玮等，2014)。从图5可看出定边地区燕山期裂缝发育区分布广，而喜马拉雅期裂缝发育区仅集中于西北部，少数分布于中北部。

将定边地区燕山期与喜马拉雅期的岩石综合破裂值相加并取平均值，与研究区岩心裂缝密度对比。结果表明：破裂值越大，裂缝面密度越大，裂缝越发育，裂缝密度与破裂值具有正相关关系。由此说明，本次构造裂缝的分布定量预测结果是可信的。

4 结论

(1)研究区燕山期应力场具有由中部向四周发散的分布特点，最大主应力(σ1)介于－80.2～－111MPa，马家山附近、C1井西南方向应力值最低，最小主应力(σ3)介于－52.6～－82MPa，其应力高值区主要集中于马家山南部；喜马拉雅期应力场具有沿SE－NW方向渐变的分布特点，最大主应力(σ1)介于－55.6～－79.3MPa，冯地坑西北部应力值最高；最小主应力(σ3)介于－12.3～－33.6MPa，马家山－冯地坑一带及H1井北部应力值较低。

(2)定边地区燕山期的岩石综合破裂值普遍较高，表明构造裂缝发育程度较高，且分布范围广，而喜马拉雅期的岩石综合破裂值整体较低，裂缝发育区仅集中于研究区的西北部，少数分布于中北部。

图6 定边地区破裂值－裂缝密度柱状图Fig.6 Histogram show ing com prehensive rupture rate and fracture density in the Dingbian area

(3)本次对鄂尔多斯盆地定边地区的古构造应力场数值模拟和延长组长71储层构造裂缝的分布预测符合实际，可为该区低渗透储层的合理有效开采提供指导。

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Quantitative Prediction of Tectonic Fracture Distribution in the Chang 71Reservoirs of the Yanchang Formation in the Dingbian Area，Ordos Basin.

WANG Jin-yue1，JUWei1，2，SHEN Jian1，2，SUNWei-feng1

(1.School ofResources and Geoscience，China University ofMining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116；2.Key Laboratory ofCoalbed Methane Resources and Reservoir Formation Process，Ministry ofEducation，China University ofMining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008)

Tectonic fracture distribution is important for the exploration and developmentof the low permeability sandstone reservoirs in Upper Triassic Yanchang Formation in the Dingbian area of Ordos basin.Thiswork was based on numericalmodeling of the paleotectonic stress field responsible for tectonic fracture generation in the Dingbian area using the finite elementmethod.With the comprehensive fracture values as the criteria，the density and distribution of tectonic fracture in the reservoirswere predicted.The results show that the rocks in the Yanshanian period generally have high degrees of fracturing，resulting in a larger density and a wide distribution of tectonic fracture.In contrast，the rocks of the Himalayan period generally have low degrees of fracturing，and their cracks are concentrated in the northwest，few in themiddle－north of the study area.Both themodeling of the paleotectonic stress field and prediction of crack distribution in the research area are in agreementwith the geological facts，which can provide guidance for the reasonable and effective exploitation of low－permeability reservoirs in the Dingbian area of Ordos basin.

tectonic fracture，Chang 71reservoir，Dingbian area，numerical simulation，Ordos basin

P618

A

0495－5331(2016)05－0966－08

2016－03－20；[修改日期]2016－06－21；[责任编辑]郝情情。

中国博士后科学基金(编号：2015M581891)、江苏省博士后科研资助计划(编号：1501059A)和国家科技重大专项(编号：2016ZX05066)资助。

王金月(1991年—)，女，中国矿业大学资源学院在读研究生，主要从事油气成藏研究。E-mail：13814431530＠163.com。

鞠 玮(1988年—)，男，讲师，主要从事储层裂缝评价与预测方面的研究与教学。E-mail：wju＠cumt.edu.cn。