鄂尔多斯盆地东缘临兴区块煤系多目标储层构造裂缝定量预测

张海锋，冯 毅，王文升，陈学立，李 超，李叶朋

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457；2.中国石油大学（北京），北京 102249；3.中国矿业大学，江苏徐州 221116）

鄂尔多斯盆地东缘临兴区块煤系多目标储层构造裂缝定量预测

张海锋1，2，冯 毅1，王文升1，陈学立1，李 超3，李叶朋3

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300457；2.中国石油大学（北京），北京 102249；3.中国矿业大学，江苏徐州 221116）

近年来，含煤地层非常规天然气的勘探开发受到国内外学者高度关注。鄂尔多斯盆地东缘地区含煤储层孔隙度和渗透率较低，构造裂缝的发育可为该类储层提供储集空间和渗流通道。以临兴区块太原组和山西组为例，对主要造缝期的构造应力场及其控制发育的构造裂缝进行预测。结果表明：纵向上，太原组的构造裂缝较为发育，其裂缝密度为0.165～0.290条·m-1，该组的裂缝孔隙度也相对较高，为1.2%～6.78%；平面上，总体呈南高北低展布格局。基于研究区构造应力场演化和构造裂缝发育、分布关系，认为有效构造裂缝主要形成于燕山期，其发育程度和分布规律主要受控于断层与南部紫金山隆起。该区研究成果，可为本区煤系“三气”综合勘探评价及开发选区提供参考依据。

含煤地层；构造裂缝；数值模拟；临兴地区；鄂尔多斯盆地

近年来，含煤地层非常规天然气的共探共采受到国内外学者的高度关注[1-4]。鄂尔多斯盆地东缘煤系致密砂岩产层较多，在含煤地层中已实施40余口探井，测试见工业气流。由于含煤地层储层致密，煤层埋深较大，其中砂岩物性数据分析表明，储集层的孔隙度和渗透率较低，平均孔隙率在1.2%～17.5%，2%～10%的占到60%；平均渗透率为0.1～160 mD，分布在0～0.5 mD的占到80%，属于典型的低孔低渗储层[5]。构造裂缝可作为该类低孔低渗储层重要的储集空间和渗流通道[6-9]，因此，研究其发育程度与分布规律，对于评价储层性能、指导高渗带优选具有重要意义。

本文以鄂尔多斯盆地东缘临兴区块含煤地层太原组和山西组为研究对象，结合前人古应力测量及地震勘探、测井等资料，通过有限元数值模拟方法，对主要构造裂缝形成期的应力场及其控制发育的构造裂缝进行预测，以期为本区煤系三气综合勘探评价及开发选区提供参考与依据。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，北以阴山、大青山及狼山为界，南至秦岭，西起贺兰山、六盘山，东到吕梁山，面积超过2.5×105km2。依据盆地构造演化和现今构造形态，鄂尔多斯盆地可划分成六个一级构造单元：陕北斜坡、伊盟隆起、天环坳陷、晋西挠褶带、渭北隆起和西缘冲断带[10]（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地构造格架及单元划分图[11-12]Figure 1 Ordos Basin tectonic framework and element partitioning[11-12]

临兴地区位于鄂尔多斯盆地东部（图1）。太原组为一套陆表海沉积，下部为障壁沉积环境、中部为潮坪沉积环境、上部主要为泻湖相沉积的暗色泥岩和碳质泥岩。山西组为一套三角洲平原沉积、下部为沼泽沉积、中部为分流河道砂岩沉积、上部发育砂泥岩互层[5]（图2）。

图2 临兴地区地层综合柱状图[5]Figure 2 Linxing block comprehensive stratigraphic column[5]

2 研究方法

本次研究首先调研研究区的地质背景，在系统分析研究区地层和构造特征后，建立研究区的地质模型，在区域背景约束下进行构造应力场数值模拟，得到研究区的构造应力分布状态。在此基础上，通过建立定量的应力与裂缝参数之间的关系预测裂缝的密度和孔隙度分布特征。结合预测结果，通过制定适当的符合研究区实际的裂缝评价标准，进行研究区裂缝发育程度的定量评价。

2.1 应力与裂缝密度关系

应力是形成地下岩石中裂缝的重要因素，应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场[13]，两个主应力近水平，一个近垂直，可以形成三类四型应力类型：I类应力最大主应力在垂直方向（σv＞σH＞σh），II类应力最小主应力在垂向方向（σH＞σh＞σz），III类应力中间主应力在垂直方向（σH＞σz＞σh）。I类应力又可以分为Ia和Ib两个亚类，Ia应力类型σv＞σH＞σh＞0，Ib应力类型σv＞0，σH和σh有一个小于零或者同时小于零，有张性应力存在[14-15]。

根据脆性断裂力学中的最大应变能密度理论和最大张应力理论[16-17]，当岩石内部积累的弹性应变能释放率等于产生单位面积裂缝体表面所需要能量时即发生断裂。断裂时释放出来的应变能一部分用来抵消新增裂缝表面积需要的表面能，其余的则以弹性波的形式释放出去[18]。对于裂缝来说，弹性波能量很小，可以忽略不计，故据能量守恒原理有：

式中：uf为用于新增裂缝表面积的应变能密度；V为表征单元体体积；Sf为新增裂缝的表面积；J为产生单位面积裂缝所需要的能量，即裂缝表面能。

如果将uf视为单元体当前应变能密度减去要产生裂缝必须克服的弹性应变能密度uc后剩余的应变能密度，那么可变换并得到裂缝体积密度计算公式：

式中：Dvf为裂缝体密度；u为当前应力状态下的应变能密度；J为裂缝表面能；uc为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度。

而据上述应力分类分析，Ia型、II类和III类应力为三向挤压应力状态，而Ib型应力为有张应力存在的应力状态。造缝期深部地层古应力场通常为三向挤压应力，即为Ia型、II类或者III类应力，此时岩石的破裂以剪性或者张剪性为主，可以利用库伦-纳维叶准则作为破裂判据[8,19-23]。

在三向挤压应力状态下如果最小主应力σ3已知，可由库伦-纳维叶准则计算出岩石破裂最大主应力的最小值，即岩石在σ3作用下的破裂应力为σp：

实验表明：岩石单轴压缩应力为σd=kσp（k＜1，常数，可以通过实验测定）时会有前兆微裂缝产生，它代表这即将会有大量新的微裂缝产生，此时对应的岩石应变能密度与uc在概念上相似，因此将应力值为σd时的应变能密度定义为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度uc，σd时轴向应力产生的应变能密度uc为[15,24]：

当有围压存在时，岩石中积聚的能量不仅要克服由分子间的内在黏聚力，还要克服围压做功才能形成裂缝，这使得产生单位面积裂缝所需要的能量（裂缝表面能）也在增加，因此，裂缝表面能为岩石材料内在属性和围压作用的综合体现，表述为：

式中：J0为零围压下的裂缝表面能，其大小等于单轴压缩实验得到的裂缝表面能；ΔJ为在围压σ3产生的附加表面能。

在裂缝开度为b，裂缝表面积为s，围压为σ3的条件下，产生该裂缝σ3所做的功为：

从而在围压σ3产生的附加表面能为：

当岩石所受的最大主应力σ1＞σp，则说明岩石满足破裂条件，因此可以得到主应力表示的裂缝体积密度公式为：

式中的ε1、ε2、ε3可以通过应力场模拟方法获得。

2.2 应力与裂缝孔隙度定量关系

裂缝孔隙度为裂缝总体积与岩石体积之比，对于单组裂缝，裂缝孔隙度Φf与裂缝体积密度Dvf、裂缝开度b具有如下关系[25]：

而对于多组裂缝，其孔隙度计算模型可表示为：

式中：n为裂缝组数；bi为第i组裂缝开度；Dvfi为第i组裂缝体积密度。

3 临兴区块构造裂缝定量预测

3.1 地质模型构建

研究区南部由于岩体作用造成地形的起伏，北部地形相对平坦。基于研究区构造图以及研究区地层发育特征，将模型自上而下分为山西组和太原组，并建立研究区断裂的三维格架。在几何模型建立的基础上，在不同的单元赋予不同的岩石力学参数（表1），将几何模型转化为地质模型（图3）。

表1 研究区岩石力学参数表Table 1 Study area rock mechanical parameters

图3 研究区地质模型（为效果显示，垂向放大5倍）Figure 3 Study area geological model(for display effect, vertical 5 times zoomed)

在模型建立之后，需要进行网格剖分，以满足有限元数值模拟要求。网格数量的多少将影响结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，因此在本次研究中进行网格剖分时，需要综合权衡此两个因素。

通常，根据有限元网格的形状，可分为三角形网格、四边形网格和多边形网格。本报告采用三角形网格，原因在于：三角形网格的最大优势是其可以很好的适应边界条件，对于存在曲曲折折、尖角的地方不适合甚至不能适用四边形网格。

通过三角网格剖分后得到山西组网格节点3816个，划分成19332个单元；太原组网格节点4256个，21189单元（图4）。

图4 研究区山西组和太原组网格剖分图Figure 4 Study area Shanxi and Taiyuan formations mesh dissection

研究区经历多期构造运动[10,26-27]，印支期最大主应力方向为近N-S向（图5a），燕山期最大主应力方向为NW-SE向（图5b），而喜马拉雅期最大主应力方向为NE-SW向（图5c）。

通过研究区地质背景研究及应力资料分析，确定印支期在近N-S向施加水平最大主应力，近E-W向施加水平最小主应力，垂向施加自身重力及上覆岩层的压力；燕山期在NW-SE向施加水平最大主应力，NE-SW向施加水平最小主应力，垂向施加自身重力及上覆岩层的压力；喜马拉雅期在NE-SW向施加水平最大主应力，在NW-SE向施加水平最小主应力，垂向上施加自身重力及上覆岩层压力。

3.2 裂缝密度预测

通过有限元数值模拟方法，借助上述研究方法和技术路线，预测研究区太原组和山西组不同时期的构造裂缝密度分布状态（图6和图7）。

区内山西组印支期裂缝密度在0.040～0.067条·m-1，总体上在断层带处及北部裂缝密度相对较大（图6a）；燕山期裂缝密度在0.050～0.122条·m-1，在断层带处和中部地区裂缝密度相对较大（图6b）；喜马拉雅期裂缝密度在0.050～0.095条·m-1，也是在断层带处和中部地区裂缝密度相对较大（图6c）。总体上，研究区燕山期山西组裂缝密度较高，在断层带处，由于岩石相对比较破碎，在不同时期的裂缝密度均达到最高值。

图5 鄂尔多斯盆地地区应力场图（据徐黎明等，2006）Figure 5 Ordos Basin regional stress field(after Xu Liming et al)

图6 研究区山西组构造裂缝密度分布图Figure 6 Study area Shanxi Formation structural fracture density distribution chart

区内太原组印支期裂缝密度0.042～0.087条· m-1，总体上北部裂缝密度相对较大（图7a），裂缝密度值比山西组要大；燕山期裂缝密度在0.050～0.113条·m-1，在断层带处裂缝密度值最大，其次，中部和北部地区的裂缝密度相对较大（图7b）；喜马拉雅期裂缝密度在0.050～0.104条·m-1，在断层带处裂缝密度值达到最大，其次，在研究区的中部地区裂缝密度也相对较大（图7c）。总体上，研究区燕山期太原组组裂缝密度较高，在断层带处，由于岩石相对比较破碎，在不同时期的裂缝密度均达到最高值。

总体上，从层位上分析，在相同期次下，太原组的裂缝密度比山西组要高，燕山期太原组的构造裂缝最为发育。

将同一组不同时期裂缝密度叠加，可见：由于断层的活动造成岩石发生破坏，因而整体上裂缝密度均在断层带附近最大，裂缝发育程度很高，其次，在研究区的中部和东北部，裂缝密度也相对较大。从密度值大小方面分析，太原组裂缝密度最高，裂缝密度在0.165～0.290条·m-1（图8）。

图7 研究区太原组构造裂缝密度分布图Figure 7 Study area Taiyuan Formation structural fracture density distribution chart

图8 研究区相同层位不同时期裂缝密度叠加分布图Figure 8 Study area same horizon different stages fracture density stacked distribution chart

3.3 裂缝孔隙度预测

借助应力与裂缝孔隙度之间的定量关系得到研究区不同层位不同期次的裂缝孔隙度预测结果（图9和图10）。

研究区山西组印支期的裂缝孔隙度为0.25%～1.60%，在断层及中部地区数值较大，在研究区南部地区最小（图9a）；燕山期裂缝孔隙度分布为0.50%～2.48%，在断层发育区裂缝孔隙度最大，其次是研究区的中部地区和北部地区（图9b）；喜马拉雅期裂缝孔隙度为0.40%～2.20%，在断层发育区裂缝孔隙度值较大，其次是研究区的中部地区（图9c）。整体上，山西组在燕山期的裂缝孔隙度最大，可以达到2.48%（图9b）。

研究区太原组印支期的裂缝孔隙度为0.30%～ 2.10%，在断层带发育地区数值较大（图10a）；燕山期裂缝孔隙度分布为0.50%～2.48%，在断层发育区裂缝孔隙度最大，其次是研究区的中部和北部（图10b）；喜马拉雅期裂缝孔隙度在0.40%～2.20%，断层发育区裂缝孔隙度值较大，其次是研究区的中部地区，研究区南部地区裂缝孔隙度较小（图10c）。整体上，太原组在燕山期的裂缝孔隙度最大，可以达到2.48%（图10b）。

图9 研究区山西组构造裂缝孔隙度分布图Figure 9 Study area Shanxi Formation structural fracture porosity distribution chart

图10 研究区太原组构造裂缝孔隙度分布图Figure 10 Study area Taiyuan Formation structural fracture porosity distribution chart

对比两个层位三个期次裂缝孔隙度情况（表2），燕山期的裂缝孔隙度在不同层位中均为最大，可达2.48%。

将同一组不同时期裂缝孔隙度叠加（图11），可见：由于断层的活动造成岩石发生破坏，因而整体上裂缝孔隙度均在断层带附近最大，其次，在研究区的中部和东北部，裂缝孔隙度也相对较大。太原组裂缝孔隙度最高，最高可达6.4%（图11）。

4 结论

通过本次研究，主要有以下认识与结论：

①在垂向上，太原组的构造裂缝要比山西组发育，太原组构造裂缝密度在0.165～0.290条·m-1，最高可达0.290 m，太原组的裂缝孔隙度也相对较高，为1.2%～6.78%；在平面上，总体上，构造裂缝的发育程度具有南高北低展布的特征。

②基于应力场演化和构造裂缝发育、分布的关系，认为研究区的有效构造裂缝主要形成于燕山期，其发育程度主要受断层与南部紫金山隆起控制。通过本次对鄂尔多斯盆地东缘临兴地区构造裂缝发育程度与分布规律的研究，以期望对于该区

含煤层气的储层性能评价，以及指导高渗带优选提供新的地质参考。

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Coal Measures Multi-target Reservoir Structural Fracture Quantitative Prediction in Linxing Block,Eastern Ordos Basin

Zhang Haifeng1,2,Feng Yi1,Wang Wensheng1,Chen Xueli1,Li Chao3and Li Yepeng3
(1.CNOOC EnerTech-Drilling&Production Co.,Tianjin 300457;2.China University of Petroleum-Beijing,Changping,Beijing 102249;3.China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116)

In recent years,the exploration and exploitation of unconventional natural gas in coal-bearing strata is highly noticed by do⁃mestic and foreign scholars.Porosity and permeability of coal-bearing reservoir in eastern Ordos Basin are rather low,while the devel⁃opment of structural fracture can provide reservoir space and seepage channel for this kind reservoirs.Taking the Taiyuan and Shanxi formations in the Linxing block as example,has carried out prediction of tectonic stress field during the fracturing period and its con⁃trolled and developed fissures.The result has shown:vertically,structural fractures in Taiyuan Formation are rather well developed with fracture density within 0.165～0.290m-1extent;fracture porosity relatively higher,between 1.2%～6.78%.On plane,has presented a high in south and low in north distribution pattern as a whole.Based on study area tectonic stress field evolution,structural fracture development and distribution relations,have considered that the effective structural fractures were mainly formed during the Yansha⁃nian stage,their development degree and distribution pattern mainly controlled by faults and Zijinshan uplift in south.The study can provide reference and basis for coal measures“three gases”*integrated exploration assessment and exploitation target selection in the area.

coal-bearing strata;structural fracture;numerical simulation;Linxing block;Ordos Basin*“three gases”means CBM, shale gas and tight sandstone gas.

P613.14

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.03.06

1674-1803(2017)03-0028-09

国家自然科学基金项目（41672149）、国家科技重大专项项目（2016ZX05066-01-04）、中海油能源发展重大专项资助项目(E-J613D002)资助

张海峰（1981—），男，工程师，2005年毕业于西南石油大学石油工程专业，现主要从事油气田开发研究工作。

李叶朋（1992—），男，黑龙江大庆人，硕士研究生。

2016-11-29

责任编辑：宋博辇