塔里木盆地塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)儲層巖石學及儲集空間特征

Apr.，20212021年4月GEOLOGICALBULLETINOFCHINA塔里木盆地塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)古構造應力場模擬與裂縫分布預測丁文龍Apr.，20212021年4月GEOLOGICALBULLETINOFCHINA塔里木盆地塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)古構造應力場模擬與裂縫分布預測丁文龍，樊太亮，黃曉波，李春燕2DINGWen-long,FNTai-liang,HUNGXiao-bo,LIChun-yan21.中國地質大學能源學院，北京100083；2.中國地質大學/教育部海相儲層演化與油氣富集機理重點實驗室，北京100083；3.中國海洋石油天津分公司勘探開發(fā)研究院，天津3004521.ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083,China；2.KeyLaboratoryforMarineReservoirEvolutionandHydrocarbonAbundanceMechanism,MinistryofEducation/ChinaUniversityofGeosciences，Beijing100083，China；3.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,TianjinBranchCompany,CNOOC,Tianjin300452，China摘要：塔里木盆地塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組碳酸鹽巖構造裂縫是區(qū)內油氣顯示十分活潑的有效儲集空間，其發(fā)育和分布主要受古構造應力場的控制。依據(jù)塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)地震資料的斷裂構造解釋和鉆井、測井裂縫特征分析等成果，在聲發(fā)射地應力測量、巖石力學參數(shù)和單軸抗拉強度測試的根底上，考慮斷裂對裂縫形成的影響，采用三維有限元法對塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)加里東中期Ⅱ幕裂縫形成期的古構造應力場進行了數(shù)值模擬，預測了裂縫的分布。結果表明，裂縫形成期地應力最大主應力有效值為47.9～58.3MPa,平均值為51.97MPa，抗張強度為5.13～6.91MPa，平均值為5.81MPa。有效張應力的高值區(qū)是構造裂縫發(fā)育的有利地區(qū)，主要分布在塔中東部大的斷裂帶交會處和斷裂帶的局部區(qū)段內，與實際鉆井統(tǒng)計的上奧陶統(tǒng)高裂縫線密度和油氣井分布區(qū)根本吻合，可以為研究區(qū)的油氣勘探提供新的地質依據(jù)。關鍵詞：塔里木盆地；塔中地區(qū)；上奧陶統(tǒng)；構造應力場；裂縫預測中圖分類號：P534.42;P542.3文獻標志碼：A文章編號：1671-2552(2021)04-0588-07DingWL,FanTL,HuangXB,LiCY.UpperOrdovicianpaleotectonicstressfieldsimulatingandfracturedistributionforecastinginTazhongareaofTarimBasin,Xinjiang,China.GeologicalBulletinofChina,2021,30(4):588-594Abstract:TestrctralfractresntepperOrdovcanangltageFormatonnTazongarea,wchasactveydrocarbonsow,seffectvereservorspaceforydrocarbonaccmlaton.Fractrereservorscontrolledbypaleostrctralstressfeld.asedontefaltssystemsnterpretedfromsesmcdata,fractrescaracterstcsfromdrllngandloggngdata,carbonatereservorsarestdedfromacostcemsson,stressmeasrement,rockmecancsparametersandnaxaltensletest.Consderngtenflenceoffaltsontefractreformng,3-DfnteelementmetodsappledtosmlateteperodIMddleCaledonanpaleostrctralstressfeldnteTazongareaandpredcttedstrbtonoffractres.Tesmlatonresltsowstatdrngfractrngtemaxmmmajorstresseffectvevalerangefrom47.9to58.3MPa,wthaverage51.97MPa,tenslestrengthrangngfrom5.13～6.91MPa,wthaverage5.81MPa.Hghvaleareaofeffectvetenslestressstefavorableareaforstrctralfractredreservorsdevelopment,mostdstrbtedntentercangeareaoffractrngbeltsandpartsectonoffractredzonenteeastofTazongarea,concdngwthteOrdovi-canfractre-developedzonedefnedbyfractrelneardenstystatstcdatefromactaldrllng,wchprovdesnewgeologcalevi-dencesforteower-MddleOrdovcancarbonaterockprospectngandexplotaton.Keywords:TarmasnTazongarea;pperOrdovcan;tectoncstressfeld;fractreforecastng收稿日期：2021-11-05；修訂日期：2021-02-16資助項目：國家自然科學基金工程(批準號：41072098)；國家重點根底研究開展方案“973〞項目(編號：2006CB202302);國家科技重大專項(編號：2021ZX05031-001-005HZ)聯(lián)合資助作者簡介：丁文龍96-〕，男，博士后，副教授，從事石油構造分析與控油氣作用方面的教學與科研工作。maidingwenlong2006@120圖1塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)頂界(T7)斷裂體系圖0Fig.10圖1塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)頂界(T7)斷裂體系圖0Fig.1FaultsystemofUpperOrdoviciantopsurface(T7)inTazhongarea塔中地區(qū)位于塔里木盆地中央隆起區(qū)的中部，響，采用三維有限元法模擬塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)加里東中期Ⅱ幕裂縫主要形成期的古構造應力場，預測了構造裂縫發(fā)育的有利區(qū)，為該地區(qū)上奧陶統(tǒng)油氣勘探提供了新的地質依據(jù)。面積約6.5×1km2。是塔里木盆地油氣勘探程度較高、潛力較大的地區(qū)之一。25年塔中Ⅰ號斷裂帶上奧陶統(tǒng)良里塔格組〔Ol〕礁灘體鉆探獲得突破，表明礁灘相內幕型和巖溶-裂縫型儲層是該地區(qū)海相11.1斷裂體系與裂縫發(fā)育特征碳酸鹽巖新的重要儲集類型之一]，其形成和發(fā)育均受到了強烈構造作用的改造，構造裂縫是區(qū)內油斷裂體系塔中地區(qū)二維和三維地震構造解釋結果說明，氣顯示十分活潑的有效儲集空間，裂縫發(fā)育程度與構造應力場和斷裂構造關系非常密切]。近年來，上奧陶統(tǒng)頂面〔T7〕和底界面〔T7〕地震反射面之間的碳酸鹽巖地層中斷裂比擬發(fā)育，斷裂體系以北西西向壓扭性基底卷入式為主，疊加了北東向和北東04已有許多學者研究了塔里木盆地構造應力場與油氣儲層裂縫發(fā)育及分布的關系，取得了很多重要認識，并有效地指導了油氣勘探]，故構造應力場模擬可東向的壓扭性斷裂，大的斷裂主要呈北西西向展布，如，塔中Ⅰ號斷裂帶、塔中Ⅱ號斷裂帶和塔中5井斷裂帶，其余的為規(guī)模相對較小的次級斷裂〔圖1〕，斷裂體系主要是在中—晚奧陶世末加里東運動中期，以預測構造裂縫的發(fā)育及分布。筆者通過對塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)聲發(fā)射地應力測量、巖石力學參數(shù)和單軸抗拉強度進行測試，并考慮斷裂對裂縫形成的影圖2塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)裂縫縱向發(fā)育特征Fig.2Theverticaldeveloped圖2塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)裂縫縱向發(fā)育特征Fig.2TheverticaldevelopedcharacteristicsofUpperOrdovicianfracturesinTazhongarea590地質通報2021年GEOLOGICALBULLETINOFCHINA在近南北向的擠壓和右旋壓扭構造應力作用下形成的，其直接控制著上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖裂縫型儲層的發(fā)育和分布。.2裂縫發(fā)育特征塔中地區(qū)50多口鉆井上奧陶統(tǒng)良里塔格組〔Ol〕裂縫發(fā)育特征的統(tǒng)計說明，上奧陶統(tǒng)良里塔格組〔Ol〕碳酸鹽巖儲層構造裂縫比擬發(fā)育，巖性以石灰?guī)r為主〔圖2〕，裂縫傾向以北西、南東向占主導，走向北北東－南南西，走向與背斜軸向垂直，以橫張裂縫為主，與背斜軸向平行的縱張裂縫不發(fā)育，近南北或北北東向的橫張裂縫組系與主要的逆沖斷裂的走向近于垂直。塔里木盆地區(qū)域構造演化研究成果表明7]，從加里東期以來，長期近南北向的區(qū)域擠壓應力場有利于這一方向裂縫組系的發(fā)育；現(xiàn)今盆地區(qū)域應力也是近南北向的擠壓，最小應力方向呈東西向，有利于北北東向橫張裂縫的發(fā)育。裂縫傾角主峰值為70~90°，以高角度裂縫和垂直裂縫為主，低角度裂縫較少，顯示出裂縫的發(fā)育、分布與斷裂和構造應力場關系非常密切。求解有限個離散點(節(jié)點)處的場函數(shù)值，基本變量是位移、應變和應力。根據(jù)邊界受力條件和節(jié)點的平衡條件，建立并求解以節(jié)點位移或單元內應力為未知量、以總體剛度矩陣為系數(shù)的聯(lián)合方程組，用構造插值函數(shù)求得每個節(jié)點上的位移，進而計算每個單元內的應力和應變值。隨著剖分單元數(shù)量的增多，越接近于實際的地質體，求解越真實，精度越高。三維單元格體劃分及巖石力學參數(shù)對塔中地區(qū)主要勘探目的層上奧陶統(tǒng)頂面2.1〔T7〕、底界面〔T7〕加里東中期Ⅱ幕的古構造圖，采用相鄰剖面的相對8個節(jié)點組成1個單元格的方法，對研究區(qū)域進行網(wǎng)格化，在網(wǎng)格劃分時，還考慮了塔中Ⅰ號、塔中Ⅱ號和塔中5井等幾條大斷層帶對地層的影響〔圖3〕，斷層帶單元的寬度是根據(jù)斷層的規(guī)模和水平斷距大小來劃分的，全部有限元網(wǎng)格剖分后，得到了7286個節(jié)點，共生成5385個單元格體〔圖3〕。依據(jù)中4井上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖心巖石力學性04質測試結果，確定出了塔中地區(qū)地震反射界面T70與T7之間的上奧陶統(tǒng)地層模擬參數(shù)〔表1〕，即彈性4構造應力場數(shù)值模擬2模量平均值是47.60GPa，泊松比為0.65，密度是2.65g/cm3，單軸抗壓強度為79.MPa；斷層模擬參數(shù)彈性模量是地層的2，泊松比和密度與地層相當。2.3 邊界力作用方式和約束條件塔里木盆地中央隆起帶〔包括塔中隆起〕及其以應用三維有限單元法進行數(shù)值模擬計算應力場]，是將一個地質體離散成有限個連續(xù)的單元，單元之間以節(jié)點相連，每個單元賦予其實際的巖石力學參數(shù)。把求解研究區(qū)域內的連續(xù)場函數(shù)轉化為圖3塔中地區(qū)三維有限元網(wǎng)格化與單元體組成示意圖Fig.3Sketchmapof3Dfiniteelementgridand圖3塔中地區(qū)三維有限元網(wǎng)格化與單元體組成示意圖Fig.3Sketchmapof3DfiniteelementgridandunitcompositioninTazhongarea左圖中Ⅰ0……Ⅰ9為網(wǎng)格線編號，數(shù)字為節(jié)點編號表1塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖石力學性質參數(shù)實驗結果Table1TestresultsofrockmechanicsparametersofUpperOrdoviciancarbonaterocksinTazhongarea表2塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)加里東中期Ⅱ幕聲發(fā)射地應力最大主應力有效值(σ1有效)測試結果Table2AcousticemissiontestresultsofMiddleCaledonianⅡeffectivemaximumprincipalstressofUpperOrdoviciancarbonaterocksinTazhongarea西地區(qū)，受盆地南部邊界西昆侖洋在奧陶紀末加里品聲發(fā)射實驗[5-7]測得的地應力數(shù)據(jù)，結合塔里木盆地區(qū)域構造演化期次分析成果[5，7，0]確定的，塔中地區(qū)加里東中期Ⅱ幕地應力最大主壓應力有效值〔σ1有效〕為7.9~58.MPa,平均值為51.97MPa〔表2〕。根據(jù)最大主應力與最小主應力相互關系的經(jīng)驗公式，取最小主壓應力值為2MPa。東中期Ⅱ幕閉合褶皺造山向北大規(guī)模地逆沖推擠，在近南北向區(qū)域性擠壓構造應力作用下沖斷隆升]。因此，上奧陶統(tǒng)沉積末期，地質模型邊界的受力方式設置為：頂面是自由面，底部界面法向進行剛性約束，四周界面為受力面，假定其只受水平方向邊界力的作用，且以正應力的方式施加于邊界上，模擬時還考慮單元的重力作用。最大主壓應力方向為近N向，最小主壓應力方向為近EW向，即近N向均勻擠壓和近EW向均勻擠壓同時進行。上述邊界力的作用方式，綜合反映了奧陶紀末加里東中期Ⅱ幕區(qū)域上近N向擠壓應力場的特征。上奧陶統(tǒng)目的層奧陶紀末期應力場模擬邊界力中最大主壓應力主要是根據(jù)上奧陶統(tǒng)巖心樣表3塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)巖石單軸抗張強度測試數(shù)據(jù)Table3Testresultsofuniaxialtensilstrength表3塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)巖石單軸抗張強度測試數(shù)據(jù)Table3TestresultsofuniaxialtensilstrengthofUpperOrdoviciancarbonaterockinTazhongarea592地質通報2021年GEOLOGICALBULLETINOFCHINA除了確定模型的受力邊界條件以外，還需進行位移約束邊界條件分析，即將地質模型的邊界遠離研究中心區(qū)域，在適宜的邊界上給出剛性位移約束，以便限制地質模型的平移和旋轉。在研究中心區(qū)域與強制邊界條件之間要有3排單元和4排節(jié)點的距離，即可使其對計算結果影響降至比擬低的程度。2.4構造應力場分布特征約定最大主壓應力為σ3和最小主壓應力為σ1，且σ3、σ1方向水平(張為正)；中間主應力為σ2，且σ2方向垂直。即文中最小主壓應力σ1、最大主壓應力σ3分別相當于地質力學中的最大主張應力σ3、最大主壓應力σ1。通過以上步驟，采用中國地震局地質研究所的構造應力場模擬軟件，模擬出應力σT等于或大于某一正數(shù)δ，即：σT≥δ，產(chǎn)生潛在張裂縫(含張剪裂縫)，δ指某一正數(shù)〔δ≥0〕，為巖石抗張強度。由中13井上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖巖石劈裂實驗，測得塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地層巖石抗張強度為5.81MPa，近似6MPa〔表3〕。故選取有效張應力σ≥6MPa為發(fā)育潛在張裂縫(含張剪裂縫)的判別標準。按照σT的相對大小，將上奧陶統(tǒng)潛在張裂縫和張剪裂縫發(fā)育程度劃分為3級，即一級、二級和三級，分別表示裂縫發(fā)育區(qū)、比擬發(fā)育區(qū)和發(fā)育較差區(qū)。3.2裂縫發(fā)育區(qū)預測和驗證依據(jù)實測的上奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖地層巖石抗張強度確定的潛在張裂縫(含張剪裂縫)的判別標準和有效張應力分布，預測出一級裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在塔中Ⅰ號斷裂帶東段、塔中Ⅱ號斷裂帶中段和東端、塔中5井斷裂帶西段、巴東斷裂帶上盤、塔中3井斷裂帶兩側、順南區(qū)塊的東南部和塔中27井至塔中28井一線北側，以及隆起東部多組斷裂帶交會的區(qū)域〔圖5〕，有效張應力σ≥8MPa。二級裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在塔中Ⅰ和Ⅱ號斷裂之間的東部區(qū)域、順南區(qū)塊東南部的大局部區(qū)域、塔中Ⅱ號斷裂帶東段了塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)〔T7-T7〕加里東中期Ⅱ幕裂4 0縫形成期的有效張應力σT分布情況。有效張應力σT高值〔σ>8MPa〕區(qū)主要分布于塔中Ⅰ號斷裂帶東段、塔中Ⅱ號斷裂帶中段和東段、塔中5井斷裂帶西段、巴東斷裂帶上盤、塔中3井斷裂帶兩側、順南區(qū)塊的東南部和塔中27井至塔中28井一線北側，以及塔中東部多組斷裂帶交會的區(qū)域。有效張應力σT中值〔5MPa<σ<8MPa〕區(qū)主要分布于塔中Ⅰ、Ⅱ號斷裂帶之間的中北部區(qū)域，塔中Ⅱ號斷裂帶下盤，順南區(qū)塊的東北部地區(qū)和巴東斷裂帶南北兩側〔圖4〕。下盤、巴東斷裂帶上盤等，有效張應力σT為5～8MPa。三級裂縫發(fā)育區(qū)主要分布于塔中Ⅰ、Ⅱ號斷裂帶之間的西部區(qū)域，巴東2井區(qū)南部和塔中北坡順南區(qū)塊的中東部，塔中南坡亦有零星分布,有效張應力σT仍然為5～8MPa。為了驗證塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)構造應力場模擬裂縫預測的效果，將其與通過FMI成像測井資料識別的裂縫及巖心裂縫的觀察統(tǒng)計得到的上奧陶統(tǒng)現(xiàn)今裂縫線密度分布圖進行疊合〔圖5〕，發(fā)現(xiàn)構造應力場模擬預測的一級裂縫發(fā)育區(qū)為裂縫線密度高值區(qū)，線密度大于1.5條/m；二級和三級裂縫發(fā)育區(qū)裂3 裂縫分布預測3.1 格里菲斯平面破裂判別準那么根據(jù)格里菲斯強度理論的平面破裂準那么，在脆性材料抗張強度確定的條件下，有效張應力σT值可以作為描述巖層張裂縫和張剪裂縫發(fā)育程度的一個特征參數(shù)，其含義是指巖層內存在的張應力狀態(tài)。σT值越大，表示產(chǎn)生張性破壞的可能性越大，特別是巖性均勻的碳酸鹽巖地區(qū)，巖石抗張強度相差不大，σT值與張裂縫或張剪裂縫發(fā)育強度呈正相關關系，即σT值愈大，說明破裂程度愈強，裂縫愈發(fā)育。有效張縫線密度相對較低，在0.5～1.0條/m之間。由此可見，預測的一級裂縫發(fā)育區(qū)與鉆井揭示結果吻合好，如塔中Ⅰ號、Ⅱ號斷裂帶的交會處和Ⅱ號斷裂帶中圖4塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)加里東中期圖4塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)加里東中期Ⅱ幕有效張應力σT分布圖Fig.4DistributionofMiddleCaledonianⅡeffectivetensilestressfieldofUpperOrdovician圖5塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)裂縫發(fā)育分布預測和驗證Fig.5PresentfracturedistributionandverificationofUpperOrdoviciancarbonaterock594地質通報2021年GEOLOGICALBULLETINOF594地質通報2021年GEOLOGICALBULLETINOFCHINA段，目前已獲得的工業(yè)油氣流井均處在裂縫發(fā)育的有利區(qū)內。二級和三級裂縫發(fā)育區(qū)雖然有效張應力σT較高，但是裂縫線密度相對較低，而該區(qū)內仍有工業(yè)油氣流或有良好油氣顯示的井，如塔中Ⅰ號斷裂帶的中、東段，預測的裂縫比較發(fā)育區(qū)、發(fā)育較差區(qū)與實際油氣鉆探成果不完全吻合。參考文獻[1]顧家裕,方輝,蔣凌志.塔里木盆地奧陶系生物礁的發(fā)現(xiàn)及其意義[J].石油勘探與開發(fā),2001,28(4):1-3.[2]劉延莉,樊太亮,薛艷梅,等.塔里木盆地塔中地區(qū)中、上奧陶統(tǒng)生物礁灘特征及儲集體預測[J].石油勘探與開發(fā),2006,33(5):562-565.[3]趙明,樊太亮,于炳松,等.塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)育特征及主控因素[J].現(xiàn)代地質,2021,23(4):700-718.[4]鄔光輝,李建軍,楊栓榮,等.塔里木盆地中部地區(qū)奧陶紀碳酸鹽巖裂縫與斷裂的分形特征[J].地質科學,2002,37(增刊):51-56.[5]鄔光輝,李建軍,盧玉紅.塔中Ⅰ號斷裂帶奧陶系灰?guī)r裂縫特征探討[J].石油學報,1999,20(4):19-24.[6]李志明,張金珠.地應力與油氣勘探開發(fā)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1997：138-140.[7]王喜雙,李晉超,王紹民,等.塔里木盆地構造應力場與油氣聚集[J].石油學報,1997,18(1):23-27.[8]宋慧珍,賈承造,歐陽建,等.裂縫儲層研究理論與方法[M].北京:石油工業(yè)出版社,2001：288-304.[9]秦啟榮,張烈輝,鄧輝,等.古構造應力量值確定及其在構造地質建模中的應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(23):3979-3983.[10]丁文龍,林暢松,漆立新,等.塔里木盆地巴楚隆起構造格架及形成演化[J].地學前緣,2021,15(2):242