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厚层河道砂体地应力分布影响因素分析

祖克威,  曾联波,  刘喜中,  张俊辉,  赵向原,  刘国平

文章导航 > 地质力学学报  > 2014 >  20(2): 149-158
李亚辉, 段宏亮, 谈迎, 2010. 下扬子区海相中、古生界地质结构分区及其油气勘探选区意义. 地质力学学报, 16 (3): 271-280.
引用本文: 祖克威, 曾联波, 刘喜中, 等, 2014. 厚层河道砂体地应力分布影响因素分析. 地质力学学报, 20 (2): 149-158.
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LI Ya-hui, DUAN Hong-liang, TAN Ying, 2010. STRUCTURAL DIVISION OF MARINE MESOZOIC-PALEOZOIC IN LOWER YANGTZE REGION AND ITS SIGNIFICANCE FOR PETROLEUM EXPLORATION TARGETS. Journal of Geomechanics, 16 (3): 271-280.
Citation: ZU Ke-wei, ZENG Lian-bo, LIU Xi-zhong, et al., 2014. ANALYSIS OF INFLUENCING FACTORS FOR GROUND STRESS IN CHANNEL SANDSTONE. Journal of Geomechanics, 20 (2): 149-158.
shu

厚层河道砂体地应力分布影响因素分析

  • 1.

    中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249

  • 2.

    中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249

详细信息
    作者简介:

    祖克威（1986-），男，博士，主要从事地应力分析与储层裂缝预测。E-mail：zukewei1234@aliyun.com

  • 中图分类号: P553

ANALYSIS OF INFLUENCING FACTORS FOR GROUND STRESS IN CHANNEL SANDSTONE

  • 1.

    College of Earth Sciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China

  • 2.

    Key State Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting at China Petroleum University, Beijing 102249, China

摘要

    摘要
  • 摘要: 相邻的沉积微相不仅地应力大小不同，地应力方向也存在较大差异。利用有限单元法，通过改变不同的边界条件（包括河道介质和周围岩体的弹性模量、泊松比，河道走向与区域主应力方向夹角及边界应力比），对河道砂体地应力的影响因素进行分析。模拟结果表明，相比于河道周围岩体和区域地应力特征，不同的边界条件对河道砂体地应力大小和方向的改变程度很大，其中河道砂体与周围岩体的弹性模量比、河道走向与区域主应力方向夹角及边界应力比是影响河道砂体现今地应力方向和大小的主要因素。研究结果可以为不同沉积微相下进行人工压裂和井网部署提供参考依据。

     

    Abstract: With the further geological exploration, it is showed that different values and directions of in-situ stress are appeared in the adjacent sedimentary facies by a mass of production test data. By changing different boundary conditions(including the elasticity modulus and Poisson's ratio of channel and surrounding rock, the inclined angle between channel direction and the orientation of the regional principal stress and boundary stress ratio), the influence factors of the geostress in the channel sandstone are analyzed in finite element method. It is showed that the stress values and directions of the channel sandstone change seriously under the influences of different boundary conditions, compared with the in-situ stress characteristics in the surrounding rocks and region. The influence factors on the present stress of the channel sandstone are mainly the elastic modular ratio of channel to the surrounding rocks, the inclined angle between channel direction and the orientation of the regional principal stress and boundary stress ratio. The result could provide references for artificial fracturing and well network deployment in different sedimentary microfacies.

     

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  • 0.   引言

    下扬子区位于扬子板块东北缘, 该区自晚震旦世以来经历了多期构造运动的改造和叠加[1], 形成了具有不同地质结构类型的叠合盆地[2]。多年的研究和勘探实践证实, 该区海相中、古生界在地史上曾经发生过大规模的油气生成、运移和聚集成藏的过程[3], 但印支-中燕山期构造运动对油气藏的破坏和改造作用强烈[4], 近年来已发现的来自古生界烃源岩的油气多与晚燕山-喜马拉雅期沉降引起的晚期生烃、晚期成藏有关[4, 5]。构造稳定、有效保存及晚期生烃、晚期成藏已成为该区海相中、古生界勘探选区的首要条件[6, 7], 以反映构造变形为主的构造分区已难以满足区带评价及勘探选区的要求。本文结合地质露头及最新的地球物理解释资料, 以基底性质、构造变形和沉积沉降等为依据开展了地质结构分区研究, 以期为该区海相中、古生界区带评价及油气勘探选区提供依据。

    1.   地质结构分区原则与依据

    1.1   地质结构分区原则

    一级结构单元划分的原则与构造单元划分原则一致, 主要以反映或控制构造稳定性的基底性质、区域构造变形、构造展布及构造演化特征为主。二级结构单元划分原则主要以地层组合为主, 包括沉降期、印支面埋深等。需要说明的是, 之所以将沉降期及印支面埋深纳入分区原则, 是因为沉降中心的迁移决定了生烃层纵向、横向上的演化序列, 与印支面埋深一起控制晚期生烃的范围和强度。实验模拟表明, 印支面埋深大于3000m是海相中、上古生界烃源岩晚期生烃的门限深度; 下古生界晚期生烃强度大的地区主要属于早期(晚白垩世以前)沉降幅度小、晚期(晚白垩世以来)沉降幅度偏大的地区[5, 7]。

    1.2   地质结构分区命名原则

    一级结构单元以大区域地理名称命名, 二级结构单元的命名是地名+沉降期(早、中、晚)+印支面埋深(以3000m为界分为深、浅)+构造变形类型。

    1.3   地质结构分区依据

    1.3.1   基底性质

    下扬子区海相中、古生界基底由前震旦系组成, 具有双层基底结构。下基底构造层为晚太古代-早元古代结晶变质岩系, 仅分布于南黄海-苏北盆地东部地区, 组成了下扬子区中央稳定结晶基底; 上基底构造层为中-晚元古代中-浅变质褶皱岩系, 构成了本区褶皱变质基底, 围绕中央结晶基底广泛分布[8]。基底构造层的不均质性对海相中、古生界的改造与保存具有重要影响。

    1.3.2   构造变形特征

    下扬子区海相中、古生界强烈的改造、变形主要发生于印支-中燕山运动期间, 构造变形主要以逆冲、推覆和褶皱为主。依据卷入地层时代、滑脱面位置及构造变形强度等将研究区海相中、古生界构造变形划分为基底卷入型、盖层滑脱型和稳定型3种类型, 其中盖层滑脱型又可进一步划分为下古卷入型、志留系滑脱型及简单冲断型等3种类型(见表 1)。

    表  1  下扬子区海相中、古生界构造变形类型及特征
    Table  1.  Types and characteristics of structural deformation for marine Mesozoic-Paleozoic erathem in Lower Yangtze region
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    基底卷入型构造主滑脱入变形的地层以中、新元古界和古生界为主。构造变形强烈, 主要以叠瓦状逆冲推覆及褶皱为主, 往往将基底及下古生界逆冲推覆至地表, 形成一系列紧密背斜、向斜构造[9]。研究区滁州-张八岭褶皱冲断带、怀宁-宿松褶皱冲断带、祁门-歙县褶皱冲断带及钱塘江褶皱冲断带即属此种类型构造。张八岭褶皱带主要由新元古界青白口系组成; 滁州褶皱带由南华系至志留系组成; 祁门-歙县褶皱带由中元古界蓟县系-长城系、新元古界青白口系组成。基底强烈的褶皱变形主要形成于加里东期[10, 11], 但印支-早燕山期的叠加改造, 使得其褶皱更加紧密, 空间缩短加剧[11]。

    下古卷入型构造主滑脱层以下寒武统碳硅质泥页岩为主, 变形的主体层位包括下古生界和上古生界。构造变形强烈, 断层具浅陡深缓、前缘逆冲的特点; 断层上盘推覆片体多为由震旦纪灯影组至奥陶系组成的一系列线状紧密斜歪-倒转褶皱及由倒序地层组成的背、向形构造(见图 1), 局部地区见海相中、上古生界逆掩于其下。研究区巢湖褶皱冲断带、苏北褶皱冲断带、宁镇褶皱冲断带、泾县-青阳褶皱冲断带、东至-黄山褶皱冲断带、宁国-绩溪褶皱冲断带即属此种构造。

    图  1  巢湖市银屏山地区构造剖面图
    (示下古卷入型构造)
    Figure  1.  Section across Yinpingshan area in Chaohu City, showing Lower Paleozoic-involved structure
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    志留系滑脱型(包括龙潭组及青龙组滑脱型)构造滑脱层以志留系高家边组泥页岩为主, 局部地区为二叠系龙潭组含煤泥页岩及下三叠统青龙组泥岩; 构造变形的主体层位仅限于志留系-中三叠统。该类构造的特点是上、下古生界构造变形不协调。上古生界构造变形强烈, 由一系列浅陡深缓、聚敛于主滑脱面的断层、紧闭-倒转褶皱和由多个叠序或倒序地层序列组成的褶皱片体及堆垛构造组成[12](见图 2)。下古生界地层保存全, 且层序正常, 构造变形相对较弱, 一般形成宽缓褶皱, 因此, 是下古生界内幕油气勘探的有利区。茅山、宜兴-长兴、苏州-湖州及无锡-江阴-常熟地区滑脱推覆构造均属此种类型构造, 南黄海盆地中部隆起也发育此类构造样式。

    图  2  志留系滑脱型构造
    Figure  2.  A map showing Silurian sliding structures
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    简单冲断型构造变形的主体层位以上古生界为主, 局部地区有下古生界卷入。褶皱作用较弱, 主要以冲断作用为主, 地层层序全且正常(见图 3a)。主要见于南黄海盆地北部凹陷及苏北盆地东部黄桥、海安地区。

    图  3  冲断型和稳定型构造剖面图
    Figure  3.  Profile sections showing the thrust structure and stable structure
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    稳定型构造形变最弱, 古生界保存状况良好, 地层层序连续且正常; 地震资料品质一般相对较好, 上古生界内幕标志层特征明显, 反射连续稳定, 且可追踪识别(见图 3b), 是海相中古生界油气勘探的有利区。此种类型主要在研究区南黄海盆地中部隆起区发育。

    综合上述分析, 下扬子区构造变形具有纵向分层性及横向分带、分块性特征。具体表现在, 自北西、南东向沿江对冲带, 自西向东, 构造变形依次由基底卷入型向下古卷入型、志留系滑脱型、冲断型转变, 最终在南黄海中央结晶基底之上的中部隆起区转变为稳定型。反映苏北盆地东部-南黄海中部隆起区构造变形弱、稳定性强, 有利于油气保存。

    1.3.3   印支面埋深

    印支面埋深是晚燕山运动以来沉积、构造运动的叠加结果(研究区印支面与燕山面多重叠为一个面), 对于界定海相中、古生界烃源岩晚期生烃范围具有重要意义[6]。结合露头、钻井、地震及重磁资料编制了下扬子区印支面埋深图(见图 4)。图中显示, 安徽(除天长地区外)、江苏南部及滨海以北、南黄海中部隆起及勿南沙隆起等地区印支面埋深均小于3000m, 反映晚期(晚白垩世以来)沉降幅度较小; 埋深最大的地区位于江苏北部滨海-大丰、高邮-金湖、东台-海安地区及南黄海北部凹陷和南部凹陷, 埋深多大于3000m, 局部地区大于5000m, 属晚期生烃有利区域。

    图  4  下扬子区印支面埋深图
    Figure  4.  A map showing depth of Indo-surface in Lower Yangzi region
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    1.3.4   沉积、沉降中心迁移特征

    晚震旦世以来, 下扬子区发育早(加里东期)、中(印支晚期-早燕山期)、晚(晚燕山-喜马拉雅期)3个大的沉积沉降中心, 依次为下古生界强沉降带、陆相沿江前陆强沉降带及陆相上白垩统及第三系强沉降带。加里东期一带(沉积、沉降中心位置略有差异), 沉积厚度可达8000m以上(见图 5a)。至印支晚期-早燕山期, 受扬子板块与华北板块拼贴影响, 研究区沉积、沉降中心迁移至沿江一带, 沉积了厚度大于2000m的碎屑岩地层(见图 5b)。晚燕山-喜马拉雅期, 沉积、沉降中心继续向北迁移, 受伸展断层控制, 沉积、沉降最大的地区位于苏北盆地滨海-大丰、高邮-金湖、东台-海安地区及南黄海北部凹陷和南部凹陷, 仅古近系厚度即可达4000m以上。

    图  5  下扬子区下古生界(a)及中三叠统-中侏罗统(b)厚度图
    Figure  5.  Diagram showing thickness of Lower Paleozoic (a) and Middle Triassic-Middle Jurassic (b)
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    2.   地质结构分区方案

    根据上述地质结构分区原则和依据, 结合地球物理场特征、火山岩浆作用等, 将下扬子区划分为苏北-南黄海地块(Ⅰ)、宁镇-太湖推覆山带(Ⅱ)、江南地块(Ⅲ)、张八岭-千里岩推覆山带(Ⅳ)、怀玉山勿南沙推覆山带(Ⅴ)等5个一级和17个二级地质结构单元, 各单元名称及位置见表 2、图 6。

    图  6  下扬子区海相中、古生界地质结构分区图
    Figure  6.  A map showing Geological structure zoning of marine Mesozoic-Paleozoic in Lower Yangtze region
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    表  2  下扬子区海相中、古生界地质结构分区
    Table  2.  Geological structure zones of marine Mesozoic-Paleozoic erathem in Lower Yangtze region
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    3.   勘探选区意义

    前已述及, 具有油气地质意义的有利区带为构造稳定区及早期沉降幅度小、晚期沉降幅度偏大的地区。据此初步评价南黄海中部晚期隆起稳定区(Ⅰ2)、江都-东台-南黄海南部晚期沉降深冲断区(Ⅰ3)、泰兴-海安晚期沉降深冲断区(Ⅱ1)、南通-南黄海南部晚期沉降浅推覆区(Ⅱ2)及太湖晚期沉降浅推覆区(Ⅱ4)下古生界构造变形弱, 以稳定型、志留系滑脱型及简单冲断型构造为主, 受印支-中燕山期构造破坏作用影响小; 早、中期沉降幅度小, 晚期沉降幅度大, 具备二次生烃的能力, 为下古生界油气勘探有利区。

    南黄海北部晚期沉降深冲断区(Ⅰ1)、江都-东台-南黄海南部晚期沉降深冲断区(Ⅰ3)、滨海-大丰晚期沉降深下古卷入区(Ⅰ4)和泰兴-海安晚期沉降深冲断区(Ⅱ1)存在上古生界地质实体, 且晚期沉降幅度大, 构造变形相对较弱, 以简单冲断型为主(除滨海-大丰晚期沉降深下古卷入区外), 地层层序基本正常, 为上古生界油气勘探有利区。

    南黄海北部晚期沉降深冲断区(Ⅰ1)、滨海-大丰晚期沉降深下古卷入区(Ⅰ4)、金湖-高邮晚期沉降深下古卷入区(Ⅰ5)及泰兴-海安晚期沉降深冲断区(Ⅱ1)印支-中燕山期构造变形强烈, 具备岩溶储集层发育的条件(即下古生界白云岩出露、印支面灰岩风化淋滤时间较长等); 晚期沉降幅度大, 分布有中新生界生油层, 为古潜山油气勘探有利区。

    上述仅从构造稳定及晚期生烃、晚期成藏方面对下扬子区进行了初步评价, 没有考虑生油层、储集层、盖层的分布及生储盖组合等因素, 这也正是本文下步拟开展的主要工作。

    4.   结论

    (1) 下扬子区发育基底卷入型、下古卷入型、志留系滑脱型、简单冲断型及稳定型等5种构造变形类型, 构造变形具有纵向分层性和横向分带、分区性的特点。

    (2) 依据基底性质、构造变形特征、印支面埋深及沉积沉降中心迁移特征等将下扬子区划分为5个一级和17个二级地质结构单元。

    (3) 南黄海中部晚期隆起稳定区(Ⅰ2)、江都-东台-南黄海南部晚期沉降深冲断区(Ⅰ3)、泰兴-海安晚期沉降深冲断区(Ⅱ1)、南通-南黄海南部晚期沉降浅推覆区(Ⅱ2)及太湖晚期沉降浅推覆区(Ⅱ4)为下古生界油气勘探有利区; 南黄海北部晚期沉降深冲断区(Ⅰ1)、江都-东台-南黄海南部晚期沉降深冲断区(Ⅰ3)、滨海-大丰晚期沉降深下古卷入区(Ⅰ4)和泰兴-海安晚期沉降深冲断区(Ⅱ1)为上古生界油气勘探有利区; 南黄海北部晚期沉降深冲断区(Ⅰ1)、滨海-大丰晚期沉降深下古卷入区(Ⅰ4)、金湖-高邮晚期沉降深下古卷入区(Ⅰ5)及泰兴-海安晚期沉降深冲断区(Ⅱ1)为古潜山油气勘探有利区。

  • 图  1  模型的几何条件和边界条件

    Figure  1.  Geometry and boundary conditions of the model

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    图  2  不同E1/E2的河道砂体最大水平主应力方位对比图(黑色矩形内为河道砂体)

    Figure  2.  A comparison diagram of the maximum horizontal principal stress directions in channel sandstone with different E1/E2

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    图  3  河道砂体最大主应力方向同E1/E2的关系

    Figure  3.  Relationship between the direction of maximum horizontal principal stress in channel sandstone and E1/E2

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    图  4  不同E1/E2的河道砂体最大水平主应力大小对比

    Figure  4.  A comparison diagram of the maximum horizontal principal stress values in channel sandstone with different E1/E2

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    图  5  河道砂体地应力大小与E1/E2的关系

    Figure  5.  Relationship between horizontal principal stress in channel sandstone and E1/E2

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    图  6  河道砂体最大主应力方向与υ1/υ2的关系

    Figure  6.  Relationship between the direction of maximum horizontal principal stress in channel sandstone and υ1/υ2

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    图  7  河道砂体地应力大小与υ1/υ2的关系

    Figure  7.  Relationship between horizontal principal stress in channel sandstone and υ1/υ2

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    图  8  河道内最大主应力方向与θ的关系

    Figure  8.  Relationship between the direction of maximum horizontal principal stress in channel sandstone and θ

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    图  9  河道内地应力大小同θ的关系

    Figure  9.  Relationship between horizontal principal stress in channel sandstone and θ

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    图  10  河道砂体最大主应力方向与σ1/σ2的关系

    Figure  10.  Relationship between the direction of maximum horizontal principal stress in channel sandstone and σ1/σ2

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    图  11  河道砂体地应力大小与σ1/σ2的关系

    Figure  11.  Relationship between horizontal principal stress in channel sandstone and σ1/σ2

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    图  12  渤海南部某区块沉积相图

    Figure  12.  The sedimentary facies map of some block in Bonan zone

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出版历程
  • 收稿日期:  2014-02-24
  • 刊出日期:  2014-06-01

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摘要
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  • 0.   引言

  • 1.   地质结构分区原则与依据

  • 1.1   地质结构分区原则

  • 1.2   地质结构分区命名原则

  • 1.3   地质结构分区依据

  • 2.   地质结构分区方案

  • 3.   勘探选区意义

  • 4.   结论

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