THE MULTI-PARAMETER QUANTITATIVE PREDICTION OF RESERVOIR FRACTURE OF FU-2 MEMBER IN TIAN 96 FAULT BLOCK OF JINHU SAG
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摘要: 基于应变能、表面能理论, 采用格里菲斯岩石破裂准则, 建立了金湖凹陷天96断块造缝期古地应力、现今地应力与裂缝参数之间的关系; 基于构造分析确定了造缝时期古地应力的类型和方向, 用声速法和水力压裂法确定了现今地应力的方向和大小, 将古今地应力场的数值模拟结果导入裂缝参数计算模型中, 模拟计算了天96断块阜二段裂缝的密度、开度、孔渗参数, 并结合古地应力场分析以及岩心裂缝统计数据对裂缝预测结果进行验证; 最后, 综合分析了影响天96断块裂缝发育的因素。Abstract: Based on the theory of strain energy and surface energy, the relationship between the fracture parameters and the ancient and present earth stresses at the fracture forming period in Tian 96 fault block of Jinhu sag was established by using Griffith rock-cracking principle. The type and direction of the ancient earth stress were determined through the structure analysis, and the direction and strength of the present earth stress were calculated by using the method of sound velocity and hydraulic fracturing. The numerical simulation results of the ancient and modern stress field were substituted into the calculating model of fracture parameter to calculate the density, opening, porosity and permeability of the fractures in Fu-2 member in Tian 96 fault block. And the fracture prediction results were verified using the ancient stress field analysis and core statistics. Eventually the main factors that affect fractures development in Tian 96 fault block were analyzed comprehensively.
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Key words:
- Tian 96 fault block /
- earth stress /
- reservoir fracture /
- influencing factors /
- numerical simulation
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1. 研究区概况
金湖凹陷自阜宁组二段沉积以来，主要经历吴堡和三垛两期构造运动。吴堡期是断层强烈活动时期，多期构造运动导致凹陷内部断裂系统复杂(见图 1)。铜城断裂带是划分龙岗-汊涧次凹的一条二级断层，全长约15 km。铜城断层为一条典型的走滑断层[1~3]。铜城断裂带南部交汇于金湖凹陷的边界杨村断层，北部消失于铜城地区，与郯庐断裂带的水平距离120 km左右。
天96断块地处江苏的金湖县境内，位于苏北盆地-东台坳陷-金湖凹陷-铜城断裂带的东翼。主力产油层为阜宁组二段、三段，储层类型以低渗透砂岩为主，其基质的渗流能力有限，因此需对裂缝的渗流能力评价[4]。
2. 岩心裂缝发育特征
2.1 阜二段裂缝产状
岩心裂缝观测结果表明，断块内阜二段裂缝的优势方向北东东70°、南东东110°(见图 2)。裂缝以垂直缝为主，占49%；高角度斜交缝亦较发育，占38%；低角度斜交裂缝占13%；水平缝不发育[5]。
图 2 天96断块裂缝走向玫瑰花图Figure 2. The rose diagram of fracture strike in Tian 96 fault block2.2 裂缝发育规模与力学性质
根据天96断块及天33断块岩心裂缝发育情况(见表 1)，岩心裂缝线密度为0.40~1.55条/m，开度为0.127~0.336 mm。
表 1 天96及天33断块岩心裂缝发育规模统计Table 1. Statistics of fracture development in cores of Tian 96 and Tian 33 fault block井号 裂缝开度/mm 线密度/(条·m-1) 乔1 0.211 1.25 吴101X1 0.40 天X33-1 0.127 0.75 天X33-2(1) 0.203 0.55 天X33-2(2) 0.336 天X33-3 0.245 1.55 天96断块内阜二段未充填缝约占81%；充填缝的充填物主要为方解石及沥青，占19%。岩心观察显示裂缝绝大部分为有效裂缝，半有效裂缝及无效裂缝较少，认为储层的质量较高。
进行储层岩心观察时，判断裂缝的力学性质主要依据裂缝面延伸长短、擦痕、阶步、脉体生长情况以及充填物等。通过统计分析，目的层岩心3种性质的裂缝均有发育，以剪裂缝为主，约占86%，其缝面平直，多切穿岩心；张裂缝、张剪缝发育较弱，各占约7%。
3. 地应力场数值模拟
3.1 地质模型
依据铜城断裂带阜二段顶面构造图(见图 3)，采用ANSYS建立天96断块三维地质模型。为了减小边界效应，将模拟范围扩展到铜城断层西翼。根据天96断块阜二段小层对比建立的地质模型中，阜二段地层总厚度为120 m。自上而下分为5层，依次为20 m砂层、20 m泥层、20 m砂层、20 m泥层、40 m砂层。
考虑到岩性、断层带以及围岩力学参数的不同，选取断层带弹性模量低于砂岩层，泊松比略大于砂岩层[5~6]，在不断地加载中进行调试。受上覆岩层的压力，现今岩层物性发生变化，弹性模量变大。现今地应力模拟过程中，将岩石力学参数略微调整[7](见表 2)。
表 2 天96断块阜宁期应力场模拟力学参数Table 2. Mechanical parameters of stress field simulation of Tian 96 fault block in Funing Period地层 泊松比 弹性模量/GPa 密度/(g·cm-3) 砂岩层 0.15 5.6 2.21 断层带 0.20 5.0 2.20 泥岩层 0.23 4.5 2.10 围岩 0.15 5.5 2.22 3.2 古地应力场模拟
构造解析表明，天96断块阜二段主要的造缝期为阜宁晚期的吴堡运动。根据邻区同期地应力信息以及铜城地区断层走向玫瑰花图，最终确定在地质模型北北西355°方向施加6 MPa的拉张应力，同时北东东85°方向施加0.5 MPa的拉张应力，并施加岩石的垂向重力。
3.2.1 古最小主应力
天96断块内最小主应力为拉张应力，范围集中在5.8~6.3 MPa之间。平面上，拉张应力主要在断层附近的构造高部位集中，数值大小为6.2~6.4 MPa，模拟地质时间为铜城断层形成之后，断裂带内因应力释放为拉张应力低值区，在断块内为拉张应力高值区。
3.2.2 古最大主应力
天96断块最大主应力为垂向重力产生，表现为随埋深增大而增大，范围介于0.4~4.0 MPa。
3.3 现今地应力场模拟
天96断块埋深在2000~3400 m之间，处于三轴挤压状态。利用声速试验以及压裂资料确定现今最小水平主应力为北西330°方向32 MPa的挤压应力，水平最大主应力为北东60°方向37 MPa的挤压应力，地应力类型为Ⅰa类。现今最大主应力方向主要为铅直方向，由重力产生，变化范围34~66 MPa。
4. 裂缝参数计算公式选取
4.1 岩石破裂准则选取
天96断块阜宁晚期主要为近南北向拉张应力，最小主应力小于零(张应力为负值)，岩石破裂选择格里菲斯准则。格里菲斯准则在三维应力状态时可以用下式表示[8~11]：
①(σ1+3σ3)＞0，岩石破裂的依据为：
(σ1−σ2)2+(σ2−σ3)2+(σ3−σ1)2=24σT(σ1+σ2+σ3) (1) cos2θ=σ1−σ32(σ1+σ3) (2) ② 当(σ1+3σ3)≤0时，破裂判据简化为：
σ3=−σT,θ=0 (3) 式中：σ1、σ2和σ3分别为最大主应力、中间主应力和最小主应力，MPa；σT为岩石单向拉伸试验的抗拉强度，MPa；θ为岩石的破裂角，(°)。
4.2 地应力与裂缝参数定量关系
对于天96断块任意一点，古地应力(σ1+3σ3)≤0，则θ=0，裂缝体积密度和裂缝线密度相等，裂缝各项参数的计算公式为[11~13]：
{wf=w−we=12(σ1ε1+σ2ε2+σ3ε3)−12Eσ2tDvf=wfJJ=J0+ΔJ=J0+σ3bDlf=DvfDlfb=|ε3|−|ε0||ε0|=σtE (4) 式中：ωf为新增裂缝表面积所需的应变能密度，J/m3；ω为岩石总应变能密度，J/m3；ωe为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，J/m3；E为杨氏弹性模量，MPa；σt为岩石破裂应力，MPa；Dvf为裂缝体密度，m2/m3；J为产生单位面积裂缝所需能量，J/m2；J0为零围压下的裂缝表面能，J/m2；b为裂缝开度，m；Dlf为裂缝线密度，条/m；ε1、ε2、ε3分别为最大、中间和最小主应变，无量纲；ε0为最大弹性张应变，无量纲。
4.3 裂缝的孔渗计算模型
现今地应力场下裂缝孔隙度和裂缝渗透率的计算公式修改为[11~13]：
φf=bmDvf (5) [kfXkfYkfZ]=b3mDlf12[1−n2f11−n2f11−n2f1]=b3mDlf12[1−(cosα11sinθ+cosα31cosθ)21−(cosα12sinθ+cosα32cosθ)21−(cosα13sinθ+cosα33cosθ)2] (6) 式中：bm为裂缝的现今开度，m；φf为裂缝的孔隙度，%；α11、α12、α13分别为最小主应力与X轴、Y轴、Z轴的夹角，(°)；α21、α22、α23分别为中间主应力与X轴、Y轴、Z轴的夹角，(°)；α31、α32、α33分别为最大主应力与X轴、Y轴、Z轴的夹角，(°)；nf1、nf2、nf3分别为裂缝面单位法向量在X轴、Y轴、Z轴的分量，无量纲。
5. 裂缝参数预测
编写裂缝参数后处理程序，将应力场模拟数据代入裂缝参数计算模型，获得了天96断块阜二段现今裂缝线密度、开度、孔隙度、渗透率等参数。
5.1 天96断块阜二段裂缝开度分布特征
天96断块在现今挤压应力下裂缝的开度减小，范围介于0.151×10-4~0.433×10-4 m之间(见图 4)。断裂带内部裂缝的开度比断块内部裂缝的开度大，断裂带附近裂缝开度较大；构造高部位裂缝的开度较大，构造低部位裂缝的开度小。
5.2 裂缝线(体)密度分布特征
断块造缝期(σ1+3σ3)≤0，此时岩石的破裂角为零，因此，天96断块的体密度与线密度相同。通过模拟，天96断块阜二段裂缝线密度3.048~4.222条/m(见图 5)，其分布主要有2个特征：在构造低部位，埋深增大，差应力增大，裂缝较发育；靠近断层处，由于最小主应力(拉张)集中，差应力同样增大，裂缝线密度为高值。
5.3 天96断块阜二段裂缝孔隙度分布特征
天96断块裂缝现今孔隙度与裂缝开度分布规律相似，在现今三向挤压地应力场下，范围介于0.0095%~0.0257%(见图 6)。天96断块在靠近铜城断裂带的构造高部位、断层发生转折处孔隙度数值较高，达0.0234%~0.0257%，构造低部位裂缝孔隙度为低值，断块东南方向以及铜城断层西翼裂缝的孔隙度数值在0.015%~0.017%之间。从整体看，天96断块裂缝的现今孔隙度从构造高部位向构造低部位呈条带状减小。
5.4 天96断块阜二段裂缝渗透率分布特征
现今裂缝东西方向的渗透率范围5×10-3~39×10-3 μm2(见图 7)。最大值出现在天X96井正东方向，为39×10-3 μm2；构造低部位裂缝的渗透率为低值(5×10-3~12.556×10-3 μm2)。铅直方向裂缝的渗透率与东西方向裂缝的渗透率分布特征相似(见图 8)，而南北方向渗透率小于1×10-3 μm2，与东西向渗透率相比为极低值(见图 9)。
5.5 天96断块数值模拟结果与实测资料对比
数值模拟过程中影响裂缝参数变化的主要因素是构造部位和距断层的距离，因此取距断层相同距离且构造高程相同的裂缝模拟数值与岩心实测资料进行对比。天96断块、天33断块岩心实测与数值模拟裂缝参数对比结果见表 3(为了验证模拟结果的可靠性，需保证足够的数据点，故表 3中增加了天33断块数据)。
表 3 岩心与数值模拟裂缝参数对比Table 3. Comparison of fracture parameters in core testing and numerical simulation断块 井号 与断层距离/
m埋深/m 开度/mm 线密度/(条·m-1) 孔隙度/% 岩心实测 数值模拟 岩心实测 数值模拟 岩心实测 数值模拟 天33 天X33-1 300 2486 0.127 0.035 0.75 3.6 0.0095 0.0126 天X33-2 100 2402 0.203 0.035 0.55 3.8 0.0112 0.0133 天X33-2 50 2693 0.336 0.039 0.55 4.1 0.0185 0.0160 天X33-3 250 2235 0.245 0.040 1.55 3.8 0.0380 0.0152 天96 乔1 10 2146 0.211 0.043 1.25 3.9 0.0264 0.0168 吴101X1 550 1825 0.038 0.40 3.3 - 0.0125 从表 3可以发现，天96断块岩心观测的裂缝线密度小于应力场数值模拟结果，这是由于岩心实测裂缝线密度受到岩心的取心率、取心的完整程度以及肉眼识别程度的局限，而数值模拟能够识别不同级别的裂缝。岩心观测的裂缝孔隙度与数值模拟的裂缝孔隙度大多基本一致，总体认为模拟结果合理。
6. 天96断块裂缝影响因素分析
通过阜二段储层岩心裂缝观察以及数值模拟分析认为，岩性对天96断块阜二段裂缝发育程度及分布起到控制作用。阜二段发育脆性较强的粉砂岩、泥质粉砂岩，胶结程度中等偏强且多为钙质胶结，其脆性大[1]，有利于储层裂缝的发育。
天96断块造缝期近南北向拉张应力与岩层重力应力的差值控制裂缝的发育程度，构造低部位应力差值大，裂缝较发育；岩心裂缝力学性质以近东西向高角度剪裂缝为主，认为吴堡期Ⅰb地应力类型以及平面、剖面剪应力特征决定裂缝发育的优势方向以及倾角类型，裂缝的方向性决定断块内渗透率的各向异性。
阜二段砂层主要为三角洲前缘席状砂以及远砂坝沉积[2]，从沉积微相的角度来看，砂岩小层的厚度集中在1.8~3.0 m，累计厚度80 m，这种剖面组合形式有利于储层裂缝的发育[14]。
另外，不同走向的断层对局部应力场的影响程度也不同，导致裂缝在靠近断层的位置线密度有差异，远离断层，裂缝的线密度趋于定值[15]。本文通过数值模拟，统计了天96断块不同走向断层对最小主应力的改变量。经拟合，最小水平主应力方向、断层走向之间的夹角(θ)与水平最小主应力改变量(Δσ3)满足线性关系(见图 10)。
图 10 断层走向与水平最小主应力方向的关系Figure 10. The relationship between fault strike and the direction of minimum horizontal principal stress由图 10得出，断层走向对裂缝分布有一定的影响。在东西走向的断层附近，最小主应力更为集中，导致局部的差应力增大，故断层附近裂缝线密度为高值；近南北向的断层对裂缝最小主应力的影响微弱，其对裂缝发育程度的影响可以忽略。
但从模拟结果分析，断层对裂缝发育程度控制有限，表现在：① 裂缝线密度仅在断层附近局部区域为高值，远离断层，断层对裂缝的线密度影响微弱。② 在断块内部，最大与最小主应力差值在4.82~5.53 MPa之间，通过图 10得出，大多数断层对差应力的改变量小于0.13 MPa，而整个断块差应力改变量为0.71 MPa，因此认为控制断块内部裂缝线密度变化的主要因素为目的层埋深。
7. 结论
天96断块阜二段裂缝发育具有明显的规律性，整体上表现为靠近断层、构造高部位裂缝的开度、孔隙度大；断裂带附近裂缝线密度较高，断块内构造高部位裂缝线密度小于构造低部位，模拟结果符合地质规律。
结合岩心裂缝力学性质，认为造缝期地应力类型以及平面、剖面剪应力决定了阜二段裂缝——高角度、北东东向—南西西向裂缝发育；裂缝的方向性决定了裂缝渗透率也具有方向性，即南北向渗透率远小于东西向、铅直向渗透率，模拟结果与岩心观察、油田后期动态开发资料吻合。
差应力决定断块内裂缝的整体发育程度，埋深是控制断块内阜二段裂缝线密度变化的决定因素；不同走向的断层对裂缝的影响程度不一，近东西走向的断层最有利于储层裂缝的发育，南北向断层对裂缝发育的影响微弱。
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图 2 天96断块裂缝走向玫瑰花图
Figure 2. The rose diagram of fracture strike in Tian 96 fault block
图 10 断层走向与水平最小主应力方向的关系
Figure 10. The relationship between fault strike and the direction of minimum horizontal principal stress
表 1 天96及天33断块岩心裂缝发育规模统计
Table 1. Statistics of fracture development in cores of Tian 96 and Tian 33 fault block
井号 裂缝开度/mm 线密度/(条·m-1) 乔1 0.211 1.25 吴101X1 0.40 天X33-1 0.127 0.75 天X33-2(1) 0.203 0.55 天X33-2(2) 0.336 天X33-3 0.245 1.55 
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表 2 天96断块阜宁期应力场模拟力学参数
Table 2. Mechanical parameters of stress field simulation of Tian 96 fault block in Funing Period
地层 泊松比 弹性模量/GPa 密度/(g·cm-3) 砂岩层 0.15 5.6 2.21 断层带 0.20 5.0 2.20 泥岩层 0.23 4.5 2.10 围岩 0.15 5.5 2.22
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表 3 岩心与数值模拟裂缝参数对比
Table 3. Comparison of fracture parameters in core testing and numerical simulation
断块 井号 与断层距离/
m埋深/m 开度/mm 线密度/(条·m-1) 孔隙度/% 岩心实测 数值模拟 岩心实测 数值模拟 岩心实测 数值模拟 天33 天X33-1 300 2486 0.127 0.035 0.75 3.6 0.0095 0.0126 天X33-2 100 2402 0.203 0.035 0.55 3.8 0.0112 0.0133 天X33-2 50 2693 0.336 0.039 0.55 4.1 0.0185 0.0160 天X33-3 250 2235 0.245 0.040 1.55 3.8 0.0380 0.0152 天96 乔1 10 2146 0.211 0.043 1.25 3.9 0.0264 0.0168 吴101X1 550 1825 0.038 0.40 3.3 - 0.0125
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