地质力学学报  2012, Vol. 18 Issue (2): 120-139
引用本文
唐永, 梅廉夫, 陈友智, 唐文军, 肖安成. 川东北宣汉-达县地区构造应力场对裂缝的控制[J]. 地质力学学报, 2012, 18(2): 120-139.
TANG Yong, MEI Lian-fu, CHEN You-zhi, TANG Wen-jun, XIAO An-cheng. CONTROLLING OF STRUCTURAL STRESS FIELD TO THE FRACTURES IN XUANHAN-DAXIAN REGION, NORTHEASTERN SICHUAN BASIN, CHINA[J]. Journal of Geomechanics, 2012, 18(2): 120-139.
川东北宣汉-达县地区构造应力场对裂缝的控制
唐永1,2 , 梅廉夫2 , 陈友智1 , 唐文军3 , 肖安成1     
1. 浙江大学地球科学系, 杭州 310027;
2. 中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室, 武汉 430074;
3. 中国石油新疆油田公司彩南作业区, 新疆 阜康 831511
摘要:川东北宣汉-达县地区晚白垩世受到南东方向的挤压作用,始新世晚期-渐新世早期受到北东方向的挤压作用,两期构造活动导致宣汉-达县地区下三叠统飞仙关组碳酸盐岩中形成构造裂缝,对油气藏开发产生较大的影响。在考虑岩层与岩层之间相互影响的基础上,结合共轭节理和机械双晶的分析结果,利用三维有限元分析技术,计算宣汉-达县地区飞仙关组古构造应力大小,获得了两期古构造应力场的分布特征。通过岩石破裂阈值的限定,对普光、毛坝区块构造裂缝(张裂缝和剪裂缝)的发育区域进行预测,依据综合破裂率对岩层破裂强度进行评价,为提高裂缝钻遇率,降低勘探开发风险提供了科学的地质依据。
关键词构造应力场    三维有限元    飞仙关组    构造裂缝    宣汉-达县地区    
CONTROLLING OF STRUCTURAL STRESS FIELD TO THE FRACTURES IN XUANHAN-DAXIAN REGION, NORTHEASTERN SICHUAN BASIN, CHINA
TANG Yong1,2 , MEI Lian-fu2 , CHEN You-zhi1 , TANG Wen-jun3 , XIAO An-cheng1     
1. Department of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;
2. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources Ministry of Education, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Cainan Operation District of Xinjiang Oilfield Company, CNPC, Fukang 831511, China
Abstract: Structural stress field is one of the main reasons on fracture formation. It is the key of prediction structural fracture that paleostructure stress field is microscopically quantitative calculated.So we can well understand the fracture distribution in underground strata based on careful analysis to geological structure and numerical model coincides with the practice about the region of interest.It was influenced due to squeezing process from the SE direction during Late Crataceous and compressed from the NE direction in the period of Late Eocene-Early Oligocene in the Xuanhan-Daxian area of the northeast of Sichuan, China. The structural fracture development in Feixianguan formation in Lower Triassic series was effected by the two periods of structural action in Xuanhan-Daxian region. The fracture is an important geologic factor affecting the development of the oilfield. Through analysis of interaction in rock layers, calculation results on conjugate joints and mechanical twinning and using three dimensional finite element analysis method, we have obtained paleostructure stress in Feixianguan Formation of Xuanhan-Daxian region. We well know the distribution feature of paleostructure stress on the two periods. By threshold value-limited of the carbonatite burst, fracture area in Puguang and Maobawe blocks was predicted prediction. The integrated fracture rates give the basis to evaluate fracture strength. It provides the scientific geological basis for increasing the rate of drilling fractures and reducing the risk and cost of exploration and development.
Key words: structural stress fields    three dimensional finite element    Feixianguang Formation    structural fracture    Xuanhan-Daxian region    
1 研究区概况

川东北宣汉—达县地区位于四川盆地东北部,属于上扬子地台的一部分,处于大巴山前缘构造带和川东断褶带的交汇部位(见图 1)。正是处于这一特殊位置,川东北区域一直备受石油地质学家的关注,特别是川东北宣汉—达县地区普光气田的发现[1],使川东北地区的油气地质研究得到加强,并取得了较为丰硕的成果。倪新锋等[2]分析研究了川东北地区长兴组—飞仙关组沉积期沉积展布及其演化;郑荣才等[3]从层序地层学的角度入手,对飞仙关组层序地层学特征进行了研究,并依次对飞仙关组储集性能进行了评价;李淑荣等[4]应用常规测井和成像测井,结合岩心分析测试资料,识别出嘉陵江组、飞仙关组、长兴组岩性较纯的孔洞型和裂缝-孔洞型储集层;武丽等[5]针对该区域构造活动强烈、地层结构较为复杂等特点,分析测井响应特征和地震响应特征,建立了宣汉—达县地区飞仙关组储集层正演模型,对该区域储集层进行了预测和评价;秦建中等[6]应用地层温度、流体包裹体、储集层沥青镜下观测、Ro等分析资料,结合四川盆地沉积、构造演化特点以及川东北地区烃源岩的埋藏史、热演化史和成熟史,对川东北地区海相烃源岩多元动态生烃成藏过程进行细致解剖;唐大卿等[7]在综合分析区域构造演化的基础上,剖析普光和毛坝场气藏的综合特征,分析不同时期、不同应力场下宣汉—达县地区构造圈闭的形成与后期叠加改造。这些研究主要集中在宣汉—达县地区油气藏形成条件的论述上,较少有人关注不同构造带交汇部位的多期构造叠加对研究区飞仙关组裂缝形成的影响。本文尝试定量分析宣汉—达县地区的三维构造应力场,并以此来评价构造应力对宣汉—达县地区下三叠统飞仙关组裂缝的控制作用,进而指导宣汉—达县地区气藏的开发。

图 1 川东北宣汉—达县地区地质构造示意图 Figure 1 The schematic diagram on Xuanhan-Daxian region, Northeastern Sichuan Basin
2 川东北宣汉—达县地区构造特征

川东北宣汉—达县地区位于川东断褶带与大巴山前缘构造带的交汇部位,其构造演化主要与川东断褶带和大巴山前缘构造带向四川盆地逐渐扩展有较为密切的关系[8]。川东断褶带西起华蓥山断裂,东至齐岳山断裂,分东南和西北两段。东南段从齐岳山到七里峡南,为川东弧形构造,与北部的大巴山前缘构造带对突,形成向西开口的收敛双弧构造;西北段从七里峡到华蓥山,为川东断褶带向北西的扩展延续,其北东直接正交于北部的大巴山前缘构造带[9~10]。江南隆起中生代以来的陆内造山作用是川东断褶带向北西扩展的主动力[11]。大巴山构造带位于安康断裂带和铁溪—巫溪隐伏断裂带之间[12],依据城口断裂、镇巴断裂和鸡鸣寺断裂,可将大巴山构造带自北向南分成北带(北大巴山推覆构造带)、中带(南大巴山冲断带)和南带(南大巴山推覆前缘褶皱带)[13]。大巴山构造带向南西方向扩展的动力来源于秦岭碰撞造山后期扬子板块北缘A型俯冲提供的向南的挤压应力[14]

晚侏罗世—早白垩世,川东和大巴山地区均发生了强烈挤压作用。来自江南-雪峰南东方向和大巴山北东方向的挤压作用使得川东断褶构造带和大巴山前缘构造带在交汇部位发生构造干扰与复合[15],南东和北东方向的挤压作用还未影响到宣汉—达县地区。晚白垩世大巴山构造带处于平静阶段,而江南-雪峰构造带的活动持续加强,递进变形影响到宣汉—达县地区,形成一系列北东向构造。始新世晚期—渐新世早期,江南-雪峰构造趋于平静,大巴山构造带重新“活化”,将其构造活动影响范围扩展到宣汉—达县地区,形成一系列北西向构造,并对早期北东向构造叠加、改造[10, 16]。宣汉—达县地区野外构造形迹的交切、限制等复合关系也证明了北西向构造晚于北东向构造发育[17]。因此本次研究认为:由于晚白垩世江南-雪峰构造带自南东向北西扩展,宣汉—达县地区受到来自南东向的挤压作用;始新世晚期—渐新世早期宣汉—达县地区则受到大巴山构造带自北东向南西的挤压作用(见图 2)。

图 2 大巴山构造带与江南-雪峰构造带活动时序[16] Figure 2 Ages of evolutionary characteristics in Daba Mountain and Jiangnan-Xuefeng tectonic zones

宣汉—达县地区各个层段厚度及岩石物理性质等方面存在差异,它们在构造作用下表现出不同的形变特征。根据构造分异特征,在纵向上构造层又可分为上形变层、主滑脱层Ⅰ、中形变层、主滑脱层Ⅱ、下形变层(见图 3)。

图 3 川东北宣汉—达县地区构造层(NM-00-44) Figure 3 Structural layeres in Xuanhan-Daxian region, Northeastern Sichuan Basin

上形变层是指中三叠统雷口坡组向上到地表的岩层;滑脱层Ⅰ由雷口坡组至嘉陵江组四段的膏盐岩组成,上形变层所发育的断层向下中止于滑脱层Ⅰ,中形变层所发育的断层向上也消失于滑脱层Ⅰ;中形变层由下三叠统嘉陵江组四段到寒武系中部,该层脆性强,产生大量的断裂和褶皱,成为构造最复杂、圈闭最发育的地带;滑脱层Ⅱ主体为寒武系筇竹寺组页岩,为一平缓带,中形变层所发育的断层向下基本在该层中消失;下形变层从寒武系底部到基底顶面,该形变层构造起伏较小,且向下逐渐变缓,褶皱及断裂均不发育。

下三叠统飞仙关组位于中形变层,主要由分水岭西和彭家坝断层所夹持的分水岭-铁山构造带、毛坝场西和毛坝场东断层所夹持的毛坝场-双庙场构造带、雷音铺西和雷音铺东断层所夹持的土主-雷音铺构造带、东岳寨西和东岳寨东断层所夹持的东岳寨-双石庙构造带以及清溪场构造带和宣汉构造带组成(见图 4)。

图 4 宣汉—达县地区数值模拟区域 Figure 4 The numerical calculation domain for Xuanhan-Daxian region
3 构造应力场模拟

构造应力场的数值模拟主要应用有限元方法,分析构造应力场的展布状况。已有的利用有限元方法解决石油地质问题的研究[18~19],主要集中在以下3个方面:① 通过应力场分析流体势,研究构造应力场与油气运移之间的关系[20~22];② 构造应力场与岩石破裂准则相结合预测断裂的发育[23~24];③ 构造应力场与流体渗流场耦合分析(流固耦合),讨论构造应力场对流体运移的贡献[25~26]。但这些研究多是基于二维分析或者用一系列平面和剖面代替三维分析,真正意义上的三维有限元数值模拟较少,很少考虑不同力学层之间应力场的相互影响。本文将从三维构造应力场数值模拟着手,将整个研究区的沉积盖层纳入数值模拟范畴,全面分析宣汉—达县地区燕山晚期和喜马拉雅期飞仙关组构造应力大小及分布,进而深入探讨不同期次构造活动对飞仙关组裂缝发育的控制。

3.1 几何模型 3.1.1 目标选择

三维有限元分析能够考虑层面形态及各层不同岩石物理属性受力差异之间的相互影响[27]。本次研究充分考虑川东北宣汉—达县地区各个变形层和滑脱层之间相互影响,建立基于研究区域的三维有限单元模型。研究区燕山晚期、喜马拉雅期分别受到南东和北东方向的挤压作用。为了使模型受力状态更接近实际,将整个研究区的模拟对象设计为北东向矩形体。模型短边为36.7 km,长边为49.4 km,面积1812.8 km2,垂向各个研究层面为各自地震解释的实际深度(见图 4)。

3.1.2 垂向目的层段的粗化与归并

宣汉—达县地区整个沉积盖层较厚,且原始的沉积环境及在成岩过程中所经历的物理化学作用较为复杂,致使垂向上发育的岩石类型变化较为频繁。为了提高计算速度和模拟结果的精度,本文综合考虑岩性特征及层面资料限制,将整个模拟层进行粗化合并,结果如表 1

表 1 研究区力学层划分 Table 1 Mechanical layers division about study area

由地表至变质岩基底将研究区大致划分出8个力学层:C1层为棕红色泥岩与紫灰色岩屑长石砂岩夹有薄层黑色页岩,包含下白垩统苍溪组—中侏罗统千佛崖组;C2层为灰黑色泥页岩夹岩屑砂岩,由中侏罗统千佛崖组底—上三叠统须家河组底面;C3层以灰白色膏岩为主,含少量的灰色云岩,自上三叠统须家河组底面—下三叠统嘉陵江组四段底面;C4层大套的砂屑、粒屑、鲕粒灰岩十分明显,底部可见生物灰岩中含有燧石层和硅质岩,平均厚度约1600 m,主要由下三叠统嘉陵江组四段底面—上二叠统底面之间地层构成;C5层由深灰色微晶灰岩夹硅质岩和结核组合而成,主要为下二叠统;C6层揽括了二叠系底面—奥陶系底面间所有地层,结晶灰岩为主;C7层由平均厚度300 m左右的灰色、深灰色页岩构成,主要为寒武系;C8层包含自寒武系底至基底顶所有岩层。

3.2 物理模型 3.2.1 材料属性的确定

几何模型仅仅展示了研究区地层格架的空间形态,真正能够参与计算的是物理结构模型。本文模拟的对象为整个宣汉—达县地区基底顶面—地表沉积盖层,其各层段岩石力学参数根据野外采集露头岩样,在实验室进行三轴岩石测试所获得(见表 2)。

表 2 宣汉—达县地区各个力学层力学物理参数 Table 2 Physical and mechanical Parameters of Mechanical layers on Xuanhan-Daxian region
3.2.2 网格单元划分

宣汉—达县地区受到不同期次、不同强度构造活动的影响,构造形态较为复杂,因此模型自动网格化相对较为困难。为了突显重点区块的应力特征以及减少人为误差,采用人工控制与自动相结合的方法,对研究区进行了网格化。依据C3D10M单元,兼顾计算机容量和复杂程度,从地质模型中抽象出力学模型,划分出72153个单元和98954个节点(见图 5)。

图 5 宣汉—达县地区三维有限元分析物理模型 Figure 5 Three dimensional finite element analysis of physical models on Xuanhan-Daxian region
3.2.3 边界条件确定

地质分析表明,宣汉—达县地区主要受到两期构造作用,晚白垩世受到南东—北西方向的挤压,形成北东向构造;始新世晚期—渐新世早期北东向挤压使研究区再次强烈活动。在地质分析的基础上,对模型进行了大量的试算。其中燕山晚期(晚白垩世)模型Ⅴ(底、西北、东北和西南4个面的zxy方向约束,对其东南面施加梯度作用力)和喜马拉雅期(始新世晚期—渐新世早期)模型Ⅳ(底、西北、东南和西南4个面的zxy方向约束,对其东北面施加梯度作用力)与宣汉—达县地区构造活动类似,并且计算结果与这两期的构造应力分布、大小等特征较为吻合。因此燕山晚期(晚白垩世)选择模型Ⅴ,喜马拉雅期(始新世晚期—渐新世早期)选择模型Ⅳ的边界条件做为最终的计算约束条件(见表 3)。

表 3 宣汉—达县地区物理模型边界条件 Table 3 The choice boundary conditions of physical models on Xuanhan-Daxian region
3.2.4 作用力大小

从宏观和微观两个方面对宣汉—达县地区燕山晚期和喜马拉雅期构造应力大小进行解析,宏观方面利用断层或节理共轭角通过数学解析获取古应力值[28];微观方面利用断裂中方解石脉的机械双晶求取应力值[29]

根据野外实测岩层中共轭断裂的共轭角,结合岩石三轴力学测试获得初始抗剪强度与抗压强度,确定研究区构造差应力值(见表 4)。计算结果显示,燕山晚期上、中侏罗统最大差应力平均值为217.08 MPa左右;喜马拉雅期上、中侏罗统所受到的最大差应力平均值约为123.7 MPa,偏小的值可能是局部应力的叠加导致共轭角有所变化形成的。

表 4 利用共轭角计算燕山晚期、喜马拉雅期最大差应力值 Table 4 Maximum differential stresses calculated by using conjugate angle in the Late Yanshan and Himalayan

燕山晚期构造活动形成的断裂很容易被角砾岩和方解石充填,喜马拉雅期构造活动会在这些角砾和脉体中留下痕迹,使晶形发生弯曲和膝折等变形。通过研究区脉体和角砾岩机械双晶的统计获得喜马拉雅期的差应力大小。统计分析显示,喜马拉雅期差应力介于76.92~142.86 MPa之间(见表 5),其平均差应力为109.74 MPa,与根据共轭角计算的值相差约14 MPa。造成这种差异的原因主要是,微观薄片的统计人为估算的因素较大,双晶率的统计会有所误差,但对整个模型的计算分析影响不大。

表 5 利用方解石机械双晶计算喜马拉雅期差应力 Table 5 The differential stresses using calcite mechanicaltwinning in the Himalayan epoch

综合共轭节理和机械双晶的统计分析,宣汉—达县地区燕山晚期的平均最大差应力为217.08 MPa,喜马拉雅期的平均差应力为123.7 MPa。从差应力来看燕山晚期的构造活动比喜马拉雅期强,在相同埋藏深度的区域,燕山晚期所产生的破碎要比喜马拉雅期严重。

3.3 古构造应力模拟

利用Abaqus软件对宣汉—达县地区构造应力进行三维有限元计算分析,结果显示,主滑脱层Ⅰ、Ⅱ与其他形变层相比构造应力值较小,较好地体现了形变层中所发育的构造消失于滑脱层中这一地质现象(见图 6)。下面针对下三叠统飞仙关组燕山晚期(晚白垩世)和喜马拉雅期(始新世晚期—渐新世早期)的应力大小进行详细讨论。

图 6 宣汉—达县地区最大剪应力三维分布图 Figure 6 The maximum shear stress three dimension distribution of Xuanhan-Daxian region
3.3.1 燕山晚期 3.3.1.1 最大主应力

模拟结果显示,分水岭—铁山、毛坝场—双庙场、雷音铺、东岳寨—双石庙等构造带最大主应力都为高值,构造带之间由低应力值区分割开,整体表现为北东向呈条带状展布,与研究区几个构造带有较好的对应关系,说明应力的不同导致飞仙关地层变形的差异,高应力值区致使岩层发生较为强烈的变形。最大主应力大于112.5 MPa区域主要分布在彭家坝断层西侧的铁山北、雷音铺和普光区域,由此可以判断铁山背斜北端、雷音铺背斜以及普光断鼻的形成与其有较为密切的关系(见图 4图 7)。

图 7 飞仙关组燕山晚期最大主应力分布图 Figure 7 The maximum principal stress distribution of Feixianguan formation in the Late Yanshan epoch

毛坝构造(沿mb2—mb1—mb3—mb4—mb5井北东向展布的条带状区域)、普光构造(pg3—pg11—pg8—pg10井所在区域)的高点与最大主应力区有些细微偏差。普光构造高点位于pg6、pg11井附近,而最大主应力大于112.5 MPa的区域位于pg104-3井周围,其应力值是pg6井周围应力值的6倍左右。毛坝构造最大主应力分布表现得较为平稳,沿着mb2—mb1—mb3—mb4—mb6井呈北东向条带状分布,与普光构造应力高值区域平行展布(见图 7)。

由此可知,整体上构造变形较为剧烈的区域,如断层和褶皱发育区,最大主应力均处于高值范围,但细微的高点和最大主应力高值分布点有些差异,说明构造变形的强弱与最大主应力有一定的关系,但并不完全由最大主应力控制,可能还与岩性和最大应变量有关。

3.3.1.2 最大剪应力

最大剪应力高值主要分布于东岳寨—普光构造带,在其他部位仅有零星的分布,如分水岭构造高部位以及双庙场、雷音铺局部区域,剪应力均高于112.5 MPa,往外扩边逐渐减小到111.5 MPa左右。毛坝区块与普光区块相比最大剪应力值要小的多,仅在mb1井和mb3井附近零星分布。从普光、毛坝构造局部来看,剪应力相对较大,仅在mb3井西部较小范围、大湾西北部、pg12井和pg10井附近最大剪应力较小(见图 8)。

图 8 飞仙关组燕山晚期最大剪应力分布图 Figure 8 The maximum shear stress distribution of Feixianguan formation in the Late Yanshan epoch
3.3.1.3 最大主应变量

宣汉—达县地区最大主应变量在3.8×10-3~4.02×10-3之间。最大主应变量较高的区域主要集中在铁山—分水岭、东岳寨—普光、双庙场、雷音铺、羊烈等构造点,低值区域主要分布在雷音铺和双庙场以西,约为3.8×10-3。表明燕山晚期应变量较大的区域与构造带部位有较好的吻合,说明构造变形能够较好地调节应变量差异。

在普光构造区域,pg1、pg101-2、pg104-3井为应变高值区,应变量可高达4.0×10-3;普光构造区其他大部分井,如pg12、pg103-4、pg304-1、pg305-2等井,应变量均大于3.9×10-3。而在毛坝构造区域,应变量分布在3.92×10-3~3.94×10-3范围内的主要有毛坝断块北部的mb3、mb4、mb6井(见图 9);大湾构造高点与毛坝构造高点之间的区域应变量最低,为3.8×10-3左右。

图 9 飞仙关组燕山晚期最大主应变量分布图 Figure 9 The maximum principal strain distribution of Feixianguan formation in the Late Yanshan epoch
3.3.2 喜马拉雅期 3.3.2.1 最大主应力

喜马拉雅期研究区受到北东—南西向挤压,导致飞仙关组呈现东北部和西南部为构造高部位,中间区域为构造低部位。中间区域仅在清溪场、宣汉—七里有较为低微的隆起。模拟计算显示,应力值越大的区域,褶皱隆起越高,宣汉—达县地区的东北部最大主应力值可高达67.2 MPa,这可能是川东断褶带的阻挡形成应力集中所致。清溪、七里也有北西向呈条带状的应力集中,最大主应力值为66.2~67.2 MPa之间。

普光、毛坝区块整体最大主应力值较低。靠近清溪北断层附近有应力集中,可达66.6 MPa左右;mb3—mb6井区与pg12—pg10井区最大主应力值相对较低,为63 MPa左右;其他部位,包括大湾,应力值分布较为均匀,集中在65 MPa左右(见图 10)。

图 10 飞仙关组喜马拉雅期最大主应力分布图 Figure 10 The maximum principal stress distribution of Feixianguan formation in the Himalayan epoch
3.3.2.2 最大剪应力

研究区东北和西南的两个端部,最大剪应力均在69 MPa以上,清溪场附近的高值区是清溪北断层发育的主要原因。中部的两个高值条带区将宣汉—达县中部分成5个较为明显的高、低值区相间分布的条带状:清溪向北西延伸至付家山;由宣汉起经过双庙场向北西延伸至彭家坝东北部,最大剪应力可达68.3 MPa。

普光—毛坝区块最大剪应力分布在64.4~66.7 MPa。高值区(>66.4 MPa)分布在区块的北部,主要集中在mb3井—pg101井一带,涵盖毛坝断块北部、大湾构造高点和普光鼻状构造的东北倾没端;低值区(<64.4 MPa)主要分布在老君场,并向西北延伸至mb2井附近区域(见图 11)。

图 11 飞仙关组喜马拉雅期最大剪应力平面分布图 Figure 11 The maximum shear stress distribution of Feixianguan formation in the Himalayan epoch
3.3.2.3 最大主应变量

最大主应变的分布与现今北西向构造较为吻合,特别是清溪和宣汉东一带。但在宣汉—达县地区东北部应变量整体较高的区域,毛坝构造应变量却显示出较周围低,这说明早期形成的北东向构造对后期的构造变形有一定的影响。普光—毛坝构造区应变量分布在0.00293~0.00305。最大值区出现在南部,与清溪北断层的发育有较大关系。在mb3—mb6井区和普光构造低值部位存在一个应变相对较高的区域,与独山坪东、西断层的再次活动有较大关系(见图 12)。

图 12 飞仙关组喜马拉雅期最大主应变量平面分布图 Figure 12 The maximum principal strain distribution of Feixianguan formation in the Himalayan epoch

结合宣汉—达县地区飞仙关组构造特征以及该区域燕山晚期、喜马拉雅期的最大主应变量和最大剪应力分析,发现应变量较大的区域均是飞仙关组变形较为强烈的区域[7],例如东岳寨—双石庙构造带、毛坝场—双庙场构造带等等,并且油气圈闭的形成与应变量之间有较好的对应关系;最大剪应力发育区域与断裂发育区均吻合较好,例如东岳寨西断层和清溪场北断层等等。这也进一步佐证了本次模拟的可信度。

4 裂缝预测 4.1 岩层破裂系数

马永生等[30]针对pg2井埋藏史研究发现宣汉—达县地区于燕山晚期—喜马拉雅期剥蚀近2868 m厚的陆相碎屑岩层,考虑其构造活动的强度以及持续时间,燕山晚期大约剥蚀将近1000 m的陆相碎屑岩层,喜马拉雅期剥蚀1868 m的陆相碎屑岩层。因此燕山晚期飞仙关组所承受的围压要比目前围压高约33.6 MPa,喜马拉雅期所承受的围压要比目前高约21.6 MPa(砂岩密度2.3 g/cm3)。结合三轴岩石力学测试所获得的飞仙关组岩石抗剪强度参数,计算得到飞仙关组岩石燕山晚期发生剪破裂的临界值为111.5 MPa,张破裂临界值为6.25 MPa;喜马拉雅期发生剪破裂的临界值为66.9 MPa,张破裂临界值为3.7 MPa。

4.2 裂缝发育范围 4.2.1 燕山晚期

① 张裂缝发育区  通过格里菲斯准则计算出研究区的等效张应力分布于5.55~6.46 MPa之间,高值主要分布在普光构造与双庙场构造,等效张应力值最高可达6.46 MPa。等效张应力大于6.25 MPa范围主要集中在普光构造,除pg3井、pg101井、pg12井、pg103-4井、pg10井等效张应力位于临界张应力以下,其他井均发生张破裂。从等效张应力强度看,自pg302-1井往北东至pg1井的条带状范围内,张破裂程度最高(见图 13a)。

图 13 普光-毛坝区块飞仙关组燕山晚期裂缝发育区 Figure 13 The fracture distributions of Feixianguan Formation in the Puguang-Maoba block during Late Yanshan epoch

② 剪裂缝发育区  燕山晚期发生剪破裂的临界值为111.5 MPa,根据最大剪应力计算结果,发现剪破裂主要发育在mb1井及周缘、mb3井及周缘、普光大部分区域及土主构造局部。其中pg1井区、pg104-3—pg101-2井区、pg101-3井北部区域、普光6井附近区域、普光302-1井南部零星部位剪破裂程度较高(见图 13b)。

③ 综合破裂率  根据野外相似露头、岩心的观测以及成像测井解释统计分析,燕山晚期张裂缝约占所统计裂缝的25%,剪切裂缝约占所统计裂缝的75%。依据这一数据综合运算获得普光、毛坝构造带岩层综合破裂率,结果表明:燕山晚期,破裂率大于1的区域主要分布于普光构造带,并向西北延伸,毛坝构造带大部分在0.996~1.004范围之间。说明燕山晚期普光构造带的裂缝发育程度高于毛坝构造带(见图 14a)。

图 14 普光-毛坝区块飞仙关组破裂程度 Figure 14 Fracturing degrees of Feixianguan Formation in the Puguang-Maoba block
4.2.2 喜马拉雅期

① 张裂缝发育区  宣汉—达县地区等效张应力分布在3.33~3.87 MPa之间。普光—毛坝区块的北部发育张破裂(等效张应力大于3.7 MPa):位于mb1井—pg103-1井一线以北的区域,依据等效张应力的大小来看,张破裂最为发育的区域为mb3、mb4、mb6井以及pg104-3、pg1、pg101、pg3井周围区域(见图 15a)。

图 15 普光-毛坝区块飞仙关组喜马拉雅期裂缝发育区 Figure 15 The fracture distributions of Feixianguan Formation in the Puguang-Maoba block during Himalayan epoch

② 剪裂缝发育区  喜马拉雅期剪破裂主要发育在普光—毛坝区块以北的区域,涵盖了毛坝断块所有的钻井。单从剪应力大小分析,mb3、mb4、mb6井剪裂缝较为发育,向西南逐渐减小,直至剪破裂不发育。普光构造带,剪破裂仅发育于区块北部少量的井区,尤其以pg3井、pg101井附近剪裂缝最为发育,其次为pg1井周缘。整体显示愈靠近普光北西向构造高点,喜马拉雅期剪破裂愈不发育。在普光构造的南部区域也有剪应力高值发育区,直接控制着清溪北断层和老君南断层的发育(见图 15b)。

③ 综合破裂率  根据野外露头和有限的岩性统计分析,喜马拉雅期张裂缝约占所统计裂缝的30%,剪切裂缝约占所统计裂缝的70%。依据这一数据综合运算获得普光-毛坝构造带岩层综合破裂率,结果表明:喜马拉雅期,破裂率大于1的情况主要出现在毛坝、普光的北部区域,并将大湾构造高点涵盖在内。以pg6井为代表的普光构造高点破裂率仅为0.976,说明喜马拉雅期裂缝发育较强的区域主要为毛坝构造带,喜马拉雅期构造活动对毛坝场改造强度高于普光区域(见图 14b)。

古构造应力场分析以及岩石破裂程度预测表明,燕山晚期飞仙关组裂缝发育范围以普光区域为主,且裂缝发育程度较毛坝场区域要高。普光构造带的裂缝发育带集中于普光背斜端部,沿pg6—pg301-2—pg101-3—pg101-2井向北东向延伸,且综合破裂率均在1.01以上;而毛坝区域裂缝发育范围、破裂程度均要小的多。喜马拉雅期,毛坝构造处于破裂发育带内,而普光构造仅仅其北东局部区域裂缝发育,整体表现为沿pg3—mb4井一线以北的区域裂缝发育,破裂率均在1.00以上。但是从两期构造的应力场大小以及应变量来看,普光构造带的破裂程度要高于毛坝构造带,这一点从实际的岩心统计中也可以得到较好体现(见图 16)。

图 16 普光、毛坝区块岩心裂缝密度统计 Figure 16 Fracture density statistic to cores in the Puguang and Maoba blocks
5 讨论与结论

川东陆内挤压褶皱带有其自身的分异性变形[10],宣汉—达县地区三维构造应力场模拟将整个沉积盖层综合起来研究,较好地体现各个形变层之间的差异,展现了层与层之间的相互影响。因此三维有限元分析能够完整再现古构造应力场的分布状况,这对油气藏勘探开发具有重要意义。

通过对川东北宣汉—达县地区地质和构造演化分析,利用三维有限元数值模拟技术对研究区飞仙关组燕山晚期和喜马拉雅期的构造应力场进行了计算,发现燕山晚期构造作用强度普遍大于喜马拉雅期,燕山晚期形成的圈闭数量要多于喜马拉雅期,同时应变量大的区域与目前构造变形大的区域吻合较好,在研究区构造变形较大的区域多形成背斜圈闭,同时应变量强度大小与背斜圈闭的规模对应较好,因此应变量强度大小能够有效指导油气圈闭勘探。

在构造应力场模拟的基础上,结合岩石破裂准则对宣汉—达县地区普光和毛坝区块的裂缝分布预测表明,燕山晚期破裂主要集中在普光区块,呈北东向分布,裂缝发育强度最大的区域集中在pg1、pg101-2、pg6井附近区域,毛坝区块仅有零星区域发育剪裂缝;喜马拉雅期破裂区域位于普光—毛坝区块的北部,mb2井—pg12井以南的区域裂缝基本不发育。这对宣汉—达县地区开发调整具有非常重要的参考决策意义。

虽然三维有限元数值模拟较好地展现了古构造应力场的分布、并可预测出裂缝发育区,指导油气勘探开发,但仍有一些问题没有有效解决。地壳中种类繁杂的地质构造形态、构造类型、多因素的构造成因是在漫长地质演化过程中累积形成的,这种复杂的地质演化过程是个动态的过程,很难用单一的方法、手段重现,所以目前利用静态观点简化处理岩层所经历的构造活动,有一定的局限性。其次控制岩石物理性质和地质构造特征的因素多种多样,不同地区有不同特点,即便是同一地区,甚至是同一储集层,其特征也是有差异的,很难用单一的岩石物理参数描述整个模拟对象,因此古构造应力场数值模拟还需进一步的深入研究。

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