1. 引言

火山巖油氣儲層在我國西南、西北、東北等區(qū)域有廣泛的賦存，是目前致密油氣藏開發(fā)的一個熱點(diǎn)[1-7]。對于火山巖儲層，由于只有在裂縫中才有油氣存在，沒有裂縫的地方就沒有油氣。準(zhǔn)確地確定天然裂縫的分布位置就是開發(fā)油氣成功的關(guān)鍵因素。

 

利用地震波解釋確定天然裂縫分布只能發(fā)現(xiàn)斷距較大的天然裂縫。地震波解釋對于斷距較小的天然裂縫/斷層破碎帶的識別精度比較低。采用損傷力學(xué)方法，通過 Abaqus 有限元軟件來模擬構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的天然裂縫分布，則不受斷距的限制。因此，損傷力學(xué)方法識別致密儲層的天然裂縫是一個準(zhǔn)確度較高的技術(shù)方法。

 

下面首先給出目標(biāo)區(qū)塊的三維精細(xì)地質(zhì)模型。之后介紹在此基礎(chǔ)上建立的區(qū)塊有限元模型，包括模型網(wǎng)格、載荷及邊界條件、損傷力學(xué)模型材料參數(shù)等模型細(xì)節(jié)。最后給出數(shù)值計算結(jié)果及分析。

 

2. 計算原理和流程

采用地質(zhì)力學(xué)損傷力學(xué)直接模擬法計算天然裂縫分布數(shù)值解的流程包括如下步驟：

（1）地質(zhì)模型分析。結(jié)合資料進(jìn)行沉積歷史-地層形成順序分析，建立區(qū)塊內(nèi)各地層的

幾何及力學(xué)屬性；

（2）地層構(gòu)造運(yùn)動及應(yīng)力場特征分析。根據(jù)地殼運(yùn)動歷史/造山運(yùn)動中的主要事件，確定相應(yīng)的位移量或應(yīng)力場分布。這是一個迭代過程，需要根據(jù)后面的數(shù)值結(jié)果中損傷變量場分布和觀測已知的天然裂縫差別信息來調(diào)整參數(shù)取值。

 

（3）天然裂縫/斷層破碎帶有限元數(shù)值模型。采用地質(zhì)力學(xué)數(shù)值計算工具模擬地層變

形、采用損傷力學(xué)材料模型模擬天然裂縫/斷層破碎帶的形成與分布；

（4）重點(diǎn)層位的子模型天然裂縫/斷層破碎帶計算。在重點(diǎn)層位，結(jié)合使用子模型技術(shù)

來提高計算得到的天然裂縫/斷層破碎帶分布的數(shù)值結(jié)果的精度；

（5）區(qū)塊有限元模型參數(shù)辨識。將得到的主要大尺度的裂縫/斷層的位置規(guī)模數(shù)值結(jié)果與已觀測發(fā)現(xiàn)的斷層/裂縫的結(jié)果進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果來迭代修正模型參數(shù)至計算結(jié)果相符。這些參數(shù)包括載荷/邊界條件模型參數(shù)和塑性損傷材料模型兩大類的參數(shù)。

 

計算工作流程中的前 4 步實(shí)際上是建立地質(zhì)力學(xué)損傷力學(xué)模型、進(jìn)行模型參數(shù)識別、確定載荷和材料參數(shù)取值的過程。最后一步是應(yīng)用經(jīng)過標(biāo)定的模型去預(yù)測天然裂縫 3 維分布情況。

 

3. 目標(biāo)區(qū)塊地質(zhì)模型

吐哈油田牛圈湖構(gòu)造帶是一處地質(zhì)年代主要為二疊紀(jì)-三疊紀(jì)以及侏羅紀(jì)生成的火山巖致密油儲層。它位于馬朗凹陷中北部，近東西向展布，北界受近東西向斷裂控制的大型鼻狀構(gòu)造帶，向西傾沒于馬朗凹陷沉降主體與有效生烴區(qū)，二疊系、三疊紀(jì)、侏羅系疊置含油。構(gòu)造帶東西長 35km，南北寬 6km，面積約 216km2，西低東高，侏羅系高差約1300m。

 

牛圈湖構(gòu)造帶控制斷裂是上古生代火山噴發(fā)時的重要通道，在三疊紀(jì)初的南北向擠壓構(gòu)造運(yùn)動中，馬朗凹陷北部整體抬升為斜坡，同時該斷裂是擠壓應(yīng)力釋放的重要部位，形成了牛圈湖低幅度背斜和鼻狀構(gòu)造帶雛形。燕山期該斷裂持續(xù)活動，且具有同生逆斷層的性質(zhì)。喜馬拉雅期斷裂不斷向東延伸，東部抬升幅度總體較大，形成大型鼻狀構(gòu)造帶。

 

3.1 目標(biāo)油田某區(qū)塊的三維地質(zhì)模型

圖 1 為簡化了的地震波數(shù)據(jù)生成的地質(zhì)層面構(gòu)造圖。這里以全范圍 T3 以及 P2l 層位進(jìn)行整體約束，結(jié)合小范圍區(qū)域內(nèi)已有單井分層數(shù)據(jù)，建立初始構(gòu)造模型。在進(jìn)行初始的層面構(gòu)造分析時發(fā)現(xiàn)：由于很多單井分層只劃分了大層，無小層劃分?jǐn)?shù)據(jù)，因此仍存在過多層面交叉問題。

 

此外還發(fā)現(xiàn)下述問題：1、提供的兩個層位 T3 與 P2t 無地震解釋結(jié)果。根據(jù)單井的分層信息，由分層進(jìn)行內(nèi)插得出層面的位置。在具有多口單井信息的情況下，分層海拔深度

 

在小區(qū)域范圍內(nèi)有明顯差異。因此層面上異常點(diǎn)較多，造成兩個層位有多處穿插區(qū)域。2、每口井所包含的分層較亂。同一個小區(qū)塊井組內(nèi)，缺失分層，數(shù)據(jù)信息不穩(wěn)定。例如同一平臺，井 A 缺失 1、2、3、4 中的 2 層，井 B 缺失 1、2、3、4 中的 3 層，但從周邊井情況來看，實(shí)際上每口井都應(yīng)該具備 1、2、3、4 這 4 層，因此造成了在進(jìn)行無層面地層差值時地層穿插情況嚴(yán)重。為了解決這些問題，在建立地質(zhì)模型時采取了下述措施：

 

1）通過已有的 T3 層層面數(shù)據(jù)，分析層面層異常點(diǎn)位置的井?dāng)?shù)據(jù)，如有明顯異常分層，則刪除該井不參與層面內(nèi)插。

2）分別通過內(nèi)插重新創(chuàng)建每個地層對應(yīng)的層面。

3）通過分析每個層分布形態(tài)，依據(jù)地層缺失和穿插范圍，刪除掉每層因地層缺失而造成的無明顯構(gòu)造區(qū)域，保留剩余層位用于趨勢控制。

4）建立初始構(gòu)造模型，以 T3 為整體趨勢控制層，獲取每層的整體趨勢分布。

5）選取具備明顯不同構(gòu)造特層的兩個層，T3 以及 C2h 用于構(gòu)造模型趨勢約束，結(jié)合井口海拔深度層 Top，以及海拔深度-2800 米層 Base，建立構(gòu)造模型。

 

 

圖 1、簡化了的地震波數(shù)據(jù)生成的地質(zhì)層面構(gòu)造圖。

 

圖 2 為本文根據(jù)地震波數(shù)據(jù)并結(jié)合單井層位信息建立的三維地質(zhì)構(gòu)造模型。采取平面網(wǎng)格 50*50m，總體網(wǎng)格數(shù) 455,364 個。

 

圖中的區(qū)塊地質(zhì)模型長寬高尺寸分別為：長 8.5 千米, 寬 6.5 千米，厚度約 2.05 千米。因?yàn)檠芯繉ο鬄橘_紀(jì)及其以前地質(zhì)年代已經(jīng)存在的地層，因此模型頂面海拔約為-750米，平坦。這個深度以上的地層為可以忽略。最下層是為了引入位移約束而加的一個層位,

 

下底面設(shè)為平面。模型中包括了 4 個地層，分別為頂層、三疊紀(jì)小泉溝組、條湖組、以及底層。各層之間以地質(zhì)分層界面為界。其中的三疊紀(jì)小泉溝組和條湖組為目的層儲層。

 

 

 

圖 2、三維地質(zhì)構(gòu)造模型

 

3.2 火山巖地層天然裂縫生成的力學(xué)機(jī)制分析

根據(jù)地質(zhì)資料研究結(jié)果，牛圈湖區(qū)塊火山巖儲層先后經(jīng)歷的火山活動及三疊紀(jì)造山運(yùn)動。本項目研究將裂縫產(chǎn)生過程分成兩個階段：第一階段是火山活動造成的天然裂縫，這個階段產(chǎn)生的主要是張開裂縫。第二個階段是三疊紀(jì)造山運(yùn)動產(chǎn)生的裂縫，主要是壓縮裂縫。

 

為了研究和驗(yàn)證火山巖地層天然裂縫生成的力學(xué)機(jī)制分析，我們結(jié)合圖 1 給出的區(qū)塊三維地質(zhì)模型，建立有限元模型。結(jié)合損傷力學(xué)正演計算，用試算法，試算確定造山構(gòu)造運(yùn)動的擠壓載荷方向和大小。

 

本計算采用了文獻(xiàn)[8-9]介紹的損傷力學(xué)本構(gòu)模型。這個模型采用了拉伸損傷 dt 和壓縮損傷 dc 兩個標(biāo)量變量來代表材料的損傷演化機(jī)理。采用綜合損傷變量標(biāo)量 Sdeg 來綜合表達(dá) dt 和 dc 造成的材料破壞程度。相關(guān)的損傷力學(xué)模型參數(shù)包括損傷演化率和損傷起始準(zhǔn)則的描述可見文獻(xiàn)[8-9]。模型參數(shù)取值是通過”試算-現(xiàn)象匹配”的方法來確定的。經(jīng)過反復(fù)多次試算，火山巖儲層材料的損傷演化率的參數(shù)取值列于表 1 和表 2 中。

 

表 1、壓縮損傷模型參數(shù)表

 

 

表 2、拉伸損傷模型參數(shù)表

 

圖 5、初始應(yīng)變主方向角α=15o 時的損傷場數(shù)值解云圖平面視圖。

 

3.3 火山巖地層天然裂縫分布的損傷力學(xué)數(shù)值解

圖 3(a)給出構(gòu)造運(yùn)動加載方位角α=0 o時即沿正南正北方向時，三疊紀(jì)小泉溝組儲層中的損傷場即天然裂縫分布數(shù)值解云圖的平面視圖。圖 3(b)給出了根據(jù)地震波數(shù)據(jù)解析得到的天然裂縫分布圖。數(shù)值結(jié)果顯示：小泉溝組儲層中，中間偏東部的區(qū)域破碎帶呈較寬的帶狀，分布較廣。區(qū)塊中間偏西部分的天然裂縫呈窄條狀分布。已知的三口井牛 122、牛118、以及湖 201, 這 3 口井均處在天然裂縫破碎帶邊緣。這個位置的井壁穩(wěn)定性最佳，但是產(chǎn)量不是最佳。

 

和圖 3(b)中已知的天然裂縫分布信息相比較, 圖 3(a)中顯示的根據(jù)損傷力學(xué)模型得到的天然裂縫破碎帶數(shù)值解具有與之相同的趨勢。在破碎帶寬度信息方面，損傷力學(xué)得到的破碎帶信息具有更多的細(xì)節(jié)。

 

圖 4 為 XoZ-橫截面顯示的損傷破碎帶天然裂縫分布數(shù)值計算結(jié)果。破碎帶在深度方向的分布是傾斜的，不完全是垂直的。

 

 

圖 3、三疊紀(jì)小泉溝組儲層中的損傷變量即天然裂縫分布云圖（頂部平面視圖）。

 

 

圖 4、橫截面顯示的三疊紀(jì)小泉溝組儲層中損傷破碎帶

 

 

圖 5、條湖組儲層中的損傷變量即天然裂縫分布云圖（頂部平面視圖）。

 

圖 5 給出了條湖組儲層的損傷場即天然裂縫分布數(shù)值解云圖的平面視圖。數(shù)值結(jié)果顯示：條湖組儲層中，天然裂縫分布的狀態(tài)模式與三疊紀(jì)小泉溝組中的天然裂縫分布狀態(tài)類似。已知的三口井牛 122、牛 118、以及湖 201, 其中湖 201 所在位置為局部破碎帶上，產(chǎn)量較好。牛 122、牛 118 井均處在天然裂縫破碎帶邊緣。這個位置的井壁穩(wěn)定性最佳，但是產(chǎn)量不是最佳。

 

圖 6 為 XoZ-橫截面顯示的條湖組儲層中損傷破碎帶天然裂縫分布數(shù)值計算結(jié)果。破碎帶在深度方向的分布是傾斜的，不完全是垂直的。

 

 

圖 6、橫截面顯示的條湖組儲層中的損傷變量即天然裂縫分布云圖。

 

4. 結(jié)束語

本文使用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)模型和有限元數(shù)值模擬技術(shù)，研究了吐哈油田牛圈湖區(qū)塊三疊紀(jì)小泉溝組和條湖組儲層中的天然裂縫分布情況，得到了損傷變量局部化帶所代表的天然裂縫分布數(shù)值解。將天然裂縫分布數(shù)值結(jié)果及其與地震波分析得到的觀測解進(jìn)行比較，結(jié)果表明：

1）天然裂縫分布的損傷力學(xué)有限元數(shù)值解與根據(jù)地震波分析得到的觀測解是一致的：

（1）走向一致；（2）位置分布大致相同，細(xì)節(jié)有差別。

2）區(qū)塊儲層中間偏東部的區(qū)域天然裂縫破碎帶呈較寬的帶狀，分布較廣。區(qū)塊中間偏西部分的天然裂縫呈窄條狀分布。

3）數(shù)值結(jié)果中，三疊紀(jì)小泉溝組中的損傷變量 SDEG 的最大值為 0.2678，即破碎程度為 26.78%。損傷局部化帶的寬度為約 50 米 - 1 千米。條湖組中的損傷變量 SDEG 的最大值為 0.2569，即破碎程度為 25.69%。損傷局部化帶的寬度為約 50 米 - 1 千米。

 

本文的研究結(jié)果表明：三維損傷力學(xué)模型和有限元數(shù)值分析技術(shù)相結(jié)合，能較好地模擬火山巖儲層火山活動疊加構(gòu)造運(yùn)動造成的天然裂縫三維空間分布，包括裂縫分布的方位角、裂縫寬度、斷層破碎程度、上下貫通程度等信息。損傷力學(xué)正演識別天然裂縫技術(shù)對于天然裂縫/斷層落差較小、常規(guī)地震波等手段難以識別的區(qū)塊來說尤其有用。

 

資料來源：達(dá)索官方