1. 引言

火山岩油气储层在我国西南、西北、东北等区域有广泛的赋存，是目前致密油气藏开发的一个热点[1-7]。对于火山岩储层，由于只有在裂缝中才有油气存在，没有裂缝的地方就没有油气。准确地确定天然裂缝的分布位置就是开发油气成功的关键因素。

 

利用地震波解释确定天然裂缝分布只能发现断距较大的天然裂缝。地震波解释对于断距较小的天然裂缝/断层破碎带的识别精度比较低。采用损伤力学方法，通过 Abaqus 有限元软件来模拟构造运动产生的天然裂缝分布，则不受断距的限制。因此，损伤力学方法识别致密储层的天然裂缝是一个准确度较高的技术方法。

 

下面首先给出目标区块的三维精细地质模型。之后介绍在此基础上建立的区块有限元模型，包括模型网格、载荷及边界条件、损伤力学模型材料参数等模型细节。最后给出数值计算结果及分析。

 

2. 计算原理和流程

采用地质力学损伤力学直接模拟法计算天然裂缝分布数值解的流程包括如下步骤：

（1）地质模型分析。结合资料进行沉积历史-地层形成顺序分析，建立区块内各地层的

几何及力学属性；

（2）地层构造运动及应力场特征分析。根据地壳运动历史/造山运动中的主要事件，确定相应的位移量或应力场分布。这是一个迭代过程，需要根据后面的数值结果中损伤变量场分布和观测已知的天然裂缝差别信息来调整参数取值。

 

（3）天然裂缝/断层破碎带有限元数值模型。采用地质力学数值计算工具模拟地层变

形、采用损伤力学材料模型模拟天然裂缝/断层破碎带的形成与分布；

（4）重点层位的子模型天然裂缝/断层破碎带计算。在重点层位，结合使用子模型技术

来提高计算得到的天然裂缝/断层破碎带分布的数值结果的精度；

（5）区块有限元模型参数辨识。将得到的主要大尺度的裂缝/断层的位置规模数值结果与已观测发现的断层/裂缝的结果进行对比，根据对比结果来迭代修正模型参数至计算结果相符。这些参数包括载荷/边界条件模型参数和塑性损伤材料模型两大类的参数。

 

计算工作流程中的前 4 步实际上是建立地质力学损伤力学模型、进行模型参数识别、确定载荷和材料参数取值的过程。最后一步是应用经过标定的模型去预测天然裂缝 3 维分布情况。

 

3. 目标区块地质模型

吐哈油田牛圈湖构造带是一处地质年代主要为二叠纪-三叠纪以及侏罗纪生成的火山岩致密油储层。它位于马朗凹陷中北部，近东西向展布，北界受近东西向断裂控制的大型鼻状构造带，向西倾没于马朗凹陷沉降主体与有效生烃区，二叠系、三叠纪、侏罗系叠置含油。构造带东西长 35km，南北宽 6km，面积约 216km2，西低东高，侏罗系高差约1300m。

 

牛圈湖构造带控制断裂是上古生代火山喷发时的重要通道，在三叠纪初的南北向挤压构造运动中，马朗凹陷北部整体抬升为斜坡，同时该断裂是挤压应力释放的重要部位，形成了牛圈湖低幅度背斜和鼻状构造带雏形。燕山期该断裂持续活动，且具有同生逆断层的性质。喜马拉雅期断裂不断向东延伸，东部抬升幅度总体较大，形成大型鼻状构造带。

 

3.1 目标油田某区块的三维地质模型

图 1 为简化了的地震波数据生成的地质层面构造图。这里以全范围 T3 以及 P2l 层位进行整体约束，结合小范围区域内已有单井分层数据，建立初始构造模型。在进行初始的层面构造分析时发现：由于很多单井分层只划分了大层，无小层划分数据，因此仍存在过多层面交叉问题。

 

此外还发现下述问题：1、提供的两个层位 T3 与 P2t 无地震解释结果。根据单井的分层信息，由分层进行内插得出层面的位置。在具有多口单井信息的情况下，分层海拔深度

 

在小区域范围内有明显差异。因此层面上异常点较多，造成两个层位有多处穿插区域。2、每口井所包含的分层较乱。同一个小区块井组内，缺失分层，数据信息不稳定。例如同一平台，井 A 缺失 1、2、3、4 中的 2 层，井 B 缺失 1、2、3、4 中的 3 层，但从周边井情况来看，实际上每口井都应该具备 1、2、3、4 这 4 层，因此造成了在进行无层面地层差值时地层穿插情况严重。为了解决这些问题，在建立地质模型时采取了下述措施：

 

1）通过已有的 T3 层层面数据，分析层面层异常点位置的井数据，如有明显异常分层，则删除该井不参与层面内插。

2）分别通过内插重新创建每个地层对应的层面。

3）通过分析每个层分布形态，依据地层缺失和穿插范围，删除掉每层因地层缺失而造成的无明显构造区域，保留剩余层位用于趋势控制。

4）建立初始构造模型，以 T3 为整体趋势控制层，获取每层的整体趋势分布。

5）选取具备明显不同构造特层的两个层，T3 以及 C2h 用于构造模型趋势约束，结合井口海拔深度层 Top，以及海拔深度-2800 米层 Base，建立构造模型。

 

 

图 1、简化了的地震波数据生成的地质层面构造图。

 

图 2 为本文根据地震波数据并结合单井层位信息建立的三维地质构造模型。采取平面网格 50*50m，总体网格数 455,364 个。

 

图中的区块地质模型长宽高尺寸分别为：长 8.5 千米, 宽 6.5 千米，厚度约 2.05 千米。因为研究对象为侏罗纪及其以前地质年代已经存在的地层，因此模型顶面海拔约为-750米，平坦。这个深度以上的地层为可以忽略。最下层是为了引入位移约束而加的一个层位,

 

下底面设为平面。模型中包括了 4 个地层，分别为顶层、三叠纪小泉沟组、条湖组、以及底层。各层之间以地质分层界面为界。其中的三叠纪小泉沟组和条湖组为目的层储层。

 

 

 

图 2、三维地质构造模型

 

3.2 火山岩地层天然裂缝生成的力学机制分析

根据地质资料研究结果，牛圈湖区块火山岩储层先后经历的火山活动及三叠纪造山运动。本项目研究将裂缝产生过程分成两个阶段：第一阶段是火山活动造成的天然裂缝，这个阶段产生的主要是张开裂缝。第二个阶段是三叠纪造山运动产生的裂缝，主要是压缩裂缝。

 

为了研究和验证火山岩地层天然裂缝生成的力学机制分析，我们结合图 1 给出的区块三维地质模型，建立有限元模型。结合损伤力学正演计算，用试算法，试算确定造山构造运动的挤压载荷方向和大小。

 

本计算采用了文献[8-9]介绍的损伤力学本构模型。这个模型采用了拉伸损伤 dt 和压缩损伤 dc 两个标量变量来代表材料的损伤演化机理。采用综合损伤变量标量 Sdeg 来综合表达 dt 和 dc 造成的材料破坏程度。相关的损伤力学模型参数包括损伤演化率和损伤起始准则的描述可见文献[8-9]。模型参数取值是通过”试算-现象匹配”的方法来确定的。经过反复多次试算，火山岩储层材料的损伤演化率的参数取值列于表 1 和表 2 中。

 

表 1、压缩损伤模型参数表

 

 

表 2、拉伸损伤模型参数表

 

图 5、初始应变主方向角α=15o 时的损伤场数值解云图平面视图。

 

3.3 火山岩地层天然裂缝分布的损伤力学数值解

图 3(a)给出构造运动加载方位角α=0 o时即沿正南正北方向时，三叠纪小泉沟组储层中的损伤场即天然裂缝分布数值解云图的平面视图。图 3(b)给出了根据地震波数据解析得到的天然裂缝分布图。数值结果显示：小泉沟组储层中，中间偏东部的区域破碎带呈较宽的带状，分布较广。区块中间偏西部分的天然裂缝呈窄条状分布。已知的三口井牛 122、牛118、以及湖 201, 这 3 口井均处在天然裂缝破碎带边缘。这个位置的井壁稳定性最佳，但是产量不是最佳。

 

和图 3(b)中已知的天然裂缝分布信息相比较, 图 3(a)中显示的根据损伤力学模型得到的天然裂缝破碎带数值解具有与之相同的趋势。在破碎带宽度信息方面，损伤力学得到的破碎带信息具有更多的细节。

 

图 4 为 XoZ-横截面显示的损伤破碎带天然裂缝分布数值计算结果。破碎带在深度方向的分布是倾斜的，不完全是垂直的。

 

 

图 3、三叠纪小泉沟组储层中的损伤变量即天然裂缝分布云图（顶部平面视图）。

 

 

图 4、横截面显示的三叠纪小泉沟组储层中损伤破碎带

 

 

图 5、条湖组储层中的损伤变量即天然裂缝分布云图（顶部平面视图）。

 

图 5 给出了条湖组储层的损伤场即天然裂缝分布数值解云图的平面视图。数值结果显示：条湖组储层中，天然裂缝分布的状态模式与三叠纪小泉沟组中的天然裂缝分布状态类似。已知的三口井牛 122、牛 118、以及湖 201, 其中湖 201 所在位置为局部破碎带上，产量较好。牛 122、牛 118 井均处在天然裂缝破碎带边缘。这个位置的井壁稳定性最佳，但是产量不是最佳。

 

图 6 为 XoZ-横截面显示的条湖组储层中损伤破碎带天然裂缝分布数值计算结果。破碎带在深度方向的分布是倾斜的，不完全是垂直的。

 

 

图 6、横截面显示的条湖组储层中的损伤变量即天然裂缝分布云图。

 

4. 结束语

本文使用连续介质损伤力学模型和有限元数值模拟技术，研究了吐哈油田牛圈湖区块三叠纪小泉沟组和条湖组储层中的天然裂缝分布情况，得到了损伤变量局部化带所代表的天然裂缝分布数值解。将天然裂缝分布数值结果及其与地震波分析得到的观测解进行比较，结果表明：

1）天然裂缝分布的损伤力学有限元数值解与根据地震波分析得到的观测解是一致的：

（1）走向一致；（2）位置分布大致相同，细节有差别。

2）区块储层中间偏东部的区域天然裂缝破碎带呈较宽的带状，分布较广。区块中间偏西部分的天然裂缝呈窄条状分布。

3）数值结果中，三叠纪小泉沟组中的损伤变量 SDEG 的最大值为 0.2678，即破碎程度为 26.78%。损伤局部化带的宽度为约 50 米 - 1 千米。条湖组中的损伤变量 SDEG 的最大值为 0.2569，即破碎程度为 25.69%。损伤局部化带的宽度为约 50 米 - 1 千米。

 

本文的研究结果表明：三维损伤力学模型和有限元数值分析技术相结合，能较好地模拟火山岩储层火山活动叠加构造运动造成的天然裂缝三维空间分布，包括裂缝分布的方位角、裂缝宽度、断层破碎程度、上下贯通程度等信息。损伤力学正演识别天然裂缝技术对于天然裂缝/断层落差较小、常规地震波等手段难以识别的区块来说尤其有用。

 

资料来源：达索官方