基于构造应变分析的裂缝预测方法及其应用_高晨阳.pdf

引用格式：高晨阳，赵福海，高莲凤，等，2023.基于构造应变分析的裂缝预测方法及其应用 J.地质力学学报，29（1）：2133.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.2022089Citation:GAOCY，ZHAOFH，GAOLF，etal.，2023.ThemethodsoffracturepredictionbasedonstructuralstrainanalysisanditsapplicationJ.JournalofGeomechanics，29（1）：2133.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.2022089基于构造应变分析的裂缝预测方法及其应用高晨阳1，赵福海2，高莲凤1，李丙喜3，雷茂盛3，丁恺1GAOChenyang1，ZHAOFuhai2，GAOLianfeng1，LIBingxi3，LEIMaosheng3，DINGKai11.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新123000；2.大庆油田有限责任公司勘探事业部，黑龙江大庆163453；3.北京天元云开科技有限公司，北京1000851.Mining College,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,Liaoning,China;2.Exploration Enterprise Department of Daqing Oilfield Co.Ltd.,Daqing 163453,Heilongjiang,China;3.Beijing Tianyuanyunkai Technology Co.Ltd.,Beijing 100085,ChinaThe methods of fracture prediction based on structural strain analysis and its applicationAbstract:Formation strain can directly affect the generation of structural fractures.According to the magnitude ofstructuralstrain,thelocationandintensityofstructuralfracturedevelopmentcanbepredicted,andthechieffracturedevelopmentareasinthestudyareacanbedivided.ThispapertakesthefourthmemberoftheYingchengformation(referredtoastheYING-4section)intheXuzhongareaoftheXujiaweiziriftintheSongliaobasinastheresearchobject.Basedonestablishingadetailed3Dstructuralmodelofthestudyarea,weusedthe“structuralrestoration”methodtorestorethepaleo-structureofthestudyareaandcalculatedfinitestrainvaluestopredicttheplanardistributionofstructuralfractures.TheresearchshowsthattheYING-4sectioninthestudyareamainlyincludesthreefracture-makingperiods,namelytheendoftheYingchengformation,theQuantoutoQingshankouformation,andtheNenjiangformation.Amongthem,thetectonicdeformationattheendoftheYingchengformationandtheQuantoutoQingshankouformationisrelativelystrong,whichisthemainformationperiodofthefracture.Thestudyareaisdividedintothreetypesoffracturedevelopmentzonesaccordingtotherelationshipbetweenstrainsizeandtestgasproduction.TypeIfracturedevelopmentzonehasbeenverifiedbywell-drilling,indicatingthatthepredictionresultsoffracturesusingstructuralstrainarereliable.Typefracturedevelopmentzonecanbeusedasanimportantdirectionforthenextstepofdeepnaturalgasexploration.Typefracturedevelopmentzonehaslowproductivity,andthefractureshavelimitedeffectonreservoirreconstruction.Keywords:fractureprediction；structuralstrain；paleo-structuralrestoration；Xujiaweizirift；Songliaobasin摘 要：地层应变是构造裂缝产生的直接因素，根据构造应变大小可以预测构造裂缝发育的位置和强度，对研究区的主要裂缝发育区进行划分。文章以松辽盆地徐家围子断陷徐中地区营城组四段（简称营四段）为研究对象，在建立研究区精细的三维构造模型基础上，利用“构造恢复”方法实现研究区古构造恢复，通过开展有限应变值计算来预测构造裂缝的平面分布。研究表明：研究区营四段主要包括 3 个造缝期，即营城组末期、泉头组青山口组时期、嫩江组时期，其中，营城组末期与泉头组青山口组时基金项目：中国石油天然气集团公司前瞻性基础性研究项目（2021DJ0205）；辽宁工程技术大学学科创新团队资助项目（LNTU20TD-14）ThisresearchisfinanciallysupportedbytheForward-lookingBasicResearchProjectoftheChinaNationalPetroleumCorporation(Grant2021DJ0205)andtheProjectoftheDisciplineInnovationTeamoftheLiaoningTechnologyUniversity(GrantLNTU20TD-14).第一作者：高晨阳（1996），男，在读硕士，从事沉积地质与矿产研究。E-mail:通讯作者：高莲凤（1970），女，博士，教授，主要从事沉积地质、储层评价与矿产资源开发方面的教学与科研工作。E-mail:收稿日期：20220713；修回日期：20230103；责任编辑：范二平第29卷第1期地质力学学报Vol.29No.12023年2月JOURNALOFGEOMECHANICSFeb.2023期的构造变形较为强烈，是裂缝的主要形成时期。根据应变大小与试气产量的关系，将研究区划分为3 类裂缝发育区，类裂缝发育区已钻井验证，表明利用构造应变对裂缝的预测结果可靠，类裂缝发育区可作为深层天然气的下一步挖潜的重要方向，类裂缝发育区产能较低，裂缝对储层的改造作用有限。关键词：裂缝预测；构造应变；古构造恢复；徐家围子断陷；松辽盆地中图分类号：P618.13；TE19文献标识码：A文章编号：10066616（2023）01002113DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20220890引言致密砂砾岩储层广泛发育，在油气成藏时期，天然裂缝为储层提供了必要的渗流通道和储集空间（吕文雅等，2020），准确预测裂缝的发育情况是高效开发此类天然气藏的关键。目前，国内外学者主要通过地质方法、数值模拟方法以及地球物理方法预测裂缝分布（Fisketal.，2010；Zengetal.，2013b；Duriez et al.，2016；Marrett et al.，2018；Gong et al.，2019；Ozkaya，2019；Jiangetal.，2022）。地质方法包括地质类比法、地层曲率法以及基于构造应变的地质成因法等。程光瑛等（1988）基于邻区裂缝分布信息，总结了影响裂缝发育强度的主要地质因素，采用类比法对川南地区茅口组进行裂缝预测，但类比法要求构造背景近似且误差较大；地层曲率法从现今曲率大小出发预测裂缝的发育程度和分布，但目的层沉积后，会接受多期构造活动改造产生裂缝，现今地层由于构造改造的叠加作用可能会回归平缓导致地层曲率消失，而构造变形产生的裂缝并不会消失，因此，曲率法无法有效预测地质演化过程中裂缝可能分布的位置（任浩林等，2020），且以曲率 预 测 裂 缝 发 育 强 度 会 受 到 层 厚 因 素 的 影 响（Borkovietal.，2018）。数值模拟多采用有限元方法对古今应力场进行数值模拟，计算地层的应力分布结合岩石破裂准则预测裂缝分布，但这种基于应力场的数值模拟方法需要复杂的边界条件和合理的力学参数，同时无法完全重建漫长构造演化史中的各类地质事件（Laubachetal.，2014；Xieetal.，2019；张继标等，2019）。地球物理方法利用地震波的各向异性及地震属性可以分尺度对裂缝进行预测，但以该方法预测裂缝要求高分辨率的地震数据，且采集过程和处理过程复杂不能确保可靠性（Choetal.，2018；Xiaoetal.，2018；刘俊州等，2021）。松辽盆地徐家围子断陷徐中地区营城组四段储层以致密砂砾岩为主，整体物性差，在天然裂缝改造后形成了良好的气藏储层。然而，针对研究区天然裂缝发育特征与分布预测的相关研究较为薄弱，已有研究仅是提出该区构造裂缝发育且分布非均质性强，指出构造裂缝的发育特征与其形成时期的构造运动有关（文慧俭等，2008），没有深入开展构造裂缝的分布预测研究。尽管研究区埋藏深、构造复杂、层速度高导致地震资料分辨率低，基于地震资料预测裂缝分布难度较大，但地震资料的精度足以进行构造解释，在得到构造模型的基础上进行构造反演恢复原始构造模型，再将原始构造模型正演到现今状态，以正演变形过程中的应变量预测裂缝的分布。此次研究在利用应变大小预测裂缝发育强度的基础上，剖析了研究区不同期次的构造活动，确定了主要造缝期，由老到新逐期对地层应变大小进行计算，通过不同阶段的应变量，分期次预测了构造活动所形成裂缝的区域和强度，提高了裂缝预测的精度，指明了裂缝潜在的发育位置。1古构造恢复方法及有限应变计算原理恢复古构造古地貌最简单的方法就是印模法，但其存在一定的局限性，比如在断层和褶皱发育的地区存在假厚度，从而引起恢复古地貌后的假构造。“构造恢复”方法可以很好地避免出现上述问题（马如辉和王安志，2006），通过对地层的沉积进行反演（反演恢复过程中地层的面积和体积保持守恒），可得到不同时期的古地貌图。“构造恢复”法的主要工作为“去断层恢复”和“去褶皱恢复”，结合研究区主要发育正断层以及相关褶皱的特点，在地层正反演的过程中主要使用了斜剪切和弯滑去褶皱两种算法。斜 剪 切 算 法 主 要 源 于 Gibbs（1983）和 WithjackandPeterson（1993）的理论，通过模拟断层上盘变形，使上盘地层在三维空间中根据实际的断距沿钉线运动，反演伸展断层的形成过程消除断距，此过程中仅上盘发生形变，且体积不变（图 1a）；弯滑去褶皱算法可以消除褶皱对研究区地层的影响，该算法22地质力学学报https:/2023将模板地层和目标地层作为整体进行恢复，其原理