基于有限元方法的裂縫發(fā)育規(guī)律研究

基于有限元方法的裂縫發(fā)育規(guī)律研究

致密低滲透裂縫儲層的儲量和數(shù)量在中國占相當(dāng)大的比例。隨著各盆地勘探的成熟，這一儲層的比例逐年增加?，F(xiàn)在，該盆地發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)淺的低滲透儲層分布。在這類儲層中,由于裂縫分布復(fù)雜,使其開發(fā)具有特殊的復(fù)雜性而影響開發(fā)效果,因而目前這部分儲量雖投產(chǎn)但效益不高。韋莊構(gòu)造是高郵凹陷北斜坡帶西部的較大規(guī)模構(gòu)造,從1997年建產(chǎn)能至今,已經(jīng)在年產(chǎn)10×104t以上高效穩(wěn)產(chǎn)6年之多,年采油速度一直保持在1.7%以上,成為江蘇油田低滲油藏成功開發(fā)的典范。但在開發(fā)過程中逐步暴露了許多矛盾,油田面臨再次的調(diào)整。對裂縫分布規(guī)律及發(fā)育程度的認(rèn)識是調(diào)整開發(fā)方案的關(guān)鍵。筆者用有限元應(yīng)力分析方法計(jì)算儲層在變形過程中構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度和延伸方向,旨在指導(dǎo)油氣田的開發(fā)和調(diào)整。1基本原則1.1破裂率的估算利用格里菲斯破裂準(zhǔn)則和庫倫-納維破裂準(zhǔn)則,只能判斷巖石中是否發(fā)生了張破裂或剪破裂,而不能判斷張或剪破裂的發(fā)育程度。但事實(shí)上,由于構(gòu)造應(yīng)力分布的不均勻性,各構(gòu)造部位發(fā)生破裂的程度是不一致的。為了能定量地反映其應(yīng)力狀態(tài)作用下巖石發(fā)生破裂的程度,這里引進(jìn)“破裂率”的概念進(jìn)行計(jì)算,其定義為:I=∣∣σt[σt]∣∣Ι=|σt[σt]|或I=∣∣τn[τn]∣∣Ι=|τn[τn]|式中,σt,τn分別為破裂面上的張應(yīng)力和剪應(yīng)力;[σt],[τn]分別表示巖石的抗張強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。顯然,若I≤1,則說明巖石中尚未發(fā)生張或剪破裂;同樣,若I>1,則說明巖石中已發(fā)生了張或剪破裂;I值愈大,則表明巖石破裂愈強(qiáng)烈。因此,張或剪破裂率I值大小基本上定量地反映了張裂縫或剪裂縫發(fā)育的密集程度。1.2變能密度理論彈性體受力后要發(fā)生變形,同時在其內(nèi)部儲存了應(yīng)變能。單位體積內(nèi)的應(yīng)變能稱為“應(yīng)變能密度”(或應(yīng)變比能)。應(yīng)變能密度理論基于下面兩個假設(shè):裂紋的初始擴(kuò)展方向沿著勢能密度取得最大值的方向(即應(yīng)變能密度因子最小方向);當(dāng)開裂方向上的應(yīng)變能密度因子達(dá)到它的臨界值時,裂紋開始擴(kuò)展。該準(zhǔn)則可描述為:應(yīng)變能量密度W由應(yīng)力σij和應(yīng)變增量dεij變形歷史決定,當(dāng)其達(dá)到一個臨界值Wc時,裂紋就產(chǎn)生了。即:W=∫εij00εijσijdεij1.3采動裂縫密度法由于破裂率只考慮了巖石發(fā)生破裂的情況,因而,用破裂率或應(yīng)變能兩條途徑來標(biāo)定裂縫密度實(shí)際上都存在一定的局限性。二元法將將破裂率和應(yīng)變能結(jié)合起來,用二元擬合的關(guān)系來標(biāo)定裂縫密度,提高了裂縫預(yù)測的精度。其基本思想:構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度由破裂率I及能量值W兩者共同來決定,破裂率I代表了裂縫發(fā)育的可能性,能量值W代表了發(fā)育能力的大小;當(dāng)破裂率I較低,沒有達(dá)到使巖石發(fā)生宏觀上明顯剪破裂的某個臨界值Ic時,裂縫發(fā)育程度主要由破裂值I決定;但當(dāng)I達(dá)到Ic之后,巖石已宏觀上發(fā)生明顯的剪破裂,此時裂縫發(fā)育程度主要由能量值Wc決定。2研究區(qū)域裂縫發(fā)育程度根據(jù)古應(yīng)力場的模擬結(jié)果,利用潛在張裂縫、剪裂縫以及二元法的判別準(zhǔn)則來定量計(jì)算相關(guān)裂縫預(yù)測參數(shù),如有效張應(yīng)力,張破裂率、剩余抗剪強(qiáng)度、剪破裂率和應(yīng)變能密度等。設(shè)該運(yùn)動期巖體抗張強(qiáng)度為2.5MPa,抗剪強(qiáng)度為2.5MPa。依據(jù)裂縫發(fā)育程度,把全區(qū)分成4種類型:裂縫極發(fā)育區(qū)(A)、裂縫發(fā)育區(qū)(B)、裂縫較發(fā)育區(qū)(C)、裂縫欠發(fā)育區(qū)(D)。發(fā)育程度判別與破裂率關(guān)系見表1。通過對古構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行模擬和構(gòu)造裂縫預(yù)測,得到以下結(jié)論:1)在吳堡運(yùn)動期研究區(qū)域西南部、東南部、北向斷塊構(gòu)造高部位均為裂縫發(fā)育區(qū),研究區(qū)域東北部及西北部為張裂縫欠發(fā)育區(qū),構(gòu)造高部位的裂縫發(fā)育程度同構(gòu)造低部位相比較為發(fā)育,研究區(qū)域西部的裂縫發(fā)育程度高于東部,南部大于北部;此外,斷裂帶區(qū)域的裂縫也較為發(fā)育。張裂縫方位近似為東西向,斷塊西部裂縫發(fā)育方向偏離東西向,近似為南北向。裂縫的發(fā)育方向近似平行于中間的大斷裂帶,張裂縫發(fā)育方向與最大主壓應(yīng)力的夾角分布在34～40.2°之間。吳堡運(yùn)動期裂縫方向有較明顯的裂縫系統(tǒng)方位,張裂縫方向近似為東西向,約為53～-11°(與X軸正方向的夾角),裂縫走向變化較小。2)在吳堡運(yùn)動期,在平面上W2塊所發(fā)育的剪裂縫方位近似為東西向,約為50.9～-14.5°(與X軸正方向的夾角),一組發(fā)育為東偏北28.7°～東偏北50.9°,另一組發(fā)育為北偏東61.3°～北偏東104.5°,裂縫走向變化較小;由于剪破裂往往表現(xiàn)為兩組共軛的剪切斷裂,故剪裂縫發(fā)育為兩組,從空間上看,剪破裂發(fā)生在通過中間主應(yīng)力方向的平面內(nèi),剪破裂面法向與最大主壓應(yīng)力的夾角為分別為59°和-59°。3)在三垛運(yùn)動期,W2斷塊所發(fā)育的張裂縫方位近似為南北向,張裂縫發(fā)育方向與最大主壓應(yīng)力的夾角分布在35.3～38.3°之間;三垛運(yùn)動期裂縫方向有較明顯的裂縫系統(tǒng)方位,張裂縫方向近似為南北向,約為80～90°(與X軸正方向的夾角),除斷裂帶的影響外,裂縫走向變化較小。4)在三垛運(yùn)動期,平面上W2塊所發(fā)育的剪裂縫方位近似為南北向,一組發(fā)育為東偏北85°～東偏北100°,另一組發(fā)育為東偏南80°～東偏南95°,裂縫走向變化較小;由于剪破裂往往表現(xiàn)為兩組共軛的剪切斷裂,故剪裂縫發(fā)育為兩組,從空間上看,剪破裂發(fā)生在通過中間主應(yīng)力方向的平面內(nèi),剪破裂面法向與最大主壓應(yīng)力的夾角為分別為59°和-59°。3儲層內(nèi)部因素本區(qū)的裂縫主要在構(gòu)造作用下產(chǎn)生,裂縫的形成除了與構(gòu)造應(yīng)力場有關(guān)外,還受巖性和沉積相類型,巖層厚度等儲層內(nèi)部因素的影響。前者控制了裂縫的組系、產(chǎn)狀與力學(xué)性質(zhì),后者影響裂縫的密度及發(fā)育程度。1構(gòu)造應(yīng)力場后裂縫的發(fā)育程度影響儲層中裂縫發(fā)育的巖性因素包括巖石成分、顆粒大小及孔隙度等。由于不同巖性的巖石成分及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不同,使巖石的力學(xué)性質(zhì)各異,因此,在相同的構(gòu)造應(yīng)力場作用下,裂縫的發(fā)育程度不一致。強(qiáng)硬巖層通常表現(xiàn)為脆性,它在巖石破裂變形前經(jīng)受不住更多的應(yīng)變,裂縫一般比軟弱巖石更發(fā)育。從巖心觀測的資料來看,W2塊的高角度垂直縫多發(fā)育在長石巖屑石英粗粉-細(xì)砂巖中,而低角度的水平縫和網(wǎng)狀縫多發(fā)育在油浸-油跡粉砂巖中,生物灰?guī)r中除了溶孔溶洞外,也發(fā)育一些裂縫。本區(qū)目的層的砂泥巖互層的情況比較頻繁,泥巖由于顆粒較小,且不含鈣質(zhì)等脆性成分,所以泥巖中裂縫不太發(fā)育。2應(yīng)力場及方向應(yīng)力場斷層是控制裂縫形成與分布的重要因素,它通過控制其周圍局部構(gòu)造應(yīng)力的分布來控制裂縫的發(fā)育規(guī)律。W2塊中東部目的層段的頂部由西向東,從600～1450m由淺入深的發(fā)育了3個不同形態(tài)的小斷層,說明當(dāng)時中東部地區(qū)還受到其他方向應(yīng)力的作用,而這些應(yīng)力場由于距目的層較近,對目的層裂縫發(fā)育的影響較大,使得裂縫在區(qū)塊的中東部發(fā)育,而在西部不發(fā)育。3低滲透儲層裂縫發(fā)育程度陸相低滲透儲層中沉積微相是控制儲層裂縫發(fā)育的內(nèi)部因素。根據(jù)油層細(xì)分及沉積微相的研究可預(yù)測儲層中不同部位裂縫的發(fā)育程度,提高低滲透儲層裂縫定量預(yù)測精度。根據(jù)W2斷塊的巖心觀測資料,我們將裂縫發(fā)育井段與裂縫不發(fā)育井段的層位投影到沉積微相圖上,發(fā)現(xiàn)處于水下分流河道,水下分流河道間的裂縫較發(fā)育,而砂壩、淺湖生物灘的裂縫不發(fā)育。認(rèn)為在該斷塊沉積微相與裂縫發(fā)育有較好的相關(guān)性。4吳堡運(yùn)動期裂縫發(fā)育區(qū)和裂縫走向變化的表現(xiàn)為裂縫集中發(fā)育期利用有限元數(shù)值模擬法對蘇北盆地W2塊阜寧組油藏中裂縫的發(fā)育程度和延伸方向進(jìn)行了預(yù)測。W2塊是一個北傾斷鼻構(gòu)造,吳堡運(yùn)動期和三垛運(yùn)動期是2個最重要的造縫時期,三垛運(yùn)動期是構(gòu)造幅度加大,活動更為劇烈的時期為裂縫發(fā)育區(qū),也是裂縫集中發(fā)育的一期。計(jì)算結(jié)果表明,裂縫發(fā)育區(qū)主要集中在構(gòu)造的西南部、東南部、北向斷塊構(gòu)造高部位。吳堡運(yùn)動期裂縫方向有較明顯的裂縫系統(tǒng)方位,張裂縫方向近似為東