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第 15 卷 第 3 期 2008 年 5 月 地学前缘 中国地质大学 北京 北京大学 Earth Science Frontiers China University of Geosciences Beijing Peking University Vol 15 No 3 May 2008 收稿日期 2007 10 15 修回日期 2007 12 14 基金项目 教育部新世纪优秀人才支持计划项目 中国石油天然气股份有限公司科技风险创新基金项目 07 06D 01 04 01 08 国家自然科 学基金资助项目 40572080 作者简介 曾联波 1967 男 博士 教授 主要从事油气构造地质学研究 E mail lbzeng sina com 构造应力对裂缝形成与流体流动的影响 曾联波 1 2 漆家福1 2 王成刚2 李彦录2 1 中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249 2 中国石油大学 北京 资源与信息学院 北京 102249 Zeng Lianbo1 2 Qi Jiafu1 2 Wang Chenggang2 Li Yanlu2 1 T he K ey Laboratory f or Petroleum Resource and Prosp ecting in China Petroleum University Beijing 102249 China 2 Faculty of Resource and Inf ormation China Petroleum University Beijing 102249 China Zeng Lianbo Qi Jiafu Wang Chenggang et al The influence of tectonic stress on fracture formation and fluid flow Earth Science Frontiers 2008 15 3 292 298 Abstract Fractures are the main channel for fluid flow and control the seepage system of the low permeability reservoirs The formation of fractures is related to fluid High pressure fluids may cause the fall of inner effec tive stress of rock and the reduction of rock shear strength therefore fractures are easily formed in the rock High pressure pore fluids may also make the stress M ohr circle move from right to left and the minimum prin cipal stress 3 change from the compressive stress state to the tensional stress state and may form tensional fractures in the compressive structural circumstance The seepage of fracture is affected by the present day stress field Usually fractures approximately parallel to the maximum principal compressive stress are ten sional have good connectivity big aperture and high permeability and are the main seepage fractures The influence of tectonic stress on fluid flow in sedimentary basins are mainly in three aspects Firstly rock de formation caused by tectonic stress not only provides the flow channel for fluid but also changes the penetrabil i ty of rocks Secondly at the period of strong tectonic movement the rapid change of tectonic stress is an im portant driving power for fluid flow Finally tectonic stress may influence the seepage field through its influ ence on the effective stress Whenthe tectonic stress changes rock pore bulk will diminish and the tectonic stress is borne by rock grains first and then turned into structure stress When the rock pore bulk is diminished to a certainde gree the tectonic stress is mainly borne by pore fluids which affects the change of seepage field in the terrane Key words fracture fluid tectonic stress low permeability reservoir 摘 要 裂缝是低渗透储层流体流动的主要通道 控制了低渗透油气藏的渗流系统 低渗透储层裂缝的形成 与流体密切相关 高流体压力引起岩石内部的有效正应力下降 导致岩石剪切破裂强度下降 使岩石容易产生 裂缝 高孔隙流体压力还造成某一点的应力摩尔圆向左移动 可以使其最小主应力 3 由压应力状态变成拉 张应力状态 从而在岩石中形成拉张裂缝 裂缝的渗透性受现今应力场的影响 通常与现今应力场最大主压 应力近平行分布的裂缝呈拉张状态 连通性好 开度大 渗透率高 是主渗透裂缝方向 构造应力对沉积盆地 流体流动的影响主要表现在三个方面 1 构造应力导致的岩石变形 不仅提供了流体流动的通道 而且还改 变了岩石的渗透性能 2 在构造强烈活动时期 构造应力的快速变化是流体流动的重要驱动力 3 岩石中应 力状态影响多孔介质的有效应力 从而影响介质中的渗流场 当作用在含流体介质上的构造应力发生改变 曾联波 漆家福 王成刚 等 地学前缘 Earth Science Frontiers 2008 15 3 293 时 岩石孔隙体积变小 构造应力首先由岩石的骨架来承担 当岩石孔隙体积减小到一定程度时 构造应力由 孔隙流体来承担 从而影响岩层渗流场的变化 关键词 裂缝 流体 构造应力 低渗透储层 中图分类号 T E348 文献标识码 A 文章编号 1005 2321 2008 03 0292 07 裂缝作为地壳浅层岩石中发育最广的小尺度脆 性破裂构造 同样在沉积盆地岩层基质渗透率小于 50 10 3 m2的低渗透储层中广泛存在 裂缝是低 渗透储层的有效储集空间和主要的渗透通道 控制 了低渗透油气藏的渗流系统 1 3 因此 低渗透储层 裂缝与流体的相互关系及其影响因素研究 对深入 认识低渗透岩层流体的渗流规律 指导低渗透油气 藏勘探与开发具有十分重要的意义 对于低渗透储层的渗流规律研究 许多油藏工 程学者从油水相对渗透率曲线 试井 孔渗实验 动 态 电模拟和数值模拟入手 探讨了均质和非均质油 藏两相渗流规律及其对产能的影响 低渗透致密储 层由于岩石颗粒细 成岩作用强 因而储层的喉道 细 微孔隙多 物性差 具有明显的启动压力和复杂 的非达西流渗流等特征 3 7 近年来 随着低渗透油 气藏勘探开发和水坝工程建设的需要 从实验和数 值模拟的角度 对裂缝性岩石的渗流特征以及与地 应力的关系等难题开展了许多研究工作 提出深部 致密岩层不同方向裂缝渗透率与现今地应力方向 的关系以及裂缝渗透率的压力敏感性特征 并初 步建立了三维应力与岩石裂缝单相渗流的耦合关 系 8 20 1 流体在裂缝形成中的作用 岩石中裂缝的形成与所受到的应力状态密切相 关 根据岩石的破坏性和非破坏性实验 当岩石受 力达到其破坏强度的 50 以上时开始产生扩容现 象 当岩石受力达到其破坏强度的 74 以上时 在 一些缺陷部位开始形成与主压应力方向近平行的微 张裂缝 当岩石受力达到其破坏强度的 90 以上 时 微裂缝相向扩展延伸 形成宏观剪切裂缝 2 随 着岩石力学性质 围压条件 应力性质与应力状态的 改变 其形成的裂缝类型也不相同 沉积盆地中某一点的岩石应力由重力 构造挤 压力 孔隙流体压力和热应力等组成 其应力状态受 盆地沉积和构造环境的影响 沉积盆地中岩石的应 力状态可表示为 21 x g z p y 1 g z E 1 2 ex ey E 1 T T0 p z 1 g z E 1 2 ey ex E 1 T T0 p 式中 x y z分别是 x y z 三个方向的有效应力 是上覆地层的岩石平均密度 g 是重力加速度 z 是埋藏深度 T0和 T 分别是地表和地下 z 深度的温 度 p 是孔隙流体压力 E 是岩石的弹性模量 和 分别是岩石的泊松比和热膨胀系数 ex和 ey分别是 x 和 y 方向上的应变 构造挤压 流体及热应力通 过影响岩石的应力状态影响裂缝的形成 地层中流体压力的存在引起岩石内部的有效正 应力下降 导致岩石剪破裂强度降低 使岩石容易产 生裂缝 在我国东部沉积盆地中 存在与欠压实作 用 流体充注作用等因素有关的高压流体 高压流 体的存在是泥岩层甚至储层中形成微张裂缝的主要 因素 因而在我国东部沉积盆地的烃源岩附近常形 成泥岩裂缝性油气藏 在我国西部前陆盆地逆冲构 造带同样普遍存在异常高压流体 如塔里木盆地库 车坳陷 准噶尔盆地南缘 四川盆地川西坳陷等 它 们对裂缝的产生和油气藏的形成起重要作用 前陆 盆地逆冲构造带异常高压流体的形成与构造挤压有 关 强烈的水平构造挤压是形成逆冲构造带异常高 压流体的重要因素 22 在强烈的构造挤压作用下 岩石孔隙体积变小 由于上覆泥岩或膏盐层良好的 封闭作用 流体排泄不畅 构造挤压应力大部分由岩 石的孔隙流体来承担 使得孔隙流体压力升高形成 异常高压流体 异常高压流体的存在使岩石中某一 点的应力摩尔圆向左移动 并当流体压力达到一定 数值的时候 可以使最小主应力 3 由正值 压应 力 变成负值 张应力 从而在岩石内容易形成拉张 裂缝 因此 挤压逆冲构造带中的挤压应力状态可 以通过流体介质转变为拉张应力状态 从而在挤压 构造环境中形成拉张裂缝 异常高压流体是沉积 盆地中拉张裂缝形成的重要途径 因而拉张裂缝 可以作为沉积盆地异常高压流体存在的重要指示 标志 23 例如 在四川盆地川西坳陷南部的上三叠统须 294 曾联波 漆家福 王成刚 等 地学前缘 Earth Science Frontiers 2008 15 3 家河组特低渗透砂岩储层中 发育大量被沥青充填 的拉张裂缝脉群 单条裂缝脉产状变化大 规律性 差 大多数呈宽而短的透镜状分布 少数呈薄板状 裂缝脉体的宽度一般为 0 2 2 mm 最大可达 5 mm 延伸长度为数毫米至数厘米 根据这些裂缝 脉群的几何形态 它们属于典型的拉张脉 是岩石受 到拉张应力作用的产物 脉体与最小主应力方向垂 直 根据该区的地质构造条件 并结合岩石的声发 射试验 这些裂缝的形成与该区曾经经历过的异常 高压流体作用有关 24 根据该区地质埋藏史和油 气生成史分析 异常高压的存在时间为白垩纪中晚 期 其压力系数为 1 6 2 1 相当于上覆静岩压力 的 70 90 在沥青充填的拉张裂缝脉中 还有 方解石脉体充填 反映了后期的孔隙流体压力下降 以及新的封闭系统的形成 25 26 此时的孔隙流体压 力相当于上覆静岩压力的 60 左右 即压力系数为 1 2 1 3 根据沥青充填脉中方解石包裹体均一 温度和地层埋藏史分析 其异常高压主要在古近 纪 新近纪早期释放 因此 虽然该区在白垩纪 中晚期的构造强度不大 构造应力较低 但由于异 常高压流体作用 在该区普遍形成了被沥青脉充 填的拉张裂缝 图 1 图 1 川西南地区上三叠统须家河组高压流体 与裂缝形成的关系 24 Fig 1 The relationship between high pressured fluid and fractures in the U pper T riassic Xujiahe Formation at the south of western Sichuan depression 2 应力对裂缝中流体流动的影响 与常规储层相比 低渗透储层普遍发育裂缝 裂缝的孔隙度一般小于 0 5 但裂缝的渗透率通 常比基质孔隙高 1 2 个数量级 它们是低渗透储层 流体流动的主要通道 1 2 裂缝渗透率是裂缝间距 和开度的函数 通常可表示为 Kf e3i 12Di cos i 式中 Kf为裂缝渗透率 mD 1D 9 869 232 6 10 1 m 2 D i为第 i 组裂缝的平均间距 mm i为 流体压力梯度与第i 组裂缝的夹角 ei为第i 组裂缝 的地下开度 m 它是裂缝面所受静封闭压力的函 数 随着裂缝面所受静封闭压力的增大 裂缝的地下 开度呈负指数函数减小 裂缝的地下开度可表示为 ei f pi 其中 pi 1 H s sin H s cos H w 1 sin sin 3 sin cos 式中 pi为作用于第 i 组裂缝面上的静封闭压力 MPa 为岩石泊松比 H 为埋藏深度 km s w 分别为上覆地层岩石和地层水的容重 kg m 3 1 3分别为现今应力场的最大 最小主应力 MPa 为裂缝倾角 为现今应力场的最大主压应力方向 与裂缝走向的夹角 因此 根据裂缝实测参数和地 应力资料 通过裂缝面上静封闭压力的计算可得到 裂缝的地下开度 再根据不同组系裂缝的间距和地 下开度 可得到不同组系裂缝的渗透率 从不同地区裂缝渗透性的评价结果表明 不同 组系裂缝的渗透率受现今应力场的影响 2 27 30 现 今应力场通过影响不同组系裂缝的开度影响其渗透 性 在其他条件相同的情况下 与现今应力场最大 主压应力近平行分布的裂缝呈拉张状态 连通性好 开度大 渗透率高 与现今应力场最大主压应力近垂 直分布的裂缝呈挤压状态 连通性差 开度小 渗透 率低 而与现今应力场最大主压应力斜交的裂缝介 于上述两者之间 并随着二者交角的增大 裂缝的开 度和渗透率降低 表 1 因此 在大多数低渗透油 田中 虽然存在有发育程度不同的多组裂缝 但由于 受现今应力场的影响 常存在一个与现今应力场最 大主应力方向近平行的主渗透裂缝方向 对油田开 发井网部署至关重要 3 应力对孔隙流体的影响 构造应力对沉积盆地岩石中流体流动的影响和 作用机制越来越引起人们的重视 31 40 现代地震活 曾联波 漆家福 王成刚 等 地学前缘 Earth Science Frontiers 2008 15 3 295 表 1 不同组系裂缝密度和渗透率数据表 2 T able 1 The data of intensity and permeability of different fractures in the low permeability sandstone oilfield 2 油田 地区裂缝参数 裂缝方向 近 S N 向近 E W 向 NE SW 向 NW SE 向 现今应力场最 大主压应力方向 准噶尔盆地 火烧山油田 裂缝密度 条 m 4 43 53 13 8 裂缝渗透率 mD 885 6184 0632 0646 4 S N 向 松辽盆地 大安油田 裂缝密度 条 m 2 82 22 42 0 裂缝渗透率 mD 45 0360 0106 7208 3 E W 向 动引起的废油井自喷 枯井喷气 地下水位的明显升 降 油井产量及压力变化等事实就是构造应力影响 岩石中流体流动的有利证据 构造作用下的应力积 累 释放和调整过程 在造成岩石变形的同时 还造 成孔隙流体压力的变化 引起地下孔隙流体快速运 动 从而使油井产量发生明显变化和地下水水位发 生大幅度涨落 笔者 2006 在改进的由高压岩样容器 轴压加 载系统 围压加载系统和计量系统等组成的 PVT 流体实验平台上 进行了应力作用下孔隙流体变化 的物理模拟实验 22 岩样取自塔里木盆地北部库 车坳陷的下白垩统低孔低渗透砂岩储层 岩石的孔 隙度为 12 岩石的渗透率为 8 10 3 m 2 实验 前加工成圆柱样品 并饱和水 模拟时围压为 62 7 MPa 轴向压力为10 3 67 7 MPa 根据模拟实验 数据 首先得到了在不同轴向压力作用下的岩石孔 隙体积变化曲线 然后可得到在不同轴向压力作用 下的岩石孔隙流体压力变化关系 从曲线上可以看 出 随着轴向压力的增加 岩石的孔隙体积不断减 小 并可以分为两段 第一段曲线的斜率大 反映岩 石的孔隙体积随受力减小的速率快 第二段曲线平 缓 说明岩石的孔隙体积随受力减小的速率变慢 同样 岩石的孔隙流体压力随应力的变化曲线也可 以分为两段 图 2 第一段反映孔隙流体压力随应 力增大的速率小 说明在开始受力时 岩样所受到的 应力大部分由岩石颗粒来承受 即主要转化为骨架 应力 应力增大了 22 MPa 孔隙流体压力增加约 9 MPa 应力的 60 是由岩石骨架来承担的 当岩样 受力大于 25 MPa 时 岩样所受到的应力则大部分 由岩石孔隙中的流体来承受 即主要转化为孔隙流 体应力 应力增大 34 MPa 孔隙流体压力增加约 26 MPa 应力的 76 左右转移到由孔隙流体来承担 虽然物理模拟实验的相似条件与真实地质条件还存 在一定的差距 但该物理模拟实验还是较好地反映 了构造挤压应力对孔隙流体压力的影响 图 2 岩石孔隙流体压力随应力关系图 22 Fig 2 T he change curve of rock pore fluid pressure and stress obtained by physical simulation ex periment data 根据岩石受力分析 引起岩石变形的应力可以 分解为引起岩石体形变的平均应力 1 2 3 3 和引起岩石剪切应变的剪切应力 max 1 2 2 两部分 引起岩石孔隙流体压力变化的应 力主要是平均应力 在岩层封闭性较好排水不通畅 的条件下 岩石受力作用后 其构造应力一部分由岩 石的骨架承受 即岩石的有效应力 另一部分由岩石 孔隙中的流体承受 即转变为岩石的孔隙流体压力 在应力作用下岩石的体积变化为 V V pp K 式中 V 为岩石的体积变化 V 为岩石的体积 为 平均应力 pp为孔隙流体压力 K 为岩石的弹性 模量 在应力作用下岩石孔隙流体的体积变化为 VV nppV KV 式中 VV为岩石的体积变化 n 为孔隙率 KV为孔 隙的体积压缩系数 岩石成岩以后的骨架体积压缩很小 岩石的体 296 曾联波 漆家福 王成刚 等 地学前缘 Earth Science Frontiers 2008 15 3 积变化近似等于孔隙的体积变化 即 V VV 于 是 岩石的孔隙流体压力与平均应力的关系可以表 示为 pp B B 为孔隙压力转化系数 与岩层的封 闭情况及饱和程度有关 对于完全封闭的饱和岩 层 由于水的压缩性比岩石骨架的压缩性要低得多 B 1 即岩石受到的平均应力全部转化为孔隙流体 压力 对于岩层或完全开放系统 由于岩石的孔隙压 缩性很大 B 0 即构造应力不能转化为孔隙流体 压力 对非饱和的湿岩层或非完全封闭系统 B 0 1 岩层的饱和度越大或封闭程度越高 B 越大 即 部分应力可以转化为孔隙流体压力 因此 构造应力对沉积盆地流体流动的影响主 要表现在三个方面 1 构造应力作用导致的岩石变 形 不仅改变了岩石的渗透性能 而且还提供了流体 流动的通道 如断层 节理和不整合面等 2 在构造 强烈活动时期构造应力的快速变化是流体流动的一 种重要驱动力 流体沿断层运移的 地震泵模式 就 属于此类 34 3 岩石中应力状态影响多孔介质的 有效应力 从而影响介质中的流体的流动 当作用 在含流体介质上的平均应力发生改变时 一方面使 岩石孔隙体积变小 构造挤压应力由岩石的骨架来 承担 当岩石孔隙体积减小到某一程度时 这种构造 作用力势必一部分转移到孔隙流体压力的变化上 由孔隙中的流体来承担 从而影响其渗流场的变化 孙雄等 1998 利用有限元数值模拟的方法对同一个 层位不考虑应力状态和考虑应力状态的流体势进行 了对比 应力的作用影响渗流场的初始状态和边界 状态 通过影响定解条件反映在流体流动的动力学 方程中 41 从而使流体的渗流规律发生了明显的变 化 从一个侧面反映了构造应力对岩层流体流动的 影响 4 讨论 由于裂缝形成的地质条件很容易满足 不需要 很强的构造挤压就可以产生裂缝 因而大大增加了 裂缝的不可预测性 高压流体的参与是裂缝形成过 程中不容忽视的因素 高压流体的存在使得岩石中 裂缝的形成更加容易 造成裂缝作用的强流体压力 的成因很多 如欠压实作用 烃类的生成作用 粘土 矿物的成岩作用 构造作用 温度的变化 渗透作用 石膏到硬石膏的转化 浮力作用 等势面的不规则性 等 在不同类型的沉积盆地和不同的地质构造背景 下差别很大 因而使得裂缝的形成机理更加复杂 不 是单纯的构造应力可以解决和预测的 构造挤压作 用对孔隙流体压力的影响值得注意 尤其在我国西 部的前陆盆地的逆冲构造带 构造挤压作用甚至是 高压流体成因的主导因素 强烈的构造挤压应力可 以通过流体介质使得岩石的应力状态发生改变 从 而在挤压构造区可以形成拉张裂缝 孔隙高压流体 对这类地区岩石的构造变形同样具有重要影响 在 研究这类地区的构造变形机制时 应充分重视高压 流体的作用 裂缝形成以后 裂缝的分布又影响岩石的渗透 性能 尤其在低渗透储层 裂缝是其流体流动的主要 通道 控制了低渗透岩石的渗流系统 对裂缝性岩 层的渗流规律及其机理研究 目前主要有两种倾向 一种是探讨宏观裂缝系统的渗流特征 另一种是从 实验的角度分析其低渗透基质孔隙 更进一步的研 究包括微裂缝 的微观渗流规律及其机理 但实际 上 并不是流体在所有裂缝中的流动都是连续的 与 裂缝的规模 裂缝的连通和充填情况等因素有关 流体在大多数裂缝性低渗透岩层中的流动是一种不 均匀的流动 它既不是单纯地取决于裂缝 也不是单 纯地取决于基质孔隙 而是二者之间相互耦合作用 的结果 因此 裂缝与孔隙之间的相互作用关系研 究 是了解裂缝性岩层渗流规律及其渗流机理的关 键 对提高低渗透储层的开发效果具有十分重要的 意义 低渗透油藏开发方案的部署取决于其宏观渗 流场 而宏观渗流场受储层的宏观裂缝系统的控制 同时还受裂缝与基质孔隙之间的流体相互交换能力 的影响 尤其当储层中的裂缝没有形成良好的网络 系统时 裂缝与基质孔隙之间的流体相互交换能力 是影响其开发的主要因素 若二者之间的交换能力 强 则开发效果好 采收率高 若交换能力弱 则开发 效果差 采收率低 5 结论 1 裂缝的形成与孔隙流体密切相关 高压流 体的存在 使得低渗透储层裂缝的形成更加容易 在 前陆盆地的逆冲挤压构造带 挤压应力还可以通过 流体介质使岩石的应力状态发生改变 从而在挤压 构造区形成拉张裂缝 2 裂缝的渗透性受现今应力场的影响 受多 期构造作用 在一个地区往往存在有多组裂缝 但通 曾联波 漆家福 王成刚 等 地学前缘 Earth Science Frontiers 2008 15 3 297 常与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂缝呈 拉张状态 连通性好 开度大 渗透率高 表现为主渗 流裂缝 3 构造应力影响沉积盆地流体的流动 它不仅 提供了流体流动的通道 而且还是流体流动的重要 驱动力 并通过影响多孔介质的有效应力来影响岩 层的渗流场 References 1 Nelson R A Geologic analysis of naturally fractured reser voirs M Houston Gulf Publishing Company 1985 2 Zeng L B Fracture and its seepage characteristics in low per meability sandstone reservoir J Chinese Journal of Geology 2004 39 1 11 17 in Chinese 3 Li D P Development of low permeability reservoir M Be i jing Petroleum Industry Press 1997 in Chinese 4 Huang Y Z Seepage mechanism of low permeability reservoir M Beijing Petroleum Industry Press 1997 in Chinese 5 Yuan S Y Song X M Ran Q Q Development technology of fractured reservoir M Beijing Petroleum Industry Press 2004 in Chinese 6 Li L Dong P C Zhang M L et al Non darcy seepage model of extra low permeability oil reservoir and its application J Chinese Journal 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