基于有限元方法的裂缝发育规律研究

基于有限元方法的裂缝发育规律研究

致密低渗透裂缝储层的储量和数量在中国占相当大的比例。随着各盆地勘探的成熟，这一储层的比例逐年增加。现在，该盆地发现了相当浅的低渗透储层分布。在这类储层中,由于裂缝分布复杂,使其开发具有特殊的复杂性而影响开发效果,因而目前这部分储量虽投产但效益不高。韦庄构造是高邮凹陷北斜坡带西部的较大规模构造,从1997年建产能至今,已经在年产10×104t以上高效稳产6年之多,年采油速度一直保持在1.7%以上,成为江苏油田低渗油藏成功开发的典范。但在开发过程中逐步暴露了许多矛盾,油田面临再次的调整。对裂缝分布规律及发育程度的认识是调整开发方案的关键。笔者用有限元应力分析方法计算储层在变形过程中构造裂缝的发育程度和延伸方向,旨在指导油气田的开发和调整。1基本原则1.1破裂率的估算利用格里菲斯破裂准则和库伦-纳维破裂准则,只能判断岩石中是否发生了张破裂或剪破裂,而不能判断张或剪破裂的发育程度。但事实上,由于构造应力分布的不均匀性,各构造部位发生破裂的程度是不一致的。为了能定量地反映其应力状态作用下岩石发生破裂的程度,这里引进“破裂率”的概念进行计算,其定义为:I=∣∣σt[σt]∣∣Ι=|σt[σt]|或I=∣∣τn[τn]∣∣Ι=|τn[τn]|式中,σt,τn分别为破裂面上的张应力和剪应力;[σt],[τn]分别表示岩石的抗张强度和抗剪强度。显然,若I≤1,则说明岩石中尚未发生张或剪破裂;同样,若I>1,则说明岩石中已发生了张或剪破裂;I值愈大,则表明岩石破裂愈强烈。因此,张或剪破裂率I值大小基本上定量地反映了张裂缝或剪裂缝发育的密集程度。1.2变能密度理论弹性体受力后要发生变形,同时在其内部储存了应变能。单位体积内的应变能称为“应变能密度”(或应变比能)。应变能密度理论基于下面两个假设:裂纹的初始扩展方向沿着势能密度取得最大值的方向(即应变能密度因子最小方向);当开裂方向上的应变能密度因子达到它的临界值时,裂纹开始扩展。该准则可描述为:应变能量密度W由应力σij和应变增量dεij变形历史决定,当其达到一个临界值Wc时,裂纹就产生了。即:W=∫εij00εijσijdεij1.3采动裂缝密度法由于破裂率只考虑了岩石发生破裂的情况,因而,用破裂率或应变能两条途径来标定裂缝密度实际上都存在一定的局限性。二元法将将破裂率和应变能结合起来,用二元拟合的关系来标定裂缝密度,提高了裂缝预测的精度。其基本思想:构造裂缝的发育程度由破裂率I及能量值W两者共同来决定,破裂率I代表了裂缝发育的可能性,能量值W代表了发育能力的大小;当破裂率I较低,没有达到使岩石发生宏观上明显剪破裂的某个临界值Ic时,裂缝发育程度主要由破裂值I决定;但当I达到Ic之后,岩石已宏观上发生明显的剪破裂,此时裂缝发育程度主要由能量值Wc决定。2研究区域裂缝发育程度根据古应力场的模拟结果,利用潜在张裂缝、剪裂缝以及二元法的判别准则来定量计算相关裂缝预测参数,如有效张应力,张破裂率、剩余抗剪强度、剪破裂率和应变能密度等。设该运动期岩体抗张强度为2.5MPa,抗剪强度为2.5MPa。依据裂缝发育程度,把全区分成4种类型:裂缝极发育区(A)、裂缝发育区(B)、裂缝较发育区(C)、裂缝欠发育区(D)。发育程度判别与破裂率关系见表1。通过对古构造应力场进行模拟和构造裂缝预测,得到以下结论:1)在吴堡运动期研究区域西南部、东南部、北向断块构造高部位均为裂缝发育区,研究区域东北部及西北部为张裂缝欠发育区,构造高部位的裂缝发育程度同构造低部位相比较为发育,研究区域西部的裂缝发育程度高于东部,南部大于北部;此外,断裂带区域的裂缝也较为发育。张裂缝方位近似为东西向,断块西部裂缝发育方向偏离东西向,近似为南北向。裂缝的发育方向近似平行于中间的大断裂带,张裂缝发育方向与最大主压应力的夹角分布在34～40.2°之间。吴堡运动期裂缝方向有较明显的裂缝系统方位,张裂缝方向近似为东西向,约为53～-11°(与X轴正方向的夹角),裂缝走向变化较小。2)在吴堡运动期,在平面上W2块所发育的剪裂缝方位近似为东西向,约为50.9～-14.5°(与X轴正方向的夹角),一组发育为东偏北28.7°～东偏北50.9°,另一组发育为北偏东61.3°～北偏东104.5°,裂缝走向变化较小;由于剪破裂往往表现为两组共轭的剪切断裂,故剪裂缝发育为两组,从空间上看,剪破裂发生在通过中间主应力方向的平面内,剪破裂面法向与最大主压应力的夹角为分别为59°和-59°。3)在三垛运动期,W2断块所发育的张裂缝方位近似为南北向,张裂缝发育方向与最大主压应力的夹角分布在35.3～38.3°之间;三垛运动期裂缝方向有较明显的裂缝系统方位,张裂缝方向近似为南北向,约为80～90°(与X轴正方向的夹角),除断裂带的影响外,裂缝走向变化较小。4)在三垛运动期,平面上W2块所发育的剪裂缝方位近似为南北向,一组发育为东偏北85°～东偏北100°,另一组发育为东偏南80°～东偏南95°,裂缝走向变化较小;由于剪破裂往往表现为两组共轭的剪切断裂,故剪裂缝发育为两组,从空间上看,剪破裂发生在通过中间主应力方向的平面内,剪破裂面法向与最大主压应力的夹角为分别为59°和-59°。3储层内部因素本区的裂缝主要在构造作用下产生,裂缝的形成除了与构造应力场有关外,还受岩性和沉积相类型,岩层厚度等储层内部因素的影响。前者控制了裂缝的组系、产状与力学性质,后者影响裂缝的密度及发育程度。1构造应力场后裂缝的发育程度影响储层中裂缝发育的岩性因素包括岩石成分、颗粒大小及孔隙度等。由于不同岩性的岩石成分及结构、构造不同,使岩石的力学性质各异,因此,在相同的构造应力场作用下,裂缝的发育程度不一致。强硬岩层通常表现为脆性,它在岩石破裂变形前经受不住更多的应变,裂缝一般比软弱岩石更发育。从岩心观测的资料来看,W2块的高角度垂直缝多发育在长石岩屑石英粗粉-细砂岩中,而低角度的水平缝和网状缝多发育在油浸-油迹粉砂岩中,生物灰岩中除了溶孔溶洞外,也发育一些裂缝。本区目的层的砂泥岩互层的情况比较频繁,泥岩由于颗粒较小,且不含钙质等脆性成分,所以泥岩中裂缝不太发育。2应力场及方向应力场断层是控制裂缝形成与分布的重要因素,它通过控制其周围局部构造应力的分布来控制裂缝的发育规律。W2块中东部目的层段的顶部由西向东,从600～1450m由浅入深的发育了3个不同形态的小断层,说明当时中东部地区还受到其他方向应力的作用,而这些应力场由于距目的层较近,对目的层裂缝发育的影响较大,使得裂缝在区块的中东部发育,而在西部不发育。3低渗透储层裂缝发育程度陆相低渗透储层中沉积微相是控制储层裂缝发育的内部因素。根据油层细分及沉积微相的研究可预测储层中不同部位裂缝的发育程度,提高低渗透储层裂缝定量预测精度。根据W2断块的岩心观测资料,我们将裂缝发育井段与裂缝不发育井段的层位投影到沉积微相图上,发现处于水下分流河道,水下分流河道间的裂缝较发育,而砂坝、浅湖生物滩的裂缝不发育。认为在该断块沉积微相与裂缝发育有较好的相关性。4吴堡运动期裂缝发育区和裂缝走向变化的表现为裂缝集中发育期利用有限元数值模拟法对苏北盆地W2块阜宁组油藏中裂缝的发育程度和延伸方向进行了预测。W2块是一个北倾断鼻构造,吴堡运动期和三垛运动期是2个最重要的造缝时期,三垛运动期是构造幅度加大,活动更为剧烈的时期为裂缝发育区,也是裂缝集中发育的一期。计算结果表明,裂缝发育区主要集中在构造的西南部、东南部、北向断块构造高部位。吴堡运动期裂缝方向有较明显的裂缝系统方位,张裂缝方向近似为东