库车坳陷应力状态转换特征及其地质与力学响应

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.6.25

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 177-194.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.25

• 致密砂岩储层裂缝研究 • 上一篇下一篇

库车坳陷应力状态转换特征及其地质与力学响应

张辉¹^,²^,³^,⁴(), 张冠杰⁵^,⁶, 徐珂¹^,²^,³^,⁴, 尹国庆¹^,²^,³^,⁴, 王志民¹^,²^,³^,⁴, 罗洋⁵^,⁶, 王海应¹^,²^,³^,⁴, 张滨鑫⁵^,⁶, 梁景瑞¹, 袁芳¹, 赵崴¹, 张玮¹, 卢星⁵^,⁶

1.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田公司, 新疆库尔勒 841000
2.中国石油天然气集团有限公司超深层复杂油气藏勘探开发技术研发中心, 新疆库尔勒 841000
3.新疆维吾尔自治区超深层复杂油气藏勘探开发工程研究中心, 新疆库尔勒 841000
4.新疆超深油气重点实验室, 新疆库尔勒 841000
5.中国地质大学(武汉) 资源学院, 湖北武汉 430074
6.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北武汉 430074

收稿日期:2023-11-15 修回日期:2024-04-10 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
作者简介:张辉(1980—),男,教授级高级工程师,从事油气田与地质力学方面相关的生产、科研和管理工作。E-mail: zhh-tlm@petrochina.com.cn
基金资助:
中国石油天然气股份有限公司科技重大专项(2018E-1803);中国石油天然气股份有限公司科技专项(2023ZZ14YJ03)

Characteristics of stress state transitions and its geological and mechanical response in the Kuqa Depression

ZHANG Hui¹^,²^,³^,⁴(), ZHANG Guanjie⁵^,⁶, XU Ke¹^,²^,³^,⁴, YIN Guoqing¹^,²^,³^,⁴, WANG Zhimin¹^,²^,³^,⁴, LUO Yang⁵^,⁶, WANG Haiying¹^,²^,³^,⁴, ZHANG Binxin⁵^,⁶, LIANG Jingrui¹, YUAN Fang¹, ZHAO Wei¹, ZHANG Wei¹, LU Xing⁵^,⁶

1. PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China
2. Research and Development Center for Ultra-Deep Complex Reservoir Exploration and Development, CNPC, Korla 841000, China
3. Xinjiang Uygur Autonomous Region Engineering Research Center for Ultra-Deep Complex Reservoir Exploration and Development, Korla 841000, China
4. Xinjiang Key Laboratory of Ultra-Deep Oil and Gas, Korla 841000, China
5. School of Earth Resources of China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China
6. Ministry of Education Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

Received:2023-11-15 Revised:2024-04-10 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

结合最新的钻井、测井和地震资料,采用数值模拟手段,明确了塔里木盆地库车坳陷喜马拉雅晚期古应力状态转换特征。通过有限元数值模拟方法揭示了库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组喜马拉雅晚期应力场三维分布并准确地厘定了古应力状态。通过分析古应力状态与宏观构造样式、裂缝产状及储层物性的关系,系统揭示了古应力状态转换的地质与力学响应,最后利用离散元数值模拟,揭示了古应力状态转换对储层物性的影响机制。综合分析认为:研究区在喜马拉雅晚期6 500~7 500 m的深度区间逐渐由逆冲型应力场转换为走滑型应力场;6 500 m之上为逆冲型应力场,压实减孔量随埋深增大而增大,应力状态与岩石强度均不利于裂缝发育;7 500 m之下为走滑型应力场,有利于储层孔隙保存和岩石破裂成缝。研究结果深化了对库车坳陷构造、储层和岩石力学性质的认识,并认为古应力状态转换是克拉苏构造带超深部储层具备形成大-中型油气田的力学基础,其发现对克拉苏构造带下一步的油气勘探、开发具有指导意义。

关键词: 古应力状态, 地质力学, 克拉苏构造带, 应力场模拟, 构造裂缝

Abstract:

Combined with the latest drilling, logging and seismic data we carry out numerical simulation to better understand the characteristics of the late Himalayan paleostress evolution in the Kuqa Depression, Tarim Basin. Using finite element numerical simulation method we obtained the three-dimensional distribution of the late Himalayan stress field in the Bashijiqike Formation in the Kelasu tectonic belt whereby accurately determined the paleostress state. By analyzing the relationship between the paleostress state and macrostructural style, fracture occurrence and reservoir physical properties, the geological and mechanical response to the paleostress state transition was systematically revealed. Finally, the influece mechanism between the paleostress state transition and reservoir physical properties was revealed by means of discrete element numerical simulation. During the late Himalayan, the stress field gradually transformed from a thrust-type stress field to a strike-slip type stress field at a depth range of 6500-7500 m. Above 6500 m depth, under thrust stress field, the compaction hole reduction increased with increasing burial depth, and the stress state and rock strength were not conducive to the development of fractures. Below 7500 m depth, the strike-slip stress field was conducive to the preservation of reservoir pores and rock fracturing. The above results deepen the understanding of the tectonic settings, reservoir properties and rock mechanical properties of the Kuqa Depression, suggesting the paleostress state transition provided the mechanical basis for the formation of large and medium-sized oil and gas field in the ultradeep reservoir of the Kelasu tectonic belt. This discovery has guiding significance for the next stage oil and gas exploration and development in the Kelasu tectonic belt.

Key words: paleostress state, geomechanics, Kelasu tectonic belt, stress field simulation, tectonic fracture

中图分类号:

P618.13

张辉, 张冠杰, 徐珂, 尹国庆, 王志民, 罗洋, 王海应, 张滨鑫, 梁景瑞, 袁芳, 赵崴, 张玮, 卢星. 库车坳陷应力状态转换特征及其地质与力学响应[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 177-194.

ZHANG Hui, ZHANG Guanjie, XU Ke, YIN Guoqing, WANG Zhimin, LUO Yang, WANG Haiying, ZHANG Binxin, LIANG Jingrui, YUAN Fang, ZHAO Wei, ZHANG Wei, LU Xing. Characteristics of stress state transitions and its geological and mechanical response in the Kuqa Depression[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 177-194.

图/表 21

图1 库车坳陷构造单元划分及地层柱状图 a—克拉苏构造带构造位置;b—库车坳陷近南北向地质剖面;c—巴什基奇克组地层结构(据文献[2]修改)。

Fig.1 (a) Structural units, (b) near S-N profile A-A’ (see Fig.1 for profile location) and (c) stratgraphic colunm of the Kuqa Depression (modified from [2])

图2 库车坳陷中部白垩纪—第四纪构造演化(剖面位置见图1中B-B’)

Fig.2 Cretaceous-Quaternary tectonic evolution in central Kuqa Depression (see Fig.1 for profile B-B’ location)

图3 博孜12井成像测井裂缝发育特征 a—巴什基奇克组6 892~6 894.5 m深度见高角度张开缝和半张开缝,电极与井壁地层间隙图像显示张开缝和半张开缝的间隙较大,显示为暗色,而闭合缝基本无间隙且显示为亮色特征;b—巴西改组6 935.5~6 938 m深度砂岩段见张开缝发育,6 938~6 942 m深度见高角度半张开缝;c—巴什基奇克组6 900~6 903 m深度砂岩段见高角度张开缝和半张开缝,下部泥岩段裂缝不发育。TG为油气显示总烃含量(体积分数)。

Fig.3 Characteristics of fracture development in well Bozi 12

图4 博孜—大北地区岩心裂缝发育特征 a—博孜17井,平行剪裂缝,6 056.30 m; b—博孜24井,垂直剪裂缝,裂缝面见擦痕,6 056.30 m;c—大北901井,中高角度剪裂缝,裂缝面见泥质充填,5 497.60 m;d—博孜1801井,泥岩中发育的剪裂缝,6 994.50 m。

Fig.4 Characteristics of core fracture development in the Bozi-Dabei Block

图5 博孜—大北地区巴什基奇克组岩心薄片裂缝发育特征 a—博孜9井,单偏光,纹层状灰质细-中粒长石岩屑砂岩,未充填裂缝,细砂(照片下部)和中砂互层状分布,方解石(红色)呈孔隙-基底式胶结,7 677.36 m;b—博孜9井,单偏光,纹层状细-中粒长石岩屑砂岩,细、中砂互层分布,中砂纹层中见部分半充填的剩余粒间孔,细砂纹层较致密,纹层间见未充填裂缝,7 675.95 m;c—博孜9井,单偏光,碎屑颗粒漂浮状散布,大量的方解石(红色)胶结物呈孔隙-基底式胶结,局部见粒间溶孔和不规则的肠状溶蚀缝,7 677.2 m;d—博孜7井,单偏光,含云细中粒岩屑长石砂岩,细中粒砂状结构,颗粒具定向排列,岩石胶结致密,局部白云石条带中发育数条有效缝,定向延伸,未充填,7 550.6 m;e—博孜6井,单偏光,砂质泥岩,砂质黏土结构,岩石致密,砂质具定向排列,有效构造缝顺岩石层面延伸,未充填,4 489.81 m;f—博孜6井,单偏光,泥质粉砂岩,粉砂具定向排列,可见灰屑和针状云母,有效构造缝呈断续状切割岩石,未充填,4 481.98 m;g—大北9井,单偏光,中细粒岩屑长石砂岩,岩石粒间孔隙性能差,裂缝较发育,沿裂缝衍生细小微裂纹及溶孔,4 854.2 m;h—大北9井,单偏光,中粒长石岩屑砂岩,中粒砂状结构,微裂缝呈束状延伸,沿缝两侧分布的粒间孔隙中见黑色沥青,4 851.3 m;i—大北9井,单偏光,含灰粗中粒长石岩屑砂岩,岩石为含灰粗砂状结构,颗粒粒间零星见粒间孔、粒间溶孔,构造溶蚀缝不规则断续状切割岩石,以未充填为主,4 851.64 m。

Fig.5 Thin sections from the Bashijiqike Formation in the Bozi-Dabei Block revealing the microscopic characteristics of fracture development

图6 博孜21井地质力学参数测井解释 BIT为钻头直径;CAL为井径;GR为自然伽马量;M2R3、M2R6和M2RX为电阻率;DT为纵波时差;DEN为岩石密度;CNC为补偿中子强度;POR为孔隙度;PERM为渗透率;TG为油气显示总烃含量(体积分数);UCS为单轴抗压强度;SHmin为水平最小主应力;Sv为垂向应力;SHmax为水平最大主应力。

Fig.6 Logging interpretation of geomechanical parameters for well Bozi 21

图7 喜马拉雅晚期博孜—大北段地质力学建模

Fig.7 Geomechanical modeling of the Bozi-Dabei section in the late Himalayan

表1 有限元应力场数值模拟力学参数赋值表

Table 1 Mechanical parameters used in numerical simulation of finite element stress field

地层	杨氏模量/GPa	泊松比	岩石密度/ (g·cm^-3)
第四系(Q)	12.4	0.27	2.45
康村组(N_1-2k)	26.0	0.25	2.59
吉迪克组(N₁j)	36.7	0.24	2.64
苏维依组(E_2-3s)	19.1	0.26	2.54
库姆格列木群(E_1-2km¹) 上泥岩段	20.7	0.26	2.56
膏盐层	15.0	0.25	2.30
巴什基奇克组	25~31	0.22~0.32	2.51~2.66
围岩	25.0	0.25	2.50

图8 喜马拉雅晚期应力场数值模拟结果 a—喜马拉雅晚期应力场平面分布;b—古应力状态纵向转换特征。

Fig.8 Numerical simulation results. (a) Plane distribution of the late Himalayan stress field. (b) The vertical transformation characteristics of paleostress state.

图9 博孜—大北地区古应力状态转换特征与构造样式间的关系

Fig.9 Relationship between paleostress state transition characteristics and tectonic styles in Bozi-Dabei area

图10 转换型应力场裂缝产状变化规律

Fig.10 Histograms of dip-angles of fractures under different conversion stress fields

图11 不同古应力状态控制下的裂缝产状变化规律(浅紫色为逆冲型应力场,黄色为走滑型应力场;所处的位置见图10)

Fig.11 Histograms of dip-angles of fractures under different paleostress states. Light purple is thrust stress field, and yellow is strike-slip stress field. Location is shown in Fig.10.

图12 博孜—大北地区不同深度砂岩储集空间镜下特征 a—博孜6井巴什基奇克组,单偏光,总面孔缝率0.3%,不等粒砂状结构,颗粒状内碎屑(红色)混杂于陆屑中,填隙物为方解石(红色)和褐色泥质,岩石致密,4 487.47 m;b—博孜15井巴西改组,单偏光,未见有效孔隙,含灰含泥不等粒长石岩屑砂岩,泥质和方解石胶结致密,4 756.6 m;c—大北9井巴什基奇克组,含灰细中粒长石岩屑砂岩,单偏光,总面孔缝率小于0.1%,岩石为含灰细中粒砂状结构,颗粒具定向排列,颗粒间胶结致密,偶见粒间、粒内孔,个别发育粒内短缝,未充填,4 847.67 m;d—博孜7井巴什基奇克组,单偏光,总面孔缝率20%,中细粒长石岩屑砂岩,中细粒砂状结构,分选性中等,颗粒具定向排列,粒间孔、粒间溶孔发育,均匀分布,偶见粒内溶孔,孔隙连通性好,少量沥青充填-半充填孔隙,7 745.57 m;e—博孜8井巴什基奇克组,单偏光,总面孔缝率8.7%,细中粒岩屑长石砂岩,细中粒砂状结构,粒缘具泥质包膜,岩石粒间孔、粒间溶孔较发育,8 081.83 m;f—博孜9井巴什基奇克组,单偏光,总面孔缝率6%,中粒长石岩屑砂岩,原生粒间孔、粒间溶孔(孔隙中见钠长石溶蚀残余,长石粒缘加大边呈齿状),7 675.69 m。

Fig.12 Microscopic characteristics of sandstone reservoir spaces at different depths in Bozi-Dabei area

图13 克拉苏构造带孔隙度与埋深关系(数据引自文献[40])

Fig.13 Relationship between porosity and burial depth in Kelasu tectonic belt (data quoted from [40])

图14 博孜地区地应力分布及其与储层物性关系 a—博孜地区储层孔隙度与埋深关系(据文献[39]);b—大北地区储层孔隙度与埋深关系(据文献[39]);c—博孜12构造喜马拉雅晚期水平最大有效主应力分布;d—博孜12构造喜马拉雅晚期垂向有效应力分布(剖面位置见图1中C-C’和 D-D’)。

Fig.14 Distribution of in situ stress in the Bozi block and its relationship with reservoir properties

图15 博孜—大北地区主应力大小与埋深的关系 a—博孜—大北地区埋深与水平最小主应力关系;b—博孜—大北地区埋深与水平最大主应力关系。

Fig.15 Relationship between the magnitude of principal stress and buried depth in Bozi-Dabei area

图16 现今应力场与喜马拉雅晚期应力场对比分析

Fig.16 Comparative analysis of the present stress and the late Himalayan stress fields

图17 离散元数值模拟边界条件与模拟过程中孔隙度变化

Fig.17 Boundary conditions in discrete element numerical simulation and porosity changes during simulation

表2 离散元数值模拟相关参数设置

Table 2 Parameter settings used in discrete element numerical simulation

细观参数	数值
密度/(kg·m^-3)	2 500
初始孔隙度/%	30
颗粒杨氏模量/GPa	35
颗粒摩擦系数	0.3
重力加速度/(m·s^-2)	9.8
平行粘结法向强度/(J·MPa^-1)	55
平行粘结切向强度/(J·MPa^-1)	30

表3 离散元数值模拟方案

Table 3 Discrete element numerical simulation scheme

实验编号	S_v/MPa	$S H m a x$ /MPa	$S h m i n$ /MPa
1	50	90	70
2	60	90	70
3	70	90	70
4	80	90	70

表3 离散元数值模拟方案

Table 3 Discrete element numerical simulation scheme

实验编号	S_v/MPa	$S H m a x$ /MPa	$S h m i n$ /MPa
1	50	90	70
2	60	90	70
3	70	90	70
4	80	90	70

图18 不同应力状态控制下的储层减孔机制 a—逆冲型应力场;b—转换型应力场;c—走滑型应力场。

Fig.18 Reservoir porosity reduction mechanism controlled by different stress states. (a) Thrust stress field; (b) Transformational stress field; (c) Strike-slip stress field.

参考文献 44

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库车坳陷应力状态转换特征及其地质与力学响应

Characteristics of stress state transitions and its geological and mechanical response in the Kuqa Depression

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