CN114002737B - 基于断层带摩擦强度非均质性的断层稳定性评价方法 - Google Patents

基于断层带摩擦强度非均质性的断层稳定性评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的基于断层带摩擦强度非均质性的断层稳定性评价方法，包括以下步骤：基于深度域断层和地层解释数据及泥质含量测井解释数据模拟计算实际断面泥质含量分布，明确断面泥质含量分布范围；挑选岩心样品，使所选样品泥质含量尽可能均匀分布在实际断面泥质含量分布范围内；针对不同泥质含量的岩心样品开展室内摩擦强度测试；建立摩擦系数与泥质含量的函数关系式；利用摩擦系数与泥质含量的关系式将断面泥质含量转化为摩擦系数；利用断面摩擦系数、地应力及断层产状来模拟计算断面活化压力。本发明能够考虑断层摩擦强度非均质性对断层稳定性的影响，使结果更符合实际。

Description

基于断层带摩擦强度非均质性的断层稳定性评价方法
技术领域
本发明涉及油气藏地质勘探与开发技术领域，具体涉及的是一种基于室内摩擦强度实验和断面泥质含量来定量表征断面摩擦强度非均质性并将其应用于断层稳定性评价的方法。
背景技术
断层失稳是储气库气体埋存、油气田开发及诱发地震等领域的一个重要课题，地下流体的注入会降低断层面所受有效正应力，从而诱发断层滑动，造成油气泄露、井眼套损和微地震等一系列危害。断层失稳发生滑动主要受控于地应力特征、压力发育程度、断层产状以及断层摩擦强度和内聚力。因此，断层摩擦强度是影响断层稳定程度的重要参数，尤其是对于具有大量泥质卷入的断层。对于某一特定的碎屑岩地层(温度、压力、含水量和粘土矿物类型等地质条件较为相似)来说，断层泥的含量是影响断层摩擦强度非均质性的主控因素。因此，表征由断面泥质含量变化引起的断面摩擦强度非均质性得尤为重要。
泥质含量对断面摩擦强度的影响虽然在近十年来得到越来越多的关注，但是大多仅局限于室内实验研究，还未形成一套定量表征实际断层面摩擦强度的非均质性的可行方案，在断层稳定性评价的过程中对摩擦强度的考虑仍局限于某一实验值或经验值，未能考虑断层面摩擦强度非均质性对断层稳定性的影响。鉴于此，本发明基于断层泥对摩擦强度的影响提出了一种将室内摩擦强度实验与断层泥含量SGR相结合的方法来表征断层面摩擦强度的非均质性，以提高断层稳定性评价的精度。
发明内容
本发明的目的是建立一种考虑断层面摩擦强度非均质性的断层稳定性评价方法，用于解决目前技术条件下无法表征断面摩擦强度的非均质性，从而造成断层稳定性评价结果精度较低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：这种基于断层带摩擦强度非均质性表征的断层稳定性评价方法包括以下步骤：
步骤一、模拟计算实际断面泥质含量分布，明确断面泥质含量分布范围；挑选岩心样品，使其泥质含量尽量均匀分布在断面泥质含量分布范围内；
步骤二、针对不同泥质含量的岩心样品开展室内摩擦强度实验；建立摩擦系数与泥质含量的函数关系式；
步骤三、利用摩擦系数与泥质含量的关系式将断面泥质含量转化为摩擦系数；
步骤四、利用断面摩擦系数、地应力及断层产状来模拟计算断面不同部位活化压力。
上述方案中步骤一的具体方法：
A、基于深度域断层和地层解释数据通过地质软件建立构造模型，刻画每一套地层在断层两盘的交线，从而得到断层在每一套地层的断距，在此基础之上结合泥质含量测井解释和地层厚度来计算断层面不同部位泥质含量分布SGR，计算公式如下：
式中：SGR为断面泥质含量，％；D为断距，m；Vsh为泥质含量测井解释，％；ΔZ为地层厚度，m；
B、肉眼观察岩心，选择泥质含量有差异的岩心样品进行泥质含量测定，根据测试结果挑选参与后续摩擦实验的岩心样品，使其泥质含量尽量均匀分布在断面泥质含量分布范围内。
上述方案中步骤二的具体方法：
A、对岩心样品进行处理以满足实验要求，并开展不同泥质含量的摩擦强度实验，如直剪、三轴和环剪，得到不同泥质含量所对应的摩擦系数的大小；
B、对泥质含量和摩擦强度数据进行分析处理，得到摩擦系数μ与泥质含量Vsh的函数关系式：μ＝f(Vsh)。
上述方案中步骤三的具体方法：
基于地质软件模拟计算出断面泥质含量SGR分布，利用下式进行断面摩擦系数μ的计算：
对于断层面，SGR≈Vsh
因此，断面摩擦系数μ＝f(SGR)。
上述方案中步骤四的具体方法：
A、利用地应力、断层倾向和断层倾角来计算断面所受正应力Sn和剪应力τ，计算公式如下：
Sn＝Svcos2θdip+SHmaxcos2(θtrend-θHmax)sin2θdip+Shminsin2(θtrend-θHmax)sin2θdip
式中：Sn和τ分别为断面所受正应力和剪应力；Sv、SHmax和Shmin分别为垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力大小；θHmax为最大水平主应力方向；θtrend和θdip分别为断面倾向和倾角；
B、利用断层面摩擦系数、断面所受正应力和剪正应力来计算断面每个微元面发生活化所需的总流体压力，用活化压力PR来表示，计算公式如下：
PR＝Sn-τ/μ
式中：PR为断层活化压力；Sn和τ分别为断面所受正应力和剪应力；μ为断层摩擦系数。
本发明具备以下有益效果：
1.本发明对于摩擦系数和泥质含量关系式的厘定较为灵活，不拘泥于某一种设备，可充分利用各设备之间的优缺点进行实验，例如，三轴压缩仪器无法测试高泥质含量岩样摩擦系数的问题，可以通过直剪来解决，然后结合断面泥质含量SGR分布能够有效解决由泥质含量变化引起的断层摩擦强度非均质性的表征问题，便于在油田进行大面积推广；
2.本发明目的在于结合摩擦强度测试与实际断层面SGR进行断面摩擦强度的非均质性表征，弥补常规断层稳定性评价的过程中将摩擦系数设为定值的缺陷，从而提高断层稳定性评价的精度，能够得到更加符合实际的断面活化压力。在储气库领域，断层活化压力对于储气库的库容量计算及安全运行至关重要；在油田注水开发领域，断层活化压力结合油藏数值模拟得到的压力场分布可以有效解决油田经济效益与安全生产之间的矛盾，同时对于延缓断层边部套损和减少微地震方面也具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的步骤框图；
图2是保密案例中模拟计算得到的断面泥质含量SGR分布图；
图3是统计前人摩擦强度实验数据得到的摩擦系数与泥质含量的关系图；
图4是保密案例中模拟计算得到的断面摩擦系数μ分布图；
图5是保密案例中的地应力剖面；
图6是保密案例中模拟计算得到的断面活化压力PR分布图；
图7是保密案例中μ＝0.6时断面活化压力PR分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
采用本发明对渤中34-2油田断层的摩擦强度非均质性进行了表征，在此基础之上进行了断层稳定性的定量评价。具体保密性实验如下：
实施对象为“渤中34-2油田断层摩擦强度非均质性表征及稳定性评价”。涉及的研究对象位于渤海湾盆地黄河口凹陷的中央隆起带，油田总体构造面貌是一个北东向展布的断裂背斜，构造主体范围内发育北东向和近东西向两组断裂，包括F15、F29、F30、F31、F32、F61、F65和F68共8条断层，主力含油层位为沙河街组地层。本发明以渤中34-2油田为例展开断层摩擦强度非均质性的研究，在此基础之上进行断层稳定性的评价，并且与常规断层稳定性评价结果(μ＝0.6)进行对比来说明本次发明的创新性和适用性。
实施例的基本条件：研究区具有较好的三维地震资料、测井解释资料及地应力资料，为本方法提供了全面的基础数据。
实施过程：根据图1步骤框图进行：
(1)断面泥质含量表征
首先利用地层和断层的深度域地震解释数据建立三维构造模型，并分别刻画断层-地层和断层-断层的交切关系，得到断层在每套小层的断距，在此基础之上结合断层附近井泥质含量测井解释数据和地层厚度来计算断层面任意一点泥质含量SGR，结果如图2所示，断面泥质含量在0-100％之间均有分布，SGR计算公式如下：
式中：SGR为断面泥质含量，％；D为断距，m；Vsh为泥质含量测井解释，％；ΔZ为地层厚度，m。
(2)摩擦系数与泥质含量关系式厘定：
A、摩擦实验岩心样品的选择；根据岩性柱状图、测井曲线特征(如自然电位、自然伽马)结合肉眼观察，挑选目的层段内不同泥质含量的岩心样品；
B、通过实验测定每个岩样中的泥质含量，选择用于开展摩擦强度测试的岩样，使所挑选岩样的泥质含量均匀分布在断面泥质含量分布范围内；
C、摩擦强度测试：①对不同泥质含量的岩样进行处理，使其符合实验所要求的规格，直剪、三轴和环剪均可；②开展不同泥质含量岩样的摩擦强度测试，得到不同泥质含量所对应的摩擦系数的大小，在此过程中要充分利用不同设备之间的优点，例如三轴压缩仪器无法测定低强度泥岩的摩擦系数，可以利用直剪或者环剪来代替；
D、拟合摩擦系数与泥质含量的函数关系式：此处，采用前人有关断层泥摩擦实验的统计结果来说明方案的可行性，其泥质含量和摩擦系数的实验统计结果见表1，对应于具体实施方式中第(2)步中的A、B和C。统计结果显示，摩擦系数随泥质含量的增加而逐渐减小(图3)，在泥质含量为0.2-0.6之间斜率最大，摩擦系数减小速度最快，经最小二乘法拟合得到摩擦系数μ与泥质含量Vsh的函数关系式：
μ＝f(Vsh)＝-1.4145Vsh 5+2.5491Vsh 4+0.0564Vsh 3-1.6162Vsh 2-0.0447Vsh+0.64。
表1不同粘土矿物类型组合下泥质含量与摩擦系数实验数据统计表
(3)断面不同部位摩擦系数表征：
对于断层面，SGR≈Vsh，因此，断面摩擦系数μ＝f(SGR)＝f(Vsh)。基于已模拟计算出断面泥质含量SGR分布(图2)，利用断面摩擦系数μ与泥质含量Vsh的函数关系式(上述五次多项式)将断面泥质含量SGR转化为断面摩擦系数μ，摩擦系数整体位于0.2-0.5之间，受断面泥质含量的影响，表现为层状分布的特征(图4)。
(4)断面活化压力的计算：
用于断层稳定性评价的地应力源于测井资料的综合解释(图5)，为了便于计算处理，将地应力大小解释结果利用最小二乘法拟合成线性关系，如表2所示，在研究深度3100-3500m的范围内为伸展型的应力结构。
表2用于断层稳定性评价的地应力数据统计表
利用上述地应力函数表达式结合断层倾向和倾角计算断面所受正应力Sn和剪应力τ，计算公式如下：
Sn＝Svcos2θdip+SHmaxcos2(θtrend-θHmax)sin2θdip+Shminsin2(θtrend-θHmax)sin2θdip
式中：Sn和τ分别为断面所受正应力和剪应力；Sv、SHmax和Shmin分别为垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力大小；θHmax为最大水平主应力方向；θtrend和θdip分别为断面倾向和倾角。所需的地应力参数可以通过漏失试验、Xmac测井、成像测井及岩心测试获得。
基于已模拟计算出的断面摩擦系数μ(图4)，结合断面所受正应力和剪应力计算断层面不同部位发生活化所需的总流体压力，即活化压力PR，计算公式如下：
PR＝Sn-τ/μ
式中：PR为断层活化压力；Sn和τ分别为断面所受正应力和剪应力；μ为断层摩擦系数。
结果显示，研究区8条目标断层在沙河街组地层深度范围内活化压力总体位于10-60MPa之间(图6)。断层稳定性主要受埋深(影响地应力)和泥质含量(影响摩擦系数)的影响，而受产状的控制不明显，具体表现为断层活化压力随埋深的增加活化压力逐渐增大，并且具有层状分布的特征，风险位置位于沙河街组顶部地层，所有断层同一深度活化压力相差不大。当不考虑断层摩擦强度非均质性进行断层稳定性评价时(图7，μ＝0.6)，断层活化压力总体位于35-60MPa之间，断层稳定性主要受控于埋深(影响地应力)和产状，断层活化压力随埋深的增加逐渐增大。断层活化压力对断层产状较为敏感，表现为北东东向断层相对不稳定，风险位置位于沙河街组顶部，并且对于产状变化较大的F31断层同一深度不同位置活化压力变化较大。通过对两种情况的对比发现，是否考虑断层摩擦强度非均质性不仅影响断层活化压力的大小，而且影响断层活化的风险位置，这对于油气田不同井组开发方案的制定至关重要。因此，在断层稳定性评价的过程中非常有必要考虑摩擦强度的非均质性，从而使结果更贴合实际，更好的服务于油气田的安全生产。

Claims (1)

1.基于断层带摩擦强度非均质性表征的断层稳定性评价方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、模拟计算实际断面泥质含量分布，明确断面泥质含量分布范围；挑选岩心样品，使其泥质含量尽量均匀分布在实际断面泥质含量分布范围内；
步骤二、针对不同泥质含量的岩心样品开展室内摩擦强度测试；建立摩擦系数与泥质含量的函数关系式；
步骤三、利用摩擦系数与泥质含量的关系式将断面泥质含量转化为摩擦系数；
步骤四、利用断面摩擦系数、地应力及断层产状来模拟计算断面不同部位活化压力；
所述的步骤一的具体方法：
A、基于深度域断层和地层解释数据通过地质软件建立构造模型，刻画每一套地层在断层两盘的交线，从而得到断层在每一套地层的断距，在此基础之上结合泥质含量测井解释和地层厚度来计算断层面不同部位泥质含量分布SGR，计算公式如下：
式中：SGR为断面泥质含量，％；D为断距，m；Vsh为泥质含量测井解释，％；ΔZ为地层厚度，m；
B、根据测井岩性柱状图结合肉眼观察岩心，选择泥质含量有差异的岩心样品进行泥质含量测试，根据测试结果挑选参与后续摩擦实验的岩心样品，使其泥质含量尽量均匀分布在实际断面泥质含量分布范围内；
所述的步骤二的具体方法:
A、对岩心样品进行处理以满足实验要求，并开展不同泥质含量的摩擦强度实验，得到不同泥质含量所对应的摩擦系数的大小；
B、对泥质含量和摩擦强度测试数据进行分析处理，得到摩擦系数μ与泥质含量Vsh的函数关系式：μ＝f(Vsh)；
所述的步骤三的具体方法：
基于地质软件模拟计算出断面泥质含量SGR分布，利用下式进行断面摩擦系数μ的计算：
对于断层面，SGR≈Vsh
因此，断面摩擦系数μ＝f(SGR)；
所述的步骤四的具体方法：
A、利用地应力、断层倾向和断层倾角来计算断面所受正应力和剪应力，计算公式如下：
Sn＝Svcos2θdip+SHmaxcos2(θtrend-θHmax)sin2θdip+Shminsin2(θtrend-θHmax)sin2θdip
式中：Sn和τ分别为断面所受正应力和剪应力；Sv、SHmax和Shmin分别为垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力大小；θHmax为最大水平主应力方向；θtrend和θdip分别为断面倾向和倾角；
B、利用断层面摩擦系数、断面所受正应力和断面所受剪正应力来计算断面每个微元面发生活化所需的总流体压力，用活化压力PR来表示，计算公式如下：
PR＝Sn-τ/μ
式中：PR为断层活化压力；Sn和τ分别为断面所受正应力和剪应力；μ为断层摩擦系数。
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