深部岩体结构面预测及其石油井壁工程稳定性应用
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摘要
在石油行业，深部岩体结构面(裂缝)对油气的勘探开发起着越来越重要的作用，人们对它的研究已有近百年历史，研究的方法有物探、测井、数理统计、非线性和力学等多种手段。但是，对于深部岩体结构面的预测研究迄今仍然是一个公认的世界级难题。本文针对这一实际现状，较为系统地运用了工程地质的技术思路和方法，研究深部岩体结构面(裂缝)的特征、发育分布规律、及其与石油井壁工程稳定性关系，形成了一套系统工程计算方法。文章就该项技术的基础、原理、方法、以及具体应用等内容，结合塔里木沙漠腹地的塔中Ⅰ号断裂带O_(2+3)碳酸盐岩(埋深4600～7000米)和川中油气田侏罗系油层的结构面(裂缝)预测研究，以及结构面对石油井壁稳定性影响等具体研究内容，进行了比较全面而系统地介绍。主要成果如下：
(1)深部岩体结构面预测的基础——结构面的成因模式及其分类方案的建立。通过对研究条件较好的四川华蓥山地区野外露头结构面的系统调查研究，结合盆地内部相同层位的岩芯观察以及石油工程的录井、测井、完井资料的对比研究，建立起以地面或表层岩体为基础的，也适合深部岩体的结构面成因模式，总结出基于地下岩体结构面预测为目的的岩体结构面分类方案(表2-4)。 (2)应用工程地质的技术思路和方法，结合物理模拟和数值分析、以及结构面成因模式和类型划分方案，预测研究塔里木盆地塔中Ⅰ号断裂带O_(2+3)灰岩结构面发育特征及分布规律。具体研究内容及结果如下： ①通过岩芯观察，包裹体均一温度、岩石Kaiser效应等项结果的研究，提出塔中Ⅰ号断裂带至少经历了3次构造运动，分别为O_(2+3)～S～D期、C～P期和喜山构造运动期。与此相对应，O_(2+3)灰岩中发育了3期构造结构面。每期结构面都有许多具体的类型，主要有直立构造缝合线、直立剪切结构面、直立张性结构面、斜交剪切结构面、斜交张性结构面、直立复合结构面等。
②通过岩芯、测井、以及试油等几方面的资料综合分析认为：塔中Ⅰ号断裂带O_(2+3)灰岩结构面最发育的岩性段是颗粒灰岩段，其次是泥质条带灰岩段和含泥灰岩段；此外，结构面的发育还受构造应力、岩石力学性质、岩层厚度以及构造位置等因素的影响。根据以上研究结果，结合四川地区结构面成因模式和分类研究的成果，提出了塔中Ⅱ号断裂带O_(2+3)灰岩体结构面产生的成因模式。
③通过岩石力学试验和对塔中Ⅰ号断裂带的分析—建模分析—地质力学模拟—原型与模型的对照分析一系列研究，认为塔中Ⅰ号断裂带及其附近构造主要是在北东—南西(NE-SW)向构造力作用下形成的；塔中Ⅰ号断裂带是一个较大的破碎带，内部的破碎块造成了地层层序相互交错、叠置，这与地震勘探的结果一致；岩体结构面发育主要集中奥陶系地层中，其次是寒武系地层。
④利用Kaiser效应、方解石矿物晶体的晶格自由密度位错的测试结果，结合物理模拟的结果，建立了研究区数值模拟分析的地质模型，确定了数值分析的边界条件。研
早：瀑仔勿傣芯物口顽咧及其石幻十回un贬性应用
究区经历了两次构造运动，其中晚海西期（第二期）构造力应为60Mp＆左右，而晚加
里东一早海西期（早期）的构造应力应该大于晚海西期。
⑤通过数值分析，模拟了塔中 1号断裂带和塔中 45井三维模拟区 OZ、灰岩的构造
应力场和应变场，结果表明：研究区主应力方向为北东～南西向（WW），第H期
（CW）的构造扭动使其由北向东发生了一定的偏转，但总的方位变化不大；O2＋－S～D
时期，塔中地区构造运动较强，研究区大部分处于高应力状态，岩石破裂程度较高，
而岩芯观察结果也证实了这一结果，即O2＋3灰岩地层中早期形成的构造结构面比较发
＿育，单个结构面的规模也较大；C～P时期，岩石的破坏程度较早期（Oo－S～D）有所
提高，主要表现在两个方面，一是各局部区岩石的破坏程度普遍有所提高；二是各个
级别破裂区的分布范围相应地扩大了：研究区应力分布表现出明显的不均匀性，特别
’回 是剪应力，无论是O。－S－D时期，还是C～P时期，都有很大的差异性，特别是在小断
层的端部，剪应力比较集中，而且在断层的两盘，剪应力方向和大小都变化极快。
、＠根据岩体破裂准则，结合塔中 1号断裂带 O。灰岩地层的现有生产资料的对比分
析，制定了不同级别结构面发育的破坏接近度n值标准，然后以此为标准，对研究区
O。灰岩体内小型构造结构面（节理）进行了预测臼定；结果表明，研究区 O2＋灰岩
结构面非常发育，发育程度可分为斗个级别，对各结构面发育区的分布范围、结构面
特征、方位所预测的结果与生产实际情况基本相符。
（3）通过三维数值模拟，分析了不同产状、不同类型、以及不同组合的结构面在各种
典型深度的地层中引起井壁失稳的条件及结果，探讨结构面对井壁稳定性的影响及其结
果。结果表明，各类结构面都对井壁的稳定性产生负面影响，?
Deep rock discontinuities(fracture) play a more and more important role in exploration and exploitation of oil & gas. Having been lasting almost one hundred years, using many research methods include geophysical prospecting, well logging, mathematical statistics, nonlinear methods and mechanics, however the predict study on deep rock discontinuities is still a world wide accepted puzzle. Systematically using the technical thoughts and methods of engineering geology, this paper studies the characteristics, development and distribution law of the deep rock discontinuities and the relations between the deep rock discontinuities and the stability of the wall of oil well. And thus formed a set of systematical engineering methods. Combining with the prediction study on the discontinuities (fracture) in OM carbonate rocks of Tazhong 1* faulted zone in Tarim Basin hinterland (burial depth from 4600 to 7000 metres) and the discontinuities (cracks) in Jurassic system petroleum reservoir of the middle Sichuan oil and gas filed, and with the detailed research involved in the influence of the discontinuities on the stability of the well wall, the fundamentals, theories, methods and concrete applications of this technique have been introduced by and large. And the main results are as follow.
(1) The genesis patterns and the classification scheme for deep discontinuities, the basis of the prediction of deep rock discontinuities, are presented. Through systematically surveying and studying on the field discontinuities outcrops in Huayinshan area in Sichuan basin, combining with the drill cores observation and the comparing study of the well recording, logging and completting data of the same strata nearby, the genesis patterns of the discontinuities, which based on the ground or surface rock mass and also fit to the deep rock mass, are formed, and the rock discontinuities classification scheme (chart 2-4) for the purpose of deep rock discontinuities prediction is concluded too.
(2) Using the technical thoughts and methods of engineering geology, combing with physical simulation, numeric analysis, and genesis patterns and classification scheme of discontinuities, the O2+3 carbonate discontinuities(fracture) of Tazhong 1* faulted zone in Tarim Basin and its development and distribution law are predicted.
By studying the results of drill cores observation, homogeneous temperatures of inclosures and rock Kaiser effect, it is presented in mis paper that Tazhong 1" faulted zone has experienced at least three periods of tectonic movements. They are O2+3~S~D period, C~P period, and Xishan period respectively. Correspondingly, there are three stages of tectonic discontinuities in Ow carbonate rocks. Each stage has several concrete types. Mainly as follow: perpendicular tectonic seam, perpendicular shear discontinuities, oblique crossing
shear discontinuities, oblique crossing tensile discontinuities, perpendicular complex discontinuities.
(2) By synthetically analyzing drill cores, well logging and oil test data, it is presented that discontinuities in O2+3 carbonate discontinuities(fracture) of Tazhong 1* faulted zone are most widespread in the grain limestone section, and in the second place are in the silry banding limestone section and slit contained limestone section. Furthermore, the development of discontinuities is also controlled by tectonic stresses, rockmasses properties, thickness of strata and their tectonic locations. Based on above results, combining with the result from the research on the genesis patterns and classification of the discontinuities in Sichuan region, the genesis patterns of the discontinuities in O2+3 carbonate rocks of Tazhong 1* faulted zone are presented.
(3) By testting the rock mechanical properties, and Studying on the analysis of Tazhong 1" faulted zone, modeling analysis, geological mechanical simulation, and comparative analysis on the prototype and model, it is concluded that the discontinuities in O2+3 carbonate rocks of Tazhong 1" faulted zone and the structure ne
(1)深部岩体结构面预测的基础——结构面的成因模式及其分类方案的建立。通过对研究条件较好的四川华蓥山地区野外露头结构面的系统调查研究，结合盆地内部相同层位的岩芯观察以及石油工程的录井、测井、完井资料的对比研究，建立起以地面或表层岩体为基础的，也适合深部岩体的结构面成因模式，总结出基于地下岩体结构面预测为目的的岩体结构面分类方案(表2-4)。 (2)应用工程地质的技术思路和方法，结合物理模拟和数值分析、以及结构面成因模式和类型划分方案，预测研究塔里木盆地塔中Ⅰ号断裂带O_(2+3)灰岩结构面发育特征及分布规律。具体研究内容及结果如下： ①通过岩芯观察，包裹体均一温度、岩石Kaiser效应等项结果的研究，提出塔中Ⅰ号断裂带至少经历了3次构造运动，分别为O_(2+3)～S～D期、C～P期和喜山构造运动期。与此相对应，O_(2+3)灰岩中发育了3期构造结构面。每期结构面都有许多具体的类型，主要有直立构造缝合线、直立剪切结构面、直立张性结构面、斜交剪切结构面、斜交张性结构面、直立复合结构面等。
②通过岩芯、测井、以及试油等几方面的资料综合分析认为：塔中Ⅰ号断裂带O_(2+3)灰岩结构面最发育的岩性段是颗粒灰岩段，其次是泥质条带灰岩段和含泥灰岩段；此外，结构面的发育还受构造应力、岩石力学性质、岩层厚度以及构造位置等因素的影响。根据以上研究结果，结合四川地区结构面成因模式和分类研究的成果，提出了塔中Ⅱ号断裂带O_(2+3)灰岩体结构面产生的成因模式。
③通过岩石力学试验和对塔中Ⅰ号断裂带的分析—建模分析—地质力学模拟—原型与模型的对照分析一系列研究，认为塔中Ⅰ号断裂带及其附近构造主要是在北东—南西(NE-SW)向构造力作用下形成的；塔中Ⅰ号断裂带是一个较大的破碎带，内部的破碎块造成了地层层序相互交错、叠置，这与地震勘探的结果一致；岩体结构面发育主要集中奥陶系地层中，其次是寒武系地层。
④利用Kaiser效应、方解石矿物晶体的晶格自由密度位错的测试结果，结合物理模拟的结果，建立了研究区数值模拟分析的地质模型，确定了数值分析的边界条件。研
早：瀑仔勿傣芯物口顽咧及其石幻十回un贬性应用
究区经历了两次构造运动，其中晚海西期（第二期）构造力应为60Mp＆左右，而晚加
里东一早海西期（早期）的构造应力应该大于晚海西期。
⑤通过数值分析，模拟了塔中 1号断裂带和塔中 45井三维模拟区 OZ、灰岩的构造
应力场和应变场，结果表明：研究区主应力方向为北东～南西向（WW），第H期
（CW）的构造扭动使其由北向东发生了一定的偏转，但总的方位变化不大；O2＋－S～D
时期，塔中地区构造运动较强，研究区大部分处于高应力状态，岩石破裂程度较高，
而岩芯观察结果也证实了这一结果，即O2＋3灰岩地层中早期形成的构造结构面比较发
＿育，单个结构面的规模也较大；C～P时期，岩石的破坏程度较早期（Oo－S～D）有所
提高，主要表现在两个方面，一是各局部区岩石的破坏程度普遍有所提高；二是各个
级别破裂区的分布范围相应地扩大了：研究区应力分布表现出明显的不均匀性，特别
’回 是剪应力，无论是O。－S－D时期，还是C～P时期，都有很大的差异性，特别是在小断
层的端部，剪应力比较集中，而且在断层的两盘，剪应力方向和大小都变化极快。
、＠根据岩体破裂准则，结合塔中 1号断裂带 O。灰岩地层的现有生产资料的对比分
析，制定了不同级别结构面发育的破坏接近度n值标准，然后以此为标准，对研究区
O。灰岩体内小型构造结构面（节理）进行了预测臼定；结果表明，研究区 O2＋灰岩
结构面非常发育，发育程度可分为斗个级别，对各结构面发育区的分布范围、结构面
特征、方位所预测的结果与生产实际情况基本相符。
（3）通过三维数值模拟，分析了不同产状、不同类型、以及不同组合的结构面在各种
典型深度的地层中引起井壁失稳的条件及结果，探讨结构面对井壁稳定性的影响及其结
果。结果表明，各类结构面都对井壁的稳定性产生负面影响，?
Deep rock discontinuities(fracture) play a more and more important role in exploration and exploitation of oil & gas. Having been lasting almost one hundred years, using many research methods include geophysical prospecting, well logging, mathematical statistics, nonlinear methods and mechanics, however the predict study on deep rock discontinuities is still a world wide accepted puzzle. Systematically using the technical thoughts and methods of engineering geology, this paper studies the characteristics, development and distribution law of the deep rock discontinuities and the relations between the deep rock discontinuities and the stability of the wall of oil well. And thus formed a set of systematical engineering methods. Combining with the prediction study on the discontinuities (fracture) in OM carbonate rocks of Tazhong 1* faulted zone in Tarim Basin hinterland (burial depth from 4600 to 7000 metres) and the discontinuities (cracks) in Jurassic system petroleum reservoir of the middle Sichuan oil and gas filed, and with the detailed research involved in the influence of the discontinuities on the stability of the well wall, the fundamentals, theories, methods and concrete applications of this technique have been introduced by and large. And the main results are as follow.
(1) The genesis patterns and the classification scheme for deep discontinuities, the basis of the prediction of deep rock discontinuities, are presented. Through systematically surveying and studying on the field discontinuities outcrops in Huayinshan area in Sichuan basin, combining with the drill cores observation and the comparing study of the well recording, logging and completting data of the same strata nearby, the genesis patterns of the discontinuities, which based on the ground or surface rock mass and also fit to the deep rock mass, are formed, and the rock discontinuities classification scheme (chart 2-4) for the purpose of deep rock discontinuities prediction is concluded too.
(2) Using the technical thoughts and methods of engineering geology, combing with physical simulation, numeric analysis, and genesis patterns and classification scheme of discontinuities, the O2+3 carbonate discontinuities(fracture) of Tazhong 1* faulted zone in Tarim Basin and its development and distribution law are predicted.
By studying the results of drill cores observation, homogeneous temperatures of inclosures and rock Kaiser effect, it is presented in mis paper that Tazhong 1" faulted zone has experienced at least three periods of tectonic movements. They are O2+3~S~D period, C~P period, and Xishan period respectively. Correspondingly, there are three stages of tectonic discontinuities in Ow carbonate rocks. Each stage has several concrete types. Mainly as follow: perpendicular tectonic seam, perpendicular shear discontinuities, oblique crossing
shear discontinuities, oblique crossing tensile discontinuities, perpendicular complex discontinuities.
(2) By synthetically analyzing drill cores, well logging and oil test data, it is presented that discontinuities in O2+3 carbonate discontinuities(fracture) of Tazhong 1* faulted zone are most widespread in the grain limestone section, and in the second place are in the silry banding limestone section and slit contained limestone section. Furthermore, the development of discontinuities is also controlled by tectonic stresses, rockmasses properties, thickness of strata and their tectonic locations. Based on above results, combining with the result from the research on the genesis patterns and classification of the discontinuities in Sichuan region, the genesis patterns of the discontinuities in O2+3 carbonate rocks of Tazhong 1* faulted zone are presented.
(3) By testting the rock mechanical properties, and Studying on the analysis of Tazhong 1" faulted zone, modeling analysis, geological mechanical simulation, and comparative analysis on the prototype and model, it is concluded that the discontinuities in O2+3 carbonate rocks of Tazhong 1" faulted zone and the structure ne
引文
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