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松辽盆地火山岩裂缝形成机理及预测研究

任德生  
【摘要】:松辽盆地经历了从古亚洲构造系到太平洋构造系的复杂转化过程,受到多次不同性质和不同方向的构造运动的叠加和改造,构造复杂。徐家围子断陷是松辽盆地北部最大的断陷区,经历了断陷期、坳陷期和反转期三个阶段的构造沉积演化。研究区芳深9井区位于松辽盆地的徐家围子断陷,构造比较简单,为区域东倾单斜。营城组火山岩是研究区断陷内深层(指包括火石岭组至泉头组一二段在内的所有地层)勘探的重要目的层之一。从勘探现状看,徐家围子凹陷芳深9井区下白垩统营城组二段获高含CO2工业气流,近几年的勘探又证实该区有较好的勘探前景,但由于油气分布与裂缝分布有密切的关系,而裂缝的钻前预测难度很大,造成火山岩区的勘探复杂、难度较大。因此,查明该井区火山岩裂缝的形成机制及分布规律,对于火山岩油气藏的勘探开发具有重要意义。 本论文运用了构造地质学、石油地质学、地球物理、地应力等多学科的新理论、新技术,开展了野外露头和钻孔岩心裂缝观测、古地磁定向、显微裂隙测试、裂缝的分期配套及裂缝形成的应力场的三维有限元的数值模拟工作,在深入研究裂缝形成机制的同时,达到裂缝密度分布规律的定量预测。 通过钻孔岩心、野外露头岩石裂缝的宏观观测,认为研究区原生裂缝不太发育,多数裂缝被后期的构造应力或溶蚀作用所改造。次生裂缝以构造裂缝为主。岩心古地磁定向测试,确定出了研究区岩心两组宏观裂缝优势方位为NEE-NE和NWW-NW向,定量解决了营城组火山岩储层构造裂缝发育方向问题。在岩心裂缝古地磁定向测试基础上,制作定向薄片,经显微构造测试研究及裂缝的分期配套认为:研究区的目的层早白垩纪嫩江末期构造应场最大水平主应力方向为:NNW-SSE方向挤压;白垩纪明水期构造应力场最大水平主应力方向为NW-SE方向的挤压;现今构造应力场最大水平主应力方向 WP=110 为近EW向,确立了嫩江组沉积末期、明水组沉积末期和早第三纪沉积末期为强烈的反转作用的应力场方向。对于本区的火山岩的裂缝形成而言,断陷期的断裂非常重要,因为它影响火山岩的分布及后期构造裂缝的产生。坳陷期和反转期断层虽然大部分未断至火山岩层,但反转期的应力场的重新调整则是本区火山岩构造裂缝产生的主要动力机制。在以露头和钻井岩心的观测与统计及显微构造测试研究的基础上,结合区域沉积环境特征、测井评价及钻采效果,对本区火山岩岩心、岩相及其裂缝的演化过程综合研究认为:在火山口周围,爆发相的火山角砾岩和火山集块岩中,裂缝相当发育,以角砾间缝、晶间缝最为普遍。溢流相的火山岩顶底层冷凝收缩缝发育,由于该相的火山岩成层状分布于水下环境,岩浆喷发之际的高温与水下环境的温度相比,形成巨大的温差,产生“淬火”现象,是形成冷凝收缩缝的主要原因。在次生火山岩相发育区,岩浆喷发时岩浆上拱力、岩浆爆发力引起的气液爆炸作用而形成的裂缝也较发育,包括网状裂缝、角砾间缝、晶间缝、垂直张裂缝。 在地质综合研究的基础上,建立了地质模型、力学模型和数学模型,运用有限元数值模拟技术,计算研究区目的层裂缝形成的构造应力场,同时计算出岩石破裂的能量值和剪破裂率值,再与取芯井裂缝观测的定量统计数据进行对比约束,预测未知区的裂缝密度分布情况,从而达到裂缝密度的定量预测。预测本区的裂缝高密度区为背斜形构造的顶部、向斜形构造的底部、断层的交汇部位、正断层下降盘和逆断层上升盘附近。结合本区流体势的模拟认为,本区芳深9井附近和芳深701井附近为最有利勘探区域;芳深10井、芳深8井、芳深4井附近为有利勘探区域。 通过以芳深9井区火山岩裂缝形成机理及预测为例的研究,形成了一套火山岩裂缝的形成机理及判别模式和预测方法。本区剪应力、剪破裂率、地层形变比能高值区叠合部位,流体势、应力低值区等区域是形成油气圈闭的有利部位。


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