地质力学模型的裂缝密度：在美国怀俄明州格林河盆地布卢森林三维地震勘探中的应用

摘要

为了预测与断裂作用有关的低于地震分辨率的裂缝密度，本文提出了一种地质力学方法。该方法采用了由美国怀俄明州格林河盆地三维地震解释结果调整的边界元模型。地震资料显示，该盆地经历了两期重要的变形：（1）早期为近于ESE走向的挤压收缩，在NNE-SSW走向的基底卷入逆断层体系和相关的披盖褶皱上得到了吸收；（2）较晚的扭张期，由ENE-WSW走向的正断层吸收，而这些正断层是优先发育于披盖褶皱顶部以上的上盘的。这些模型预测了每个变形期裂缝密度的不同空间分布。在第一个变形期，剪切破坏的发生概率在逆断层下盘的上部象限（即前翼）增大，而且最强的剪切破坏分布在断层上可以观测的最大倾向滑动位移区附近。在第二个变形期，沿正断层走向和一般的NE走向发育节理的可能性变大。地震速度的各向异性数据证实，地质力学模型对这两个变形期各向异性很强，构造在位置和方位方面的预测是和预测的节理和断层密度增大区相对应的。低孔隙度岩石的油气产量大多取决于储层内裂缝系统的特征。水力传导裂缝可以由断层（平行于裂缝面的剪切位移）和节理（垂直于裂缝面的张开位移）组成，但断层和节理也可以成为流体流动的遮挡。在最初的剪切破裂阶段，压实或胶结的致密岩石趋于膨胀，而疏松、多孔的岩层趋于压实（Paterson＆Wong2005）。随着应变加大，可以认为会出现断层封闭层，其主要原因是在断层带内形成了低渗透率的断层泥和／或夹带了页岩，同时还有断层带内胶结和超压等次要作用机理。使断层具有封闭性的机理有多种，而使节理降低孔隙度／渗透率的主要机理只有胶结作用（例如Laubach等2004）。但在许多情况下，胶结物不是连续分布的，而是桥接在节理面的张开部分。虽然还不能预测胶结物的桥接特性，但在了解相关的节理力学一成岩埋藏史方面，正在进行很可观的努力（例如Noh＆Lake2002；Laubach等2004）。成组的节理是指那些在力学分层岩石内间距与层厚大体成比例的裂缝，它们具有大致成平面的形状，而且在很大范围定向一致（Pollard＆Aydin1988；Gross1993）。普遍推测它们的发育是区域构造应力和埋藏／卸载应力的某种综合效应（Engelder＆Geiser1980；Engelder1985）。由于节理面附近有一个应力＂阴影＂区，所以造成了周期性间隔排列。这是一个拉伸减弱的区域，形成于与节理垂直的张开位移，这里不利于后来的节理成核作用（例如Hobbs1967；Gross等1995；Bai＆Pollard2001）。对于低渗透率的＂致密＂储层而言，所面临的挑战就是要寻找构造孔隙度／渗透率增大的地区。在这种地区，渗透性裂缝的密度要大大高于成组节理的所有背景密度。相邻节理之间的这种相互力学作用可以导致力学分层岩石的节理饱和，由此肯定会发生另一种变形机理，它所提高的张应力足以克服上述的应力阴影并容纳随后的应变。有一种典型的机理是褶皱作用，它的发育与导致裂缝作用增强的局部应力的相当规模调整有关（相对于基本未变形平坦岩层的背景水平）（例如Cooke＆Pollard1997；Bergbauer＆Pollard2004）。在平坦的岩层中，与新增应力相关的通常是形成了越出原始力学界面的贯穿性节理带，或形成了对邻近地区的应力场有干扰并使其他节理发育的断层带（Jamison＆Stearns1982；Becker＆Gross1996；Davatzes＆Aydin2003）。能产生高流体压力和低有效应力的还有其他情形，如快速埋藏、天然气产生或相关的流体流动以及构造／地层性圈闭作用，从理论上说都可以导致裂缝密度的增加。本文集中研究能产生高节理密度的地下断裂机理。许多研究者都在露头的断层附近观测到了节理密度的增大，有些还通过研究力学模型来确定断裂作用对增加小断层密度的影响（Cooke＆Pollard1997；Maerten等2002；Healy等2004；Okubo＆Schultz2005）或对局部节理形态的影响（Rawnsley等1992；Willemse＆Pollard1998；Bourne＆Willemse2001）。但就作者所知，只有Maerten等（2002）尝试过与断裂作用有关并以力学为基础的小断层密度确定性模型。在他们的研究中，将Coloumb剪切应力用于对密度的替代指标。可以用数值边界元模型来预测与断裂作用有关的裂缝密度的增加。这种方法已应用于美国怀俄明州格林河盆地布卢森林的三维地震勘探（图1）。虽然地震速度的各向异性资料为这种地质力学的预测结果提供了支持证据，但因为缺乏岩心或井下图像资料，目前还不可能验证这些裂缝密度模型。但从原则上讲，模拟得出的裂缝密度数据可以用于估算对描述静态储层模型很有意义的裂缝连通性或其他类似参数。