渝東南川地區(qū)龍馬溪組地應(yīng)力場(chǎng)特征

張斗中，湯濟(jì)廣，蔡 俊

（1.長(zhǎng)江大學(xué)非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北武漢430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430100）

南川地區(qū)作為中國(guó)石化在渝東南盆緣轉(zhuǎn)換帶區(qū)域的頁(yè)巖氣產(chǎn)建區(qū)，頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量豐富，但研究區(qū)自中新生代以來(lái)，經(jīng)歷了多期的構(gòu)造應(yīng)力作用，造成了構(gòu)造作用的疊加，使研究區(qū)構(gòu)造情況復(fù)雜，地應(yīng)力分布情況不明，對(duì)南川地區(qū)頁(yè)巖氣的開發(fā)帶來(lái)了很大的難度。研究地應(yīng)力，可以為油田開發(fā)頁(yè)巖氣井網(wǎng)的布置、調(diào)整，水平井及開發(fā)方案設(shè)計(jì)等提供科學(xué)的背景資料[1-2]；可宏觀研究地層巖石力學(xué)參數(shù)的變化，制定相應(yīng)的儲(chǔ)層開發(fā)方案[3]。前人對(duì)南川地區(qū)的沉積相特征、儲(chǔ)層成因[4-6]、保存情況進(jìn)行了描述，并對(duì)川東南地區(qū)的龍馬溪組進(jìn)行了地應(yīng)力場(chǎng)模擬，分析了區(qū)域上的地應(yīng)力分布特征[7-8]，但對(duì)南川地區(qū)龍馬溪組的地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征還沒有較為系統(tǒng)的論述。因此，本文以區(qū)內(nèi)志留系龍馬溪組的構(gòu)造分析為基礎(chǔ)，利用鉆井地應(yīng)力資料作為約束，開展地應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬，分析地應(yīng)力的分布情況，以期對(duì)南川地區(qū)的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)提供一定地質(zhì)依據(jù)。

近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于如何提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量開展了大量的研究。由于頁(yè)巖的自生自儲(chǔ)、低孔低滲的特性，主要是通過水平井和壓裂技術(shù)提高采收率。然而水平井眼方向的確定和水力壓裂的裂縫擴(kuò)展都離不開地應(yīng)力研究。開展地應(yīng)力的預(yù)測(cè)研究，對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)有著重要的作用。對(duì)于如何更好地預(yù)測(cè)地應(yīng)力，自1912年地質(zhì)學(xué)家海姆首次提出地應(yīng)力以來(lái)，前人做了大量的研究，逐漸形成較為成熟的研究手段，主要有數(shù)值計(jì)算法、物理模型法、測(cè)井資料計(jì)算法、巖心測(cè)試法等。其中針對(duì)泥頁(yè)巖的研究，HIGGINS（2005）[9]運(yùn)用了各向同性和橫觀各向同性2 種地應(yīng)力預(yù)測(cè)模型對(duì)Baxter 頁(yè)巖進(jìn)行研究；張廣智等人（2015）[10]建立了等效頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖石物理模型，通過物理模擬進(jìn)行地應(yīng)力預(yù)測(cè)。王珂等人（2017）[11]基于有限元數(shù)值模擬技術(shù)，通過相關(guān)地層條件的約束，建立地質(zhì)模型和力學(xué)模型，開展地應(yīng)力場(chǎng)的分布預(yù)測(cè)。本文采用了有限元數(shù)值模擬技術(shù)，前人大多數(shù)采取將地層作為均質(zhì)體開展模擬，所以模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性與地質(zhì)模型和力學(xué)模型相關(guān)參數(shù)的獲取有很大的關(guān)系，對(duì)于力學(xué)參數(shù)相差較大的區(qū)域的應(yīng)力結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，所以本文根據(jù)研究區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)分布情況，對(duì)南川地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)單元的劃分，能更好地提高模擬結(jié)果的可信度。

1 南川地區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)處于南川的東北部，金佛山背斜的西北部，焦石壩的西南部，行政上隸屬于重慶市南川區(qū)，構(gòu)造上位于四川盆地東南緣褶皺構(gòu)造帶內(nèi)（圖1）。前人的研究資料表明[12-13]，四川盆地東南部現(xiàn)今主要受到印度板塊向亞洲板塊的擠壓作用，形成南西西—北東東方向擠壓應(yīng)力場(chǎng)。研究區(qū)東部邊界取在青龍鄉(xiāng)斷層以東，西部邊界取在龍濟(jì)橋斷層以西，北部邊界取在JY8 井以北，南部邊界取在南川區(qū)塊南部，這些區(qū)域的選取幾乎覆蓋了南川區(qū)塊的主要構(gòu)造區(qū)域。通過對(duì)研究區(qū)的地震資料的精細(xì)解釋（圖2），得知區(qū)內(nèi)斷層的主要沿北東—南西向展布，局部有北西向和近南北向斷層發(fā)育，其成因機(jī)制是江南隆起的陸內(nèi)造山作用的遠(yuǎn)程傳導(dǎo)，研究區(qū)受到來(lái)自南東—北西向的應(yīng)力推覆作用，形成北東—南西走向斷層和褶皺，使區(qū)內(nèi)構(gòu)造主體呈北東—南西向展布；后期受到了應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在區(qū)內(nèi)西部區(qū)域少量的北西向和近南北向斷層。

圖1 研究區(qū)位置與構(gòu)造Fig.1 Location and structure of study area

2 地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

為了解南川地區(qū)志留系龍馬溪組地應(yīng)力場(chǎng)分布特征，通過對(duì)地震資料的解釋和計(jì)算，繪制出南川地區(qū)志留系龍馬溪組的構(gòu)造圖和巖石力學(xué)參數(shù)（彈性模量和泊松比）的分布情況，建立基礎(chǔ)地質(zhì)模型和力學(xué)模型。將研究對(duì)象作為彈性物體，利用ANSYS 軟件提供的用于分析彈性應(yīng)力、應(yīng)變的二維有限單元即三角形單元形態(tài)。通過測(cè)井資料，獲取區(qū)內(nèi)鉆井的現(xiàn)今地應(yīng)力大小和方向數(shù)據(jù)作為模擬的約束條件，基于限元法數(shù)值模擬原理，開展研究區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬。

2.1 地質(zhì)模型

地質(zhì)模型是應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，且直接影響著力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的合理選取以及有限單元的邊界元和間隙的劃分?；诘卣鹳Y料，解釋并繪制出南川區(qū)塊現(xiàn)今龍馬溪組底界構(gòu)造圖（圖2），以此為依據(jù)，建立基礎(chǔ)地質(zhì)模型[14-15]。

圖2 南川地區(qū)志留系龍馬溪組構(gòu)造Fig.2 Structure of Longmaxi Formation of Silurian in Nanchuan area

為了建立的地質(zhì)模型充分反映了研究區(qū)的主要地質(zhì)特征，模型中主要考慮了對(duì)構(gòu)造起控制作用的貫穿性斷層，忽略了一些局部的小斷層，并對(duì)斷層做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化和合并處理[16-18]。地質(zhì)資料表明，區(qū)內(nèi)的大斷裂：青龍鄉(xiāng)斷層、平橋西斷層、龍濟(jì)橋斷層、平橋東1 號(hào)斷層、大千斷層等主干斷層，其斷至層位一般為寒武系—二疊系，最高向上延伸至地表，向下延伸至前寒武基底，形成了研究區(qū)的主體構(gòu)造。然而斷層處的巖石力學(xué)參數(shù)（楊氏模量、泊松比）一般無(wú)法直接獲取，現(xiàn)在大多數(shù)處理方法都是將斷層及其周邊區(qū)域劃分為斷裂帶，并參考其圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行調(diào)整。

2.2 力學(xué)模型

本文的模擬方案是采用有限元分析法，把研究區(qū)域當(dāng)成一個(gè)理想彈性體，在平面上受到應(yīng)力作用產(chǎn)生應(yīng)變的狀態(tài)下進(jìn)行的，把每個(gè)有限元單元內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變看成是均勻的。

巖石力學(xué)參數(shù)的合理選取可直接影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，因此，本文在提供區(qū)域的巖石力學(xué)參數(shù)時(shí)考慮了巖系的整體特征。在本文中有限元單元分?jǐn)鄬訂卧蛧鷰r單元兩大類，這兩類單元的物理參數(shù)取值不同,但各自均被看成各向同性的彈性體（圖3、圖4）。根據(jù)研究區(qū)龍馬溪組的縱波時(shí)差、橫波時(shí)差以及密度資料，利用下列公式計(jì)算出該地區(qū)的彈性模量和泊松比[19-20]：

式中：Ed為楊氏模量，GPa；μd為泊松比；ρ為巖石密度，g/cm3；Δtp為縱波時(shí)差，μs/m；Δts為橫波時(shí)差，μs/m。

結(jié)合南川地區(qū)龍馬溪組的巖心三軸應(yīng)力試驗(yàn)資料進(jìn)行校正（表1），計(jì)算得到南川地區(qū)龍馬溪組楊氏模量和泊松比的分布情況，擬合結(jié)果可以看出差值在可接受范圍之內(nèi)。

圖3 南川地區(qū)志留系龍馬溪組楊氏模量分布Fig.3 Distribution of Young’s modulus of Silurian Longmaxi Formation in Nanchuan area

圖4 南川地區(qū)志留系龍馬溪組泊松比分布Fig.4 Poisson score layout of Silurian Longmaxi Formation in Nanchuan area

表1 南川地區(qū)志留系龍馬溪組力學(xué)參數(shù)擬合Table 1 Mechanical parameters fitting of Silurian Longmaxi Formation in Nanchuan area

根據(jù)楊氏模量和泊松比分布差異，將數(shù)值差值較大地區(qū)劃分開來(lái)，計(jì)算出不同區(qū)域的巖石楊氏模量和等效泊松比均值（表2）。斷層的巖石力學(xué)參數(shù)一般選取為圍巖的楊氏模量的50%～70%；而斷層的泊松比則比正常沉積區(qū)的泊松比大一些，通常情況下兩者差值在0.02～0.1 之間，緩沖區(qū)域的數(shù)值選取一般為模擬區(qū)域（除斷層區(qū)域）的楊氏模量和泊松比的平均值[21]。

表2 南川地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)模擬力學(xué)參數(shù)Table 2 Simulated mechanical parameters of stress field in Nanchuan area

2.3 模型的網(wǎng)格劃分及邊界條件確定

統(tǒng)計(jì)南川地區(qū)的鉆井誘導(dǎo)縫走向（圖2），確定了現(xiàn)今最大主應(yīng)力的方向在南西60°—南東65°。先存斷層的存在，使得現(xiàn)今地應(yīng)力在斷層區(qū)域得到部分應(yīng)力釋放，應(yīng)力會(huì)在斷層走向方向產(chǎn)生分力，改變斷層及附近區(qū)域的應(yīng)力的方向，與斷層走向相交，使局部構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量的方法較多，例如三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、測(cè)井資料計(jì)算法、水力壓裂法、鉆孔應(yīng)力解除法等[22]。本文主要是通過測(cè)井資料計(jì)算區(qū)內(nèi)鉆井實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力為：63.3～78.39 MPa，最小主應(yīng)力為：54～68.16 MPa。反復(fù)模擬試驗(yàn)，得出最為合適的施加應(yīng)力的數(shù)值。

經(jīng)反復(fù)模擬之后發(fā)現(xiàn)，從邊界處施加南西25°、75 MPa 的擠壓應(yīng)力和北西335°、65 MPa 的擠壓應(yīng)力。由于地下應(yīng)力情況比較復(fù)雜，不清楚應(yīng)力作用于邊界的具體的方式，所以本文采取載荷均勻施加于邊界上。為了對(duì)模型施加不同方向的力，便于施加對(duì)邊界的約束以及為減小邊界效應(yīng)的影響，因此建立外圍緩沖區(qū)邊框，同時(shí)將建立好的地質(zhì)模型始終放在緩沖區(qū)域的幾何中心（圖5）。

圖5 應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬邊界條件Fig.5 Boundary conditions of numerical simulation of stress field

在ANSYS 軟件中導(dǎo)入建立好的地質(zhì)模型，并對(duì)地質(zhì)體單元賦予相對(duì)應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)。本文中的模型將使用3節(jié)點(diǎn)三角元素進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)有限元?jiǎng)澐衷恚瑢鄬蛹捌渲車鷧^(qū)域的網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值幂^小，網(wǎng)格密度大，而其他區(qū)域的網(wǎng)格規(guī)模較大，密度較小。模型的網(wǎng)格劃分共計(jì)有59 363 個(gè)節(jié)點(diǎn)，29 632個(gè)單元（圖6）。

圖6 ANSYS模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of ANSYS model

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

與研究區(qū)內(nèi)鉆井實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)值對(duì)比結(jié)果顯示（表3），水平最大主應(yīng)力的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值地應(yīng)力的偏差值均在3 MPa 以下，應(yīng)力的偏差率均小于2%，；水平最小主應(yīng)力的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值地應(yīng)力的偏差值均在4 MPa 以下，偏差率大多數(shù)小于5%；水平差應(yīng)力（水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力的差值）的偏差率略高，大多小于15%，但偏差值均在2 MPa以下。綜合分析后認(rèn)為，模擬結(jié)果的偏差在合理的范圍之內(nèi)，基本符合實(shí)際地質(zhì)規(guī)律。

表3 現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Stress field data comparison of current structure

3.1 現(xiàn)今最大主應(yīng)力

渝東南川地區(qū)龍馬溪組現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的模擬結(jié)果顯示（圖7），研究區(qū)處于擠壓應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境，現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向約為NEE25°—SEE20°，與鉆井誘導(dǎo)縫走向一致。受到先存斷層的影響，現(xiàn)今應(yīng)力作用于斷層處時(shí)，會(huì)在沿著斷層方向產(chǎn)生分力，使得水平最大主應(yīng)力方向向東發(fā)生偏轉(zhuǎn)，東西兩側(cè)的水平最大主應(yīng)力方向差值最大約有45°。最大主應(yīng)力的值域范圍為56.12～93.79 MPa。受到先存斷層的影響，斷裂帶最大主應(yīng)力數(shù)值最小為52.32～68.5 MPa，為應(yīng)力低值區(qū)，但是在斷裂帶延伸的端點(diǎn)與斷層的轉(zhuǎn)折區(qū)域的應(yīng)力值較大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，可視該區(qū)域?yàn)榕R界狀態(tài)，處于裂縫即將貫穿形成斷層而未貫穿的狀態(tài)。不同走向的斷層及其附近區(qū)域的應(yīng)力高、低值區(qū)也是有差異的，研究區(qū)南西—北東向斷層的應(yīng)力值要略小于南東—北西向的斷層，如西邊區(qū)域斷層，構(gòu)造應(yīng)力在不同走向的斷層區(qū)域傳導(dǎo)時(shí)，斷層走向的差異引起斷層附近巖層的等效物理參數(shù)的變化，導(dǎo)致斷層應(yīng)力大小的變化，同樣引起了周圍區(qū)域的應(yīng)力值的變化。研究區(qū)內(nèi)龍濟(jì)橋斷層左側(cè)區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力值較大，該區(qū)域的地層埋深均大于4 500 m，在一定程度上對(duì)巖石的力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生影響；龍濟(jì)橋斷層右側(cè)區(qū)域埋深相對(duì)較淺，現(xiàn)今最大主應(yīng)力值較小。區(qū)內(nèi)向斜區(qū)域的應(yīng)力值要高于其附近平緩區(qū)域應(yīng)力值，排除斷層的影響，背斜的核部區(qū)域明顯大于其翼部區(qū)域；而背斜區(qū)域恰恰相反，該區(qū)域應(yīng)力值相對(duì)較低，背斜核部區(qū)域擠壓應(yīng)力值最小，向兩翼逐漸增大。

圖7 南川地區(qū)龍馬溪組現(xiàn)今最大主應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of present maximum principal stress of Longmaxi Formation in Nanchuan area

3.2 現(xiàn)今最小主應(yīng)力

渝東南川地區(qū)龍馬溪組現(xiàn)今最小主應(yīng)力也為壓應(yīng)力，現(xiàn)今最小主應(yīng)力與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向垂直，應(yīng)力方向?yàn)镹NW25°—NNE20°，與鉆井的井壁崩落方向一致?，F(xiàn)今最小主應(yīng)力值范圍在48.06～71.67 MPa（圖8）。水平最小主應(yīng)力的分布特征與水平最大主應(yīng)力的分布特征相似，全區(qū)的最小主應(yīng)力分布不均勻，低值區(qū)分布明顯受斷層控制，斷裂帶區(qū)域?yàn)榈椭祬^(qū)，為48～55 MPa。同樣以龍濟(jì)橋斷層為界限，斷層左邊區(qū)域水平最小主應(yīng)力值較大，為69.3～71.3 MPa，東部相對(duì)較小，為50.6～68.1 MPa。

圖8 南川地區(qū)龍馬溪組現(xiàn)今最小主應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of present minimum principal stress of Longmaxi Formation in Nanchuan area

4 結(jié)論

1）南川地區(qū)的斷裂分布有著比較明顯的特征，主干斷層的走向基本上都是北東—南西向，其他小斷層走向都基本上和主干斷層平行；西部區(qū)域發(fā)育有少量的北西—南東向，且該走向斷層均為小斷層，只有一條延伸長(zhǎng)度較大。

2）研究區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE25°—SEE20°，大小為56.12～93.79 MPa；現(xiàn)今最小主應(yīng)力方向?yàn)镹NW25°—NNE20°，大小為48.06～71.67MPa。現(xiàn)今的應(yīng)力分布受構(gòu)造部位的影響較大，分布趨勢(shì)上呈現(xiàn)北東—南西走向。應(yīng)力方向受斷層的影響較大，會(huì)在斷層區(qū)域發(fā)生輕微的偏轉(zhuǎn)。區(qū)內(nèi)有效裂縫的優(yōu)勢(shì)走向?yàn)镹NW25°—NNE20°；西部和向斜區(qū)域應(yīng)力值較大，裂縫的開度較?。槐承焙瞬繀^(qū)域應(yīng)力值較小，裂縫的開度較大，為儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)域。

3）通過對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行地質(zhì)單元的劃分，并對(duì)不同的模型單元賦予能代表區(qū)域巖石性質(zhì)的巖石力學(xué)參數(shù)，能夠有效地提高應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果的精準(zhǔn)度，更好地反映儲(chǔ)層地應(yīng)力分布特征。