南川地區(qū)頁巖層古構(gòu)造應(yīng)力分布特征及構(gòu)造裂縫預(yù)測

＊劉明 李彥婧 潘蘭

（中國石油化工股份有限公司華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院 江蘇 210019）

南川地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖層地層壓力系數(shù)在1.0～ 1.3之間，屬于典型常壓氣，具有含氣量偏低（2～5m3/t）、吸附氣占比高（40%～60%）、地應(yīng)力差異系數(shù)大、水平井單井產(chǎn)量及EUR（Estimated Ultimate Recovery，估算最終采收率）低的特點[1-4]。該區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造活動，構(gòu)造樣式豐富，應(yīng)力條件復(fù)雜?？碧綄嵺`表明，區(qū)域上頁巖層地質(zhì)參數(shù)相似，高產(chǎn)氣主要受到地應(yīng)力、裂縫發(fā)育程度及方位等因素控制[5]。但目前關(guān)于古構(gòu)造應(yīng)力場和構(gòu)造裂縫的研究較少，因此需要對不同時期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行研究，查明裂縫發(fā)育規(guī)律，從而達(dá)到提高頁巖氣水平井壓裂改造效果和單井氣產(chǎn)量的目的。

天然裂縫按成因可分為成巖縫和構(gòu)造縫兩類，構(gòu)造縫的發(fā)育情況受控于古構(gòu)造應(yīng)力場，其作用方式和強(qiáng)度決定了主斷裂的性質(zhì)、展布特征、裂縫方向及密度[6-7]。古構(gòu)造應(yīng)力場可通過實驗法（如聲發(fā)射[8-9]、超顯微構(gòu)造估算[10]）、野外觀察法、模擬實驗法（包括物理模擬[11]和數(shù)學(xué)模擬）得到。實測地應(yīng)力是了解地應(yīng)力的最有效方法，但往往只有幾個測點，數(shù)據(jù)范圍有限，難以分析大范圍內(nèi)的地應(yīng)力分布特征，尤其是復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域，應(yīng)力平面變化快。利用野外觀測點的共軛剪節(jié)理、其它小褶皺及斷層的滑動分析可以確定區(qū)域上古構(gòu)造應(yīng)力場的大小和方向[12-14]。有限單元數(shù)值模擬技術(shù)是研究古構(gòu)造應(yīng)力場的一種有效途徑，多應(yīng)用于裂縫定量預(yù)測、油氣運(yùn)聚規(guī)律的研究中[15-16]。王連捷等[17]利用有限元法計算了遼河灘海油田3個地質(zhì)時期應(yīng)力場；魏春光等[18]采用彈—塑性增量法模擬了古龍-徐家圍地區(qū)晚白堊世早期地應(yīng)力特征，指出了構(gòu)造裂縫發(fā)育區(qū)帶；周春梅等[19]模擬了成莊煤礦區(qū)兩期主要的構(gòu)造運(yùn)動；方昉[20]對新場地區(qū)須二段喜山期應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，預(yù)測了巖體破裂的平面特征；任啟強(qiáng)等[1]模擬了和田河氣田兩個關(guān)鍵造縫期的應(yīng)力場特征，實現(xiàn)了裂縫參數(shù)的定量表征[17-21]。

本研究在實測應(yīng)力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用有限單元數(shù)值模擬的方法對南川地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行模擬，得到不同地質(zhì)時期構(gòu)造應(yīng)力場的分布。結(jié)合巖心和成像測井資料揭示的構(gòu)造裂縫情況，建立了古構(gòu)造應(yīng)力場與裂縫參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為構(gòu)造裂縫的預(yù)測提供依據(jù)。

1.區(qū)域地質(zhì)概況

南川地區(qū)地理位置位于重慶市南川區(qū)、貴州省道真縣等地，區(qū)塊面積790km2。構(gòu)造上處于四川盆地川東高陡構(gòu)造帶萬縣復(fù)向斜南部，位于四川盆地與武陵褶皺帶的過渡區(qū)。

區(qū)內(nèi)經(jīng)過加里東期、海西期、印支期、燕山期、喜山期等多期構(gòu)造運(yùn)動的疊加改造，產(chǎn)生了大量的斷裂、褶皺，復(fù)雜程度高。斷裂走向多為北東-北東東向，少數(shù)近南北向，研究區(qū)邊界斷層為龍濟(jì)橋斷層和青龍鄉(xiāng)斷層。受邊界斷層控制，區(qū)內(nèi)自西向東發(fā)育神童壩向斜帶、東勝平橋復(fù)背斜帶、石橋白馬向斜帶3個構(gòu)造帶，平面上呈一隆兩凹的構(gòu)造格局。構(gòu)造主體東勝平橋復(fù)背斜帶呈北東向展布，褶皺緊密，具有北西翼高陡而南東翼平緩的特征，伴有較大的走向斷裂，斷裂性質(zhì)以高角度逆沖斷層為主（圖1）。

圖1 南川地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 The structure outline map of Nanchuan area

頁巖層主要發(fā)育在奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組一段，形成于深水陸棚亞相沉積環(huán)境，厚度在93～118m。自下而上劃分為9個小層，分別簡稱為①～⑨小層，其中TOC（Total Organic Carbon，總有機(jī)碳）含量＞2%的優(yōu)質(zhì)頁巖厚度在30～35m，位于①～⑤小層，為該區(qū)勘探開發(fā)的主要產(chǎn)層，也是本次研究的目的層位。

前人通過開展磷灰石裂變徑跡熱歷史模擬，揭示了燕山期是川東地區(qū)構(gòu)造變形的關(guān)鍵時期，梅廉夫[22]確定川東斷褶帶南東段基本變形時間在165～75MPa，王平[23]認(rèn)為川東弧形褶皺帶變形時間在135～65MPa，朱傳慶[24]認(rèn)為川東地區(qū)自100～80MPa開始隆升，具有階段性。本次以燕山運(yùn)動兩期的構(gòu)造應(yīng)力場為模擬對象，探討五峰-龍馬溪組裂縫的分布規(guī)律。

2.古構(gòu)造應(yīng)力場模擬及結(jié)果分析

(1)有限單元法模擬原理

為了得到整個區(qū)塊的地應(yīng)力分布規(guī)律，采用有限單元法進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場模擬。

有限單元法是求解微分方程的近似方法，思路是將地質(zhì)體離散成有限個單元，單元間以節(jié)點相連并賦予巖石力學(xué)參數(shù)；根據(jù)邊界條件和平衡條件，選取節(jié)點位移作為基本未知量，在單元區(qū)域內(nèi)選用插值函數(shù)近似計算單元位移、應(yīng)變、應(yīng)力分布；最后將單元上的近似解集成整體解[25]。剖分單元數(shù)量越多，計算結(jié)果就越精確。

(2)有限單元模擬計算

根據(jù)有限單元法進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模擬計算，過程主要有以下4個步驟：

①地質(zhì)模型建立

在深入認(rèn)識研究區(qū)構(gòu)造格架的基礎(chǔ)上，依據(jù)南川區(qū)塊斷裂發(fā)育過程，以燕山中期和燕山晚期的斷層展布特征為框架建立地質(zhì)模型。充分考慮了對構(gòu)造起控制作用的大斷層，并做了一定的簡化處理，使分析結(jié)果更加有效。模型為東西向長45km、南北向?qū)?5km的矩形，覆蓋了研究范圍內(nèi)的主要構(gòu)造部位及斷層。采用3節(jié)點三角形單元進(jìn)行離散劃分，近斷層區(qū)域人工劃分，其它區(qū)域自由劃分。按照劃分原則，燕山中期模型共有37933個節(jié)點，18934個單元，燕山晚期模型共有40271個節(jié)點，20014個單元。

②計算模型參數(shù)

離散后的巖體由斷層及其外部巖體組成，巖石的力學(xué)性質(zhì)直接影響巖石的應(yīng)力分布。將建立的地質(zhì)模型分為兩種地質(zhì)體，一是斷裂帶外部的巖體，近似地作為線性均質(zhì)體處理，二是斷裂帶，按照斷層的級別彈性模量逐級降低。以井點巖石力學(xué)測試結(jié)果作為建模參數(shù)設(shè)置的依據(jù)，井間則依靠地震反演數(shù)據(jù)體，將多種信息融合，獲得巖石彈性力學(xué)參數(shù)。根據(jù)疊前反演得到的彈性模量和泊松比分布規(guī)律，將研究區(qū)正常地層區(qū)域分為3個，并賦予不同的力學(xué)參數(shù)，力學(xué)參數(shù)來源于巖石力學(xué)試驗。斷裂帶區(qū)域彈性模量取值為正常地層區(qū)域的50%左右，泊松比取值比正常地層區(qū)域大0.05。在此基礎(chǔ)上確定了模擬的巖石力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 南川地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場模擬巖石力學(xué)參數(shù)表[24]Tab.1 Rock mechanics parameters for simulation of Nanchuan area

③模型邊界條件及施加荷載

構(gòu)造應(yīng)力場研究的難點是確定邊界條件，尤其是外力作用的方式、方向及大小，直接影響結(jié)果的可靠程度[26]。

根據(jù)不同時代地層巖石聲發(fā)射所記錄的信息，結(jié)合野外觀測點的共軛剪節(jié)理統(tǒng)計結(jié)果，認(rèn)為南川地區(qū)燕山中期最大主應(yīng)力（σ1）方向約為SSE155°，大小在138.7～168.66MPa，燕山晚期最大主應(yīng)力（σ1）方向為NEE80°，大小在97.71～153.81MPa。研究區(qū)外使用加載邊框，以正應(yīng)力的方式施加水平構(gòu)造作用力。

④模擬計算

通過多種施力方案的試驗，并將計算所得的應(yīng)力值與實測數(shù)據(jù)加以比較，最終判定合適的試算值。模擬30次左右誤差達(dá)到穩(wěn)定，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比，相對誤差在10%以內(nèi)，模擬結(jié)果可信。

(3)應(yīng)力場模擬結(jié)果分析

結(jié)合巖石聲發(fā)射實驗數(shù)據(jù)，采用有限單元數(shù)值模擬的計算方法，對南川地區(qū)燕山中期和燕山晚期不同地層的地質(zhì)模型進(jìn)行線性彈性計算，模擬得到兩個關(guān)鍵構(gòu)造變形時期應(yīng)力場特征。

①燕山中期最大主應(yīng)力大小與方向

燕山中期最大主應(yīng)力在140～158MPa之間，JY194-3井所處的平橋背斜核部及東南部斜坡帶的應(yīng)力值相對較低，在140～148MPa之間，其它地區(qū)主應(yīng)力較大，高值范圍在150～ 158MPa之間，如圖2所示。斷層端點對最大主應(yīng)力的分布有顯著影響，如袁家溝斷層北端、平橋西斷層南端、NY1井小斷層附近表現(xiàn)為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力值達(dá)到156MPa，認(rèn)為這些區(qū)域處于即將破裂的狀態(tài)，但裂縫并未完全貫通，為裂縫發(fā)育區(qū)域。受構(gòu)造深度影響，自東向西隨著目的層埋藏深度變大，應(yīng)力值整體上逐漸增大。

最大主應(yīng)力方向如圖3所示，燕山中期最大主應(yīng)力方向為北北西-南南東向，約為SSE153°，近乎垂直于該時期形成的北東走向斷層。受斷層影響，應(yīng)力方向在斷層附近發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)幅度小于5°；斷層端部應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn)幅度相對較大，在0°～10°之間。

圖3 南川地區(qū)燕山中期最大主應(yīng)力方向模擬結(jié)果Fig.3 Results of maximum principal stress direction in Middle Yanshanian in Nanchuan area

②燕山晚期最大主應(yīng)力大小與方向

燕山晚期最大主應(yīng)力在88～156MPa之間，明顯較燕山中期偏小，平面分布規(guī)律與其相似。斷層附近應(yīng)力值比周圍區(qū)域小，最小為88MPa。平橋背斜核部為應(yīng)力低值區(qū)，在92～ 118MPa之間，往背斜兩翼逐漸增大，且JY201-1井所處的平橋背斜東翼高于西翼。西部向斜區(qū)為應(yīng)力高值區(qū)，整體上大于135MPa。除此之外，在袁家溝斷層端點、平橋東斷層交叉處均形成了較小范圍的應(yīng)力集中。

圖4 南川地區(qū)燕山晚期最大主應(yīng)力大小模擬結(jié)果Fig.4 Results of maximum principal stress in Late Yanshanian in Nanchuan area

燕山晚期最大主應(yīng)力方向為近東西向，約為NEE85°，在研究區(qū)范圍內(nèi)基本一致，與該時期形成的南北走向斷層垂直。受到先存的北東走向斷層和該時期南北走向斷層影響，最大主應(yīng)力方向在斷層區(qū)域發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，西部及南部邊界位置處偏轉(zhuǎn)幅度略大，約為10°左右，見圖5。

圖5 南川地區(qū)燕山晚期最大主應(yīng)力方向模擬結(jié)果Fig.5 Results of maximum principal stress direction in Late Yanshanian in Nanchuan area

3.構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

(1)構(gòu)造裂縫特征

本次對2口取心井和4口井①～⑤小層成像測井中的裂縫類型、參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。從JY10井裂縫分布特征來看（深度3374～3405m），裂縫視傾角60°～80°，屬于高角度裂縫（一般大于45°），不規(guī)則裂縫互相切割，被方解石半充填-全充填（圖6a）。縫長5～30cm，縫寬500μm～3mm，發(fā)育揉皺、擦痕。高角度縫共9條，裂縫密度為0.29條/米。SY1井巖心觀察深度3441～3471m，裂縫面平直，視傾角約75°，縫內(nèi)被灰白色方解石全充填（圖6b）?？p長9～60cm，縫寬500μm～1mm。高角度縫共6條，裂縫密度為0.2條/米。

圖6 鉆井構(gòu)造裂縫特征Fig.6 Structural fissure of wells

構(gòu)造作用形成的高導(dǎo)縫在成像測井圖上表現(xiàn)為黑褐色正弦曲線，被高阻礦物充填后的高阻縫表現(xiàn)為亮黃色的正弦曲線，多呈斜交、網(wǎng)狀的組合類型（圖6c）。對目的層成像測井解釋裂縫參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，見表2。整體而言，構(gòu)造裂縫類型主要為高阻縫，高導(dǎo)縫不發(fā)育。高阻縫傾角多為中-高角度，與巖心觀察結(jié)果基本一致。成像測井所識別的裂縫多為高阻亮色條紋，表明裂縫的充填程度高。裂縫走向變化較大，主要為北東-南西向及北西-南東向，表明裂縫在成因上具有多期性。

表2 南川地區(qū)鉆井成像測井解釋裂縫參數(shù)表Tab.2 Fissure parameters of wells from FMI in Nanchuan area

(2)構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

構(gòu)造裂縫取決于構(gòu)造變形時期的應(yīng)力分布。以研究區(qū)實際的巖石破裂準(zhǔn)則和巖心裂縫密度數(shù)據(jù)作為約束條件，利用構(gòu)造應(yīng)力場的反演結(jié)果來定量預(yù)測裂縫分布。

研究區(qū)多發(fā)育剪切縫，根據(jù)庫倫-莫爾剪切破裂準(zhǔn)則，巖石的剪切破裂沿著某個面，這種剪切破壞與該面上的剪切應(yīng)力和正應(yīng)力有關(guān)。剪破裂系數(shù)S可以定量預(yù)測剪裂縫的發(fā)育程度，表達(dá)式為：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；φ為巖石內(nèi)摩擦角，°；C為巖石粘聚力，MPa，可以通過三軸實驗獲得。

通過構(gòu)造應(yīng)力場模擬，得到了每個點的應(yīng)力狀態(tài)，利用公式（1）分別計算出兩期剪破裂系數(shù)。引入綜合裂縫系數(shù)HFI，建立巖心構(gòu)造裂縫密度與剪破裂系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，來判別裂縫的發(fā)育程度。HFI值在0～1之間，值越大表示裂縫的發(fā)育程度越高。通過線性趨勢擬合求得系數(shù)，研究區(qū)HFI計算公式為：

式中：S1為燕山中期剪破裂系數(shù)，無量綱；S2為燕山晚期剪破裂系數(shù)，無量綱。

預(yù)測結(jié)果表明，南川地區(qū)五峰-龍馬溪組裂縫系數(shù)在0.23～0.45之間，受褶皺及斷層共同控制。平橋背斜正向構(gòu)造區(qū)裂縫相對較為發(fā)育，東勝背斜裂縫發(fā)育較少，西部向斜區(qū)裂縫不發(fā)育；龍濟(jì)橋斷層及其周圍、平橋西斷層南端裂縫系數(shù)較大，一般在0.4，破裂程度較高，裂縫密集分布。

將預(yù)測裂縫系數(shù)與試氣、成像測井資料進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，平橋背斜裂縫有效性最好，天然氣產(chǎn)量也最高。如JY194-3井，預(yù)測裂縫系數(shù)為0.36，成像測井識別高阻縫15條，測試日產(chǎn)氣為34.3×104m3。JY10井位于平橋背斜南部斜坡區(qū)，預(yù)測裂縫系數(shù)為0.35，成像測井識別高阻縫29條，測試日產(chǎn)氣為19.6×104m3。SY1井位于東勝背斜，預(yù)測裂縫系數(shù)0.30，成像測井識別裂縫8條，測試日產(chǎn)氣為14.6×104m3。位于工區(qū)南部的SY2井，成像測井結(jié)果顯示裂縫發(fā)育較少，預(yù)測裂縫系數(shù)為0.35，兩者存在偏差。本次采用基于平面的二維古構(gòu)造地應(yīng)力模擬方法，利用2口井的巖心裂縫密度進(jìn)行擬合，得到的系數(shù)具有一定的定性成分，加強(qiáng)巖心及成像測井的裂縫分析是后期研究的重點。

圖7 南川地區(qū)五峰-龍馬溪組裂縫系數(shù)分布圖Fig.7 Map of HFI in Wufeng-Longmaxi formation in Nanchuan area

4.結(jié)論

（1）基于三維地震資料解釋成果，采用有限單元數(shù)值模擬方法對南川地區(qū)燕山運(yùn)動兩期構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行模擬，燕山中期最大主應(yīng)力方向為北北西-南南東向，應(yīng)力值在140～ 158MPa，平橋背斜核部及東南部埋藏淺部位應(yīng)力值較低。燕山晚期最大主應(yīng)力方向為近東西向，應(yīng)力值在88～156MPa。

（2）南川地區(qū)五峰-龍馬溪組構(gòu)造裂縫多形成于燕山中期，為北東-南西走向的中-高角度剪切縫，后期疊加北西-南東向裂縫，斷裂帶附近及構(gòu)造高部位為構(gòu)造裂縫發(fā)育區(qū)，評價認(rèn)為平橋背斜構(gòu)造裂縫有效性最高。

（3）裂縫系數(shù)的計算雖然參考了巖心裂縫密度的資料，但受到古構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果及取心資料的影響，預(yù)測結(jié)果與鉆井實際裂縫發(fā)育情況有偏差，加強(qiáng)巖心及成像測井的裂縫分析是后期研究的重點。