董 敏，郭 偉，張林炎，吳中海，馬立成，董 會，馮興強，楊躍輝

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；2.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點實驗室，北京 100081；3.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣地質(zhì)力學(xué)重點實驗室，北京 100081；4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；5.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054）

0 引言

近年來，四川盆地積極推進深層頁巖氣的勘探開發(fā)。川南瀘州地區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動和構(gòu)造疊加，區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造發(fā)育形成了復(fù)雜褶皺和斷裂系統(tǒng)，該區(qū)的北部以NE 向和近SN 向構(gòu)造為主，西部和南部以NE 向、近EW 向和NW 向構(gòu)造為主，已有研究認(rèn)為下古生界五峰組—龍馬溪組深層頁巖儲層的裂縫主要受控于區(qū)域古構(gòu)造應(yīng)力場［1-2］，而深層儲層裂縫對頁巖氣運聚成藏具有重要作用［3-5］，因此開展瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組深層頁巖儲層的裂縫特征的研究，對開展深層頁巖氣勘探開發(fā)具有重要的意義。目前對于裂縫的研究主要從力學(xué)成因的角度，通過對構(gòu)造應(yīng)力場使用不同的方法進行模擬來評價裂縫。有些研究者通過巖相的劃分，對不同巖相的巖石力學(xué)參數(shù)進行分析，建立地質(zhì)模型，將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為巖石力學(xué)模型來進行應(yīng)力場模擬［6］；還有些研究者通過有限元軟件對巖層進行力學(xué)分析，建立地應(yīng)力模型［7-9］，獲得地應(yīng)力的空間展布特征，在此基礎(chǔ)上進行裂縫預(yù)測。前期學(xué)者已經(jīng)開展了四川盆內(nèi)及周緣應(yīng)力場模擬的相關(guān)工作［7］，但對瀘州地區(qū)深層古構(gòu)造應(yīng)力場的裂縫特征還沒有較為系統(tǒng)的論述。

針對川南瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組深層頁巖地層，開展褶皺構(gòu)造、斷層產(chǎn)狀和斷層組合形式對應(yīng)力場方向和大小影響范圍和影響程度的構(gòu)造解析，厘定構(gòu)造應(yīng)力場變形方向，利用鉆井巖心測試數(shù)據(jù)、測井和地震數(shù)據(jù)，應(yīng)用ANSYS 數(shù)值模擬方法，構(gòu)建該區(qū)燕山期Ⅲ幕（裂縫主要形成期）的地質(zhì)模型，進行古構(gòu)造應(yīng)力場反演，并以古應(yīng)力場研究為基礎(chǔ)進行深層頁巖儲層的裂縫預(yù)測，以期為該區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

瀘州地區(qū)位于四川盆地南部，構(gòu)造上屬于川中古隆起南側(cè)的川南低陡構(gòu)造帶［10］，由北往南發(fā)育一系列雁行排列的相對緊閉的背斜和寬緩的向斜構(gòu)造，具有復(fù)式褶皺特點（圖1）。儲層主要是下古生界五峰組—龍馬溪組深層頁巖儲層，該區(qū)在五峰組—龍馬溪組沉積時期位于深水陸棚沉積中心，五峰組底部與下伏臨湘組灰?guī)r整合接觸，頂部與上覆龍馬溪組整合接觸，龍馬溪組頂部與下志留統(tǒng)石牛欄組碳酸鹽巖整合接觸［11-13］，龍馬溪組底部富含生物硅質(zhì)礦物，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%，頁巖TOC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.8%～6.0%，平均為3.9%，孔隙度為4.0%～6.5%，平均為5.1%，含氣飽和度為50%～70%，平均為65%，現(xiàn)場測試的總含氣量為5.0～7.5 m3/t，平均為6.3 m3/t，為川南地區(qū)最高［14-15］。

圖1 川南瀘州地區(qū)及鄰區(qū)的龍馬溪組底界埋深圖Fig.1 Buried depth map of Longmaxi Formation in Luzhou and adjacent areas，southern Sichuan Basin

川南瀘州地區(qū)具有構(gòu)造復(fù)雜，埋深大的特點［2］，深層頁巖地層具有低孔、低滲特征，裂縫及裂縫發(fā)育程度對深層頁巖氣富集成藏具有至關(guān)重要的作用［3-6］。構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度主要受內(nèi)因和外因的聯(lián)合控制，內(nèi)因主要為巖性、巖石的結(jié)構(gòu)和組合特征，外因主要為研究區(qū)所受的外界的應(yīng)力場作用大小及作用方式等，而裂縫的分布受到構(gòu)造應(yīng)力場的控制。晚侏羅世—早白堊世，中國東部處于太平洋板塊向西俯沖至歐亞板塊的大地構(gòu)造背景之下，四川盆地及周緣表現(xiàn)為燕山期強烈褶皺變形期及陸內(nèi)擠壓造山期［4，16］，川南瀘州地區(qū)受到NW 向擠壓作用，燕山期構(gòu)造運動對瀘州地區(qū)改造最大，裂縫主要形成于燕山期Ⅲ幕［17］，因此開展該地區(qū)燕山期Ⅲ幕的古構(gòu)造應(yīng)力場模擬，結(jié)合巖石破裂準(zhǔn)則，預(yù)測構(gòu)造裂縫分布規(guī)律的研究意義重大。

2 數(shù)值模擬

川南瀘州地區(qū)的五峰組—龍馬溪組的厚度與研究區(qū)長寬相比基本可以忽略不計，為了弄清楚研究區(qū)裂縫發(fā)育的平面差異，采用薄板模型，即二維平面應(yīng)力場模擬，以五峰組—龍馬溪組深層頁巖巖層作為二維模擬對象，假設(shè)水平應(yīng)力是該區(qū)域構(gòu)造變形的主導(dǎo)應(yīng)力場［18］，忽略上覆地層壓力的影響，模擬該區(qū)五峰組—龍馬溪組燕山Ⅲ幕的古構(gòu)造應(yīng)力分布模型。首先通過對研究區(qū)的鉆井巖心樣品開展巖石物理力學(xué)實驗，獲得巖石物理力學(xué)參數(shù)，再結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場分析，建立地質(zhì)模型，然后應(yīng)用線性有限元分析，將連續(xù)體離散成有限的結(jié)點，并將有限的結(jié)點連續(xù)起來成為有限的單元，對每個單元賦予測試獲得的巖石力學(xué)參數(shù)，最后根據(jù)邊界條件，利用ANSYS 數(shù)值模擬軟件計算各個單元內(nèi)應(yīng)力分布。

2.1 地質(zhì)模型的建立

瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖由北往南發(fā)育多個窄背斜和寬緩向斜，褶皺強度由強變?nèi)酰瑯?gòu)造高部位埋深相對較淺，為2 700～3 000 m，向斜內(nèi)部埋深普遍較高，超過3 800 m。根據(jù)該區(qū)的五峰組—龍馬溪組底界埋深（圖1）的深度數(shù)值進行分區(qū)，構(gòu)建該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場地質(zhì)模型。

2.2 力學(xué)模型的建立

根據(jù)鉆井資料，對各個地質(zhì)單元賦予實際的巖石力學(xué)參數(shù)。由于很難獲得該區(qū)的平面上分布的巖石力學(xué)參數(shù)，模擬時參照瀘州地區(qū)及周邊井巖心取樣的巖石力學(xué)參數(shù)隨深度變化的規(guī)律［19-20］，對不同深度的頁巖巖石力學(xué)參數(shù)進行賦值，埋深相同的頁巖經(jīng)歷了大致相同的埋藏過程，通過多井的巖石力學(xué)參數(shù)約束平面上巖石力學(xué)參數(shù)的分布，假定埋深相同的巖石力學(xué)性質(zhì)大致相同，如圖2 所示，彈性模型隨深度變深，彈性模量變大，而泊松比隨深度加深而變小。

圖2 瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組力學(xué)參數(shù)分布Fig.2 Distribution of mechanical parameters of Wufeng-Longmaxi Formation in Luzhou area

研究區(qū)斷層以及斷層派生裂縫在五峰組—龍馬溪組頁巖儲層中普遍存在，其發(fā)育規(guī)律受斷層派生的次級應(yīng)力分布控制，因此，在模擬的過程中將斷層帶視為“軟弱區(qū)”，用斷裂帶的方式進行處理，利用有限元方法求解出連續(xù)介質(zhì)中斷層對應(yīng)力的影響，從而降低斷層兩側(cè)適當(dāng)距離巖性的楊氏模量（降低至60%），同時增加泊松比（增加0.02）［21］。根據(jù)研究區(qū)目的層的埋藏深度劃分為不同的單元類型，再根據(jù)巖石力學(xué)實驗測得不同單元的頁巖力學(xué)參數(shù)，如表1 所列。

表1 瀘州地區(qū)的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of Luzhou area

2.3 邊界條件設(shè)定

瀘州地區(qū)構(gòu)造格局受多組構(gòu)造線的控制，在3個方向的壓力聯(lián)合作用下，構(gòu)造變形遞進發(fā)展，各組系褶皺由邊界向中心不均勻擴展所形成的聯(lián)合—復(fù)合構(gòu)造格局［22-23］。該區(qū)燕山期Ⅲ幕受到太平洋板塊向西俯沖控制的NW 向擠壓，形成該區(qū)NE向的隔檔式褶皺，根據(jù)對觀測點實測的構(gòu)造節(jié)理玫瑰花圖（圖3），瀘州地區(qū)燕山期Ⅲ幕主構(gòu)造期的最大主應(yīng)力為NW 向，約為135°。雖然各構(gòu)造格局方位不同，但總體是協(xié)調(diào)的，反映其統(tǒng)一的構(gòu)造應(yīng)力場和構(gòu)造形變場。本次設(shè)計的邊界條件：模型受到NW-SE（135°）向的擠壓作用，模型的NW 向施加最大為108 MPa 主應(yīng)力，SE 向施加最小為60 MPa 的主應(yīng)力，同時對SW 向和NE 向進行x，y方向上的位移約束。

圖3 瀘州地區(qū)觀測點的構(gòu)造節(jié)理玫瑰花圖Fig.3 Structural joint rose diagram of observation points in Luzhou area

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

應(yīng)用ANSYS 有限元數(shù)值模擬方法開展目的層燕山期Ⅲ幕，裂縫主要形成期的古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，得到最大水平主應(yīng)力［圖4（a）］和最小水平主應(yīng)力模型［圖4（b）］。

圖4 瀘州地區(qū)燕山Ⅲ幕的最大（a）、最小（b）水平主應(yīng)力云圖Fig.4 Maximum（a）and minimum（b）horizontal principal stress cloud charts of Yanshan Episode Ⅲin Luzhou area

瀘州地區(qū)燕山期Ⅲ幕，最大水平主應(yīng)力為68～128 MPa，最小水平主壓應(yīng)力為47～70 MPa，反映了該區(qū)深層頁巖儲層的地應(yīng)力具有差異分布的特征。應(yīng)力高值沿背斜走向分布，背斜核部受到地層擠壓作用強烈，應(yīng)變強度大，同時受到斷裂的影響，在斷裂和背斜核部的應(yīng)力值高。遠離斷層的低陡構(gòu)造的向斜區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力異常高值區(qū)是深層頁巖儲層裂縫發(fā)育的有利區(qū)和較有利區(qū)，研究區(qū)南側(cè)的L206 井和中部L203 井均位于低陡構(gòu)造的向斜區(qū)的高應(yīng)力值區(qū)域，其鉆探結(jié)果都有較好的油氣顯示，說明研究的模擬結(jié)果可靠。

3 裂縫預(yù)測

3.1 巖石破裂準(zhǔn)則及參數(shù)選擇

瀘州地區(qū)的區(qū)域性斷裂多集中在背斜的翼部或背斜與向斜的轉(zhuǎn)折部位（參見圖1）。按照巖石力學(xué)理論，該地區(qū)的破裂以剪切破裂為主，張破裂次之，裂縫預(yù)測選擇應(yīng)用庫倫—摩爾剪破裂準(zhǔn)則。應(yīng)用數(shù)值模擬方法獲得研究區(qū)二維平面內(nèi)各點的應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場中某一點是否達到破裂狀態(tài)或者判斷裂縫的發(fā)育程度，引入剪切破裂系數(shù)R，當(dāng)R＜1時，巖體基本保持在一個平衡的狀態(tài)，不會造成明顯的裂痕甚至破壞，但是巖石內(nèi)部可能產(chǎn)生微裂縫擴散；當(dāng)R≥1 時，巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)處于或超過摩爾應(yīng)力圓破裂包絡(luò)線，巖石發(fā)生破裂［24-27］，剪切破裂系數(shù)的計算如下：

式中：σ1為最大水平主應(yīng)力，MPa；σ3為最小水平主應(yīng)力，MPa；C是巖石的固有剪切強度或粘聚力，即內(nèi)聚力，MPa；Ψ為巖石的內(nèi)摩擦角，（°）；巖石力學(xué)參數(shù)選擇見表1。

通過數(shù)值模擬計算地應(yīng)力獲得的是一個相對結(jié)果，因此計算獲得R值也表示巖體破裂的相對發(fā)育程度，即是裂縫的發(fā)育程度，一般來說，巖體內(nèi)部裂縫發(fā)育程度隨R值的增大而增大。

3.2 結(jié)果及分析

通過ANSYS 對瀘州地區(qū)深層頁巖儲層二維平面古構(gòu)造進行應(yīng)力場數(shù)值模擬，獲得了深層頁巖儲層應(yīng)力場分布特征，根據(jù)庫倫—摩爾剪破裂準(zhǔn)則，獲得瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組的破裂系數(shù)等值線，如圖5 所示，該區(qū)燕山期Ⅲ幕以壓應(yīng)力為主，深層頁巖儲層的最大主應(yīng)力集中分布在背斜的核部，最小主應(yīng)力集中分布在斷層附近。當(dāng)R＜1 時，深層頁巖裂縫發(fā)育相對弱；當(dāng)R=1 時，裂縫較為發(fā)育；當(dāng)R＞1 時，裂縫十分發(fā)育。深層頁巖儲層的裂縫特征為窄背斜核部和斷裂附近裂縫發(fā)育，低陡構(gòu)造的向斜區(qū)裂縫較發(fā)育，寬緩向斜核部裂縫弱發(fā)育，裂縫密度分布由NE 向SW 逐漸降低。在斷層兩側(cè)1～2 km范圍內(nèi)，由于裂縫發(fā)育，不利于頁巖氣保存，而其他地區(qū)裂縫越發(fā)育，頁巖氣越富集。

圖5 瀘州地區(qū)下古生界五峰組—龍馬溪組破裂系數(shù)等值線Fig.5 Fracture coefficient contour map of Lower Paleozoic Wufeng-Longmaxi Formation in Luzhou area

4 石油地質(zhì)意義

2019 年瀘州地區(qū)鉆探的L203 井，位于瀘州市喻寺鎮(zhèn)雷達村福集向斜北西翼，該區(qū)不發(fā)育斷距大于300 m 的一級斷裂，二級斷裂僅發(fā)育在背斜高部位，向斜和斜坡帶主要發(fā)育斷距在10～50 m 規(guī)模的三、四級層間小斷裂，對頁巖氣藏?zé)o大的破壞作用，鉆井的垂直深度為3 890 m，測試產(chǎn)氣量為138萬m3/d。之后在L203 井區(qū)南部鉆探的L206 井位于川南低褶構(gòu)造帶，如圖6 所示，井深為4 011～4 044 m，五峰組—龍馬溪組位于有利的沉積相帶，TOC 含量和脆性礦物含量均較高，儲層厚度超過30 m，測試產(chǎn)量30.55 萬m3/d，在深度4 011～4 024 m 處裂縫高密度發(fā)育，4 026～4 038 m 處裂縫弱發(fā)育，4 039～4 044 m 處裂縫發(fā)育以高角度裂縫為主。其裂縫發(fā)育特征指示深層頁巖儲層的裂縫與燕山期形成的剪切裂縫特征大體一致。因此，可以認(rèn)為燕山期形成的剪切裂縫是深層頁巖儲層裂縫的主要成因類型，深層頁巖儲層裂縫預(yù)測與實際鉆井巖心統(tǒng)計的裂縫數(shù)據(jù)相吻合。據(jù)此進行的瀘州地區(qū)燕山期的古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬構(gòu)建的該區(qū)燕山Ⅲ幕的古構(gòu)造應(yīng)力場模型，具有實際意義。

圖6 瀘州地區(qū)L206 井五峰組—龍馬溪組測井及裂縫分布綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive histogram of logging and fracture distribution of Wufeng-Longmaxi Formation of well L206 in Luzhou area

在瀘州地區(qū)深層頁巖儲層地質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)，地應(yīng)力一方面受到了裂縫主要形成期的古構(gòu)造應(yīng)力場的控制，應(yīng)力的高值區(qū)裂縫發(fā)育，斷層附近的裂縫發(fā)育是受到斷層的影響，而應(yīng)力低值區(qū)，裂縫弱發(fā)育甚至不發(fā)育，另一方面該區(qū)深層頁巖儲層壓力系數(shù)普遍在2.0 左右［28］，總體處于異常高壓地層環(huán)境中，使得儲層中有機孔隙和無機孔隙得到了有效保存［29-30］，低陡構(gòu)造向斜區(qū)的保存條件好，裂縫發(fā)育，有利于游離態(tài)天然氣聚集，頁巖氣相對富集，地應(yīng)力與裂縫密度存在密切的聯(lián)系。綜上所述，瀘州地區(qū)深層頁巖儲層裂縫預(yù)測，揭示了具有高應(yīng)力值的向斜區(qū)是有利的深層頁巖勘探區(qū)。

5 結(jié)論

（1）瀘州地區(qū)受到太平洋板塊向西俯沖控制的NW 向擠壓，形成了NE 向的隔檔式褶皺的構(gòu)造樣式，燕山期Ⅲ幕的深層頁巖儲層裂縫形成的主要時期的最大主應(yīng)力方向為NW 向，其值約為135°。

（2）采用ANSYS 有限元數(shù)值模擬方法計算瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組燕山期Ⅲ幕的古構(gòu)造應(yīng)力場，發(fā)現(xiàn)其最大水平主壓應(yīng)力為68～128 MPa，最小水平主壓應(yīng)力為47～70 MPa，其深層頁巖儲層地應(yīng)力具有差異分布的特征。

（3）瀘州地區(qū)深層頁巖儲層在窄背斜核部和斷裂附近裂縫發(fā)育，遠離斷層的低陡構(gòu)造的向斜區(qū)裂縫較為發(fā)育，寬緩向斜核部裂縫弱發(fā)育，裂縫密度分布由NE 向SW 逐漸降低，斷裂周邊裂縫發(fā)育，不利于頁巖氣保存，而其他地區(qū)裂縫越發(fā)育，頁巖氣越富集。