謝強，李皋，彭紅利，何龍，龔漢渤

（1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石化 西南油氣分公司 石油工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000）

近年來，川西彭州地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組雷四段發(fā)現(xiàn)多個天然氣藏，成為繼普光氣田和元壩氣田之后的又一重要氣田[1]。雷四段儲集層天然裂縫發(fā)育，是油氣運移的主要通道。然而，裂縫使儲集層結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，給勘探開發(fā)帶來諸多挑戰(zhàn)[2]。如對儲集層裂縫分布特征認識不清，會對鉆井、完井施工和后期儲集層增產(chǎn)改造造成影響。因此，開展雷四段儲集層裂縫研究對后期氣藏勘探開發(fā)具有重要意義。

儲集層裂縫研究由來已久，形成了許多研究方法。如通過觀測和描述露頭區(qū)，能夠分析各構(gòu)造樣式下裂縫的發(fā)育特征[3]；在巖心上進行裂縫標定，能直接獲得裂縫發(fā)育位置和強度[4]；結(jié)合巖石薄片和成像測井資料可以明確儲集層裂縫特征、形成期次和控制因素[5-6]；通過測井資料分析和地震資料螞蟻體追蹤，能對儲集層裂縫進行識別，明確裂縫發(fā)育帶的分布位置[7-8]。此外，通過構(gòu)造主曲率分析，能夠?qū)α芽p進行定量表征和預(yù)測，前人運用構(gòu)造曲率法對安達地區(qū)火山巖儲集層構(gòu)造裂縫進行了定量預(yù)測，預(yù)測結(jié)果為后期氣藏開發(fā)提供了依據(jù)[9]；通過分析最大構(gòu)造曲率、煤層厚度和裂縫間距之間的關(guān)系，構(gòu)建了預(yù)測煤層滲透率的數(shù)值模型[10]。同時，一些學(xué)者通過構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，結(jié)合巖石破裂準則，對儲集層構(gòu)造裂縫進行了定量預(yù)測，明確了儲集層構(gòu)造裂縫的分布規(guī)律，對儲集層后期勘探開發(fā)具有指導(dǎo)意義[11-14]。

相關(guān)學(xué)者采用上述方法對彭州地區(qū)雷四段儲集層裂縫開展了研究。研究表明，彭州地區(qū)構(gòu)造活動強烈，儲集層裂縫以構(gòu)造裂縫為主，其發(fā)育受局部構(gòu)造、巖性、巖層厚度等因素控制[15-17]。然而，針對雷四段儲集層構(gòu)造裂縫分布的系統(tǒng)研究仍然較少，制約了雷四段氣藏的高效開發(fā)。本文通過露頭、巖心和巖石薄片觀測，明確了雷四段儲集層構(gòu)造裂縫的相關(guān)特征，利用有限元方法對構(gòu)造裂縫形成關(guān)鍵時期的構(gòu)造應(yīng)力場進行了數(shù)值模擬，并結(jié)合巖石破裂準則和彈性應(yīng)變能，對構(gòu)造裂縫進行了定量預(yù)測，為彭州地區(qū)雷四段氣藏的勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)主體位于龍門山前構(gòu)造帶南部，夾持于彭縣和關(guān)口2 條規(guī)模較大的逆斷層之間。彭縣斷層位于龍門山前構(gòu)造帶的南翼，關(guān)口斷層位于北翼，兩者都呈北東—南西向展布，斷層面傾向為北西向，斷層延伸長度分別約為60.0 km 和150.0 km。此外，龍門山前構(gòu)造帶主體部位還發(fā)育延伸長度小于2.5 km 的層間小斷層，這些斷層共同組成彭州地區(qū)網(wǎng)狀輸導(dǎo)體系[18]。在2個大斷層之間發(fā)育金馬—鴨子河次級構(gòu)造和石羊場次級構(gòu)造（圖1）[18]。其中，金馬—鴨子河次級構(gòu)造為斷背斜，處于龍門山前構(gòu)造帶的中部，石羊場次級構(gòu)造為短軸背斜，處于龍門山前構(gòu)造帶的南部，2 個次級構(gòu)造都為北東—南西向。在整個地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，四川盆地構(gòu)造運動強烈，龍門山前構(gòu)造帶經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動。自印支運動晚期開始，龍門山前構(gòu)造帶就具有大型正向構(gòu)造雛形，在燕山運動期進一步發(fā)展，形成龍門山前陸薄皮構(gòu)造帶及前陸磨拉石盆地，并于喜馬拉雅運動期進一步演化，形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局[18-20]。受構(gòu)造運動影響，彭州地區(qū)雷口坡組為局限海臺地相沉積，儲集層巖性以石灰?guī)r和白云巖為主，夾雜鹽巖和石膏[20]。構(gòu)造演化表明，在喜馬拉雅運動期，印度板塊向歐亞板塊俯沖碰撞，青藏高原隆升，引起強烈的邊緣效應(yīng)，龍門山一帶發(fā)生了強烈的逆沖推覆構(gòu)造運動，該時期是構(gòu)造裂縫發(fā)育的主要時期[18-19]。

2 構(gòu)造裂縫特征及形成時期

2.1 裂縫類型和特征

彭州地區(qū)雷四段儲集層構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較高，以剪切裂縫和層理縫為主，張性裂縫較少（圖2），剪切裂縫呈現(xiàn)長短不一的“X”字形。裂縫平面延伸長度主要為10～70 m，少數(shù)裂縫延伸超過100 m。構(gòu)造裂縫密度主要為5～10 條/m，一般不超過15 條/m。裂縫走向主要為北東—南西向、北西—南東向、近南北向和近東西向，裂縫發(fā)育程度依次降低。根據(jù)裂縫傾角大小，將其劃分為低角度裂縫（小于30°）、斜交裂縫（30°～60°）以及高角度裂縫（大于60°）[15,17,21]。低角度裂縫發(fā)育程度最高，占比約為50.2%，但分布較為雜亂（圖3a）；斜交裂縫約占35.3%，主要為北東—南西向，其次為近南北向（圖3b）；高角度裂縫發(fā)育程度較低，占比約為14.5%，裂縫走向為近東西向、北東東—南西西向和北西—南東向的裂縫發(fā)育程度依次降低（圖3c）。儲集層內(nèi)多數(shù)北東—南西向和北西—南東向的裂縫被完全充填或部分充填，充填物主要為方解石、泥質(zhì)、有機質(zhì)等。同時，可見少量近東西向的裂縫被部分充填，說明了近東西向的裂縫為多期形成，早期形成的裂縫受成巖作用的影響而被充填。通過巖石薄片觀察，可見未充填的裂縫切割充填裂縫，進一步證實了儲集層發(fā)育多期裂縫，晚期裂縫對早期裂縫進行改造。

2.2 裂縫形成時期

由于多期構(gòu)造作用的影響，彭州地區(qū)雷四段發(fā)育多種裂縫[16]。對構(gòu)造演化、埋藏史和裂縫充填情況進行分析發(fā)現(xiàn)，雷四段構(gòu)造裂縫發(fā)育階段主要包括印支運動晚期Ⅱ幕、印支運動晚期Ⅲ幕—燕山運動中期、燕山運動中—晚期以及喜馬拉雅運動期[16-17]（圖4）。其中，印支運動晚期Ⅱ幕形成的構(gòu)造裂縫數(shù)量相對較少，該期不是研究區(qū)裂縫形成的主要時期；在印支運動晚期Ⅲ幕—燕山運動中期，受斷裂影響，研究區(qū)形成的裂縫主要為北東—南西向的高角度裂縫和斜交裂縫，以及順層滑脫產(chǎn)生的低角度剪切裂縫；燕山運動中—晚期研究區(qū)繼續(xù)發(fā)育一系列順層低角度剪切裂縫和主要受彭縣斷層影響的構(gòu)造裂縫，裂縫走向為北東—南西向、近東西向及北西—南東向；喜馬拉雅運動期，龍門山繼續(xù)強烈抬升，形成了以北東—南西向及近東西向為主的高角度裂縫及低角度剪切裂縫[15，22-23]。從圖4 可以看出，前3 個階段形成的構(gòu)造裂縫，受成巖作用影響，大部分被充填；進入喜馬拉雅運動期后，成巖作用減弱，新形成的構(gòu)造裂縫未被充填。同時，喜馬拉雅運動期，油藏在深埋和高溫條件下，原油裂解形成天然氣藏，此時形成的未充填構(gòu)造裂縫成為了油氣主要的運移通道和儲集空間[24]。因此，重點關(guān)注喜馬拉雅運動期形成的構(gòu)造裂縫，明確其分布特征，對后期勘探開發(fā)更具意義。

3 構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

構(gòu)造裂縫的形成與構(gòu)造活動密切相關(guān)。因此，恢復(fù)構(gòu)造裂縫形成時期的構(gòu)造應(yīng)力場十分必要。正如前文所述，喜馬拉雅運動期形成的構(gòu)造裂縫是關(guān)注的重點，對此，采用有限元方法模擬了喜馬拉雅運動期的構(gòu)造應(yīng)力場，并基于巖石破裂準則和彈性應(yīng)變能對彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造裂縫進行了定量預(yù)測。

3.1 構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬

根據(jù)彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造等值線建立了研究區(qū)構(gòu)造模型。基于室內(nèi)巖石力學(xué)實驗結(jié)果和研究區(qū)測井資料，確定了雷四段儲集層靜態(tài)與動態(tài)彈性模量的關(guān)系（圖5）。因此，以測井資料計算并轉(zhuǎn)換的靜態(tài)彈性模量以及巖石力學(xué)實驗得到的密度和泊松比作為雷四段的巖石力學(xué)參數(shù)。

斷裂帶與地層之間存在差異，會影響數(shù)值模擬的結(jié)果，因此需要定義斷裂帶的巖石力學(xué)參數(shù)。根據(jù)多個油田的實踐，斷裂帶的泊松比稍大于對應(yīng)的地層，其他巖石力學(xué)參數(shù)一般為周圍地層的60%[14,25]。因此，在構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬中采用的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造模型巖石力學(xué)參數(shù)Table 1.Rock mechanical parameters of the structural model for Lei4 member in Pengzhou area

施加在構(gòu)造模型邊界上的力包括水平構(gòu)造應(yīng)力、上覆巖層壓力和模型自重力[14]。構(gòu)造模型的重力依據(jù)巖層的密度和重力加速度計算得到。根據(jù)裂縫形成期次和共軛剪切裂縫的走向，確定了喜馬拉雅運動期的最大水平主應(yīng)力方向為近東西向，最小水平主應(yīng)力為近南北向。巖石聲發(fā)射實驗測得喜馬拉雅運動期的最大水平主應(yīng)力為131.2 MPa，最大水平主應(yīng)力約為最小水平主應(yīng)力的1.5倍。因此，在構(gòu)造模型從西向東和從南向北分別施加131.2 MPa和87.5 MPa的應(yīng)力，并分別在構(gòu)造模型東側(cè)、北側(cè)以及底部進行約束。

利用COMSOL 有限元軟件模擬了喜馬拉雅運動期的構(gòu)造應(yīng)力場（圖6）。從圖6可以看出，喜馬拉雅運動期雷四段最小水平主應(yīng)力為72.30～106.50 MPa，最大水平主應(yīng)力為126.00～183.47 MPa，差應(yīng)力為48.51～92.46 MPa。研究區(qū)南緣和PZ113 井以北應(yīng)力較大，中部為背斜高點，應(yīng)力普遍較小。同時，由于斷裂帶的應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力相對較小。將構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果與巖石聲發(fā)射實驗數(shù)據(jù)進行比較（表2），發(fā)現(xiàn)兩者的相對誤差小于15%，說明模擬結(jié)果可靠。

表2 彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果與巖石聲發(fā)射實驗數(shù)據(jù)對比Table 2.Comparison between the simulation results of tectonic stress field and the data from rock acoustic emission experiment for Lei4 member in Pengzhou area

3.2 構(gòu)造裂縫定量預(yù)測

根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合巖石破裂準則和彈性應(yīng)變能定量預(yù)測雷四段構(gòu)造裂縫的分布。雷四段儲集層同時發(fā)育張裂縫和剪切裂縫，因此，采用格里菲斯破裂準則和摩爾-庫倫準則分別對張裂縫和剪切裂縫進行判定[26]：

根據(jù)露頭和巖心觀測發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)雷四段儲集層張裂縫約占15%，剪切裂縫約占85%，通過加權(quán)計算得到了彭州地區(qū)雷四段儲集層的巖石綜合破裂系數(shù)：

根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)理論，巖石中的彈性應(yīng)變能也影響著裂縫的發(fā)育，從另一個角度反映了裂縫的發(fā)育程度[27]。巖石中的彈性應(yīng)變能可以用主應(yīng)力表示：

一般認為，在巖石綜合破裂系數(shù)大于1 時，巖石發(fā)生破裂，彈性應(yīng)變能越大，巖石發(fā)生破裂的概率越大。因此，根據(jù)巖心和成像測井統(tǒng)計的構(gòu)造裂縫密度，采用最小二乘法擬合得到了巖石綜合破裂系數(shù)、彈性應(yīng)變能以及構(gòu)造裂縫密度之間的關(guān)系：

根據(jù)（5）式，利用COMSOL 有限元軟件得到了彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造裂縫密度的預(yù)測結(jié)果（圖7）。為了驗證預(yù)測結(jié)果的合理性，利用巖心和測井資料統(tǒng)計構(gòu)造裂縫密度與預(yù)測結(jié)果進行對比（表3）。結(jié)果表明，預(yù)測構(gòu)造裂縫密度與實測構(gòu)造裂縫密度的絕對誤差較小，兩者的相對誤差為4.2%～10.7%，說明預(yù)測結(jié)果可靠。

表3 彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造裂縫密度誤差分析Table 3.Error analysis of structural fracture density in Lei4 member in Pengzhou area

從圖7 可以看出，斷裂帶裂縫最為發(fā)育，預(yù)測構(gòu)造裂縫密度遠大于15 條/m；雷四段構(gòu)造裂縫發(fā)育程度總體較低，主要為5～11 條/m。此外，研究區(qū)南緣和PZ113 井以北區(qū)域裂縫的發(fā)育程度相對較高，預(yù)測構(gòu)造裂縫密度大于10 條/m；研究區(qū)中部為一背斜高點，其裂縫發(fā)育程度較低，預(yù)測構(gòu)造裂縫密度為5～8條/m。研究區(qū)裂縫的分布特征和預(yù)測差應(yīng)力的分布特征一致，也從另一個角度驗證了構(gòu)造裂縫數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。通過巖心裂縫統(tǒng)計結(jié)果和構(gòu)造裂縫數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，位于背斜高點的6-2D 井、8-5D 井和Y1 井的構(gòu)造裂縫密度相對較小，而位于背斜翼部的PZ113 井和4-2D 井的構(gòu)造裂縫密度相對較大，說明了研究區(qū)裂縫的分布由構(gòu)造位置和斷層共同控制。

4 結(jié)論

（1）彭州地區(qū)雷四段構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較高，以剪切裂縫為主，裂縫走向主要為北東—南西向、北西—南東向、近南北向和近東西向，且各走向裂縫的發(fā)育程度依次降低。裂縫形成期次主要有4 期，受成巖作用影響，僅喜馬拉雅運動期生成的裂縫大多未被充填，對油氣的運移和儲集具有重要意義。

（2）喜馬拉雅運動期雷四段最小水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力以及差應(yīng)力分別為72.30～106.50 MPa、126.00～183.47 MPa 和48.51～92.46 MPa，應(yīng)力較大的區(qū)域為研究區(qū)南緣和PZ113 井以北，斷裂帶由于應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力相對較小。

（3）研究區(qū)構(gòu)造裂縫定量預(yù)測結(jié)果顯示，斷裂帶裂縫最為發(fā)育，雷四段構(gòu)造裂縫發(fā)育程度總體較低，主要為5～11 條/m；位于背斜高部位井的構(gòu)造裂縫密度比位于背斜翼部井的低，說明構(gòu)造位置和斷層共同控制裂縫的分布。裂縫預(yù)測結(jié)果和統(tǒng)計結(jié)果的相對誤差小于15%，裂縫預(yù)測結(jié)果可靠。

符號注釋

E——彈性模量，GPa；

Eg——巖石彈性應(yīng)變能，J；

F——巖石綜合破裂系數(shù)；

L——構(gòu)造裂縫密度，條/m；

S——剪破裂系數(shù)；

T——張破裂系數(shù)；

ν——泊松比；

σ1——最小主應(yīng)力，MPa；

σ2——中間主應(yīng)力，MPa；

σ3——最大主應(yīng)力，MPa；

σt——巖石張破裂強度，MPa；

σT——有效張應(yīng)力，MPa；

τ——巖石抗剪強度，MPa；

τT——有效剪切應(yīng)力，MPa。