南川地區頁巖層古構造應力分布特征及構造裂縫預測

＊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研究院 江蘇 210019）

南川地區五峰-龍馬溪組頁巖層地層壓力系數在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%）、地應力差異系數大、水平井單井產量及EUR（Estimated Ultimate Recovery，估算最終采收率）低的特點[1-4]。該區經歷多期構造活動，構造樣式豐富，應力條件復雜。勘探實踐表明，區域上頁巖層地質參數相似，高產氣主要受到地應力、裂縫發育程度及方位等因素控制[5]。但目前關于古構造應力場和構造裂縫的研究較少，因此需要對不同時期區域構造應力場進行研究，查明裂縫發育規律，從而達到提高頁巖氣水平井壓裂改造效果和單井氣產量的目的。

天然裂縫按成因可分為成巖縫和構造縫兩類，構造縫的發育情況受控于古構造應力場，其作用方式和強度決定了主斷裂的性質、展布特征、裂縫方向及密度[6-7]。古構造應力場可通過實驗法（如聲發射[8-9]、超顯微構造估算[10]）、野外觀察法、模擬實驗法（包括物理模擬[11]和數學模擬）得到。實測地應力是了解地應力的最有效方法，但往往只有幾個測點，數據范圍有限，難以分析大范圍內的地應力分布特征，尤其是復雜構造區域，應力平面變化快。利用野外觀測點的共軛剪節理、其它小褶皺及斷層的滑動分析可以確定區域上古構造應力場的大小和方向[12-14]。有限單元數值模擬技術是研究古構造應力場的一種有效途徑，多應用于裂縫定量預測、油氣運聚規律的研究中[15-16]。王連捷等[17]利用有限元法計算了遼河灘海油田3個地質時期應力場；魏春光等[18]采用彈—塑性增量法模擬了古龍-徐家圍地區晚白堊世早期地應力特征，指出了構造裂縫發育區帶；周春梅等[19]模擬了成莊煤礦區兩期主要的構造運動；方昉[20]對新場地區須二段喜山期應力進行模擬分析，預測了巖體破裂的平面特征；任啟強等[1]模擬了和田河氣田兩個關鍵造縫期的應力場特征，實現了裂縫參數的定量表征[17-21]。

本研究在實測應力數據的基礎上，采用有限單元數值模擬的方法對南川地區構造應力場進行模擬，得到不同地質時期構造應力場的分布。結合巖心和成像測井資料揭示的構造裂縫情況，建立了古構造應力場與裂縫參數的轉換關系，為構造裂縫的預測提供依據。

1.區域地質概況

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

區內經過加里東期、海西期、印支期、燕山期、喜山期等多期構造運動的疊加改造，產生了大量的斷裂、褶皺，復雜程度高。斷裂走向多為北東-北東東向，少數近南北向，研究區邊界斷層為龍濟橋斷層和青龍鄉斷層。受邊界斷層控制，區內自西向東發育神童壩向斜帶、東勝平橋復背斜帶、石橋白馬向斜帶3個構造帶，平面上呈一隆兩凹的構造格局。構造主體東勝平橋復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，斷裂性質以高角度逆沖斷層為主（圖1）。

圖1 南川地區構造綱要圖Fig.1 The structure outline map of Nanchuan area

頁巖層主要發育在奧陶系五峰組-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，總有機碳）含量＞2%的優質頁巖厚度在30～35m，位于①～⑤小層，為該區勘探開發的主要產層，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構造變形的關鍵時期，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]認為川東弧形褶皺帶變形時間在135～65MPa，朱傳慶[24]認為川東地區自100～80MPa開始隆升，具有階段性。本次以燕山運動兩期的構造應力場為模擬對象，探討五峰-龍馬溪組裂縫的分布規律。

2.古構造應力場模擬及結果分析

(1)有限單元法模擬原理

為了得到整個區塊的地應力分布規律，采用有限單元法進行區域構造應力場模擬。

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

(2)有限單元模擬計算

根據有限單元法進行地質力學模擬計算，過程主要有以下4個步驟：

①地質模型建立

在深入認識研究區構造格架的基礎上，依據南川區塊斷裂發育過程，以燕山中期和燕山晚期的斷層展布特征為框架建立地質模型。充分考慮了對構造起控制作用的大斷層，并做了一定的簡化處理，使分析結果更加有效。模型為東西向長45km、南北向寬35km的矩形，覆蓋了研究范圍內的主要構造部位及斷層。采用3節點三角形單元進行離散劃分，近斷層區域人工劃分，其它區域自由劃分。按照劃分原則，燕山中期模型共有37933個節點，18934個單元，燕山晚期模型共有40271個節點，20014個單元。

②計算模型參數

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

表1 南川地區構造應力場模擬巖石力學參數表[24]Tab.1 Rock mechanics parameters for simulation of Nanchuan area

③模型邊界條件及施加荷載

構造應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，直接影響結果的可靠程度[26]。

根據不同時代地層巖石聲發射所記錄的信息，結合野外觀測點的共軛剪節理統計結果，認為南川地區燕山中期最大主應力（σ1）方向約為SSE155°，大小在138.7～168.66MPa，燕山晚期最大主應力（σ1）方向為NEE80°，大小在97.71～153.81MPa。研究區外使用加載邊框，以正應力的方式施加水平構造作用力。

④模擬計算

通過多種施力方案的試驗，并將計算所得的應力值與實測數據加以比較，最終判定合適的試算值。模擬30次左右誤差達到穩定，模擬結果與實測數據對比，相對誤差在10%以內，模擬結果可信。

(3)應力場模擬結果分析

結合巖石聲發射實驗數據，采用有限單元數值模擬的計算方法，對南川地區燕山中期和燕山晚期不同地層的地質模型進行線性彈性計算，模擬得到兩個關鍵構造變形時期應力場特征。

①燕山中期最大主應力大小與方向

燕山中期最大主應力在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力值相對較低，在140～148MPa之間，其它地區主應力較大，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井小斷層附近表現為應力集中區，應力值達到156MPa，認為這些區域處于即將破裂的狀態，但裂縫并未完全貫通，為裂縫發育區域。受構造深度影響，自東向西隨著目的層埋藏深度變大，應力值整體上逐漸增大。

最大主應力方向如圖3所示，燕山中期最大主應力方向為北北西-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，應力方向在斷層附近發生偏轉，偏轉幅度小于5°；斷層端部應力方向的偏轉幅度相對較大，在0°～10°之間。

圖3 南川地區燕山中期最大主應力方向模擬結果Fig.3 Results of maximum principal stress direction in Middle Yanshanian in Nanchuan area

②燕山晚期最大主應力大小與方向

燕山晚期最大主應力在88～156MPa之間，明顯較燕山中期偏小，平面分布規律與其相似。斷層附近應力值比周圍區域小，最小為88MPa。平橋背斜核部為應力低值區，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。西部向斜區為應力高值區，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力集中。

圖4 南川地區燕山晚期最大主應力大小模擬結果Fig.4 Results of maximum principal stress in Late Yanshanian in Nanchuan area

燕山晚期最大主應力方向為近東西向，約為NEE85°，在研究區范圍內基本一致，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，最大主應力方向在斷層區域發生輕微偏轉，西部及南部邊界位置處偏轉幅度略大，約為10°左右，見圖5。

圖5 南川地區燕山晚期最大主應力方向模擬結果Fig.5 Results of maximum principal stress direction in Late Yanshanian in Nanchuan area

3.構造裂縫定量預測

(1)構造裂縫特征

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、參數進行統計。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°，縫內被灰白色方解石全充填（圖6b）。縫長9～60cm，縫寬500μm～1mm。高角度縫共6條，裂縫密度為0.2條/米。

圖6 鉆井構造裂縫特征Fig.6 Structural fissure of wells

構造作用形成的高導縫在成像測井圖上表現為黑褐色正弦曲線，被高阻礦物充填后的高阻縫表現為亮黃色的正弦曲線，多呈斜交、網狀的組合類型（圖6c）。對目的層成像測井解釋裂縫參數進行統計，見表2。整體而言，構造裂縫類型主要為高阻縫，高導縫不發育。高阻縫傾角多為中-高角度，與巖心觀察結果基本一致。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 南川地區鉆井成像測井解釋裂縫參數表Tab.2 Fissure parameters of wells from FMI in Nanchuan area

(2)構造裂縫定量預測

構造裂縫取決于構造變形時期的應力分布。以研究區實際的巖石破裂準則和巖心裂縫密度數據作為約束條件，利用構造應力場的反演結果來定量預測裂縫分布。

研究區多發育剪切縫，根據庫倫-莫爾剪切破裂準則，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力和正應力有關。剪破裂系數S可以定量預測剪裂縫的發育程度，表達式為：

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

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

式中：S1為燕山中期剪破裂系數，無量綱；S2為燕山晚期剪破裂系數，無量綱。

預測結果表明，南川地區五峰-龍馬溪組裂縫系數在0.23～0.45之間，受褶皺及斷層共同控制。平橋背斜正向構造區裂縫相對較為發育，東勝背斜裂縫發育較少，西部向斜區裂縫不發育；龍濟橋斷層及其周圍、平橋西斷層南端裂縫系數較大，一般在0.4，破裂程度較高，裂縫密集分布。

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

圖7 南川地區五峰-龍馬溪組裂縫系數分布圖Fig.7 Map of HFI in Wufeng-Longmaxi formation in Nanchuan area

4.結論

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

（2）南川地區五峰-龍馬溪組構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，斷裂帶附近及構造高部位為構造裂縫發育區，評價認為平橋背斜構造裂縫有效性最高。

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