丁山地區頁巖儲層裂縫分布預測及頁巖氣保存條件評價

謝佳彤 ,付小平,秦啟榮,范存輝,倪 楷,黃曼寧

(1.中國石化勘探分公司,四川 成都 610041；2.西南石油大學，四川 成都 610500)

0 引 言

對于自生自儲的頁巖儲層來說，裂縫的發育分布對頁巖氣的儲集和運移均起到至關重要的作用。當今頁巖氣研究的側重點主要為突破裂縫分布預測方法與保存評價之間的關系[1-3]。前人在裂縫分布預測和頁巖氣保存評價中提出了很多優質方法。曾錦光等[4]將曲率法用于四川中壩構造中，通過力學模型研究分析背斜構造并證實了利用最大曲率來表示裂縫發育的判據，提出用構造圖計算的方法來得到最大曲率，并驗證了該方法的有效性；鄔光輝[5]發現裂縫發育程度與分形維數的關系，認為裂縫發育程度越高，分形維數越大；丁文龍等[6]將構造應力場模擬作為重要手段預測頁巖儲層裂縫分布。研究發現，在裂縫預測的研究中，構造應力場的分布與裂縫發育密切相關，是控制裂縫發育最主要的因素之一。頁巖氣保存評價是值得深入探討和發掘的問題，聶海寬等[7]對四川盆地及周邊地區五峰-龍馬溪組頁巖進行了保存條件評價的研究，由于川東南有盆內、盆緣和盆外地區，其受到的構造運動不同，保存條件也不同，因而分別挑選蓋層條件、壓力系數、構造條件、物質基礎、地層水條件和氣體組分進行頁巖氣評價；蔡周榮等[8]主要從構造變形和構造活動性2個方面來進行頁巖氣的保存研究；胡東風等[9]主要從構造運動、頂底板條件和壓力系數方面來評價四川盆地頁巖氣保存條件；王濡岳[10]、魏祥峰等[11]同樣從構造部位、壓力系數、頂底板條件以及地層傾角等方面來研究頁巖氣評價體系指標，但在保存評價參數以及權重系數的確定上不同地區各項指標條件不同，不能將這些參數進行很好的利用[12-13]。因此，此次研究引入構造應力場模擬方法及巖體破裂準則對研究區的裂縫分布進行平面上的預測，同時對研究區頁巖儲層進行保存條件指標的劃分，并運用組合權重法確定評價指標的權重系數，對研究區進行有利區帶的預測和優選。

1 區域地質特征

丁山地區位于四川盆地東南部，隸屬于重慶市綦江縣石壕鎮，研究區主要為丁山構造，分布于川東南盆內及盆緣拗褶區，勘探面積約為533 km2。四川盆地主體受到大斷裂擠壓形成了一個大構造單元，四面均受到逆沖斷裂和走滑斷裂的擠壓，北部以米倉山-大巴山斷褶帶為界，西部為龍門山大斷裂，東部為齊岳山斷裂帶(圖1)。

圖1 四川盆地地理位置

研究區目的層位志留系龍馬溪組整體厚度為100～300 m，由上至下可分為2種不同巖性的層段。上段厚度為20～80 m，巖性為深灰色泥巖夾粉砂質、灰質泥頁巖，TOC相對較低；下段厚度為100～180 m，巖性為黑色頁巖富含筆石化石，局部夾微粒黃鐵礦條帶，下段由上至下TOC由3%逐漸增大至6%，是構成頁巖氣的主力產氣層段(圖2)。截至2021年，丁山地區頁巖氣測試產量已突破100×104m3/d。

2 構造應力場模擬

2.1 地質模型

根據構造解釋、斷裂期次的綜合分析，對丁山地區燕山末期—喜馬拉雅運動中期進行三維構造建模，利用Petrel軟件建立相應地質模型，該模型以龍馬溪組為主要研究對象，石牛欄組和寶塔組分別作為模型的上部和下部邊界，可視為目的層段的頂底板。建立模型時，嚴格依據丁山地區龍馬溪組底界構造圖、地層分層資料等來考慮各層面的接觸關系[14-15]。

2.2 力學模型

2.2.1 確定邊界條件

由于不同構造期次的作用力大小和方向不同，因此，不同期次的模型邊界條件也不同。模型邊界條件中的約束邊界、加載邊界，以及加載力的大小和方向等參數的確定主要是根據構造解析結果、古構造演化史和Kaiser效應實驗結果3種協同作用來確定。

圖2 丁山地區龍馬溪組地層巖性特征

丁山地區模型作用邊界設置、構造力作用方位、約束條件如圖3所示。經調試，對建立的地質模型施加的位移邊界條件為：施加NE、SE向正壓力，考慮模型3層地層的自重，頂面考慮為均布載荷即上覆巖層壓力，自身重力是由重力加速度和巖層密度計算得到[16]。因此，丁山地區模型頂面受垂直地應力78.00 MPa，底面施加下伏地層反作用力83.00 MPa；對右上施加70.00 MPa最小主應力(σ3)，右下施加100.00 MPa最大主應力(σ1)；位移邊界條件：NW、SW兩邊固定，設置XYZ位移和轉角為零，其他單元均可自由移動。

圖3 丁山地區構造應力場模擬邊界條件

2.2.2 確定斷層處理方案

研究區模擬斷層處理方案采用斷層弱化法。在對丁山地區模擬過程中，為了保證模擬的高效準確，在正式模擬前先進行了試算，將斷層定義為“軟弱區”，其彈性模量通常比正常地層的彈性模量小，一般為正常地層的50%～70%，而泊松比則比正常沉積區巖石地層的泊松比大，通常情況下兩者差值為0.020～0.100；將構造高部位定義為“強硬區”，其彈性模量是正常地層的1.0～1.5倍，泊松比則相對較小；構造低區同理，但與高部位相比各

參數較小。內聚力及內摩擦角則根據實驗和模擬情況進行調整(表1)。

表1 不同單元類型巖石力學參數

2.3 數學模型

根據有限元原理可知，地質體單元劃分越細，數學模型計算結果精度越高。研究區內斷裂極為發育，在模型構造分析中，僅對規模最大的75條斷裂進行模擬。此次網格劃分在Petrel軟件中完成。該模擬采用八節點六面體單元進行網格離散劃分，共有97 470個單元和131 408個節點。

2.4 構造應力場分布

根據研究區的主要地質構造特征，建立三維有限元模型(文中所有應力場均為古構造應力場模擬)。地質歷史時期所形成的構造是多期構造運動作用的綜合反應，但構造形成受最近一期的應力場影響相對較大[17]。此次研究采用構造演化期次中的末期進行模擬，從而更準確地確定應力場分布。研究區初步模擬結果如圖4所示。由圖4a可知，在持續受到NE方向構造擠壓力的作用下，丁山地區在DY4斷層附近及構造脊部附近應力較小，最大主應力值分布比較平均，為-32.80～136.46 MPa(圖4a,其中拉應力為正，壓應力為負)；在DY2、DY3、DY4井附近最大主應力值分別為31.83、42.62、89.23 MPa。由圖4b可知，丁山地區差應力值為50.00～110.00 MPa，DY1井和DS1井等距離齊岳山斷裂較近的地區差應力較大，與齊岳山斷裂距離越大，差應力越小，巖石破壞程度也越低。

圖4 丁山地區應力應變模擬分布

2.5 應力場模擬結果誤差分析

通過模擬川東南丁山地區應力場，將井位實測值與模擬值進行誤差分析，得到應力值的大致分布范圍，最終計算得到丁山地區5口井的最大、最小主應力誤差均為15%左右(表2)，在合理誤差范圍內，說明模擬結果可行。

表2 古構造應力場模擬最大主應力及相對誤差

3 裂縫分布預測方法

3.1 巖體破裂系數

巖體的破裂系數表示巖體的裂縫發育情況，由于研究區地層主要為彈性變形，為了使模擬預測更加高效便捷，此次研究主要采用莫爾-庫倫準則進行判別。

(1)

式中：η為巖體破裂系數；f為剪應力，MPa；k為最大抗剪能力，MPa；σ1為最大主應力，MPa；σ3為最小主應力，MPa；c為內聚力，MPa；φ為內摩擦角，°。

巖體破裂系數在巖石力學理論中的判斷標準為：當η<1時巖體比較穩定，受到的應力沒有達到破裂值，巖體不發生破壞，沒有裂縫產生；當η≥1時巖體受到的應力達到破裂值，巖體失去穩定性發生破壞而產生裂縫。然而，在實際情況中，巖體的破裂往往比較復雜，即使巖體破裂系數小于1的巖體，其內部也會因為受到應力產生細小的微裂縫。因此，要充分考慮其理論特點及模型的特殊影響，

利用巖體破裂系數判斷裂縫發育程度時應根據研究區塊不同制訂不同的標準。

3.2 巖體破裂特征

通過巖體破裂系數公式及其判別方法對研究區進行分區破裂特征模擬預測。巖體破裂程度最高的地區主要分布于丁山地區東南部，具體位于近NWW、NW向及NE向斷層周圍，呈條帶弧形狀展布，尤其在DS1井周圍構造高部位一帶廣泛發育，破裂系數可達1.680以上；其次是斷層與斷層周圍破裂帶、斷層外圍以及構造高部位，破裂系數達1.456～1.568；距離斷層較遠且構造平緩區、構造低點區破壞程度較低，破裂系數普遍小于0.900(圖5)。

圖5 丁山地區龍馬溪組巖體破裂程度分布預測

3.3 裂縫分布定量預測

裂縫定量預測主要是根據裂縫的發育特點或形成機制，采用地質學、物理學、數學等方法對裂縫的平面分布規律進行研究與探索分析[18-28]。在巖體破裂程度分布預測(圖5)的基礎上，結合丁山地區的構造地質背景、構造地質特征以及現有的試驗測試及生產結果等資料，運用破裂準則標準及數學方法相結合，劃分了丁山地區裂縫發育級別(表3)。

表3 丁山地區龍馬溪組巖石裂縫預測的η值

根據丁山地區的裂縫預測標準，結合巖石力學、構造地質學的原理以及鉆井、取心、生產資料等進行綜合分析，對丁山地區龍馬溪組的裂縫發育情況進行預測，根據定量預測結果、有限元預測結果，結合裂縫發育影響因素及實際生產情況，繪制了丁山地區龍馬溪組頂部裂縫發育綜合預測圖，以便更為準確、全面地對裂縫發育情況進行把握(圖6)。

圖6 丁山地區龍馬溪組裂縫發育預測

4 頁巖氣保存條件評價及有利區預測

4.1 影響因素

4.1.1 埋深

丁山地區在川東南中處于盆地邊緣地帶，各井埋深跨度較大，由1 500 m至4 500 m不等。以丁山地區DY1井和DY2井為例，2口井的地質基礎相似，DY1井優質頁巖厚度為26.0 m，DY2井優質頁巖厚度為35.5 m，平均為30.0 m左右；DY1井TOC為3.42%，DY2井為3.95%，兩者基本一致，孔滲之間也相差不大。然而，2口井埋深差異較大，DY2井埋深較深，為4 367.5 m，DY1井抬升至2 054.0 m，受到地層圍壓較小，頁巖氣容易發生逸散，不利于頁巖氣的保存。

4.1.2 內部斷裂和裂縫

丁山地區自燕山期以來受到多期構造運動，斷裂系統比較發育，斷距較大且延伸較長的斷裂會對頁巖氣的保存具有一定的破壞作用[29]。斷裂要素中斷距大小、開啟程度及傾角都會對頁巖氣保存有一定的影響。通過對丁山地區斷層要素及產氣量統計發現(表4)，延伸長、斷距大的斷裂附近井比斷距小的井產氣量低，頁巖氣更易散失。結合頁巖氣勘探實踐，認為在丁山地區小規模斷裂發育或距離大規模斷裂2 km以外的區域，頁巖氣保存效果較好。

表4 丁山地區龍馬溪組頁巖氣鉆井統計

4.1.3 現今最大水平主應力與斷裂優勢方位夾角

斷層封閉性可以用現今最大水平主應力與斷裂優勢方位夾角大小表示，直接反應了現今的油氣保存情況。研究認為，一般夾角越大，對油氣封堵性越好，夾角越小，油氣封堵性越差，油氣會發生散失。根據丁山地區水平主應力與斷裂夾角的統計結果及前人的研究成果，認為丁山地區現今最大水平主應力方向與斷裂優勢方位夾角為60～90 °時，斷層封閉性較好；夾角為45～60 °時，斷層封閉性較好；夾角為30～45 °時，斷層封閉性一般；夾角為0～30 °時，斷層封閉性差。

4.1.4 壓力系數

丁山地區壓力系數分布與埋深具有一致性，均表現為由東南部向西北方向增大的趨勢。由于東南部埋深淺，加之離齊岳山隱伏斷裂較近，使得東南部高部位的頁巖氣容易發生散失，壓力系數較低，不利于保存。DY1井由于埋深較淺且距離齊岳山斷裂較近，壓力系數較低，為1.06，氣體容易發生逸散，測試日產氣量僅為3.40×104m3/d；DY2井埋深較深且遠離大斷裂，壓力系數為1.55，表現為異常高壓，保存較好，測試日產氣量為10.50×104m3/d。

4.2 有利區預測

研究區評價主要以構造因素為重點，參考前人研究成果并結合實際地質情況和勘探情況[29]，優選7個主要參數作為頁巖氣評價的關鍵參數，并總結出適合丁山地區的海相頁巖氣構造綜合評價指標體系(表5)。依據權重系數以及評價參數對各參數進行疊加，并采用均值聚類分析法對區帶進行分類，劃分為2類有利區(圖7)。評價結果表明：1類有利區位于深埋平緩區或低緩斜坡區，埋深大于3 500.0 m，遠離齊岳山斷裂帶和目的層露頭剝蝕區，斷裂規模小、發育早，最大水平主應力與斷裂優勢方位夾角大于60 °，屬Ⅱ級裂縫發育區，壓力系數大于1.2，差應力值低；2類有利區位于深埋平緩區、低緩斜坡區或高角度斜坡區，埋深為2 500～3 500 m，發育小規模早期斷裂，屬Ⅲ級裂縫發育區，壓力系數較大，為0.9～1.2，最大水平主應力與斷裂優勢方位夾角為45～60 °，次級斷裂傾角為50～60 °，差應力中等。

表5 丁山地區龍馬溪組頁巖氣評價參數

圖7 丁山地區龍馬溪組頁巖氣有利區評價

5 結 論

(1) 選取巖石力學參數對研究區模型進行數值試算，通過反復模擬計算得到丁山地區最大主應力、差應力分布，并引入差應力分布圖，差應力值越大表示巖石破裂程度越大，應力場模擬結果表明了不同地區的破裂程度差異較大，丁山地區由于埋深較深，且構造比較穩定導致模擬差應力值相對較小，差值較大區域一般分布在大斷裂附近或埋深較淺地區。

(2) 根據莫爾-庫倫準則計算丁山地區巖體破裂程度系數，從而得到裂縫在平面上的分布規律，并將研究區裂縫發育程度劃分為4類，其中Ⅱ級、Ⅲ級裂縫發育區對油氣的運移及保存效果最好，屬于優勢發育區。

(3) 運用組合權重法對丁山地區保存評價參數體系進行權重的劃分和計算，將研究區保存評價體系進行半定量分析和各參數權重賦值，并優選12個評價參數。

(4) 依據指標體系對研究區進行頁巖氣保存評價，將有利區劃分為2類，1類有利區主要位于深埋平緩區或寬緩褶皺核部，遠離主干斷裂，頂底板致密且連續，屬Ⅱ級裂縫發育區，早期以及三級或四級裂縫發育，壓力系數大，物質基礎好；2類有利區主要分布于寬緩褶皺兩翼，屬Ⅲ級裂縫發育區，發育三級或四級裂縫，物質基礎較好，壓力系數較大。