南川地区页岩层古构造应力分布特征及构造裂缝预测

＊刘明 李彦婧 潘兰

（中国石油化工股份有限公司华东油气分公司勘探开发研究院 江苏 210019）

南川地区五峰-龙马溪组页岩层地层压力系数在1.0～ 1.3之间，属于典型常压气，具有含气量偏低（2～5m3/t）、吸附气占比高（40%～60%）、地应力差异系数大、水平井单井产量及EUR（Estimated Ultimate Recovery，估算最终采收率）低的特点[1-4]。该区经历多期构造活动，构造样式丰富，应力条件复杂。勘探实践表明，区域上页岩层地质参数相似，高产气主要受到地应力、裂缝发育程度及方位等因素控制[5]。但目前关于古构造应力场和构造裂缝的研究较少，因此需要对不同时期区域构造应力场进行研究，查明裂缝发育规律，从而达到提高页岩气水平井压裂改造效果和单井气产量的目的。

天然裂缝按成因可分为成岩缝和构造缝两类，构造缝的发育情况受控于古构造应力场，其作用方式和强度决定了主断裂的性质、展布特征、裂缝方向及密度[6-7]。古构造应力场可通过实验法（如声发射[8-9]、超显微构造估算[10]）、野外观察法、模拟实验法（包括物理模拟[11]和数学模拟）得到。实测地应力是了解地应力的最有效方法，但往往只有几个测点，数据范围有限，难以分析大范围内的地应力分布特征，尤其是复杂构造区域，应力平面变化快。利用野外观测点的共轭剪节理、其它小褶皱及断层的滑动分析可以确定区域上古构造应力场的大小和方向[12-14]。有限单元数值模拟技术是研究古构造应力场的一种有效途径，多应用于裂缝定量预测、油气运聚规律的研究中[15-16]。王连捷等[17]利用有限元法计算了辽河滩海油田3个地质时期应力场；
魏春光等[18]采用弹—塑性增量法模拟了古龙-徐家围地区晚白垩世早期地应力特征，指出了构造裂缝发育区带；
周春梅等[19]模拟了成庄煤矿区两期主要的构造运动；
方昉[20]对新场地区须二段喜山期应力进行模拟分析，预测了岩体破裂的平面特征；
任启强等[1]模拟了和田河气田两个关键造缝期的应力场特征，实现了裂缝参数的定量表征[17-21]。

本研究在实测应力数据的基础上，采用有限单元数值模拟的方法对南川地区构造应力场进行模拟，得到不同地质时期构造应力场的分布。结合岩心和成像测井资料揭示的构造裂缝情况，建立了古构造应力场与裂缝参数的转换关系，为构造裂缝的预测提供依据。

南川地区地理位置位于重庆市南川区、贵州省道真县等地，区块面积790km2。构造上处于四川盆地川东高陡构造带万县复向斜南部，位于四川盆地与武陵褶皱带的过渡区。

区内经过加里东期、海西期、印支期、燕山期、喜山期等多期构造运动的叠加改造，产生了大量的断裂、褶皱，复杂程度高。断裂走向多为北东-北东东向，少数近南北向，研究区边界断层为龙济桥断层和青龙乡断层。受边界断层控制，区内自西向东发育神童坝向斜带、东胜平桥复背斜带、石桥白马向斜带3个构造带，平面上呈一隆两凹的构造格局。构造主体东胜平桥复背斜带呈北东向展布，褶皱紧密，具有北西翼高陡而南东翼平缓的特征，伴有较大的走向断裂，断裂性质以高角度逆冲断层为主（图1）。

图1 南川地区构造纲要图Fig.1 The structure outline map of Nanchuan area

页岩层主要发育在奥陶系五峰组-志留系龙马溪组一段，形成于深水陆棚亚相沉积环境，厚度在93～118m。自下而上划分为9个小层，分别简称为①～⑨小层，其中TOC（Total Organic Carbon，总有机碳）含量＞2%的优质页岩厚度在30～35m，位于①～⑤小层，为该区勘探开发的主要产层，也是本次研究的目的层位。

前人通过开展磷灰石裂变径迹热历史模拟，揭示了燕山期是川东地区构造变形的关键时期，梅廉夫[22]确定川东断褶带南东段基本变形时间在165～75MPa，王平[23]认为川东弧形褶皱带变形时间在135～65MPa，朱传庆[24]认为川东地区自100～80MPa开始隆升，具有阶段性。本次以燕山运动两期的构造应力场为模拟对象，探讨五峰-龙马溪组裂缝的分布规律。

(1)有限单元法模拟原理

为了得到整个区块的地应力分布规律，采用有限单元法进行区域构造应力场模拟。

有限单元法是求解微分方程的近似方法，思路是将地质体离散成有限个单元，单元间以节点相连并赋予岩石力学参数；
根据边界条件和平衡条件，选取节点位移作为基本未知量，在单元区域内选用插值函数近似计算单元位移、应变、应力分布；
最后将单元上的近似解集成整体解[25]。剖分单元数量越多，计算结果就越精确。

(2)有限单元模拟计算

根据有限单元法进行地质力学模拟计算，过程主要有以下4个步骤：

①地质模型建立

在深入认识研究区构造格架的基础上，依据南川区块断裂发育过程，以燕山中期和燕山晚期的断层展布特征为框架建立地质模型。充分考虑了对构造起控制作用的大断层，并做了一定的简化处理，使分析结果更加有效。模型为东西向长45km、南北向宽35km的矩形，覆盖了研究范围内的主要构造部位及断层。采用3节点三角形单元进行离散划分，近断层区域人工划分，其它区域自由划分。按照划分原则，燕山中期模型共有37933个节点，18934个单元，燕山晚期模型共有40271个节点，20014个单元。

②计算模型参数

离散后的岩体由断层及其外部岩体组成，岩石的力学性质直接影响岩石的应力分布。将建立的地质模型分为两种地质体，一是断裂带外部的岩体，近似地作为线性均质体处理，二是断裂带，按照断层的级别弹性模量逐级降低。以井点岩石力学测试结果作为建模参数设置的依据，井间则依靠地震反演数据体，将多种信息融合，获得岩石弹性力学参数。根据叠前反演得到的弹性模量和泊松比分布规律，将研究区正常地层区域分为3个，并赋予不同的力学参数，力学参数来源于岩石力学试验。断裂带区域弹性模量取值为正常地层区域的50%左右，泊松比取值比正常地层区域大0.05。在此基础上确定了模拟的岩石力学参数，见表1。

表1 南川地区构造应力场模拟岩石力学参数表[24]Tab.1 Rock mechanics parameters for simulation of Nanchuan area

③模型边界条件及施加荷载

构造应力场研究的难点是确定边界条件，尤其是外力作用的方式、方向及大小，直接影响结果的可靠程度[26]。

根据不同时代地层岩石声发射所记录的信息，结合野外观测点的共轭剪节理统计结果，认为南川地区燕山中期最大主应力（σ1）方向约为SSE155°，大小在138.7～168.66MPa，燕山晚期最大主应力（σ1）方向为NEE80°，大小在97.71～153.81MPa。研究区外使用加载边框，以正应力的方式施加水平构造作用力。

④模拟计算

通过多种施力方案的试验，并将计算所得的应力值与实测数据加以比较，最终判定合适的试算值。模拟30次左右误差达到稳定，模拟结果与实测数据对比，相对误差在10%以内，模拟结果可信。

(3)应力场模拟结果分析

结合岩石声发射实验数据，采用有限单元数值模拟的计算方法，对南川地区燕山中期和燕山晚期不同地层的地质模型进行线性弹性计算，模拟得到两个关键构造变形时期应力场特征。

①燕山中期最大主应力大小与方向

燕山中期最大主应力在140～158MPa之间，JY194-3井所处的平桥背斜核部及东南部斜坡带的应力值相对较低，在140～148MPa之间，其它地区主应力较大，高值范围在150～ 158MPa之间，如图2所示。断层端点对最大主应力的分布有显著影响，如袁家沟断层北端、平桥西断层南端、NY1井小断层附近表现为应力集中区，应力值达到156MPa，认为这些区域处于即将破裂的状态，但裂缝并未完全贯通，为裂缝发育区域。受构造深度影响，自东向西随着目的层埋藏深度变大，应力值整体上逐渐增大。

最大主应力方向如图3所示，燕山中期最大主应力方向为北北西-南南东向，约为SSE153°，近乎垂直于该时期形成的北东走向断层。受断层影响，应力方向在断层附近发生偏转，偏转幅度小于5°；
断层端部应力方向的偏转幅度相对较大，在0°～10°之间。

图3 南川地区燕山中期最大主应力方向模拟结果Fig.3 Results of maximum principal stress direction in Middle Yanshanian in Nanchuan area

②燕山晚期最大主应力大小与方向

燕山晚期最大主应力在88～156MPa之间，明显较燕山中期偏小，平面分布规律与其相似。断层附近应力值比周围区域小，最小为88MPa。平桥背斜核部为应力低值区，在92～ 118MPa之间，往背斜两翼逐渐增大，且JY201-1井所处的平桥背斜东翼高于西翼。西部向斜区为应力高值区，整体上大于135MPa。除此之外，在袁家沟断层端点、平桥东断层交叉处均形成了较小范围的应力集中。

图4 南川地区燕山晚期最大主应力大小模拟结果Fig.4 Results of maximum principal stress in Late Yanshanian in Nanchuan area

燕山晚期最大主应力方向为近东西向，约为NEE85°，在研究区范围内基本一致，与该时期形成的南北走向断层垂直。受到先存的北东走向断层和该时期南北走向断层影响，最大主应力方向在断层区域发生轻微偏转，西部及南部边界位置处偏转幅度略大，约为10°左右，见图5。

图5 南川地区燕山晚期最大主应力方向模拟结果Fig.5 Results of maximum principal stress direction in Late Yanshanian in Nanchuan area

(1)构造裂缝特征

本次对2口取心井和4口井①～⑤小层成像测井中的裂缝类型、参数进行统计。从JY10井裂缝分布特征来看（深度3374～3405m），裂缝视倾角60°～80°，属于高角度裂缝（一般大于45°），不规则裂缝互相切割，被方解石半充填-全充填（图6a）。缝长5～30cm，缝宽500μm～3mm，发育揉皱、擦痕。高角度缝共9条，裂缝密度为0.29条/米。SY1井岩心观察深度3441～3471m，裂缝面平直，视倾角约75°，缝内被灰白色方解石全充填（图6b）。缝长9～60cm，缝宽500μm～1mm。高角度缝共6条，裂缝密度为0.2条/米。

图6 钻井构造裂缝特征Fig.6 Structural fissure of wells

构造作用形成的高导缝在成像测井图上表现为黑褐色正弦曲线，被高阻矿物充填后的高阻缝表现为亮黄色的正弦曲线，多呈斜交、网状的组合类型（图6c）。对目的层成像测井解释裂缝参数进行统计，见表2。整体而言，构造裂缝类型主要为高阻缝，高导缝不发育。高阻缝倾角多为中-高角度，与岩心观察结果基本一致。成像测井所识别的裂缝多为高阻亮色条纹，表明裂缝的充填程度高。裂缝走向变化较大，主要为北东-南西向及北西-南东向，表明裂缝在成因上具有多期性。

表2 南川地区钻井成像测井解释裂缝参数表Tab.2 Fissure parameters of wells from FMI in Nanchuan area

(2)构造裂缝定量预测

构造裂缝取决于构造变形时期的应力分布。以研究区实际的岩石破裂准则和岩心裂缝密度数据作为约束条件，利用构造应力场的反演结果来定量预测裂缝分布。

研究区多发育剪切缝，根据库伦-莫尔剪切破裂准则，岩石的剪切破裂沿着某个面，这种剪切破坏与该面上的剪切应力和正应力有关。剪破裂系数S可以定量预测剪裂缝的发育程度，表达式为：

式中：σ1为最大主应力，MPa；
σ3为最小主应力，MPa；
φ为岩石内摩擦角，°；
C为岩石粘聚力，MPa，可以通过三轴实验获得。

通过构造应力场模拟，得到了每个点的应力状态，利用公式（1）分别计算出两期剪破裂系数。引入综合裂缝系数HFI，建立岩心构造裂缝密度与剪破裂系数之间的转换关系，来判别裂缝的发育程度。HFI值在0～1之间，值越大表示裂缝的发育程度越高。通过线性趋势拟合求得系数，研究区HFI计算公式为：

式中：S1为燕山中期剪破裂系数，无量纲；
S2为燕山晚期剪破裂系数，无量纲。

预测结果表明，南川地区五峰-龙马溪组裂缝系数在0.23～0.45之间，受褶皱及断层共同控制。平桥背斜正向构造区裂缝相对较为发育，东胜背斜裂缝发育较少，西部向斜区裂缝不发育；
龙济桥断层及其周围、平桥西断层南端裂缝系数较大，一般在0.4，破裂程度较高，裂缝密集分布。

将预测裂缝系数与试气、成像测井资料进行对比发现，平桥背斜裂缝有效性最好，天然气产量也最高。如JY194-3井，预测裂缝系数为0.36，成像测井识别高阻缝15条，测试日产气为34.3×104m3。JY10井位于平桥背斜南部斜坡区，预测裂缝系数为0.35，成像测井识别高阻缝29条，测试日产气为19.6×104m3。SY1井位于东胜背斜，预测裂缝系数0.30，成像测井识别裂缝8条，测试日产气为14.6×104m3。位于工区南部的SY2井，成像测井结果显示裂缝发育较少，预测裂缝系数为0.35，两者存在偏差。本次采用基于平面的二维古构造地应力模拟方法，利用2口井的岩心裂缝密度进行拟合，得到的系数具有一定的定性成分，加强岩心及成像测井的裂缝分析是后期研究的重点。

图7 南川地区五峰-龙马溪组裂缝系数分布图Fig.7 Map of HFI in Wufeng-Longmaxi formation in Nanchuan area

（1）基于三维地震资料解释成果，采用有限单元数值模拟方法对南川地区燕山运动两期构造应力场进行模拟，燕山中期最大主应力方向为北北西-南南东向，应力值在140～ 158MPa，平桥背斜核部及东南部埋藏浅部位应力值较低。燕山晚期最大主应力方向为近东西向，应力值在88～156MPa。

（2）南川地区五峰-龙马溪组构造裂缝多形成于燕山中期，为北东-南西走向的中-高角度剪切缝，后期叠加北西-南东向裂缝，断裂带附近及构造高部位为构造裂缝发育区，评价认为平桥背斜构造裂缝有效性最高。

（3）裂缝系数的计算虽然参考了岩心裂缝密度的资料，但受到古构造应力场模拟结果及取心资料的影响，预测结果与钻井实际裂缝发育情况有偏差，加强岩心及成像测井的裂缝分析是后期研究的重点。