川南瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組古構造應力場及裂縫特征

董 敏，郭 偉，張林炎，吳中海，馬立成，董 會，馮興強，楊躍輝

（1.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；2.自然資源部古地磁與古構造重建重點實驗室，北京 100081；3.中國地質調查局油氣地質力學重點實驗室，北京 100081；4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；5.中國地質調查局西安地質調查中心，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)經歷了多期構造活動和構造疊加，區(qū)內褶皺和斷裂構造發(fā)育形成了復雜褶皺和斷裂系統(tǒng)，該區(qū)的北部以NE 向和近SN 向構造為主，西部和南部以NE 向、近EW 向和NW 向構造為主，已有研究認為下古生界五峰組—龍馬溪組深層頁巖儲層的裂縫主要受控于區(qū)域古構造應力場［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成因的角度，通過對構造應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參數進行分析，建立地質模型，將地質模型轉換為巖石力學模型來進行應力場模擬［6］；還有些研究者通過有限元軟件對巖層進行力學分析，建立地應力模型［7-9］，獲得地應力的空間展布特征，在此基礎上進行裂縫預測。前期學者已經開展了四川盆內及周緣應力場模擬的相關工作［7］，但對瀘州地區(qū)深層古構造應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，開展褶皺構造、斷層產狀和斷層組合形式對應力場方向和大小影響范圍和影響程度的構造解析，厘定構造應力場變形方向，利用鉆井巖心測試數據、測井和地震數據，應用ANSYS 數值模擬方法，構建該區(qū)燕山期Ⅲ幕（裂縫主要形成期）的地質模型，進行古構造應力場反演，并以古應力場研究為基礎進行深層頁巖儲層的裂縫預測，以期為該區(qū)深層頁巖氣勘探開發(fā)提供地質依據。

1 地質概況

瀘州地區(qū)位于四川盆地南部，構造上屬于川中古隆起南側的川南低陡構造帶［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造，具有復式褶皺特點（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礦物，質量分數為60%～70%，頁巖TOC 質量分數為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)具有構造復雜，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重要的作用［3-6］。構造裂縫的發(fā)育程度主要受內因和外因的聯(lián)合控制，內因主要為巖性、巖石的結構和組合特征，外因主要為研究區(qū)所受的外界的應力場作用大小及作用方式等，而裂縫的分布受到構造應力場的控制。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造背景之下，四川盆地及周緣表現為燕山期強烈褶皺變形期及陸內擠壓造山期［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幕的古構造應力場模擬，結合巖石破裂準則，預測構造裂縫分布規(guī)律的研究意義重大。

2 數值模擬

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，假設水平應力是該區(qū)域構造變形的主導應力場［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幕的古構造應力分布模型。首先通過對研究區(qū)的鉆井巖心樣品開展巖石物理力學實驗，獲得巖石物理力學參數，再結合區(qū)域構造應力場分析，建立地質模型，然后應用線性有限元分析，將連續(xù)體離散成有限的結點，并將有限的結點連續(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參數，最后根據邊界條件，利用ANSYS 數值模擬軟件計算各個單元內應力分布。

2.1 地質模型的建立

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，褶皺強度由強變弱，構造高部位埋深相對較淺，為2 700～3 000 m，向斜內部埋深普遍較高，超過3 800 m。根據該區(qū)的五峰組—龍馬溪組底界埋深（圖1）的深度數值進行分區(qū)，構建該區(qū)的構造應力場地質模型。

2.2 力學模型的建立

根據鉆井資料，對各個地質單元賦予實際的巖石力學參數。由于很難獲得該區(qū)的平面上分布的巖石力學參數，模擬時參照瀘州地區(qū)及周邊井巖心取樣的巖石力學參數隨深度變化的規(guī)律［19-20］，對不同深度的頁巖巖石力學參數進行賦值，埋深相同的頁巖經歷了大致相同的埋藏過程，通過多井的巖石力學參數約束平面上巖石力學參數的分布，假定埋深相同的巖石力學性質大致相同，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—龍馬溪組力學參數分布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)介質中斷層對應力的影響，從而降低斷層兩側適當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，再根據巖石力學實驗測得不同單元的頁巖力學參數，如表1 所列。

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

2.3 邊界條件設定

瀘州地區(qū)構造格局受多組構造線的控制，在3個方向的壓力聯(lián)合作用下，構造變形遞進發(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—復合構造格局［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，根據對觀測點實測的構造節(jié)理玫瑰花圖（圖3），瀘州地區(qū)燕山期Ⅲ幕主構造期的最大主應力為NW 向，約為135°。雖然各構造格局方位不同，但總體是協(xié)調的，反映其統(tǒng)一的構造應力場和構造形變場。本次設計的邊界條件：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 主應力，SE 向施加最小為60 MPa 的主應力，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)觀測點的構造節(jié)理玫瑰花圖Fig.3 Structural joint rose diagram of observation points in Luzhou area

2.4 數值模擬結果分析

應用ANSYS 有限元數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造應力場數值模擬，得到最大水平主應力［圖4（a）］和最小水平主應力模型［圖4（b）］。

圖4 瀘州地區(qū)燕山Ⅲ幕的最大（a）、最?。╞）水平主應力云圖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，最大水平主應力為68～128 MPa，最小水平主壓應力為47～70 MPa，反映了該區(qū)深層頁巖儲層的地應力具有差異分布的特征。應力高值沿背斜走向分布，背斜核部受到地層擠壓作用強烈，應變強度大，同時受到斷裂的影響，在斷裂和背斜核部的應力值高。遠離斷層的低陡構造的向斜區(qū)的構造應力異常高值區(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)南側的L206 井和中部L203 井均位于低陡構造的向斜區(qū)的高應力值區(qū)域，其鉆探結果都有較好的油氣顯示，說明研究的模擬結果可靠。

3 裂縫預測

3.1 巖石破裂準則及參數選擇

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折部位（參見圖1）。按照巖石力學理論，該地區(qū)的破裂以剪切破裂為主，張破裂次之，裂縫預測選擇應用庫倫—摩爾剪破裂準則。應用數值模擬方法獲得研究區(qū)二維平面內各點的應力狀態(tài)，依據構造應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R，當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，但是巖石內部可能產生微裂縫擴散；當R≥1 時，巖體所受的應力狀態(tài)已經處于或超過摩爾應力圓破裂包絡線，巖石發(fā)生破裂［24-27］，剪切破裂系數的計算如下：

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

通過數值模擬計算地應力獲得的是一個相對結果，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，巖體內部裂縫發(fā)育程度隨R值的增大而增大。

3.2 結果及分析

通過ANSYS 對瀘州地區(qū)深層頁巖儲層二維平面古構造進行應力場數值模擬，獲得了深層頁巖儲層應力場分布特征，根據庫倫—摩爾剪破裂準則，獲得瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組的破裂系數等值線，如圖5 所示，該區(qū)燕山期Ⅲ幕以壓應力為主，深層頁巖儲層的最大主應力集中分布在背斜的核部，最小主應力集中分布在斷層附近。當R＜1 時，深層頁巖裂縫發(fā)育相對弱；當R=1 時，裂縫較為發(fā)育；當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1～2 km范圍內，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—龍馬溪組破裂系數等值線Fig.5 Fracture coefficient contour map of Lower Paleozoic Wufeng-Longmaxi Formation in Luzhou area

4 石油地質意義

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，對頁巖氣藏無大的破壞作用，鉆井的垂直深度為3 890 m，測試產氣量為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測與實際鉆井巖心統(tǒng)計的裂縫數據相吻合。據此進行的瀘州地區(qū)燕山期的古構造應力場數值模擬構建的該區(qū)燕山Ⅲ幕的古構造應力場模型，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)深層頁巖儲層地質研究中發(fā)現，地應力一方面受到了裂縫主要形成期的古構造應力場的控制，應力的高值區(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測，揭示了具有高應力值的向斜區(qū)是有利的深層頁巖勘探區(qū)。

5 結論

（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力方向為NW 向，其值約為135°。

（2）采用ANSYS 有限元數值模擬方法計算瀘州地區(qū)五峰組—龍馬溪組燕山期Ⅲ幕的古構造應力場，發(fā)現其最大水平主壓應力為68～128 MPa，最小水平主壓應力為47～70 MPa，其深層頁巖儲層地應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。