鄂西荊門地區志留系龍馬溪組古構造應力場研究及裂縫預測

張斗中, 陳孔全, 湯濟廣, 庹秀松, 馬 帥

1)長江大學地球科學學院, 湖北武漢 430100; 2)長江大學非常規油氣省部共建協同創新中心, 湖北武漢 430100

古構造應力場是由古構造應力作用形成, 控制著地層的構造變形、斷層和構造裂縫的發育。由于頁巖自身特性, 構造裂縫成為了頁巖氣重要的運移通道和聚集空間(Tingary et al., 2009; Hennings et al.,2012)。研究構造裂縫對預測頁巖氣富集區, 開發過程中井位部署、開發方案的制定與調整、壓裂方案的設計等提供了科學支撐(丁文龍等, 2016; 王珂等,2017)。20世紀60年代, 國內外學者開始了對構造裂縫的研究, 至今已有60多年的歷史, 對于構造裂縫預測研究已取得了諸多成果(McLennan et al.,2009; 劉冬冬等, 2019)。如利用聲波時差、電阻率等測井資料, 計算儲層中孔隙度、裂縫開度的測井分析法; 能直接識別井下裂縫, 裂縫性質、期次和成因的成像測井技術; 通過地震資料反演手段, 獲取儲層中裂縫的屬性的地震預測技術; 基于構造解析, 構造演化, 恢復古構造應力特征, 從力學成因角度, 預測裂縫分布規律的構造應力場數值模擬(Wu et al., 2017; 任浩林等, 2020)。這幾種方法也都存在著優缺點, 測井分析技術、成像測井技術, 能很好的分析鉆井區域的裂縫屬性, 卻無法預測區內的裂縫分布; 地震預測技術則受地震資料品質的約束, 復雜構造內的裂縫預測精度大大降低; 構造應力場數值模擬技術則受制于基礎資料的品質, 但該方法以地質力學理論為基礎, 能較好的應用于裂縫發育程度評價(劉暢等, 2019)。隨著研究的深入, 發現常規儲層對構造裂縫發育特征要求并不能很好的應用于頁巖儲層中。頁巖儲層存在自生自儲的特性,巖層中的裂縫密度較大, 會使得裂縫互相連通, 易造成頁巖氣藏的逸散。而裂縫密度較小, 則儲存空間不足, 頁巖氣聚集量少。因此在頁巖中的構造裂縫需達到“破而不裂”程度, 才更有利于頁巖氣的聚集。

前人對荊門地區的研究多集中于區域上的沉積環境、構造特征、儲存特征和頁巖氣保存條件分析(陳孝紅等, 2018; 鄧銘哲等, 2018; 王濤利等, 2018;陳孔全等, 2020; 羅勝元等, 2020; 李小明等, 2022)。對區內構造應力場和構造裂縫分布沒有系統的研究。因此本文以精細構造解析為基礎, 結合巖石聲發射實驗, 利用有限元數值模擬技術, 解析構造應力場的分布特征, 基于巖石破裂準則, 分析構造裂縫的分布規律。結合開發現狀, 進一步探討頁巖中巖石破裂系數與裂縫發育區的關系。以期對中國南方頁巖氣的開發工作提供一定的理論依據。

1 地質背景

荊門地區位于中國南方中揚子地區的中北部,北接巴洪沖斷背斜帶, 南鄰宜都—峰背斜帶, 西靠黃陵隆起, 東鄰樂鄉關—潛江復背斜, 主體范圍位于當陽復向斜西翼。自印支期以來受多期、多方向構造的疊加與復合, 呈現出復雜而有序的構造面貌。研究區主體位于當陽復向斜內部, 整體處于北部秦嶺造山作用形成的弧形帶內(圖1a)。區內鉆井揭示富有機質頁巖儲層實測含氣量較高, 頁巖氣富集條件優越。其中J101井暗色泥頁巖厚60.9 m, 全烴含量最高達2.13%, 含氣量最高有1.4 m3/t; J102井褐色頁巖60 m, 含氣頁巖23.2 m, TOC平均為3.0%, 含氣量最高2.2 m3/t。勘探結果顯示, 宜昌斜坡帶區奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組處于深水-淺水陸棚相, 優質頁巖埋深適中, TOC在2.9%～3.51%之間, 熱演化程度在2.61%～2.85%之間,有機質類型穩定, 為頁巖氣成藏提供了充足的物質基礎(翟剛毅等, 2017; 柳吉榮等, 2021)。

圖1 荊門地區構造位置圖Fig.1 Structural location map of Jingmen area

當陽復向斜主體沿北北西向展布, 早期受大別山造山向西擠壓的影響, 當陽復向斜地區發育多條NNW向基底逆沖斷層, 形成逆沖背斜和后緣向斜。之后又受到秦嶺造山向南的逆沖推覆作用, 區內發育近EW向和NW向基底逆沖斷層, 晚期由于應力松弛, 通城河斷層上盤的當陽復向斜沿著斷層向下移動, 發生負反轉, 使得通城河斷層呈現為正斷層性質, 同時東部形成遠安正斷層, 在中間處形成遠安地塹(董樹文等, 2010; 徐天鑫, 2020; 王步清等,2022)。XX’地震剖面顯示, 當陽復向斜為寬緩向斜,北部向斜核部被北西向斷層——板橋—馬河斷層破壞, 南部向斜核部完整, 斷層不發育, 而翼部被斷層破壞(圖1c)。當陽復向斜地區構造變形主要受兩期構造應力場控制: 中燕山早期近東西向擠壓和中燕山晚期近南北向擠壓。其斷裂特征表明區內發育高角度基底沖斷作用(南荊斷層)、逆沖推覆-走滑作用(板橋—馬河斷層)、走滑作用(霧渡河斷層)、壓扭作用、伸展作用(遠安斷層)、構造反轉作用(通城河斷層), 形成了現今斷層展布特征。研究區位于當陽復向斜西翼, 構造上是東向西逐漸變淺的斜坡(圖1b)。

2 古構造應力場解析

在秦嶺—大別陸內造山所引起的遞進變形、多層系的差異滑脫、黃陵隆起的阻擋作用以及北西向走滑斷層的差異改造下, 荊門地區形成多構造體系的復合與聯合, 從而造成了現在的復雜構造格局。

2.1 磷灰石裂變徑跡證據

前人對當陽復向斜及周緣地區侏羅系鋯石、磷灰石裂變徑跡熱史模擬顯示: 其經歷了155～90 Ma快速抬升階段; 90～15 Ma緩慢沉降階段; 15 Ma到現今快速抬升階段(沈傳波等, 2009; 施小斌等,2013)。表明當陽復向斜構造變形開始于中燕山期,其中快速抬升對應中燕山期強烈褶皺變形, 包含了大別造山自東向西、秦嶺自北向南兩期褶皺變形,90～15 Ma對應的是晚燕山的區域拉張作用, 沉積了白堊系地層, 而15 Ma到現今快速抬升則對應喜山期青藏高原形成導致的區域隆升(圖2)。

圖2 荊門地區及周緣磷灰石裂變徑跡的熱史模擬(據沈傳波等, 2009; 施小斌等, 2013)Fig.2 Thermal history simulation of apatite fission tracks in Jingmen and its surrounding areas(from SHEN et al., 2009; SHI et al., 2013)

a—荊門地區及鄰區地質圖; b—荊門地區志留系龍馬溪組底面構造圖; c—測線X-X’地震解釋剖面(TK—白堊系底界反射層;TT3—上三疊統底界反射層; TP1—下二疊統底界反射層; TS1l—志留系龍馬溪組反射層; T—中寒武統底界反射層;T—下寒武統底界反射層)。
a-geological map of Jingmen and its adjacent areas; b-bottom structure map of Silurian Longmaxi Formation in Jingmen area;c-survey line X-X 'seismic interpretation section (TK-Cretaceous bottom reflector; TT3-Upper Triassic bottom reflector;TP1-Lower Permian bottom reflector; TS1l-Silurian Longmaxi Formation reflector; T-Lower Cambrian reflector;T-Lower Cambrian bottom reflector).

黃陵隆起花崗巖磷灰石裂變徑跡樣品模擬熱史顯示其經歷了200～155 Ma緩慢隆升階段;155～110 Ma快速抬升階段; 110～25 Ma穩定階段;25～16 MPa快速抬升階段, 16 Ma至今穩定階段。其中155～110 Ma快速抬升對應燕山期大別造山遠程撓曲造成的劇烈隆升, 25～20 Ma至今快速隆升對應喜山期青藏高原形成導致的區域隆升, 表明黃陵隆起從印支期開始持續隆升, 且其變形時間早于當陽復向斜褶皺, 因此黃陵隆起比當陽復向斜形成時間早, 對當陽復向斜自東向西的變形具有阻擋作用。

2.2 古構造應力方向

古構造應力場控制著地層的構造形態, 因此一般可通過斷層走向、褶皺走向、節理、片理等恢復古構造應力方向(蘇金寶等, 2013; 陳鵬等, 2015)。為探討宜昌地區的構造演化過程及確定主要構造變形時期, 需對區內節理進行古構造應力方向恢復,并與構造演化時序相匹配, 解析鄂西宜昌斜坡地區構造演化特征及動力學機制, 為古構造應力場模擬提供可靠依據。

野外觀察節理面特征、充填情況及交切關系, 可以看出NNE、NEE、NNW、NE向節理面平直, 部分節理縫被方解石脈充填。野外觀察結果可判斷出NNE向和NEE向兩組節理組成了一組X型共軛剪節理, NNW向和NE向節理組成一組共軛剪節理(圖3)。

圖3 荊門地區及周緣野外共軛剪節理露頭照片Fig.3 Outcrop photos of conjugate shear joints in Jingmen area and its surrounding areas

通過對區域內一定數量的共軛剪節理統計與分析, 可確定該區域內的古構造應力方向。在研究區進行了野外地質調查, 共實測了173組節理數據,對節理數據進行地層復平后, 利用公式計算, 得出每組共軛剪節理的最大主應力方向(σ1)(圖4a)。研究區東西兩側比較, 共軛剪節理裂縫密度變化為中間二疊系地層裂縫密度明顯要比東西兩側地層發現的節理密度大; 其裂縫密度整體上由北向南逐漸減小。由此可知, 研究區的應力作用自南向北逐漸變小。恢復出各實測點裂縫形成時期的最大主應力方向(σ1)進行統計, 結果如下:

圖4 荊門地區及周緣地區共軛剪節理數據處理Fig.4 Data processing of conjugate shear joints in Jingmen area and its surrounding areas

以白堊系地層(燕山運動結束)為界限, 對研究區南部、北部以及整體的兩期裂縫密度占比進行統計。發現研究區內白堊系之前(燕山期)的地層裂縫密度約占整體數量的90%～93%; 白堊系之后(喜山期)的地層裂縫數量約占整體數量的7%～10%。可以看出, 研究區內的裂縫主要形成時間為燕山期。結合地震資料, 恢復構造演化過程可知, 區內裂縫主要形成于中燕山期(圖4b)。通過恢復節理形成時期最大主應力方向統計得知, 中燕山早期形成的北西—南東向裂縫占比較小, 只占中燕山期形成裂縫數量的20%～26%; 而中燕山晚期形成的派生走滑裂縫數量較大, 占74%～80%(圖4c)。

統計分析后得知, 最大主應力(σ1)有多期顯示,表明了研究區內自中生代以來經歷了多期構造活動,且構造應力作用方向差異較大。主要為: ①NE向(70°±10°)的擠壓應力作用; ②近SN向(0°±10°)的扭壓應力作用最為明顯。

1)NE-SW向擠壓應力場: 是大別山造山作用產生的向西擠壓應力, 在擠壓應力的作用下形成NE向與SW向相切而成的共軛剪節理, 最大主應力方向(δ1)為70°(±10°)。

2)近SN向擠壓應力場: 是秦嶺造山運動所帶來的近南北向推擠過程中, 加上同時受西側黃陵隆起阻擋產生的側向擠壓作用, 在研究區形成沿板橋—馬河斷層斜向推覆的逆沖-走滑構造, 在荊門地區形成近NNW向與NNE向的共軛節理最大主應力方向(δ1)為0°(±10°)。

2.3 古構造應力大小分期配套

如今測定古構造應力大小主要通過兩種方法,一種是利用淺側向電阻率曲線進行計算, 另一種則是通過巖石聲發射實驗, 利用巖石對構造應力的記憶, 通過聲發射實驗反應先前應力狀態, 獲取古構造應力數據(Kuhlman et al., 1993), 即Kaiser效應。本文主要是通過巖石聲發射實驗, 通過實驗曲線出現的Kaiser點, 判斷并獲取古構造應力大小及期次數據, 結合構造演化時序, 對實驗結果與區內構造運動時期進行配套處理(表1)。

表1 荊門地區巖石聲發射實驗數據與分期配套Table 1 Acoustic emission test data and staging of rocks in Jingmen area

志留系(A-6: S1ln)和三疊系樣品(A-4: T2b3; A-5:T1dy2)數據結果共出現5個Kaiser效應點, 揭示了研究區自中生代(三疊系)以來主要經歷了5期的構造應力作用。結合對荊門及周緣地區年代學和古構造應力方向的研究, 表明區內的主要構造變形期為中燕山晚期, 其次為中燕山早期。所以巖石樣品記錄的第二大構造應力值為中燕山早期的構造應力, 最大構造應力值為中燕山晚期的構造應力。晚燕山期,隨著秦嶺造山向南推覆作用的減弱, 該時期的構造應力在中燕山晚期基礎之上逐漸減小。喜山期, 區內以地層隆升剝蝕作用為主, 局部發育少量剪節理縫。侏羅系中煤組地層(A-3: J1Xn2a)形成于中燕山時期, 導致樣品只能記錄中燕山期及之后的4期構造活動, 證明志留系(A-6)和三疊系樣品(A-4、A-5)多記錄的一期構造活動為早燕山期構造活動, 早燕山期研究區剛受到大別山造山向西的擠壓作用, 地層未發生形變, 所受構造應力最小。白堊系羅靜灘組地層(A-2: K2l)形成于晚燕山期, 該層系樣品的實驗結果, 則對應了晚燕山期和喜山期2期構造活動。第三系走馬嶺群組地層(A-1: Ezm)形成于喜山運動早期, 該層系樣品記錄了喜山期的構造活動(表1)。

綜上所述, 中燕山早期(早侏羅世), 荊門地區受大巴山北東—南西向的逆沖推覆擠壓運動, 整體大幅度抬升, 構造變形強烈, 該時期構造應力方向為70°(±10°), 最大主應力大小為108.74～149.41 MPa,最小主應力為50.79～133.43 MPa; 中燕山晚期, 荊門地區受近南北向和近東西向應力的聯合擠壓運動,形成走滑應力場, 產生北東向和北西向“X”型共軛剪破裂縫, 此時期構造變形強烈, 構造變形程度是中新生代以來最強的一次, 其構造應力值也最大,該時期構造應力方向為0°(±10°), 最大主應力大小為156.05～183.64 MPa, 最小主應力大小為63.55～147.99 MPa。喜山期, 印度板塊向歐亞板塊俯沖, 產生了強烈的擠壓應力, 表現為強烈隆升剝蝕,其構造應力值大, 但在荊門地區構造變形程度較弱,主要表現為地層的隆升剝蝕。

2.4 古斷裂演化

結合林灘場及周緣地區的地層接觸情況、年代學資料、多期節理構造特征和巖石聲發射結果, 恢復荊門地區志留系龍馬溪組古斷裂演化過程。荊門地區斷裂構造控制了構造變形的形成與發展, 本區斷裂構造具有明顯的多期性和繼承性等。斷裂活動包括早燕山早期的擠壓應力作用, 中燕山晚期的走滑應力的作用, 斷層數量多, 因走滑應力作用形成的壓性逆斷層為主。斷層走向以北西—南東向為主,局部發育北東—南西向和近東西向(圖5)。

圖5 荊門地區龍馬溪組底界古斷裂演化圖Fig.5 Paleofaulting evolution of the bottom boundary of Longmaxi Formation in Jingmen area

3 古構造應力場數值模擬

通過分析研究區的古構造應力場特征, 確定關鍵構造變革時期及對應時期的古構造應力方向和大小。結合地震資料和分析測試資料, 建立合理的地質模型、數學模型、力學模型, 利用ANSYS軟件,開展構造應力場數值模擬, 研究古構造應力場分布特征。

3.1 地質模型

3.2 力學模型

在地質模型的基礎之上, 賦予地質單元相關巖石力學參數(楊氏模量、泊松比), 可將其轉換為力學模型。本研究中的巖石力學參數的獲取, 主要是基于地震反演數據, 利用公式計算得出楊氏模量和泊松比(邢力仁等, 2018)。研究表明, 靜態的楊氏模量和泊松比更為接近地下的地層的實際情況, 準確度更高, 是應力場及儲層裂縫數值模擬所用巖石力學參數的主要依據。需將楊氏模量和泊松比數據進行動靜態轉換, 能夠有效的提高模擬結果的準確度。因此對目的層巖芯取樣, 進行三軸力學實驗, 獲取靜態巖石力學參數(王珂等, 2014)。并與地震反演數據獲取的巖石力學參數數據擬合, 獲取動靜態參數轉換公式(公式1、2), 公式如下:

式中:Es為靜態楊氏模量(GPa);Ed為動態楊氏模量(GPa);μs為靜態泊松比;μd為動態泊松比。

由于區內靜態楊氏模量和泊松比分布差異較大(圖6), 所以根據巖石力學參數的分布趨勢, 劃分出不同的力學單元, 計算出不同區域的巖石楊氏模量和等效泊松比平均值(表2)。斷層區域的巖石力學參數要依據斷層規模進行區別賦值, 楊氏模量一般選取圍巖的50%～70%; 斷層區域的泊松比則比正常沉積區的泊松比大一些, 通常情況下兩者差值在0.02～0.1之間, 緩沖區域的數值選取一般為研究區(除斷層區域)的楊氏模量和泊松比的平均值(李國慶等, 2021)。黃陵隆起核部為前震旦系結晶基底,核部出露巖性為混合花崗巖, 因此該區域的巖石力學參數參考花崗巖巖石力學參數(吳星輝, 2022)。不同地質單元的巖石力學參數確定之后, 對地質單元賦予對應巖石力學參數, 建立力學模型。

表2 荊門地區巖石力學模型屬性表Table 2 Mechanical model attribute table of Lintan field in eastern Sichuan

圖6 荊門地區巖石力學分布圖Fig.6 Rock mechanics distribution in Jingmen area

3.3 邊界條件

邊界條件主要是以區域構造應力背景為基礎,結合巖石聲發射實驗和野外實測應力數據來確定,主要包括施加的古構造應力大小和方向。基于對宜昌斜坡區古構造應力場的解析, 經過多次模擬反演得出: 中燕山期早期施加的邊界條件: 從70°方向施加135 Ma的最大主應力, 從160°方向施加95 MPa的最小主應力; 中燕山期晚期施加的邊界條件: 從0°方向施加158 Ma的最大主應力, 從90°方向施加117 MPa的最小主應力, 并約束邊界, 模擬結果與實際結果擬合度最高。此次網格劃分采取三角形網格, 中燕山期模型共計劃分出19 689個節點, 39 278個單元, 晚燕山期模型共計劃分出20 590個節點, 41 057個單元(圖7)。

圖7 荊門地區加載邊界條件示意圖Fig.7 Schematic of loading boundary conditions in Jingmen area

3.4 數值模擬結果擬合

與巖石聲發射實驗數據結果對比, 兩期模擬結果的最大主應力和最小主應力與實測值偏差率大部分都在10%以下, 最大偏差值為5.54 MPa; 差應力的偏差率也基本在10%以下, 偏差值最大為6.13 MPa, 在允許的偏差范圍之內。綜合分析后認為, 數值模擬結果基本符合實際地質規律(表3)。

表3 數值模擬結果擬合Table 3 Fitting of numerical simulation results

3.5 古構造應力場分布規律

1)中燕山早期

最大水平主應力模擬結果顯示(圖8a), 中燕山早期荊門地區志留系龍馬溪組頁巖最大主應力集中分布在117.72～144.6 MPa之間, 從北東往南西方向應力值逐漸減小, 整體上應力值變化范圍較小, 約為20 MPa。整體上與深度具有一定的相關性, 應力等值線形成了北西—南東走向的條帶狀分布。此外,該低值帶應力梯度與斷層強度密切相關, 斷層強度越大, 最大主應力應力梯度越大, 并且在該斷裂末端及轉折部位, 應力場富集形成應力高值區。區內東北部區域的應力值較高, 大小在134.43～141.21 MPa之間; 西南部區域的應力值較小, 大小在120.3～134.43 MPa之間。

圖8 古構造應力場數值模擬結果Fig.8 Numerical simulation results of paleotectonic stress field

最小水平主應力模擬結果顯示(圖8b), 中燕山早期荊門地區志留系龍馬溪組頁巖最小主應力集中于84.19～117.73 MPa之間。與最大水平主應力分布影響因素相同, 最小水平主應力的分布也受斷層和深度控制。在研究區南部區域應力值相對較大; 北部區域應力值相對較小。斷層區域為應力低值區,但在斷裂末端形成應力高值區。

1384年，世界上第一份具有現代意義的保險單在意大利誕生，這份保險單承保的是，一批貨物從法國南部的阿爾茲運到意大利的比薩。在這張保單中，有明確的保險標的、明確的保險責任等內容。世界上最早成立的證券交易所是荷蘭阿姆斯特丹證券交易所，創立于1602年。

2)中燕山晚期

荊門地區中燕山晚期受到秦嶺造山為主, 產生的向南擠壓應力作用和相對較弱的大巴山造山所帶來的向西方向擠壓的聯合作用, 區內主要發育北北西向和北東向展布的斷層。

最大水平主應力模擬結果顯示(圖8c), 中燕山晚期荊門地區志留系龍馬溪組頁巖最大主應力集中分布在123.81～176.77 MPa之間, 從北西往南東方向應力值逐漸增大。整體上與深度具有一定的相關性, 應力等值線形成了北東—南西走向的條帶狀分布。此外, 該低值帶應力梯度與斷層強度密切相關,斷層強度越大, 最大主應力應力梯度越大, 并且在該斷裂末端及轉折部位, 應力場富集形成應力高值區。區內北西區域應力值較低, 大小在137.05～152.29 MPa之間; 南東部分應力值較大, 大小在159.33～173.64 MPa之間。

最小水平主應力模擬結果顯示(圖8d), 中燕山晚期荊門地區志留系龍馬溪組頁巖最小主應力集中于93.39～147.89 MPa。與最大水平主應力分布影響因素相同, 最小水平主應力的分布也受斷層和深度控制。在研究區南部區域應力值相對較大; 北部區應力值相對較小。斷層區域為應力低值區, 但在斷裂末端形成應力高值區。

4 構造裂縫分布預測

本文主要通過構造應力場反演法預測儲層裂縫, 一般情況下, 可以認為天然裂縫是由構造應力產生的, 構造裂縫的形成取決于關鍵構造變形期的應力作用, 因此可利用構造應力場反演結果預測裂縫發育區。

4.1 構造裂縫發育特征

為更好的解析區內構造裂縫發育特征, 在對野外節理縫數據進行統計分析的基礎之上, 同時也對取芯井的裂縫進行觀察和統計。

YT2井是荊門地區東南部的一口鉆井, 巖芯觀察段長度為51.2 m, 巖性為黑色頁巖, 筆石發育,部分裂縫被方解石填充, 可見滑脫鏡面, 階步和擦痕, 以及小型滑塌構造(圖9a, b, c)。觀察段高角度縫發育, 共計71條, 均被方解石充填。

圖9 荊門地區巖心裂縫照片Fig.9 Core fracture photos in Jingmen area

YT3井是荊門地區北部的一口鉆井, 巖心觀察段長度為104.46 m, 巖性為灰黑色頁巖, 筆石發育,部分裂縫被方解石填充, 可見滑脫鏡面, 階步和擦痕(圖9d, e, f)。觀察段高角度縫較為發育, 共計31條, 均被方解石充填。

4.2 構造裂縫的預測原理

荊門地區志留系龍馬溪組地層的構造形態均在擠壓應力作用下形成, 因此本文基于莫爾-摩爾庫倫準則理論開展構造裂縫的預測。莫爾-摩爾庫倫準則理論的基礎是: 巖石的破裂主要是某一面上的剪切破壞, 這種剪切破壞與該面上的正應力σn和剪應力τn的相對狀態有關。判斷巖石在應力的作用下是否發生剪破裂往往采用摩爾-庫倫破裂準則, 其數學表達式為(Woodward, 1992; 鄔忠虎, 2017):

式中, │τ│為剪切面上的抗剪強度,C為黏聚力,φ是巖石內摩擦角,σn為剪切面上正應力, 其中C和φ均可以通過實驗測定。

為了定量預測儲層中剪裂縫發育程度, 引入剪破裂系數S, 表達式為:

式中:S為剪破裂系數;τn為剪切應力, MPa;τ為巖石的抗剪強度, MPa。

為了可以更加清晰表達剪破裂系數S, 轉換公式:

根據巖石力學原理, 當S＜1時, 巖石內部不會形成明顯的裂縫, 但隨著巖石所受應力的逐漸增大,接近S=1時, 巖石內部會逐漸產生細微的裂縫; 當S＞1時, 巖石所受的應力狀態已超過Mohr-coulomb應力圓的破裂包絡, 巖石內部的細微裂縫會隨之延展, 并互相連通, 形成大裂縫, 巖石破裂。

4.3 構造裂縫分布

(1)構造裂縫方向

古構造應力場控制著構造裂縫的發育, 同理構造應力方向決定了構造裂縫的發育方向。荊門地區的構造裂縫發育主要受控于中燕山早期和中燕山晚期構造應力, 其中以中燕山晚期形成的裂縫為主,中燕山早期次之。中燕山晚期構造應力方向為0°(±10°), 晚燕山期構造應力方向為70°(±10°)。區內發育構造裂縫方向以NNW向和NE向兩組共軛剪節理為主, NNE向和NEE向兩組共軛剪節理為輔。

(2)構造裂縫分布預測

由于巖石的破裂過程是不可逆的, 因此綜合破裂系數的獲取, 是將兩期的破裂系數進行疊加, 同區域內選取兩期中破裂系數最大值作為綜合破裂系數評價參數。巖石在發生破裂的過程中, 是從彈性形變階段再到塑性形變階段, 然后發生巖石破裂。但根據巖石力學實驗可知, 巖石的破裂過程中, 在巖石所受應力值達到一定程度后, 巖石中會出現尺度較小的微裂縫, 隨著應力的逐漸增大, 巖石內微裂縫的密度逐漸增大, 并逐漸連通形成較大的裂縫,當達到巖石破裂極限時, 出現貫穿性裂縫。因此巖石中裂縫是隨著壓力的增大逐漸變大的(圖10)。

圖10 構造裂縫發育階段模式圖Fig.10 Model diagram of structural fracture development stage

區內測井及巖心測試數據顯示, YT1井志留系龍馬溪組底部的平均有效孔隙度為4.3%, YT2井的平均有效孔隙度為4.7%, YT3井的平均有效孔隙度為3.8%。與YT1井預測綜合破裂系數為0.91, YT2井預測綜合破裂系數為0.99, YT3井預測綜合破裂系數為0.88, 具有較好的對應關系。結合野外和巖心的裂縫觀測結果, 證明了預測結果符合實際地質情況。對于常規油氣藏, 蓋層的存在, 使儲層中巖石破裂會更好的帶來儲存空間。但對于自生自儲的頁巖儲層來說, 裂縫密度較大則不利于頁巖氣的儲存, 易造成頁巖氣逸散。因此, 頁巖儲層相比較于常規儲層, 對破裂系數的選取范圍要相對降低。本文結合巖石物理實驗和測井數據, 重新劃分了荊門地區頁巖儲層中優勢裂縫發育等級與破裂系數范圍的對應關系(武旭等, 2020), 剪破裂系數S與裂縫發育情況如表4所示。

表4 宜昌當陽地區志留系龍馬溪組裂縫發育區評價表Table 4 Evaluation table of Silurian Longmaxi Formation fracture development area in Dangyang area, Yichang

裂縫預測結果顯示, 綜合破裂系數主要分布在0.7～1.48之間, 分布趨勢受斷層和埋深的影響較大。Ⅰ級裂縫發育區在區域內的分布較為廣泛, 主要分布于研究區中部和YT3井周緣。Ⅱ級裂縫發育區主要分布于距離斷裂帶0.5～2 km的區域, 并沿著斷裂帶展布。Ⅲ級裂縫發育區主要分布于斷層周緣區域以及研究區最北部, 破裂系數最高值位于斷裂帶區域, 該區域綜合破裂系數均在1.2以上, 且斷層的端點及拐點處的Ⅲ級裂縫發育區的范圍要大于斷層的其他區域, 主要是該區域內出現應力集中現象所導致。破裂系數低于0.85為裂縫不發育區, 主要分布于研究區南部, 該區域的地層埋深較大, 區內裂縫不發育(圖11)。

圖11 荊門地區破裂系數分布預測圖Fig.11 Prediction of rupture coefficient distribution in Jingmen area

5 討論

后期應力場對于裂縫系統的影響是通過后期應力(大小、方向)與古構造裂縫(走向、性質)的耦合關系, 控制著古構造裂縫的開啟度, 從而影響油氣的聚集和保存。但古構造裂縫的發育程度, 不僅影響著油氣儲集空間, 同樣在不同的發育階段對頁巖氣保存的影響也有著較大的差距。當古構造裂縫發育程度在微裂縫時期(Ⅰ級裂縫發育區), 裂縫間不連通, 保存條件好, 后期應力對其開啟程度(即儲集空間)影響較大, 但對保存情況無影響。當古構造裂縫發育程度在部分裂縫連通階段(Ⅱ級裂縫發育區),裂縫間連通性較差, 油氣不易逸散, 保存條件較好,后期應力對保存情況影響較小。當裂縫發育程度在貫穿性裂縫時期(Ⅲ級裂縫發育區), 裂縫間連通性較好, 油氣的逸散程度與裂縫的開啟度關系較大,即油氣保存情況受后期應力(大小、方向)的影響較大。研究結果表明, 區內裂縫發育區以Ⅰ級、Ⅱ級裂縫發育區為主, Ⅲ級裂縫發育區主要分布于斷層區域和研究區北部, 分布范圍較小。因此后期應力對研究區內的頁巖氣保存條件的影響相對較弱。

6 結論

(1)荊門地區裂縫發育主要受中燕山期兩期擠壓變形應力場控制, 野外實測點裂縫方向分期統計結果表明, 其裂縫數量整體上由北向南逐漸減小。白堊系之前(燕山期)的地層裂縫數量約占整體數量的90%～93%, 白堊系之后(喜山期)的地層裂縫數量約占整體數量的7%～10%。其中中燕山早期形成的裂縫數量占比較小, 只占中燕山期形成裂縫數量的20%～26%; 而中燕山晚期形成的派生走滑裂縫數量較大, 約占74%～80%, 表明研究區內的裂縫以中燕山晚期形成NNW向和NE向兩組共軛剪節理為主,中燕山早期形成NNE向和NEE向兩組共軛剪節理為輔。

(2)通過區域構造形變, 結合野外觀測和測井資料上的裂縫特征認為研究區受兩期古構造應力場影響, 其方向為70°(±10°)、0°(±10°), 同時基于巖石聲發射實驗進行分期配套確認區域構造應力分別為135 MPa、158 MPa。研究表明構造應力主要與埋深、斷層和構造部位有關, 其中中燕山早期最大水平主應力分布在117.72～144.6 MPa, 最小水平主應力分布在84.19～117.73 MPa之間。晚燕山期最大水平主應力分布在123.81～176.77 MPa之間, 最小水平主應力分布在93.39～147.89 MPa之間。

(3)研究區高角度縫為擠壓應力作用下形成的剪裂縫, 其發育程度與巖石力學性質、構造應力、斷層等多種因素密切相關。區內志留系龍馬溪組Ⅲ級裂縫發育區主要分布于斷裂帶區域以及研究區最北部, 且斷層的端點及拐點處的Ⅲ級裂縫發育區的范圍要大于斷層的其他區域, 主要是該區域內出現應力集中現象所導致; Ⅱ級裂縫發育區主要分布于斷層周游及北部地區; Ⅰ級裂縫發育區主要分布于研究區中部, 為“破而不裂”的構造縫發育區, 適合頁巖氣的儲存。

Acknowledgements:

This study was supported by Sinopec (No.P21087-6).