唐 永，梅廉夫，陳友智，唐文軍，肖安成

(1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系，杭州310027;2.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢430074;3.中國石油新疆油田公司彩南作業(yè)區(qū)，新疆 阜康831511)

川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場對裂縫的控制

唐 永1，2，梅廉夫2，陳友智1，唐文軍3，肖安成1

(1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系，杭州310027;2.中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢430074;3.中國石油新疆油田公司彩南作業(yè)區(qū)，新疆 阜康831511)

川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)晚白堊世受到南東方向的擠壓作用，始新世晚期—漸新世早期受到北東方向的擠壓作用，兩期構(gòu)造活動導(dǎo)致宣漢—達(dá)縣地區(qū)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖中形成構(gòu)造裂縫，對油氣藏開發(fā)產(chǎn)生較大的影響。在考慮巖層與巖層之間相互影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合共軛節(jié)理和機(jī)械雙晶的分析結(jié)果，利用三維有限元分析技術(shù)，計算宣漢—達(dá)縣地區(qū)飛仙關(guān)組古構(gòu)造應(yīng)力大小，獲得了兩期古構(gòu)造應(yīng)力場的分布特征。通過巖石破裂閾值的限定，對普光、毛壩區(qū)塊構(gòu)造裂縫 (張裂縫和剪裂縫)的發(fā)育區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，依據(jù)綜合破裂率對巖層破裂強(qiáng)度進(jìn)行評價，為提高裂縫鉆遇率，降低勘探開發(fā)風(fēng)險提供了科學(xué)的地質(zhì)依據(jù)。

構(gòu)造應(yīng)力場;三維有限元;飛仙關(guān)組;構(gòu)造裂縫;宣漢—達(dá)縣地區(qū)

1 研究區(qū)概況

川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)位于四川盆地東北部，屬于上揚子地臺的一部分，處于大巴山前緣構(gòu)造帶和川東斷褶帶的交匯部位 (見圖1)。正是處于這一特殊位置，川東北區(qū)域一直備受石油地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注，特別是川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)普光氣田的發(fā)現(xiàn)［1］，使川東北地區(qū)的油氣地質(zhì)研究得到加強(qiáng)，并取得了較為豐碩的成果。倪新鋒等［2］分析研究了川東北地區(qū)長興組—飛仙關(guān)組沉積期沉積展布及其演化;鄭榮才等［3］從層序地層學(xué)的角度入手，對飛仙關(guān)組層序地層學(xué)特征進(jìn)行了研究，并依次對飛仙關(guān)組儲集性能進(jìn)行了評價;李淑榮等［4］應(yīng)用常規(guī)測井和成像測井，結(jié)合巖心分析測試資料，識別出嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組巖性較純的孔洞型和裂縫-孔洞型儲集層;武麗等［5］針對該區(qū)域構(gòu)造活動強(qiáng)烈、地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等特點，分析測井響應(yīng)特征和地震響應(yīng)特征，建立了宣漢—達(dá)縣地區(qū)飛仙關(guān)組儲集層正演模型，對該區(qū)域儲集層進(jìn)行了預(yù)測和評價;秦建中等［6］應(yīng)用地層溫度、流體包裹體、儲集層瀝青鏡下觀測、Ro等分析資料，結(jié)合四川盆地沉積、構(gòu)造演化特點以及川東北地區(qū)烴源巖的埋藏史、熱演化史和成熟史，對川東北地區(qū)海相烴源巖多元動態(tài)生烴成藏過程進(jìn)行細(xì)致解剖;唐大卿等［7］在綜合分析區(qū)域構(gòu)造演化的基礎(chǔ)上，剖析普光和毛壩場氣藏的綜合特征，分析不同時期、不同應(yīng)力場下宣漢—達(dá)縣地區(qū)構(gòu)造圈閉的形成與后期疊加改造。這些研究主要集中在宣漢—達(dá)縣地區(qū)油氣藏形成條件的論述上，較少有人關(guān)注不同構(gòu)造帶交匯部位的多期構(gòu)造疊加對研究區(qū)飛仙關(guān)組裂縫形成的影響。本文嘗試定量分析宣漢—達(dá)縣地區(qū)的三維構(gòu)造應(yīng)力場，并以此來評價構(gòu)造應(yīng)力對宣漢—達(dá)縣地區(qū)下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組裂縫的控制作用，進(jìn)而指導(dǎo)宣漢—達(dá)縣地區(qū)氣藏的開發(fā)。

圖1 川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造示意圖Fig.1 The schematic diagram on Xuanhan-Daxian region，Northeastern Sichuan Basin

2 川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)構(gòu)造特征

川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)位于川東斷褶帶與大巴山前緣構(gòu)造帶的交匯部位，其構(gòu)造演化主要與川東斷褶帶和大巴山前緣構(gòu)造帶向四川盆地逐漸擴(kuò)展有較為密切的關(guān)系［8］。川東斷褶帶西起華鎣山斷裂，東至齊岳山斷裂，分東南和西北兩段。東南段從齊岳山到七里峽南，為川東弧形構(gòu)造，與北部的大巴山前緣構(gòu)造帶對突，形成向西開口的收斂雙弧構(gòu)造;西北段從七里峽到華鎣山，為川東斷褶帶向北西的擴(kuò)展延續(xù)，其北東直接正交于北部的大巴山前緣構(gòu)造帶［9～10］。江南隆起中生代以來的陸內(nèi)造山作用是川東斷褶帶向北西擴(kuò)展的主動力［11］。大巴山構(gòu)造帶位于安康斷裂帶和鐵溪—巫溪隱伏斷裂帶之間［12］，依據(jù)城口斷裂、鎮(zhèn)巴斷裂和雞鳴寺斷裂，可將大巴山構(gòu)造帶自北向南分成北帶 (北大巴山推覆構(gòu)造帶)、中帶 (南大巴山?jīng)_斷帶)和南帶 (南大巴山推覆前緣褶皺帶)［13］。大巴山構(gòu)造帶向南西方向擴(kuò)展的動力來源于秦嶺碰撞造山后期揚子板塊北緣A型俯沖提供的向南的擠壓應(yīng)力［14］。

晚侏羅世—早白堊世，川東和大巴山地區(qū)均發(fā)生了強(qiáng)烈擠壓作用。來自江南-雪峰南東方向和大巴山北東方向的擠壓作用使得川東斷褶構(gòu)造帶和大巴山前緣構(gòu)造帶在交匯部位發(fā)生構(gòu)造干擾與復(fù)合［15］，南東和北東方向的擠壓作用還未影響到宣漢—達(dá)縣地區(qū)。晚白堊世大巴山構(gòu)造帶處于平靜階段，而江南-雪峰構(gòu)造帶的活動持續(xù)加強(qiáng)，遞進(jìn)變形影響到宣漢—達(dá)縣地區(qū)，形成一系列北東向構(gòu)造。始新世晚期—漸新世早期，江南-雪峰構(gòu)造趨于平靜，大巴山構(gòu)造帶重新“活化”，將其構(gòu)造活動影響范圍擴(kuò)展到宣漢—達(dá)縣地區(qū)，形成一系列北西向構(gòu)造，并對早期北東向構(gòu)造疊加、改造［10，16］。宣漢—達(dá)縣地區(qū)野外構(gòu)造形跡的交切、限制等復(fù)合關(guān)系也證明了北西向構(gòu)造晚于北東向構(gòu)造發(fā)育［17］。因此本次研究認(rèn)為:由于晚白堊世江南-雪峰構(gòu)造帶自南東向北西擴(kuò)展，宣漢—達(dá)縣地區(qū)受到來自南東向的擠壓作用;始新世晚期—漸新世早期宣漢—達(dá)縣地區(qū)則受到大巴山構(gòu)造帶自北東向南西的擠壓作用 (見圖2)。

圖2 大巴山構(gòu)造帶與江南-雪峰構(gòu)造帶活動時序［16］Fig.2 Ages of evolutionary characteristics in Daba Mountain and Jiangnan-Xuefeng tectonic zones

宣漢—達(dá)縣地區(qū)各個層段厚度及巖石物理性質(zhì)等方面存在差異，它們在構(gòu)造作用下表現(xiàn)出不同的形變特征。根據(jù)構(gòu)造分異特征，在縱向上構(gòu)造層又可分為上形變層、主滑脫層Ⅰ、中形變層、主滑脫層Ⅱ、下形變層 (見圖3)。

圖3 川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)構(gòu)造層 (NM-00-44)Fig.3 Structural layeres in Xuanhan-Daxian region，Northeastern Sichuan Basin

上形變層是指中三疊統(tǒng)雷口坡組向上到地表的巖層;滑脫層Ⅰ由雷口坡組至嘉陵江組四段的膏鹽巖組成，上形變層所發(fā)育的斷層向下中止于滑脫層Ⅰ，中形變層所發(fā)育的斷層向上也消失于滑脫層Ⅰ;中形變層由下三疊統(tǒng)嘉陵江組四段到寒武系中部，該層脆性強(qiáng)，產(chǎn)生大量的斷裂和褶皺，成為構(gòu)造最復(fù)雜、圈閉最發(fā)育的地帶;滑脫層Ⅱ主體為寒武系筇竹寺組頁巖，為一平緩帶，中形變層所發(fā)育的斷層向下基本在該層中消失;下形變層從寒武系底部到基底頂面，該形變層構(gòu)造起伏較小，且向下逐漸變緩，褶皺及斷裂均不發(fā)育。

下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組位于中形變層，主要由分水嶺西和彭家壩斷層所夾持的分水嶺-鐵山構(gòu)造帶、毛壩場西和毛壩場東斷層所夾持的毛壩場-雙廟場構(gòu)造帶、雷音鋪西和雷音鋪東斷層所夾持的土主-雷音鋪構(gòu)造帶、東岳寨西和東岳寨東斷層所夾持的東岳寨-雙石廟構(gòu)造帶以及清溪場構(gòu)造帶和宣漢構(gòu)造帶組成 (見圖4)。

圖4 宣漢—達(dá)縣地區(qū)數(shù)值模擬區(qū)域Fig.4 The numerical calculation domain for Xuanhan-Daxian region

3 構(gòu)造應(yīng)力場模擬

構(gòu)造應(yīng)力場的數(shù)值模擬主要應(yīng)用有限元方法，分析構(gòu)造應(yīng)力場的展布狀況。已有的利用有限元方法解決石油地質(zhì)問題的研究［18～19］，主要集中在以下3個方面:①通過應(yīng)力場分析流體勢，研究構(gòu)造應(yīng)力場與油氣運移之間的關(guān)系［20～22］;②構(gòu)造應(yīng)力場與巖石破裂準(zhǔn)則相結(jié)合預(yù)測斷裂的發(fā)育［23～24］;③構(gòu)造應(yīng)力場與流體滲流場耦合分析 (流固耦合)，討論構(gòu)造應(yīng)力場對流體運移的貢獻(xiàn)［25～26］。但這些研究多是基于二維分析或者用一系列平面和剖面代替三維分析，真正意義上的三維有限元數(shù)值模擬較少，很少考慮不同力學(xué)層之間應(yīng)力場的相互影響。本文將從三維構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬著手，將整個研究區(qū)的沉積蓋層納入數(shù)值模擬范疇，全面分析宣漢—達(dá)縣地區(qū)燕山晚期和喜馬拉雅期飛仙關(guān)組構(gòu)造應(yīng)力大小及分布，進(jìn)而深入探討不同期次構(gòu)造活動對飛仙關(guān)組裂縫發(fā)育的控制。

3.1 幾何模型

3.1.1 目標(biāo)選擇

三維有限元分析能夠考慮層面形態(tài)及各層不同巖石物理屬性受力差異之間的相互影響［27］。本次研究充分考慮川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)各個變形層和滑脫層之間相互影響，建立基于研究區(qū)域的三維有限單元模型。研究區(qū)燕山晚期、喜馬拉雅期分別受到南東和北東方向的擠壓作用。為了使模型受力狀態(tài)更接近實際，將整個研究區(qū)的模擬對象設(shè)計為北東向矩形體。模型短邊為36.7 km，長邊為49.4 km，面積1812.8 km2，垂向各個研究層面為各自地震解釋的實際深度 (見圖4)。

3.1.2 垂向目的層段的粗化與歸并

宣漢—達(dá)縣地區(qū)整個沉積蓋層較厚，且原始的沉積環(huán)境及在成巖過程中所經(jīng)歷的物理化學(xué)作用較為復(fù)雜，致使垂向上發(fā)育的巖石類型變化較為頻繁。為了提高計算速度和模擬結(jié)果的精度，本文綜合考慮巖性特征及層面資料限制，將整個模擬層進(jìn)行粗化合并，結(jié)果如表1。

表1 研究區(qū)力學(xué)層劃分Table 1 Mechanical layers division about study area

由地表至變質(zhì)巖基底將研究區(qū)大致劃分出8個力學(xué)層:C1層為棕紅色泥巖與紫灰色巖屑長石砂巖夾有薄層黑色頁巖，包含下白堊統(tǒng)蒼溪組—中侏羅統(tǒng)千佛崖組;C2層為灰黑色泥頁巖夾巖屑砂巖，由中侏羅統(tǒng)千佛崖組底—上三疊統(tǒng)須家河組底面;C3層以灰白色膏巖為主，含少量的灰色云巖，自上三疊統(tǒng)須家河組底面—下三疊統(tǒng)嘉陵江組四段底面;C4層大套的砂屑、粒屑、鮞?；?guī)r十分明顯，底部可見生物灰?guī)r中含有燧石層和硅質(zhì)巖，平均厚度約1600 m，主要由下三疊統(tǒng)嘉陵江組四段底面—上二疊統(tǒng)底面之間地層構(gòu)成;C5層由深灰色微晶灰?guī)r夾硅質(zhì)巖和結(jié)核組合而成，主要為下二疊統(tǒng);C6層攬括了二疊系底面—奧陶系底面間所有地層，結(jié)晶灰?guī)r為主;C7層由平均厚度300 m左右的灰色、深灰色頁巖構(gòu)成，主要為寒武系;C8層包含自寒武系底至基底頂所有巖層。

3.2 物理模型

3.2.1 材料屬性的確定

幾何模型僅僅展示了研究區(qū)地層格架的空間形態(tài)，真正能夠參與計算的是物理結(jié)構(gòu)模型。本文模擬的對象為整個宣漢—達(dá)縣地區(qū)基底頂面—地表沉積蓋層，其各層段巖石力學(xué)參數(shù)根據(jù)野外采集露頭巖樣，在實驗室進(jìn)行三軸巖石測試所獲得 (見表2)。

表2 宣漢—達(dá)縣地區(qū)各個力學(xué)層力學(xué)物理參數(shù)Table 2 Physical and mechanical Parameters of Mechanical layers on Xuanhan-Daxian region

3.2.2 網(wǎng)格單元劃分

宣漢—達(dá)縣地區(qū)受到不同期次、不同強(qiáng)度構(gòu)造活動的影響，構(gòu)造形態(tài)較為復(fù)雜，因此模型自動網(wǎng)格化相對較為困難。為了突顯重點區(qū)塊的應(yīng)力特征以及減少人為誤差，采用人工控制與自動相結(jié)合的方法，對研究區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格化。依據(jù)C3D10M單元，兼顧計算機(jī)容量和復(fù)雜程度，從地質(zhì)模型中抽象出力學(xué)模型，劃分出72153個單元和98954個節(jié)點 (見圖5)。

圖5 宣漢—達(dá)縣地區(qū)三維有限元分析物理模型Fig.5 Three dimensional finite element analysis of physical models on Xuanhan-Daxian region

3.2.3 邊界條件確定

地質(zhì)分析表明，宣漢—達(dá)縣地區(qū)主要受到兩期構(gòu)造作用，晚白堊世受到南東—北西方向的擠壓，形成北東向構(gòu)造;始新世晚期—漸新世早期北東向擠壓使研究區(qū)再次強(qiáng)烈活動。在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行了大量的試算。其中燕山晚期 (晚白堊世)模型Ⅴ (底、西北、東北和西南4個面的z、x、y方向約束，對其東南面施加梯度作用力)和喜馬拉雅期 (始新世晚期—漸新世早期)模型Ⅳ (底、西北、東南和西南4個面的z、x、y方向約束，對其東北面施加梯度作用力)與宣漢—達(dá)縣地區(qū)構(gòu)造活動類似，并且計算結(jié)果與這兩期的構(gòu)造應(yīng)力分布、大小等特征較為吻合。因此燕山晚期 (晚白堊世)選擇模型Ⅴ，喜馬拉雅期 (始新世晚期—漸新世早期)選擇模型Ⅳ的邊界條件做為最終的計算約束條件 (見表3)。

表3 宣漢—達(dá)縣地區(qū)物理模型邊界條件Table 3 The choice boundary conditions of physical models on Xuanhan-Daxian region

3.2.4 作用力大小

從宏觀和微觀兩個方面對宣漢—達(dá)縣地區(qū)燕山晚期和喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力大小進(jìn)行解析，宏觀方面利用斷層或節(jié)理共軛角通過數(shù)學(xué)解析獲取古應(yīng)力值［28］;微觀方面利用斷裂中方解石脈的機(jī)械雙晶求取應(yīng)力值［29］。

根據(jù)野外實測巖層中共軛斷裂的共軛角，結(jié)合巖石三軸力學(xué)測試獲得初始抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，確定研究區(qū)構(gòu)造差應(yīng)力值 (見表4)。計算結(jié)果顯示，燕山晚期上、中侏羅統(tǒng)最大差應(yīng)力平均值為217.08 MPa左右;喜馬拉雅期上、中侏羅統(tǒng)所受到的最大差應(yīng)力平均值約為123.7 MPa，偏小的值可能是局部應(yīng)力的疊加導(dǎo)致共軛角有所變化形成的。

燕山晚期構(gòu)造活動形成的斷裂很容易被角礫巖和方解石充填，喜馬拉雅期構(gòu)造活動會在這些角礫和脈體中留下痕跡，使晶形發(fā)生彎曲和膝折等變形。通過研究區(qū)脈體和角礫巖機(jī)械雙晶的統(tǒng)計獲得喜馬拉雅期的差應(yīng)力大小。統(tǒng)計分析顯示，喜馬拉雅期差應(yīng)力介于76.92～142.86 MPa之間 (見表5)，其平均差應(yīng)力為109.74 MPa，與根據(jù)共軛角計算的值相差約14 MPa。造成這種差異的原因主要是，微觀薄片的統(tǒng)計人為估算的因素較大，雙晶率的統(tǒng)計會有所誤差，但對整個模型的計算分析影響不大。

綜合共軛節(jié)理和機(jī)械雙晶的統(tǒng)計分析，宣漢—達(dá)縣地區(qū)燕山晚期的平均最大差應(yīng)力為217.08 MPa，喜馬拉雅期的平均差應(yīng)力為123.7 MPa。從差應(yīng)力來看燕山晚期的構(gòu)造活動比喜馬拉雅期強(qiáng)，在相同埋藏深度的區(qū)域，燕山晚期所產(chǎn)生的破碎要比喜馬拉雅期嚴(yán)重。

表4 利用共軛角計算燕山晚期、喜馬拉雅期最大差應(yīng)力值Table 4 Maximum differential stresses calculated by using conjugate angle in the Late Yanshan and Himalayan

表5 利用方解石機(jī)械雙晶計算喜馬拉雅期差應(yīng)力Table 5 The differential stresses using calcite mechanicaltwinning in the Himalayan epoch

3.3 古構(gòu)造應(yīng)力模擬

利用Abaqus軟件對宣漢—達(dá)縣地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力進(jìn)行三維有限元計算分析，結(jié)果顯示，主滑脫層Ⅰ、Ⅱ與其他形變層相比構(gòu)造應(yīng)力值較小，較好地體現(xiàn)了形變層中所發(fā)育的構(gòu)造消失于滑脫層中這一地質(zhì)現(xiàn)象 (見圖6)。下面針對下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組燕山晚期 (晚白堊世)和喜馬拉雅期 (始新世晚期—漸新世早期)的應(yīng)力大小進(jìn)行詳細(xì)討論。

3.3.1 燕山晚期

3.3.1.1 最大主應(yīng)力

模擬結(jié)果顯示，分水嶺—鐵山、毛壩場—雙廟場、雷音鋪、東岳寨—雙石廟等構(gòu)造帶最大主應(yīng)力都為高值，構(gòu)造帶之間由低應(yīng)力值區(qū)分割開，整體表現(xiàn)為北東向呈條帶狀展布，與研究區(qū)幾個構(gòu)造帶有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明應(yīng)力的不同導(dǎo)致飛仙關(guān)地層變形的差異，高應(yīng)力值區(qū)致使巖層發(fā)生較為強(qiáng)烈的變形。最大主應(yīng)力大于112.5 MPa區(qū)域主要分布在彭家壩斷層西側(cè)的鐵山北、雷音鋪和普光區(qū)域，由此可以判斷鐵山背斜北端、雷音鋪背斜以及普光斷鼻的形成與其有較為密切的關(guān)系 (見圖4、圖7)。

圖6 宣漢—達(dá)縣地區(qū)最大剪應(yīng)力三維分布圖Fig.6 The maximum shear stress three dimension distribution of Xuanhan-Daxian region

毛壩構(gòu)造 (沿 mb2—mb1—mb3—mb4—mb5井北東向展布的條帶狀區(qū)域)、普光構(gòu)造(pg3—pg11—pg8—pg10井所在區(qū)域)的高點與最大主應(yīng)力區(qū)有些細(xì)微偏差。普光構(gòu)造高點位于pg6、pg11井附近，而最大主應(yīng)力大于112.5 MPa的區(qū)域位于pg104-3井周圍，其應(yīng)力值是pg6井周圍應(yīng)力值的6倍左右。毛壩構(gòu)造最大主應(yīng)力分布表現(xiàn)得較為平穩(wěn)，沿著mb2—mb1—mb3—mb4—mb6井呈北東向條帶狀分布，與普光構(gòu)造應(yīng)力高值區(qū)域平行展布 (見圖7)。

由此可知，整體上構(gòu)造變形較為劇烈的區(qū)域，如斷層和褶皺發(fā)育區(qū)，最大主應(yīng)力均處于高值范圍，但細(xì)微的高點和最大主應(yīng)力高值分布點有些差異，說明構(gòu)造變形的強(qiáng)弱與最大主應(yīng)力有一定的關(guān)系，但并不完全由最大主應(yīng)力控制，可能還與巖性和最大應(yīng)變量有關(guān)。

3.3.1.2 最大剪應(yīng)力

最大剪應(yīng)力高值主要分布于東岳寨—普光構(gòu)造帶，在其他部位僅有零星的分布，如分水嶺構(gòu)造高部位以及雙廟場、雷音鋪局部區(qū)域，剪應(yīng)力均高于112.5 MPa，往外擴(kuò)邊逐漸減小到111.5 MPa左右。毛壩區(qū)塊與普光區(qū)塊相比最大剪應(yīng)力值要小的多，僅在mb1井和mb3井附近零星分布。從普光、毛壩構(gòu)造局部來看，剪應(yīng)力相對較大，僅在mb3井西部較小范圍、大灣西北部、pg12井和pg10井附近最大剪應(yīng)力較小 (見圖8)。

3.3.1.3 最大主應(yīng)變量

宣漢—達(dá)縣地區(qū)最大主應(yīng)變量在3.8×10-3～4.02×10-3之間。最大主應(yīng)變量較高的區(qū)域主要集中在鐵山—分水嶺、東岳寨—普光、雙廟場、雷音鋪、羊烈等構(gòu)造點，低值區(qū)域主要分布在雷音鋪和雙廟場以西，約為3.8×10-3。表明燕山晚期應(yīng)變量較大的區(qū)域與構(gòu)造帶部位有較好的吻合，說明構(gòu)造變形能夠較好地調(diào)節(jié)應(yīng)變量差異。

圖7 飛仙關(guān)組燕山晚期最大主應(yīng)力分布圖Fig.7 The maximum principal stress distribution of Feixianguan formation in the Late Yanshan epoch

圖8 飛仙關(guān)組燕山晚期最大剪應(yīng)力分布圖Fig.8 The maximum shear stress distribution of Feixianguan formation in the Late Yanshan epoch

在普光構(gòu)造區(qū)域，pg1、pg101-2、pg104-3井為應(yīng)變高值區(qū)，應(yīng)變量可高達(dá)4.0×10-3;普光構(gòu)造區(qū)其他大部分井，如pg12、pg103-4、pg304-1、pg305-2等井，應(yīng)變量均大于3.9×10-3。而在毛壩構(gòu)造區(qū)域，應(yīng)變量分布在3.92×10-3～3.94×10-3范圍內(nèi)的主要有毛壩斷塊北部的mb3、mb4、mb6井 (見圖9);大灣構(gòu)造高點與毛壩構(gòu)造高點之間的區(qū)域應(yīng)變量最低，為3.8×10-3左右。

圖9 飛仙關(guān)組燕山晚期最大主應(yīng)變量分布圖Fig.9 The maximum principal strain distribution of Feixianguan formation in the Late Yanshan epoch

3.3.2 喜馬拉雅期

3.3.2.1 最大主應(yīng)力

喜馬拉雅期研究區(qū)受到北東—南西向擠壓，導(dǎo)致飛仙關(guān)組呈現(xiàn)東北部和西南部為構(gòu)造高部位，中間區(qū)域為構(gòu)造低部位。中間區(qū)域僅在清溪場、宣漢—七里有較為低微的隆起。模擬計算顯示，應(yīng)力值越大的區(qū)域，褶皺隆起越高，宣漢—達(dá)縣地區(qū)的東北部最大主應(yīng)力值可高達(dá)67.2 MPa，這可能是川東斷褶帶的阻擋形成應(yīng)力集中所致。清溪、七里也有北西向呈條帶狀的應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力值為66.2～67.2 MPa之間。

普光、毛壩區(qū)塊整體最大主應(yīng)力值較低?？拷逑睌鄬痈浇袘?yīng)力集中，可達(dá)66.6 MPa左右;mb3—mb6井區(qū)與 pg12—pg10井區(qū)最大主應(yīng)力值相對較低，為63 MPa左右;其他部位，包括大灣，應(yīng)力值分布較為均勻，集中在65 MPa左右 (見圖10)。

3.3.2.2 最大剪應(yīng)力

研究區(qū)東北和西南的兩個端部，最大剪應(yīng)力均在69 MPa以上，清溪場附近的高值區(qū)是清溪北斷層發(fā)育的主要原因。中部的兩個高值條帶區(qū)將宣漢—達(dá)縣中部分成5個較為明顯的高、低值區(qū)相間分布的條帶狀:清溪向北西延伸至付家山;由宣漢起經(jīng)過雙廟場向北西延伸至彭家壩東北部，最大剪應(yīng)力可達(dá)68.3 MPa。

普光—毛壩區(qū)塊最大剪應(yīng)力分布在64.4～66.7 MPa。高值區(qū) (＞66.4 MPa)分布在區(qū)塊的北部，主要集中在mb3井—pg101井一帶，涵蓋毛壩斷塊北部、大灣構(gòu)造高點和普光鼻狀構(gòu)造的東北傾沒端;低值區(qū) (＜64.4 MPa)主要分布在老君場，并向西北延伸至mb2井附近區(qū)域 (見圖11)。

圖10 飛仙關(guān)組喜馬拉雅期最大主應(yīng)力分布圖Fig10 The maximum principal stress distribution of Feixianguan formation in the Himalayan epoch

3.3.2.3 最大主應(yīng)變量

最大主應(yīng)變的分布與現(xiàn)今北西向構(gòu)造較為吻合，特別是清溪和宣漢東一帶。但在宣漢—達(dá)縣地區(qū)東北部應(yīng)變量整體較高的區(qū)域，毛壩構(gòu)造應(yīng)變量卻顯示出較周圍低，這說明早期形成的北東向構(gòu)造對后期的構(gòu)造變形有一定的影響。普光—毛壩構(gòu)造區(qū)應(yīng)變量分布在0.00293～0.00305。最大值區(qū)出現(xiàn)在南部，與清溪北斷層的發(fā)育有較大關(guān)系。在mb3—mb6井區(qū)和普光構(gòu)造低值部位存在一個應(yīng)變相對較高的區(qū)域，與獨山坪東、西斷層的再次活動有較大關(guān)系 (見圖12)。

結(jié)合宣漢—達(dá)縣地區(qū)飛仙關(guān)組構(gòu)造特征以及該區(qū)域燕山晚期、喜馬拉雅期的最大主應(yīng)變量和最大剪應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變量較大的區(qū)域均是飛仙關(guān)組變形較為強(qiáng)烈的區(qū)域［7］，例如東岳寨—雙石廟構(gòu)造帶、毛壩場—雙廟場構(gòu)造帶等等，并且油氣圈閉的形成與應(yīng)變量之間有較好的對應(yīng)關(guān)系;最大剪應(yīng)力發(fā)育區(qū)域與斷裂發(fā)育區(qū)均吻合較好，例如東岳寨西斷層和清溪場北斷層等等。這也進(jìn)一步佐證了本次模擬的可信度。

4 裂縫預(yù)測

4.1 巖層破裂系數(shù)

馬永生等［30］針對pg2井埋藏史研究發(fā)現(xiàn)宣漢—達(dá)縣地區(qū)于燕山晚期—喜馬拉雅期剝蝕近2868 m厚的陸相碎屑巖層，考慮其構(gòu)造活動的強(qiáng)度以及持續(xù)時間，燕山晚期大約剝蝕將近1000 m的陸相碎屑巖層，喜馬拉雅期剝蝕1868 m的陸相碎屑巖層。因此燕山晚期飛仙關(guān)組所承受的圍壓要比目前圍壓高約33.6 MPa，喜馬拉雅期所承受的圍壓要比目前高約21.6 MPa(砂巖密度2.3 g/cm3)。結(jié)合三軸巖石力學(xué)測試所獲得的飛仙關(guān)組巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)，計算得到飛仙關(guān)組巖石燕山晚期發(fā)生剪破裂的臨界值為111.5 MPa，張破裂臨界值為6.25 MPa;喜馬拉雅期發(fā)生剪破裂的臨界值為66.9 MPa，張破裂臨界值為3.7 MPa。

圖11 飛仙關(guān)組喜馬拉雅期最大剪應(yīng)力平面分布圖Fig.11 The maximum shear stress distribution of Feixianguan formation in the Himalayan epoch

圖12 飛仙關(guān)組喜馬拉雅期最大主應(yīng)變量平面分布圖Fig.12 The maximum principal strain distribution of Feixianguan formation in the Himalayan epoch

4.2 裂縫發(fā)育范圍

4.2.1 燕山晚期

①張裂縫發(fā)育區(qū) 通過格里菲斯準(zhǔn)則計算出研究區(qū)的等效張應(yīng)力分布于5.55～6.46 MPa之間，高值主要分布在普光構(gòu)造與雙廟場構(gòu)造，等效張應(yīng)力值最高可達(dá)6.46 MPa。等效張應(yīng)力大于6.25 MPa范圍主要集中在普光構(gòu)造，除pg3井、pg101井、pg12井、pg103-4井、pg10井等效張應(yīng)力位于臨界張應(yīng)力以下，其他井均發(fā)生張破裂。從等效張應(yīng)力強(qiáng)度看，自pg302-1井往北東至pg1井的條帶狀范圍內(nèi)，張破裂程度最高 (見圖13a)。

②剪裂縫發(fā)育區(qū) 燕山晚期發(fā)生剪破裂的臨界值為111.5 MPa，根據(jù)最大剪應(yīng)力計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剪破裂主要發(fā)育在mb1井及周緣、mb3井及周緣、普光大部分區(qū)域及土主構(gòu)造局部。其中pg1井區(qū)、pg104-3—pg101-2井區(qū)、pg101-3井北部區(qū)域、普光6井附近區(qū)域、普光302-1井南部零星部位剪破裂程度較高 (見圖13b)。

圖13 普光-毛壩區(qū)塊飛仙關(guān)組燕山晚期裂縫發(fā)育區(qū)Fig.13 The fracture distributions of Feixianguan Formation in the Puguang-Maoba block during Late Yanshan epoch

③綜合破裂率 根據(jù)野外相似露頭、巖心的觀測以及成像測井解釋統(tǒng)計分析，燕山晚期張裂縫約占所統(tǒng)計裂縫的25%，剪切裂縫約占所統(tǒng)計裂縫的75%。依據(jù)這一數(shù)據(jù)綜合運算獲得普光、毛壩構(gòu)造帶巖層綜合破裂率，結(jié)果表明:燕山晚期，破裂率大于1的區(qū)域主要分布于普光構(gòu)造帶，并向西北延伸，毛壩構(gòu)造帶大部分在0.996～1.004范圍之間。說明燕山晚期普光構(gòu)造帶的裂縫發(fā)育程度高于毛壩構(gòu)造帶 (見圖14a)。

圖14 普光-毛壩區(qū)塊飛仙關(guān)組破裂程度Fig.14 Fracturing degrees of Feixianguan Formation in the Puguang-Maoba block

4.2.2 喜馬拉雅期

①張裂縫發(fā)育區(qū) 宣漢—達(dá)縣地區(qū)等效張應(yīng)力分布在3.33～3.87 MPa之間。普光—毛壩區(qū)塊的北部發(fā)育張破裂 (等效張應(yīng)力大于3.7 MPa):位于mb1井—pg103-1井一線以北的區(qū)域，依據(jù)等效張應(yīng)力的大小來看，張破裂最為發(fā)育的區(qū)域為 mb3、mb4、mb6井以及pg104-3、pg1、pg101、pg3井周圍區(qū)域 (見圖15a)。

②剪裂縫發(fā)育區(qū) 喜馬拉雅期剪破裂主要發(fā)育在普光—毛壩區(qū)塊以北的區(qū)域，涵蓋了毛壩斷塊所有的鉆井。單從剪應(yīng)力大小分析，mb3、mb4、mb6井剪裂縫較為發(fā)育，向西南逐漸減小，直至剪破裂不發(fā)育。普光構(gòu)造帶，剪破裂僅發(fā)育于區(qū)塊北部少量的井區(qū)，尤其以pg3井、pg101井附近剪裂縫最為發(fā)育，其次為pg1井周緣。整體顯示愈靠近普光北西向構(gòu)造高點，喜馬拉雅期剪破裂愈不發(fā)育。在普光構(gòu)造的南部區(qū)域也有剪應(yīng)力高值發(fā)育區(qū)，直接控制著清溪北斷層和老君南斷層的發(fā)育 (見圖15b)。

③綜合破裂率 根據(jù)野外露頭和有限的巖性統(tǒng)計分析，喜馬拉雅期張裂縫約占所統(tǒng)計裂縫的30%，剪切裂縫約占所統(tǒng)計裂縫的70%。依據(jù)這一數(shù)據(jù)綜合運算獲得普光-毛壩構(gòu)造帶巖層綜合破裂率，結(jié)果表明:喜馬拉雅期，破裂率大于1的情況主要出現(xiàn)在毛壩、普光的北部區(qū)域，并將大灣構(gòu)造高點涵蓋在內(nèi)。以pg6井為代表的普光構(gòu)造高點破裂率僅為0.976，說明喜馬拉雅期裂縫發(fā)育較強(qiáng)的區(qū)域主要為毛壩構(gòu)造帶，喜馬拉雅期構(gòu)造活動對毛壩場改造強(qiáng)度高于普光區(qū)域 (見圖14b)。

古構(gòu)造應(yīng)力場分析以及巖石破裂程度預(yù)測表明，燕山晚期飛仙關(guān)組裂縫發(fā)育范圍以普光區(qū)域為主，且裂縫發(fā)育程度較毛壩場區(qū)域要高。普光構(gòu)造帶的裂縫發(fā)育帶集中于普光背斜端部，沿pg6—pg301-2—pg101-3—pg101-2井向北東向延伸，且綜合破裂率均在1.01以上;而毛壩區(qū)域裂縫發(fā)育范圍、破裂程度均要小的多。喜馬拉雅期，毛壩構(gòu)造處于破裂發(fā)育帶內(nèi)，而普光構(gòu)造僅僅其北東局部區(qū)域裂縫發(fā)育，整體表現(xiàn)為沿pg3—mb4井一線以北的區(qū)域裂縫發(fā)育，破裂率均在1.00以上。但是從兩期構(gòu)造的應(yīng)力場大小以及應(yīng)變量來看，普光構(gòu)造帶的破裂程度要高于毛壩構(gòu)造帶，這一點從實際的巖心統(tǒng)計中也可以得到較好體現(xiàn) (見圖16)。

圖15 普光-毛壩區(qū)塊飛仙關(guān)組喜馬拉雅期裂縫發(fā)育區(qū)Fig.15 The fracture distributions of Feixianguan Formation in the Puguang-Maoba block during Himalayan epoch

圖16 普光、毛壩區(qū)塊巖心裂縫密度統(tǒng)計Fig.16 Fracture density statistic to cores in the Puguang and Maoba blocks

5 討論與結(jié)論

川東陸內(nèi)擠壓褶皺帶有其自身的分異性變形［10］，宣漢—達(dá)縣地區(qū)三維構(gòu)造應(yīng)力場模擬將整個沉積蓋層綜合起來研究，較好地體現(xiàn)各個形變層之間的差異，展現(xiàn)了層與層之間的相互影響。因此三維有限元分析能夠完整再現(xiàn)古構(gòu)造應(yīng)力場的分布狀況，這對油氣藏勘探開發(fā)具有重要意義。

通過對川東北宣漢—達(dá)縣地區(qū)地質(zhì)和構(gòu)造演化分析，利用三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)對研究區(qū)飛仙關(guān)組燕山晚期和喜馬拉雅期的構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)燕山晚期構(gòu)造作用強(qiáng)度普遍大于喜馬拉雅期，燕山晚期形成的圈閉數(shù)量要多于喜馬拉雅期，同時應(yīng)變量大的區(qū)域與目前構(gòu)造變形大的區(qū)域吻合較好，在研究區(qū)構(gòu)造變形較大的區(qū)域多形成背斜圈閉，同時應(yīng)變量強(qiáng)度大小與背斜圈閉的規(guī)模對應(yīng)較好，因此應(yīng)變量強(qiáng)度大小能夠有效指導(dǎo)油氣圈閉勘探。

在構(gòu)造應(yīng)力場模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖石破裂準(zhǔn)則對宣漢—達(dá)縣地區(qū)普光和毛壩區(qū)塊的裂縫分布預(yù)測表明，燕山晚期破裂主要集中在普光區(qū)塊，呈北東向分布，裂縫發(fā)育強(qiáng)度最大的區(qū)域集中在pg1、pg101-2、pg6井附近區(qū)域，毛壩區(qū)塊僅有零星區(qū)域發(fā)育剪裂縫;喜馬拉雅期破裂區(qū)域位于普光—毛壩區(qū)塊的北部，mb2井—pg12井以南的區(qū)域裂縫基本不發(fā)育。這對宣漢—達(dá)縣地區(qū)開發(fā)調(diào)整具有非常重要的參考決策意義。

雖然三維有限元數(shù)值模擬較好地展現(xiàn)了古構(gòu)造應(yīng)力場的分布、并可預(yù)測出裂縫發(fā)育區(qū)，指導(dǎo)油氣勘探開發(fā)，但仍有一些問題沒有有效解決。地殼中種類繁雜的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、構(gòu)造類型、多因素的構(gòu)造成因是在漫長地質(zhì)演化過程中累積形成的，這種復(fù)雜的地質(zhì)演化過程是個動態(tài)的過程，很難用單一的方法、手段重現(xiàn)，所以目前利用靜態(tài)觀點簡化處理巖層所經(jīng)歷的構(gòu)造活動，有一定的局限性。其次控制巖石物理性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造特征的因素多種多樣，不同地區(qū)有不同特點，即便是同一地區(qū)，甚至是同一儲集層，其特征也是有差異的，很難用單一的巖石物理參數(shù)描述整個模擬對象，因此古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬還需進(jìn)一步的深入研究。

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CONTROLLING OF STRUCTURAL STRESS FIELD TO THE FRACTURES IN XUANHAN-DAXIAN REGION，NORTHEASTERN SICHUAN BASIN，CHINA

TANG Yong1，2，MEI Lian-fu2，CHEN You-zhi1，TANG Wen-jun3，XIAO An-cheng1
(1.Department of Earth Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;2.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources Ministry of Education，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China;3.Cainan Operation District of Xinjiang Oilfield Company，CNPC，F(xiàn)ukang 831511，China)

Structural stress field is one of the main reasons on fracture formation.It is the key of prediction structuralfracture thatpaleostructure stress field is microscopically quantitative calculated.So we can well understand the fracture distribution in underground strata based on careful analysis to geological structure and numerical model coincides with the practice about the region of interest.It was influenced due to squeezing process from the SE direction during Late Crataceous and compressed from the NE direction in the period of Late Eocene-Early Oligocene in the Xuanhan-Daxian area of the northeast of Sichuan，China.The structural fracture development in Feixianguan formation in Lower Triassic series was effected by the two periods of structural action in Xuanhan-Daxian region.The fracture is an important geologic factor affecting the development of the oilfield.Through analysis of interaction in rock layers，calculation results on conjugate joints and mechanical twinning and using three dimensional finite element analysis method，we have obtained paleostructure stress in Feixianguan Formation of Xuanhan-Daxian region.We well know the distribution feature of paleostructure stress on the two periods.By threshold value-limited of the carbonatite burst，fracture area in Puguang and Maobawe blocks was predicted prediction.The integrated fracture rates give the basis to evaluate fracture strength.It provides the scientific geological basis for increasing the rate of drilling fractures and reducing the risk and cost of exploration and development.

structural stress fields;three dimensional finite element;Feixianguang Formation;structural fracture;Xuanhan-Daxian region

P553

A

1006-6616(2012)02-0120-20

2012-01-12

中國地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室開放研究基金項目 (TPR-2011-26)

唐永 (1981-)，男，在站博士后，主要從事構(gòu)造應(yīng)力場分析及模擬研究。E-mail:water_0820@163.com