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(xué)，四川 成都 610500)

0 引 言

對(duì)于自生自儲(chǔ)的頁巖儲(chǔ)層來說，裂縫的發(fā)育分布對(duì)頁巖氣的儲(chǔ)集和運(yùn)移均起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)今頁巖氣研究的側(cè)重點(diǎn)主要為突破裂縫分布預(yù)測方法與保存評(píng)價(jià)之間的關(guān)系[1-3]。前人在裂縫分布預(yù)測和頁巖氣保存評(píng)價(jià)中提出了很多優(yōu)質(zhì)方法。曾錦光等[4]將曲率法用于四川中壩構(gòu)造中，通過力學(xué)模型研究分析背斜構(gòu)造并證實(shí)了利用最大曲率來表示裂縫發(fā)育的判據(jù)，提出用構(gòu)造圖計(jì)算的方法來得到最大曲率，并驗(yàn)證了該方法的有效性；鄔光輝[5]發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育程度與分形維數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為裂縫發(fā)育程度越高，分形維數(shù)越大；丁文龍等[6]將構(gòu)造應(yīng)力場模擬作為重要手段預(yù)測頁巖儲(chǔ)層裂縫分布。研究發(fā)現(xiàn)，在裂縫預(yù)測的研究中，構(gòu)造應(yīng)力場的分布與裂縫發(fā)育密切相關(guān)，是控制裂縫發(fā)育最主要的因素之一。頁巖氣保存評(píng)價(jià)是值得深入探討和發(fā)掘的問題，聶海寬等[7]對(duì)四川盆地及周邊地區(qū)五峰-龍馬溪組頁巖進(jìn)行了保存條件評(píng)價(jià)的研究，由于川東南有盆內(nèi)、盆緣和盆外地區(qū)，其受到的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不同，保存條件也不同，因而分別挑選蓋層條件、壓力系數(shù)、構(gòu)造條件、物質(zhì)基礎(chǔ)、地層水條件和氣體組分進(jìn)行頁巖氣評(píng)價(jià)；蔡周榮等[8]主要從構(gòu)造變形和構(gòu)造活動(dòng)性2個(gè)方面來進(jìn)行頁巖氣的保存研究；胡東風(fēng)等[9]主要從構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、頂?shù)装鍡l件和壓力系數(shù)方面來評(píng)價(jià)四川盆地頁巖氣保存條件；王濡岳[10]、魏祥峰等[11]同樣從構(gòu)造部位、壓力系數(shù)、頂?shù)装鍡l件以及地層傾角等方面來研究頁巖氣評(píng)價(jià)體系指標(biāo)，但在保存評(píng)價(jià)參數(shù)以及權(quán)重系數(shù)的確定上不同地區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)條件不同，不能將這些參數(shù)進(jìn)行很好的利用[12-13]。因此，此次研究引入構(gòu)造應(yīng)力場模擬方法及巖體破裂準(zhǔn)則對(duì)研究區(qū)的裂縫分布進(jìn)行平面上的預(yù)測，同時(shí)對(duì)研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行保存條件指標(biāo)的劃分，并運(yùn)用組合權(quán)重法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行有利區(qū)帶的預(yù)測和優(yōu)選。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

丁山地區(qū)位于四川盆地東南部，隸屬于重慶市綦江縣石壕鎮(zhèn)，研究區(qū)主要為丁山構(gòu)造，分布于川東南盆內(nèi)及盆緣拗褶區(qū)，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(gè)大構(gòu)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(qū)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(zhì)、灰質(zhì)泥頁巖，TOC相對(duì)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(gòu)成頁巖氣的主力產(chǎn)氣層段(圖2)。截至2021年，丁山地區(qū)頁巖氣測試產(chǎn)量已突破100×104m3/d。

2 構(gòu)造應(yīng)力場模擬

2.1 地質(zhì)模型

根據(jù)構(gòu)造解釋、斷裂期次的綜合分析，對(duì)丁山地區(qū)燕山末期—喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)中期進(jìn)行三維構(gòu)造建模，利用Petrel軟件建立相應(yīng)地質(zhì)模型，該模型以龍馬溪組為主要研究對(duì)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?shù)装?。建立模型時(shí)，嚴(yán)格依據(jù)丁山地區(qū)龍馬溪組底界構(gòu)造圖、地層分層資料等來考慮各層面的接觸關(guān)系[14-15]。

2.2 力學(xué)模型

2.2.1 確定邊界條件

由于不同構(gòu)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(shù)的確定主要是根據(jù)構(gòu)造解析結(jié)果、古構(gòu)造演化史和Kaiser效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果3種協(xié)同作用來確定。

圖2 丁山地區(qū)龍馬溪組地層巖性特征

丁山地區(qū)模型作用邊界設(shè)置、構(gòu)造力作用方位、約束條件如圖3所示。經(jīng)調(diào)試，對(duì)建立的地質(zhì)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(jì)算得到[16]。因此，丁山地區(qū)模型頂面受垂直地應(yīng)力78.00 MPa，底面施加下伏地層反作用力83.00 MPa；對(duì)右上施加70.00 MPa最小主應(yīng)力(σ3)，右下施加100.00 MPa最大主應(yīng)力(σ1)；位移邊界條件：NW、SW兩邊固定，設(shè)置XYZ位移和轉(zhuǎn)角為零，其他單元均可自由移動(dòng)。

圖3 丁山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場模擬邊界條件

2.2.2 確定斷層處理方案

研究區(qū)模擬斷層處理方案采用斷層弱化法。在對(duì)丁山地區(qū)模擬過程中，為了保證模擬的高效準(zhǔn)確，在正式模擬前先進(jìn)行了試算，將斷層定義為“軟弱區(qū)”，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(qū)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(gòu)造高部位定義為“強(qiáng)硬區(qū)”，其彈性模量是正常地層的1.0～1.5倍，泊松比則相對(duì)較小；構(gòu)造低區(qū)同理，但與高部位相比各

參數(shù)較小。內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角則根據(jù)實(shí)驗(yàn)和模擬情況進(jìn)行調(diào)整(表1)。

表1 不同單元類型巖石力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)有限元原理可知，地質(zhì)體單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果精度越高。研究區(qū)內(nèi)斷裂極為發(fā)育，在模型構(gòu)造分析中，僅對(duì)規(guī)模最大的75條斷裂進(jìn)行模擬。此次網(wǎng)格劃分在Petrel軟件中完成。該模擬采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格離散劃分，共有97 470個(gè)單元和131 408個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.4 構(gòu)造應(yīng)力場分布

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

圖4 丁山地區(qū)應(yīng)力應(yīng)變模擬分布

2.5 應(yīng)力場模擬結(jié)果誤差分析

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

表2 古構(gòu)造應(yīng)力場模擬最大主應(yīng)力及相對(duì)誤差

3 裂縫分布預(yù)測方法

3.1 巖體破裂系數(shù)

巖體的破裂系數(shù)表示巖體的裂縫發(fā)育情況，由于研究區(qū)地層主要為彈性變形，為了使模擬預(yù)測更加高效便捷，此次研究主要采用莫爾-庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行判別。

(1)

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

巖體破裂系數(shù)在巖石力學(xué)理論中的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)η<1時(shí)巖體比較穩(wěn)定，受到的應(yīng)力沒有達(dá)到破裂值，巖體不發(fā)生破壞，沒有裂縫產(chǎn)生；當(dāng)η≥1時(shí)巖體受到的應(yīng)力達(dá)到破裂值，巖體失去穩(wěn)定性發(fā)生破壞而產(chǎn)生裂縫。然而，在實(shí)際情況中，巖體的破裂往往比較復(fù)雜，即使巖體破裂系數(shù)小于1的巖體，其內(nèi)部也會(huì)因?yàn)槭艿綉?yīng)力產(chǎn)生細(xì)小的微裂縫。因此，要充分考慮其理論特點(diǎn)及模型的特殊影響，

利用巖體破裂系數(shù)判斷裂縫發(fā)育程度時(shí)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)塊不同制訂不同的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 巖體破裂特征

通過巖體破裂系數(shù)公式及其判別方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)破裂特征模擬預(yù)測。巖體破裂程度最高的地區(qū)主要分布于丁山地區(qū)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(gòu)造高部位一帶廣泛發(fā)育，破裂系數(shù)可達(dá)1.680以上；其次是斷層與斷層周圍破裂帶、斷層外圍以及構(gòu)造高部位，破裂系數(shù)達(dá)1.456～1.568；距離斷層較遠(yuǎn)且構(gòu)造平緩區(qū)、構(gòu)造低點(diǎn)區(qū)破壞程度較低，破裂系數(shù)普遍小于0.900(圖5)。

圖5 丁山地區(qū)龍馬溪組巖體破裂程度分布預(yù)測

3.3 裂縫分布定量預(yù)測

裂縫定量預(yù)測主要是根據(jù)裂縫的發(fā)育特點(diǎn)或形成機(jī)制，采用地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等方法對(duì)裂縫的平面分布規(guī)律進(jìn)行研究與探索分析[18-28]。在巖體破裂程度分布預(yù)測(圖5)的基礎(chǔ)上，結(jié)合丁山地區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)背景、構(gòu)造地質(zhì)特征以及現(xiàn)有的試驗(yàn)測試及生產(chǎn)結(jié)果等資料，運(yùn)用破裂準(zhǔn)則標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，劃分了丁山地區(qū)裂縫發(fā)育級(jí)別(表3)。

表3 丁山地區(qū)龍馬溪組巖石裂縫預(yù)測的η值

根據(jù)丁山地區(qū)的裂縫預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合巖石力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的原理以及鉆井、取心、生產(chǎn)資料等進(jìn)行綜合分析，對(duì)丁山地區(qū)龍馬溪組的裂縫發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)定量預(yù)測結(jié)果、有限元預(yù)測結(jié)果，結(jié)合裂縫發(fā)育影響因素及實(shí)際生產(chǎn)情況，繪制了丁山地區(qū)龍馬溪組頂部裂縫發(fā)育綜合預(yù)測圖，以便更為準(zhǔn)確、全面地對(duì)裂縫發(fā)育情況進(jìn)行把握(圖6)。

圖6 丁山地區(qū)龍馬溪組裂縫發(fā)育預(yù)測

4 頁巖氣保存條件評(píng)價(jià)及有利區(qū)預(yù)測

4.1 影響因素

4.1.1 埋深

丁山地區(qū)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(qū)DY1井和DY2井為例，2口井的地質(zhì)基礎(chǔ)相似，DY1井優(yōu)質(zhì)頁巖厚度為26.0 m，DY2井優(yōu)質(zhì)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(fā)生逸散，不利于頁巖氣的保存。

4.1.2 內(nèi)部斷裂和裂縫

丁山地區(qū)自燕山期以來受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷裂系統(tǒng)比較發(fā)育，斷距較大且延伸較長的斷裂會(huì)對(duì)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(huì)對(duì)頁巖氣保存有一定的影響。通過對(duì)丁山地區(qū)斷層要素及產(chǎn)氣量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(表4)，延伸長、斷距大的斷裂附近井比斷距小的井產(chǎn)氣量低，頁巖氣更易散失。結(jié)合頁巖氣勘探實(shí)踐，認(rèn)為在丁山地區(qū)小規(guī)模斷裂發(fā)育或距離大規(guī)模斷裂2 km以外的區(qū)域，頁巖氣保存效果較好。

表4 丁山地區(qū)龍馬溪組頁巖氣鉆井統(tǒng)計(jì)

4.1.3 現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力與斷裂優(yōu)勢方位夾角

斷層封閉性可以用現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力與斷裂優(yōu)勢方位夾角大小表示，直接反應(yīng)了現(xiàn)今的油氣保存情況。研究認(rèn)為，一般夾角越大，對(duì)油氣封堵性越好，夾角越小，油氣封堵性越差，油氣會(huì)發(fā)生散失。根據(jù)丁山地區(qū)水平主應(yīng)力與斷裂夾角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及前人的研究成果，認(rèn)為丁山地區(qū)現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向與斷裂優(yōu)勢方位夾角為60～90 °時(shí)，斷層封閉性較好；夾角為45～60 °時(shí)，斷層封閉性較好；夾角為30～45 °時(shí)，斷層封閉性一般；夾角為0～30 °時(shí)，斷層封閉性差。

4.1.4 壓力系數(shù)

丁山地區(qū)壓力系數(shù)分布與埋深具有一致性，均表現(xiàn)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(fā)生散失，壓力系數(shù)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(shù)較低，為1.06，氣體容易發(fā)生逸散，測試日產(chǎn)氣量僅為3.40×104m3/d；DY2井埋深較深且遠(yuǎn)離大斷裂，壓力系數(shù)為1.55，表現(xiàn)為異常高壓，保存較好，測試日產(chǎn)氣量為10.50×104m3/d。

4.2 有利區(qū)預(yù)測

研究區(qū)評(píng)價(jià)主要以構(gòu)造因素為重點(diǎn)，參考前人研究成果并結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況和勘探情況[29]，優(yōu)選7個(gè)主要參數(shù)作為頁巖氣評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，并總結(jié)出適合丁山地區(qū)的海相頁巖氣構(gòu)造綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表5)。依據(jù)權(quán)重系數(shù)以及評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行疊加，并采用均值聚類分析法對(duì)區(qū)帶進(jìn)行分類，劃分為2類有利區(qū)(圖7)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：1類有利區(qū)位于深埋平緩區(qū)或低緩斜坡區(qū)，埋深大于3 500.0 m，遠(yuǎn)離齊岳山斷裂帶和目的層露頭剝蝕區(qū)，斷裂規(guī)模小、發(fā)育早，最大水平主應(yīng)力與斷裂優(yōu)勢方位夾角大于60 °，屬Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，壓力系數(shù)大于1.2，差應(yīng)力值低；2類有利區(qū)位于深埋平緩區(qū)、低緩斜坡區(qū)或高角度斜坡區(qū)，埋深為2 500～3 500 m，發(fā)育小規(guī)模早期斷裂，屬Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，壓力系數(shù)較大，為0.9～1.2，最大水平主應(yīng)力與斷裂優(yōu)勢方位夾角為45～60 °，次級(jí)斷裂傾角為50～60 °，差應(yīng)力中等。

表5 丁山地區(qū)龍馬溪組頁巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)

圖7 丁山地區(qū)龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)評(píng)價(jià)

5 結(jié) 論

(1) 選取巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)研究區(qū)模型進(jìn)行數(shù)值試算，通過反復(fù)模擬計(jì)算得到丁山地區(qū)最大主應(yīng)力、差應(yīng)力分布，并引入差應(yīng)力分布圖，差應(yīng)力值越大表示巖石破裂程度越大，應(yīng)力場模擬結(jié)果表明了不同地區(qū)的破裂程度差異較大，丁山地區(qū)由于埋深較深，且構(gòu)造比較穩(wěn)定導(dǎo)致模擬差應(yīng)力值相對(duì)較小，差值較大區(qū)域一般分布在大斷裂附近或埋深較淺地區(qū)。

(2) 根據(jù)莫爾-庫倫準(zhǔn)則計(jì)算丁山地區(qū)巖體破裂程度系數(shù)，從而得到裂縫在平面上的分布規(guī)律，并將研究區(qū)裂縫發(fā)育程度劃分為4類，其中Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)對(duì)油氣的運(yùn)移及保存效果最好，屬于優(yōu)勢發(fā)育區(qū)。

(3) 運(yùn)用組合權(quán)重法對(duì)丁山地區(qū)保存評(píng)價(jià)參數(shù)體系進(jìn)行權(quán)重的劃分和計(jì)算，將研究區(qū)保存評(píng)價(jià)體系進(jìn)行半定量分析和各參數(shù)權(quán)重賦值，并優(yōu)選12個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)。

(4) 依據(jù)指標(biāo)體系對(duì)研究區(qū)進(jìn)行頁巖氣保存評(píng)價(jià)，將有利區(qū)劃分為2類，1類有利區(qū)主要位于深埋平緩區(qū)或?qū)捑忨薨櫤瞬浚h(yuǎn)離主干斷裂，頂?shù)装逯旅芮疫B續(xù)，屬Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，早期以及三級(jí)或四級(jí)裂縫發(fā)育，壓力系數(shù)大，物質(zhì)基礎(chǔ)好；2類有利區(qū)主要分布于寬緩褶皺兩翼，屬Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，發(fā)育三級(jí)或四級(jí)裂縫，物質(zhì)基礎(chǔ)較好，壓力系數(shù)較大。