南川地区页岩储层构造裂缝特征及其定量预测_刘明.pdf

第 卷第期 年月非常规油气 引用：刘明，李彦婧，潘兰，等南川地区页岩储层构造裂缝特征及其定量预测非常规油气，（）：，（）：南川地区页岩储层构造裂缝特征及其定量预测刘明，李彦婧，潘兰，刘昊娟，孟庆利（中国石化华东油气分公司 勘探开发研究院，南京 ）摘要：构造裂缝是影响页岩气单井产能的重要因素，查明裂缝分布规律有助于提高水平井压裂改造效果。结合岩心观察和成像测井裂缝发育情况，采用有限单元法模拟了南川地区不同构造裂缝形成时期的应力场，基于岩石破裂准则建立了构造应力与岩心裂缝密度的转换关系，对构造裂缝进行了定量预测。结果表明，南川地区主要发育期构造裂缝，以剪切裂缝为主，被方解石半充填全充填，第期北东南西走向裂缝形成于燕山中期，最大水平主应力为 ；第期北西南东走向裂缝形成于燕山晚期，最大水平主应力为 。构造裂缝分布受褶皱及断层共同控制，平桥背斜构造裂缝发育程度最高且有效性好，天然气产量也最高。关键词：构造裂缝特征；有限单元法；构造裂缝预测；五峰组龙马溪组；南川地区中图分类号：文献标识码：，（，）：，收稿日期：基金项目：中国石油化工股份有限公司科技开发部项目“常压页岩气地球物理评价技术研究”（）第一作者简介：刘明（），男，本科，副研究员，主要从事油气勘探与开发工作。：年月刘明等：南川地区页岩储层构造裂缝特征及其定量预测 ，：；引言南川地区五峰组龙马溪组页岩层地层压力系数为 ，属于典型常压气，具有含气量偏低（）、吸附气占比高（）、地应力差异系 数 大、水 平 井 单 井 产 量 及 低 的 特点。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。天然裂缝按成因可分为成岩缝和构造缝类，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。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和油气运聚规律的研究中。方昉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；吴林强等采用基于数值模拟技术的岩石破裂法和能量法，定量预测了松辽盆地青一段泥页岩构造裂缝密度；张继标等应用有限元法模拟古构造应力场，构建了裂缝参数与构造裂缝间的定量模型；任启强等模拟了和田河气田个关键造缝期的 应 力 场 特 征，实 现 了 裂 缝 参 数 的 定 量 表征；张博等利用数值模拟技术恢复了喜马拉雅晚期构造应力大小，预测了深层油气勘探区。南川地区已经开展利用叠后地震属性进行裂缝预测的相关工作 ，但构造裂缝的定量预测研究较少。该文在 构 造 应 力 场 数 值 模 拟 的 基 础上，结合岩心和成像测井资料揭示的构造裂缝发育情况，基于岩石破裂准则，建立了构造应力与岩心裂缝密度的转换关系，为构造裂缝的定量预测提供依据。区域地质概况南川地区地理位置位于重庆市南川区和贵州省道真县等地，区块面积 。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 和 燕 山期喜山期等多期构造运动的叠加改造，产生了大量的断裂和褶皱，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、东胜平桥复背斜带和石桥白马向斜带个构造带，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（如图所示）。图中，为龙济桥断层，为平桥西断层，为袁家沟断层，为平桥东断层，为青龙 乡 断 层，为 大 千 断 层；为 东 胜 背斜，为袁家沟向斜，为平桥背斜。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，厚度为 。自下而上划分为个小层，分别简称为小层，其中 的优质页岩厚度为 ，位于小层，为该区勘探开发的主要产层，也是本次研究的目的层位。图南川地区构造纲要图 构造裂缝发育特征 裂缝特征对研究区口取心井和口井小层成像非常规油气油气勘探 测井中的裂缝类型和参数进行统计。从 井裂缝分布特征来看（深度 ），裂缝面平直光滑，视倾角为 ，属于高角度裂缝（一般大于 ），不规则裂缝互相切割，被方解石半充填全充填（如图 和图 所示）。缝长 ，缝宽 ，发育揉皱、擦痕。高角度缝共条，裂缝密度为 条。井岩心观察深度为 ，裂缝视倾角约为 ，缝内被灰白色方解石全充填（如图 和图 所示）。缝长 ，缝宽 。高角度缝共条，裂缝密度为 条。图岩心构造裂缝特征 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，井成像测井裂缝特征如图所示。南川地区钻井成像测井解释裂缝参数见表，可以看出整体而言，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，发育北东向、北东东向、北西向和北西西向共组裂缝，表明裂缝在成因上具有多期性。其中北东向及北西向组裂缝分布广泛，为裂缝的优势方位。图 井成像测井裂缝特征 表南川地区钻井成像测井解释裂缝参数表 井名裂缝类型数量条走向倾角 高阻缝 北东东南西西 高阻缝 以北西南东向为主，北东南西向次之 高阻缝北东东南西西 高阻缝北西南东、北东东南西西、北西西南东东 裂缝形成期次裂缝形成期次的研究方法有岩心观察法、包裹体测温法、岩石声发射实验法及构造分析法等。岩心裂缝切割关系及成像测井裂缝产状分析表明（如图和图所示），南川地区页岩储层主要发育期裂缝。第期裂缝为北东走向，多为方解石全充填，被低角度裂缝切割，形成时间较早；第期裂缝为北西南东走向，方解石全充填，形成时间较晚。该研究选取了件岩石样品进行声发射实验，样品所属地层为下三叠统嘉陵江组和中侏罗统沙溪庙组。样品均记忆了个凯瑟尔点，反映晚志留世以来南川地区至少经历了次构造运动。声发射测试结果见表。由试验数值的对比关系可以看出，第次和第次构造运动最为强烈。年月刘明等：南川地区页岩储层构造裂缝特征及其定量预测表声发射测试结果表 编号地层层位有效应力 最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小 前人研究表明，燕山期是川东地区构造变形的关键时期 。梅廉夫通过开展磷灰石裂变径迹热历史模拟，确定川东断褶带南东段基本变形时间在 ；王平认为川东弧形褶皱带变形时间在 ；朱传庆认为川东地区自 开始隆升，具有阶段性。从构造演化过程来看，燕山中期南川地区受到江南雪峰古陆由南东北西向的挤压，形成了早期北东向的断裂体系；燕山晚期，同时受到黔中隆起南西方向的挤压，形成了晚期北北西、近南北向的断裂体系，也是研究区构造裂缝形成的主要时期。构造裂缝定量预测在构造应力场模拟的基础上，基于岩石破裂准则，通过建立构造应力与岩心裂缝密度之间的定量关系式，对构造裂缝发育情况进行预测。构造应力场数值模拟有限单元法模拟构造应力场包括地质模型建立、岩 石 力 学 参 数 确 定 以 及 边 界 条 件 设 置 等步骤。以南川地区五峰组底面构造图作为底图建立地质模型，覆盖区内主要构造部位及断层，并对断层做了一定的简化处理。采用节点三角形单元进行离散划分，近断层区域人工划分，其他区域自由划分。根据叠前反演得到的弹性模量和泊松比分布规律，将研究区正常地层分为个区域。断裂带区域弹性模量取值约为正常地层的，泊松比取值比正常地层大 。构造应力场研究的难点是确定边界条件。通过野外实测点的共轭剪节理数据和声发射实验数据，确 定 燕 山 中 期 最 大 水 平 主 应 力 方 向 约 为 ，取值为 ，燕山晚期最大水 平 主 应 力 方 向 为 ，水 平 主 应 力 为 。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。利用 软件完成了期构造应力场的模拟。将模拟得到的应力值与实验数据加以比较，数据对比 见 表。相 对 误 差 不 超 过，模 拟 结 果可信。表南川地区最大水平主应力模拟结果与声发射实验数据对比 构造期次样品编号最大水平主应力 模拟值实验值相对误差燕山中期 燕山晚期 南川地区燕山中期最大水平主应力为 ，井所处的平桥背斜核部及东南部斜坡区的应力值相对较低，为 ，其他地区应力值较大，高值范围为 ，如图所示。断层端点对最大水平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 及 井小断层附近表现为应力集中区，应力值达到 ，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。最大水平主应力方向为北北西南南东向，约为 ，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；断层端部应力方向的偏转幅度相对较大，为 。燕山晚期最大水平主应力为 ，明显较燕山中期偏小，平面分布规律与其相似。图所示为南川地区燕山晚期最大水平主应力大小和方向。断层附近应力值比周围区域低，最低为 。平桥背斜核部为应力低值区，为 ，往背斜两翼逐渐增大，且 井所处的平桥背斜东翼非常规油气油气勘探 高于西翼。西部向斜区为应力高值区，应力整体上大于 。除此之外，在袁家沟断层端点和平桥东断层交叉处均形成了较小范围的应力集中。最大水平主应力方向为近东西向，约为 ，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。受先存的北东走向断层和该时期南北走向断层影响，最大水平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 。图南川地区燕山中期最大水平主应力大小和方向 图南川地区燕山晚期最大水平主应力大小和方向 构造裂缝定量预测按照裂缝的力学性质分类，研究区多发育剪切裂缝，可采用库伦莫尔破裂准则对剪切裂缝进行判定。剪破裂系数可以定量预测剪裂缝的发育程度，表达式为：（）（）（）式中：为最大主应力，；为最小主应力，可通过构造应力场数值模拟得到；为岩石内摩擦角，；为岩石粘聚力，可通过三轴实验获得。通过上述构造应力场模拟得到了每个点的应力状态，即和。岩石内摩擦角为 ，岩石粘聚力为 ，利用式（）计算出剪破裂系数。引入综合裂缝系数，建立剪破裂系数与岩心裂缝密度之间的转换关系，来判别裂缝的发育程度。为，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 计算公式为：.（）式中：为燕山中期剪破裂系数，无量纲；为燕山晚期剪破裂系数，无量纲。图所示为南川地区五峰组龙马溪组裂缝系数分布。式（）预测结果表明，南川地区五峰组龙马溪组裂缝系数为 ，受褶皱及断层共同控制。平桥背斜正向构造区裂缝较为发育，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，一般为，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，页岩气高产受构造裂缝影响较大。平桥背 年月刘明等：南川地区页岩储层构造裂缝特征及其定量预测斜裂缝裂缝发育程度高，有效性最好，天然气产量最高。如 井，预测裂缝系数为 ，成像测井识别高阻缝 条，测试日产气为 。井位于平桥背斜南部斜坡区，预测裂缝系数为 ，成像测井识别高阻缝 条，测试日产气为 。井位于东胜背斜，预测裂缝系数为 ，成像测井识别裂缝条，测试日产气为 。位于工区南部的 井，成像测井结果显示裂缝发育较少，预测裂缝系数为 ，两者存在偏差。该研究采用的是基于平面的二维构造应力场模拟，利用口井的岩心裂缝密度进行拟合，因此得到的系数仍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的研究重点。图南川地区五峰组龙马溪组裂缝系数分布图 结论）南川地区五峰组龙马溪组主要发育期构造裂缝，第期裂缝为北东走向，形成于燕山中期，最大水平主应力方向为北北西南南东向，应力值为 ；第期裂缝为北西走向，形成于燕山晚期，最大水平主应力方向为近东西向，应力值为 。）构造裂缝分布受褶皱及断层共同控制，背斜区及断层端部裂缝发育程