川西彭州地区雷四段储集层构造裂缝特征及定量预测

2022-09-20谢强李皋彭红利何龙龚汉渤

新疆石油地质 2022年5期

谢强，李皋，彭红利，何龙，龚汉渤

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.中国石化西南油气分公司石油工程技术研究院，四川德阳 618000）

近年来，川西彭州地区中三叠统雷口坡组雷四段发现多个天然气藏，成为继普光气田和元坝气田之后的又一重要气田[1]。雷四段储集层天然裂缝发育，是油气运移的主要通道。然而，裂缝使储集层结构复杂化，给勘探开发带来诸多挑战[2]。如对储集层裂缝分布特征认识不清，会对钻井、完井施工和后期储集层增产改造造成影响。因此，开展雷四段储集层裂缝研究对后期气藏勘探开发具有重要意义。

储集层裂缝研究由来已久，形成了许多研究方法。如通过观测和描述露头区，能够分析各构造样式下裂缝的发育特征[3]；在岩心上进行裂缝标定，能直接获得裂缝发育位置和强度[4]；结合岩石薄片和成像测井资料可以明确储集层裂缝特征、形成期次和控制因素[5-6]；通过测井资料分析和地震资料蚂蚁体追踪，能对储集层裂缝进行识别，明确裂缝发育带的分布位置[7-8]。此外，通过构造主曲率分析，能够对裂缝进行定量表征和预测，前人运用构造曲率法对安达地区火山岩储集层构造裂缝进行了定量预测，预测结果为后期气藏开发提供了依据[9]；通过分析最大构造曲率、煤层厚度和裂缝间距之间的关系，构建了预测煤层渗透率的数值模型[10]。同时，一些学者通过构造应力场数值模拟，结合岩石破裂准则，对储集层构造裂缝进行了定量预测，明确了储集层构造裂缝的分布规律，对储集层后期勘探开发具有指导意义[11-14]。

相关学者采用上述方法对彭州地区雷四段储集层裂缝开展了研究。研究表明，彭州地区构造活动强烈，储集层裂缝以构造裂缝为主，其发育受局部构造、岩性、岩层厚度等因素控制[15-17]。然而，针对雷四段储集层构造裂缝分布的系统研究仍然较少，制约了雷四段气藏的高效开发。本文通过露头、岩心和岩石薄片观测，明确了雷四段储集层构造裂缝的相关特征，利用有限元方法对构造裂缝形成关键时期的构造应力场进行了数值模拟，并结合岩石破裂准则和弹性应变能，对构造裂缝进行了定量预测，为彭州地区雷四段气藏的勘探开发提供依据。

1 区域地质背景

研究区主体位于龙门山前构造带南部，夹持于彭县和关口2 条规模较大的逆断层之间。彭县断层位于龙门山前构造带的南翼，关口断层位于北翼，两者都呈北东—南西向展布，断层面倾向为北西向，断层延伸长度分别约为60.0 km 和150.0 km。此外，龙门山前构造带主体部位还发育延伸长度小于2.5 km 的层间小断层，这些断层共同组成彭州地区网状输导体系[18]。在2个大断层之间发育金马—鸭子河次级构造和石羊场次级构造（图1）[18]。其中，金马—鸭子河次级构造为断背斜，处于龙门山前构造带的中部，石羊场次级构造为短轴背斜，处于龙门山前构造带的南部，2 个次级构造都为北东—南西向。在整个地质历史发展过程中，四川盆地构造运动强烈，龙门山前构造带经历了多次构造运动。自印支运动晚期开始，龙门山前构造带就具有大型正向构造雏形，在燕山运动期进一步发展，形成龙门山前陆薄皮构造带及前陆磨拉石盆地，并于喜马拉雅运动期进一步演化，形成现今的构造格局[18-20]。受构造运动影响，彭州地区雷口坡组为局限海台地相沉积，储集层岩性以石灰岩和白云岩为主，夹杂盐岩和石膏[20]。构造演化表明，在喜马拉雅运动期，印度板块向欧亚板块俯冲碰撞，青藏高原隆升，引起强烈的边缘效应，龙门山一带发生了强烈的逆冲推覆构造运动，该时期是构造裂缝发育的主要时期[18-19]。

2 构造裂缝特征及形成时期

2.1 裂缝类型和特征

彭州地区雷四段储集层构造裂缝发育程度较高，以剪切裂缝和层理缝为主，张性裂缝较少（图2），剪切裂缝呈现长短不一的“X”字形。裂缝平面延伸长度主要为10～70 m，少数裂缝延伸超过100 m。构造裂缝密度主要为5～10 条/m，一般不超过15 条/m。裂缝走向主要为北东—南西向、北西—南东向、近南北向和近东西向，裂缝发育程度依次降低。根据裂缝倾角大小，将其划分为低角度裂缝（小于30°）、斜交裂缝（30°～60°）以及高角度裂缝（大于60°）[15,17,21]。低角度裂缝发育程度最高，占比约为50.2%，但分布较为杂乱（图3a）；斜交裂缝约占35.3%，主要为北东—南西向，其次为近南北向（图3b）；高角度裂缝发育程度较低，占比约为14.5%，裂缝走向为近东西向、北东东—南西西向和北西—南东向的裂缝发育程度依次降低（图3c）。储集层内多数北东—南西向和北西—南东向的裂缝被完全充填或部分充填，充填物主要为方解石、泥质、有机质等。同时，可见少量近东西向的裂缝被部分充填，说明了近东西向的裂缝为多期形成，早期形成的裂缝受成岩作用的影响而被充填。通过岩石薄片观察，可见未充填的裂缝切割充填裂缝，进一步证实了储集层发育多期裂缝，晚期裂缝对早期裂缝进行改造。

2.2 裂缝形成时期

由于多期构造作用的影响，彭州地区雷四段发育多种裂缝[16]。对构造演化、埋藏史和裂缝充填情况进行分析发现，雷四段构造裂缝发育阶段主要包括印支运动晚期Ⅱ幕、印支运动晚期Ⅲ幕—燕山运动中期、燕山运动中—晚期以及喜马拉雅运动期[16-17]（图4）。其中，印支运动晚期Ⅱ幕形成的构造裂缝数量相对较少，该期不是研究区裂缝形成的主要时期；在印支运动晚期Ⅲ幕—燕山运动中期，受断裂影响，研究区形成的裂缝主要为北东—南西向的高角度裂缝和斜交裂缝，以及顺层滑脱产生的低角度剪切裂缝；燕山运动中—晚期研究区继续发育一系列顺层低角度剪切裂缝和主要受彭县断层影响的构造裂缝，裂缝走向为北东—南西向、近东西向及北西—南东向；喜马拉雅运动期，龙门山继续强烈抬升，形成了以北东—南西向及近东西向为主的高角度裂缝及低角度剪切裂缝[15，22-23]。从图4 可以看出，前3 个阶段形成的构造裂缝，受成岩作用影响，大部分被充填；进入喜马拉雅运动期后，成岩作用减弱，新形成的构造裂缝未被充填。同时，喜马拉雅运动期，油藏在深埋和高温条件下，原油裂解形成天然气藏，此时形成的未充填构造裂缝成为了油气主要的运移通道和储集空间[24]。因此，重点关注喜马拉雅运动期形成的构造裂缝，明确其分布特征，对后期勘探开发更具意义。

3 构造裂缝定量预测

构造裂缝的形成与构造活动密切相关。因此，恢复构造裂缝形成时期的构造应力场十分必要。正如前文所述，喜马拉雅运动期形成的构造裂缝是关注的重点，对此，采用有限元方法模拟了喜马拉雅运动期的构造应力场，并基于岩石破裂准则和弹性应变能对彭州地区雷四段构造裂缝进行了定量预测。

3.1 构造应力场数值模拟

根据彭州地区雷四段构造等值线建立了研究区构造模型。基于室内岩石力学实验结果和研究区测井资料，确定了雷四段储集层静态与动态弹性模量的关系（图5）。因此，以测井资料计算并转换的静态弹性模量以及岩石力学实验得到的密度和泊松比作为雷四段的岩石力学参数。

断裂带与地层之间存在差异，会影响数值模拟的结果，因此需要定义断裂带的岩石力学参数。根据多个油田的实践，断裂带的泊松比稍大于对应的地层，其他岩石力学参数一般为周围地层的60%[14,25]。因此，在构造应力场数值模拟中采用的岩石力学参数如表1所示。

表1 彭州地区雷四段构造模型岩石力学参数Table 1.Rock mechanical parameters of the structural model for Lei4 member in Pengzhou area

施加在构造模型边界上的力包括水平构造应力、上覆岩层压力和模型自重力[14]。构造模型的重力依据岩层的密度和重力加速度计算得到。根据裂缝形成期次和共轭剪切裂缝的走向，确定了喜马拉雅运动期的最大水平主应力方向为近东西向，最小水平主应力为近南北向。岩石声发射实验测得喜马拉雅运动期的最大水平主应力为131.2 MPa，最大水平主应力约为最小水平主应力的1.5倍。因此，在构造模型从西向东和从南向北分别施加131.2 MPa和87.5 MPa的应力，并分别在构造模型东侧、北侧以及底部进行约束。

利用COMSOL 有限元软件模拟了喜马拉雅运动期的构造应力场（图6）。从图6可以看出，喜马拉雅运动期雷四段最小水平主应力为72.30～106.50 MPa，最大水平主应力为126.00～183.47 MPa，差应力为48.51～92.46 MPa。研究区南缘和PZ113 井以北应力较大，中部为背斜高点，应力普遍较小。同时，由于断裂带的应力得到释放，应力相对较小。将构造应力场模拟结果与岩石声发射实验数据进行比较（表2），发现两者的相对误差小于15%，说明模拟结果可靠。

表2 彭州地区雷四段构造应力场模拟结果与岩石声发射实验数据对比Table 2.Comparison between the simulation results of tectonic stress field and the data from rock acoustic emission experiment for Lei4 member in Pengzhou area

3.2 构造裂缝定量预测

根据构造应力场数值模拟结果，结合岩石破裂准则和弹性应变能定量预测雷四段构造裂缝的分布。雷四段储集层同时发育张裂缝和剪切裂缝，因此，采用格里菲斯破裂准则和摩尔-库伦准则分别对张裂缝和剪切裂缝进行判定[26]：

根据露头和岩心观测发现，研究区雷四段储集层张裂缝约占15%，剪切裂缝约占85%，通过加权计算得到了彭州地区雷四段储集层的岩石综合破裂系数：

根据断裂力学的相关理论，岩石中的弹性应变能也影响着裂缝的发育，从另一个角度反映了裂缝的发育程度[27]。岩石中的弹性应变能可以用主应力表示：

一般认为，在岩石综合破裂系数大于1 时，岩石发生破裂，弹性应变能越大，岩石发生破裂的概率越大。因此，根据岩心和成像测井统计的构造裂缝密度，采用最小二乘法拟合得到了岩石综合破裂系数、弹性应变能以及构造裂缝密度之间的关系：

根据（5）式，利用COMSOL 有限元软件得到了彭州地区雷四段构造裂缝密度的预测结果（图7）。为了验证预测结果的合理性，利用岩心和测井资料统计构造裂缝密度与预测结果进行对比（表3）。结果表明，预测构造裂缝密度与实测构造裂缝密度的绝对误差较小，两者的相对误差为4.2%～10.7%，说明预测结果可靠。

表3 彭州地区雷四段构造裂缝密度误差分析Table 3.Error analysis of structural fracture density in Lei4 member in Pengzhou area

从图7 可以看出，断裂带裂缝最为发育，预测构造裂缝密度远大于15 条/m；雷四段构造裂缝发育程度总体较低，主要为5～11 条/m。此外，研究区南缘和PZ113 井以北区域裂缝的发育程度相对较高，预测构造裂缝密度大于10 条/m；研究区中部为一背斜高点，其裂缝发育程度较低，预测构造裂缝密度为5～8条/m。研究区裂缝的分布特征和预测差应力的分布特征一致，也从另一个角度验证了构造裂缝数值模拟结果的可靠性。通过岩心裂缝统计结果和构造裂缝数值模拟结果对比发现，位于背斜高点的6-2D 井、8-5D 井和Y1 井的构造裂缝密度相对较小，而位于背斜翼部的PZ113 井和4-2D 井的构造裂缝密度相对较大，说明了研究区裂缝的分布由构造位置和断层共同控制。