渝东南南川地区五峰组—龙马溪组页岩气层地应力数值模拟及有利区预测

刘 明,杨瑞青,杨风丽,刘昊娟,张志萍,王 玮,户盼盼

1.中国石化 华东油气分公司 勘探开发研究院,南京 210000;2.同济大学 海洋与地球科学学院,上海 200092

南川地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气资源丰富[1],但受中新生代以来多期构造应力的叠加作用[2-6],导致南川地区现今地应力复杂、方位变化快,给页岩气开发带来了很大的难度。因此,采用有效的应力场预测模拟方法,对南川地区页岩气应力场进行预测研究,是提高该区页岩气产能与优化压裂方案制定的首要任务之一。

截至目前,地应力预测已经形成了多种研究方法[7-8],为应力场研究提供了较好的支持。在众多方法中,有限元数值模拟,无疑是应力场研究广泛且有效的研究手段之一,目前该方法已应用于板块碰撞、大陆形变、地震、页岩气、油气运移等不同构造尺度上的多个领域[8-11]。在南川及周缘地区,前人也采用有限元数值模拟计算方法,对页岩气分布进行了一定的预测研究,如丁文龙等[12]对渝东南地区下志留统龙马溪组开展了应力场模拟,进行了页岩储层裂缝的分布预测;李东东[13]对渝东南周缘武陵山区晚燕山期—喜马拉雅早期不同时期的构造应力场进行了模拟分析;张斗中等[8]利用ANSYS软件对南川地区龙马溪组现今应力场进行了有限元数值模拟等。

虽然前人的研究取得了一定成效,但我们也注意到,由于普遍采用的有限元模拟软件,多是以力学理论为基础的模拟方法。而SHELLS有限元应力场模拟方法[14-16],作为一种基于地质力学、流变学、地壳均衡等原理来进行构造应力场模拟的有效方法[17],针对复杂地质背景或深埋地下的区域,往往具有较好的模拟效果。该方法目前已广泛应用于美国加州[17]、新西兰[18]、非洲[19]以及中国下扬子—南黄海地区[20-21]、南海[22]和辽东湾盆地[23-24]等地区的区域应力场模拟研究中,并取得了很好的成果。

由此,本次研究将SHELLS有限元应力场模拟方法引入到南川地区页岩气的研究中,通过SHELLS应力场数值模拟,明确五峰组—龙马溪组应力场分布,为南川地区五峰组—龙马溪组页岩气的进一步勘探开发提供依据。

1 南川地区地质概况

南川地区位于华南陆块内部,在大地构造位置上,南川地区既属于四川盆地盆缘过渡带,又属于川东—湘鄂西褶皱带(图1)。特殊的构造位置,决定了研究区在地质演化过程中构造作用的复杂性。已有研究资料表明,研究区在现今整体处于太平洋板块、印度板块的推挤和西伯利亚、菲律宾板块约束的地球动力学背景控制下[25-28],其东侧主要受川东—湘鄂西褶皱带自SE向NW的远程传导挤压作用[29-32],西侧受龙门山自NW向SE的褶皱—冲断作用[33-34]、北侧受大巴山构造带由NE向SW的扩展作用[32,35];南侧受大娄山由SW向NE的挤压作用[36]控制。在这种多向、应力复合叠加作用下,不但形成了现今隆坳相间的地质面貌(图2),也控制和影响了深部五峰组—龙马溪组断裂与构造的发育。

图2 南川地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组断裂分布

通过对研究区3D地震资料的精细解释可知(图2),区内以发育逆冲断裂和褶皱为特征,其中大部分逆冲断裂(如龙济桥断裂、平桥西断裂、平桥东1号断裂、平桥东2号断裂等)和褶皱(东胜背斜、平桥背斜)主要呈NE-SW向展布,仅在研究区东部和西部地区发育2条近SN向逆冲断裂(阳春沟断裂、大千断裂),揭示出研究区总体应力方向的复杂性。

2 SHELLS有限元应力场数值模拟

2.1 原理与方法

SHELLS有限元应力场模拟方法,以模拟时期的断裂体系、深部结构为约束,遵循非线性流变学、地壳均衡原理,在地学、力学、几何学等多学科交叉限制下验证推演[14-16],可适用于不同的区域板块构造背景(离散、会聚、走滑)下的应力场、应变场及速度场研究[17-24]。SHELLS模型的基本原理满足以下条件和方程:

(1)构造应变方程。在小应变前提下,材料形变满足虚功原理:

δUs=δVi+δVf

(1)

式中:δUs为内力所做的虚功,δVi为体力所作的虚功。δVf为节点接触力所作的虚功。

(2)热应变方程。根据小应变前提下,满足热应变能守恒:

(2)

(3)流变学原理。以岩石介质的不可压缩性和垂向热导率不变为假设前提,SHELLS模型遵守流变学理论[18],在地壳及上地幔岩石中满足[37]:

ε=Aσnexp(-Q/RT)

(3)

式中:ε为应变速率;σ为应力差;R为气体常数;Q为蠕变活化能;A,n为实验常数。

根据以上公式可以进而推导出流变应力(蠕变强度)公式:

(4)

在以上原理的基础上,可根据SHELLS模型计算并预测研究区的应力场性质及展布特征,并与实测结果进行对比验证[18]。

2.2 模拟过程及参数赋值

2.2.1 模拟过程

模拟过程总体分5步。(1)构造图数字化:对研究区五峰组—龙马溪组构造图进行数字化处理;(2)有限元网格化:运用SHELLS软件将数字化的构造图进行有限元网格化处理;(3)对有限元节点等元素进行模拟参数(热流、地形、岩石物性等)赋值;(4)进行SHELLS软件模型计算;(5)经反复校验合理后,输出模拟成果图件。

2.2.2 模拟参数赋值

合理正确的模拟参数赋值是成功的关键。SHELLS应力场模拟共需要5类参数赋值,分别是断裂、热流值、地形、岩石物性参数和边界条件。本次研究在对南川地区所需参数收集和详细分析的基础上,对南川地区五峰组—龙马溪组模拟参数进行了赋值。

(1)断裂:以研究区3D地震资料解释获得的五峰组—龙马溪组构造图为基础(图2),进行断裂参数名称、性质、走向、倾向等的描述和赋值(表1)。

表1 南川地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组主要断裂特征

(2)热流:基于南川及周缘地区大地热流值,以前人研究成果为基础[38],确认出的南川地区大地热流值为47 mW/m2。

(3)地形:地形参数主要根据现今海拔数据来确定和赋值(数据源自91卫图APP),南川地区地形(海拔)由西到东在433～1 690 m之间变化。

(4)岩石物性:SHELLS应力场模拟需要对断裂赋予相应的岩石物性参数。在使用了南川地区及华南前人对岩石圈最大深度、平均岩石密度、热导率岩石物性参数研究成果基础上[39-41],对其他断裂摩擦系数、孔隙水密度、平均岩石密度、热膨胀系数等一系列参数主要采用了普遍认可的常量赋值(表2)。

(5)边界条件

边界条件的设置涉及到边界方向和大小两方面。边界方向基于中国大陆GPS速度场方向[42]和研究区所在的现今地球动力学背景下受到的川东—湘鄂西、龙门山、大巴山、大娄山等多向应力挤压方向综合分析后确定。边界条件的数值大小赋值则基于中国大陆GPS速度场[42]和研究区平衡剖面[43]获得数值大小基础上,经过多次的模拟实验对比分析后,获得了最合适的边界条件形变速率(0.002 36 mm/a)。具体的边界条件设置见表3,图3。

表3 南川地区SHELLS应力场模拟边界条件设置

图3 南川地区SHELLS应力场模拟边界条件设置

3 模拟结果与有利区预测

SHELLS应力场模拟可以获得7类成果图件,包括最大水平主应力方向、块体应变率、断裂滑移速率、块体运移速率、垂向综合差异应力量、地壳及岩石圈厚度等。本次主要选用对解决研究区问题比较明显的前3类成果图件进行分析。

3.1 模拟结果

3.1.1 最大水平主应力方向

最大水平主应力方向代表了地块的运动方向、板块内部的缩短方向以及裂谷的走向,可分为伸展、走滑和逆冲3种应力体制,分别对应正断层、走滑断层和逆断层[44]。

研究区现今最大主应力方向模拟结果表明,最大主应力以挤压应力为主,总体上存在NW-SE、NE-SW、近EW和近SN四个主应力方向和相应所在的区域(图4)。其中:① NW-SE向区域:主要分布于平桥背斜东翼以东地区,最大主应力方向与断层夹角较大,夹角近90°。② NE-SW向区域:主要分布在平桥背斜西翼、东胜背斜和龙济桥断裂西侧,最大主应力方向与断层夹角较小。③ 近EW向区域:主要分布在龙济桥断裂南部和阳春沟断裂北侧,最大主应力方向与断层夹角较大。④ 近SN向区域:主要分布在阳春沟断裂南侧以东,最大主应力方向与断层夹角较小。

图4 南川地区最大水平主应力方向模拟结果与分区

3.1.2 块体应变率

块体应变率代表单位时间应变的变化量,通常有张应变、扭应变和压应变3种基本情况。在SHELLS应力场模拟软件的成果图中,通常用张应变率、扭应变率和压应变率3种不同形式的图标指示不同的应变率状态,图标大小代表应变率大小。

南川地区块体应变率模拟结果显示,虽然整体以压应变为主,但应变率的大小和展布的趋势方向存在较大差别,基本上可以分为3个区:(1)低应变率区:应变率数量级别小于等于-18,性质以压应变为主,方向以NE-SW为主,主要分布平桥背斜东部;(2)中应变率区:应变率数量级别在-18～-17.6之间,性质以压应变和压扭应变为主,方向包括NW-SE、NE-SW、EW向和SN向,主要分布在平桥东二号断裂以东、东胜背斜、平桥背斜、龙济桥断裂和阳春沟断裂之间的部分地区和阳春沟地区南部区域;(3)高应变率区:低、中应变率区以外的地区,应变率数量级别普遍在-17.6以上,性质为压应变,方向包括NW-SE、NE-SW和SN向(图5)。

图5 南川地区块体应变率模拟结果与分区

3.1.3 断裂滑移速率

断裂滑移速率是单位时间内的断裂滑动位移量,单位为mm/a。在SHELLS应力场模拟软件成果图中,以不同颜色代表不同的断层性质,以颜色宽度代表滑动速率的大小。

研究区断裂滑移速率模拟结果显示(图6),总体滑移速率范围在0～0.001 2 mm/a之间,以逆断层为主。其中,阳春沟断裂滑移速率为研究区最高,达到0.001 2 mm/a;其他断裂滑移速率普遍偏低,在0～0.000 27 mm/a之间。这些断层滑移速率的差异,揭示出虽然外边界作用力相同,但内部断裂的运动速率是存在大小差别的。

图6 南川地区断裂滑移速率模拟结果与分区

总的来说,南川地区应力场模拟结果显示出了该地区应力场复杂,内部变化快的特征。

3.2 模拟结果与实测结果比较

3.2.1 最大水平主应力方向

将模拟结果与研究区13口实测钻井主应力方向对比结果显示,总体上具有85%的基本一致性(图5)。其中:模拟方向与钻井实测值方向完全一致的井有3口(JY194-3、JY10-10、SY1)(表4),主要分布在平桥背斜和东胜背斜南部区域;误差范围在5°～10°的井有4口(JY8、JY10、SY3、SY5),主要分布在平桥背斜和阳春沟区域;误差范围在11°～18°的井有4口(NY1、JY11、JY201、SY13-3),主要分布在龙济桥断裂以西、东胜背斜北部和平桥背斜东翼区域;误差在20°以上的井有2口(SY2、SY9-1),主要分布在龙济桥断裂和袁家沟断裂之间区域,分析原因可能与这两口井正好处于NW与NE向2种应力转换交接处,SHELLS软件分辨率难以达到所致。

表4 南川地区SHELLS应力场模拟结果与钻井实测值对比

3.2.2 块体应变率

现今GPS方法获得的华南黔渝地区应变率性质也以压应变为主,且数量级别也在-17～-18之间[45-46],这与南川地区模拟获得的结果相一致。不同之处在于,南川地区模拟获得的应变率趋势展布方向,在GPS观测结果中没有显示出变化,这可能与GPS观测的分辨率有关。

3.2.3 断裂滑移速率

尽管目前暂无关于研究区及周缘断裂滑移速率的研究成果报道,但分析认为,它与研究区(图2)及区域断裂发育的构造背景[31, 43, 47]是相符的。

通过对比可知,南川地区模拟结果的总体特征与实际相符。同时,以上对比分析揭示的模拟结果与实际结果的较高吻合性说明了本次SHELLS预测结果的实效性和可靠性。南川地区复杂和快速变化的地应力特征,可能是周缘复杂的应力环境、周缘基底的差异性、岩体自身的蠕变和应力松弛等因素共同作用的结果,最终造成了研究区内部最大主应力方向、块体应变率、断裂滑移速率等的复杂性和差异性。

3.3 有利区预测

模拟结果与研究区已知的钻探开发成果综合对比分析后发现,应力场对裂缝储层发育具有一定影响。最大主应力方向影响裂缝的开启性:最大主应力方向与旁侧断层夹角越小,裂缝的开启性越好,有利于页岩气富集;但若与断层距离过近,页岩气则易顺断层逸散;相关经验表明,最大主应力方向与旁侧断层夹角越小,且与断层距离大于2 km,对于页岩气裂缝储层发育越为有利。而块体应变率和断裂滑移速率则影响了裂缝的数量和形态:在高应变速率和高断层滑移速率下,较高的应力强度往往会形成走向单一断层或裂缝,造成页岩气逸散或裂缝储层的储集能力差;而在中低应变率和低断层滑移速率下,更易形成数量较多、形态复杂的网状裂缝,有利于页岩气裂缝储层发育。总体上,页岩气裂缝储层有利发育区与构造裂缝的开启性程度、数量、形态等息息相关。

由此,我们对南川地区页岩气储层有利发育区进行了评价(表5),预测出Ⅰ、Ⅱ两类裂缝储层发育有利区块(图7)。Ⅰ类裂缝储层发育有利区块15个,分别位于:大千断裂和青龙乡断裂以南(1个)、平桥背斜东翼(3个)、平桥背斜(4个)、东胜背斜(2个)、龙济桥断裂南部(2个)、龙济桥断裂与阳春沟断裂之间(2个)、阳春沟地区南部(1个),代表了区域裂缝开启性好、裂缝发育保存条件好的特点;Ⅱ类裂缝储层发育区块,则代表该区域具有裂缝开启性较好、或裂缝密度较大的发育特征。

表5 南川地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气有利区预测原则

图7 南川地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组应力场页岩气有利区预测

该预测结果将对南川地区五峰组—龙马溪组页岩气勘探及其开发过程中的产能与优化压裂方案制定具有重要的指示意义。

4 结论

(1)南川地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组断裂发育,断裂特征明显。断层性质为逆断层,主断层以NE-SW向和近SN向为主,次断层总体在走向上与主断层平行发育。

(2)研究区现今最大主应力以挤压应力为主,总体上存在NW-SE、NE-SW、近EW和近SN四个主应力方向;现今应变率整体以压应变为主,存在低应变率(数量级别≤-18)、中应变率(数量级别介于-18～-17.6之间)和高应变率(数量级别≥-17.6)3个区域及其相应的NE-SW、NW-SE、SN和EW不同展布方向;现今断裂滑移速率总体以逆断层为主,范围介于0～0.001 2 mm/a之间,最高达到0.001 2 mm/a。

(3)基于模拟结果与已知钻探成果综合对比分析基础上,从应力场模拟成果揭示出的裂缝开启性、裂缝发育信息,对研究区页岩气裂缝储层有利发育区进行了评价,预测出Ⅰ、Ⅱ两类裂缝储层发育有利区块。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’Contributions

刘明、刘昊娟和张志萍提供资料数据;刘明、杨瑞青、杨风丽,户盼盼和王玮共同参与论文写作和修改;所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The profile and data were provided by LIU Ming, LIU Haojuan and ZHANG Zhiping. The manuscript was drafted and revised by LIU Ming,YANG Ruiqing, YANG Fengli,HU Panpan and WANG Wei. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.