鄂西荆门地区志留系龙马溪组古构造应力场研究及裂缝预测

张斗中, 陈孔全, 汤济广, 庹秀松, 马 帅

1)长江大学地球科学学院, 湖北武汉 430100; 2)长江大学非常规油气省部共建协同创新中心, 湖北武汉 430100

古构造应力场是由古构造应力作用形成, 控制着地层的构造变形、断层和构造裂缝的发育。由于页岩自身特性, 构造裂缝成为了页岩气重要的运移通道和聚集空间(Tingary et al., 2009; Hennings et al.,2012)。研究构造裂缝对预测页岩气富集区, 开发过程中井位部署、开发方案的制定与调整、压裂方案的设计等提供了科学支撑(丁文龙等, 2016; 王珂等,2017)。20世纪60年代, 国内外学者开始了对构造裂缝的研究, 至今已有60多年的历史, 对于构造裂缝预测研究已取得了诸多成果(McLennan et al.,2009; 刘冬冬等, 2019)。如利用声波时差、电阻率等测井资料, 计算储层中孔隙度、裂缝开度的测井分析法; 能直接识别井下裂缝, 裂缝性质、期次和成因的成像测井技术; 通过地震资料反演手段, 获取储层中裂缝的属性的地震预测技术; 基于构造解析, 构造演化, 恢复古构造应力特征, 从力学成因角度, 预测裂缝分布规律的构造应力场数值模拟(Wu et al., 2017; 任浩林等, 2020)。这几种方法也都存在着优缺点, 测井分析技术、成像测井技术, 能很好的分析钻井区域的裂缝属性, 却无法预测区内的裂缝分布; 地震预测技术则受地震资料品质的约束, 复杂构造内的裂缝预测精度大大降低; 构造应力场数值模拟技术则受制于基础资料的品质, 但该方法以地质力学理论为基础, 能较好的应用于裂缝发育程度评价(刘畅等, 2019)。随着研究的深入, 发现常规储层对构造裂缝发育特征要求并不能很好的应用于页岩储层中。页岩储层存在自生自储的特性,岩层中的裂缝密度较大, 会使得裂缝互相连通, 易造成页岩气藏的逸散。而裂缝密度较小, 则储存空间不足, 页岩气聚集量少。因此在页岩中的构造裂缝需达到“破而不裂”程度, 才更有利于页岩气的聚集。

前人对荆门地区的研究多集中于区域上的沉积环境、构造特征、储存特征和页岩气保存条件分析(陈孝红等, 2018; 邓铭哲等, 2018; 王涛利等, 2018;陈孔全等, 2020; 罗胜元等, 2020; 李小明等, 2022)。对区内构造应力场和构造裂缝分布没有系统的研究。因此本文以精细构造解析为基础, 结合岩石声发射实验, 利用有限元数值模拟技术, 解析构造应力场的分布特征, 基于岩石破裂准则, 分析构造裂缝的分布规律。结合开发现状, 进一步探讨页岩中岩石破裂系数与裂缝发育区的关系。以期对中国南方页岩气的开发工作提供一定的理论依据。

1 地质背景

荆门地区位于中国南方中扬子地区的中北部,北接巴洪冲断背斜带, 南邻宜都—峰背斜带, 西靠黄陵隆起, 东邻乐乡关—潜江复背斜, 主体范围位于当阳复向斜西翼。自印支期以来受多期、多方向构造的叠加与复合, 呈现出复杂而有序的构造面貌。研究区主体位于当阳复向斜内部, 整体处于北部秦岭造山作用形成的弧形带内(图1a)。区内钻井揭示富有机质页岩储层实测含气量较高, 页岩气富集条件优越。其中J101井暗色泥页岩厚60.9 m, 全烃含量最高达2.13%, 含气量最高有1.4 m3/t; J102井褐色页岩60 m, 含气页岩23.2 m, TOC平均为3.0%, 含气量最高2.2 m3/t。勘探结果显示, 宜昌斜坡带区奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组处于深水-浅水陆棚相, 优质页岩埋深适中, TOC在2.9%～3.51%之间, 热演化程度在2.61%～2.85%之间,有机质类型稳定, 为页岩气成藏提供了充足的物质基础(翟刚毅等, 2017; 柳吉荣等, 2021)。

图1 荆门地区构造位置图Fig.1 Structural location map of Jingmen area

当阳复向斜主体沿北北西向展布, 早期受大别山造山向西挤压的影响, 当阳复向斜地区发育多条NNW向基底逆冲断层, 形成逆冲背斜和后缘向斜。之后又受到秦岭造山向南的逆冲推覆作用, 区内发育近EW向和NW向基底逆冲断层, 晚期由于应力松弛, 通城河断层上盘的当阳复向斜沿着断层向下移动, 发生负反转, 使得通城河断层呈现为正断层性质, 同时东部形成远安正断层, 在中间处形成远安地堑(董树文等, 2010; 徐天鑫, 2020; 王步清等,2022)。XX’地震剖面显示, 当阳复向斜为宽缓向斜,北部向斜核部被北西向断层——板桥—马河断层破坏, 南部向斜核部完整, 断层不发育, 而翼部被断层破坏(图1c)。当阳复向斜地区构造变形主要受两期构造应力场控制: 中燕山早期近东西向挤压和中燕山晚期近南北向挤压。其断裂特征表明区内发育高角度基底冲断作用(南荆断层)、逆冲推覆-走滑作用(板桥—马河断层)、走滑作用(雾渡河断层)、压扭作用、伸展作用(远安断层)、构造反转作用(通城河断层), 形成了现今断层展布特征。研究区位于当阳复向斜西翼, 构造上是东向西逐渐变浅的斜坡(图1b)。

2 古构造应力场解析

在秦岭—大别陆内造山所引起的递进变形、多层系的差异滑脱、黄陵隆起的阻挡作用以及北西向走滑断层的差异改造下, 荆门地区形成多构造体系的复合与联合, 从而造成了现在的复杂构造格局。

2.1 磷灰石裂变径迹证据

前人对当阳复向斜及周缘地区侏罗系锆石、磷灰石裂变径迹热史模拟显示: 其经历了155～90 Ma快速抬升阶段; 90～15 Ma缓慢沉降阶段; 15 Ma到现今快速抬升阶段(沈传波等, 2009; 施小斌等,2013)。表明当阳复向斜构造变形开始于中燕山期,其中快速抬升对应中燕山期强烈褶皱变形, 包含了大别造山自东向西、秦岭自北向南两期褶皱变形,90～15 Ma对应的是晚燕山的区域拉张作用, 沉积了白垩系地层, 而15 Ma到现今快速抬升则对应喜山期青藏高原形成导致的区域隆升(图2)。

图2 荆门地区及周缘磷灰石裂变径迹的热史模拟(据沈传波等, 2009; 施小斌等, 2013)Fig.2 Thermal history simulation of apatite fission tracks in Jingmen and its surrounding areas(from SHEN et al., 2009; SHI et al., 2013)

a—荆门地区及邻区地质图; b—荆门地区志留系龙马溪组底面构造图; c—测线X-X’地震解释剖面(TK—白垩系底界反射层;TT3—上三叠统底界反射层; TP1—下二叠统底界反射层; TS1l—志留系龙马溪组反射层; T—中寒武统底界反射层;T—下寒武统底界反射层)。
a-geological map of Jingmen and its adjacent areas; b-bottom structure map of Silurian Longmaxi Formation in Jingmen area;c-survey line X-X 'seismic interpretation section (TK-Cretaceous bottom reflector; TT3-Upper Triassic bottom reflector;TP1-Lower Permian bottom reflector; TS1l-Silurian Longmaxi Formation reflector; T-Lower Cambrian reflector;T-Lower Cambrian bottom reflector).

黄陵隆起花岗岩磷灰石裂变径迹样品模拟热史显示其经历了200～155 Ma缓慢隆升阶段;155～110 Ma快速抬升阶段; 110～25 Ma稳定阶段;25～16 MPa快速抬升阶段, 16 Ma至今稳定阶段。其中155～110 Ma快速抬升对应燕山期大别造山远程挠曲造成的剧烈隆升, 25～20 Ma至今快速隆升对应喜山期青藏高原形成导致的区域隆升, 表明黄陵隆起从印支期开始持续隆升, 且其变形时间早于当阳复向斜褶皱, 因此黄陵隆起比当阳复向斜形成时间早, 对当阳复向斜自东向西的变形具有阻挡作用。

2.2 古构造应力方向

古构造应力场控制着地层的构造形态, 因此一般可通过断层走向、褶皱走向、节理、片理等恢复古构造应力方向(苏金宝等, 2013; 陈鹏等, 2015)。为探讨宜昌地区的构造演化过程及确定主要构造变形时期, 需对区内节理进行古构造应力方向恢复,并与构造演化时序相匹配, 解析鄂西宜昌斜坡地区构造演化特征及动力学机制, 为古构造应力场模拟提供可靠依据。

野外观察节理面特征、充填情况及交切关系, 可以看出NNE、NEE、NNW、NE向节理面平直, 部分节理缝被方解石脉充填。野外观察结果可判断出NNE向和NEE向两组节理组成了一组X型共轭剪节理, NNW向和NE向节理组成一组共轭剪节理(图3)。

图3 荆门地区及周缘野外共轭剪节理露头照片Fig.3 Outcrop photos of conjugate shear joints in Jingmen area and its surrounding areas

通过对区域内一定数量的共轭剪节理统计与分析, 可确定该区域内的古构造应力方向。在研究区进行了野外地质调查, 共实测了173组节理数据,对节理数据进行地层复平后, 利用公式计算, 得出每组共轭剪节理的最大主应力方向(σ1)(图4a)。研究区东西两侧比较, 共轭剪节理裂缝密度变化为中间二叠系地层裂缝密度明显要比东西两侧地层发现的节理密度大; 其裂缝密度整体上由北向南逐渐减小。由此可知, 研究区的应力作用自南向北逐渐变小。恢复出各实测点裂缝形成时期的最大主应力方向(σ1)进行统计, 结果如下:

图4 荆门地区及周缘地区共轭剪节理数据处理Fig.4 Data processing of conjugate shear joints in Jingmen area and its surrounding areas

以白垩系地层(燕山运动结束)为界限, 对研究区南部、北部以及整体的两期裂缝密度占比进行统计。发现研究区内白垩系之前(燕山期)的地层裂缝密度约占整体数量的90%～93%; 白垩系之后(喜山期)的地层裂缝数量约占整体数量的7%～10%。可以看出, 研究区内的裂缝主要形成时间为燕山期。结合地震资料, 恢复构造演化过程可知, 区内裂缝主要形成于中燕山期(图4b)。通过恢复节理形成时期最大主应力方向统计得知, 中燕山早期形成的北西—南东向裂缝占比较小, 只占中燕山期形成裂缝数量的20%～26%; 而中燕山晚期形成的派生走滑裂缝数量较大, 占74%～80%(图4c)。

统计分析后得知, 最大主应力(σ1)有多期显示,表明了研究区内自中生代以来经历了多期构造活动,且构造应力作用方向差异较大。主要为: ①NE向(70°±10°)的挤压应力作用; ②近SN向(0°±10°)的扭压应力作用最为明显。

1)NE-SW向挤压应力场: 是大别山造山作用产生的向西挤压应力, 在挤压应力的作用下形成NE向与SW向相切而成的共轭剪节理, 最大主应力方向(δ1)为70°(±10°)。

2)近SN向挤压应力场: 是秦岭造山运动所带来的近南北向推挤过程中, 加上同时受西侧黄陵隆起阻挡产生的侧向挤压作用, 在研究区形成沿板桥—马河断层斜向推覆的逆冲-走滑构造, 在荆门地区形成近NNW向与NNE向的共轭节理最大主应力方向(δ1)为0°(±10°)。

2.3 古构造应力大小分期配套

如今测定古构造应力大小主要通过两种方法,一种是利用浅侧向电阻率曲线进行计算, 另一种则是通过岩石声发射实验, 利用岩石对构造应力的记忆, 通过声发射实验反应先前应力状态, 获取古构造应力数据(Kuhlman et al., 1993), 即Kaiser效应。本文主要是通过岩石声发射实验, 通过实验曲线出现的Kaiser点, 判断并获取古构造应力大小及期次数据, 结合构造演化时序, 对实验结果与区内构造运动时期进行配套处理(表1)。

表1 荆门地区岩石声发射实验数据与分期配套Table 1 Acoustic emission test data and staging of rocks in Jingmen area

志留系(A-6: S1ln)和三叠系样品(A-4: T2b3; A-5:T1dy2)数据结果共出现5个Kaiser效应点, 揭示了研究区自中生代(三叠系)以来主要经历了5期的构造应力作用。结合对荆门及周缘地区年代学和古构造应力方向的研究, 表明区内的主要构造变形期为中燕山晚期, 其次为中燕山早期。所以岩石样品记录的第二大构造应力值为中燕山早期的构造应力, 最大构造应力值为中燕山晚期的构造应力。晚燕山期,随着秦岭造山向南推覆作用的减弱, 该时期的构造应力在中燕山晚期基础之上逐渐减小。喜山期, 区内以地层隆升剥蚀作用为主, 局部发育少量剪节理缝。侏罗系中煤组地层(A-3: J1Xn2a)形成于中燕山时期, 导致样品只能记录中燕山期及之后的4期构造活动, 证明志留系(A-6)和三叠系样品(A-4、A-5)多记录的一期构造活动为早燕山期构造活动, 早燕山期研究区刚受到大别山造山向西的挤压作用, 地层未发生形变, 所受构造应力最小。白垩系罗静滩组地层(A-2: K2l)形成于晚燕山期, 该层系样品的实验结果, 则对应了晚燕山期和喜山期2期构造活动。第三系走马岭群组地层(A-1: Ezm)形成于喜山运动早期, 该层系样品记录了喜山期的构造活动(表1)。

综上所述, 中燕山早期(早侏罗世), 荆门地区受大巴山北东—南西向的逆冲推覆挤压运动, 整体大幅度抬升, 构造变形强烈, 该时期构造应力方向为70°(±10°), 最大主应力大小为108.74～149.41 MPa,最小主应力为50.79～133.43 MPa; 中燕山晚期, 荆门地区受近南北向和近东西向应力的联合挤压运动,形成走滑应力场, 产生北东向和北西向“X”型共轭剪破裂缝, 此时期构造变形强烈, 构造变形程度是中新生代以来最强的一次, 其构造应力值也最大,该时期构造应力方向为0°(±10°), 最大主应力大小为156.05～183.64 MPa, 最小主应力大小为63.55～147.99 MPa。喜山期, 印度板块向欧亚板块俯冲, 产生了强烈的挤压应力, 表现为强烈隆升剥蚀,其构造应力值大, 但在荆门地区构造变形程度较弱,主要表现为地层的隆升剥蚀。

2.4 古断裂演化

结合林滩场及周缘地区的地层接触情况、年代学资料、多期节理构造特征和岩石声发射结果, 恢复荆门地区志留系龙马溪组古断裂演化过程。荆门地区断裂构造控制了构造变形的形成与发展, 本区断裂构造具有明显的多期性和继承性等。断裂活动包括早燕山早期的挤压应力作用, 中燕山晚期的走滑应力的作用, 断层数量多, 因走滑应力作用形成的压性逆断层为主。断层走向以北西—南东向为主,局部发育北东—南西向和近东西向(图5)。

图5 荆门地区龙马溪组底界古断裂演化图Fig.5 Paleofaulting evolution of the bottom boundary of Longmaxi Formation in Jingmen area

3 古构造应力场数值模拟

通过分析研究区的古构造应力场特征, 确定关键构造变革时期及对应时期的古构造应力方向和大小。结合地震资料和分析测试资料, 建立合理的地质模型、数学模型、力学模型, 利用ANSYS软件,开展构造应力场数值模拟, 研究古构造应力场分布特征。

3.1 地质模型

3.2 力学模型

在地质模型的基础之上, 赋予地质单元相关岩石力学参数(杨氏模量、泊松比), 可将其转换为力学模型。本研究中的岩石力学参数的获取, 主要是基于地震反演数据, 利用公式计算得出杨氏模量和泊松比(邢力仁等, 2018)。研究表明, 静态的杨氏模量和泊松比更为接近地下的地层的实际情况, 准确度更高, 是应力场及储层裂缝数值模拟所用岩石力学参数的主要依据。需将杨氏模量和泊松比数据进行动静态转换, 能够有效的提高模拟结果的准确度。因此对目的层岩芯取样, 进行三轴力学实验, 获取静态岩石力学参数(王珂等, 2014)。并与地震反演数据获取的岩石力学参数数据拟合, 获取动静态参数转换公式(公式1、2), 公式如下:

式中:Es为静态杨氏模量(GPa);Ed为动态杨氏模量(GPa);μs为静态泊松比;μd为动态泊松比。

由于区内静态杨氏模量和泊松比分布差异较大(图6), 所以根据岩石力学参数的分布趋势, 划分出不同的力学单元, 计算出不同区域的岩石杨氏模量和等效泊松比平均值(表2)。断层区域的岩石力学参数要依据断层规模进行区别赋值, 杨氏模量一般选取围岩的50%～70%; 断层区域的泊松比则比正常沉积区的泊松比大一些, 通常情况下两者差值在0.02～0.1之间, 缓冲区域的数值选取一般为研究区(除断层区域)的杨氏模量和泊松比的平均值(李国庆等, 2021)。黄陵隆起核部为前震旦系结晶基底,核部出露岩性为混合花岗岩, 因此该区域的岩石力学参数参考花岗岩岩石力学参数(吴星辉, 2022)。不同地质单元的岩石力学参数确定之后, 对地质单元赋予对应岩石力学参数, 建立力学模型。

表2 荆门地区岩石力学模型属性表Table 2 Mechanical model attribute table of Lintan field in eastern Sichuan

图6 荆门地区岩石力学分布图Fig.6 Rock mechanics distribution in Jingmen area

3.3 边界条件

边界条件主要是以区域构造应力背景为基础,结合岩石声发射实验和野外实测应力数据来确定,主要包括施加的古构造应力大小和方向。基于对宜昌斜坡区古构造应力场的解析, 经过多次模拟反演得出: 中燕山期早期施加的边界条件: 从70°方向施加135 Ma的最大主应力, 从160°方向施加95 MPa的最小主应力; 中燕山期晚期施加的边界条件: 从0°方向施加158 Ma的最大主应力, 从90°方向施加117 MPa的最小主应力, 并约束边界, 模拟结果与实际结果拟合度最高。此次网格划分采取三角形网格, 中燕山期模型共计划分出19 689个节点, 39 278个单元, 晚燕山期模型共计划分出20 590个节点, 41 057个单元(图7)。

图7 荆门地区加载边界条件示意图Fig.7 Schematic of loading boundary conditions in Jingmen area

3.4 数值模拟结果拟合

与岩石声发射实验数据结果对比, 两期模拟结果的最大主应力和最小主应力与实测值偏差率大部分都在10%以下, 最大偏差值为5.54 MPa; 差应力的偏差率也基本在10%以下, 偏差值最大为6.13 MPa, 在允许的偏差范围之内。综合分析后认为, 数值模拟结果基本符合实际地质规律(表3)。

表3 数值模拟结果拟合Table 3 Fitting of numerical simulation results

3.5 古构造应力场分布规律

1)中燕山早期

最大水平主应力模拟结果显示(图8a), 中燕山早期荆门地区志留系龙马溪组页岩最大主应力集中分布在117.72～144.6 MPa之间, 从北东往南西方向应力值逐渐减小, 整体上应力值变化范围较小, 约为20 MPa。整体上与深度具有一定的相关性, 应力等值线形成了北西—南东走向的条带状分布。此外,该低值带应力梯度与断层强度密切相关, 断层强度越大, 最大主应力应力梯度越大, 并且在该断裂末端及转折部位, 应力场富集形成应力高值区。区内东北部区域的应力值较高, 大小在134.43～141.21 MPa之间; 西南部区域的应力值较小, 大小在120.3～134.43 MPa之间。

图8 古构造应力场数值模拟结果Fig.8 Numerical simulation results of paleotectonic stress field

最小水平主应力模拟结果显示(图8b), 中燕山早期荆门地区志留系龙马溪组页岩最小主应力集中于84.19～117.73 MPa之间。与最大水平主应力分布影响因素相同, 最小水平主应力的分布也受断层和深度控制。在研究区南部区域应力值相对较大; 北部区域应力值相对较小。断层区域为应力低值区,但在断裂末端形成应力高值区。

1384年，世界上第一份具有现代意义的保险单在意大利诞生，这份保险单承保的是，一批货物从法国南部的阿尔兹运到意大利的比萨。在这张保单中，有明确的保险标的、明确的保险责任等内容。世界上最早成立的证券交易所是荷兰阿姆斯特丹证券交易所，创立于1602年。

2)中燕山晚期

荆门地区中燕山晚期受到秦岭造山为主, 产生的向南挤压应力作用和相对较弱的大巴山造山所带来的向西方向挤压的联合作用, 区内主要发育北北西向和北东向展布的断层。

最大水平主应力模拟结果显示(图8c), 中燕山晚期荆门地区志留系龙马溪组页岩最大主应力集中分布在123.81～176.77 MPa之间, 从北西往南东方向应力值逐渐增大。整体上与深度具有一定的相关性, 应力等值线形成了北东—南西走向的条带状分布。此外, 该低值带应力梯度与断层强度密切相关,断层强度越大, 最大主应力应力梯度越大, 并且在该断裂末端及转折部位, 应力场富集形成应力高值区。区内北西区域应力值较低, 大小在137.05～152.29 MPa之间; 南东部分应力值较大, 大小在159.33～173.64 MPa之间。

最小水平主应力模拟结果显示(图8d), 中燕山晚期荆门地区志留系龙马溪组页岩最小主应力集中于93.39～147.89 MPa。与最大水平主应力分布影响因素相同, 最小水平主应力的分布也受断层和深度控制。在研究区南部区域应力值相对较大; 北部区应力值相对较小。断层区域为应力低值区, 但在断裂末端形成应力高值区。

4 构造裂缝分布预测

本文主要通过构造应力场反演法预测储层裂缝, 一般情况下, 可以认为天然裂缝是由构造应力产生的, 构造裂缝的形成取决于关键构造变形期的应力作用, 因此可利用构造应力场反演结果预测裂缝发育区。

4.1 构造裂缝发育特征

为更好的解析区内构造裂缝发育特征, 在对野外节理缝数据进行统计分析的基础之上, 同时也对取芯井的裂缝进行观察和统计。

YT2井是荆门地区东南部的一口钻井, 岩芯观察段长度为51.2 m, 岩性为黑色页岩, 笔石发育,部分裂缝被方解石填充, 可见滑脱镜面, 阶步和擦痕, 以及小型滑塌构造(图9a, b, c)。观察段高角度缝发育, 共计71条, 均被方解石充填。

图9 荆门地区岩心裂缝照片Fig.9 Core fracture photos in Jingmen area

YT3井是荆门地区北部的一口钻井, 岩心观察段长度为104.46 m, 岩性为灰黑色页岩, 笔石发育,部分裂缝被方解石填充, 可见滑脱镜面, 阶步和擦痕(图9d, e, f)。观察段高角度缝较为发育, 共计31条, 均被方解石充填。

4.2 构造裂缝的预测原理

荆门地区志留系龙马溪组地层的构造形态均在挤压应力作用下形成, 因此本文基于莫尔-摩尔库伦准则理论开展构造裂缝的预测。莫尔-摩尔库伦准则理论的基础是: 岩石的破裂主要是某一面上的剪切破坏, 这种剪切破坏与该面上的正应力σn和剪应力τn的相对状态有关。判断岩石在应力的作用下是否发生剪破裂往往采用摩尔-库伦破裂准则, 其数学表达式为(Woodward, 1992; 邬忠虎, 2017):

式中, │τ│为剪切面上的抗剪强度,C为黏聚力,φ是岩石内摩擦角,σn为剪切面上正应力, 其中C和φ均可以通过实验测定。

为了定量预测储层中剪裂缝发育程度, 引入剪破裂系数S, 表达式为:

式中:S为剪破裂系数;τn为剪切应力, MPa;τ为岩石的抗剪强度, MPa。

为了可以更加清晰表达剪破裂系数S, 转换公式:

根据岩石力学原理, 当S＜1时, 岩石内部不会形成明显的裂缝, 但随着岩石所受应力的逐渐增大,接近S=1时, 岩石内部会逐渐产生细微的裂缝; 当S＞1时, 岩石所受的应力状态已超过Mohr-coulomb应力圆的破裂包络, 岩石内部的细微裂缝会随之延展, 并互相连通, 形成大裂缝, 岩石破裂。

4.3 构造裂缝分布

(1)构造裂缝方向

古构造应力场控制着构造裂缝的发育, 同理构造应力方向决定了构造裂缝的发育方向。荆门地区的构造裂缝发育主要受控于中燕山早期和中燕山晚期构造应力, 其中以中燕山晚期形成的裂缝为主,中燕山早期次之。中燕山晚期构造应力方向为0°(±10°), 晚燕山期构造应力方向为70°(±10°)。区内发育构造裂缝方向以NNW向和NE向两组共轭剪节理为主, NNE向和NEE向两组共轭剪节理为辅。

(2)构造裂缝分布预测

由于岩石的破裂过程是不可逆的, 因此综合破裂系数的获取, 是将两期的破裂系数进行叠加, 同区域内选取两期中破裂系数最大值作为综合破裂系数评价参数。岩石在发生破裂的过程中, 是从弹性形变阶段再到塑性形变阶段, 然后发生岩石破裂。但根据岩石力学实验可知, 岩石的破裂过程中, 在岩石所受应力值达到一定程度后, 岩石中会出现尺度较小的微裂缝, 随着应力的逐渐增大, 岩石内微裂缝的密度逐渐增大, 并逐渐连通形成较大的裂缝,当达到岩石破裂极限时, 出现贯穿性裂缝。因此岩石中裂缝是随着压力的增大逐渐变大的(图10)。

图10 构造裂缝发育阶段模式图Fig.10 Model diagram of structural fracture development stage

区内测井及岩心测试数据显示, YT1井志留系龙马溪组底部的平均有效孔隙度为4.3%, YT2井的平均有效孔隙度为4.7%, YT3井的平均有效孔隙度为3.8%。与YT1井预测综合破裂系数为0.91, YT2井预测综合破裂系数为0.99, YT3井预测综合破裂系数为0.88, 具有较好的对应关系。结合野外和岩心的裂缝观测结果, 证明了预测结果符合实际地质情况。对于常规油气藏, 盖层的存在, 使储层中岩石破裂会更好的带来储存空间。但对于自生自储的页岩储层来说, 裂缝密度较大则不利于页岩气的储存, 易造成页岩气逸散。因此, 页岩储层相比较于常规储层, 对破裂系数的选取范围要相对降低。本文结合岩石物理实验和测井数据, 重新划分了荆门地区页岩储层中优势裂缝发育等级与破裂系数范围的对应关系(武旭等, 2020), 剪破裂系数S与裂缝发育情况如表4所示。

表4 宜昌当阳地区志留系龙马溪组裂缝发育区评价表Table 4 Evaluation table of Silurian Longmaxi Formation fracture development area in Dangyang area, Yichang

裂缝预测结果显示, 综合破裂系数主要分布在0.7～1.48之间, 分布趋势受断层和埋深的影响较大。Ⅰ级裂缝发育区在区域内的分布较为广泛, 主要分布于研究区中部和YT3井周缘。Ⅱ级裂缝发育区主要分布于距离断裂带0.5～2 km的区域, 并沿着断裂带展布。Ⅲ级裂缝发育区主要分布于断层周缘区域以及研究区最北部, 破裂系数最高值位于断裂带区域, 该区域综合破裂系数均在1.2以上, 且断层的端点及拐点处的Ⅲ级裂缝发育区的范围要大于断层的其他区域, 主要是该区域内出现应力集中现象所导致。破裂系数低于0.85为裂缝不发育区, 主要分布于研究区南部, 该区域的地层埋深较大, 区内裂缝不发育(图11)。

图11 荆门地区破裂系数分布预测图Fig.11 Prediction of rupture coefficient distribution in Jingmen area

5 讨论

后期应力场对于裂缝系统的影响是通过后期应力(大小、方向)与古构造裂缝(走向、性质)的耦合关系, 控制着古构造裂缝的开启度, 从而影响油气的聚集和保存。但古构造裂缝的发育程度, 不仅影响着油气储集空间, 同样在不同的发育阶段对页岩气保存的影响也有着较大的差距。当古构造裂缝发育程度在微裂缝时期(Ⅰ级裂缝发育区), 裂缝间不连通, 保存条件好, 后期应力对其开启程度(即储集空间)影响较大, 但对保存情况无影响。当古构造裂缝发育程度在部分裂缝连通阶段(Ⅱ级裂缝发育区),裂缝间连通性较差, 油气不易逸散, 保存条件较好,后期应力对保存情况影响较小。当裂缝发育程度在贯穿性裂缝时期(Ⅲ级裂缝发育区), 裂缝间连通性较好, 油气的逸散程度与裂缝的开启度关系较大,即油气保存情况受后期应力(大小、方向)的影响较大。研究结果表明, 区内裂缝发育区以Ⅰ级、Ⅱ级裂缝发育区为主, Ⅲ级裂缝发育区主要分布于断层区域和研究区北部, 分布范围较小。因此后期应力对研究区内的页岩气保存条件的影响相对较弱。

6 结论

(1)荆门地区裂缝发育主要受中燕山期两期挤压变形应力场控制, 野外实测点裂缝方向分期统计结果表明, 其裂缝数量整体上由北向南逐渐减小。白垩系之前(燕山期)的地层裂缝数量约占整体数量的90%～93%, 白垩系之后(喜山期)的地层裂缝数量约占整体数量的7%～10%。其中中燕山早期形成的裂缝数量占比较小, 只占中燕山期形成裂缝数量的20%～26%; 而中燕山晚期形成的派生走滑裂缝数量较大, 约占74%～80%, 表明研究区内的裂缝以中燕山晚期形成NNW向和NE向两组共轭剪节理为主,中燕山早期形成NNE向和NEE向两组共轭剪节理为辅。

(2)通过区域构造形变, 结合野外观测和测井资料上的裂缝特征认为研究区受两期古构造应力场影响, 其方向为70°(±10°)、0°(±10°), 同时基于岩石声发射实验进行分期配套确认区域构造应力分别为135 MPa、158 MPa。研究表明构造应力主要与埋深、断层和构造部位有关, 其中中燕山早期最大水平主应力分布在117.72～144.6 MPa, 最小水平主应力分布在84.19～117.73 MPa之间。晚燕山期最大水平主应力分布在123.81～176.77 MPa之间, 最小水平主应力分布在93.39～147.89 MPa之间。

(3)研究区高角度缝为挤压应力作用下形成的剪裂缝, 其发育程度与岩石力学性质、构造应力、断层等多种因素密切相关。区内志留系龙马溪组Ⅲ级裂缝发育区主要分布于断裂带区域以及研究区最北部, 且断层的端点及拐点处的Ⅲ级裂缝发育区的范围要大于断层的其他区域, 主要是该区域内出现应力集中现象所导致; Ⅱ级裂缝发育区主要分布于断层周游及北部地区; Ⅰ级裂缝发育区主要分布于研究区中部, 为“破而不裂”的构造缝发育区, 适合页岩气的储存。

Acknowledgements:

This study was supported by Sinopec (No.P21087-6).