川東南東溪地區(qū)龍馬溪組裂縫分布預(yù)測(cè)及頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)

謝佳彤，付小平，秦啟榮，李 虎

川東南東溪地區(qū)龍馬溪組裂縫分布預(yù)測(cè)及頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)

謝佳彤1，付小平1，秦啟榮2，李 虎3

(1. 中國(guó)石化勘探分公司，四川 成都 610041；2. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；3. 四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610399)

頁(yè)巖氣的商業(yè)性開(kāi)發(fā)證實(shí)成熟頁(yè)巖具有較大的勘探潛力，川東南地區(qū)是我國(guó)南方頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略先導(dǎo)區(qū)。裂縫發(fā)育情況是頁(yè)巖氣保存和開(kāi)發(fā)部署的關(guān)鍵因素，對(duì)于構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜特殊的盆緣地區(qū)，在加大頁(yè)巖裂縫研究難度的同時(shí)，也給頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供了新的方向。頁(yè)巖氣勘探作為我國(guó)油氣勘探的新領(lǐng)域，尚未形成成熟的裂縫評(píng)價(jià)體系。以川東南東溪地區(qū)為例，基于三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先采用有限元數(shù)值模擬手段進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)模擬，而后利用巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建和模擬結(jié)果的反復(fù)試算，以獲取東溪地區(qū)最大、最小主應(yīng)力和應(yīng)力差分布圖，最后運(yùn)用莫爾–庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算巖體破裂系數(shù)預(yù)測(cè)裂縫分布規(guī)律。結(jié)果表明：研究區(qū)裂縫發(fā)育情況主要分為4個(gè)級(jí)別，其中，Ⅰ級(jí)裂縫呈條帶狀分布在東西兩側(cè)斷裂附近，Ⅱ級(jí)裂縫在Ⅰ級(jí)裂縫周?chē)l(fā)育，而Ⅲ級(jí)裂縫分布在北部背斜核部和西部背斜翼部；優(yōu)選頁(yè)巖氣埋深、距剝蝕區(qū)距離、距齊岳山斷裂距離、斷裂作用、應(yīng)力差及壓力系數(shù)等10個(gè)保存條件參數(shù)，采用組合權(quán)重法確定保存條件參數(shù)權(quán)重，其中一級(jí)參數(shù)權(quán)重分別為埋深(0.2)、距剝蝕區(qū)距離(0.1)、距齊岳山斷裂距離(0.1)、斷裂作用(0.25)、應(yīng)力差(0.15)、壓力系數(shù)(0.2)，以此建立相對(duì)完善的頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)體系與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)選出2類頁(yè)巖氣勘探目標(biāo)有利區(qū)，其中A類、B類有利區(qū)分別分布在研究區(qū)南部背斜核部及翼部和中部寬緩褶皺兩翼。研究成果為川東南地區(qū)的頁(yè)巖氣勘探提供重要的參考價(jià)值。

川東南；東溪地區(qū)；頁(yè)巖儲(chǔ)層；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬；裂縫分布預(yù)測(cè)；頁(yè)巖氣保存

對(duì)于具有自生自儲(chǔ)性質(zhì)的頁(yè)巖而言，裂縫發(fā)育在烴類氣體儲(chǔ)集及橫縱向運(yùn)移中均起重要作用。當(dāng)今頁(yè)巖氣勘探的側(cè)重點(diǎn)之一主要在突破裂縫分布精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法及其與保存條件之間的評(píng)價(jià)。目前常用方法有曲率法、模擬法、分形法等[1-6]，但是這些裂縫預(yù)測(cè)方法都具有一定的局限性，在裂縫預(yù)測(cè)中比較單一，裂縫預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不高。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布與裂縫發(fā)育密切相關(guān)，是控制裂縫發(fā)育的最主要因素之一，構(gòu)造變形和構(gòu)造活動(dòng)性是頁(yè)巖氣保存的重要影響因素[7]。裂縫預(yù)測(cè)的地質(zhì)研究中主要根據(jù)巖性組合以及巖相劃分等參數(shù)直接對(duì)裂縫密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)進(jìn)而直接進(jìn)行定性推導(dǎo)，更多者傾向于對(duì)單一的應(yīng)力場(chǎng)模擬進(jìn)行計(jì)算[8-9]。四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖氣已取得商業(yè)性開(kāi)發(fā)。由于川東南含有盆內(nèi)、盆緣和盆外三區(qū)，其受到的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不同，保存條件也不同，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，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等6個(gè)主要參數(shù)被挑選用于評(píng)價(jià)[10]，其中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)模、頂?shù)装迕芊庑院蛶r層壓力系數(shù)3個(gè)參數(shù)已被用于四川盆地頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)，取得了較好的效果[11]；構(gòu)造部位與地層傾角已作為頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)體系的重要指標(biāo)[12-13]。但受控于頁(yè)巖儲(chǔ)層的各向異性及不同地區(qū)區(qū)域構(gòu)造、地質(zhì)條件差異，針對(duì)特定儲(chǔ)層評(píng)價(jià)時(shí)，其頁(yè)巖氣保存評(píng)價(jià)參數(shù)以及權(quán)重系數(shù)的確定不能直接復(fù)制他區(qū)現(xiàn)有參數(shù)[10-16]。

四川盆地東溪地區(qū)第1口高產(chǎn)井DYS1井是國(guó)內(nèi)首口埋深大于4 200 m頁(yè)巖氣井，具有較強(qiáng)的代表性。為了深入剖析其高產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，筆者詳細(xì)剖析其裂縫分布預(yù)測(cè)方法和頁(yè)巖氣保存條件，利用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬方法預(yù)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)，并在巖體破裂準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)裂縫展布規(guī)律；進(jìn)而劃分頁(yè)巖氣保存條件的指標(biāo)，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)，以預(yù)測(cè)和優(yōu)選有利區(qū)帶。研究方法為下一步區(qū)域頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

東溪地區(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)主要為東溪構(gòu)造，分布在川東南盆內(nèi)及盆緣拗褶區(qū)，面積約240 km2。四川盆地主體受到大斷裂擠壓形成一個(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(cāng)山–大巴山斷褶帶為界，西部為龍門(mén)山大斷裂，東部為齊岳山斷裂帶，南部主要為黔中隆起的北部邊緣帶(圖1)。志留系龍馬溪組為研究區(qū)目的層位，從上到下可分為2種巖性段，整體厚度為100～300 m，龍馬溪組上段厚度為20～80 m，巖性為深灰色泥巖夾粉砂質(zhì)、灰質(zhì)泥頁(yè)巖，其TOC含量相對(duì)較低；龍馬溪組下段厚度為100～180 m，巖性為富含筆石化石的黑色頁(yè)巖，局部夾微粒黃鐵礦條帶，下段由上至下TOC含量逐漸增大(3%～6%)，是構(gòu)成頁(yè)巖氣的主力產(chǎn)氣層段。截至2020年，東溪地區(qū)頁(yè)巖氣測(cè)試產(chǎn)量已突破100萬(wàn)m3/d，潛力非常大，即將成為第二個(gè)焦石壩頁(yè)巖氣田[17-18]。

2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬

常見(jiàn)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬主要運(yùn)用有限元法，大型的有限元軟件將基礎(chǔ)的計(jì)算模式鑲嵌在算法中，可以快速得到模擬結(jié)果且更加準(zhǔn)確，有限元模擬具體步驟如圖2。

2.1 地質(zhì)模型

地質(zhì)模型是地質(zhì)體的一種反射，地質(zhì)模型的構(gòu)建應(yīng)充分考慮研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)特征，特別是由構(gòu)造作用產(chǎn)生的穿層性斷層，同時(shí)對(duì)部分?jǐn)鄬幼鱿鄳?yīng)的合并處理?？紤]到模型的復(fù)雜性、準(zhǔn)確性及資料掌握完整性，本次建模采用二維方法，以降低多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的復(fù)雜構(gòu)造格局的影響。

圖1 四川盆地區(qū)域構(gòu)造及巖性柱狀圖

圖2 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬流程

2.2 力學(xué)模型

根據(jù)斷層、斜坡、背斜、向斜及正常沉積區(qū)域等對(duì)力學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)造單元?jiǎng)澐?，?duì)不同構(gòu)造單元進(jìn)行參數(shù)賦值，主要參數(shù)包括巖石彈性模量()、泊松比()、黏聚力()、內(nèi)摩擦角()和密度()等。本次研究采用彈性靜力學(xué)模型，主要分析研究區(qū)在邊界區(qū)域應(yīng)力作用下，斷裂發(fā)生、斷層應(yīng)力迅速釋放、構(gòu)造形成前后的巖體應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系。

2.2.1 邊界條件確定

東溪地區(qū)力學(xué)模型邊界設(shè)置、構(gòu)造力作用方位、約束條件如圖3所示。根據(jù)三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在目的層選取DYS1井的不同樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定模型邊界條件：右上施加最小主應(yīng)力3=80 MPa，右下施加最大主應(yīng)力1=120 MPa。位移邊界條件：NW、SW向兩邊固定，設(shè)置位移和轉(zhuǎn)角為零，其他單元均可自由移動(dòng)[19]。

圖3 東溪地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模擬邊界條件

2.2.2 巖石力學(xué)參數(shù)

在建立的研究區(qū)模型中，對(duì)所劃分的斷層、斜坡、背斜、向斜及正常沉積區(qū)域等不同的構(gòu)造區(qū)進(jìn)行材料參數(shù)的差異賦值。對(duì)斷層而言，根據(jù)斷距大小及規(guī)模進(jìn)行三級(jí)劃分處理，其中，齊岳山斷裂作為基底斷層劃分為一級(jí)斷裂，二級(jí)及三級(jí)斷裂劃分的主要依據(jù)是延伸規(guī)模。根據(jù)巖石類型差異對(duì)五峰–龍馬溪組進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑饕獛r石類型包括黑色含粉砂質(zhì)泥巖、黑色炭質(zhì)泥巖和灰白色灰?guī)r。

假設(shè)斷層與斷層所圍限的塊體為連續(xù)介質(zhì)，斷層處材料屬性設(shè)置不同。DYS1井樣品巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)[20]并依據(jù)模型的反復(fù)試算結(jié)果，將斷層的材料參數(shù)處理如下：構(gòu)造形成前將斷層參數(shù)強(qiáng)化，其彈性模量比正常區(qū)域大，泊松比比正常區(qū)域小，密度不變。

2.2.3 斷層處理方案

在有限元數(shù)值模擬中，國(guó)內(nèi)對(duì)斷層處理主要方法分為弱化法和接觸面法[21]，通過(guò)對(duì)比分析，本次采用斷層弱化法。對(duì)斷層、構(gòu)造高點(diǎn)、斜坡等不同部位巖石彈性參數(shù)進(jìn)行差異化賦值處理，斷層區(qū)域內(nèi)巖石彈性模量小于正常地層，泊松比大于正常地層，構(gòu)造高區(qū)巖石彈性模量大于正常地層，泊松比則相對(duì)較小。黏聚力及內(nèi)摩擦角在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合模擬情況，并在地質(zhì)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，構(gòu)造上易破碎區(qū)黏聚力可調(diào)小，相反則調(diào)大，直至模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果一致(表2)。

表1 DYS1井巖石力學(xué)參數(shù)

表2 不同單元類型巖石力學(xué)參數(shù)

2.2.4 反演標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分，模擬應(yīng)力場(chǎng)大小及分布，不斷調(diào)試模型，使得模擬計(jì)算得到的應(yīng)力場(chǎng)大小、應(yīng)力方向與施加的約束條件相近或一致。模型計(jì)算過(guò)程中，調(diào)整最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的大小及方向，通過(guò)不斷試算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，直到試算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3 數(shù)學(xué)模型

利用有限元原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)劃分模型單元節(jié)點(diǎn)與未知點(diǎn)之間的平衡關(guān)系，搭建二者之間的數(shù)學(xué)函數(shù)方程式。在限定邊界條件之后，求解方程式，得到未知點(diǎn)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果的可靠性與網(wǎng)格單元?jiǎng)澐值木?xì)程度呈正相關(guān)。

由前述分析可知，研究區(qū)內(nèi)斷裂極為發(fā)育，在模型構(gòu)造分析中，僅就規(guī)模最大的15條斷裂進(jìn)行模擬。該模型經(jīng)離散后，東溪模型共有7 500個(gè)單元和15 352個(gè)節(jié)點(diǎn)，離散后的模型如圖4所示。

圖4 三維有限元模型

2.4 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布

以研究區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造特征為基礎(chǔ)，建立構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元分析力學(xué)模型[22]。經(jīng)過(guò)大量模擬試算，東溪地區(qū)構(gòu)造形成后初步模擬結(jié)果如圖5所示。在持續(xù)受到NE向構(gòu)造擠壓力的作用下，在DYS1井?dāng)鄬痈浇皹?gòu)造脊部附近應(yīng)力釋放，其應(yīng)力值較小，最大主應(yīng)力值分布比較平均，介于–62.80～ 157.3 MPa。斷層附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大、最小主應(yīng)力均分布于大斷層附近，DYS1井附近最大主應(yīng)力值為–95.6 MPa，向DYS1井附近應(yīng)力值呈逐漸減小的趨勢(shì)，向NE方向斷層減少埋深增加，應(yīng)力值呈逐漸增加趨勢(shì)。

通過(guò)最大、最小主應(yīng)力分布求取二者的應(yīng)力差值，應(yīng)力差分布由南向北呈逐漸降低趨勢(shì)，整體為60～102 MPa。大斷裂附近應(yīng)力差值較大，破裂程度高，DYS1井應(yīng)力差在40 MPa左右(圖5c)。

3 裂縫分布預(yù)測(cè)方法

3.1 巖體破裂系數(shù)

巖石破裂系數(shù)表示在應(yīng)力應(yīng)變中巖石受到應(yīng)力大于巖石所承受的強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生破壞的邊界值，一般可用該值表示巖石變形程度，在構(gòu)造地質(zhì)領(lǐng)域中用破裂系數(shù)來(lái)表示巖體的裂縫發(fā)育情況，由于地層埋深設(shè)為彈性變形，為了使模擬預(yù)測(cè)高效便捷，主要采用莫爾–庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行判別，部分地區(qū)采用格里菲斯準(zhǔn)則。根據(jù)莫爾理論再結(jié)合格里菲斯理論，作巖石綜合破裂破壞接近程度圖解(圖6)，巖體破裂系數(shù)表示如下：

式中：f、k分別為剪應(yīng)力和最大抗剪能力，MPa；σ1為最大主應(yīng)力，MPa；σ3為最小主應(yīng)力，MPa；c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

圖6 巖石綜合破裂準(zhǔn)則破壞接近程度圖解

在巖石力學(xué)理論中巖石破裂系數(shù)一般具有以下判斷標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)<1時(shí)巖體比較穩(wěn)定，沒(méi)有裂縫產(chǎn)生；當(dāng)≥1時(shí)巖體受到的應(yīng)力使巖體失去穩(wěn)定性發(fā)生破壞而產(chǎn)生裂縫，在實(shí)際情況中巖體的破裂往往比較復(fù)雜，理論上<1時(shí)巖體不破裂，但實(shí)際中即使<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，在運(yùn)用破裂理論進(jìn)行裂縫破裂程度模擬時(shí)，不同研究區(qū)其標(biāo)準(zhǔn)不同，破裂系數(shù)一般可以定性表示裂縫的相對(duì)發(fā)育程度，值越大，裂縫就越發(fā)育。

3.2 巖體破裂特征

通過(guò)式(1)，對(duì)東溪地區(qū)進(jìn)行分區(qū)破裂特征模擬預(yù)測(cè)，從平面上得到巖體破裂程度分布特征。研究區(qū)主要形成2個(gè)方向的裂縫，破裂程度分布范圍廣，巖體破裂系數(shù)最大值為1.921，最小值0.658。除邊界條件影響綜合分析，研究區(qū)一般巖體的主體破壞程度系數(shù)為0.895～1.763，大部分接近或大于破裂臨界值(圖7)。

圖7 東溪地區(qū)巖體破裂程度

從圖7可知，巖體破壞程度最高的地區(qū)主要分布在東溪地區(qū)東南部，具體位于近NW向斷層及NE向斷層周?chē)?，呈條帶狀展布，斷層與斷層周?chē)屏褞?、斷層外圍以及?gòu)造高部位，破裂系數(shù)達(dá)1.447～1.605；距離斷層較遠(yuǎn)且由西翼變形區(qū)、東翼變形區(qū)過(guò)渡到東部向斜地區(qū)破壞程度逐漸降低，最終破壞度普遍小于1.053；DYS1井由于埋深較大且遠(yuǎn)離斷層，破裂程度較低，破裂系數(shù)為1左右。

3.3 裂縫分布定量預(yù)測(cè)

裂縫發(fā)育的定量預(yù)測(cè)，實(shí)際上是利用裂縫發(fā)育的力學(xué)特性，將地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合，對(duì)裂縫發(fā)育分布的理論性探索[23]，目前裂縫分布的預(yù)測(cè)方法主要有：①傳統(tǒng)地質(zhì)預(yù)測(cè)方法，通過(guò)尋求具體地區(qū)地表露頭與地下巖心裂縫發(fā)育之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到裂縫預(yù)測(cè)的目的；②利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行分布預(yù)測(cè)；③利用現(xiàn)代地球物理勘探技術(shù)，通過(guò)地震波屬性處理實(shí)現(xiàn)裂縫預(yù)測(cè)；④數(shù)值模擬法。利用巖石破裂準(zhǔn)則，通過(guò)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反演可實(shí)現(xiàn)裂縫預(yù)測(cè)的目的[24]。本次主要根據(jù)現(xiàn)有資料采用巖體破裂系數(shù)法進(jìn)行裂縫初步預(yù)測(cè)。

在巖體破裂程度分布預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合東溪地區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)背景、構(gòu)造地質(zhì)特征以及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及生產(chǎn)數(shù)據(jù)等資料，依據(jù)東溪地區(qū)的巖體破裂程度對(duì)裂縫發(fā)育的影響制定判別標(biāo)準(zhǔn)，除斷裂帶以外將東溪地區(qū)裂縫發(fā)育劃分4個(gè)級(jí)別(表3)。

表3 東溪地區(qū)龍馬溪組巖石裂縫預(yù)測(cè)的η值標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表3，并以巖石力學(xué)及構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論為指導(dǎo)，綜合現(xiàn)場(chǎng)鉆錄井及實(shí)際生產(chǎn)資料分析，預(yù)測(cè)東溪地區(qū)龍馬溪組裂縫發(fā)育情況(圖8)，除斷裂帶以外，分為Ⅰ—Ⅳ級(jí)。

圖8 東溪地區(qū)裂縫發(fā)育預(yù)測(cè)結(jié)果

1) 斷裂帶

斷裂帶巖體破裂程度最高，發(fā)育在巖體破裂最明顯的斷裂及其附近周?chē)鷧^(qū)域。研究區(qū)NE向斷裂為早期形成，近SN向以及NW向斷層晚期形成，晚期形成的破裂對(duì)早期有疊加改造作用，使得形成的復(fù)合斷裂破裂值更大，在復(fù)合斷裂附近，值普遍在1.684以上，研究區(qū)巖體破裂最強(qiáng)區(qū)域值高達(dá)2.000。

2) Ⅰ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)

主要分布在斷裂帶周?chē)屏褞?、斷層外圍以及局部?gòu)造高點(diǎn)附近，整體沿?cái)鄬觾蓚?cè)呈NW和NE向條帶狀分布，該區(qū)域內(nèi)值均在1.368～1.684。Ⅰ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)分布受區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)直接控制。

3) Ⅱ級(jí)裂縫較發(fā)育區(qū)

褶皺脊部頂部、Ⅰ級(jí)發(fā)育區(qū)的外圍及相鄰次級(jí)斷層的周?chē)鸀棰蚣?jí)裂縫發(fā)育區(qū)，分布面積比較廣，占東溪地區(qū)的30%，圍繞Ⅰ級(jí)裂縫區(qū)呈NE向條帶狀分布，該區(qū)巖體較高，為1.053～1.368。

4) Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育臨界區(qū)

主要位于除斷裂帶、Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)以外的構(gòu)造低部位區(qū)，分布在東溪地區(qū)的北部及西北方向，分布面積小于Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，整體呈近南北及北西向延伸的帶狀，巖石破壞接近程度較小，為0.737～1.053。

5) Ⅳ級(jí)裂縫不發(fā)育區(qū)

分布面積較小，主要分布在東溪地區(qū)的北部，巖石破壞程度非常小，基本不破壞，<0.737。

4 頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)

4.1 影響因素

1) 構(gòu)造與埋深

東溪構(gòu)造主體呈“兩凹夾一隆”式構(gòu)造格局，可進(jìn)一步細(xì)化為5個(gè)次級(jí)構(gòu)造(圖9)。東溪斷背斜區(qū)(埋深4 000～4 500 m)，東西兩側(cè)分別與向斜接觸，南部與桃子蕩斷洼接觸；西部向斜區(qū)(埋深4 500～5 500 m)，與東溪斷背斜呈斷層接觸；桃子蕩斷洼區(qū)(埋深3 500～4 500 m)，斷層夾持下降盤(pán)；東部抬升斷塊區(qū)(埋深1 500～3 500 m)，齊岳山及其派生斷裂切割；東部向斜區(qū)(埋深4 500～5 500 m)，西翼與斷背斜接觸，東翼部與東部抬升斷塊區(qū)呈斷洼接觸。東部向斜區(qū)可分為東翼變形區(qū)、向斜核部區(qū)、西翼變形區(qū)，埋深范圍分別為4 500～5 000 m、5 000～6 000 m、4 000～5 000 m。

2) 內(nèi)部斷裂和裂縫

東溪地區(qū)發(fā)育多級(jí)多組斷層：NNW向延伸較長(zhǎng)，斷距較大，高陡褶皺帶控制斷裂，與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力近垂直，封堵性較好；NE向斷層，主要為齊岳山斷裂帶斷層，切穿二疊系，與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力近垂直，封堵性較好(圖9、圖10)。DX-F1斷層為三級(jí)斷裂，對(duì)保存條件影響較小。DX-F1斷層具有相似特征，為向斜內(nèi)部斷裂，延伸長(zhǎng)度短(32 km)，斷距有向兩端明顯減小的趨勢(shì)，與現(xiàn)今最大主應(yīng)力近垂直，無(wú)走滑性質(zhì)，對(duì)保存條件影響不大(表4)。

圖9 東溪地區(qū)構(gòu)造分區(qū)

圖10 東溪地區(qū)斷裂剖面解釋結(jié)果

3) 壓力系數(shù)

對(duì)東溪龍馬溪組優(yōu)質(zhì)泥頁(yè)巖二維地層進(jìn)行壓力系數(shù)預(yù)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，東溪地區(qū)壓力系數(shù)變化范圍不大，整體較高，均在1以上，遠(yuǎn)離剝蝕區(qū)的壓力系數(shù)較大，靠近大斷裂附近壓力系數(shù)變小(圖11)，DYS1井區(qū)壓力系數(shù)約1.2～1.4，東溪地區(qū)整體表現(xiàn)為異常高壓，利于頁(yè)巖氣保存；靠近剝蝕區(qū)，受到齊岳山大斷裂的影響，壓力系數(shù)逐漸降低(<1)，頁(yè)巖氣易逸散，不利于保存。

表4 東溪地區(qū)斷裂系統(tǒng)及斷裂特征統(tǒng)計(jì)

注釋：TS表示時(shí)間域志留系；TP表示時(shí)間域二疊系；T?表示時(shí)間域寒武系。

圖11 東溪地區(qū)龍馬溪組壓力系數(shù)預(yù)測(cè)平面圖

4.2 評(píng)價(jià)方法

運(yùn)用主客觀組合法確定評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，其中，專家經(jīng)驗(yàn)法為主觀權(quán)重法，灰色關(guān)聯(lián)度為客觀權(quán)重法，二者評(píng)價(jià)過(guò)程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中，主觀權(quán)重法能充分體現(xiàn)樣本屬性，但是客觀性較差，而客觀權(quán)重法不能體現(xiàn)專家對(duì)不同屬性權(quán)重賦值差異，甚至有時(shí)會(huì)出現(xiàn)賦值權(quán)重與實(shí)際相悖的情況[25]，因此，為了兼顧2種評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又盡量減少權(quán)重的主觀隨意性，使評(píng)價(jià)參數(shù)權(quán)重值的主、客觀評(píng)價(jià)結(jié)果近統(tǒng)一，使評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)可靠。因此，本次評(píng)價(jià)綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的真實(shí)客觀性與主觀經(jīng)驗(yàn)的權(quán)重賦值。

2種常用的主客觀組合權(quán)重計(jì)算方法：“乘法”集成法和“加法”集成法。不同方法適用情況存在差異，其中“乘法”集成法適用于評(píng)價(jià)參數(shù)多、多參數(shù)權(quán)重分配均勻的情況，“加法”集成法應(yīng)用過(guò)程中依賴使用者的主觀分析。其公式如下：

式中：w為第個(gè)參數(shù)因子的組合權(quán)重，共計(jì)有個(gè)；a、b分別為第個(gè)參數(shù)因子的客觀權(quán)重和主觀權(quán)重；為相關(guān)系數(shù)。

為了降低主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)的誤差，將適用“加法”集成法對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)法和灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行組合賦權(quán)[26]，運(yùn)用組合賦權(quán)法中的“加法”集成法對(duì)研究區(qū)龍馬溪組進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，為了使權(quán)重相關(guān)性較大，使其誤差降低到最小，取相關(guān)系數(shù)為0.6，最終計(jì)算得出油氣地質(zhì)條件子項(xiàng)的各參數(shù)值的權(quán)重(表5)。

4.3 有利區(qū)帶預(yù)測(cè)

在有利區(qū)預(yù)測(cè)過(guò)程中，參考前人關(guān)于參數(shù)及權(quán)重分析方法，重點(diǎn)考慮構(gòu)造要素，結(jié)合東溪地區(qū)實(shí)際地質(zhì)特征及勘探現(xiàn)狀[27-29]，優(yōu)選埋深、距離剝蝕區(qū)距離、距離大斷裂距離、斷裂作用、應(yīng)力差及壓力系數(shù)6個(gè)主要參數(shù)及次級(jí)斷裂規(guī)模、級(jí)別與期次、傾角大小、距大規(guī)模次級(jí)斷裂距離及發(fā)育程度等子參數(shù)作為關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)。將地質(zhì)方法和數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，基于勘探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出適合東溪地區(qū)的海相頁(yè)巖氣綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)各參數(shù)賦予權(quán)重系數(shù)(表5)。

表5 東溪地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)參數(shù)

依據(jù)權(quán)重系數(shù)及評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)東溪地區(qū)進(jìn)行參數(shù)疊加，并進(jìn)行區(qū)帶排序，同時(shí)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12)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，頁(yè)巖氣綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為0.652 5～1。其中，當(dāng)綜合指標(biāo)值介于0.9～1.0時(shí)為A類有利區(qū)，位于東溪背斜區(qū)，具有埋深大(4 500～5 000 m)、遠(yuǎn)離剝蝕區(qū)、斷裂規(guī)模小、發(fā)育時(shí)期早的特點(diǎn)，整體處于Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，次級(jí)斷裂傾角小于45°，應(yīng)力差較低，預(yù)測(cè)壓力系數(shù)大于1.4；當(dāng)綜合評(píng)價(jià)值介于0.8～0.9時(shí)為B類有利區(qū)，是較有利勘探目標(biāo)區(qū)，B類有利區(qū)位于東翼變形區(qū)和西翼變形區(qū)，頁(yè)巖埋藏深度介于4 000～4 500 m，整體處于Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，地層應(yīng)力差小，斷裂規(guī)模小，預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)在1.2以上。

5 結(jié)論

a. 四川盆地東溪地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果表明，不同地區(qū)的破裂程度差異較大，由于研究區(qū)埋深較大，且構(gòu)造比較穩(wěn)定，最大最小主應(yīng)力差值相對(duì)較小，差值較大區(qū)域一般分布在大斷裂附近或埋深較小地區(qū)。

b. 研究區(qū)裂縫發(fā)育程度劃分為Ⅰ—Ⅳ級(jí)，其中Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)和Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)對(duì)頁(yè)巖氣的運(yùn)移及保存效果最好，屬于優(yōu)勢(shì)發(fā)育區(qū)。其中，Ⅱ級(jí)分布面積比較廣，巖體較高，為1.053～1.368；Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)整體呈近SN和NW向延伸的帶狀，巖石破壞接近程度較小，為0.737～1.053。

圖12 東溪地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣有利區(qū)評(píng)價(jià)

c. 運(yùn)用組合權(quán)重法對(duì)東溪地區(qū)頁(yè)巖氣保存評(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)選埋深、距離剝蝕區(qū)距離、距離齊岳大斷裂距離、應(yīng)力差及壓力系數(shù)等10項(xiàng)作為關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)。

d. 將研究區(qū)頁(yè)巖保存條件劃分為2類有利區(qū)。A類：主要位于深埋平緩區(qū)或?qū)捑忨薨櫤瞬浚礀|溪南部背斜核部及翼部，遠(yuǎn)離主干斷裂，頂?shù)装逯旅芮疫B續(xù)，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；B類：主要分布于寬緩褶皺兩翼，發(fā)育三級(jí)或四級(jí)裂縫，Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，物質(zhì)基礎(chǔ)較好，壓力系數(shù)較大。

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Prediction of fracture distribution and evaluation of shale gas preservation conditions in Longmaxi Formation in Dongxi area

XIE Jiatong1, FU Xiaoping1, QIN Qirong2, LI Hu3

(1. Sinopec Exploration Company, Chengdu 610041, China; 2. School of Geoscience and Technology, Southwestern Petroleum University, Chengdu 610500, China; 3. Sichuan College of Architectural Technology, Chengdu 610399, China)

Commercial development of shale gas confirmed that mature shale has great potential for exploration, southeast Sichuan is the strategic pilot area of shale gas exploration and development in southern China, cracks are the key factor of shale gas preservation and development deployment, for the structural environment complex and special basin edge area, increasing the difficulty of shale crack research, but also provides a new direction for shale gas exploration and development. As a new field of oil and gas exploration in China, shale gas exploration has not yet developed a mature crack evaluation system. Taking Dongxi area of the southeast of Sichuan as an example, the stress field was simulated in the region by finite element numerical simulation. The model was constructed and calculated by rock mechanical parameters, the diagrams of maximum principal stress, minimum principal stress and differential stress distribution in Dongxi area were obtained through repeated debugging of the simulation results. Mohr-Coulomb criterion was used to calculate rock fracture coefficient and to predict the law of crack distribution in the study area, The prediction shows that the crack distribution of the study area is divided into four levels, GradeⅠcracks are distributed in bands near the east and west sides, grade cracks develop around gradeⅠcracks, the grade cracks are distributed in the northern dorsal nucleus and the western dorsal wing, respectively. At the same time, 10 preservation condition parameters, such as shale gas burial depth, distance from the ablative area, fracture distance from Qiyun Mountain, fracture action, differential stress and pressure coefficient, were clarified, and were used to determine the primary and secondary parameter weight by the combined weight method. Among them, the first stage parameters are buried depth(0.2), distance from the exfoliation area(0.1), fracture distance(0.1), fracture action(0.25), differential stress(0.15), and pressure coefficient(0.2). A relatively sound shale gas evaluation system and evaluation standards have been established. The two types of shale gas exploration targets are preferred, the favorable areas of the typeⅠand the typeⅡare located in the core and wings of the anticline core in the south of the study area and wings of the gentle folds in the middle of the study area, This study provides an important reference for shale gas exploration in southeast Sichuan.

southeast Sichuan; Dongxi area; shale reservoir; tectonic stress field simulation; fracture distribution prediction; shale gas conservation

語(yǔ)音講解

TE132.2

A

1001-1986(2021)06-0035-11

2021-06-03；

2021-10-13

國(guó)家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2017ZX05036-003-003)

謝佳彤，1992年生，女，黑龍江大慶人，博士，工程師，從事頁(yè)巖氣地質(zhì)綜合研究工作. E-mail：963955769@qq.com

謝佳彤，付小平，秦啟榮，等. 川東南東溪地區(qū)龍馬溪組裂縫分布預(yù)測(cè)及頁(yè)巖氣保存條件評(píng)價(jià)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：35–45. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.004

XIE Jiatong，F(xiàn)U Xiaoping，QIN Qirong，et al.Prediction of fracture distribution and evaluation of shale gas preservation conditions in Longmaxi Formation in Dongxi area[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：35–45. doi: 10.3969/ j.issn.1001-1986.2021.06.004

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(責(zé)任編輯 范章群)