陸應(yīng)新，胡望水

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

湯濟(jì)廣，張瓊，詹文

熊平　(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

呂恒宇　(中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

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川東南丁山構(gòu)造龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育與分布

陸應(yīng)新，胡望水

(油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

湯濟(jì)廣，張瓊，詹文

熊平(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

呂恒宇(中石油華北油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552)

[摘要]受晚燕山期古構(gòu)造應(yīng)力場制約，川東南丁山構(gòu)造發(fā)生斷裂褶皺變形，使得天然剪性構(gòu)造裂縫成為控制該區(qū)龍馬溪組頁巖垂向封閉性的主要因素。為此，從制約構(gòu)造裂縫的直接原因——構(gòu)造作用出發(fā)，對研究區(qū)頁巖裂縫進(jìn)行預(yù)測。首先厘定該區(qū)構(gòu)造演化時序與變形特征，并對影響裂縫發(fā)育的晚燕山期兩幕最大主應(yīng)力進(jìn)行模擬，在該基礎(chǔ)上，依據(jù)巖石破裂系數(shù)和泥頁巖裂紋擴(kuò)展與演化階段的劃分標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測裂縫的發(fā)育類型與分布。結(jié)果表明，貫通裂紋以及斷層主要分布于鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位，對儲層物性起改善作用，萌生和發(fā)展階段裂縫分布于鼻狀構(gòu)造的NE和SW兩側(cè)。

[關(guān)鍵詞]川東南；丁山構(gòu)造；龍馬溪組；頁巖；裂縫類型；構(gòu)造變形

奧陶紀(jì)晚期-早志留世早期，川東南地區(qū)發(fā)育一套形成于擠壓構(gòu)造背景下的富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖[1]，為上揚(yáng)子下組合(震旦系-下古生界)頁巖氣有利富集區(qū)之一[2，3]。但川東南地區(qū)下古生界自成氣以來經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期和喜馬拉雅期等復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動，斷裂、褶皺作用強(qiáng)烈[4，5]，下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)頁巖由于韌性剪切破裂形成的構(gòu)造裂縫極其發(fā)育[6]。一方面,裂縫與大斷裂相貫通，致使游離氣散失，吸附氣被置換，對頁巖氣的保存極為不利[7]；另一方面，裂縫發(fā)育可以擴(kuò)大頁巖氣有效儲滲空間，有助于吸附態(tài)天然氣的解析，增加游離態(tài)天然氣含量，改善頁巖的滲流能力[8～10]。

圖1　川東南地區(qū)構(gòu)造單元劃分圖

構(gòu)造應(yīng)力場是制約復(fù)雜構(gòu)造變動區(qū)天然裂縫發(fā)育的關(guān)鍵因素[11～16]。筆者基于川東南丁山構(gòu)造的古構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果，結(jié)合巖石破裂系數(shù)和泥頁巖裂紋擴(kuò)展與演化階段的劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析裂縫的發(fā)育類型與分布特征，建立一種新的頁巖氣選區(qū)評價方法，以推動川東南地區(qū)下古生界頁巖氣勘探。

1區(qū)域構(gòu)造背景

川東南地區(qū)北西與川中隆起以華鎣山斷裂為界，南東被齊岳山隱伏斷裂與湘鄂西-黔東北斷褶帶分割，北與大巴山弧形構(gòu)造對沖，南與黔北斷褶帶相接。從南東到北西形成一系列被斷層切割的NE向復(fù)背斜和復(fù)向斜，相間排列，構(gòu)成線性-弧形斷褶帶[16](圖1)。丁山構(gòu)造位于四川盆地東南部川東斷褶帶，南部跨越川南低緩褶皺帶東緣及四川盆地南斜坡帶的接合部位，屬桑木場大背斜西翼的一個次級斷背斜，是受齊岳山斷裂控制下的逆沖推覆構(gòu)造，地表出露三疊系[17，18]。

2構(gòu)造演化與變形

2.1晚燕山期構(gòu)造演化

構(gòu)造年代學(xué)證據(jù)顯示，川東斷褶帶構(gòu)造變形主要發(fā)生于晚白堊世，即晚燕山期[16]?；谝巴鈽?gòu)造形跡之間的交切關(guān)系，將川東南丁山構(gòu)造晚燕山期細(xì)分為兩幕[19]。

圖2　川東南丁山構(gòu)造CC′剖面構(gòu)造演化圖　(剖面位置見圖1)

1)晚燕山期Ⅰ幕構(gòu)造演化受江南隆起沿NW向陸內(nèi)遞進(jìn)擴(kuò)展的影響，晚燕山期Ⅰ幕丁山構(gòu)造表現(xiàn)為沖斷-褶皺構(gòu)造，齊岳山斷裂以東發(fā)生強(qiáng)烈的逆沖推覆作用，造成中新生界被大量剝蝕，下三疊統(tǒng)暴露地表，而且地層在空間上相互疊置并強(qiáng)烈收縮變形。齊岳山斷層與前緣多條分支斷層共同多級逆沖，使得地層高程逐步降低，表現(xiàn)為低角度斜坡，其西側(cè)為一級逆沖帶，齊岳山斷層下盤的丁山構(gòu)造為二級逆沖帶(圖2)。

2)晚燕山期Ⅱ幕構(gòu)造演化晚燕山期Ⅱ幕開始，由于川中隆起、黔中隆起及綦江斷裂的聯(lián)合作用，引發(fā)該區(qū)SW-NE向的擠壓作用，從而形成NW向構(gòu)造與NE向構(gòu)造疊加。SW-NE向的構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致地層褶皺彎曲，使得丁山構(gòu)造北段呈現(xiàn)圓弧形背斜，南端則為箱狀背斜(圖3)，故斜坡不再表現(xiàn)為單斜構(gòu)造，而是繞曲斜坡。至此，丁山構(gòu)造格架定型，即主體走向NE，同時存在NW向鼻狀突出的鼻狀構(gòu)造。

圖3　川東南丁山構(gòu)造DD′剖面地震解釋圖(剖面位置見圖1)

圖4　川東南丁山構(gòu)造晚燕山期Ⅰ幕最大主應(yīng)力強(qiáng)度分布

圖5　川東南丁山構(gòu)造晚燕山期Ⅱ幕最大主應(yīng)力強(qiáng)度分布

2.2晚燕山期構(gòu)造變形

丁山構(gòu)造主體變形受齊岳山斷裂NW向逆沖推覆所控制，同時受到NE向的疊加改造，不同構(gòu)造演化時期構(gòu)造應(yīng)力場特征存在一定差異，故構(gòu)造變形強(qiáng)度和變形方式也略有不同。

2.2.1晚燕山期Ⅰ幕構(gòu)造變形

丁山構(gòu)造晚燕山期Ⅰ幕主要為沖斷作用，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，伸縮量為-11.679km，伸縮率達(dá)-8.33%。該時期最大主應(yīng)力模擬結(jié)果顯示，擠壓應(yīng)力高值區(qū)主要集中在斷層密度較大區(qū)域，如研究區(qū)東北角、齊岳山斷裂附近，最高可達(dá)90MPa。其他高值區(qū)零星分布在斷層端部，沿NE向呈串珠狀展布，最高為76MPa。應(yīng)力強(qiáng)度較低區(qū)域主要位于北部、南部和東部，應(yīng)力集中分布于44～53MPa，相對高值區(qū)主要位于鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折端和西北角，為58MPa左右。平面上，由北東往南西方向最大主應(yīng)力強(qiáng)度呈減小-增大-減小的變化趨勢，其中西北角的高應(yīng)力可能與川中隆起的阻擋作用有關(guān)(圖4)。

2.2.2晚燕山期Ⅱ幕構(gòu)造變形

晚燕山期Ⅱ幕相較于Ⅰ幕構(gòu)造變形強(qiáng)度弱，以斷裂褶皺作用為主，伸縮量平均為-7.013km，伸縮率為-7.12%。模擬結(jié)果表明，擠壓應(yīng)力高值區(qū)主要位于丁山構(gòu)造的東部靠近剝蝕線和轉(zhuǎn)折部位，沿NW向延伸，最高可達(dá)66MPa。與晚燕山期Ⅰ幕最大主應(yīng)力分布特征類似，高值區(qū)位于斷層密度較大區(qū)域，斷層兩端也有少許分布。應(yīng)力強(qiáng)度較低區(qū)域主要分布在南部，應(yīng)力范圍為38～56MPa。整體上應(yīng)力大小分布相對均一，高值區(qū)位于鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折端，向兩翼逐漸減小(圖5)。

3裂縫發(fā)育與頁巖氣有利富集區(qū)

3.1構(gòu)造裂縫發(fā)育

1)巖層破裂系數(shù)基于丁山構(gòu)造晚燕山期兩幕構(gòu)造應(yīng)力場的最大主應(yīng)力強(qiáng)度，并結(jié)合丁頁1井巖心樣品的巖石力學(xué)性質(zhì)分析[20](表1)結(jié)果。由于目前頁巖氣的勘探深度不超過4500km[21]，故選取圍壓為30MPa的試驗數(shù)據(jù)，即采用差應(yīng)力為56.7MPa的強(qiáng)度極限值，基于該數(shù)據(jù)，則巖石破壞荷載為86.7MPa。

表1　丁山構(gòu)造龍馬溪組頁巖巖石力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)表

圖6　丁山構(gòu)造龍馬溪組晚燕山期裂縫發(fā)育類型分布圖

2)泥頁巖裂紋擴(kuò)展與演化劉俊新等[22]采用高分辨率工業(yè)CT實(shí)時成像系統(tǒng)對單軸壓縮試驗條件下的頁巖樣品進(jìn)行了掃描，對不同荷載水平的CT掃描圖像進(jìn)行了處理，揭示了泥頁巖裂紋擴(kuò)展與演化。

巖樣在單軸荷載作用下，裂紋擴(kuò)展演化隨荷載水平的變化規(guī)律具有一致性，可分為4個階段：第1階段為荷載水平到達(dá)25%以前，為彈性壓密階段；第2階段為荷載水平在25%～65%之間，屬于裂紋萌生階段；第3階段為荷載水平在65%～75%之間，對應(yīng)裂紋發(fā)展階段；第4階段為荷載水平在75%～100%之間，為裂紋貫通階段[22]。

3)丁山構(gòu)造泥頁巖裂縫類型丁山構(gòu)造龍馬溪組頁巖巖石破壞荷載為86.7MPa，則相應(yīng)的各階段對應(yīng)的應(yīng)力為0～21.675MPa、21.675～56.355MPa、56.355～65.025MPa、65.025～86.7MPa，從而確立丁山構(gòu)造2期的裂縫類型與分布，即0～21.675MPa、21.675～56.355MPa應(yīng)力區(qū)間，裂縫不甚發(fā)育；56.355～65.025MPa，裂紋發(fā)育，但是未貫通，主要起到改善儲集性能作用，而不能作為游離氣逸散的通道；65.025～86.7MPa，裂縫發(fā)育且貫通，并向斷層演化，當(dāng)應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時，斷層進(jìn)一步發(fā)育，貫通裂紋以及斷層主要分布于鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位(圖6)。

3.2頁巖氣有利富集區(qū)

基于構(gòu)造應(yīng)力場與裂縫發(fā)育的特征，認(rèn)為在大于65.025MPa區(qū)域里，垂向封閉性能差，而在裂紋發(fā)育區(qū)域垂向保存條件較好，因此較好的垂向保存區(qū)域分布于鼻狀構(gòu)造的NE和SW兩側(cè)。

4結(jié)論

1)晚燕山期Ⅰ幕，丁山構(gòu)造表現(xiàn)為沖斷作用，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，伸縮量為-11.679km，伸縮率達(dá)-8.33%；晚燕山期Ⅱ幕變形強(qiáng)度相對較弱，主要為斷裂褶皺作用，伸縮量平均為-7.013km，伸縮率為-7.12%。

2)晚燕山期Ⅰ幕最大主應(yīng)力高值區(qū)主要分布于鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折端和研究區(qū)東北角；晚燕山期Ⅱ幕應(yīng)力值普遍較大,位于轉(zhuǎn)折部位，向兩翼逐漸減小。

3)區(qū)內(nèi)晚燕山期最大主應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)，宏觀貫通縫及斷層發(fā)育，主要分布于鼻狀構(gòu)造轉(zhuǎn)折端。而在裂紋發(fā)展階段范圍，對儲集性能有一定改善，垂向封閉條件較好，位于鼻狀構(gòu)造的NE和SW兩側(cè)。

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[編輯]鄧?yán)?/p>

Development and Distribution of Shale Fracture in Longmaxi Formation of Dingshan Structure in Southeast Sichuan Basin

Lu Yingxin, Hu Wangshui, Tang Jiguang, Zhang Qiong, Zhan Wen, Xiong Ping, Lyu Hengyu

(FirstAuthor’sAddress：KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResources(YangtzeUniversity),MinistryofEducation,Wuhan430100,Hubei,China)

Abstract:Because of the limitation of paleotectonic stress field, fault-fold deformation was induced in Dinshan Structure of Southeast Sichuan Basin, and the natural shearing tectonic fracture became a major factor that controlled the vertical sealing of shale in Longmaxi Formation. Therefore, in consideration of the direct factor restricting the tectonic fracture, the fractures of shale in the research area were predicted. the tectonic evolution series with the characteristics of structural deformation was determined in this area, and the maximum principal stress in the two episodes of Late Yanshanian which influenced the development of tectonic fractures was simulated.On that basis, according to the rock rupture coefficient and the standard of stage division of crack extension and evolution of muddy shale, the type and distribution of fractures were predicted.The result demonstrates that failure crack and faulted zone are mainly distributed in the hinge zone of the nose structure, initiation and development of cracks which improve the reservoir physical properties are located in the northeast and southwest of the nose structure.

Key words:Southeast Sichuan Basin；Dinshan Structure；Longmaxi Formation；shale；type of fracture；structural deformation

[中圖分類號]TE121.2

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)8-0006-05

[作者簡介]陸應(yīng)新(1989-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事石油構(gòu)造分析方面的學(xué)習(xí)與研究；通信作者：胡望水，huwangshui@126.com。

[收稿日期]2016-01-26

[引著格式]陸應(yīng)新，胡望水，湯濟(jì)廣，等.川東南丁山構(gòu)造龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育與分布[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(8):6～10.