徐延勇，丁萬貴，李 超，張和偉

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇徐州 221008； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221116)

0 前言

鄂爾多斯盆地山西組煤系氣(致密氣、煤層氣、頁巖氣)資源豐富，區(qū)內(nèi)臨興區(qū)塊山西組層段見工業(yè)氣流，鄰區(qū)大牛地、蘇里格等氣田山西已成為主力產(chǎn)層，昭示著其具有勘探開發(fā)潛力[1]。然而，研究區(qū)山西組孔隙度和滲透率很低，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)，為典型的致密儲層[2]。天然裂縫的發(fā)育程度與天然氣的運(yùn)移、富集和成藏關(guān)系密切，其不僅提供了天然氣的儲集空間，更是重要的滲流通道[3-5]。儲層天然裂縫發(fā)育時，可有效提高儲層滲流能力，直接影響到非常規(guī)氣田的開發(fā)效果和經(jīng)濟(jì)效益。因此，預(yù)測致密巖層天然裂縫發(fā)育與分布規(guī)律，對于煤系非常規(guī)天然氣資源開發(fā)具重要意義。致密儲層裂縫的描述和預(yù)測研究方法主要包括地質(zhì)與地球物理、物理模擬與數(shù)值模擬及生產(chǎn)動態(tài)分析等方法[6-7]。目前，針對臨興區(qū)塊山西組的裂縫預(yù)測研究鮮見報道，制約了該層段非常規(guī)天然氣資源的產(chǎn)能釋放。因此，本次研究擬通過巖心和成像測井裂縫觀測和統(tǒng)計，通過三維地質(zhì)構(gòu)型和應(yīng)力反演，采用經(jīng)典剪切和張性裂縫破裂準(zhǔn)則，預(yù)測研究區(qū)山西組裂縫演化規(guī)律，力爭為致密氣高效開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯晚古生代盆地屬克拉通內(nèi)盆地[8]。臨興區(qū)塊構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地東緣晉西撓褶帶(圖 1)。晉西撓褶帶在中晚元古代～古生代處于相對隆起狀態(tài)，奧陶紀(jì)末的加里東運(yùn)動，使盆地普遍缺失晚奧陶紀(jì)-早石炭世地層。隨后盆地緩慢沉降，可見晚石炭世、早二疊世和三疊紀(jì)的沉積。三疊紀(jì)末的印支運(yùn)動，沉積間斷，并伴有一次中深成侵入型熱力作用。中生代侏羅紀(jì)末，晉西撓褶帶發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升，形成一系列NE向的壓性或壓扭性斷層，并伴有構(gòu)造巖漿活動。燕山運(yùn)動使呂梁山上升并向西推擠，加上基底斷裂的影響，形成SN走向的晉西撓褶帶。喜馬拉雅期以來則一直處于整體抬升、剝蝕狀態(tài)。研究區(qū)山西組構(gòu)造對簡單(圖 1)。研究區(qū)天然裂縫受印支期、燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力控制[9]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景Figure 1 Study area geological setting

研究區(qū)含煤地層主要包括上石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組。本次研究目的層為下二疊統(tǒng)山西組(圖 1)。山西組厚度58～108.3m，平均為90.58m。山西組以淺水三角洲沉積為主，水下分流河道呈近南北向展布。巖性主要以的暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖及煤層組成。自北岔溝砂巖底面至駱駝脖子砂巖底面，將山西組劃分為山1段、山21段、山22段和山23段等四小層。山23段為北岔溝砂巖底至4煤頂?shù)囊惶讕r層，自下而上包括北岔溝砂巖、5煤及4煤等巖層。4、5煤分布穩(wěn)定，中間夾有砂巖或泥巖煤層厚度2.0～8.8m，平均為4.8m，在平面上呈現(xiàn)“中間厚，東西兩端薄”分布。山22段為4煤頂至3煤頂之間的一套巖層。3煤在研究區(qū)穩(wěn)定性相對較差。山21段為3煤頂至2煤頂之間的一套巖層，由中-粗砂巖、薄層粉砂巖及灰黑色泥巖夾煤層組成，發(fā)育砂巖1～2層。山1段為2煤頂至駱駝脖子砂巖底之間的一套地層，由中-粗砂巖、薄層粉砂巖及灰黑色泥巖夾煤層組成，發(fā)育砂巖1～4層。

2 天然裂縫發(fā)育特征

天然裂縫的描述手段主要借助地震、測井、航片、衛(wèi)片、野外露頭、顯微鏡、掃描電鏡、核磁共振及CT、壓汞等等直接或者間接不同尺度裂縫觀測[10]。天然裂縫的描述內(nèi)容主要包含裂縫產(chǎn)狀、空間形態(tài)、性質(zhì)、組系等參數(shù)[11]。本次研究基于研究區(qū)山西組巖心及成像測井資料，統(tǒng)計分析了山西組巖心天然裂縫產(chǎn)狀、密度、開度及充填程度等特征。

2.1 天然裂縫產(chǎn)狀與性質(zhì)

按照王允誠對裂縫傾角的分類，裂縫分為近水平裂縫(0°～15°)、低角度斜交縫(15°～45°)、高角度斜交縫(45°～75°)以及近垂直縫(75°～90°)[12]。依據(jù)山西組42條巖心天然裂縫觀測，整體上研究區(qū)4.76%裂縫為近水平縫，11.90%為低角度斜交縫，而高角度斜交縫和垂直縫各占了40.48%和42.86%，顯示了臨興區(qū)塊山西組天然裂縫總體上傾角較大(圖2和圖3)。根據(jù)成像測井解譯的天然裂縫分析，區(qū)內(nèi)山西組天然裂縫走向整體呈現(xiàn)～N-S、WNW-ESE和NE-SW三組方位(圖4)?；趲r心裂縫產(chǎn)狀和裂隙面特征，山西組天然裂縫中有85.7%為剪裂縫，14.3%為張裂縫。

圖2 臨興區(qū)塊山西組天然裂縫傾角統(tǒng)計圖Figure 2 Statistics of natural fissure dip angles in Shanxi Formation, Linxing block

a-L-4井，1739.90 m b-L-15井，1862.67 m圖3 臨興區(qū)塊山西組天然裂縫照片F(xiàn)igure 3 Natural fissure photos in Shanxi Formation, Linxing block

圖4 臨興區(qū)塊山西組天然裂縫走向玫瑰花圖N=28°Figure 4 Natural fissure strike rose diagram (N=28°) in Shanxi Formation, Linxing block

2.2 裂縫開度與密度特征

天然氣裂縫開度指裂縫張開的大小。統(tǒng)計結(jié)果顯示，研究區(qū)山西組裂縫開度在0～0.5mm、0.5～1.5mm、1.5～2.5mm 和>2.5mm分別占20%、30%、40%和10%(圖5)?？傮w而言，研究區(qū)山西組天然裂縫的開度較小。天然裂縫密度指測量段中的裂縫數(shù)目與測量段長度的比值。裂縫密度大小反映了儲層遭受應(yīng)力改造后的破裂程度，是裂縫發(fā)育程度表征最直接簡便的參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)山西組13口井巖芯天然裂縫觀察與統(tǒng)計分析，山西組天然裂縫密度較低，介于0～0.094m-1，整體上天然裂縫發(fā)育程度偏低(圖6)。這與研究區(qū)較為簡單構(gòu)造地質(zhì)背景吻合。

圖5 臨興區(qū)塊山西組天然裂縫開度統(tǒng)計圖Figure 5 Statistics of natural fissure opennesses in Shanxi Formation, Linxing block

2.3 裂縫充填特征

根據(jù)微裂縫中礦物的充填程度，可將其劃分為全充填縫、半充填縫和未充填縫3種類型。根據(jù)巖芯和成像測井天然裂縫觀測，臨興區(qū)塊山西組天然裂縫未充填約占79.07%，充填縫約占16.28%，半充填縫較少僅占總量的4.65%。由此可見，目標(biāo)層段天然裂縫被充填的比例較低，以有效縫主導(dǎo)(圖7)。充填裂縫的充填物主要為方解石(圖3b)。

圖7 臨興區(qū)塊山西組天然裂縫充填程度統(tǒng)計圖Figure 7 Statistics of natural fissure filling degrees in Shanxi Formation, Linxing block

3 天然裂縫定量預(yù)測

3.1 研究方法

地質(zhì)條件的類型、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及受力狀態(tài)共同控制著裂縫生成、形態(tài)、密度及走向等。應(yīng)用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬計算應(yīng)力場，其實質(zhì)是把求解地質(zhì)體內(nèi)的連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化成求解有限個離散點處的場函數(shù)值，基本變量是位移、應(yīng)變和應(yīng)力。具體是：首先將研究的地質(zhì)體離散成有限個連續(xù)的單元，單元之間以節(jié)點連接，然后對每個單元賦予其實際的巖石力學(xué)參數(shù)，根據(jù)邊界受力條件和節(jié)點的平衡條件，建立并求解節(jié)點位移(或者單元內(nèi)應(yīng)力)與總體剛度矩陣的聯(lián)合方程組，得到每個單元內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變值[16-17]。

有限元線性代數(shù)的方程組為：

KU=P+Q

(1)

其中：U是系統(tǒng)節(jié)點位移量，K是系統(tǒng)的剛度矩陣，P是體力載荷的等效節(jié)點矢量，Q是邊界面載荷的等效節(jié)點矢量。

K=∑Ke

(2)

Ke=?BTDBdv

(3)

P=∑Pe

(4)

Pe=?NTqdv

(5)

Q=∑Qe

(6)

Qe=?NTqdv

(7)

對于三維彈性問題，應(yīng)力和應(yīng)變張量用矢量表示為：

(8)

(9)

式中：T表示倒轉(zhuǎn)。

對處在平衡狀態(tài)的受載彈性物體內(nèi)，應(yīng)變與位移、應(yīng)力與外力之間存在一定的關(guān)系，稱為彈性力學(xué)的基本方程。在實際計算中，通過求解彈性力學(xué)的基本方程，可以獲得地質(zhì)體中每個有限單元的最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方向和大小。

計算出應(yīng)力場之后，在每個單元上獲得應(yīng)力為：

(10)

通過正交相似變換，可以簡化為對角矩陣，其對角元是矩陣[σ]的三個特征值，即三個主應(yīng)力值，所對應(yīng)的特征值向量分別為三個主應(yīng)力方向的余弦。

(11)

在有限網(wǎng)格離散后，并知道巖石或者巖石組合常數(shù)(楊氏模量和泊松比)的情況下，系統(tǒng)剛度矩陣很容易計算得知，從而可獲得系統(tǒng)節(jié)點位移矢量，進(jìn)而求出應(yīng)變場和應(yīng)力場。

天然裂縫依據(jù)其性質(zhì)可分為張性裂縫和剪性裂縫。對于張性裂縫運(yùn)用格里菲斯準(zhǔn)則判斷其發(fā)育程度，格里菲斯準(zhǔn)則是一種等效最大張應(yīng)力理論，其從微觀角度出發(fā)，經(jīng)過嚴(yán)密的推導(dǎo)和事實驗證，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和充分的適用性[18-20]。對于剪性裂縫需要運(yùn)用庫侖-納維葉準(zhǔn)則，其適用基礎(chǔ)是巖層破裂是受剪應(yīng)力破壞的結(jié)果[21]。當(dāng)剪破裂發(fā)生時，巖層所受正應(yīng)力(σn)和剪應(yīng)力(τn)滿足庫侖-納維葉準(zhǔn)則。剪切面是兩組共軛，最大主應(yīng)力的方向與破裂面法線方向的夾角表示其方向，破裂面與由最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力組成的面垂直，最大主應(yīng)力位于兩組破裂面的夾角平分線上。

格里菲斯準(zhǔn)則

Case 1:σ1+3σ3≥0

-24σT(σ1+σ2+σ3)

(12)

Case 2:σ1+3σ3<0

σT=-σ3

(13)

庫侖-納維葉準(zhǔn)則

τ=C+σtanφ=C+σμ

(14)

數(shù)量不同且性質(zhì)也不同的裂縫，對于研究區(qū)裂縫發(fā)育影響程度也不同，基于這方面的因素考慮，引入地層綜合破裂值(Fy)的概念：

Fy=a*η+b*R

(15)

(16)

(17)

上述式中：a、b分別為張性裂縫和剪性裂縫所占比率；η代表張破裂系數(shù)；R表示剪破裂系數(shù)；σT為表示張應(yīng)力的值；σTC表示巖層的張破裂強(qiáng)度；σ1為最大主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；φ表示巖石的內(nèi)摩擦角；τ0表示巖石的粘聚力。

對研究區(qū)山西組而言，綜合破裂值為：

Fy=0.143η+0.857R

(18)

3.2 模型與邊界條件

基于臨興區(qū)塊地層和構(gòu)造特征研究，將對應(yīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 ANSYS 有限元軟件中，選擇SOLID 185單元模型構(gòu)建了地質(zhì)模型，表征了目標(biāo)層段在三維空間中的形態(tài)及分布特征。依據(jù)巖石力學(xué)實驗和測井?dāng)?shù)據(jù)解釋，確定了數(shù)值模擬所用的巖石力學(xué)參數(shù)和邊界載荷，并進(jìn)行了參數(shù)賦值與網(wǎng)格劃分，建立了力學(xué)模型(表1)。

表1 臨興區(qū)塊山西組巖石力學(xué)參數(shù)表

其中，印支期山西組彈性模量為40.43GPa、泊松比為0.29，邊界載荷的方向為S-N向，確定邊界載荷依據(jù)是研究區(qū)主應(yīng)力差值為80MPa。燕山期山西組的彈性模量為36.92GPa、泊松比為0.28，邊界載荷的方向為NW-SE向，確定邊界載荷依據(jù)是研究區(qū)主應(yīng)力差值為120MPa。喜馬拉雅彈性模量為35.16GPa、泊松比為0.30，邊界載荷的方向為NE-SW向，確定邊界載荷依據(jù)是研究區(qū)主應(yīng)力差值為90MPa。

3.3 天然裂縫定量預(yù)測

如圖8a所示，山西組印支期裂隙密度介于0.588～0.612，平均為0.599。在平面上，總體呈現(xiàn)天然裂縫北部優(yōu)勢發(fā)育，而在東南和西南相對欠發(fā)育，在L-20～L-13～L-11、L-50、L-33～L-53～L-10、L-51～L-84南等為高裂縫程度發(fā)育井區(qū)。

如圖8b所示，山西組燕山期裂隙密度介于0.755～0.777m，平均為0.762m。在平面上，總體呈現(xiàn)天然裂縫西南部優(yōu)勢發(fā)育，而在中部相對欠發(fā)育，在L-91～L-23～L-90等井區(qū)存在高裂縫發(fā)育程度井區(qū)。

如圖8c所示，山西組喜馬拉雅期裂隙密度介于0.699～0.722，平均為0.710。在平面上，總體呈現(xiàn)天然裂縫中部優(yōu)勢發(fā)育，而在東部相對欠發(fā)育，在L-72北側(cè)、L-13、L-84、L-90與L-42等井區(qū)存在高裂縫發(fā)育程度井區(qū)。

相比而言，臨興區(qū)塊山西組天然裂縫發(fā)育程度由強(qiáng)到弱依次為燕山期、喜馬拉雅期及印支期，即燕山期和喜馬拉雅期是形成研究區(qū)裂縫主要地質(zhì)時期。疊合三個時期裂隙密度圖可見，在L-90、L-33～L-84北側(cè)、L-23～L-10北、L-20、L-11西～L-72南等井區(qū)為高裂縫發(fā)育程度區(qū)，是山西組煤系氣勘探開發(fā)甜點區(qū)(圖 11)。

圖8 臨興區(qū)塊山西組天然裂縫發(fā)育程度分布圖(a.印支期；b. 燕山期；c.喜馬拉雅期；d. 三期疊加)Figure 8 Linxing block Shanxi Formation natural fissure development degree distributions(a: Indo-Chinese epoch; b: Yanshanian epoch; c: Himalayan epoch; d: three epochs stacked)

4 認(rèn)識與結(jié)論

1)臨興區(qū)塊山西組的天然裂縫主要形成于燕山期和喜馬拉雅運(yùn)動期，以高角度斜交縫和近垂直縫為主，裂縫開度和密度較小，其產(chǎn)狀包括N-S、WNW-ESE和NE-SW三組方位，大部分裂縫未充填，裂縫有效性總體較好。

2)隨著地質(zhì)演化進(jìn)程，山西組天然裂縫相對優(yōu)勢發(fā)育區(qū)發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)換，由印支期的北部優(yōu)勢轉(zhuǎn)為燕山期西南優(yōu)勢最終轉(zhuǎn)為喜馬拉雅期的中部優(yōu)勢。

3)研究區(qū)山西組綜合構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較高區(qū)主要包括在L-90、L-33～L-84北側(cè)、L-23～L-10北、L-20、L-11西～L-72南等等高值井區(qū)，在煤系氣開發(fā)中應(yīng)優(yōu)先考慮。