基于構造應力場模擬的頁巖氣藏裂縫表征與建模方法

劉禮軍 周 昕 任啟強 李潔辛 陳克勇 高俊華 陳 雪

1.成都理工大學能源學院 四川成都 610059；

2.中石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發項目經理部 四川成都 610051；

3.成都理工大學沉積地質研究院 四川成都 610059

隨著天然氣需求日益增加，頁巖氣成為天然氣的換代資源之一[1-2]。我國具有豐富的頁巖氣資源，頁巖氣富集區的研究對我國能源后續供給具有戰略意義。天然裂縫的發育程度直接影響了頁巖氣藏產量[3-4]。裂縫為游離態的頁巖氣提供了儲存空間和流動通道，有效提高了頁巖的滲透率和孔隙度。因此，頁巖氣藏裂縫表征對頁巖氣高效開發具有重要意義。

目前，頁巖氣藏的裂縫表征已成為世界熱門課題。但是頁巖具有復雜特征，利用常規的油氣藏表征和建模手段不能有效描述頁巖的裂縫參數和展布。國外對頁巖裂縫研究較早，取得了一定的進展。相比于國外，我國頁巖氣藏條件更加復雜，頁巖儲層大多經歷了多旋回的構造演化，導致頁巖氣藏斷裂系統極為發育。目前頁巖氣藏開發地質模型過于簡化，影響模型準確性，尚無適用于我國地質特征的成型的頁巖氣藏裂縫建模方法和開發理論。

針對以上問題，基于構造應力場模擬建立頁巖氣藏裂縫表征與建模方法。此方法依據研究區所處的地質及構造條件，建立地質力學模型，開展構造應力場數值模擬，結合構造應力與裂縫參數間的關系，對研究區裂縫發育情況進行表征，并采用離散裂縫建模技術建立天然裂縫模型，為研究區頁巖氣高效開發提供支撐。

1 構造應力場模擬

以四川盆地W 區塊頁巖氣藏為研究對象進行構造應力場模擬。W 區塊位于四川盆地西南低褶構造帶，主力目的層段為龍馬溪組龍一1 亞段，整體為深水陸棚相沉積，埋深大多小于3500m。構造應力場包括古構造應力場和現今構造應力場，其中古構造應力場需結合構造演化、構造應力場演化和構造裂縫發育史進行確定。構造演化史和構造應力場演化史表明，區塊構造裂縫可分為4 期：第1 期為燕山早期，由于NW 擠壓形成NE 構造體系；第2 期為燕山晚期，由于NS 擠壓形成EW 構造體系；第3期形成于喜山期，即庫EW 擠壓形成NS 構造體系；第4期為印支期，由于龍山北段關閉，由北向南擠壓，距離遠導致構造變形不大可以忽略。因此，古構造應力場的數值模擬主要是依據燕山期和喜山期的地質構造來構造應力場進行。

1.1 地質模型

依據W 區塊頁巖氣田的頂面構造圖，并結合區塊地震解釋成果提取斷層及大尺度裂縫幾何，在有限元分析軟件中建立頁巖氣田三維地質模型。模型采用四面體網格進行剖分，形成構造應力模擬模型。

1.2 巖石力學參數

巖石力學參數是進行準確有限元數值模擬的前提和保障，其參數的準確性將決定構造應力場模擬的精度和可靠性。以下利用研究區內頁巖氣井鈣質、硅質和泥質含量測試數據對頁巖巖相進行了劃分，獲取目標層段巖相分布模型。而后，依據研究區頁巖氣井測井解釋數據，明確各井點的巖石力學參數空間分布，并將巖石力學參數賦予到對應的地質模型中。采用線彈性八節點單元進行網格劃分，共劃分47059 個節點和140845 個單元，每個單元賦予對應的楊氏模量、泊松比和密度。

1.3 邊界條件

應力加載方式及邊界約束是開展構造應力場研究的基礎?；赪 區塊古今構造應力場特征，確定構造應力模擬的邊界條件。根據燕山期和喜山期古應力地圖對模型施加力學邊界條件，即在模型西南方和東南方分別施加56MPa 和120MPa 的擠壓力?，F今模型邊界條件：底部設置約束，南北方向施加45MPa 擠壓力，東西方向施加18MPa 擠壓力，垂向設置重力。

圖1 古今應力場施加邊界條件

1.4 數值模擬結果

根據燕山期古構造應力場數值模擬結果（圖2），水平最小主應力方向為近NE- SW 向，水平最大主應力方向為近NW- SE 向，沿斷層出現轉彎現象，垂向主應力最大，整體表現為Ia 型應力狀態。平面上最大主應力由南至北方向擠壓作用逐漸變小，且應力高值區呈集中在工區中南部位置，受斷層和地層影響，最小主應力高值區位于斷層附近區域和工區中部；應力分布受成巖微相的影響，主要分布在工區中部及中西部區域?，F今構造應力場分布特征與古構造應力場類似，但水平最小主應力方向為近EW 向，水平最大主應力方向為近NS 向，平面上最大主應力由東至西方向擠壓作用逐漸變小。

圖2 燕山期構造應力場模擬結果

2 頁巖儲層裂縫定量預測

2.1 裂縫參數計算模型

針對泥質頁巖，結合庫倫- 莫爾、格里菲斯等屈服-破壞復合破裂準則以及裂縫力學模型，根據巖石特點，即不論實砂巖是脆性或者是塑性，應變能達到表面能的情況下，就會產生相應的規模破裂。由此推導出擠壓應力狀態下，構造裂縫的定量參數計算模型，見式（1）。

式中：Dvf——構造裂縫體密度，m2/ m3；

Dlf——構造裂縫線密度，條/ m；

b——構造裂縫有效開度，m；

σp——巖石破裂應力，MPa；σ1、σ2、σ3——最大、中間、最小有效主應力，MPa；

ε1、ε2、ε3——最大、中間、最小主應變；

L1、L2、L3——沿σ1、σ2、σ3的單元長度，m；

E——楊氏模量，MPa；

M——泊松比；

θ——裂縫破裂角，°；

ε0——巖石承受最大彈性張應變；

J——裂縫表面能，J/ m2。

2.2 裂縫定量預測結果

基于古今構造應力場數值模擬結果，將應力、應變模擬結果代入裂縫參數計算模型，對W 區塊頁巖氣田裂縫進行定量預測，預測結果如圖3 所示。由圖3（a）和（b）可知，裂縫線密度受斷層和大裂縫影響較大，在斷層邊緣地帶裂縫線密度較大，但整體裂縫呈現零散發育，集中在工區中部和北東部位。由圖3（c）中裂縫開度分布可知，裂縫開度較大的地區為西北方向較集中，由于西南方向喜山期擠壓，造成裂縫發育開度較大。由圖3（d）可知，裂縫呈北東方向發育，且集中在北東部位。依據構造應力場數值模擬獲取的裂縫密度、走向等定量預測結果，利用三維離散裂縫網絡建模技術，建立頁巖氣田裂縫網絡模型，為研究區頁巖氣藏壓裂施工和高效開發提供基礎模型。

圖3 裂縫參數定量預測結果

3 結論

（1）基于儲層地質和巖石力學參數模型，以及古今構造應力場特征，建立了構造應力場數值模擬方法，并結合巖石應變能理論和能量守恒定律，形成了構造應力作用下裂縫開度、線密度、體密度等參數的定量預測模型，可實現裂縫參數空間分布定量預測。

（2）通過頁巖氣田構造應力數值模擬，獲取研究區古今應力場分布特征，結合裂縫定量預測模型對裂縫參數進行計算，明確了研究區裂縫參數分布特征，為頁巖氣田高效開發提供支撐。