近年来，四川盆地积极推进深层页岩气的勘探开发。川南泸州地区经历了多期构造活动和构造叠加，区内褶皱和断裂构造发育形成了复杂褶皱和断裂系统，该区的北部以NE向和近SN向构造为主，西部和南部以NE向、近EW向和NW向构造为主，已有研究认为下古生界五峰组—龙马溪组深层页岩储层的裂缝主要受控于区域古构造应力场^[1-2]，而深层储层裂缝对页岩气运聚成藏具有重要作用^[3-5]，因此开展泸州地区五峰组—龙马溪组深层页岩储层的裂缝特征的研究，对开展深层页岩气勘探开发具有重要的意义。目前对于裂缝的研究主要从力学成因的角度，通过对构造应力场使用不同的方法进行模拟来评价裂缝。有些研究者通过岩相的划分，对不同岩相的岩石力学参数进行分析，建立地质模型，将地质模型转换为岩石力学模型来进行应力场模拟^[6]；还有些研究者通过有限元软件对岩层进行力学分析，建立地应力模型^[7-9]，获得地应力的空间展布特征，在此基础上进行裂缝预测。前期学者已经开展了四川盆内及周缘应力场模拟的相关工作^[7]，但对泸州地区深层古构造应力场的裂缝特征还没有较为系统的论述。

针对川南泸州地区五峰组—龙马溪组深层页岩地层，开展褶皱构造、断层产状和断层组合形式对应力场方向和大小影响范围和影响程度的构造解析，厘定构造应力场变形方向，利用钻井岩心测试数据、测井和地震数据，应用ANSYS数值模拟方法，构建该区燕山期Ⅲ幕（裂缝主要形成期）的地质模型，进行古构造应力场反演，并以古应力场研究为基础进行深层页岩储层的裂缝预测，以期为该区深层页岩气勘探开发提供地质依据。

泸州地区位于四川盆地南部，构造上属于川中古隆起南侧的川南低陡构造带^[10]，由北往南发育一系列雁行排列的相对紧闭的背斜和宽缓的向斜构造，具有复式褶皱特点（图 1）。储层主要是下古生界五峰组—龙马溪组深层页岩储层，该区在五峰组—龙马溪组沉积时期位于深水陆棚沉积中心，五峰组底部与下伏临湘组灰岩整合接触，顶部与上覆龙马溪组整合接触，龙马溪组顶部与下志留统石牛栏组碳酸盐岩整合接触^[11-13]，龙马溪组底部富含生物硅质矿物，质量分数为60%~70%，页岩TOC质量分数为2.8%~6.0%，平均为3.9%，孔隙度为4.0%~6.5%，平均为5.1%，含气饱和度为50%~70%，平均为65%，现场测试的总含气量为5.0~7.5 m³/t，平均为6.3 m³/t，为川南地区最高^[14-15]。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 川南泸州地区及邻区的龙马溪组底界埋深图 Fig. 1 Buried depth map of Longmaxi Formation in Luzhou and adjacent areas, southern Sichuan Basin

川南泸州地区具有构造复杂，埋深大的特点^[2]，深层页岩地层具有低孔、低渗特征，裂缝及裂缝发育程度对深层页岩气富集成藏具有至关重要的作用^[3-6]。构造裂缝的发育程度主要受内因和外因的联合控制，内因主要为岩性、岩石的结构和组合特征，外因主要为研究区所受的外界的应力场作用大小及作用方式等，而裂缝的分布受到构造应力场的控制。晚侏罗世—早白垩世，中国东部处于太平洋板块向西俯冲至欧亚板块的大地构造背景之下，四川盆地及周缘表现为燕山期强烈褶皱变形期及陆内挤压造山期^{[4, 16]}，川南泸州地区受到NW向挤压作用，燕山期构造运动对泸州地区改造最大，裂缝主要形成于燕山期Ⅲ幕^[17]，因此开展该地区燕山期Ⅲ幕的古构造应力场模拟，结合岩石破裂准则，预测构造裂缝分布规律的研究意义重大。

川南泸州地区的五峰组—龙马溪组的厚度与研究区长宽相比基本可以忽略不计，为了弄清楚研究区裂缝发育的平面差异，采用薄板模型，即二维平面应力场模拟，以五峰组—龙马溪组深层页岩岩层作为二维模拟对象，假设水平应力是该区域构造变形的主导应力场^[18]，忽略上覆地层压力的影响，模拟该区五峰组—龙马溪组燕山Ⅲ幕的古构造应力分布模型。首先通过对研究区的钻井岩心样品开展岩石物理力学实验，获得岩石物理力学参数，再结合区域构造应力场分析，建立地质模型，然后应用线性有限元分析，将连续体离散成有限的结点，并将有限的结点连续起来成为有限的单元，对每个单元赋予测试获得的岩石力学参数，最后根据边界条件，利用ANSYS数值模拟软件计算各个单元内应力分布。

泸州地区五峰组—龙马溪组页岩由北往南发育多个窄背斜和宽缓向斜，褶皱强度由强变弱，构造高部位埋深相对较浅，为2 700~3 000 m，向斜内部埋深普遍较高，超过3 800 m。根据该区的五峰组—龙马溪组底界埋深（图 1）的深度数值进行分区，构建该区的构造应力场地质模型。

根据钻井资料，对各个地质单元赋予实际的岩石力学参数。由于很难获得该区的平面上分布的岩石力学参数，模拟时参照泸州地区及周边井岩心取样的岩石力学参数随深度变化的规律^[19-20]，对不同深度的页岩岩石力学参数进行赋值，埋深相同的页岩经历了大致相同的埋藏过程，通过多井的岩石力学参数约束平面上岩石力学参数的分布，假定埋深相同的岩石力学性质大致相同，如图 2所示，弹性模型随深度变深，弹性模量变大，而泊松比随深度加深而变小。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 泸州地区五峰组—龙马溪组力学参数分布 Fig. 2 Distribution of mechanical parameters of Wufeng-Longmaxi Formation in Luzhou area

研究区断层以及断层派生裂缝在五峰组—龙马溪组页岩储层中普遍存在，其发育规律受断层派生的次级应力分布控制，因此，在模拟的过程中将断层带视为“软弱区”，用断裂带的方式进行处理，利用有限元方法求解出连续介质中断层对应力的影响，从而降低断层两侧适当距离岩性的杨氏模量（降低至60%），同时增加泊松比（增加0.02）^[21]。根据研究区目的层的埋藏深度划分为不同的单元类型，再根据岩石力学实验测得不同单元的页岩力学参数，如表 1所列。

表 1(Table 1)

表 1 泸州地区的岩石力学参数 Table 1 Rock mechanical parameters of Luzhou area 层位 深度/m 岩石力学参数 弹性模量/(104 MPa) 泊松比 内聚力/MPa 内摩擦角/(°) 龙马溪组底界 2 700~3 000 3.52 0.25 27.0 30 3 000~3 500 3.89 0.23 31.5 25 3 500~4 000 4.47 0.22 36.0 20 > 4 000 4.95 0.21 40.5 15 断裂 2.00 0.40 21.0 45

下载CSV 表 1 泸州地区的岩石力学参数 Table 1 Rock mechanical parameters of Luzhou area

泸州地区构造格局受多组构造线的控制，在3个方向的压力联合作用下，构造变形递进发展，各组系褶皱由边界向中心不均匀扩展所形成的联合—复合构造格局^[22-23]。该区燕山期Ⅲ幕受到太平洋板块向西俯冲控制的NW向挤压，形成该区NE向的隔档式褶皱，根据对观测点实测的构造节理玫瑰花图（图 3），泸州地区燕山期Ⅲ幕主构造期的最大主应力为NW向，约为135°。虽然各构造格局方位不同，但总体是协调的，反映其统一的构造应力场和构造形变场。本次设计的边界条件：模型受到NW-SE（135°）向的挤压作用，模型的NW向施加最大为108 MPa主应力，SE向施加最小为60 MPa的主应力，同时对SW向和NE向进行x，y方向上的位移约束。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 泸州地区观测点的构造节理玫瑰花图 Fig. 3 Structural joint rose diagram of observation points in Luzhou area

应用ANSYS有限元数值模拟方法开展目的层燕山期Ⅲ幕，裂缝主要形成期的古构造应力场数值模拟，得到最大水平主应力[图 4（a）] 和最小水平主应力模型[图 4（b）]。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 泸州地区燕山Ⅲ幕的最大（a）、最小（b）水平主应力云图 Fig. 4 Maximum(a)and minimum(b)horizontal principal stress cloud charts of Yanshan Episode Ⅲ in Luzhou area

泸州地区燕山期Ⅲ幕，最大水平主应力为68~128 MPa，最小水平主压应力为47~70 MPa，反映了该区深层页岩储层的地应力具有差异分布的特征。应力高值沿背斜走向分布，背斜核部受到地层挤压作用强烈，应变强度大，同时受到断裂的影响，在断裂和背斜核部的应力值高。远离断层的低陡构造的向斜区的构造应力异常高值区是深层页岩储层裂缝发育的有利区和较有利区，研究区南侧的L206井和中部L203井均位于低陡构造的向斜区的高应力值区域，其钻探结果都有较好的油气显示，说明研究的模拟结果可靠。

泸州地区的区域性断裂多集中在背斜的翼部或背斜与向斜的转折部位（参见图 1）。按照岩石力学理论，该地区的破裂以剪切破裂为主，张破裂次之，裂缝预测选择应用库伦—摩尔剪破裂准则。应用数值模拟方法获得研究区二维平面内各点的应力状态，依据构造应力场中某一点是否达到破裂状态或者判断裂缝的发育程度，引入剪切破裂系数R，当R＜1时，岩体基本保持在一个平衡的状态，不会造成明显的裂痕甚至破坏，但是岩石内部可能产生微裂缝扩散；当R≥1时，岩体所受的应力状态已经处于或超过摩尔应力圆破裂包络线，岩石发生破裂^[24-27]，剪切破裂系数的计算如下：

式中：σ₁为最大水平主应力，MPa；σ₃为最小水平主应力，MPa；C是岩石的固有剪切强度或粘聚力，即内聚力，MPa；Ψ为岩石的内摩擦角，（°）；岩石力学参数选择见表 1。

通过数值模拟计算地应力获得的是一个相对结果，因此计算获得R值也表示岩体破裂的相对发育程度，即是裂缝的发育程度，一般来说，岩体内部裂缝发育程度随R值的增大而增大。

通过ANSYS对泸州地区深层页岩储层二维平面古构造进行应力场数值模拟，获得了深层页岩储层应力场分布特征，根据库伦—摩尔剪破裂准则，获得泸州地区五峰组—龙马溪组的破裂系数等值线，如图 5所示，该区燕山期Ⅲ幕以压应力为主，深层页岩储层的最大主应力集中分布在背斜的核部，最小主应力集中分布在断层附近。当R＜1时，深层页岩裂缝发育相对弱；当R = 1时，裂缝较为发育；当R＞1时，裂缝十分发育。深层页岩储层的裂缝特征为窄背斜核部和断裂附近裂缝发育，低陡构造的向斜区裂缝较发育，宽缓向斜核部裂缝弱发育，裂缝密度分布由NE向SW逐渐降低。在断层两侧1~2 km范围内，由于裂缝发育，不利于页岩气保存，而其他地区裂缝越发育，页岩气越富集。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 泸州地区下古生界五峰组—龙马溪组破裂系数等值线 Fig. 5 Fracture coefficient contour map of Lower Paleozoic Wufeng-Longmaxi Formation in Luzhou area

2019年泸州地区钻探的L203井，位于泸州市喻寺镇雷达村福集向斜北西翼，该区不发育断距大于300 m的一级断裂，二级断裂仅发育在背斜高部位，向斜和斜坡带主要发育断距在10~50 m规模的三、四级层间小断裂，对页岩气藏无大的破坏作用，钻井的垂直深度为3 890 m，测试产气量为138万m³/d。之后在L203井区南部钻探的L206井位于川南低褶构造带，如图 6所示，井深为4 011~4 044 m，五峰组—龙马溪组位于有利的沉积相带，TOC含量和脆性矿物含量均较高，储层厚度超过30 m，测试产量30.55万m³/d，在深度4 011~4 024 m处裂缝高密度发育，4 026~4 038 m处裂缝弱发育，4 039~4 044 m处裂缝发育以高角度裂缝为主。其裂缝发育特征指示深层页岩储层的裂缝与燕山期形成的剪切裂缝特征大体一致。因此，可以认为燕山期形成的剪切裂缝是深层页岩储层裂缝的主要成因类型，深层页岩储层裂缝预测与实际钻井岩心统计的裂缝数据相吻合。据此进行的泸州地区燕山期的古构造应力场数值模拟构建的该区燕山Ⅲ幕的古构造应力场模型，具有实际意义。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 泸州地区L206井五峰组—龙马溪组测井及裂缝分布综合柱状图 Fig. 6 Comprehensive histogram of logging and fracture distribution of Wufeng-Longmaxi Formation of well L206 in Luzhou area

在泸州地区深层页岩储层地质研究中发现，地应力一方面受到了裂缝主要形成期的古构造应力场的控制，应力的高值区裂缝发育，断层附近的裂缝发育是受到断层的影响，而应力低值区，裂缝弱发育甚至不发育，另一方面该区深层页岩储层压力系数普遍在2.0左右^[28]，总体处于异常高压地层环境中，使得储层中有机孔隙和无机孔隙得到了有效保存^[29-30]，低陡构造向斜区的保存条件好，裂缝发育，有利于游离态天然气聚集，页岩气相对富集，地应力与裂缝密度存在密切的联系。综上所述，泸州地区深层页岩储层裂缝预测，揭示了具有高应力值的向斜区是有利的深层页岩勘探区。

（1）泸州地区受到太平洋板块向西俯冲控制的NW向挤压，形成了NE向的隔档式褶皱的构造样式，燕山期Ⅲ幕的深层页岩储层裂缝形成的主要时期的最大主应力方向为NW向，其值约为135°。

（2）采用ANSYS有限元数值模拟方法计算泸州地区五峰组—龙马溪组燕山期Ⅲ幕的古构造应力场，发现其最大水平主压应力为68~128 MPa，最小水平主压应力为47~70 MPa，其深层页岩储层地应力具有差异分布的特征。

（3）泸州地区深层页岩储层在窄背斜核部和断裂附近裂缝发育，远离断层的低陡构造的向斜区裂缝较为发育，宽缓向斜核部裂缝弱发育，裂缝密度分布由NE向SW逐渐降低，断裂周边裂缝发育，不利于页岩气保存，而其他地区裂缝越发育，页岩气越富集。