近年来，我国在涪陵焦石坝、长宁、威远、昭通、泸州等地区取得了页岩气商业开发的重要突破。截至2021年12月，涪陵地区累计新建产能148×10⁸ m³/a，累计产气量达到416.6×10⁸ m^{3 [1-3]}，是我国页岩气产量增长的主力军。大量勘探实践和理论基础研究表明，天然裂缝是页岩气藏中重要的渗流通道和储集空间，是页岩气富集和保存的关键因素^[4-6]，其形成的本质原因是储层内部应力的改变，如幕式构造应力、异常流体压力、成岩收缩等^[7-10]。天然裂缝密度与产能密切相关，其中构造裂缝是影响页岩气产能的关键，尤其是高角度剪切裂缝的发育促进了页岩气的散失，导致产气量降低^{[8, 11-13]}。国内学者采用多种方法对四川盆地周缘天然裂缝的表征和预测展开了研究，如岩心观察和描述、地震属性检测、有限元数值模拟、测井评价等^{[9-12, 14]}。结果表明，四川盆地东南部经历过强改造和多期次应力改造的地层，其断层和裂缝系统复杂多样^[15-19]，分布规律差异性大，增加了天然裂缝预测和页岩气保存条件评价的难度。尤其在涪陵气田二期建产区，复杂构造变形特征下天然裂缝的分布导致了页岩气藏压力系数的差异。结合以往研究结果，依据涪陵地区岩心和薄片等资料发现，涪陵地区页岩储层以发育构造裂缝为主^{[15, 20]}，其形态和空间分布特征、发育规律以及渗流规律与构造应力场密切相关，特别是古构造应力场。目前，学者们通常利用古构造应力场反演方法来预测裂缝，主要包括：有限元法、离散元法和有限元差分法等^{[10-11, 21]}。有限元方法具有处理复杂边界能力的同时在模拟过程中考虑了断裂、温度和流体等作用^{[10, 12, 22]}，成为预测页岩储层裂缝最广泛的方法之一。

针对主要发育构造裂缝的页岩储层，采用有限元数值模拟方法，根据模拟的应力大小和库伦-莫尔破裂准则，对四川盆地涪陵南奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩储层应力与裂缝分布情况进行分析，以期为该区页岩气藏的高效勘探开发提供指导。

四川盆地东南部西起华蓥山断层，东至齐岳山断层，其中涪陵南地区构造上位于川东高陡褶皱带的东南部，其北部为焦石坝背斜，东部受齐岳山断层的限制，自东向西发育大量北东向断层（图 1a）。研究区主要受燕山期以来构造作用的影响，构造格局整体上呈北东向展布的结构，发育一系列平行排列的宽缓向斜和窄陡背斜构造及诸多大型断层（图 1b），具有“隔挡式”褶皱特点^[22-23]。构造变形呈显著的南东强北西弱、南东早北西晚的递进变形特征^[24-25]。研究区构造的形成和演化可以划分为2个关键阶段，燕山晚期雪峰山北西向挤压引起川东地区北西向的递进变形，形成大量北东向断层，是现今构造格局的基础^{[22, 25]}；北西向断层和近南北向断层（乌江断层）在喜山期多幕构造运动中形成，在研究区发育较少。目的层段为上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组，厚度为100 m，岩性以灰黑色泥岩和页岩为主，夹少量细砂岩、粉砂岩，为深水陆棚相沉积；底部发育了一套暗色富有机质、富硅质泥页岩^[26-29]（图 1c）。近几年勘探实践表明，该套富有机质泥页岩为一套优质的含气页岩储层，有机质类型以Ⅰ型为主，有机质丰度较高，TOC值大于2.0%，生烃条件优越，R_o值为2.2%~3.5%，平均为2.5%，孔隙度平均值为3.4%^[30-32]，具有良好的储集性能，页岩气富集层段质量体积平均值为4.2 m³/t^[33-35]。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组构造特征分布图（a）、地震解释剖面图（b）和岩性地层综合柱状图（c） Fig. 1 Structural distribution(a), seismic interpretation section(b)and stratigraphic column(c)of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

涪陵地区经历了多期构造运动，区内断裂大多呈线状排列，具有明显的方向性^[36-38]，形成现今复杂的构造格局。其中，燕山期是研究区构造格局和裂缝形成最为主要的时期，NW向水平挤压控制了NE向构造的形成^[39]。对研究区燕山期古构造应力场数值模拟展开研究，同时结合岩石破裂准则，预测构造裂缝平面分布规律。

在忽略上覆压力影响的前提下，采用薄板模型开展平面数值模拟，弄清构造裂缝的分布规律。首先通过地震资料综合解释，分析了五峰组底界的深度和断裂分布，建立研究区断裂系统的地质模型。对目的层岩心开展岩石力学测试，获得岩石力学参数，包括泊松比、杨氏模量、内摩擦角与内聚力等，并进行分区赋值，综合建立力学模型。同时根据区域应力场分析和声发射实验，确立模拟的最优边界条件。在此基础上，利用ANSYS有限元数值模拟软件，将一个连续的地质体离散成若干个有限的连续单元，各单元间用节点相连接，对不同类型单元分别赋予实际的岩石力学参数，根据边界条件，计算单元内部的应力分布，从而得到研究区构造应力场分布，并将应力场模拟的结果和实际获取的地质资料进行对比分析，进一步检验校正已经建立地质模型的合理性。最后依据应力场模拟结果，结合库伦-莫尔破裂准则，获得涪陵地区南部五峰组—龙马溪组剪切破裂指数分布图。具体流程如图 2所示。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 页岩储层构造应力场数值模拟与破裂指数预测流程图 Fig. 2 Flow chart of numerical simulation of tectonic stress field and prediction of fracture index of shale reservoirs

四川盆地涪陵南地区东部以齐岳山断层为界，自东向西由冲断变形向褶皱变形过渡，区域上大断裂控制了构造形态^[37]，以齐岳山、石门-金坪、平桥东与平桥西等断层为界，包含了宽缓向斜、窄陡断背斜，窄陡背斜至宽缓向斜。变形强度整体自东向西逐渐变弱^{[15, 24, 40]}，构造特征以断层相关褶皱为主（图 1a）。

岩石力学性质通常会直接影响应力分布情况和岩石的变形程度，在地质模型建立的基础上，需要对不同单元类型赋值对应的岩石力学参数才能确保模拟的准确性^{[12, 41-42]}。依据GCTS岩石力学测试系统，开展不同围压下三轴岩石力学实验，明确了研究区龙马溪组一段页岩杨氏模量为17.1~34.5 GPa，平均为23.8 GPa，泊松比为0.13~0.23，平均为0.20。

在已建立的地质模型中，可以将单元划分为褶皱区、正常沉积区、断层带3种类型。考虑到断层是影响应力场分布特征的重要因素，依据断层规模大小可将断层带划分为一级断层、二级断层、三级断层（表 1）。根据褶皱区岩心测试结果，将褶皱区定义为一个“强硬区”，尤其是在褶皱核部附近岩石变形较为严重、在没有断层形成且受到强烈构造挤压作用下，可能导致应力无法得到释放，其弹性模量约为正常沉积区的1.5倍，泊松比则小于正常沉积区。由于断层及相伴生的构造裂缝在研究区广泛分布，且受到断层周围应力的影响，在外力作用下岩石可能处于破碎边缘状态，可以将断层带认定为一个“软弱区”，因此在模拟过程中赋予断层较低的杨氏模量和较高的泊松比^{[11, 43]}。断层带的杨氏模量减少50%~70%，泊松比增加0.01~0.05。根据实际的岩石力学参数，对不同单元进行赋值，将地质模型转换为力学模型。

表 1(Table 1)

表 1 四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组各结构单元岩石力学参数 Table 1 Rock mechanics parameters of each structural unit of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin 单元类型 杨氏模量/MPa 泊松比 单元类型 杨氏模量/MPa 泊松比 褶皱区 35.70 0.19 二级断层 15.47 0.23 正常沉积区 23.80 0.20 三级断层 16.66 0.22 一级断层 14.28 0.25

下载CSV 表 1 四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组各结构单元岩石力学参数 Table 1 Rock mechanics parameters of each structural unit of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

边界条件的设定包括古应力大小和方向。自燕山期以来，涪陵南地区构造主要受到2组构造线的控制，在2个方向构造应力的作用下形成了现今的构造形迹。其中燕山晚期是最主要的变形期，研究区受到NW向挤压，形成了NE向的隔挡式褶皱。喜马拉雅期近EW向水平挤压对先存的NE向构造格局进行了改造，形成少量的近SN向构造。研究区总体以NE向构造为主体，燕山期的古应力场主要控制了构造裂缝的发育。本次研究通过对建立的涪陵南地区地质模型进行网格划分，获得若干个节点和单元网格，包含节点共10 875个，网格单元共28 650个。基本思路为对求解出来的应力场函数域进行划分，可以得到若干个以节点相连接的单元，然后依据函数插值方法获得每一个单元未知点的函数值^{[11-12, 41-43]}。随着划分的地质单元体网格越精细，模拟结果的准确度越高。

古构造应力大小根据岩石记录的凯塞尔效应来确定^[44]。一般来说，岩石声发射活动可以反映出岩石所受到的最大应力，在应力作用持续增加的情况下，当岩石遭到外力挤压，所受应力超过之前加过的最大应力时，则会产生新的破裂，从而导致声发射信号（撞击频度）明显增加。在累积的声信号和应力拟合曲线上，凯塞尔效应点表现为突然增大的点。利用岩石声发射实验可以得到古构造运动的期次和页岩储层受到的最大古应力值，同时结合研究区区域构造变形特征和构造运动期次进行配套处理，从而获得模拟的边界条件。实验表明，涪陵南地区岩心至少记录了3期构造运动，其中燕山期是最主要的构造变形期，古应力强度最大为142.7 MPa（K3），其次为喜马拉雅期，古应力强度为98.8 MPa（K2）与82.3 MPa（K1）（图 3）。依据实测单井古应力，通过反复的正演模拟，拟合得到边界上施加的水平应力。最后得到本次模拟的边界条件：模型受到NW—SE向水平挤压作用，施加的最大主应力为125.0 MPa，最小主应力为60.0 MPa，同时对SW和NE向进行单向位移约束（图 4）。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 四川盆地涪陵南地区志留系龙马溪组页岩样品声发射古应力测量曲线 Fig. 3 Acoustic emission paleostress measurement curve of shale samples of Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组燕山晚期网格化模型（a）和二维模型（b） Fig. 4 Meshing results(a)and two-dimensional model (b)in Late Yanshanian of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

应用ANSYS有限元数值模拟法分析了燕山晚期（裂缝主要形成期）涪陵南地区古构造应力平面分布规律。模拟结果显示，燕山晚期水平主应力具有较强的差异性，最大主应力为130~146 MPa（图 5a），最小主应力为65~75 MPa（图 5b）。应力高值区在断层附近集中，并具有明显的应力梯度变化带，特别是在断层端部和断层转折部位，可见局部应力集中现象，反映了复杂变形区构造应力分布明显受到断层的控制。最大主应力值在褶皱核部为高值，随着距核部的距离越远，应力值呈逐渐降低的趋势。模拟结果表明在断层较发育、褶皱变形强度较大的区域，差应力通常处于高值区，应力值一般高于70 MPa（图 5c）。模拟结果的变化趋势与区域构造变形特征具有良好的一致性，验证了本次模拟的合理性。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 四川盆地涪陵南地区志留系龙马溪组一段燕山期最大主应力（a）、最小主应力（b）和差应力（c）平面分布图 Fig. 5 Planar distribution of maximum principal stress(a), minimum principal stress(b)and differential stress(c) in Yanshanian of the first member of Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

涪陵南地区以齐岳山断层为界，自东向西由冲断变形向褶皱变形过渡，靠近盆缘地区构造变形强度大，水平挤压作用明显，岩心上广泛分布有擦痕和阶步，指示剪切作用的发生，因此利用库伦-莫尔破裂准则来预测构造裂缝的发育，并引入了剪切破裂指数R来定量表征裂缝发育的强度。

剪切裂缝的形成通常用库仑-莫尔剪破裂准则来判断。该理论认为岩石的剪切破坏与其所受的正应力σ_n与剪应力τ_n有关，库仑-莫尔准则表示为

式中：c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，（°），它们由三轴岩石力学实验确定；τ为剪应力，MPa；σ为法向应力，MPa。

剪切破裂指数R的计算为

式中：σ₁和σ₃分别为最大主应力和最小主应力，MPa。

当R < 1时，岩石应力莫尔圆还未接近破裂包络线，裂缝不发育；当R ≥ 1时，岩石内部的剪应力大于抗剪强度，岩石达到破裂极限并发生脆性破裂，形成了剪切裂缝，一般R越大，反映裂缝发育程度越高^{[41, 45]}。应用数值模拟得到节点的应力状态，通过计算剪切破裂指数得到平面上剪切裂缝发育的相对强度，值得注意的是，数值模拟得到的应力大小是一种相对大小。

将模拟的节点应力值带入式（1）、式（2），获得涪陵南地区五峰组—龙马溪组剪切破裂指数分布图。研究区目的层R值为0.72~1.38，其值越大反映裂缝发育程度越高（图 6）。结果表明，在窄陡背斜核部和断裂带附近出现明显的应力集中，尤其在断层的端部和交接部位对应的破裂指数值较高（1.10 < R < 1.38），而宽缓向斜区内部对应的破裂指数值较低（0.78 < R < 0.95）。R值的分布反映出裂缝发育强度主要受背斜和断层的控制，其中，断层是控制该区裂缝发育的重要构造因素，在距离一级断层和二级断层两侧1~2 km内，由于发育的高角度剪切裂缝规模大且延伸长，容易导致页岩气发生垂向散失不利于页岩气保存。同样有其他因素会影响区域裂缝的强度，包括厚度、沉积相类型、有机质成熟度等，模拟的结果显示了古构造应力对构造剪切裂缝发育的影响。通过验证模拟剪切破裂指数与单井剪切裂缝密度的关系，发现二者具有较好的正相关关系（图 7），表明模拟结果与实际结果相符。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组燕山晚期剪切破裂指数分布 Fig. 6 Distribution of shear fracture index in Late Yanshanian of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组岩心剪切裂缝密度与模拟剪切破裂指数相关性 Fig. 7 Correlation between core shear fracture density and simulated shear fracture index of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

在涪陵南地区开发过程中发现，开发井的压力系数、含气性和剪切裂缝的发育程度均具有明显差异。如145-2井位于窄陡断背处，压力系数为1.0，含气量为2.3 m³/t，岩心上发育大量高角度的穿层剪切裂缝，且自下而上剪切裂缝的发育程度降低。沉积相的垂向变化控制了构造挤压过程中应力集中的程度，五峰组—龙马溪组自下而上由硅质页岩向黏土质页岩过渡，岩石的力学性质（杨氏模量）总体上呈降低的趋势，应力在龙马溪组底部集中，裂缝发育程度最高（图 8）。断层附近和窄陡背斜位于应力高值区，应力集中更容易发育剪切裂缝，破坏了页岩气的保存条件，使其形成常压气藏。受剪切作用影响，穿层剪切裂缝附近页岩吸附甲烷的能力变差，有机质-矿物复合孔增多，促进吸附气向游离气解吸^{[35-37, 43, 45]}。同时大规模的穿层剪切裂缝与上覆地层沟通，大幅度提高了纵向渗透率，并且靠近断层，导致页岩气更容易向上运移而散失，不利于页岩气的保存。在远离断层部位的宽缓向斜区，如148-1井总体位于应力低值区，剪切裂缝发育较少甚至不发育，有利于页岩气的保存，现今压力系数大于1.5。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 四川盆地涪陵南地区JY145-2井奥陶系五峰组—志留系龙马溪组测井和裂缝分布综合柱状图 Fig. 8 Logging and fracture distribution column of Ordovician Wufeng Formation to Silurian Longmaxi Formation of well JY145-2 in southern Fuling area, Sichuan Basin

根据数值模拟结果，参考以往研究成果并结合实际地质情况，将涪陵南地区海相页岩气保存有利区划分为3个区带（图 9）。评价结果表明：在涪陵南地区远离大断层的凤来向斜内部，主要构造变形期未遭受大的破坏作用，其位于应力低值区，剪切裂缝基本不发育，反映其具有良好的保存条件，主要为Ⅰ类有利区，可作为下一步勘探开发的重点；在白马向斜内部小断层发育，应力值位于中等水平，保存条件中等，以Ⅱ类较有利区为主；在大断层附近的窄陡断背斜区域应力集中，导致石门—金坪断背斜遭受到强烈改造作用，容易产生大规模剪切裂缝，破坏了保存条件，主要为Ⅲ类不利区。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 四川盆地涪陵南地区志留系龙马溪组页岩气有利区评价 Fig. 9 Evaluation of shale gas favorable areas of Silurian Longmaxi Formation in southern Fuling area, Sichuan Basin

（1）有限元数值模拟方法是预测和表征天然裂缝分布的有效手段。四川盆地涪陵南地区古构造应力和构造裂缝的分布与构造应力、断层、岩石力学性质等多种因素密切相关。模拟结果显示在断层端部和转折部位构造裂缝最发育，并具有明显的应力梯度变化，其位于破碎带向正常地层过渡的区域，应力集中导致构造裂缝发育。单井上，构造裂缝在五峰组—龙马溪组底部的硅质页岩中发育程度高。

（2）涪陵南地区构造裂缝发育程度由东向西逐渐降低。在远离大断层的凤来向斜内部，其位于应力低值区，剪切裂缝基本不发育，以Ⅰ类有利区为主；白马向斜内部小断层发育，应力值位于中等水平，以Ⅱ类较有利区为主；位于大断层附近的窄陡断背斜区域应力集中，导致石门—金坪断背斜遭受到强烈改造作用，容易产生大规模剪切裂缝，破坏了保存条件，主要为Ⅲ类不利区。