致密砂岩气是非常规油气中最为常规的一种, 也是当前油气勘探开发最为现实的一种资源^[1-2]。国内致密砂岩气在2011年的产能已达到2.56×10¹⁰m³, 约占天然气总产量的25%^[3]。沁水盆地是一个残留型盆地, 其上古生界发育多套海陆过渡相煤系^[3]。“煤系”又称“煤岩系”或“含煤建造”, 泛指含有煤层或煤线的沉积岩体系。目前, 该区煤系已获得煤层气商业开发, 但致密砂岩气尚处于勘探阶段^[4]。下二叠统山西组3号煤层是煤层气开发的主力煤层, 也是煤系致密砂岩储层的主要烃源岩。气测资料显示, 山西组致密砂岩具有较大的勘探潜力, 但煤系致密砂岩储层的单砂组厚度较薄, 非均质性强。概括来说, 沉积作用是该类型储层形成的基础; 成岩作用对致密砂岩储层发育进行了适度改造; 构造演化调整了天然气的分布; 裂缝是天然气富集的核心因素^[3-5]。具有较高产能的“地质甜点”主要分布在裂缝发育区内^[5-6]。

由于沁水盆地所处的特殊大地构造位置, 中新生代构造应力场的演化具有多期变化的特点, 不同构造演化时期应力场的变化和叠加, 影响着裂缝的形成, 其复杂程度制约着从力学角度进行裂缝的表征和预测^[3-4]。在致密砂岩储层裂缝预测方面, 采用的方法包括了地质及测井分析法、构造曲率分析法、地震预测方法及构造应力场数值模拟方法等^[7-8]。这些方法基于地质、测井、地震及数值模拟方法可以对致密砂岩储层裂缝进行定量表征, 不足之处在于:地质及测井分析方法受资料限制, 具有一定局限性; 构造曲率方法在考虑不同岩性地层变形及破裂特征方面存在缺陷; 地震预测方法的分辨率通常无法达到岩心尺度裂缝级别; 构造应力场数值模拟方法基于应力传递及应变原理, 可以对岩心尺度裂缝进行较好的预测, 但对于不同类型岩体而言, 选取何种裂缝计算方法最为有效是一个难题。

沁水盆地自晚三叠世印支运动以来, 经历了深埋藏、多期构造旋回及晚期强烈快速隆升剥蚀等复杂构造演化, 煤系裂缝发育特征复杂^[9]。裂缝的形成机制主要受控于古构造应力场环境, 因此, 对该类型储层进行系统裂缝表征及古构造应力场模拟是实现裂缝有效预测的可行方法^[10]。本文以沁水盆地南部地区下二叠统山西组为例, 基于岩心、地震、测井、实验测试及三维有限元法(FEM), 对致密砂岩的裂缝发育特征进行了研究, 并对古构造应力场进行了恢复。然后, 结合Griffith张性破裂准则和Mohr-Coulomb剪切破裂准则, 对目的层的裂缝发育程度进行了预测, 取得了较好的评价效果。将该方法应用于海陆过渡相煤系致密砂岩储层预测, 具有一定新意。

1 地震资料解释 1.1 研究区概况

研究区位于沁水盆地南部的煤层气开发区块, 范围包括了庄区块及樊庄区块, 区内地震测线分布情况如图 1所示。利用地震资料对研究区构造及断裂进行了精细刻画。该区的地势整体表现为东南高、西北低。沁水盆地南部地区的地层包括前寒武系、寒武系、奥陶系峰峰组、石炭系本溪组及太原组、二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组、三叠系及第四系, 主要含煤地层为上石炭统太原组及下二叠统山西组。本文研究的目的层为山西组, 该地层属于陆表海浅水三角洲沉积体系, 主要发育三角洲平原相, 三角洲前缘及前三角洲相相对欠发育, 其主要沉积微相为分流河道、分流间湾及沼泽^[11]。

山西组的主要岩性为中-粗粒长石石英砂岩及石英长石砂岩, 其次为岩屑砂岩及少量砾岩。山西组的单砂组厚度较小, 主要厚度范围在1~20m。目的层在晚三叠世末经历了快速深埋藏的沉积过程, 岩石颗粒的压实程度高, 后期又普遍经历了复杂成岩作用及剥蚀抬升等强改造作用, 储层物性较差^[9]。山西组致密砂岩的储集空间类型主要为次生孔隙、粒内溶孔、粒间溶孔及微裂缝。其覆压孔隙度分布范围为1.0%~14.5%, 主值分布在1.0%~5.0%;覆压渗透率分布范围为(0.1~35.0)×10^-3μm², 主值分布在(0.1~1.5)×10^-3μm²。山西组自上而下被划分为4个砂组, 分别为Ⅰ砂组、Ⅱ砂组、Ⅲ砂组及Ⅳ砂组, 其中, Ⅰ砂组和Ⅱ砂组的储层物性最好, 裂缝发育程度较高, 致密砂岩气勘探潜力较大。

1.2 褶皱发育特征

研究区上古生界地层普遍发生了强烈的变形作用, 地层展布具有地垒和地堑相间分布的特征, 发育负花状断裂(图 2)。负花状断裂具有走滑性质的重要标志^[2]。该地区发育2条边界二级断裂, 即寺头断裂及后城腰断裂, 这2条断裂之间为一个大型地堑(图 2)。该地堑延伸距离远, 贯穿整个郑庄区块的东南部地区。地堑内部的地层发生了较为严重的变形, 并表现出阶阶下陷的构造特征。研究区褶皱为横弯褶皱作用形成的等厚褶皱, 是由于燕山中晚期和喜山期的走滑拉分作用产生的高角度正断层造成的基底块断差异升降作用而形成; 背斜褶皱宽缓, 向斜褶皱紧闭, 构成该地区低幅度“隔槽式”复式褶皱。

1.3 断裂发育特征及分布

高角度近垂直走滑断裂在沁水盆地南部地区极为发育。从盆地周边出露的新老地层断裂特征来看, 如沁水盆地东侧太行山断裂带的浅部发育NE向近垂直张性走滑断裂, 这些高陡张性走滑断裂叠加在中晚侏罗世(J₂₊₃)逆冲断层之上^[12], 反映出盆地后期局部区域断裂发生了强烈的负反转活动。研究区发育基底张性走滑断裂控制的下降盘(上盘)正牵引褶皱和上升盘(下盘)等厚褶皱(图 3)。

研究区走滑断裂面在水平面上呈S型、反S型、雁列式或侧列式排列等多种形式分布。区内主要发育NE向、NEE向、NNE向及NNW向等多组断裂体系(图 4)。其中, NE向断裂的发育程度最高, 该地区主干边界大断裂如寺头断裂及后城腰断裂的主走向均为NE向, 其次为NNE向, 少量断层的走向为NS向及WNW向。

根据沁水盆地南部地区断裂规模(断距大小、延伸长度及断开层位)以及对构造与沉积的控制作用, 将该地区的断裂划分为以下3个级别(图 4)。①二级断裂:为盆内二级构造单元的边界断裂, 断裂规模较大、延伸长度大, 属于控“带”断裂, 如寺头断裂, 后城腰断裂。②三级断裂:为盆地内局部构造的边界断裂, 断裂规模中等, 延伸长度较短, 属于控“圈”断裂。③四级断裂:断裂规模小, 多为主干断裂派生的次级断裂, 走向多与主干断裂一致或斜交, 对构造应力的释放主要起调节作用, 其存在往往使局部构造或圈闭复杂化。该地区主要发育四级断裂。本文在有限元三维建模过程中, 尽可能地精细刻画目的层褶皱及各个级别断裂的分布特征, 从而提高裂缝预测精度。

2 煤系致密砂岩储层裂缝发育特征 2.1 裂缝发育特征

山西组致密砂岩的露头及岩心尺度裂缝均较为发育。裂缝实质上是一个大面积分布的三维地质体, 因此, 观察露头裂缝可以详细了解裂缝的空间展布情况。而常规钻井岩心仅为“一孔之见”, 通常无法钻遇大尺度裂缝, 也无法对裂缝的组合规律或方向性进行有效判定^[6]。山西组露头裂缝主要包括区域构造裂缝、褶皱相关裂缝及断层相关裂缝3种类型^[13-15]。

山西组致密砂岩的裂缝类型包含构造裂缝及多种非构造裂缝。构造裂缝主要包括张性裂缝(图 5a至图 5d)、剪切裂缝(图 5e至图 5h)及一定数量挤压裂缝(图 5i)。张性裂缝是在拉张应力环境下形成的一类裂缝, 通常具有较大的张开度, 所占比例约为58.5%。剪切缝多受局部挤压及走滑剪切作用而形成, 其缝面平直, 延伸距离较长(图 5e至图 5g), 所占比例约为28.5%。山西组致密砂岩中还发育相当数量的挤压缝(图 5i), 该类裂缝形成于挤压构造作用下, 同时兼具有剪切及张性裂缝(挤压扩张)的特征, 其裂缝开度整体较小, 通常无固定取向, 所占比例约为7.0%。构造裂缝的充填程度多为半充填及未充填, 裂缝的有效性较好。非构造缝主要发育溶蚀缝, 所占比例约为6.0%。

2.2 构造部位及断裂对裂缝发育程度的影响

对单井山西组裂缝发育程度进行了分析, 结果显示, 在构造应力值变化梯度较大的区域, 即构造复杂部位, 主要指背斜的顶端及翼部、洼陷的底部及斜坡部位, 这些区域内的构造应力值梯度的变化通常较大, 裂缝较为发育。如图 6中ZS69井处于洼陷的斜坡部位, 该井NE方向附近有一条延伸规模较大的断裂, 该井的总缝密度达4.32条/m, 有效缝密度为3.94条/m, 裂缝较为发育。

在大型走滑断裂附近或断裂带的交切部位及末端等位置, 应力集中导致的岩体被切割程度高, 裂缝通常较为发育。如图 6中ZS83井位于该地区最大一条二级断裂(寺头断裂)的北部及后城腰断裂(二级断裂)的南部, 其周边同时发育多条NE向近平行展布的断裂, 该井总缝密度达2.49条/m, 有效缝密度为2.17条/m, 裂缝较为发育。HG17-2井位于研究区东北部, 靠近寺头断裂, 同时, 其周边分布多条近NNE分布的断裂(图 6)。该井在山西组中总缝密度达2.37条/m, 有效缝密度为1.79条/m, 裂缝较为发育。

而ZS72井、ZS78井和ZS80井所处的构造部位较为平缓, 周边断裂相对欠发育, 裂缝发育程度相对低一些, 有效缝密度均小于1.67条/m(图 6)。此外, 有些断层的规模虽然不大, 但其附近裂缝的发育程度却很高, 这可能与断层的活动性有关。例如HG17-2井附近断裂规模不大, 但这些断裂的断距均较大, 约在80m, 表明断裂的活动较为强烈, 同时, 其发育受附近寺头断裂的影响。长期活动性或活动性强的断层周边岩体的裂缝发育程度会更高。

3 地应力模拟及裂缝预测 3.1 地质模型

山西组包含4个砂组, 其中, Ⅱ砂组在4个砂组中的裂缝发育程度最高, 致密砂岩气勘探潜力最大。对4个砂组均建立了应力场模型, 本文仅以Ⅱ砂组为例进行相关分析。首先, 建立Ⅱ砂组的地质模型, 地质模型包括层序地层分布、构造形态及岩相^[16]。Ⅱ砂组的沉积相及厚度分布如图 7所示, 其主要沉积微相为分流河道及分流间湾。

该三维建模技术的关键环节是实体模型及空间曲面的构建。该技术的思路建立在形函数和趋势面分析法的理论基础上, 遵循“点→线→面→体”的原则, 生成符合真实地质体几何形状的独立实体模型, 并借助布尔操作将实体模型连接在一起。为达到理想的效果, 利用基于空间曲面插值拟合的方法来实现。

利用某软件进行地质建模, Ⅱ砂组的厚度变化、褶皱分布及断裂都被考虑在内。研究区的断裂主要形成于燕山期, 部分四级小断裂形成于喜马拉雅早期; 研究区自燕山晚期以来以整体隆升剥蚀为主要特征, 褶皱形态未发生明显变化。因此, 利用现今的断裂和褶皱特征进行喜马拉雅期的古构造应力场模拟是合理的。三维建模技术建立在形态函数及趋势面分析基础之上^[17]。利用Pre-processing模块输入地质坐标数据, 根据“点→线→面→体”的原则完成模型的构建^[18]。考虑到研究区主要发育走滑断裂, 所添加的断裂均为垂直断裂, 这样可以更好地模拟走滑断裂对地应力分布的影响。最终建立Ⅱ砂组地质模型。

3.2 力学参数赋值

地质模型构建完成后, 需要对模型的力学性质进行赋值, 从而使地质模型向力学模型转换^[19]。本文以沉积相为约束, 参考了岩石力学实验测试结果及力学参数测井解释结果, 对不同力学结构单元进行了赋值, 最终赋值结果如表 1所示。盆地整体处于挤压构造环境下, 断层通常认为是被弱化的单元, 其密度略小于结构完整的地层, 且其杨氏模量和内聚力较低, 而泊松比较高。

3.3 网格剖分及地应力加载方案

将建立的地质模型网格化, 细分为一系列的节点和单元网格。研究区山西组Ⅱ砂组模型共含有节点37848个, 单元109078个(图 8)。主要网格单元为四面体, 此外, 在构造复杂部位还包含一些五面体及六面体。

对山西组致密砂岩样品进行了声发射(AE)实验测试, 2组样品分别取自ZS83井的887~888m井段(Ⅱ砂组)及ZS72井的1101~1102m井段(Ⅲ砂组)。采用的仪器为Mistras Micro-Ⅱ数字声发射测试系统。

研究区裂缝主要形成于燕山期和喜马拉雅期, 其中, 燕山期裂缝属于早期裂缝, 多为全充填缝, 裂缝的有效性差。该期裂缝的分布主要受断裂的影响。而喜马拉雅期裂缝为晚期裂缝, 多为半充填缝及未充填缝, 裂缝的有效性好。研究区含气性较好的致密砂岩储层多发育于未充填缝发育的区域, 因此, 对喜马拉雅期构造应力场及裂缝预测至关重要。研究区经历了长期构造变形, 属于强改造区, 喜马拉雅期构造运动是构造裂缝发育程度较高的重要原因。因此, 本文主要对该时期的古构造应力场进行模拟。研究区在喜马拉雅中晚期的主压应力方向为北东向。因此, 水平最大主应力加载方向为N45°E; 水平最小主应力方向为N45°W。通过不断调试边界加载应力, 当模拟结果与声发射实验结果最为吻合时, 即认为达到最合理的加载条件。最终, 水平最大主压应力为140MPa; 水平最小主压应力为60MPa。由于喜马拉雅期受到右旋剪切作用力影响, 故对模型的上角施加北东方向的张应力10MPa, 下角施加南西方向的拉应力10MPa。AE测试结果与地应力模拟结果间的对比如表 2所示。模拟结果与实测结果间的一致性较好, 表明模拟结果可靠。

3.4 地应力分布

研究区山西组Ⅱ砂组的水平最大主应力主要分布在-131~-179MPa(图 9), 负号代表挤压应力。断裂带的内部为相对“薄弱带”, 在这些区域内部岩石的破碎程度较高, 表现为具有较高的裂缝发育程度^[20]。寺头-后城腰走滑断裂带内部地层的水平最大主应力较低, 而在构造较为平缓的区域, 连续地层的地应力相对较高(图 9)。褶皱带的内部通常被认为是“强硬区”, 如果这些区域岩石发生了一定程度变形但尚未发生破裂, 岩石处于临界破裂状态(或处于应力集中状态), 其应力表现为高值^[21]。在具有较大垂向断距的同一条大型断裂的两侧, 例如寺头断裂及后城腰断裂, 其应力差也具有较大的差异。而对于小规模断裂, 如研究区西北部地区断裂, 其断裂两侧的应力差不明显(图 9)。

Ⅱ砂组的水平最小主应力主要分布在-37~-72MPa(图 10)。其应力分布也同样受局部地层构造及断层的影响。低地应力区域主要分布在断裂带附近, 而高应力区域主要分布在连续地层区域。寺头-后城腰走滑断裂带的内部的应力明显偏低。在寺头断裂及后城腰断裂带中段和南段, 断层的两侧具有明显的应力差(图 10)。走滑断裂的一侧表现为强挤压, 而另一侧则表现为弱挤压, 这是走滑断裂带的“应力平面非均质性”的典型特征^[22]。在水平最小主应力较低的区域, 地层的压实程度较低。张性破裂总是沿着水平最小主应力方向发生, 两者之间关系密切^[23]。因此, 在该地区喜马拉雅期强烈剥蚀条件下, 水平最小主应力较小的区域易于发生张性破裂。

Ⅱ砂组的垂向主应力主要分布在-40~-56MPa(图 11), 其分布主要受地层埋深及岩性(密度)的影响。

3.5 裂缝分布预测

研究区山西组致密砂岩中同时发育张性缝及剪切缝等多种类型构造裂缝。本文通过同时考虑这两种类型的破裂形式, 对Ⅱ砂组的裂缝发育程度进行定量预测。张性破裂采用Griffith破裂准则^[24], 而剪切破裂则采用Mohr-Coulomb准则^[25]。

本文采用综合破裂率(I_F)来表示构造裂缝的发育程度^[26]。综合破裂率I_F的定义为:

$ {I_{\rm{F}}} = a\eta + bR $

(1)

式中:a, b分别为张性缝和剪性缝在所有构造裂缝中所占的比例, 通过静态岩心裂缝观察统计结果获得; η为张性破裂率; R为剪切率, 通过构造应力场模拟的各主应力表示^[26]。一般认为, 在I_F＞1时, 岩石开始发生破裂, I_F越大, 发生破裂的概率越大。分析I_F在平面上的分布特征, 可以定量评价地层裂缝的发育程度。

利用该方法获得的Ⅱ砂组I_F平面分布如图 12所示。从计算结果来看, Ⅱ砂组的I_F基本分布在2.1以内。对山西组Ⅱ砂组I_F及所代表的裂缝发育等级进行了分类(表 3), 将其划分为一级、二级、三级及四级4个等级, 一级区域裂缝最为发育, 二级区域次之, 三级区域裂缝发育程度较低, 四级区域裂缝不发育。

从I_F的平面分布结果来看, Ⅱ砂组整体以一级、二级及三级区域为主(图 12)。这表明Ⅱ砂组中裂缝较为发育, 这与该地区所经历的复杂构造演化及晚期强改造有关。裂缝的发育程度在平面上具有一定差异性。裂缝中等发育区及强发育区主要分布在:①边界断裂带(寺头-后城腰断裂带)内部及附近地区; ②研究区西北部地区; ③研究区东部樊庄区块(HG17-2, F71及F66井附近区域)的小部分地区。寺头-后城腰走滑断裂带是该地区的唯一边界断裂带, 为长期活动性断层, 活动性强, 其内部裂缝较为发育。裂缝发育程度模拟结果与单井岩心裂缝观察结果较为一致。

4 结论

1) 对沁水盆地南部地震资料进行了解释。该地区上古生界具有强烈的变形特征, 地层中地垒和地堑相间分布, 发育负花状断裂, 断裂具有走滑特征。研究区主要发育等厚褶皱, 这些褶皱主要受燕山中晚期和喜山期的走滑拉分作用影响, 由基底块断差异升降作用而形成。

2) 研究了煤系致密砂岩发育构造裂缝及多种非构造裂缝。构造裂缝主要包括张性裂缝、剪切裂缝及一定数量挤压裂缝。非构造缝主要发育溶蚀缝。背斜的顶端及翼部、洼陷的底部及斜坡部位的构造应力值梯度变化较大, 裂缝较为发育。大型走滑断裂附近或断裂带的交切部位及末端等位置, 应力集中导致的岩体被切割程度高, 裂缝通常也较为发育。构造平缓部位, 裂缝发育程度相对低一些。

3) 利用三维有限元方法对研究区山西组Ⅱ砂组进行了精细地质建模及古构造应力场模拟, 恢复了目的层在喜马拉雅期的应力场。地应力的分布主要受控于沉积相、褶皱及断层。

4) 考虑到山西组致密砂岩中同时发育张性缝和剪切缝的特点, 联合Griffith张性破裂准则及Mohr-Coulomb剪切破裂准则, 构建了综合破裂率参数对目的层裂缝发育程度进行定量预测。该方法可以实现复杂构造区致密气储层裂缝甜点的有效预测。