基于构造应力场模拟的页岩气藏裂缝表征与建模方法

刘礼军 周 昕 任启强 李洁辛 陈克勇 高俊华 陈 雪

1.成都理工大学能源学院 四川成都 610059；

2.中石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部 四川成都 610051；

3.成都理工大学沉积地质研究院 四川成都 610059

随着天然气需求日益增加，页岩气成为天然气的换代资源之一[1-2]。我国具有丰富的页岩气资源，页岩气富集区的研究对我国能源后续供给具有战略意义。天然裂缝的发育程度直接影响了页岩气藏产量[3-4]。裂缝为游离态的页岩气提供了储存空间和流动通道，有效提高了页岩的渗透率和孔隙度。因此，页岩气藏裂缝表征对页岩气高效开发具有重要意义。

目前，页岩气藏的裂缝表征已成为世界热门课题。但是页岩具有复杂特征，利用常规的油气藏表征和建模手段不能有效描述页岩的裂缝参数和展布。国外对页岩裂缝研究较早，取得了一定的进展。相比于国外，我国页岩气藏条件更加复杂，页岩储层大多经历了多旋回的构造演化，导致页岩气藏断裂系统极为发育。目前页岩气藏开发地质模型过于简化，影响模型准确性，尚无适用于我国地质特征的成型的页岩气藏裂缝建模方法和开发理论。

针对以上问题，基于构造应力场模拟建立页岩气藏裂缝表征与建模方法。此方法依据研究区所处的地质及构造条件，建立地质力学模型，开展构造应力场数值模拟，结合构造应力与裂缝参数间的关系，对研究区裂缝发育情况进行表征，并采用离散裂缝建模技术建立天然裂缝模型，为研究区页岩气高效开发提供支撑。

1 构造应力场模拟

以四川盆地W 区块页岩气藏为研究对象进行构造应力场模拟。W 区块位于四川盆地西南低褶构造带，主力目的层段为龙马溪组龙一1 亚段，整体为深水陆棚相沉积，埋深大多小于3500m。构造应力场包括古构造应力场和现今构造应力场，其中古构造应力场需结合构造演化、构造应力场演化和构造裂缝发育史进行确定。构造演化史和构造应力场演化史表明，区块构造裂缝可分为4 期：第1 期为燕山早期，由于NW 挤压形成NE 构造体系；第2 期为燕山晚期，由于NS 挤压形成EW 构造体系；第3期形成于喜山期，即库EW 挤压形成NS 构造体系；第4期为印支期，由于龙山北段关闭，由北向南挤压，距离远导致构造变形不大可以忽略。因此，古构造应力场的数值模拟主要是依据燕山期和喜山期的地质构造来构造应力场进行。

1.1 地质模型

依据W 区块页岩气田的顶面构造图，并结合区块地震解释成果提取断层及大尺度裂缝几何，在有限元分析软件中建立页岩气田三维地质模型。模型采用四面体网格进行剖分，形成构造应力模拟模型。

1.2 岩石力学参数

岩石力学参数是进行准确有限元数值模拟的前提和保障，其参数的准确性将决定构造应力场模拟的精度和可靠性。以下利用研究区内页岩气井钙质、硅质和泥质含量测试数据对页岩岩相进行了划分，获取目标层段岩相分布模型。而后，依据研究区页岩气井测井解释数据，明确各井点的岩石力学参数空间分布，并将岩石力学参数赋予到对应的地质模型中。采用线弹性八节点单元进行网格划分，共划分47059 个节点和140845 个单元，每个单元赋予对应的杨氏模量、泊松比和密度。

1.3 边界条件

应力加载方式及边界约束是开展构造应力场研究的基础。基于W 区块古今构造应力场特征，确定构造应力模拟的边界条件。根据燕山期和喜山期古应力地图对模型施加力学边界条件，即在模型西南方和东南方分别施加56MPa 和120MPa 的挤压力。现今模型边界条件：底部设置约束，南北方向施加45MPa 挤压力，东西方向施加18MPa 挤压力，垂向设置重力。

图1 古今应力场施加边界条件

1.4 数值模拟结果

根据燕山期古构造应力场数值模拟结果（图2），水平最小主应力方向为近NE- SW 向，水平最大主应力方向为近NW- SE 向，沿断层出现转弯现象，垂向主应力最大，整体表现为Ia 型应力状态。平面上最大主应力由南至北方向挤压作用逐渐变小，且应力高值区呈集中在工区中南部位置，受断层和地层影响，最小主应力高值区位于断层附近区域和工区中部；应力分布受成岩微相的影响，主要分布在工区中部及中西部区域。现今构造应力场分布特征与古构造应力场类似，但水平最小主应力方向为近EW 向，水平最大主应力方向为近NS 向，平面上最大主应力由东至西方向挤压作用逐渐变小。

图2 燕山期构造应力场模拟结果

2 页岩储层裂缝定量预测

2.1 裂缝参数计算模型

针对泥质页岩，结合库伦- 莫尔、格里菲斯等屈服-破坏复合破裂准则以及裂缝力学模型，根据岩石特点，即不论实砂岩是脆性或者是塑性，应变能达到表面能的情况下，就会产生相应的规模破裂。由此推导出挤压应力状态下，构造裂缝的定量参数计算模型，见式（1）。

式中：Dvf——构造裂缝体密度，m2/ m3；

Dlf——构造裂缝线密度，条/ m；

b——构造裂缝有效开度，m；

σp——岩石破裂应力，MPa；σ1、σ2、σ3——最大、中间、最小有效主应力，MPa；

ε1、ε2、ε3——最大、中间、最小主应变；

L1、L2、L3——沿σ1、σ2、σ3的单元长度，m；

E——杨氏模量，MPa；

M——泊松比；

θ——裂缝破裂角，°；

ε0——岩石承受最大弹性张应变；

J——裂缝表面能，J/ m2。

2.2 裂缝定量预测结果

基于古今构造应力场数值模拟结果，将应力、应变模拟结果代入裂缝参数计算模型，对W 区块页岩气田裂缝进行定量预测，预测结果如图3 所示。由图3（a）和（b）可知，裂缝线密度受断层和大裂缝影响较大，在断层边缘地带裂缝线密度较大，但整体裂缝呈现零散发育，集中在工区中部和北东部位。由图3（c）中裂缝开度分布可知，裂缝开度较大的地区为西北方向较集中，由于西南方向喜山期挤压，造成裂缝发育开度较大。由图3（d）可知，裂缝呈北东方向发育，且集中在北东部位。依据构造应力场数值模拟获取的裂缝密度、走向等定量预测结果，利用三维离散裂缝网络建模技术，建立页岩气田裂缝网络模型，为研究区页岩气藏压裂施工和高效开发提供基础模型。

图3 裂缝参数定量预测结果

3 结论

（1）基于储层地质和岩石力学参数模型，以及古今构造应力场特征，建立了构造应力场数值模拟方法，并结合岩石应变能理论和能量守恒定律，形成了构造应力作用下裂缝开度、线密度、体密度等参数的定量预测模型，可实现裂缝参数空间分布定量预测。

（2）通过页岩气田构造应力数值模拟，获取研究区古今应力场分布特征，结合裂缝定量预测模型对裂缝参数进行计算，明确了研究区裂缝参数分布特征，为页岩气田高效开发提供支撑。