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  中国地质 2020, Vol. 47 Issue (1): 88-98  
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曹慧, 孙东生, 苑坤, 李阿伟, 张光晗. 2020. 黔南地区~3 km油气深孔地应力测量与构造应力场分析[J]. 中国地质, 47(1): 88-98.  
Cao Hui, Sun Dongsheng, Yuan Kun, Li Awei, Zhang Guanghan. 2020. In-situ stress determination of 3 km oil-gas deep hole and analysis of the tectonic stress field in the southern Guizhou[J]. Geology in China, 47(1): 88-98. (in Chinese with English abstract).  

黔南地区~3 km油气深孔地应力测量与构造应力场分析
曹慧1,2, 孙东生1, 苑坤3, 李阿伟1, 张光晗4    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 自然资源部新构造与活动构造重点实验室, 北京 100081;
2. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
3. 中国地质调查局油气资源调查中心, 北京 100029;
4. 中国石油大学(北京), 北京 102249
摘要:地应力大小和方向信息是非常规油气勘探开发及区域构造应力场特征分析的重要基础数据。为了解黔南紫云地区的现今地应力状态,采用基于钻孔岩心的非弹性应变恢复(ASR)地应力测量方法,获取了紫云地区2877~2985 m石炭系打屋坝组地层的地应力信息,分析了区域构造应力场特征,探讨了油气保存条件。结果表明:(1)黔南紫云地区近3 km处石炭纪地层现今地应力状态表现为以垂向应力为主的应力环境,测点处最大水平主应力方向近SN向。(2)紫云地区近3 km处岩心实测最大水平主应力方向与燕山早期古构造应力场最大主应力方向大致相同,一定程度上反映了燕山末期—喜马拉雅运动对次生油气藏的改造程度较小,有利于黔南坳陷内部油气藏的保存。
关键词页岩气    黔南坳陷    地应力    非弹性应变恢复法    油气保存    钻井    油气勘查工程    贵州    
中图分类号:P634            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2020)01-0088-11
In-situ stress determination of 3 km oil-gas deep hole and analysis of the tectonic stress field in the southern Guizhou
CAO Hui1,2, SUN Dongsheng1, YUAN Kun3, LI Awei1, ZHANG Guanghan4    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;
2. China University of Geosciences, Beijing, China;
3. Oil & Gas Survey Center, China Geological Survey, Beijing 100029, China;
4. China University of Petroleum, Beijing 102249, China
Abstract: The magnitude and direction of stress are important basic data for unconventional oil and gas exploration and analysis of regional tectonic stress field. In order to find out the present stress state in southern Guizhou area, the authors applied the Anelastic Strain Recovery (ASR) method to obtain the in-situ stress state in Carboniferous Dawuba Formation of southern Guizhou Area (Qianziye-1 well) ranging from 2877 to 2985 m in depth. Based on the features of regional tectonic development in Qiannan depression, the authors investigated the characteristics of regional tectonic stress field and the preservation conditions of oil and gas. The results show that the Carboniferous Dawuba Formation in southern Guizhou area gas retaining the normal fault stress regime, the orientation of maximum horizontal principal stress at the measuring point was in nearly SN direction, which was the same as the maximum principal stress direction of the paleotectonic stress field in the Yanshanian period. The late tectonic movements occurred mainly along faults, which suggests a relatively minor damage to the secondary oil and gas pools during the last phase of YanshanHimalayan movement. It is conducive to the preservation of oil and gas reservoirs in Qiannan depression.
Key words: shale gas    Qiannan depression    in-situ stress    anelastic strain recovery method    hydrocarbon preservation    Oil-gas well    oil-gas exploration engineering    Guizhou    

1 引言

现今地应力大小和方向是页岩气等非常规油气资源勘探开发中水平井部署、压裂设计和井壁稳定性分析等方面的重要基础数据,也是我们认识和理解区域构造应力场特征,分析油气保存条件的重要依据(张金川等,2003Zoback,2007陈群策等,2012)。现阶段可靠的深部地应力测量方法以水压致裂和成像测井方法为主,但受限于钻孔深部的温压条件,其测试成本和难度均随着钻孔深度的增大而快速增加(王连捷等,2012)。非弹性应变恢复法(Anelastic Strain Recovery method,简称ASR法)是基于定向岩心的三维地应力测量方法,具有相对完善的理论基础和较低的测试成本,能够在解决上述温压条件限制的同时获得可靠的地应力数据(Matsuki et al., 1993林为人,2008Sun et al., 2017)。

目前,中国南方页岩气研究主要集中在四川盆地,而贵州地区的地应力研究工作相对较少(苑坤等,2018)。本文以黔南紫云地区(黔紫页一井)深部岩心卸荷后的非弹性应变恢复数据为基础,基于古地磁定向方法,获取了黔紫页一井石炭纪地层2877~2985 m深度的地应力大小和方向信息。同时结合紫云地区断裂构造特征,从地应力的角度,对该区近3 km深度的晚古生代沉积地层的油气保存条件进行了探讨,以期对黔南地区石炭纪地层的油气勘探开发提供参考。

2 ASR法获得黔南地区现今地应力信息 2.1 ASR法岩心所在层位地质概况

黔紫页一井是滇黔桂地区第一口针对上古生界的页岩气参数井(苑坤等,2018),地处贵州省安顺市紫云县(地理坐标:106°8′E,25°41′N),海拔高度1128 m,完钻深度约3050 m,从上到下钻遇三叠系、二叠系和石炭系,全井累计取芯103.76 m,其中石炭系打屋坝组取芯78 m,岩心收获率100%,地层倾角20~30°,在炭质泥岩与泥灰岩接触位置发育滑脱裂缝,裂缝为顺层滑脱构造形成,倾角 < 10°。根据黔紫页一井岩性变化、含气量、常规测井等资料分析,石炭系打屋坝组地层从上到下可分为四段,其中打屋坝组一段深度:2862~2985 m,地层总厚度123.00 m,以灰黑色、黑色泥页岩与灰色、深灰色泥灰岩互层为主,泥页岩总厚度59 m,单层最大厚度10.45 m,TOC为0.24%~7.79%,平均1.29%,全烃最高达2.58%,浸水实验气泡呈水幕状,综合认为打屋坝组一段是页岩发育最有利层段(韩玉泉等,2018)。

本文选取打屋坝组一段,外表均质的3个深度(2877 m, 2929 m, 2985 m)岩心样品进行了ASR法地应力测试,根据测井伽马曲线及井场取心照片分析,第一块ASR测试岩心处于泥页岩层段内(2875~2885 m),岩性连续性较好,且优先选择了相对均质的泥岩为测试样品;第二块ASR测试岩心位于灰岩层段内(2917~2930 m),岩性连续性较好;第三块ASR测试岩心位于灰岩层段内(2977~2985 m),部分夹有薄层泥页岩,但软弱层距离取心位置较远(约5 m)。因此3个ASR测试岩心对应深度岩层的岩性连续性表现较好,具有一定代表性,测试结果均能够较准确地反映出对应深度岩层的现今地应力状态。

2.2 ASR法实验设备及地应力测量原理

岩心非弹性应变恢复测量工作在黔紫页一井现场实验室进行,测试设备主要包括日本Kyowa公司UCAM-60B记录仪、恒温水浴控制器和日本共和电业3线制精密应变片。现场ASR法测试岩心及其表面应变片布置如图 1所示。

图 1 黔紫页一井ASR法现场测试样品及应变计分布模型 a—ASR测试样品;b—ASR法岩心表面应变计分布模型 Fig. 1 Rock core with strain gauges and the strain gauges arrangement of ASR method in Qianziye–1 well a-The testing sample of ASR; b-The strain gage ferdieling model on the core of ASR

ASR法是利用钻孔岩心卸荷后的非弹性恢复变形信息,结合岩心定向结果,来估算地应力大小和方向的近原位地应力测试方法。最早由Voight(1968)提出,认为岩石在脱离原位后应力得到释放,除了发生瞬时弹性变形之外,还会随时间发生非(滞)弹性变形,在假设岩石为均质的前提下,恢复的非弹性应变量与初始原位应力大小成正相关,随后Matsuki(1992)在此二维平面应力分析的理论基础上将该方法发展成为三维地应力测试方法,并在深部科学钻、干热岩和油气勘探钻孔中得到了广泛应用。

由ASR法所测的不少于6个独立方向的非弹性恢复应变可计算得到3个主应变,而主应变对应的方向即为主应力方向。主应力大小与非弹性恢复应变之间的关系如下式:

(1)

其中lmn为应变轴的方向余弦,σx, σy, σz, τxy, τyz, τzx为应力张量分量,σm为平均正应力,p0为孔隙压力,αT为线性热膨胀系数,ΔT(t)为测量期间温度变化,Jas(t)和Jav(t)分别为剪切和体积变形模式的非弹性应变恢复柔量。对于三维主应力的大小,可通过式(2)表示:

(2)

其中ei(t)为非弹性偏应变,em(t)为平均正应变。

从式(1)可以看出,岩心非弹性应变与原地应力分量、测量期间的温度变化、热膨胀系数、孔隙压力和非弹性应变恢复柔量有关。因此,在测量期间温度不发生较大变化的情况下,应力分量可通过测量不少于6个独立方向非弹性正应变及岩石的非弹性应变恢复柔量确定。具体ASR法地应力测试流程及数据处理方法参见林为人等(Lin et al., 2006孙东生,2014)。

2.3 ASR法测试岩心各向异性分析

ASR地应力测试方法是在假设岩心为各向同性的基础上提出的,岩心样品的均质性关系到实验结果的可靠性。为了解本次ASR法测试样品的岩性特征,对样品的水平方向薄片进行了镜下鉴定,结果表明样品ASR-1(图 2ab)为黑色硅质泥岩,具泥状结构,其中黏土矿物约占60%,方解石约占20%,石英约占15%,黄铁矿约占5%;ASR-2(图 2cd)为黑褐色泥晶生屑石灰岩,具有生物碎屑结构,主要成分为颗粒、泥晶、亮晶胶结物;ASR-3(图 2ef)为灰黑色泥晶硅质灰岩,泥晶结构,颗粒以鲕粒,方解石为主,硅质胶结。从镜下结果来看,3块测试岩心水平方向均未发现明显的次生裂隙和矿物定向排列现象,表明岩心均质性较好。

图 2 黔紫页一井ASR法现场测试样品显微分析 Qtz—石英;Cb—碳酸盐;Aug—辉石 Fig. 2 Microstructure analysis of rock cores samples by ASR method in Qianziye–1 well Qtz-Quartz; Cb-Carbonate; Aug-Augite

为进一步了解岩心的各向异性特征,将ASR地应力测试岩心切磨成12棱柱体(棱长20 mm,高60 mm),对棱柱体的垂直和不同水平方向进行了声波(纵波)测速,每个棱柱体的垂向与钻井方向平行,水平方向各棱柱面法线与岩心ASR标志线夹角分别为0°、30°、60°、90°、120°、150°。样品各方向的纵波测试结果(表 1)表明岩心垂向纵波波速与水平方向各角度纵波波速值均较为接近,其中垂向与水平方向平均波速的差异系数(Vh-Vv)/Vv介于1.37%~2.44%,实验结果表明本次ASR地应力测试样品不具有明显的各向异性,具备运用ASR法计算地应力的理论前提。

表 1 ASR法样品波速测试检验各向异性 Table 1 The rock sample velocity test and anisotropy of ASR method
2.4 ASR法测试曲线计算主应变

以黔紫页一井典型地应力测试样品ASR-1(黑色硅质泥岩,2877.61~2877.77 m)为例,岩心非弹性应变恢复量随时间的变化曲线如图 3a所示,在测试期间,岩心放在具有加热和制冷功能的恒温水域循环控制器中,温度保持在25℃左右,测量期间温差变化不超过0.3℃(近水平红色曲线),因此可以忽略温度变化对实验结果的影响。不同方向的非弹性应变恢复量均随时间逐渐增长,最终在一周后趋于稳定,且变化规律具有较好的一致性。经过最小二乘法换算后可获得3个主应变ε1、ε2、ε3以及平均主应变εm图 3b),结合公式(1)、(2)可以进一步计算得到3个主应力的大小。

图 3 样品ASR-1的非弹性恢复应变和温度随时间变化曲线 a—岩心脱离原位后不同轴向的非弹性恢复正应变;b—计算得到的非弹性恢复主应变和平均应变 Fig. 3 Anelastic recovery strains and temperature curves of ASR-1 a-Anelastic recovery strains of different axial; b-Anelastic recovery main strains and mean strains
2.5 古地磁定向确定主应力方位

如前所述,ASR法所确定的非弹性恢复主应变方向与主应力方向一致,因此利用实测非弹性恢复主应变方向结果及古地磁方法确定的基准线方位即可确定主应力方向。岩心古地磁定向实验中,每块岩心被加工制成5~10个直径约25 mm,高25 mm的圆柱体,全部样品的系统剩磁测试在中国地质科学院地质力学研究所古地磁实验室美制立式2G-755R超导磁力仪上进行,热退磁温度间隔为40℃,样品剩磁组分均利用主向量法分析获得。从样品测试结果来看,绝大多数样品低温粘滞剩磁分量记录良好,以样品古地磁标志线方位角的平均值作为岩心的原位地理方向(表 2),结合ASR曲线最终可获得主应力的方位信息(图 4)。结果表明3个不同深度样品的主应力状态基本一致,水平最大主应力方向介于NW2°~NE6°范围。

表 2 ASR法地应力测量样品信息及古地磁定向结果 Table 2 The rock sample information and paleomagnetic directional results by ASR method
图 4 ASR岩心样品确定主应力方位 Fig. 4 In-situ stress orientations by ASR method
2.6 黔紫页一井ASR测量结果

根据式(1)和(2),由于测量期间样品的温度变化在±0.5℃之内,计算中可忽略温度对测量结果的影响,孔隙压力由现场录井数据及相关文献确定,现场实测得到了不少于6个独立方向的非弹性恢复应变,因此仅需确定所测岩石的非弹性应变恢复柔量即可确定地应力大小。岩石非弹性应变恢复柔量是岩石固有的力学属性,一般需要通过岩石蠕变后的非弹性恢复变形试验确定。由于黔紫页一井岩心样品有限,未能开展非弹性应变恢复柔量试验,相关文献表明剪切与体积模式岩石非弹性应变恢复柔量趋于定值,即Jas(t)/Jav(t)=1.56(孙东生,2014)。

本次计算得到黔紫页一井石炭系打屋坝组一段地应力状态如表 3所示,数据显示2877~2985 m深度最小水平主应力介于51.7~55.9 MPa,最大水平主应力介于69.3~73.3 MPa,3个主应力大小随着深度增加呈逐渐增加趋势,总体表现为σv > σH > σh的关系,属于正断层应力环境。图 5为黔紫页一井水平主应力随深度分布图,虚线部分为杨树新(2013)关于华南地区主应力随深度分布的线性回归方程,可以看出本文测试结果以垂向应力为主,已经超过地应力状态转换深度,在对应深度与杨树新(2013)报道的结果基本一致,具有较好的对应关系。3个岩心测试得到的最大水平主应力方向基本一致,总体表现近SN向。

表 3 黔紫页一井ASR岩心原位测试应力结果 Table 3 Magnitude and azimuths of in-situ stress by ASR method at Qianziye-1 well
图 5 黔紫页一井ASR法水平主应力随深度变化图 Fig. 5 Magnitude of principle stress changes with depth of Qianziye-1 well
3 区域构造应力场及油气保存条件浅析 3.1 区域地质构造特征

黔紫页一井位于一级构造单元黔南坳陷区内,坳陷区面积约3 ×104km2,在大地构造位置上处于扬子陆块南缘与华南加里东褶皱带的结合部位,是中元古代活动大陆边缘盆地、新元古代—早古生代被动大陆边缘盆地、中生代前陆盆地和晚中生代—新生代陆内改造盆地叠加而成的叠合盆地(王鹏万等,2010)。地球物理资料表明黔南坳陷有次高阻层覆盖于高阻层之上,具有双重基底结构,其中深部结晶基底可能主要由中元古界四堡变质岩夹火山岩构成,呈岛链式分布,浅部浅变质基底主要由上元古界板溪群构成(汤良杰等,2008)。

黔南坳陷主要断裂分布如图 6所示,区内断裂发育具有较为明显的分区特征,中东部断裂以NNE—SN向的逆冲或压扭性断层为主,如都匀断裂(F5)、广顺断裂(F2);西南部断裂以NW向逆冲兼走滑运动为主,以紫云—罗甸断裂(N3)为代表;北部以近EW向压扭性断层为主,以黄丝断裂(N2)为代表(张荣强等,2008)。由于中东部NNE—SN向断裂切割了北部EW向断裂,并受到了NE向贵阳—镇远断裂(N1)的限制,同时结合岩相古地理资料推测表明NE向断裂形成时间最早,多为加里东期形成的张性断裂,如贵阳—镇远断裂;坳陷西南部NW向断裂形成时间稍晚为海西—印支期,如紫云—罗甸断裂;NNE—SN向断裂形成最晚,一般在印支期或燕山期,如广顺断裂。

图 6 黔南坳陷断裂发育构造图(据吴根耀等,2012张江江,2010修编) N1—贵阳—镇远断裂;N2—黄丝断裂;N3—紫云—罗甸断裂;F1—边阳断裂;F2—广顺断裂;F3—惠水断裂;F4—贵定断裂;F5—福泉—都匀断裂;F6—上塘-规龙断裂;F7—炉山断裂;F8—独山断裂;F9—荔波断裂 Fig. 6 Main faults in southern Guizhou Depression (modified from Wu Genyao et al, 2012; Zhang, Jiangjiang, 2010) N1-Guiyang-Zhenyuan fault; N2-Huangsi fault; N3-Ziyun-Luodian fault; F1-Bianyang fault; F2-Guangshun fault; F3-Huishui fault; F4-Guiding fault; F5-Fuquan-Duyun fault; F6-Shangtang-Guilong fault; F7-Lushan fault; F8-Dushan fault; F9-Libo fault

黔紫页一井所在区域地质构造主要受到了NW向紫云—罗甸断裂和近SN向广顺断裂的影响。紫云—罗甸断裂是一条区域性大断裂,其构造演化历史可以追溯到早古生代晚期,随着加里东运动的结束,该断裂带在早泥盆世—中三叠世以伸展运动为主,控制了断裂带北东侧黔南台地的沉积与发展;中三叠世末受到桑朗—罗甸近东西向断裂及其向东延伸的宜州断裂的控制,表现为整体隆升和海退式整合渐变(汪新伟等,2013);早燕山期,在华南地块挤压应力场作用下,断裂由拉张环境转换为挤压兼左旋走滑环境。广顺断裂(F2)形成于印支运动,由东部雪峰山隆起向西部逆冲推覆形成,为黔南坳陷内部的近南北向逆断层,其强烈逆冲活动发生在燕山末期—喜马拉雅期(徐政语等,2010张江江,2010吴根耀等,2012陈孝红,2018)。

3.2 实测应力状态与油气保存条件

黔南地区石炭系打屋坝组泥页岩具备典型的海相沉积特征,且埋藏厚度大,有机质丰度高,热演化程度适中,具备形成天然气的良好地质条件。且泥页岩本身就具有封闭性,可以作为页岩气藏的盖层,特别是对于厚度较大的泥页岩层,当厚度大于泥页岩生烃高峰期上下排烃的最大距离时,气体将有效地自封闭在泥页岩中(许国明等,2008)。

黔南坳陷油气成藏期以加里东期为主,该时期存在与油气演化有着良好配置关系的古圈闭和储盖组合,抬升剥蚀作用使早期油气藏被改造和破坏,其中以燕山—喜山期构造运动为造成早期油气藏改造的主要因素(翟刚毅等,2017),因此了解燕山—喜山期对目的层的改造程度对黔南坳陷石炭纪地层油气保存评价具有重要意义。

宁飞等(2009)通过研究黔南坳陷区节理产状、几何样式及相互切割关系等,提出了黔南坳陷古构造应力场的最大主应力方向经历了NEE— SN—NE—EW的先逆时针后顺时针应力场转换过程。黔南坳陷北部边界贵阳—镇远断裂为倾向南东的逆断层,该断层具有右行走滑性质,加里东期受基底断裂的影响,断层南部最大主应力方向为NEE向,坳陷西南边界紫云—罗甸断裂随着加里东运动的结束,断裂带在早泥盆世—中三叠世以伸展运动为主,断层北部最大主应力方向亦为NEE向,形成NNE—SEE共轭节理;燕山期由于印度板块与欧亚板块的NNE向推挤,引起物质向高原周边做发射状侧向挤出(陈小斌,2007),各块体之间相互运动可能导致黔南坳陷存在SN向的应力场,形成NW—NE共轭节理系;随着侏罗纪早期古特提斯洋关闭,扬子板块大陆边缘受到挤压在黔南坳陷区产生了NE向的构造应力场,形成NNE和NEE方向共轭节理;燕山末期—喜山期由于雪峰山隆起向西推覆,黔南坳陷主应力表现为近EW向,发育EW向张节理。

结合前人关于黔南坳陷区节理相互关系与古构造主应力方向的研究,本次ASR法地应力实测数据显示紫云地区近3 km处石炭纪地层最大主应力方向为近SN向,与该地区燕山早期古构造应力场最大主应力方向一致,同时实测主应力大小关系显示目的层处于拉伸应力环境,且地应力测点处基底相对较硬,一定程度上表明紫云地区近3 km处地应力状态仍以燕山早期构造变形为主,而燕山末期—喜山期的改造过程对该深度石炭系变形的影响程度相对较弱,且紫云地区相对远离雪峰山构造带,受山前冲断作用较弱,总体上处于褶皱冲断变形区,地区断裂体系不发育,因此黔南坳陷紫云地区石炭系地层可视为油气保存条件有利区。

4 结论

本文利用ASR地应力测试方法,获取了黔南紫云地区石炭系打屋坝组近3 km深度的地应力大小及方位信息。结合地应力测试结果,探讨了区域构造应力场特征及其与油气保存条件之间的关系,结论如下:

(1)黔紫页一井2877~2985 m深度段石炭系打屋坝组地层水平最小主应力介于51.7~55.9 MPa,水平最大主应力介于69.3~73.3 MPa,表现为以垂向应力为主的正断层应力环境,最大水平主应力方向表现为近SN向。

(2)黔南地区石炭系打屋坝组泥页岩具有典型的海相沉积特征,具备形成页岩气的良好地质条件。测点处现今应力场主应力方向与燕山期早期古构造应力场主应力方向大致相同,且基底较硬,一定程度上表明紫云地区近3 km处地应力状态仍以燕山早期构造变形为主,而燕山末期—喜山期的改造过程对石炭系地层变形的影响程度相对较弱,故黔南紫云地区石炭系打屋坝组地层可视为页岩气保存有利区。

致谢: 本文研究工作得到了地质力学研究所陈群策研究员的帮助,审稿专家也提出了宝贵意见,现场测试工作得到了测录井及井队现场工作人员的支持,在此一并表示感谢!

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