引言

四川盆地乐山—龙女寺古隆起安岳气田磨溪—高石梯区块下寒武统龙王庙组气藏位于四川盆地中部，探明天然气地质储量4 403.83×10⁸ m³，是中国迄今发现的最大单体海相碳酸盐岩整装气藏^[1]。近两年高效勘探表明，气田东段为一个纵向上多产层、平面上集群式分布的海相碳酸盐岩气藏群^[2]。目前，该气田投入开发的个别气藏在生产中已经产出地层水，甚至部分气藏在投产初期就出现气井产水，尽管水侵强度不大，但产水问题严重影响生产^[3-4]，研究龙王庙组气藏底水分布特征、找出产水主控因素、采取恰当治水措施成为当务之急。前人通过对磨溪—高石梯区块龙王庙组颗粒滩体储层特征及发育规律的研究认为，气田形成的关键是大型古隆起背景与规模化的颗粒滩发育^[5-8]。受传统“川中稳定地块”思想的影响，鲜有学者对深层断裂体系的展布特征及其对油气分布的影响作用开展系统研究，仅侧重于龙门山断裂、华蓥山断裂及七曜山断裂等基底断裂对盆地的影响，并在进行地震资料解释时常常回避断层的解释^[9]。然而，生产资料表明，磨溪—高石梯区块气井的出水位置多位于断层附近或靠近有效缝网发育带，且气井出水与宏观储集空间类型有一定关系，故断层活动引发的断层-裂缝系统在改善储层物性、沟通低孔隙储层、改善渗透能力、提高气藏产能方面具有重要作用^[9]。因此，查明地震资料品质特征，进行断层的识别与形成机制研究，评价明确裂缝分布特征，无论是对于分析总结有利储层分布规律还是实际气藏防水预警都具有重要意义。

本文在充分调研前人构造背景研究的基础上，以地质力学理论为指导，利用地震、测录井、岩芯及相关实验测试资料，识别不同断层类型，划分断层级别，并开展裂缝定量预测工作，建立断层与裂缝分布关系模式，为气藏的高效开发和政策制定提供参考。

1 地质背景

磨溪—高石梯区块位于川中平缓构造带中部、乐山—龙女寺古隆起轴部的东部(图 1)，总面积约2 330 km²，构造幅度较小，变形相对较弱^[10]。总体呈NEE—SWW向延伸，龙王庙组构造发育多高点，圈闭面积大，但闭合度小^[11]。该隆起形成于晚震旦世灯影期，经历了多期构造运动：早寒武世早期受区域拉张作用，古裂陷槽继承性发育^[12]；志留纪末的加里东运动使古隆起定型；海西—燕山早期，古隆起继承性演化，使埋深逐渐增大；燕山晚期—喜马拉雅期，威远构造加速隆升，使古隆起呈现“西差东好”的格局^{[9, 11-15]}，使得高石梯—磨溪—龙女寺构造带成为现今天然气聚集成藏最有利的地区^[10]。

2 断层类型及分布特征 2.1 地震响应特征

利用磨溪—高石梯区块的三维地震资料进行断层解释，明确了磨溪—高石梯区块断层的剖面特征。

首先，断层分布具有明显的分层性。如图 2所示，磨溪—高石梯区块深层前震旦纪断层呈明显的垒堑构造样式，为伸展构造环境，下降盘地震反射杂乱、频率低，与围岩不协调；中层震旦系—寒武系断层呈现为高角度甚至直立的阶梯状、垒堑状和花状样式，但均为正断层，地震反射连续性好，局部同相轴扭曲厉害；浅层二叠系以上断裂发育少，仅有部分花状断层向上延伸，对地震反射连续性影响小。这是由于四川盆地在印支期—燕山早期处于拉张应力环境向挤压应力环境转换的过渡环境，而加里东期—海西期则处于拉张应力与挤压应力并存的环境，在燕山期—喜马拉雅期，总体上处于区域挤压环境^[16]。

其次，纵向上规模大。图 3表明，磨溪—高石梯区块深部断层普遍发育，但断距普遍较小，断开地震同相轴的幅度也较小。然而部分断层尤其是边界断层在纵向上规模大，延伸长度长，断开层位多，普遍断穿震旦系，断入基底，反映了部分基底断层活动的长期性和继承性特点。另外，许多中—小型断层与规模较大的深层断层形成了类似花状走滑构造样式。

最后，膏盐岩塑性层具分界性。川中地区膏盐岩分布广泛，厚度达到200~400 m^[17]，可做为塑性滑脱层，在喜马拉雅运动强烈挤压推覆时起到应力释放的作用，造成深、浅层断层数量及形态的明显差异。深部断层普遍陡，倾角一般大于75°，地层断距小，多表现为走滑特征(图 3)。浅部断层角度低，一般为45°~75°，表现为逆断层兼具走滑性质。

故可将磨溪—高石梯区块垂向上划分为3个构造层，底部构造层(Ⅰ)为裂谷体系，中间构造层(Ⅱ)为伸展—走滑体系，上部构造层(Ⅲ)为平静拗陷体系；中部构造层进一步可以划分为：底部张扭体系(Ⅱ$_1$)和上部扭张体系(Ⅱ$_2$)。底部构造层和中部构造层之间存在一个明显的力学转换界面，界面上下地层变形模式不一，断层发育特征也明显不同。

2.2 断层平面展布

基于三维地震资料和相干体属性，对磨溪—高石梯区块龙王庙组底断层进行了解释，共识别断层83条，走向以北东向为主，北西向次之，近南北向和东西向断层最少(图 4，表 1)。研究区深部断层具有平面上延伸长度大而剖面上断距小的特征，说明断层性质为水平走滑。参考断层的活动时间、控构造程度、延伸长度、切穿层位、方位及对开发的影响等将断层划分为3个级别，一级断层断距大、延伸远、切割深、形成早、活动长、“S形”且分段，控沉积、控岩溶，同时具有明显水平滑距，如图 4中的F$_1$、F$_2$、F$_3$、F$_4$断层；二级断层断距多变、延伸一般、形成略晚、活动短、线形且分段，控断块，也具有一定水平滑距，如F$_5$~F$_{12}$断层；三级及以下断层延伸短、产状多变、层间发育或切割较深、密度大，延伸小于1 km的众多小断层识别难度大，常与裂缝相互穿插组合，对于储层的连通性也同样具有不可忽视的作用，如图 4中的蓝色断层，单条时方向不明显，但具有明显的组系性。

在地质力学角度，磨溪—高石梯龙王庙组断层平面上具有明显的分区性和分带性，可以分成两个区带，各区带断层展布具有较大的差异性。南部高石梯井区断层以NNW或近SN走向的大规模断层为主，即安平—高石断层(俗称“陡坎”)^[17]。对于此断层争论较大，多认为属于晚震旦世—早寒武世克拉通内裂陷的东侧控边断层，呈近南北向展布，规模大，角度高，延伸54 km左右，一直从磨溪22井至高石101井附近，该断层的南段两侧发育伴生的枝状斜交断层体系。东部属于典型的张扭断层体系，南部边界断层即安岳—磨溪断层，为磨溪—高石梯隆起的边界，北部与磨溪—安平店断层，但形迹不连续，总体仍显示为同一条断层，此两条断层与高石梯—磨溪断层一起控制了高石梯—磨溪古隆起核部形态。两条断层之间为一系列张扭断层体系伴生的高角度斜交次级断层，低级序断层不发育。根据地质力学理论，两个区带的断层体系可以划分为早期南北向和晚期北东东向断层体系，前者发育在伸展为主的张性构造应力环境中，后者发育在扭张性应力环境中(图 4)。

3 裂缝分布预测

磨溪—高石梯区块的裂缝主要有3种成因：构造变形破裂缝，即构造缝；与断层相关的裂缝，即断层共生裂缝；溶蚀成因的孔隙、缝洞。其中，前两类裂缝占了绝大多数，由于构造应力是形成构造缝的关键基础，因此，断裂力学理论和方法是实现裂缝表征和预测的有效途径^[18-19]。断层共生裂缝与断层之间具有更密切的定量关系^[20]，通过理论推导和数学计算的方法来实现该类裂缝的定量预测。另外，构造裂缝的发育与断层也有紧密的联系，因此，从力学原理出发，以构造应力场和岩石破裂准则为纽带，结合数学统计，以单井裂缝参数为约束^[21]，进行磨溪—高石梯区块的裂缝定量预测。

3.1 裂缝特征描述

通过对磨溪—高石梯区块20口井822.15 m岩芯的裂缝进行统计与分析，共统计660条构造缝，其特征如下：(1)裂缝以张剪缝为主，占62%，张性缝次之，占24%，剪切缝最少，仅占14%；(2)裂缝以高角度缝(70°~90°)为主，约占79%；(3)裂缝以未充填为主，占58%，其次为半充填裂缝，占23%，全充填裂缝占19%；(4)主要发育NW—SE与近N—S方向的裂缝(图 5)。

3.2 有限元数值模拟

采用有限元数值模拟的方法，借助于大型有限元软件实现裂缝的预测。考虑到不同岩性岩相的影响，共建立地层模型4层，其中，包含龙一段与龙二段以砂屑云岩为主的储集层、以泥粉晶云岩和泥晶云岩为主的夹层，共建立主干断层与派生低级断层22条(图 6a)。

采用最符合储层岩石力学特性的solid45单元对地质模型进行网格划分，共划分90 423个节点和725 860个单元(图 6b)。

依据磨溪—高石梯区块岩芯的三轴岩石力学测试结果确定研究区各层的岩石力学参数。断层带的岩石力学参数降低为地层的60%~70%^[22]。在进行古应力场数值模拟时，断层带的弹性模量、泊松比和密度应略高于地层^[23]。应力场及储层裂缝数值模拟所用的岩石力学参数见表 2。

磨溪—高石梯区块所在的乐山—龙女寺古隆起经历了多期构造运动，对其主要造缝期次和现今状态进行4期数值模拟：桐湾期的左旋张扭、加里东期的右旋扭张，喜马拉雅期的右旋压扭和现今的双向挤压。依据地质历史时期的大地构造背景施加相应的约束和载荷(图 6c)。应力场模拟结果由软件自动计算，依据汪必峰^[24]、冯建伟^[25]、季宗镇^[26]等人提出的算法，利用ANSYS识别的APDL语言编程计算裂缝参数。由于古应力不易通过测试直接获得，因此，采用“等效古应力”^[24]这一概念，以单井裂缝参数为约束，通过反演与拟合来确定。

龙二段储集层顶面应力场特征如图 7，具有如下特点：(1)断层带的应力场分布不同于围岩，在构造运动时期(即桐湾期、加里东期和喜马拉雅期)，断层带的最大主应力(最大等效应力)高于围岩，而现今则呈相反的趋势，断层带的最大主应力低于围岩。(2)构造运动时期的最大主应力(最大等效应力)普遍大于200 MPa，这种高应力状态是引起岩体破裂形成裂缝并扩展为断层的基本条件，而现今构造环境平稳，应力值较低，一般难以形成裂缝。(3)构造运动时期，磨溪—高石梯区块的差应力较大，约为76~98 MPa，说明这3期构造运动较为强烈，具备发育裂缝并形成断层的应力条件，差应力越大，发育裂缝的可能越大。而现今阶段，差应力普遍较小，一般不高于28 MPa。

裂缝参数的数值模拟结果如图 8。可见，裂缝密度值普遍在1.5~5.0条/m，最高为7.0条/m，裂缝线密度高值区主要分布于断层及周边地区。裂缝开度在远离断层的区域大多不高于0.3 mm，在断层发育带，裂缝开度最高可达3.0 mm。

将磨溪—高石梯区块15口井的裂缝密度预测值与岩芯统计值进行对比，结果如图 9所示，可以看出，模拟结果与岩芯实际统计值误差基本在20%以内，吻合程度比较高，磨溪11、磨溪204、磨溪202、磨溪205这4口井的误差约为30%，总体误差在允许范围内，意味着研究结果是合理可靠的。由于地层可能有不同岩性特征，但对模型做了一些理想化处理，即同一层地层采用了相同力学参数，对预测结果造成了一定程度的影响；另外，取芯井段部分岩石破碎严重，导致在进行裂缝参数统计时会产生误差；取芯井的数量不多可能也是导致误差的因素之一。

4 断层-裂缝共生系统及裂缝发育模式

断层是裂缝延续发育的结果，裂缝也会在断层的促进下继续发育。主断层能控制次级断层及裂缝的发育，次级走滑断层能控制局部裂缝发育。

磨溪—高石梯区块主断层F$_1$右旋扭动，伴生、派生次一级首尾相接的雁行走滑断层(图 4)，同时发育了与主断层平行的剪切缝以及与主断层呈低角度斜交的剪切缝，局部呈网状。几条NW向雁列走滑断层首尾相接构成断层带右旋走滑拉张，形成与其伴生、派生的一组平行缝和一组低角度斜交缝和一组斜交的张破裂缝(图 10)。

根据储层裂缝参数的数值模拟结果，统计了断层影响区域内(图 8中的剖面A—A$'$与剖面B—B$'$)多点的裂缝参数，并分析其分布特征如图 11所示，可以看到，主干断层影响范围约600 m，在影响带内，裂缝密度较大，约1~2条/m，断层影响带外的正常围岩裂缝密度值较低，随着距断层的距离增大，裂缝密度有所降低，在断层影响带，裂缝密度下降的迅速，断层影响带外，裂缝密度值下降的比较缓慢。至于裂缝开度，断层影响带内的裂缝开度呈明显高值，普遍在1.2 mm以上，最高可达2.0 mm左右，越远离断层，裂缝开度逐渐变小，断层影响带内外，裂缝开度变化比较均匀。综上所述，随着距断层距离的增加，断层控制区储层裂缝的参数在总体上均有所下降，表明断层发育带有利于储层裂缝的发育。

岩性与构造形态也是影响裂缝发育的主要控制因素^[27-29]。磨溪—高石梯区块储层的裂缝发育程度高于夹层，是由于灰岩的弹脆性特征决定了应变能的释放几乎完全用于裂缝的产生，而泥岩的一部分应变能用于塑性变形；另一方面，当裂缝在灰岩中产生时已经消耗了大部分聚积的应变能，用于产生泥岩构造裂缝的应变能所剩不多^[27]，故泥岩层中的储层裂缝发育程度小于灰岩。构造形态对裂缝的影响主要体现在岩层的曲率，岩体容易在曲率大的地方聚集张应力，当张应力超过岩体的抗张强度，即发生破裂。故褶皱也能控制裂缝的发育，当一定规模断层长期继承性活动，主动盘形成低幅度逆牵引背斜，当上覆地层压力大时，在背斜转折端形成夹角平分线垂直于背斜枢纽的共轭裂缝，当背斜近地表产生时，在背斜转折端和核部都发育大量锐夹角平分线平行于背斜枢纽的共轭缝，磨溪—高石梯区块造缝期上覆地层较厚，转折端以后者发育为主，核部以少量前者和楔形张裂缝发育。

5 结论

(1) 磨溪—高石梯区块断层在纵向上规模大，延伸长，断开层位多。断层分布具有明显的分层性。在平面上，磨溪—高石梯区块断层具有明显的分区性和分带性。

(2) 磨溪—高石梯区块在垂向上可划分为3个构造层，分别代表底部裂谷体系、中部伸展—走滑体系和上部平静拗陷体系。

(3) 磨溪—高石梯区块裂缝密度值普遍在1.5~5.0条/m，最高为7.0条/m，裂缝线密度高值区主要分布于断层及周边地区。裂缝开度在远离断层的区域大多不高于0.3 mm，在断层发育带，裂缝开度最高可达3.0 mm。

(4) 磨溪—高石梯区块是一个典型的断层-裂缝共生系统。断层对裂缝发育的控制十分显著，主要表现在主断层对次级断层及裂缝发育的控制，次级走滑断层对局部裂缝发育的控制。不同规模、不同走向及不同性质的断层对裂缝走向、密度、开度等参数以及裂缝分布特征均有明显的影响。另外，褶皱对裂缝发育具控制作用，岩性对裂缝的分布也有一定影响。