《Engineering Fracture Mechanics》：Fracture characteristics and distribution prediction under multi-phase tectonic superimposition in the Changning area, Southern Sichuan Basin: implications for shale gas preservation
多阶段应力叠加模型在断裂发育中的应用 - •
多阶段应力叠加模型能够量化累积的构造效应对断裂发育的影响。
- •
综合的断裂系数有助于定量评估断裂强度和保存情况。
- •
多尺度验证证实了该模型在复杂环境下的准确性（误差<8%）。
引言
随着对能源需求的增加以及向非常规碳氢化合物的转变，页岩气已成为全球能源系统中的关键组成部分。美国页岩气的快速发展证明了其在显著提高天然气产量和能源安全方面的潜力[1], [2], [3], [4], [5]。2018年，美国的天然气产量达到了6072×10^8立方米，占其总天然气产量的58%，以及全球页岩气产量的90%以上[6], [7]。受此成功的鼓舞，中国也加强了在页岩气储层中的勘探和开发工作，近年来取得了实质性进展，并目标成为主要的页岩气生产国[8], [9], [10], [11]。然而，中国的页岩气储层，尤其是在四川盆地，其地质条件与北美存在显著差异。这些差异主要与涉及多阶段变形和应力叠加的复杂构造历史有关。在烃类生成之后，页岩层经历了显著的压缩和结构重塑，导致了广泛的断裂系统的形成，这可能会影响气体的保存[12], [13], [14], [15]。
在页岩储层中，天然断裂具有双重作用。一方面，它们提高了渗透性并提供了气体运移的路径，从而促进了天然气的生产；另一方面，过度发育的断裂——尤其是在主要断层附近——可能导致气体泄漏并降低储层的密封能力。先前的研究表明，断裂发育与保存条件之间的最佳平衡对于实现高页岩气产量至关重要[16], [17], [18], [19], [20]。因此，断裂分布的定量表征和预测对于储层评估和井位选择至关重要。页岩储层中的断裂系统是长期构造演化的结果，受不同地质时期应力场的大小、方向和叠加的控制。有限元数值模拟已被广泛应用于重建古应力场和预测断裂发育，为断裂分析提供了基于物理的方法。这些方法通常假设岩体为连续介质，并应用机械失效准则来评估在重构应力条件下的断裂起始[21], [22], [23]。然而，在构造复杂的页岩储层中预测断裂分布仍然具有挑战性。许多现有研究主要依赖于定性的断裂表征，或者仅考虑与单一构造阶段相关的应力场。这样的方法可能忽略了长期构造演化过程中应力叠加的累积效应，而这种效应会显著影响断裂的起始、传播和连通性[24], [25], [26]。在结构复杂的区域，断裂系统通常是多种变形事件的结果，因此需要结合多阶段应力演化的背景来分析断裂发育。因此，将地质观测与基于机械的数值模拟相结合，为定量评估断裂发育和分布提供了一种有效的方法。
之前的研究主要集中在单阶段应力场的分析上，而忽略了多阶段构造运动的叠加效应。为了解决这些问题，本研究开发了一种基于声发射（AE）的岩力学工作流程，用于重建CN地区LMX FM的多阶段古应力场并评估其断裂潜力。在该工作流程中，利用野外观测、岩心断裂特征、地震解释和区域构造演化来识别主要的变形阶段，并确定相应的应力方向。
声发射（AE）实验提供了页岩在多个井位处曾经经历的应力大小的定量估计，而三轴测试提供了数值建模所需的机械参数。然后使用AE得到的应力大小作为尺度约束，用于校准有限元边界载荷，使得离散的实验信息能够扩展到区域性和空间上连续的古应力场中。这种集成减少了仅靠区域类比确定构造载荷所带来的不确定性，并为评估多阶段构造应力叠加对断裂分布和页岩气保存的累积效应提供了机械上受限的基础。
章节片段
地质背景
研究区域位于四川盆地的南部边缘，从高县南部和西部延伸到东部的叙永地区。从构造上看，它位于南四川褶皱带和 Loushan 断层-褶皱带之间的过渡带内。CN 褶皱构造是该地区的一个次级构造单元，其轴线呈 NNW–SSE 方向，东北侧边缘陡峭，西南侧边缘相对平缓。
样品
本研究将断裂观测与有限元建模结合起来，以表征断裂系统并评估其空间分布。在 Lu-203 井区的露头断裂和钻井岩心断裂上进行了野外观测和统计分析，然后应用有限元分析来重建应力场并评估断裂发育。在这种方法中，地质体被离散化为有限元素，并应用岩石力学参数
断层特征
在研究区域内，后印支纪构造活动受到了三个主要构造变形阶段的影响，形成了发育良好的断层系统[43]。在多方向的挤压应力作用下，形成了以 NE 和 NW 方向为主的褶皱-断层结构系统，以及少量的 EW 方向结构。在 NW 方向的挤压应力作用下，形成了 NW 和近 EW 方向的平面共轭剪切断裂，以及 NE 方向的剖面剪切断裂
构造断裂的模拟分布
断裂的定量预测主要涉及基于其发育特征或形成机制的研究和探索，采用多种方法结合[58], [59], [60]。本研究主要基于现有数据重建古构造地质模型，反演古应力场，并根据应力场的特征预测断裂的分布
结论
(1) LMX FM 岩露中的断裂主要是由多次构造运动引起的剪切断裂，其特征是高倾角、短延伸长度和高密度。岩心断裂主要是由构造活动引起的剪切断裂，常常表现出多个断裂的交汇。相比之下，伸长断裂、非构造压力解理断裂和层间节理断裂的比例相对较小。这些交叉关系
CRediT 作者贡献声明
Jiajie Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。 Hu Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，可视化，验证，监督，软件，正式分析，概念化。 Shengxian Zhao：资源获取，方法论，调查，概念化。 Qirong Qin：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，方法论，调查，资金获取，概念化。 Bryan X.
资助
本项目得到了 石油与天然气储层地质与开发国家重点实验室开放基金（编号 CDUT-PLC2025011）、石油与天然气储层地质与开发国家重点实验室（西南石油大学）（编号 PLN2025-11）以及中国国家自然科学基金（编号 42572176）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢匿名评审者和编辑提出的建设性意见和宝贵建议，这些意见和建议极大地提高了本文的质量。
Jiajie Li|Hu Li|Shengxian Zhao|Qirong Qin|Bryan X. Medina-Rodriguez|Li Li
