駱楊，趙彥超，陳紅漢，蘇惠（. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；. 中國(guó)石化中原油田公司）

構(gòu)造應(yīng)力-流體壓力耦合作用下的裂縫發(fā)育特征——以渤海灣盆地東濮凹陷柳屯洼陷裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”為例

駱楊1，趙彥超1，陳紅漢1，蘇惠2
（1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)石化中原油田公司）

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（CUGL140808）

摘要：利用巖心觀察、流體包裹體分析和盆地模擬等方法，考慮構(gòu)造應(yīng)力與流體壓力耦合關(guān)系，對(duì)渤海灣盆地東濮凹陷柳屯洼陷沙三上亞段鹽間強(qiáng)超壓裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”中的裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：①該油藏的裂縫以構(gòu)造裂縫和水力破裂縫為主，強(qiáng)超壓區(qū)域內(nèi)裂縫產(chǎn)狀散亂，甚至發(fā)育水力破裂水平縫；②超壓通過(guò)改變巖石的孔隙彈性響應(yīng)和滲透力作用來(lái)改變地層的差異應(yīng)力和主應(yīng)力方向，從而影響裂縫的類型和產(chǎn)狀；③構(gòu)造裂縫和水力破裂縫可細(xì)分為7種應(yīng)力狀態(tài)類型、3期發(fā)育，其中縱張和橫張裂縫主要在第1期發(fā)育，水力破裂縫主要在第2期內(nèi)構(gòu)造抬升前發(fā)育，構(gòu)造剪裂縫主要在第2和第3期發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力和超壓均強(qiáng)烈發(fā)育時(shí)裂縫類型和產(chǎn)狀呈多樣化。圖10表1參38

關(guān)鍵詞：流體壓力-構(gòu)造應(yīng)力耦合；裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”；超壓；裂縫類型；裂縫產(chǎn)狀；柳屯洼陷

0　引言

裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”是頁(yè)巖油中非常有潛力的一類[1]，且大多發(fā)育超壓[1-6]。通常認(rèn)為，超壓以降低有效應(yīng)力的方式促進(jìn)地層構(gòu)造裂縫的發(fā)育，或者直接作用產(chǎn)生水力破裂縫，但不會(huì)改變差異應(yīng)力狀態(tài)而影響裂縫發(fā)育的類型[5,7-11]。但越來(lái)越多的事實(shí)表明，流體壓

力可以在一定程度上改變構(gòu)造應(yīng)力的大小和分布[12-17]，其影響之一是，超壓在降低地層有效應(yīng)力時(shí)也減小差異應(yīng)力，從而在促進(jìn)裂縫發(fā)育的同時(shí)，使裂縫發(fā)育類型由剪裂縫向張裂縫轉(zhuǎn)變。流體壓力與構(gòu)造應(yīng)力的這種耦合關(guān)系（以下簡(jiǎn)稱應(yīng)-壓耦合）目前在國(guó)外已逐漸

被關(guān)注[15,18-19]，并應(yīng)用于斷層穩(wěn)定性分析[20]、地應(yīng)力預(yù)測(cè)[21-22]、蓋層完整性分析[12]、裂縫類型分析[23-26]等方面。因此，在超壓泥頁(yè)巖“油藏”的裂縫研究中，也需要考慮應(yīng)-壓耦合作用的影響。本文采用應(yīng)-壓耦合分析方法，以渤海灣盆地東濮凹陷柳屯洼陷東部沙三上亞段鹽間泥巖段強(qiáng)超壓（壓力系數(shù)2.2）稠油油藏[2,27]為例，綜合運(yùn)用巖心觀察和流體包裹體分析等技術(shù)，分析了該超壓泥頁(yè)巖“油藏”的裂縫特征，為其成藏過(guò)程研究和開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)提供依據(jù)，同時(shí)也嘗試為該類型泥頁(yè)巖“油藏”的儲(chǔ)集層研究提供借鑒。

1　應(yīng)-壓耦合與裂縫發(fā)育關(guān)系

根據(jù)Terzaghi有效應(yīng)力定義[28]，流體超壓降低有效應(yīng)力，在剪應(yīng)力（τ）和正應(yīng)力（σn）的坐標(biāo)空間中，莫爾圓向左平移且大小不變（見(jiàn)圖1a），其前提條件是，邊界可通過(guò)形變保持總應(yīng)力不變[29]。然而，在實(shí)際地層中，當(dāng)孔隙流體壓力升高引起巖石體積變大時(shí)，垂向上可通過(guò)頂部開(kāi)放邊界的變形保持總應(yīng)力不變，側(cè)向上卻因不能自由膨脹而引起總應(yīng)力變大[29]。對(duì)此，Hillis[30]和Goulty[17]等提出了孔隙流體壓力和總應(yīng)力耦合的觀點(diǎn)，認(rèn)為孔隙流體壓力可通過(guò)巖石的孔隙彈性響應(yīng)改變地層最小水平應(yīng)力而不影響垂向應(yīng)力大小。Rozhko[31]則提出，孔隙流體壓力在分布不均勻時(shí)，還可以通過(guò)超靜水壓力梯度產(chǎn)生的滲透力影響構(gòu)造應(yīng)力?？傮w上，孔隙流體壓力可通過(guò)巖石的孔隙彈性響應(yīng)和流體的滲透力影響地層的構(gòu)造應(yīng)力特征，即應(yīng)-壓耦合。其簡(jiǎn)單耦合關(guān)系可通過(guò)Engelder和Fischer提出的公式[18]說(shuō)明：

由（1）式可見(jiàn)，最小水平應(yīng)力在一定程度上隨孔隙流體壓力的升高而增大，當(dāng)垂向應(yīng)力為最大主應(yīng)力且不變時(shí)，最小水平有效應(yīng)力σh′比垂向有效應(yīng)力σv′減小的速率小，從而導(dǎo)致差異應(yīng)力變小[28]（見(jiàn)圖1b）。需要注意的是，公式（1）僅反映了孔隙彈性響應(yīng)對(duì)應(yīng)-壓耦合的貢獻(xiàn)，但也足以表明超壓對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的影響。

圖1　超壓對(duì)差異應(yīng)力及巖石破裂的影響示意圖

在上述應(yīng)-壓耦合作用下，孔隙流體壓力可以影響地層破裂發(fā)生的條件及破裂類型[32]，這與傳統(tǒng)觀點(diǎn)不同。以最大主應(yīng)力為垂向應(yīng)力的情況為例，根據(jù)格里菲斯-庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則[9]，莫爾圓與破裂包絡(luò)線相切則巖石破裂，若差異應(yīng)力（莫爾圓直徑）小于4T（T為抗張強(qiáng)度）則發(fā)生張破裂，否則發(fā)生剪破裂。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，超壓使莫爾圓向破裂包絡(luò)線移動(dòng)（見(jiàn)圖1a），促進(jìn)裂縫發(fā)育，但差異應(yīng)力不變，裂縫發(fā)育類型不變（見(jiàn)圖1c）。而在應(yīng)-壓耦合作用下，超壓引起最小水平應(yīng)力變大，莫爾圓左移的同時(shí)也逐漸變?。ㄒ?jiàn)圖1b），與傳統(tǒng)的有效應(yīng)力變化條件相比，增加了其與破裂包絡(luò)線相切的難度，且差異應(yīng)力小于4T時(shí)破裂類型可由剪破裂變?yōu)閺埰屏眩ㄒ?jiàn)圖1c）。此外，滲透力對(duì)主應(yīng)力大小及方向的復(fù)雜作用[31]，也會(huì)影響裂縫發(fā)育的產(chǎn)狀。

2　研究區(qū)概況

2.1 地質(zhì)條件

柳屯洼陷處于東濮凹陷西斜坡北部，北面和西面為邢莊斷層所限，東面為文西斷層上升盤(pán)，新生界自下而上分別為沙河街組（Es）、東營(yíng)組（Ed）、館陶組（Ng）、明化鎮(zhèn)組（Nm）和平原組（Qh），其中，沙河街組沙三段是本區(qū)主要的烴源巖和儲(chǔ)集層系，在沙三上亞段中下部發(fā)育大范圍的鹽湖相沉積（見(jiàn)圖2）。鉆錄井資料及超壓預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，膏鹽層分布區(qū)多發(fā)育強(qiáng)超壓：東部膏鹽層分布區(qū)具有突變-強(qiáng)超壓的壓力結(jié)構(gòu)，而西部和南部無(wú)膏鹽層分布區(qū)則為漸變-常壓/弱超壓的壓力結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”發(fā)現(xiàn)于東部膏鹽層發(fā)育的強(qiáng)超壓區(qū)域，鉆探結(jié)果顯示，位于強(qiáng)超壓區(qū)內(nèi)的濮深18（PS18）井和濮深18-1 （PS18-1）井獲工業(yè)油流，而位于弱超壓區(qū)域的濮深18-8（PS18-8）井不產(chǎn)油。目前，該油藏處于滾動(dòng)勘探開(kāi)發(fā)階段，油藏范圍還有待確定。

根據(jù)對(duì)PS18-1井和PS18-8井巖心和薄片資料的分析，該油藏儲(chǔ)集層主要為泥質(zhì)巖類（78%）、碳酸鹽巖類（9%）和蒸發(fā)巖類（13%）（見(jiàn)圖3），縱向上構(gòu)成頻繁的泥質(zhì)巖—碳酸鹽巖—硫酸鹽巖—氯化鹽巖“韻律段”。這種鹽-泥互層沉積結(jié)構(gòu)促進(jìn)了鹽間泥巖段超壓的發(fā)育。對(duì)泥頁(yè)巖的X衍射分析表明，其脆性礦物（石英、方解石和白云石）平均含量為42.6%，與美國(guó)Appalachia盆地泥盆系泥頁(yè)巖的脆性指數(shù)臨界值相當(dāng)[33]。脆性大則有利于產(chǎn)生天然裂縫、發(fā)育裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”。地球化學(xué)分析也表明，該區(qū)泥質(zhì)巖具有較好的有機(jī)質(zhì)豐度、類型，且已進(jìn)入大量生烴早期，“油藏”原油為自生自儲(chǔ)的原生稠油。

圖2　柳屯洼陷沙三上亞段地層壓力、沉積和構(gòu)造特征

圖3　PS18-1井和PS18-8井目的層段巖性分類

2.2 構(gòu)造演化及裂縫發(fā)育期次

東濮凹陷經(jīng)歷了4個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期和6個(gè)構(gòu)造演化階段[34]，其中，柳屯洼陷經(jīng)歷了2個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期和3個(gè)構(gòu)造演化階段：①喜馬拉雅期，早期北西西—南東東向拉張，晚期構(gòu)造反轉(zhuǎn)及近東西向擠壓；②新構(gòu)造期，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)變?yōu)橛倚?，?jù)壓裂和偶極聲波各向異性資料，洼陷東部現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|148°。這有利于該地區(qū)天然裂縫的多期發(fā)育，其中前2個(gè)構(gòu)造演化階段構(gòu)造應(yīng)力作用強(qiáng)烈，是裂縫的主要形成時(shí)期。

在構(gòu)造活動(dòng)影響下，“油藏”超壓演化呈“一個(gè)半”旋回（見(jiàn)圖4）。以流體包裹體恢復(fù)的古地層壓力和錄井獲取的現(xiàn)今地層壓力為約束開(kāi)展超壓演化的盆地模擬，結(jié)果表明：早期地層快速沉降和膏鹽封蓋形成大范圍的欠壓實(shí)超壓，并伴隨部分生烴增壓，東營(yíng)組沉積末期地層抬升導(dǎo)致大范圍的超壓降低，隨后地層沉積重新增壓且生烴增壓作用增強(qiáng)，并在第四紀(jì)時(shí)因地層快速沉降而迅速增壓。受構(gòu)造活動(dòng)和超壓演化的影響，該“油藏”存在3期流體活動(dòng)（見(jiàn)圖4），結(jié)合取自多條裂縫的流體包裹體均一溫度分析結(jié)果可知：第1期，沙一段沉積晚期—東營(yíng)組沉積早期（距今29～34 Ma），超壓形成并快速發(fā)育；第2期，東營(yíng)組沉積早期（距今27～29 Ma），超壓達(dá)到構(gòu)造抬升前頂峰（地層壓力系數(shù)1.7）；第3期，明化鎮(zhèn)組沉積以后（距今0～2 Ma），超壓達(dá)到最大強(qiáng)度（地層壓力系數(shù)超過(guò)2.0）。由于該泥頁(yè)巖“油藏”具有低滲及原生稠油特征，熱流體（特別是烴類）的大規(guī)模活動(dòng)側(cè)面反映了裂縫發(fā)育強(qiáng)烈。因此，該“油藏”裂縫發(fā)育至少存在3期，這也與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化的3個(gè)階段相對(duì)應(yīng)。

圖4　柳屯洼陷Es3上泥頁(yè)巖“油藏”流體活動(dòng)期次及超壓演化

圖5　柳屯洼陷沙三上亞段鹽間泥巖裂縫特征

3“油藏”裂縫特征

3.1 裂縫類型及產(chǎn)狀

根據(jù)PS18-1井和PS18-8井巖心觀察，該泥頁(yè)巖“油藏”的裂縫主要有構(gòu)造縫、水力破裂縫和沉積縫等成因類型。

3.1.1 構(gòu)造縫

主要包括張裂縫和剪裂縫。張裂縫包括橫張裂縫（近北東向）和縱張裂縫（近北西向），為張性垂直縫，發(fā)育于鹽層上隆形成的鼻狀隆起之上，一般具有以下特征：①剖面上呈上大下小“V”形（見(jiàn)圖5a）；②剖面和平面上呈波折延伸，裂縫開(kāi)度1～2 mm（見(jiàn)圖5b）；③受石膏水平紋層限制，垂向上延伸不遠(yuǎn)，多數(shù)小于10 cm。統(tǒng)計(jì)表明，張裂縫中40%被石膏、方解石、巖鹽甚至瀝青充填（見(jiàn)圖5a），余者為開(kāi)啟縫，且多見(jiàn)油氣浸染（見(jiàn)圖5b）。剪裂縫可見(jiàn)兩種類型：①在平面上呈X型，剖面上垂直分布（由于巖心尺度小，很少能看到共軛剪裂縫，多為單一剪裂縫或平行分布的垂直剪裂縫）（見(jiàn)圖5c）；②在剖面上呈X型，平面上呈直線分布（見(jiàn)圖5d、5e）。剪裂縫張開(kāi)度較小，一般1～4 mm，大多開(kāi)啟，可見(jiàn)油氣浸染痕跡。另外，可見(jiàn)少量拉伸走滑應(yīng)力場(chǎng)形成的張剪裂縫（見(jiàn)圖5f）。

3.1.2 水力破裂縫

特征為：①延伸距離短（小于20 cm），多呈紡錘形，裂縫張開(kāi)度中間大，兩頭小，被石膏充填（見(jiàn)圖5g、5h）；②有水平和垂向兩種裂縫，前者多沿層理發(fā)育，而后者則走向較為散亂（見(jiàn)圖5h）。

3.1.3 沉積縫

沉積縫為水平紋層間發(fā)育的微裂縫。在熒光顯微鏡下，含鈣含云泥巖可見(jiàn)有發(fā)黃色熒光深色泥巖與發(fā)淡藍(lán)色熒光泥晶白云石構(gòu)成的互層狀水平紋層，其中黃色熒光指示烴類，說(shuō)明紋層間存在微裂縫（見(jiàn)圖5i）。

統(tǒng)計(jì)各類裂縫的數(shù)量及產(chǎn)狀，該“油藏”的裂縫具有以下特征：①構(gòu)造縫和水力破裂縫為主，沉積縫發(fā)育較少，而構(gòu)造縫中的張裂縫比剪裂縫更發(fā)育（見(jiàn)圖6）；②裂縫走向多樣，橫張裂縫走向多為近北東向（平均北東30°），縱張裂縫走向多為近北西向（平均北西295°～300°），剪裂縫走向主要有近北西向（北西330°左右）和近北東向（北東55°左右）兩組（見(jiàn)圖7），水力破裂縫走向則大多不固定；③構(gòu)造縫傾角多樣（見(jiàn)圖7），主要為垂直縫（約占78%，傾角大于75°，平均88°），其次為斜交縫（約占22%，傾角15°～75°，平均72°）。

圖6　巖心觀察各類構(gòu)造裂縫分布特征

3.2 裂縫特征與區(qū)域構(gòu)造背景的矛盾

將巖心觀察的裂縫產(chǎn)狀與區(qū)域構(gòu)造背景下產(chǎn)生的裂縫特征對(duì)比可見(jiàn)，巖心（特別是PS18-1井）觀察的構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀比較散亂，與該地區(qū)3個(gè)構(gòu)造演化階段可以產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀有較大出入，而成像測(cè)井識(shí)別的構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀的散亂分布特征則佐證了巖心觀察的結(jié)果（見(jiàn)圖7）。

圖7　“油藏”構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀與區(qū)域構(gòu)造裂縫走向?qū)Ρ?/p>

另外，對(duì)比PS18-1井和PS18-8井的巖心裂縫特征可見(jiàn)，其裂縫類型和產(chǎn)狀有明顯差別。水平和垂向延伸的兩類水力破裂縫，在兩口井中的分布特征有差異：水力破裂水平縫在PS18-1井中相對(duì)較多，且部分開(kāi)啟；水力破裂垂直縫的走向在PS18-8井中多呈北北東—北東向，而在PS18-1井中比較散亂。同時(shí)，PS18-8井中構(gòu)造裂縫的產(chǎn)狀分布范圍相對(duì)集中，而PS18-1井構(gòu)造裂縫的走向和傾角分布范圍都較大（見(jiàn)圖7）。由于兩口井的構(gòu)造和沉積背景一致，這極可能是超壓因素所致。而根據(jù)超壓影響裂縫發(fā)育的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，兩口井的裂縫類型和產(chǎn)狀難以產(chǎn)生顯著差別。這需要超壓能夠改變地層的差異應(yīng)力，使位于超壓區(qū)域不同部位的兩口井的局部差異應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生差異。這與應(yīng)-壓耦合的觀點(diǎn)相符。

4　裂縫發(fā)育的應(yīng)-壓耦合因素

根據(jù)應(yīng)-壓耦合理論，該“油藏”中分布不均勻的超壓對(duì)構(gòu)造應(yīng)力的影響可從以下兩方面進(jìn)行分析。

4.1 孔隙彈性響應(yīng)改變差異應(yīng)力

根據(jù)公式（1）和圖1b所示，均勻分布的超壓可以使莫爾圓在向左移動(dòng)的同時(shí)變小，使地層潛在的破裂形式在一定條件下由剪破裂轉(zhuǎn)變?yōu)閺埰屏?。但?shí)際上，超壓通常并非均勻分布，對(duì)此，Mourgues等在不考慮構(gòu)造活動(dòng)的條件下，基于孔隙彈性理論和模擬實(shí)驗(yàn)分析了局部和盆地規(guī)模超壓共同作用下的應(yīng)-壓耦合關(guān)系[12]，并預(yù)測(cè)了局部和盆地規(guī)模超壓共同作用下的裂縫發(fā)育類型。以此為基礎(chǔ)，可在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和超壓發(fā)育相互獨(dú)立的假設(shè)下，通過(guò)疊加構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)，得到水平擠壓和水平拉伸構(gòu)造背景下的應(yīng)-壓耦合裂縫發(fā)育模式（見(jiàn)圖8）。假定最大主應(yīng)力始終為垂向應(yīng)力且靜水壓力條件下地層所處應(yīng)力狀態(tài)（圖8黑色實(shí)線莫爾圓）為最小水平有效應(yīng)力σhh′和垂向有效應(yīng)力σvh′，則構(gòu)造活動(dòng)、超壓和巖石破裂樣式之間的關(guān)系為：構(gòu)造擠壓（圖8a黑色虛線莫爾圓），最小水平有效應(yīng)力σh′與垂向有效應(yīng)力σv′的差值較小，有利于張破裂發(fā)生（圖8a藍(lán)色莫爾圓），但盆地規(guī)模超壓程度較低則有利于剪破裂發(fā)育（圖8a綠色莫爾圓）；相比之下，構(gòu)造拉張（圖8b黑色虛線莫爾圓）時(shí)，有利于剪破裂發(fā)生（圖8b綠色莫爾圓），但盆地規(guī)模超壓較高則有利于張破裂發(fā)育（圖8b藍(lán)色莫爾圓）。

圖8　構(gòu)造作用影響下的盆地應(yīng)-壓耦合巖石破裂發(fā)育模式

根據(jù)上述裂縫發(fā)育模式，柳屯洼陷沙三上亞段鹽間泥頁(yè)巖“油藏”早期構(gòu)造拉張階段，地層開(kāi)始發(fā)育大范圍的欠壓實(shí)增壓，有利于發(fā)育剪裂縫；構(gòu)造擠壓階段，初期時(shí)超壓達(dá)到頂峰且伴隨生烴增壓，有利于發(fā)育張裂縫，隨后地層抬升導(dǎo)致盆地大范圍超壓降低，則有利于發(fā)育剪裂縫；在晚期構(gòu)造拉張階段，初期地層普遍超壓較低、生烴作用較弱，有利于發(fā)育剪裂縫，后期快速沉降導(dǎo)致大范圍高強(qiáng)度超壓且伴隨生烴增壓的增強(qiáng)，有利于發(fā)育張裂縫。

4.2 滲透力影響主應(yīng)力方向

局部超壓可因周圍孔隙壓力梯度的存在而產(chǎn)生滲透力，特別是超高壓引起的滲透力，可以顯著影響地層的最小主應(yīng)力，而非垂向的滲透力還會(huì)改變地層主應(yīng)力的方向[35-36]。地層主應(yīng)力方向的變化則影響裂縫發(fā)育的產(chǎn)狀。Rozhko通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)[31]，超壓產(chǎn)生的滲透力會(huì)沿流體壓力梯度方向疊加于原有應(yīng)力場(chǎng)，改變局部應(yīng)力狀態(tài)，從而產(chǎn)生走向與原有應(yīng)力場(chǎng)不相符的裂縫。柳屯洼陷東部的泥頁(yè)巖“油藏”上下受鹽巖限制，其流體壓力在水平方向變化。因此，可采用均質(zhì)的平面孔隙彈性介質(zhì)和呈圓形的超壓體模型進(jìn)行理論數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示，超壓體邊緣的滲透力造成局部主應(yīng)力方向呈規(guī)律性變化（見(jiàn)圖9）：水平最大主應(yīng)力向平行于流體壓力梯度的方向偏轉(zhuǎn)，水平最小主應(yīng)力則向垂直于流體壓力梯度的方向偏轉(zhuǎn)。以PS18-1井和PS18-8井為例，沉積早期欠壓實(shí)超壓為主時(shí)，壓力分布相對(duì)均勻，滲透力影響不明顯；東營(yíng)組沉積末期構(gòu)造抬升泄壓后重新增壓過(guò)程中，生烴增壓的貢獻(xiàn)相對(duì)變大，加強(qiáng)了壓力分布的非均質(zhì)性和滲透力的作用；根據(jù)目的層段現(xiàn)今壓力系數(shù)分布，兩井位置的流體壓力梯度為近北西—南東向，故兩井處現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力將向近北西—南東方向偏轉(zhuǎn)。

圖9　超壓分布對(duì)主應(yīng)力方向影響示意圖

此外，超壓發(fā)育、有效應(yīng)力減小也會(huì)導(dǎo)致泥頁(yè)巖的泊松比增加[37]、內(nèi)摩擦角變小[38]，在一定程度上使裂縫與最大主應(yīng)力之間的夾角變大，如最大主應(yīng)力為垂向應(yīng)力時(shí)則表現(xiàn)為裂縫傾角變小。因此，與超壓影響裂縫發(fā)育的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相比，隨著構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和超壓的演化，在兩者耦合作用下：裂縫產(chǎn)狀（走向和/或傾角）范圍將會(huì)有一定程度的擴(kuò)大，即表現(xiàn)為裂縫產(chǎn)狀的散亂分布；裂縫類型（剪裂縫/張裂縫）也可能發(fā)生變化，如水力破裂水平縫的發(fā)育。

5　裂縫分類及演化

5.1 裂縫應(yīng)力狀態(tài)分類

巖心觀察可見(jiàn)，部分剪性斜交縫比張性垂直縫發(fā)育更晚（見(jiàn)圖5e），但這類巖心資料較少，不能對(duì)各類裂縫進(jìn)行全面分析。包裹體分析資料也僅能確定該“油藏”至少發(fā)育3期裂縫。因此，本文采用應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比方法，以發(fā)育所需應(yīng)力狀態(tài)細(xì)分構(gòu)造縫和水力破裂縫，并與各時(shí)期的地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比，從而確定各類裂縫發(fā)育的大致時(shí)期和先后順序。需注意的是，由于存在應(yīng)-壓耦合的影響，因此在細(xì)分裂縫類型和對(duì)比地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，需考慮前文所述應(yīng)-壓耦合對(duì)裂縫產(chǎn)狀和類型的影響。

在依據(jù)發(fā)育時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)細(xì)分裂縫類型時(shí)，其原則及方法為：①依據(jù)格里菲斯張破裂準(zhǔn)則和庫(kù)侖-納維爾剪破裂準(zhǔn)則[9]；②以最大主應(yīng)力為主、中間主應(yīng)力為輔；③以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)3個(gè)演化階段中可產(chǎn)生的區(qū)域裂縫產(chǎn)狀為基礎(chǔ)分類；④考慮應(yīng)-壓耦合作用及超壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，適當(dāng)修正各基礎(chǔ)分類的裂縫類型及產(chǎn)狀范圍，盡量劃分巖心觀察和成像測(cè)井資料中產(chǎn)狀較散亂的部分裂縫。這一裂縫分類原則和方法便于區(qū)分各類裂縫的發(fā)育時(shí)期，同時(shí)也可盡量劃分“油藏”的各種裂縫。據(jù)此，該“油藏”的構(gòu)造縫和水力破裂縫可主要細(xì)分為7種類型（見(jiàn)表1），各類型的產(chǎn)狀均有一定范圍（見(jiàn)圖10），并以其中主要的應(yīng)力方位表示，其中第Ⅶ類受超壓的影響最明顯，其他各類則仍以構(gòu)造作用為主，超壓僅在一定程度上影響裂縫產(chǎn)狀。

表1　柳屯洼陷沙三上亞段鹽間裂縫的應(yīng)力狀態(tài)分類

圖10　柳屯洼陷沙三上亞段裂縫性泥頁(yè)巖“油藏”應(yīng)力演化及裂縫發(fā)育類型

5.2 裂縫演化

對(duì)比地應(yīng)力場(chǎng)確定7類裂縫發(fā)育時(shí)期時(shí)，應(yīng)首先劃分裂縫發(fā)育期并確定各期內(nèi)可能發(fā)育的裂縫類型和產(chǎn)狀，再與7類裂縫對(duì)比，同時(shí)注意各期內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力和流體壓力耦合作用的差異。在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和地層超壓共同作用下，該“油藏”形成了3期熱流體的大規(guī)?；顒?dòng)，對(duì)應(yīng)3個(gè)裂縫強(qiáng)烈發(fā)育時(shí)段。因此，該“油藏”的裂縫發(fā)育，可以構(gòu)造演化階段為主劃分為3期：第1期以喜馬拉雅早期為主，強(qiáng)烈發(fā)育于距今29～34 Ma；第2期以喜馬拉雅晚期為主，強(qiáng)烈發(fā)育于距今27～29 Ma；第3期以新構(gòu)造期為主，強(qiáng)烈發(fā)育于距今0～2 Ma。3期內(nèi)可能的裂縫發(fā)育類型和產(chǎn)狀已在前面提及，但受應(yīng)-壓耦合作用影響的程度不同：第2期內(nèi)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，且超壓較為發(fā)育，應(yīng)-壓耦合作用較強(qiáng)，裂縫類型和產(chǎn)狀都比較多樣；相比之下，第1期和第3期早期超壓程度較弱，裂縫產(chǎn)狀則相對(duì)集中；在裂縫強(qiáng)烈發(fā)育的各時(shí)段內(nèi)，若超壓發(fā)育程度較高，則裂縫發(fā)育的類型和產(chǎn)狀也會(huì)比較多樣。

依據(jù)上述分析，結(jié)合巖心觀察得到的裂縫發(fā)育先后順序，確定7類裂縫發(fā)育的大致時(shí)期和順序見(jiàn)圖10，以裂縫產(chǎn)狀范圍的擴(kuò)大和類型的增多表示應(yīng)-壓耦合的影響。需要說(shuō)明的是，由于柳屯洼陷缺乏地應(yīng)力測(cè)量資料，本文僅定性分析了地應(yīng)力狀態(tài)和裂縫發(fā)育規(guī)律。

圖10可解釋該“油藏”中大多數(shù)裂縫的發(fā)育時(shí)期，一定程度上解決了裂縫產(chǎn)狀散亂和類型多樣造成的分類及確定發(fā)育時(shí)期存在的困難。對(duì)比裂縫的應(yīng)力狀態(tài)分類與成因分類（見(jiàn)表1）可知，縱張、橫張裂縫主要在第1期發(fā)育，而構(gòu)造剪裂縫主要在第2和第3期發(fā)育，水力破裂縫主要在第2期初期構(gòu)造抬升前發(fā)育。

6　結(jié)論

流體壓力與構(gòu)造應(yīng)力存在耦合，超壓通過(guò)改變巖石的孔隙彈性響應(yīng)和流體的滲透力來(lái)改變地層局部的差異應(yīng)力大小和主應(yīng)力方向，影響裂縫發(fā)育的類型和產(chǎn)狀。柳屯洼陷沙三上亞段鹽間泥頁(yè)巖“油藏”的儲(chǔ)集層裂縫以構(gòu)造縫和水力破裂縫為主，在應(yīng)-壓耦合作用下，強(qiáng)超壓區(qū)域內(nèi)裂縫產(chǎn)狀散亂，甚至發(fā)育水力破裂水平縫。該“油藏”的構(gòu)造縫和水力破裂縫可細(xì)分為7種應(yīng)力狀態(tài)類型、3期發(fā)育：第1期以喜馬拉雅早期為主，強(qiáng)烈發(fā)育于距今29～34 Ma；第2期以喜馬拉雅晚期為主，強(qiáng)烈發(fā)育于距今27～29 Ma；第3期以新構(gòu)造期為主，強(qiáng)烈發(fā)育于距今0～2 Ma?？v張和橫張裂縫主要在第1期發(fā)育，水力破裂縫主要在第2期內(nèi)構(gòu)造抬升前發(fā)育，構(gòu)造剪裂縫主要在第2和第3期發(fā)育，構(gòu)造應(yīng)力和超壓均強(qiáng)烈發(fā)育的時(shí)段內(nèi)裂縫類型和產(chǎn)狀呈多樣化，可產(chǎn)生水力破裂水平縫或走向雜亂的水力破裂垂直縫。符號(hào)注釋：

τ——剪應(yīng)力，MPa；σn——正應(yīng)力，MPa；σh——最小水平應(yīng)力，MPa；σh′——最小水平有效應(yīng)力，MPa；σv——垂向應(yīng)力，MPa；σv′——垂向有效應(yīng)力，MPa；pp——孔隙流體壓力，MPa；v——泊松比，無(wú)量綱；α——Biot-Willis系數(shù)，無(wú)因次；p0——當(dāng)前孔隙流體壓力，MPa；pt——差異應(yīng)力等于4T時(shí)的孔隙流體壓力，MPa；T——抗張強(qiáng)度，MPa；σhh′，σvh′——假定最大主應(yīng)力始終為垂向應(yīng)力，靜水壓力條件下地層最小水平有效應(yīng)力和垂向有效應(yīng)力，MPa；C——內(nèi)聚力，MPa；μ——內(nèi)摩擦系數(shù)，無(wú)因次；σ1，σ2，σ3——最大、中間、最小主應(yīng)力，MPa。

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（編輯 黃昌武）

Fracture characteristics under the coupling effect of tectonic stress and fluid pressure: A case study of the fractured shale oil reservoir in Liutun subsag, Dongpu Sag, Bohai Bay Basin, Eastern China

Luo Yang1, Zhao Yanchao1, Chen Honghan1, Su Hui2
(1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resource of Ministry of Education, China University of Geosciences,
Wuhan 430074, China; 2. Zhongyuan Oilfield Company, Sinopec, Zhengzhou 450000, China)

Abstract:Based on the integrated study on core description, fluid inclusions and basin modeling, and considering the coupling effect of tectonic stress and fluid pressure, the characteristics of fractures were analyzed in the inter-salt fractured shale oil reservoirs of strong overpressure in upper Sha 3 member(Es3)in Liutun subsag, Dongpu Sag, Bohai Bay Basin. The results show that:(1)Most of fractures in this reservoir are structural or hydraulic, with scattered occurrence, even horizontal hydraulic fractures in strong overpressure area;(2)Overpressure changes the differential stress and principal stress direction by changing the poroelastic response of rock and the seepage force of pore fluid, and thus influencing the type and occurrence of fractures;(3)Structural and hydraulic fractures can be divided into seven types according to their stress states. The development of those fractures includes 3 stages. The transverse tension and longitudinal tension fractures are mainly developed in the first stage, tectonic shear fractures mainly in the second and third stages, and hydraulic fractures mainly in the early phase of the second stage before tectonic uplift. When tectonic stress and overpressure are both strong, the type and occurrence of fractures are diverse.

Key words:fluid pressure-tectonic stress coupling; fractured shale oil reservoir; fluid overpressure; fracture type; fracture occurrence; Liutun subsag

收稿日期：2014-01-10 修回日期：2015-01-20

作者簡(jiǎn)介：第一駱楊（1985-），男，河北邢臺(tái)人，博士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院石油系講師，主要從事精細(xì)油藏描述和盆地模擬方面研究。地址：湖北省武漢市洪山區(qū)魯磨路388號(hào)，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院石油系，郵政編碼：430074。E-mail：luoyang0802@163.com

DOI:10.11698/PED.2015.02.06

文章編號(hào)：1000-0747(2015)02-0177-09

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE122.1

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41402117）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05006-004）；