塵福艷，楊 創(chuàng)，丁文龍

（1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，西安 710054；2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，西安 710054；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

冀中坳陷東北部石炭-二疊系裂縫發(fā)育特征研究

塵福艷1，2，楊 創(chuàng)1,2，丁文龍3

（1.中煤航測遙感集團(tuán)有限公司，西安 710054；2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，西安 710054；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

巖心裂縫觀測是目前研究裂縫的一個(gè)最重要、最基本，也是最有效的方法，它是根據(jù)巖心裂縫發(fā)育情況對(duì)地層中的裂縫進(jìn)行最直觀的描述，是進(jìn)行裂縫研究的最直接的手段，是裂縫測井和地震研究的基礎(chǔ)，也是對(duì)后者研究精度的最直接的檢驗(yàn)。通過對(duì)冀中坳陷東北部鉆遇石炭-二疊系井的巖心觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的裂縫主要是天然裂縫，人工裂縫較少。天然裂縫的主要特征為裂縫間距較小，裂縫開啟程度小或者是在地下為閉合縫，高角度縫和低角度縫均較為發(fā)育。其中，開啟裂縫大部分未被充填，縫面干凈，有鏡面擦痕。影響天然裂縫發(fā)育的地質(zhì)影響因素主要有巖性、埋藏深度和構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系。在冀中坳陷石炭-二疊系中裂縫發(fā)育段主要集中在泥質(zhì)粉砂巖和含礫砂巖中；裂縫發(fā)育程度在同一期構(gòu)造應(yīng)力場下是隨著深度的增加而減少的。

冀中坳陷；石炭-二疊系；巖心；天然裂縫

0 引言

油氣成藏是一個(gè)油氣聚集與逸散的動(dòng)態(tài)平衡過程，油氣藏充注和保存是成藏的兩個(gè)主要要素[1]。對(duì)石油和天然氣保存條件的評(píng)價(jià)，通常考慮以下四個(gè)方面的因素：一是水文地質(zhì)條件，二是蓋層發(fā)育狀況與封蓋性能，三是斷層或裂縫封閉性，四是后期構(gòu)造作用強(qiáng)度。裂縫是巖石中沒有明顯位移的斷裂，它既是油氣儲(chǔ)集空間，也是滲流通道，因此，對(duì)裂縫的研究一直是油氣勘探開發(fā)中一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]。巖心、露頭(包括在清水井條件下的井壁成像資料)和薄片觀察能對(duì)裂縫進(jìn)行直接的描述，對(duì)觀察到的裂縫特征進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)它們相互之間的關(guān)系。冀中坳陷東北部石炭-二疊系目前涉及裂縫研究資料較少，未進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。本文是通過對(duì)研究區(qū)的17口鉆井巖心觀察，對(duì)研究區(qū)的裂縫進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，以期對(duì)油田的下一步開發(fā)提供有效的支持作用。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

冀中坳陷石炭-二疊系煤系的分布具有殘留盆地性質(zhì)，在歷經(jīng)了印支-燕山和喜馬拉雅期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造后，主要分布在冀中坳陷的東北部，包括霸縣凹陷的文安斜坡、廊固凹陷的河西務(wù)地區(qū)、武清凹陷、里坦凹陷和大城凸起，總面積約7000 km2（圖1），殘留厚度為0～1100 m。冀中坳陷東部為一大型古向斜，自核心向外依次出露中生界、石炭-二疊系、奧陶系、寒武系，古向斜總面積1.3萬km2。

圖1 冀中坳陷前古近系地質(zhì)圖（據(jù)華北油田研究院）Figure 1 Central Hebei depression pre-Paleogene geological map (after North China Oilfield Research Institute)

1.2 地層發(fā)育特征

在冀中坳陷石炭—二疊系中，利用測井曲線可以方便且準(zhǔn)確地識(shí)別出各種巖性標(biāo)志，這非常有利于地層的對(duì)比與劃分。因此本次研究主要使用測井曲線，結(jié)合巖性標(biāo)志層，確定了本區(qū)晚古生代巖石地層劃分方案（圖2），地層自下而上可劃分為本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。

圖2 冀中坳陷地層綜合柱狀圖Figure 2 Central Hebei depression comprehensive stratigraphic column

2 巖心裂縫發(fā)育特征

2.1 巖心觀測

在進(jìn)行巖心觀測時(shí)，一個(gè)重要的問題是如何區(qū)分天然裂縫和人工裂縫。天然裂縫是指由于構(gòu)造作用、成巖作用、壓實(shí)作用等構(gòu)造應(yīng)力作用下而形成的裂縫。天然裂縫按成因又可分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫（表1）[3]。其中，構(gòu)造裂縫是主要研究對(duì)象。人工裂縫是指由于人為因素而形成的裂縫。形成人工裂縫的原因主要有巖心破裂、壓力卸載、鉆具磨損等。

表1 裂縫類型及成因Table 1 Fissure types and origins

巖心構(gòu)造裂縫的識(shí)別標(biāo)志主要有以下三個(gè)方面：（1）裂縫內(nèi)含有與鉆井液無關(guān)的充填物；（2）裂縫面有擦痕、階步；（3）裂縫之間存在明顯的組系關(guān)系。裂縫所具有的羽飾構(gòu)造、擦痕、礦物充填，或者破裂面上具有剪切組構(gòu)等特征對(duì)于裂縫成因分析都有非常重要的作用。

2.2 巖心描述

巖心裂縫的描述主要是通過裂縫的發(fā)育位置、巖性、條數(shù)、形態(tài)、充填物和縫面特征等幾大方面描述。對(duì)于研究區(qū)目的層的巖心，本文共觀察和描述了17口井的巖心，由于10口井巖心風(fēng)化較為嚴(yán)重（圖3），因此，僅對(duì)七口鉆井巖心進(jìn)行系統(tǒng)觀察（圖4），觀測到94條裂縫，其中天然裂縫92條，占97.87%，而完全人工誘發(fā)裂縫(圖4a)只有2條，僅占總裂縫條數(shù)的2.13%。在研究區(qū)中，天然裂縫的性質(zhì)以先張后剪性裂縫(圖4b、圖4c)和剪性裂縫(圖4d、圖4e、圖4f)為主。

圖3 葛5井風(fēng)化破碎的巖心Figure 3 Weathering cracked cores from well No.Ge5

（1）巖心裂縫產(chǎn)出狀態(tài)。高角度裂縫和低角度裂縫均較為發(fā)育（圖5），其中高角度裂縫（60°～90°）約占50%（圖6，圖7），低角度裂縫（0°～30°）約為43%（圖8），只有7%的裂縫角度分布在30°～60°。

圖4 巖心裂縫照片F(xiàn)igure 4 Photo of core fissures

（2）巖心裂縫長度。研究區(qū)石炭-二疊系巖心天然裂縫長度變化較大（圖9），從幾厘米到幾十厘米均有，裂縫的長度大多集中在5～20 cm，約為82%；其中，5～10 cm長的裂縫占據(jù)主要的長度，約為47%，最長的裂縫達(dá)70 cm（圖10）。

圖5 裂縫角度分布柱狀圖Figure 5 Columnar section of fissure angle distribution

圖6 蘇50井4758.05m處垂縫Figure 6 Vertical fissures at 4785.05m in well No.Su50

圖7 蘇46井2244.15m處高角度縫Figure 7 High-angle fissures at 2241.15m in well No.Su46

圖8 京70井3212.73m處低角度縫Figure 8 Low-angle fissures at 3212.73m in well No.Jing70

圖9 裂縫長度分布柱狀圖Figure 9 Columnar section of fissure length distribution

圖10 蘇46井2625.9m處的70cm長裂縫Figure 10 Fissures with length 70cm at 2625.9m in well No.Su46

（3）巖心裂縫寬度。研究區(qū)目的層巖心中沒有大型穿層裂縫發(fā)育，分散細(xì)碎的裂縫較發(fā)育。本區(qū)的裂縫寬度變化較大，從幾個(gè)微米到幾個(gè)厘米，對(duì)于一些經(jīng)過后期溶蝕充填的裂縫而言，其寬度雖大，但對(duì)油氣的儲(chǔ)集已無意義。有些由于完全被錯(cuò)開，僅測量部分因礦物充填或未裂成兩部分的巖心裂縫的寬度。所測量巖心裂縫寬度為0.1～0.5 mm，其中寬度為0.5 mm裂縫占78.7%，寬度為0.1 mm的裂縫占10.64%。

（4）裂縫間距。有裂縫的巖心井中，鉆遇的裂縫數(shù)多且細(xì)小，觀察統(tǒng)計(jì)的7口巖心井中，蘇46井和蘇50井的裂縫間距幾乎都是每0.5 m都會(huì)有一條裂縫或數(shù)條小裂縫；剩下的5口井的裂縫間距是0.2 m。冀中坳陷石炭-二疊系的井中鉆遇的裂縫間距都很小，層間縫和高角度縫很發(fā)育，且有方解石或石英充填現(xiàn)象，偶爾有油浸現(xiàn)象（圖4c、圖4d、圖4f）。

（5）裂縫開啟程度。在巖心中表現(xiàn)為裂縫面新鮮、無附著物且無滑動(dòng)的擦痕、階步，則可判斷為在此種裂縫在地下開啟程度多為閉合縫，閉合縫占天然裂縫的74.36%。部分閉合縫中的裂縫受阻于層間縫，縫面平直新鮮，在地下應(yīng)為剪性隱裂縫(圖11)。閉合縫在巖心中之所以能表現(xiàn)出來可能是由于鉆井過程中在鉆具壓力作用下裂開的。開啟裂縫多為大型張剪縫(先張后剪縫)和剪切裂縫，裂縫面有擦痕、摩擦鏡面（圖4c、圖4e）或有油跡顯示（圖4d），開啟縫占天然裂縫的25.64%。

圖11 蘇50井4757.5m處的閉合縫Figure 11 Closed fissures at 4757.5m in well No.Su50

3 天然裂縫發(fā)育的主控因素分析

在石油地質(zhì)領(lǐng)域，裂縫的精細(xì)描述和預(yù)測是一個(gè)至今世界性難題。裂縫是地殼上最小的構(gòu)造，也是最為復(fù)雜的構(gòu)造[4]。因此，裂縫的研究和分布是極其復(fù)雜的。大量研究表明，裂縫是由于在地層中的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖石物理性質(zhì)、化學(xué)組成、埋藏深度及溫度等多種因素的綜合作用致使裂縫的出現(xiàn)。其中，地層的巖性、厚度及其組合是裂縫發(fā)育的內(nèi)因，而構(gòu)造則是裂縫形成的外因[5]。

3.1 巖性

巖性是影響裂縫發(fā)育的內(nèi)在因素[6]。巖石類型不同，變形程度不同所顯現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)也不一樣，巖石的性質(zhì)不同，受力后發(fā)生的變形程度也不同，即使是同種性質(zhì)的巖石因其裂隙發(fā)育數(shù)量，裂隙方向等不同，其變形也有差異。天然裂縫的發(fā)育程度與巖性具有密切相關(guān)性。在系統(tǒng)的觀察了7口井的巖心裂縫中，砂礫巖中的裂縫發(fā)育程度最低，平均密度為0.8條/m；粉砂巖中的裂縫發(fā)育程度是最高的，平均密度為2.26條/m；含礫砂巖中的裂縫發(fā)育程度要比泥灰?guī)r發(fā)育，平均密度分別為1.88條/m和1.6條/m。從中可以看出含高脆性成分的巖石比低脆性成分的巖石具有更大的裂縫密度。巖心觀測的裂縫長度在砂礫巖中較其在粉砂巖、泥灰?guī)r中普遍較長，且有一條貫穿巖心的長裂縫分布于砂礫巖中。在粉砂巖中如果有泥質(zhì)夾層，更容易發(fā)育層理縫。粉砂巖和泥灰?guī)r中的裂縫長度一般都是在10 cm左右。

3.2 巖層厚度

在失去了褶皺、斷層對(duì)裂縫的控制因素后，巖層厚度對(duì)裂縫的影響變得較為重要[7]。一方面，巖層中的裂縫發(fā)育程度明顯受單層厚度的控制，即巖層越薄裂縫越發(fā)育。另一方面，單層厚度薄的巖層中巖石的顆粒更加細(xì)小，巖石顆粒和單層厚度的雙重影響控制著裂縫的發(fā)育程度，即巖層越薄，顆粒越細(xì)，裂縫就越發(fā)育（圖12）。

圖12 裂縫密度與層厚關(guān)系[7]Figure 12 Relationship between fissure density and bed thickness[7]

3.3 構(gòu)造應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力是大部分內(nèi)生類裂縫的形成力源之一[8]。構(gòu)造因素對(duì)裂縫形成的控制主要取決于巖層所受構(gòu)造應(yīng)力的大小、性質(zhì)及受力次數(shù)。通常，巖層所受的作用力愈強(qiáng)，受力次數(shù)愈多，所受的應(yīng)力愈大，產(chǎn)生的裂縫往往愈多，規(guī)模也較大。巖石埋藏在地下，承受周圍巖體及上覆巖體對(duì)它的靜壓力，巖石埋藏越深，圍壓越大，巖石的抗破壞強(qiáng)度隨之增大，則隨埋藏深度增加，同一時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力下形成的裂縫發(fā)育程度隨深度增加而減弱.另外，隨巖石埋深增加，圍壓增大，導(dǎo)致巖石的塑性增大，巖石逐漸產(chǎn)生塑性變形，最終導(dǎo)致的結(jié)果是裂縫開啟程度隨深度增加而變小以至閉合[9]。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)冀中坳陷石炭-二疊系7口井的巖心觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的天然裂縫類型主要為裂縫間距較小，裂縫開啟程度小或者是在地下為閉合縫，高角度縫和低角度縫均較為發(fā)育。開啟裂縫大部分未被充填，縫面干凈，有鏡面擦痕。

（2）粉砂巖中的天然裂縫發(fā)育程度最高，砂礫巖中的天然裂縫最不發(fā)育，含礫砂巖較泥灰?guī)r發(fā)育。裂縫在泥灰?guī)r中的發(fā)育長度大部分在10cm左右。裂縫發(fā)育程度隨埋深加大而降低。

（3）影響天然裂縫發(fā)育的地質(zhì)影響因素主要有巖性和埋藏深度的關(guān)系。在冀中坳陷石炭-二疊系中發(fā)育的裂縫主要集中在泥灰?guī)r和砂礫巖中；同一時(shí)期構(gòu)造應(yīng)力下形成的裂縫發(fā)育程度要隨著深度的增加而減少。裂縫的形成和分布是受多種因素控制的，所以不同階段，不同應(yīng)力背景下產(chǎn)生的裂縫是具有完全不同的性質(zhì)和空間分布。

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圖5 勘查階段與開采階段3煤層（含天然焦）疊合分布圖（局部放大）Figure 5 Coal No.3(with natural coke)stacked distribution during exploration and mining stages(partly magnified)

通過研究巖漿巖分布的連續(xù)性特征，可得：13104工作面最好，13101和13102工作面連續(xù)性最差。經(jīng)測量，巖漿巖連續(xù)分布的長度一般不超過100 m，大多為50～100 m，由此可知，針對(duì)該天然焦礦井而言，適宜的勘查工程線距至少為50～100 m，復(fù)雜地段可小于50 m。

4 結(jié)論

由于巖漿巖分布的隨機(jī)性較大，因此在地層傾向或走向上，按礦井勘探階段確定的天然焦礦井勘探鉆孔間距和勘探線距無法滿足礦井實(shí)際開采需要，探采對(duì)比差異明顯，即針對(duì)天然焦礦井而言，勘探鉆孔間距和勘探線距均比煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范規(guī)定的要小。

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Study on Permo-Carboniferous Fissure Development Features in Northeastern Central Hebei Depression

Chen Fuyan1,2,Yang Chuang1,3and Ding Wenlong3
(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau,CNACG,Xi'an,Shaanxi 710054; 2.Shaanxi Provincial Geographic Spatial Information Engineering and Technology Research Center,Xi'an,Shaanxi 710054; 3.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083)

The core fissure observation is an above all,essential and most effective way to study fissures at present.It carries out most intuitive description for fissures in strata based on fissure development in cores,thus a direct means of fissure study,the fundamental work for fissure well logging and seismic studies;and can directly inspect research accuracy.Through observation on cores from borehole intersected Permo-Carboniferous strata in the northeastern Central Hebei depression,has found out the fissures in study area are mainly intrinsic fissures,less artificial fissures.Main features of intrinsic fissures have small interval and opening or closing underground,high-angle and low-angle fissures are all rather developed.Open fissures have mostly unfilled clean surfaces with scratches. Intrinsic fissure development geological impacting factors have mainly lithology,buried depth and relation with tectonic stress.Fissure developed zones are mainly concentrated upon argillaceous siltstone and pebbly sandstone.Under identical stage tectonic stress field, the degree of fissure development is decreasing along with depth increasing in Central Hebei depression Permo-Carboniferous strata.

Central Hebei depression;Permo-Carboniferous;core;intrinsic fissure

P534.4

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.04

1674-1803(2017)01-0014-06

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41372139）

塵福艷（1987—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楹蜌馀璧胤治觥?/p>

2016-08-12

責(zé)任編輯：宋博輦