楊少春, 牛海瑞, 宋明水, 趙永福1,, 汪 勇1,

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島266071; 3.中石化新星山東新能源有限公司,山東東營 257000；4.中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心,山東東營 257017)

車排子地區(qū)石炭系擠壓逆沖構造區(qū)斷層共生裂縫發(fā)育程度定量表征

楊少春1,2, 牛海瑞1,3, 宋明水4, 趙永福1,4, 汪 勇1,4

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.海洋國家實驗室海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術功能實驗室,山東青島266071; 3.中石化新星山東新能源有限公司,山東東營 257000；4.中國石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心,山東東營 257017)

在準噶爾盆地車排子地區(qū)多期擠壓逆沖構造背景下,石炭系火山巖斷裂伴生大規(guī)模構造裂縫。綜合利用巖心、薄片、成像測井和地震等資料,對車排子地區(qū)石炭系斷層共生裂縫的發(fā)育程度進行定量化表征及預測。研究結果表明:與逆斷層伴生的高角度剪切縫和擴張裂縫是石炭系發(fā)育的主要裂縫類型,構造裂縫的走向、傾角、密度及張開度等參數(shù)與斷層密切相關;研究區(qū)斷裂級別可劃分為Ⅰ～Ⅲ級,通過建立斷層共生裂縫密度分布函數(shù),得出3類斷層對裂縫發(fā)育的控制范圍分別為5.5、3.0、0.9 km。在充分考慮不同級別斷層對裂縫發(fā)育控制作用的基礎上,采用統(tǒng)計和回歸分析的方法定量分析石炭系斷裂強度,通過全區(qū)斷裂信息維到裂縫信息維的轉換,最終實現(xiàn)對車排子地區(qū)石炭系斷層共生裂縫發(fā)育程度的精細刻畫和定量表征。

擠壓逆沖構造; 斷裂級別; 裂縫密度; 定量表征; 車排子地區(qū)

中國中西部地區(qū)造山褶皺帶前緣發(fā)育了一系列不同類型的逆沖斷裂構造帶,近年來,國內外學者對逆沖斷裂帶的勘探研究取得了豐碩的成果和認識[1-4]。準噶爾盆地西北緣是一個多期不同性質斷裂疊加的逆沖斷裂帶,它的形成主要經(jīng)歷了海西中期的強烈擠壓、海西晚期的大規(guī)模推覆及印支運動期的扭動變形3個演化階段[5-6],最終形成一個斷層及裂縫發(fā)育的擠壓逆沖構造區(qū)。車排子地區(qū)位于準噶爾盆地西北緣,區(qū)域構造上屬于準噶爾類前陸盆地斜坡帶,其東部以紅車斷裂帶為界與中拐凸起及昌吉凹陷相接,南面為南緣沖斷帶的四棵樹凹陷,西北伸入扎伊爾山山前,北與克百斷褶帶相接(圖1(a)),平面形態(tài)呈三角形,主體走向為北西-南東向[7-8]。據(jù)鉆井資料揭示,研究區(qū)大部分地區(qū)缺失二疊系、三疊系和侏羅系,白堊系、古近系或新近系直接超覆于石炭系基底之上,石炭系巖性以火山熔巖和火山碎屑巖為主?？碧介_發(fā)實踐表明,車排子地區(qū)石炭系火山巖儲集層雖然具有巖石致密、物性條件差的特點,但仍富集大量的油氣,油氣儲量主要受斷層及裂縫的發(fā)育程度所控制[9-10],這與逆沖斷裂帶的發(fā)育緊密相關。因此,對斷層共生裂縫的定量描述及預測成為下一步火山巖油氣藏高效開發(fā)的關鍵。國內外學者對于斷層及相關裂縫的定量表征方法方面已有部分研究成果,主要包括斷層距離法[11-13]、斷面率法[14-15]、物理實驗模擬法[16-17]、分形分維法[18-20]和斷面脫空法[21-22]等。但對于擠壓逆沖構造區(qū),不同規(guī)模斷層之間差異性大、對裂縫發(fā)育的控制作用也不同?；诖?筆者以車排子地區(qū)石炭系火山巖為解剖對象,對斷層系統(tǒng)進行分類,明確不同級別斷層對裂縫發(fā)育的控制范圍,通過全區(qū)斷裂信息維到裂縫信息維的轉換,建立斷層共生裂縫密度計算模型,實現(xiàn)斷層共生裂縫發(fā)育程度的定量化評價與預測。

1 地質概況

車排子地區(qū)石炭系火山巖歷經(jīng)海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多期構造運動的影響和改造作用,內部被多條斷裂切割形成眾多的復雜斷塊。通過三維地震資料斷裂分析明確斷層級別及期次,通過巖心、薄片及成像測井資料對裂縫參數(shù)實現(xiàn)定量描述。

1.1 斷層分布特征

車排子地區(qū)位于準噶爾盆地西北緣沖斷帶前端,構造運動劇烈,斷裂十分發(fā)育。平面上,根據(jù)斷層走向可分為近SN、近EW、NW和NE 4個優(yōu)勢方向(圖1(b)),并且呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)性。剖面上,車排子推覆構造前緣帶以高角度逆沖斷裂為主,自西向東呈現(xiàn)階梯狀斷層組合,或與次級斷層之間呈“y”字型組合樣式(圖1(c))。

以三維地震資料斷裂解釋為基礎,根據(jù)斷裂規(guī)模(延伸長度、斷距、傾角等)、斷層切割層位及對構造演化的控制作用將石炭系斷層劃分為 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ級斷裂(表1)。其中,Ⅰ級斷裂主要與紅車斷裂帶近于平行近SN向展布,共發(fā)育3條,延伸長度大于10 km,使得車排子凸起行跡為自東向西抬起的斷階帶;Ⅱ級斷裂主要為NW向,共發(fā)育9條,延伸長度在5～8 km,控制著南北斷塊的展布方向;Ⅲ級斷裂主要為NE向,共發(fā)育33條,延伸長度小于5 km,數(shù)量眾多且走向多變,使研究區(qū)斷層進一步復雜化,形成良好的裂縫型儲集層。

表1 車排子地區(qū)石炭系斷裂分級

圖1 研究區(qū)構造位置及石炭系頂面斷裂分布Fig.1 Tectonic position of study area and fault distribution of top surface of Carboniferous

1.2 裂縫參數(shù)定量描述

根據(jù)取心井巖心觀察描述及成像測井解釋的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,研究區(qū)火山巖裂縫按地質成因和力學性質可分為成巖裂縫、張裂縫、構造剪切縫、風化裂縫和溶蝕裂縫等5種基本類型。其中,與逆斷層伴生的擴張裂縫和剪切縫是石炭系發(fā)育的主要裂縫類型,一般成組系出現(xiàn)且方向性明顯。

1.2.1 裂縫組系與產(chǎn)狀

統(tǒng)計表明,研究區(qū)裂縫走向集中分布于5個方位,分別為近NS向、NE向、NWW向、近EW向和NW向,裂縫優(yōu)勢發(fā)育方位以 5°和50°為主(圖2(a))。裂縫發(fā)育走向與其附近斷層具有密切的相關性,NS和NE向的裂縫主要發(fā)育在Ⅰ級斷裂附近,而NWW和NW向的裂縫主要發(fā)育在次級斷層附近,裂縫的優(yōu)勢方向與斷層走向基本一致。裂縫傾角分布范圍較大,但以高角度斜交縫(45°～75°)為主,占裂縫觀測總數(shù)的58.6%,其次是低角度斜交縫(15°～45°),占24.2%,水平縫和垂直縫發(fā)育較少(圖2(b))。

1.2.2 裂縫充填程度及形成期次

受多期擠壓構造運動的影響,車排子地區(qū)火山巖裂縫具有多期次發(fā)育、充填和后期改造的顯著特征。根據(jù)裂縫中礦物的充填程度,將研究區(qū)裂縫分為全充填(占46%)、半充填(占34%)、未充填(占20%)3類(圖2(c))。裂縫充填礦物以方解石、硅質、石膏、綠泥石為主,局部可見黃鐵礦等自生礦物。未充填和半充填裂縫對儲層的儲集和滲透能力有著良好的改造作用,為有效裂縫。構造裂縫與斷層均為構造應力集中釋放的結果,裂縫的形成和發(fā)展與斷層之間存在密切關系。結合區(qū)域構造演化史分析,采用裂縫充填物碳氧穩(wěn)定同位素分析測試手段確定研究區(qū)火山巖裂縫形成期次有3期,分別對應海西運動中晚期、印支運動期和燕山運動早期(圖2(d))。

1.2.3 裂縫密度與張開度

裂縫密度是衡量裂縫發(fā)育程度的主要參數(shù),在定量討論構造裂縫發(fā)育程度時,通常采用裂縫線密度作為評價指標[23-24],不同井的裂縫線密度差異較為明顯,整體變化范圍為1～10條/m,平均5條/m(圖2(e)),反映了裂縫發(fā)育的非均質性。通常裂縫的開度是指在垂直裂縫面的方向上兩裂縫壁之間的相對位移距離,研究區(qū)裂縫開度主要分布在 0.05 ～0.1 mm,占51.7%,多屬于微裂縫(圖2(f))。裂縫發(fā)育密度、開度及延伸受控于斷層的分布和斷距,排664、排665、排61井位于Ⅰ級斷裂附近,裂縫密度約8條/m,開度大于1mm;排682、排674、排661、排662井位于Ⅲ級斷裂附近,裂縫密度僅為2～3條/m,開度多小于0.05 mm。因此,斷裂級別越高,附近裂縫發(fā)育密度和寬度越大,它們之間表現(xiàn)為較好的正相關關系,可為后續(xù)斷層共生裂縫的定量表征奠定基礎。

圖2 車排子地區(qū)石炭系不同裂縫參數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Statistical graphs of different fracture parameter of Carboniferous in Chepaizi area

2 不同級別斷層對裂縫發(fā)育的控制作用

在對研究區(qū)不同規(guī)模斷層分級的基礎上,根據(jù)成像測井資料統(tǒng)計裂縫線密度,建立各井點的裂縫密度參數(shù)與距斷層的距離之間的擬合關系,根據(jù)所擬合出的關系圖,裂縫密度與距斷層距離之間相關性明顯,主要表現(xiàn)為:隨著與斷層距離的增加,斷層共生裂縫發(fā)育的密度呈冪函數(shù)遞減分布;斷層級別越大,隨斷層距離的增大其附近裂縫發(fā)育密度遞減率越慢。給出不同級別斷層共生裂縫密度分布函數(shù)。

Ⅰ級斷層:y=10.329x-0.654,r=0.87.

(1)

Ⅱ級斷層:y=4.805x-0.502,r=0.90.

(2)

Ⅲ級斷層:y=1.982x-0.904,r=0.91.

(3)

式中,y為裂縫發(fā)育密度,條/m;x為距斷層的距離,km;r為相關性系數(shù)。

在斷層共生裂縫分布函數(shù)上存在裂縫密度驟降的臨界點,在臨界點以內,裂縫密度驟減為“斷層控制裂縫發(fā)育帶”,而在臨界距離以外,裂縫密度緩慢減小為“區(qū)域控制裂縫發(fā)育帶”。根據(jù)研究區(qū)3類級別斷層對裂縫控制距離的對比,Ⅰ級斷層對附近裂縫控制影響距離C=5.5 km,該帶裂縫發(fā)育密度高達10條/m;Ⅱ級斷層對附近裂縫控制影響距離C=3.0 km,該帶裂縫發(fā)育密度為7條/m;Ⅲ級斷層對附近裂縫控制影響距離C=0.9 km,該帶裂縫發(fā)育密度為5條/m,而區(qū)域控制裂縫發(fā)育帶的裂縫密度普遍小于3條/m(圖3)。由斷層共生裂縫發(fā)育模式圖可以看出,裂縫的發(fā)育具有明顯的分帶性,一方面由于逆沖斷層上盤變形程度比下盤大,使得上盤裂縫發(fā)育程度更高;另一方面隨著斷距和斷層破碎帶寬度的增大,斷控裂縫發(fā)育帶的寬度和密度均增大。

3 裂縫發(fā)育程度定量預測

隨著油氣田勘探和開發(fā)的不斷深入,斷層共生裂縫的定量描述變得尤為重要,迫切需要一種新的且有效的方法對構造裂縫進行定量化描述和預測?；?類不同級別斷層對構造裂縫發(fā)育的控制作用,本文中提出利用斷裂強度分析定量表征裂縫發(fā)育程度的方法。

圖3 不同級別斷層控制下的裂縫密度分布函數(shù)及發(fā)育模式Fig.3 Density function and fracture development model for different grades of fault-controlled fracture

3.1 斷裂強度分析

斷層和裂縫都是巖石破裂的結果,具有自相似的分形結構,只是尺度上存在差異[25],這是通過斷裂強度分析預測裂縫的理論依據(jù)。在車排子地區(qū)石炭系頂面構造圖數(shù)字化的基礎上,根據(jù)斷層分布特征,將石炭系斷層系統(tǒng)劃分為74個邊長為2 km的正方形網(wǎng)格(圖4(a))。每個網(wǎng)格作為一個計算單元,斷裂強度的計算公式如下:

Q=L1C1+L2C2+L3C3.

(4)

式中,Q為斷裂強度;L1為網(wǎng)格內Ⅰ級斷層的總長度,km;C1為Ⅰ級斷層對裂縫的控制距離,km;L2為網(wǎng)格內Ⅱ級斷層的總長度,km;C2為Ⅱ級斷層對裂縫的控制距離,km;L3為網(wǎng)格內Ⅲ級斷層的總長度,km;C3為Ⅲ級斷層對裂縫的控制距離,km。

圖4 斷裂強度分析Fig.4 Analysis of fault strength

在求取各單元網(wǎng)格內斷裂強度后,通過克里金插值法即可得到不同井點的斷裂強度值。以成像測井解釋出的裂縫發(fā)育密度刻度各井點的斷裂強度值,從相關性分析圖上可以看出(圖4(b)),車排子地區(qū)構造裂縫發(fā)育程度與斷裂強度具有良好的指數(shù)擬合關系,相關系數(shù)達0.91。斷裂強度分析克服了簡單分形方法在表征裂縫分布方面的不足,突出了不同級別斷層對裂縫發(fā)育的控制作用,因此可實現(xiàn)利用斷裂強度定量化分析預測裂縫有利發(fā)育區(qū)的目的。

3.2 裂縫有利發(fā)育區(qū)預測

利用斷層共生裂縫密度擬合公式即可實現(xiàn)全區(qū)斷裂信息維到裂縫信息維的轉換,并制作了車排子地區(qū)石炭系構造裂縫密度等值線圖(圖5),可定量預測裂縫的平面分布。從圖5中可以看出,斷層的展布方位和規(guī)?？刂浦芽p的發(fā)育及分布規(guī)律。平面上,裂縫主要沿Ⅰ級和Ⅱ級斷層的走向呈條帶狀或斑狀分布,但單條斷層附近沒有連續(xù)的裂縫發(fā)育區(qū),裂縫發(fā)育受斷層之間組合方式的控制,具體表現(xiàn)為:在不同級別斷層的交匯處(排673井、排665和排682井)、斷層走向轉彎處(排60井)以及斷層端部(排668井和排612井南),均為裂縫密度高值區(qū),可達8～12條/m,這是由于在這些部位附近構造活動強烈,地應力集中分布產(chǎn)生的結果。而在Ⅲ級斷層附近或距離斷層較遠的排671井、排661井、排662井和排674井一帶,為裂縫密度低值區(qū),小于4條/m。

圖5 車排子地區(qū)石炭系裂縫發(fā)育密度平面預測Fig.5 Plane prediction charts of fracture density of Carboniferous in Chepaizi area

一般利用相對誤差來反映裂縫預測的準確程度。通過對比巖心及成像測井所觀測到的裂縫密度與預測得到的裂縫密度(表2)發(fā)現(xiàn),其中85%的井相對誤差控制在25%以內,整體上符合良好,但車13井、排671井和排683井相對誤差較大,可能是由于局部構造應力作用的影響。

結合試油試采資料分析認為,已有的試油井分布與裂縫的分布密切相關。如位于裂縫較發(fā)育區(qū)的排673井、排665井、排66井和排61井的產(chǎn)油量高,日產(chǎn)油分別為34.39、36.28、18.71和11.9 t;位于裂縫不發(fā)育區(qū)的排662井、排661井和排674井的日產(chǎn)油量分別為2.08、1.67和2.48 t。但也發(fā)現(xiàn),位于裂縫發(fā)育區(qū)的排664井僅為油花顯示,是由于其裂縫大部分被方解石、石英等礦物充填所致。因此,該裂縫定量表征方法及預測結果較可靠,可為進一步油氣勘探開發(fā)提供參考。

表2 車排子地區(qū)石炭系裂縫預測相對誤差分析及試油成果Table 2 Error analysis of fracture prediction and well testing results of Carboniferous in Chepaizi area

4 結 論

(1)車排子地區(qū)石炭系斷層走向可分為近SN、近EW、NW和NE 4個優(yōu)勢方向,斷層級別可劃分為Ⅰ～Ⅲ級。Ⅰ級斷裂延伸長度大于10 km,Ⅱ級斷裂延伸長度在5～8 km,Ⅲ級斷裂延伸長度小于5 km。

(2)研究區(qū)裂縫走向集中分布于近NS向、NE向、NWW向、近EW向和NW向5個方位,與斷層走向基本一致。裂縫類型以高角度剪切縫為主,充填程度較高。裂縫發(fā)育密度、開度及延伸受控于斷層的分布和斷距,斷裂級別越高,裂縫發(fā)育密度越大。

(3)不同級別斷層對裂縫發(fā)育的控制作用也不同,斷層級別越大,隨斷層距離的增大其附近裂縫發(fā)育密度遞減率越慢,裂縫的發(fā)育具有明顯的分帶性,Ⅰ級斷層對附近裂縫控制影響距離為5.5 km,Ⅱ級斷層對附近裂縫控制影響距離為3.0 km,Ⅲ級斷層對附近裂縫控制影響距離為0.9 km。

(4)斷裂強度的定量化分析實現(xiàn)了全區(qū)斷裂信息維到裂縫信息維的轉換,可定量預測裂縫的平面分布。裂縫主要沿Ⅰ級和Ⅱ級斷層的走向呈條帶狀或斑狀分布,在不同級別斷層的交匯處、斷層走向轉彎處以及斷層端部,均為裂縫密度高值區(qū)。

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(編輯 修榮榮)

Quantitativecharacterizationofdevelopmentdegreeoffault-relatedfractureincompressionalthruststructureblockoftheCarboniferousinChepaiziarea

YANG Shaochun1,2, NIU Hairui1,3, SONG Mingshui4, ZHAO Yongfu1,4, WANG Yong1,4

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.LaboratoryforMarineMineralResources,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266071,China;3.SINOPECStarShandongNewEnergyCoompanyLimited,Dongying257000,China;4.ManagementCenterofOilandGasExploration,SINOPECShengliOilfield,Dongying257017,China)

Under the multi-phase compressional thrust structure setting in Chepaizi area, Junggar Basin, a large amount of fractures associated with local fault systems were formed within the Carboniferous volcanic rock. Using a comprehensive analysis of core, thin sections, image logs and seismic profiles data, a quantitative characterization and prediction of fault-related fracture development in Carboniferous of Chepaizi area was performed. The results show that the high angle shearing fractures and tensional fractures are the main types in Carboniferous.The fracture parameters, such as direction, dip angle, density, and opening width are closely correlated with the fault. Based on the derived fault-control fracture density function, the fault grades of the study area can be divided intoⅠ, II, andⅢ,with the effective control distancesas 5.5, 3.0 and 0.9 km,respectively. A quantitative analysis of fault strength was also conducted, mainly using statistical and analytic methods to transform the regional fault information into the fracture information, resulting in a detailed description and a quantitative characterization of fault-related fracture development in the Carboniferous of Chepaizi area.

compressional thrust structure; fault grade; fracture density; quantitative characterization; Chepaizi area

2016-10-08

國家科技重大專項(2017ZX05009001)

楊少春(1962-),男,教授,博士,研究方向為油氣地質及油藏描述。E-mail:scyang@upc.edu.cn。

牛海瑞(1991-),男,碩士研究生,研究方向為火山巖儲層裂縫表征及預測。E-mail: niuhairui123@163.com。

1673-5005(2017)05-0001-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.001

TE 122.2

A

楊少春,牛海瑞,宋明水,等. 車排子地區(qū)石炭系擠壓逆沖構造區(qū)斷層共生裂縫發(fā)育程度定量表征 [J].中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(5):1-8.

YANG Shaochun, NIU Hairui, SONG Mingshui, et al. Quantitative characterization of development degree of fault-related fracture in compressional thrust structure block of the Carboniferous in Chepaizi area[J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):1-8.