林會(huì)喜，王圣柱，張奎華，吳倩倩，薛 雁

(中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257015)

0 引 言

斷層是油氣運(yùn)移的重要通道，斷層附近出露的油苗和伴生裂縫充填的脈體是地層流體沿?cái)嗔堰\(yùn)移的直接證據(jù)。油氣勘探證實(shí)，70%以上的油氣藏與斷層有關(guān)[1]。斷層是一個(gè)具有一定寬度的三維地質(zhì)體，表現(xiàn)出強(qiáng)非均質(zhì)性[2-7]。斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)刻畫(huà)對(duì)于分析斷層在油氣成藏過(guò)程中的作用具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)碎屑巖和碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)的斷裂開(kāi)展了大量研究，在斷裂帶結(jié)構(gòu)及其輸導(dǎo)機(jī)制方面取得了豐碩的研究成果[2-15]。準(zhǔn)噶爾盆地哈拉阿拉特山(下文簡(jiǎn)稱(chēng)哈山)構(gòu)造帶為一大型的逆沖推覆構(gòu)造，經(jīng)歷海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造[16-17]，斷裂發(fā)育。以“斷—毯”和“斷—縫”輸導(dǎo)成藏模式為指導(dǎo)[18-19]，在超剝帶、推覆帶和沖斷帶發(fā)現(xiàn)了多個(gè)出油點(diǎn)，但油氣分布非均質(zhì)性強(qiáng)，富集規(guī)律不清楚。為此開(kāi)展哈山構(gòu)造帶火山巖區(qū)斷裂輸導(dǎo)能力量化研究，揭示斷裂帶非均質(zhì)性對(duì)油氣差異運(yùn)聚的控制作用，以實(shí)現(xiàn)研究區(qū)油氣高效勘探。

1 地質(zhì)概況

哈山構(gòu)造帶位于準(zhǔn)噶爾盆地北緣，處于哈山與盆地的結(jié)合部位，南部緊鄰瑪湖凹陷，勘探面積逾1 000 km2。哈山構(gòu)造帶發(fā)育超剝系統(tǒng)、沖斷系統(tǒng)、外來(lái)推覆系統(tǒng)和準(zhǔn)原地系統(tǒng)4個(gè)地質(zhì)單元，具有 “垂向分層，平面分帶、東西分段”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[16-19]。剖面上分為2套構(gòu)造層，下構(gòu)造層包括沖斷系統(tǒng)、外來(lái)推覆系統(tǒng)和準(zhǔn)原地系統(tǒng)，主要充填石炭系和二疊系火山巖，以發(fā)育推覆-沖斷構(gòu)造為特征；上構(gòu)造層指超覆于推覆-沖斷系統(tǒng)之上的超剝系統(tǒng)，包括三疊系及其以上地層，表現(xiàn)為“底超頂削”的斜坡。平面上自北向南分為走滑改造帶、推覆-沖斷帶、逆沖褶皺帶和南部斜坡帶。黃羊泉、風(fēng)城和紅旗壩構(gòu)造調(diào)節(jié)帶將研究區(qū)自西向東分割為百口泉推覆區(qū)、烏爾禾推覆區(qū)、夏子街沖斷區(qū)和紅旗壩斷褶區(qū)等構(gòu)造單元(圖1)。

2 斷裂帶結(jié)構(gòu)特征

2.1 斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)解剖是斷裂輸導(dǎo)研究的基礎(chǔ)。哈山地區(qū)地表出露的大量斷層為斷裂帶結(jié)構(gòu)研究創(chuàng)造了條件。露頭、巖心、薄片、掃描電鏡等斷裂帶結(jié)構(gòu)特征分析表明，研究區(qū)斷裂帶具有明顯的分層性，可劃分為斷層核、破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶結(jié)構(gòu)單元。斷層核是巖石經(jīng)歷碎裂巖化、片理巖化或糜棱巖化，同時(shí)伴有蠕變、壓溶或重結(jié)晶作用形成的有黏結(jié)力的致密斷層巖組合體[20]，是斷層發(fā)生剪切滑動(dòng)的主要部位；破碎帶指在斷層滑動(dòng)過(guò)程中兩側(cè)的巖石擠壓破碎而形成的無(wú)黏結(jié)力的斷層角礫巖和碎裂巖帶[5-7，21]；誘導(dǎo)裂縫帶即破裂帶，指在斷層形成過(guò)程中，在破碎帶外側(cè)產(chǎn)生的伴生構(gòu)造裂縫的區(qū)域，保留了母巖的基本面貌[5-7]。

圖1 哈山構(gòu)造帶構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨皵嗔演攲?dǎo)性評(píng)價(jià)

2.2 斷裂帶結(jié)構(gòu)層幾何模型

斷裂帶結(jié)構(gòu)觀察、構(gòu)造變形物理及數(shù)值模擬表明，斷層發(fā)育區(qū)巖石力學(xué)性質(zhì)不同，斷裂帶結(jié)構(gòu)發(fā)育模式也不同?；鹕綆r區(qū)的斷裂變形符合里德?tīng)柤羟性韀20]，經(jīng)歷破裂、碎裂和碎裂流作用[6]，由“二維”斷層面向“三維”結(jié)構(gòu)體演化。當(dāng)巖石所受構(gòu)造應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)，巖石內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力遭到破壞，發(fā)生破裂，形成微裂縫；在應(yīng)力持續(xù)作用下微裂縫逐漸增多，延伸發(fā)展并聯(lián)合形成斷層滑動(dòng)面，此時(shí)兩側(cè)的巖石發(fā)生明顯的位移；在兩側(cè)巖石滑移過(guò)程中裂縫將巖石切割，形成無(wú)黏結(jié)力的破碎巖帶；進(jìn)一步擠壓研磨，巖石發(fā)生碎裂流、壓溶或重結(jié)晶作用，形成有黏結(jié)力的斷層核。

基于大量露頭與(成像)測(cè)井資料，對(duì)斷裂帶結(jié)構(gòu)層測(cè)量統(tǒng)計(jì)，建立了斷距與斷裂帶、誘導(dǎo)裂縫帶、碎裂帶和斷層核寬度的幾何關(guān)系模型(圖2)。

圖2 哈山構(gòu)造帶斷裂帶結(jié)構(gòu)層寬度(w)

當(dāng)斷距為毫米至厘米級(jí)時(shí)，斷層表現(xiàn)為不連續(xù)的微裂縫和斷面擦痕，碎裂帶不發(fā)育，誘導(dǎo)裂縫帶寬度僅為數(shù)厘米；當(dāng)斷距小于1 m時(shí)，斷層核寬度為厘米級(jí)，碎裂帶和誘導(dǎo)裂縫帶寬度達(dá)數(shù)米；當(dāng)斷距為米級(jí)時(shí)，斷裂帶以發(fā)育不連續(xù)斷層核為特征；當(dāng)斷距為幾米至數(shù)十米時(shí)，形成連續(xù)斷層核，斷層核和碎裂帶寬度分別為數(shù)十厘米或數(shù)米，誘導(dǎo)裂縫帶寬度為數(shù)十米，甚至上百米；當(dāng)斷距為數(shù)十米至數(shù)百米時(shí)，斷裂帶由斷層核、碎裂帶和誘導(dǎo)裂縫帶組成，破碎帶和誘導(dǎo)裂縫帶的寬度可達(dá)數(shù)百米至上千米。

3 斷裂帶輸導(dǎo)量化評(píng)價(jià)

3.1 斷裂帶滲透率-有效應(yīng)力關(guān)系模型

斷裂帶地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型將傳統(tǒng)的斷層面作為三維結(jié)構(gòu)體。誘導(dǎo)裂縫帶和無(wú)黏結(jié)力的碎裂帶為脆性破裂，可形成復(fù)雜的裂隙網(wǎng)，具有較好的孔滲性；有黏結(jié)力的斷層核發(fā)生強(qiáng)烈的顆粒細(xì)?；⒚永鈳r化，表現(xiàn)為脆塑性碎裂和特低孔特低滲特征。斷裂帶結(jié)構(gòu)層滲透性是斷層輸導(dǎo)的關(guān)鍵，斷層所受有效應(yīng)力是斷裂帶滲透率的重要影響因素，有效應(yīng)力為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、上覆地層壓力和地層流體壓力三者的綜合效應(yīng)。斷裂輸導(dǎo)能力量化評(píng)價(jià)的核心是建立斷裂帶滲透率-有效應(yīng)力模型。研究中考慮到斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性，分結(jié)構(gòu)層進(jìn)行其輸導(dǎo)性評(píng)價(jià)。通過(guò)露頭和巖心斷裂帶結(jié)構(gòu)層樣品覆壓物性測(cè)試，結(jié)合常規(guī)測(cè)井和核磁測(cè)井物性解釋成果，建立了誘導(dǎo)裂縫帶與碎裂帶滲透率-有效應(yīng)力關(guān)系模型(圖3)，滲透率與有效應(yīng)力兩者呈冪函數(shù)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)斷裂帶各結(jié)構(gòu)層幾何模型賦予其對(duì)應(yīng)的滲透率權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建了斷裂帶滲透性評(píng)價(jià)模型。

圖3 哈山構(gòu)造帶斷裂帶滲透率與有效應(yīng)力關(guān)系

(1)

σ1=10-3(ρ巖-ρw)gh

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

KFC=CifzKifz+CsdzKsdz

(7)

式中：σeff為斷裂帶所受有效應(yīng)力，MPa；Kifz為上下盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶滲透率，10-3μm2；Ksdz為破碎帶滲透率，10-3μm2；σ1為自重應(yīng)力和流體壓力差值(垂向應(yīng)力)，MPa；σ2、σ3分別為最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力，MPa；α為斷層走向與最大水平主應(yīng)力之間夾角，°；φ為斷層傾角，°；h為斷層埋深，m；ρ巖為上覆地層平均密度，g/cm3；ρw為地層水平均密度，g/cm3；g為重力加速度，m/s2；KFC為斷裂帶滲透率評(píng)價(jià)指數(shù)，即誘導(dǎo)裂縫帶和碎裂帶加權(quán)滲透率，10-3μm2；Kifz為上下盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶滲透率，10-3μm2；Ksdz為碎裂帶滲透率，10-3μm2；Cifz為誘導(dǎo)裂縫帶權(quán)重系數(shù)；Csdz為碎裂帶權(quán)重系數(shù)；L為斷層斷距，m；Wifz為斷層上下盤(pán)誘導(dǎo)裂縫帶寬度之和，m；Wsdz為碎裂帶寬度，m；a、b、a′、b′、c、c′、d、d′為擬合系數(shù)。

3.2 斷裂帶輸導(dǎo)能力校正因子模型

斷裂帶具有明顯的“四維”屬性特征，即橫向上的不對(duì)稱(chēng)性、垂向上的分層性、走向上的分段性及時(shí)間演化階段性[7]。綜合斷層不同部位的巖性組合、與烴源灶的位置關(guān)系及其所處地層流體環(huán)境等差異，提出巖性校正因子、活動(dòng)性校正因子和運(yùn)移動(dòng)力校正因子，進(jìn)行其輸導(dǎo)能力校正。

3.2.1 斷裂帶巖性校正因子

斷層不同部位的巖性組合及不同巖性巖石力學(xué)性質(zhì)對(duì)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)育具有重要影響[12-13]。根據(jù)不同巖性巖石的造縫能力和目的層兩盤(pán)不同巖性的相對(duì)含量，賦予相應(yīng)的巖性校正因子數(shù)值，該數(shù)值大小反映該巖性段斷裂帶結(jié)構(gòu)的相對(duì)發(fā)育程度高低：

(8)

式中：Flith為斷裂帶滲透性巖性校正因子；Wk為斷層兩盤(pán)第k種巖性權(quán)重系數(shù)；Qk為斷層兩盤(pán)第k種巖性相對(duì)含量，%；q為斷層兩盤(pán)巖石巖性種類(lèi)。

3.2.2 斷裂帶活動(dòng)性校正因子

一般而言，在烴源巖生排烴期內(nèi)斷層活動(dòng)次數(shù)越多，斷裂帶寬度越寬，其輸導(dǎo)能力也越強(qiáng)，斷裂帶輸導(dǎo)能力與其地質(zhì)歷史時(shí)期活動(dòng)期次具有正相關(guān)關(guān)系。因此，需引入斷層活動(dòng)性校正因子進(jìn)行斷層活動(dòng)性對(duì)其輸導(dǎo)能力的影響校正。

(9)

式中：Fnum為斷層活動(dòng)性校正因子；Nt為地質(zhì)時(shí)期斷層活動(dòng)次數(shù)；Neff為烴源巖主生烴期內(nèi)斷層活動(dòng)次數(shù)。

3.2.3 斷裂帶運(yùn)移動(dòng)力校正因子

油氣沿?cái)嗔堰\(yùn)移除受斷裂帶結(jié)構(gòu)因素控制外，還受斷層與有效烴源巖的空間配置形式和所處地層流體環(huán)境(異常壓力區(qū)和正常壓力區(qū))等因素的控制，斷裂的輸導(dǎo)能力大小與其距離有效烴源巖的距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與地層流體動(dòng)力高低呈正相關(guān)關(guān)系。地層流體為常壓時(shí)，浮力為主要的油氣運(yùn)移動(dòng)力，其值隨斷層產(chǎn)狀、油氣與水的密度差值變化而變化。

Fdy=C浮CpCf

(10)

C浮=g(ρw-ρh)sinφ

(11)

(12)

(13)

式中：Fdy為斷裂帶油氣充注動(dòng)力校正因子；C浮為油氣運(yùn)移動(dòng)力浮力系數(shù)；Cf為有效烴源巖供烴能力系數(shù)；Cp為地層流體壓力系數(shù)；p地為實(shí)測(cè)地層流體壓力，MPa；ρh為烴類(lèi)流體密度，g/cm3；D為斷層距離有效烴源巖的距離，km；int(D+1)為取整函數(shù)。

3.3 斷裂帶分單元輸導(dǎo)量化評(píng)價(jià)

平面上，斷層具有一定的延伸長(zhǎng)度，其走向往往發(fā)生一定的變化，在不同部位所受區(qū)域應(yīng)力存在一定差異；剖面上，斷層傾角一般會(huì)發(fā)生一定的改變，因此，不同層段所受上覆地層的壓力也不同。根據(jù)斷層的空間展布形態(tài)差異，分單元進(jìn)行輸導(dǎo)性評(píng)價(jià)。依研究需要將斷層劃分出m×n個(gè)輸導(dǎo)評(píng)價(jià)單元，即將斷層在平面上劃分為m段，剖面上劃分為n層：

(CellFC)ij=(Fnum)ij×(Fdy)ij×(Flith)ij×(KFc)ij，i=1，2，3…m，j=1，2，3，…，n

(14)

式中：CellFC為斷裂帶輸導(dǎo)單元輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)；Flith為斷裂帶輸導(dǎo)單元斷層巖性因子；Fnum為斷裂帶輸導(dǎo)單元斷層活動(dòng)性因子；Fdy為斷裂帶輸導(dǎo)單元油氣充注動(dòng)力因子；Kfc為斷裂帶輸導(dǎo)單元滲透性評(píng)價(jià)指數(shù)；m為平面上斷層的分段數(shù)；n為剖面上斷層的分層數(shù)。

4 實(shí)例分析

利用上述方法對(duì)哈山構(gòu)造帶主要斷層的輸導(dǎo)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究表明，斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)主要分布在0.10～130.00，不同斷層或同一斷層不同部位的輸導(dǎo)能力存在明顯差異，具有分層、分段、分塊的特點(diǎn)(圖1、表1)。為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究區(qū)的斷層輸導(dǎo)性，根據(jù)20余條斷層上下盤(pán)的油氣水空間分布關(guān)系對(duì)其啟閉性進(jìn)行判識(shí)，將斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)門(mén)限值定為2.50，CellFC≥2.50表示斷層的輸導(dǎo)性較好，且數(shù)值越大，輸導(dǎo)能力越強(qiáng)，CellFC<2.50表示斷層的輸導(dǎo)能力較差，可以有效遮擋油氣。

表1 哈山構(gòu)造帶F6斷層分單元輸導(dǎo)能力量化評(píng)價(jià)

斷裂帶結(jié)構(gòu)輸導(dǎo)非均質(zhì)性控制了哈山構(gòu)造帶油氣差異運(yùn)聚成藏。一般而言，淺部與中—高角度斷裂溝通，且具有良好蓋層的圈閉和深部低角度斷裂下盤(pán)的圈閉是油氣的有利聚集部位。哈山構(gòu)造抬升剝蝕造成地層壓力的釋放和應(yīng)力松弛，推覆體Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ以發(fā)育中—高角度無(wú)黏結(jié)力的斷裂帶為特征，表現(xiàn)為一定的“膨脹”性，F(xiàn)3、F6等斷層的誘導(dǎo)裂縫帶和破碎帶具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)性，遮擋能力較弱，致使淺部的推覆體整體連片含油[18]，哈淺3、哈淺6、哈深201等井的油氣顯示跨度在1 000 m以上；但在泥巖集中發(fā)育部位，由于泥巖的涂抹作用，斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)為1.85～2.47，仍具有較強(qiáng)的封堵能力，哈淺6井風(fēng)城組油藏是F4-1斷裂遮擋的產(chǎn)物，哈深斜1井佳木河組油藏是F3斷裂側(cè)向遮擋的產(chǎn)物(圖4)。推覆體Ⅰ、Ⅳ和準(zhǔn)原地系統(tǒng)的斷層埋藏較深，在高溫、高壓條件下斷裂帶內(nèi)部成巖膠結(jié)作用強(qiáng)烈，以發(fā)育中—低角度有黏結(jié)力的斷裂帶為特征，表現(xiàn)為較強(qiáng)的封堵性。如哈深2井鉆井揭示的F6斷層埋深達(dá)4 600 m，在有效應(yīng)力和再成巖作用下斷裂帶嚴(yán)重致密化，4 540～4 650 m井段的斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)僅為0.06～0.31，顆粒定量熒光(QGF-E)值為9.8～10.1，F(xiàn)7斷裂2 350～2 460 m井段的斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)為4.72～52.14，QGF-E值為129.9～195.7，兩者形成鮮明對(duì)比。F7斷裂具有較強(qiáng)的輸導(dǎo)能力，是哈深2井佳木河組油藏的重要輸導(dǎo)通道；F6斷裂深部喪失輸導(dǎo)能力是哈深2和哈深201井3 600 m以下未見(jiàn)油氣顯示的重要原因。

圖4 哈山構(gòu)造帶斷裂帶油氣差異運(yùn)聚模式

5 結(jié) 論

(1) 哈山構(gòu)造帶火山巖區(qū)斷層經(jīng)歷破裂、碎裂和碎裂流作用，由二維斷層面逐漸演變?yōu)槿S地質(zhì)體，具有強(qiáng)非均質(zhì)性，呈現(xiàn)橫向上的不對(duì)稱(chēng)性、垂向上的分層性和走向上的分段性。

(2) 基于斷裂帶結(jié)構(gòu)幾何模型與滲透率-有效應(yīng)力關(guān)系模型，綜合斷層不同部位巖性、充注動(dòng)力環(huán)境等，構(gòu)建了斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)模型，厘定斷裂帶輸導(dǎo)能力評(píng)價(jià)指數(shù)門(mén)限值為2.50，實(shí)現(xiàn)了斷裂帶分單元輸導(dǎo)能力量化評(píng)價(jià)，揭示了哈山構(gòu)造帶油氣差異運(yùn)聚機(jī)制。