李 鑫金 利沈忠山孫 丹

(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠,黑龍江 大慶 163511)

1 X 油田斷裂系統(tǒng)概況

X油田斷裂系統(tǒng)復(fù)雜,井震結(jié)合研究之后共識(shí)別大小斷層249 條,斷層密度1.3 條/k m2,區(qū)內(nèi)NW,NWW,NE和SN 這4種走向斷層共存,并且呈條帶狀分布,證明每一種走向的斷層是相同應(yīng)力環(huán)境下相同期次構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)物,4種走向的斷層也代表4個(gè)構(gòu)造活動(dòng)期次,但目前各種走向斷層的演化順序尚不明確。圖1所示為X 油田斷層平面示意圖。由于各種走向斷層在區(qū)內(nèi)縱橫交錯(cuò)發(fā)育,局部斷層分布密集,導(dǎo)致斷層在地震資料上的特征模糊或者混亂,增加了對(duì)斷層空間展布形態(tài)、搭接關(guān)系及大斷層邊部低序級(jí)斷層識(shí)別與精細(xì)刻畫的難度。為進(jìn)一步提高斷層的刻畫精度,有必要深入研究斷裂系統(tǒng)的演化過程,理順不同走向斷層間的分段生長(zhǎng)關(guān)系,將復(fù)雜大斷層化整為零,剖析其內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)而指導(dǎo)對(duì)復(fù)雜大斷層演化過程中形成的低序級(jí)斷層的精細(xì)刻畫。

圖1 X油田斷層平面示意圖Fig.1 Fault plan of X Oilfield

2 各走向斷層演化順序研究

根據(jù)斷層的成因機(jī)制、區(qū)域性斷層要素分析、斷層斷距分析及不同走向斷層切割關(guān)系研究等手段,判斷各走向斷層演化的先后順序。

2.1 近南北向斷層演化次序研究

將X油田及周邊區(qū)域的斷層按T2頂面的位置繪制斷層平面圖,并將不同走向的斷裂密集帶分顏色填充,形成T2層斷裂系統(tǒng)分布特征圖,如圖2所示。統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)垣構(gòu)造和兩側(cè)坳陷斷層走向,繪制不同構(gòu)造帶斷層走向玫瑰圖,如圖3所示。綜合分析圖2和圖3,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)垣兩側(cè)坳陷斷層走向主體為近NS向,局部為NNW 向;而長(zhǎng)垣構(gòu)造發(fā)育多種方位斷層,包括SN,NNW(近SN),NW,NWW 和NE 向斷層。上述現(xiàn)象說明,NW,NWW 和NE這3種走向斷層僅在經(jīng)歷了構(gòu)造反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)垣背斜帶大規(guī)模發(fā)育,而近SN 向斷層在反轉(zhuǎn)背斜和背斜之外的區(qū)域均有發(fā)育,證明NW,NWW 和NE這3種走向斷層形成于構(gòu)造反轉(zhuǎn)期,近SN 向斷層形成于坳陷期,為東西向應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。

圖2 長(zhǎng)垣T2層斷裂系統(tǒng)及背斜分布規(guī)律Fig.2 The T2 layer fault systemand anticline distribution of Changyuan

圖3 不同構(gòu)造帶斷層走向統(tǒng)計(jì)規(guī)律Fig.3 Statistical law of fault strikein different structural belts

由上述分析得出,X油田各走向斷層中,近SN向斷層為最早形成。

2.2 北東向斷層演化次序研究

將長(zhǎng)垣從北至南在地震資料上反映的褶皺幅度及褶皺對(duì)稱指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制成曲線,將每個(gè)二級(jí)構(gòu)造發(fā)育NEE向斷層數(shù)量與曲線一一對(duì)應(yīng),形成不同構(gòu)造帶變形強(qiáng)度與NEE向斷層發(fā)育關(guān)系,如圖4所示。從整個(gè)長(zhǎng)垣的角度來分析,NE向斷層僅發(fā)育在NNE向正反轉(zhuǎn)斷層發(fā)育區(qū),從統(tǒng)計(jì)不同構(gòu)造帶變形強(qiáng)度和NE向斷層發(fā)育關(guān)系來看,進(jìn)一步證實(shí)背斜反轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大,NE向斷層越發(fā)育,說明NE向斷層的形成受NNE向反轉(zhuǎn)背斜帶的影響。

圖4 不同構(gòu)造帶變形強(qiáng)度與NEE向斷層發(fā)育的關(guān)系Fig.4 The relationship bet ween the defor mation strength of different structural belts and the development of NEEtrending faults

為驗(yàn)證NE向斷層與NNE向反轉(zhuǎn)背斜帶的關(guān)系,設(shè)計(jì)了沙箱物理模擬實(shí)驗(yàn),如圖5所示。沙箱兩端擋板模擬構(gòu)造反轉(zhuǎn)期的擠壓應(yīng)力場(chǎng),底部設(shè)置膠皮模擬先存構(gòu)造控制反轉(zhuǎn)背斜走向。物理模擬的結(jié)果表明,在擠壓應(yīng)力作用下,形成了反轉(zhuǎn)背斜,背斜走向受先存構(gòu)造的控制,沿背斜發(fā)育一系列張性正斷層,反映出背斜形成過程中的伸展應(yīng)力環(huán)境。物理模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖6所示,在基地薄弱帶內(nèi)出現(xiàn)新生斷層,其走向與應(yīng)力方向正交,與長(zhǎng)垣構(gòu)造反轉(zhuǎn)期應(yīng)力環(huán)境、反轉(zhuǎn)背斜走向及NE向斷層走向的配置關(guān)系完全相符,證明NE向斷層的形成受控于NNE向反轉(zhuǎn)背斜帶,走向與擠壓應(yīng)力的方向正交。其形成原理是縱彎褶皺和擠壓雙重作用的結(jié)果,應(yīng)力分析及效果示意圖如圖7所示,在反轉(zhuǎn)背斜形成的后期,地層頂部由于彎曲被拉伸,在背斜頂端形成剪裂斷層帶。

圖6 NE向斷層物理模擬驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 NE-direction fault physical simulation verification results

圖7 NE向斷層縱彎褶皺和擠壓雙重作用成因示意圖Fig.7 Schematic diagram of the cause of the dual effects of longitudinal bending folds and compression on NE-trending faults

上述論證表明,NE向斷層形成于構(gòu)造反轉(zhuǎn)的末期,在X油田各走向斷層中最晚形成。

2.3 北西和北西西向斷層演化次序研究

NW 和NWW 向斷層都是構(gòu)造反轉(zhuǎn)期的壓扭應(yīng)力場(chǎng)下形成,演化順序的區(qū)分較為困難,但仍可通過斷距分析的手段間接判斷。

根據(jù)斷層的演化規(guī)律,斷層在成核點(diǎn)處斷距最大,由成核點(diǎn)向四周斷距逐漸減小,直至斷距減小為零處斷層消亡。因此,可通過對(duì)斷層做斷距分析,判斷斷層的成核點(diǎn),進(jìn)而根據(jù)斷層成核部位推斷斷層演化的先后順序。

為有效分析斷距的垂向變化規(guī)律,以地震資料為基礎(chǔ),針對(duì)X油田NW 走向和NWW 走向的若干斷層,統(tǒng)計(jì)斷層由淺至深的斷距值,繪制了斷距-埋深曲線,如圖8和圖9所示。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間域的斷距值,縱坐標(biāo)為地震雙程旅行時(shí),斷距極大值指示了斷層的核部。

圖8 X油田F234斷層斷距-埋深曲線Fig.8 F234 fault-buried depth curve of X Oilfield

圖9 X油田不同走向斷層斷距-埋深曲線Fig.9 Fault distance-buried depth curves of different strikes in X Oilfield

從斷層埋深-斷距曲線可以看出,NWW 向斷層明顯表現(xiàn)為1期(T1)成核特點(diǎn),而NW 向斷層形成具有兩期(T1和T2)成核特點(diǎn),且形成時(shí)期明顯早于NWW 向斷層。

綜合上述論述,確定X油田4種走向斷層由早到晚的演化順序?yàn)榻黃N,NW,NWW,NE向。

3 各走向斷層分段生長(zhǎng)關(guān)系研究

斷層分段生長(zhǎng)的現(xiàn)象在X油田普遍存在,認(rèn)清各種走向斷層之間的分段生長(zhǎng)關(guān)系,對(duì)斷層形態(tài)的刻畫及低序級(jí)斷層的識(shí)別具有重要的指導(dǎo)意義。針對(duì)分段生長(zhǎng)斷層,可以依據(jù)斷層的地震標(biāo)準(zhǔn)層形態(tài)及分段生長(zhǎng)點(diǎn)處斷距減小的特性進(jìn)行判斷。

3.1 近南北向斷層分段生長(zhǎng)關(guān)系研究

近SN向斷層主要分布在X油田東南區(qū)域。圖10為X油田東南部T1地震反射層的等T0圖,其中藍(lán)色線標(biāo)識(shí)了近SN 走向斷層,紅色線指示了NWW走向斷層。從斷層的平面展布形態(tài)上看,所有的近SN向斷層均為分段生長(zhǎng)形成的復(fù)合斷層,走向上存在較大轉(zhuǎn)角,個(gè)別斷層的轉(zhuǎn)角接近90°。與近SN向斷層存在分段生長(zhǎng)關(guān)系的為NW 向和NWW 向斷層,NE向斷層由于分布范圍與近SN向斷層不重疊,不存在分段生長(zhǎng)關(guān)系。

圖10 SN向與NWW 向斷層分段生長(zhǎng)現(xiàn)象(T1等T0圖)Fig.10 Segmented growth phenomenon of faults in SNand NWWdirections(the T1 layer)

3.2 北東向斷層分段生長(zhǎng)關(guān)系研究

NE向斷層主要分布在X 油田西北區(qū)域。圖11所示為X 油田東北部T1地震反射層的等T0圖,從圖中斷層分布特征分析,其分段生長(zhǎng)特性表現(xiàn)在2個(gè)方面:

圖11 NE向、NW 向、NWW 向斷層分段生長(zhǎng)現(xiàn)象(T1等T0圖)Fig.11 Segmented growth phenomenon of faults in NE,NWand NWWdirections(the T1 layer)

一是NE 向斷層之間的分段生長(zhǎng),NE 向斷層普遍延伸長(zhǎng),斷距小,是斷層分段發(fā)育的典型特征,從地震標(biāo)準(zhǔn)層的形態(tài)上也可以觀察到分段發(fā)育的現(xiàn)象;

二是NE向斷層與NW,NWW 向斷層分段生長(zhǎng),3種走向斷層分布范圍重疊,在空間上搭接便會(huì)分段生長(zhǎng),尤其是NE向和NW 走向斷層之間易形成正交形態(tài)的分段生長(zhǎng)斷層。

3.3 北西、北西西向斷層分段生長(zhǎng)關(guān)系研究

NW 和NWW 兩種走向斷層在X 油田范圍內(nèi)廣泛分布,圖12為X 油田內(nèi)部典型的分段生長(zhǎng)斷層的T1地震反射層等T0圖。從圖12可以看出,NW 和NWW 兩種走向斷層在平面上交錯(cuò)搭接,形成了大量的分段生長(zhǎng)斷層,導(dǎo)致X油田發(fā)育大量的“Z”字形、“L”形斷層。各種走向斷層的分段生長(zhǎng)特性及關(guān)系證明,X油田斷層的穩(wěn)定性較差,晚期形成的斷層發(fā)育時(shí),早期形成的斷層再次復(fù)活,并與晚期斷層共同生長(zhǎng),現(xiàn)今斷層的發(fā)育形態(tài)是經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷層多次發(fā)育累加的結(jié)果。

圖12 NW 向、NWW 向斷層分段生長(zhǎng)現(xiàn)象(T1等T0圖)Fig.12 Segmented growth phenomenon of faults in NW and NWWdirections(the T1 layer)

4 斷層演化指導(dǎo)低序級(jí)斷層刻畫

由前文的論述可知,X油田斷裂系統(tǒng)演化的特征主要有分段生長(zhǎng)與多期演化,2種特征在指導(dǎo)低序級(jí)斷層刻畫方面有重要作用。

4.1 斷層分段生長(zhǎng)指導(dǎo)低序級(jí)斷層刻畫

圖13為利用沙箱在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬斷層分段生長(zhǎng)演化過程(Fossen,2010),實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了斷層分段生長(zhǎng)經(jīng)歷相互孤立、側(cè)列疊覆、軟連接和硬連接4個(gè)階段,硬連接后在斷層分段連接的部位,會(huì)生成一系列新生的斷層,與斷層主體關(guān)系密切,主要以斷層分支或者伴生小斷層的形式分布于大斷層邊部。

圖13 斷層分段生長(zhǎng)演化沙箱實(shí)驗(yàn)Fig.13 Sandbox experiment of fault segmented growth and evolution

此類小斷層規(guī)模較小,地震反映不敏感,同時(shí)由于附近大斷層的存在,使地震資料的響應(yīng)混亂,導(dǎo)致小斷層不能被有效識(shí)別。利用以演化規(guī)律指導(dǎo)的斷層分段刻畫思想,可以提高對(duì)此類低序級(jí)斷層的識(shí)別及刻畫精度。

圖14為X 油田F03#-F04#斷層組合的三維地震解釋效果圖,由圖中看出其由NW,NWW 和NE 三種走向斷層分段生長(zhǎng)形成,在分段生長(zhǎng)點(diǎn)的部位斷裂密集分布,斷層組合關(guān)系復(fù)雜。圖15為斷層搭接部位地震剖面,從圖中看出,F04-1斷層的尾端由于斷距小,且距離F03,F04較近不易識(shí)別,通過以斷層分段生長(zhǎng)模式為指導(dǎo),將斷層拆分為多個(gè)相互搭接的小斷層分別進(jìn)行井震結(jié)合精細(xì)解釋,識(shí)別出原未能有效識(shí)別的細(xì)小分支,各種走向斷層之間的搭建關(guān)系更加明確,刻畫精度提高。

圖14 X油田F03#-F04#斷層組合三維效果圖Fig.14 Three-dimensional renderings of F03#-F04#fault in X Oilfield

圖15 X油田F03#-F04#斷層組合地震剖面Fig.15 Seismic profileinterpretation of F03#-F04#fault in X Oilfield

4.2 斷層多期演化指導(dǎo)大斷層內(nèi)部低序級(jí)斷層刻畫

在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下,斷層會(huì)多次復(fù)活并經(jīng)歷多次發(fā)育,每一次斷層活動(dòng)并不會(huì)遵循同一個(gè)面,而是以分段疊覆的形態(tài)相互搭接,在斷層內(nèi)部垂向分段的部位會(huì)形成難以識(shí)別的低序級(jí)斷層。圖16為X油田F77#,F80#斷層組合的地震剖面解釋結(jié)果,可以看出,青山口組地層發(fā)育早期形成的F77#,F80#兩條斷層,圖中由藍(lán)色線標(biāo)識(shí);姚家組時(shí)期F77#斷層繼續(xù)發(fā)育,圖中由紅色線標(biāo)識(shí)。F77#,F80#斷層經(jīng)歷了兩期發(fā)育,在多期斷層搭接部位發(fā)育低序級(jí)斷層,在斷層多期演化模式的指導(dǎo)下,常規(guī)解釋難以識(shí)別的低序級(jí)斷層得到了精細(xì)刻畫,井資料中小斷距的井?dāng)帱c(diǎn)得到合理的組合。

圖16 X油田F77#和F80#斷層地震剖面解釋Fig.16 Seismic profile interpretation of F77#,F80#fault in X Oilfield

5 結(jié)論

1)X油田4種走向斷層的形成經(jīng)歷了多個(gè)期次的構(gòu)造演化,由早到晚的演化順序?yàn)榻黃N,NW,NWW 和NE向;

2)各種走向斷層的分段生長(zhǎng)特性及關(guān)系證明,X油田斷層的穩(wěn)定性較差,晚期形成的斷層發(fā)育時(shí),早期形成的斷層再次復(fù)活,并與晚期斷層共同生長(zhǎng),現(xiàn)今斷層的發(fā)育形態(tài)是經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷層多次發(fā)育累加的結(jié)果;

3)以斷層分段生長(zhǎng)和多期演化的特性和規(guī)律為指導(dǎo),可以有效提高對(duì)大斷層附近低序級(jí)斷層的識(shí)別及刻畫精度。