穆 燕，曹蘭柱，高 帥，5，李熹微，鄭榮華，陳再賀，楊曉霄，郭柳汐

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.“斷裂構(gòu)造變形機(jī)制與斷圈有效性評價技術(shù)”東北石油大學(xué)優(yōu)秀中青年科研創(chuàng)新團(tuán)隊，黑龍江 大慶 163318； 3.“油氣藏及地下儲庫完整性評價”黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318； 4.中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552； 5.東北石油大學(xué) 環(huán)渤海能源研究院，河北 秦皇島 066004；6.中國石油華北油田公司第五采油廠，河北 辛集 052360)

孫虎潛山帶面積約150 km2，作為華北地區(qū)重要開采區(qū)域具有巨大開采潛力，資料顯示孫虎潛山油藏累計探明地質(zhì)儲量為350.05萬t，已開發(fā)儲量為105.02萬t。但冀中南部潛山油藏儲集具有層位老、埋藏深度大的特點(diǎn)，相較于新生界油氣藏其形成條件更為復(fù)雜。裂縫不僅作為潛山油藏的滲流通道，還控制潛山溶蝕孔隙的發(fā)育，是單井產(chǎn)量的重要影響因素[1-2]。由于受成巖作用、構(gòu)造作用、風(fēng)化淋濾作用等影響，潛山儲層裂縫發(fā)育十分復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)烈，分布規(guī)律預(yù)測難度大。近年來，對于孫虎潛山帶的研究多從油氣成藏條件入手，包括成藏動力學(xué)系統(tǒng)分析、源巖成烴動態(tài)演化過程、沉積和剝蝕對油氣生成、聚集的影響及斷—砂配置輸導(dǎo)體系的研究等方向入手，對于儲集層裂縫發(fā)育特征、主控因素及裂縫分布規(guī)律的預(yù)測則缺乏相關(guān)研究[3-7]。

本文在精細(xì)構(gòu)造解釋的基礎(chǔ)上，依據(jù)地震資料、巖心及成像測井資料等，開展儲層天然裂縫成因研究并表征斷裂破碎帶(發(fā)育裂縫)發(fā)育特征。結(jié)合構(gòu)造分析，明確潛山儲層裂縫發(fā)育狀況除了與層位和巖性對應(yīng)關(guān)系以外，還與構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)，就是與斷層破裂帶規(guī)模、井與斷層距離有關(guān)。運(yùn)用分形幾何學(xué)建立斷裂分形生長模型，預(yù)測不同尺度的裂縫數(shù)量、長度及密度，對潛山油氣下一步開采具有重要參考作用。

1 地質(zhì)概況

孫虎地區(qū)位于冀中坳陷東南角饒陽凹陷南端，毗鄰滄縣隆起與邢衡隆起，西部潛山區(qū)是其一次級構(gòu)造單元，以虎北斷層為界緊鄰深縣凹陷[4-6、8-9]。根據(jù)地震資料證明，基底斷層系統(tǒng)主要由一系列北東和北北東向展布的斷層組成，另外還有北西向和近南北向斷層分布(圖1)?；⒈睌鄬訛殚L期活動斷層，受其遮擋下盤發(fā)育孫虎潛山。潛山斷裂為孔店時期活動的早期斷裂，這類斷裂平面北東向展布，剖面呈多米諾式或地壘—地塹式組合樣式。

孫虎潛山頂面地層多為長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組，這2套地層沉積期整體處于淺海環(huán)境，碳酸鹽巖廣泛發(fā)育，且以白云巖為主，地層厚度與巖性分布穩(wěn)定[10]。受多期運(yùn)動影響，古生界地層被剝蝕，自始新世以來沉積完整的新生界地層，包括古近系孔店組、沙河街組和東營組地層，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組地層及第四系平原組地層[11]。

孫虎地區(qū)形成以沙三段或沙一段生油巖為烴源層，以古潛山為儲集層，以斷層、不整合面和裂縫為溝通油源的運(yùn)移通道，以上覆第三系泥巖作蓋層的生儲蓋組合[3，12]。這種油氣藏主要分布于虎北斷裂上升盤，如H8潛山油藏和H16x潛山油藏。孫虎構(gòu)造帶中北部成藏模式主要表現(xiàn)為：孫虎斷層上盤沙三段烴源巖層生成的油氣，沿孫虎斷層運(yùn)移到孫虎斷層下盤潛山圈閉中；孫虎斷層下盤孔店、沙四段、沙三段圈閉也可得到孫虎斷層上盤沙一段、沙三段烴源巖層生成的油氣，H2井沙三段獲工業(yè)油流已得到證實(shí)。

2 裂縫類型與發(fā)育特征

2.1 裂縫成因類型

天然裂縫主要指由于構(gòu)造變形或物理成巖作用所形成的宏觀面狀構(gòu)造。從狹義上講，天然裂縫主要指儲層在成巖作用及后期構(gòu)造作用中形成的節(jié)理和微斷裂，前者可以稱為節(jié)理型裂縫，后者可以稱為斷層型裂縫。對于儲層中天然裂縫的命名與分類，按照不同的分類方法可以有不同的分類方案，例如可以按照地質(zhì)成因、力學(xué)性質(zhì)、與層面關(guān)系及幾何學(xué)形態(tài)等分類。按照裂縫的地質(zhì)成因，冀中坳陷南部潛山碳酸鹽巖儲層裂縫主要分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫、溶蝕裂縫、風(fēng)化裂縫和卸載裂縫等類型[13]。其中構(gòu)造裂縫是研究區(qū)碳酸鹽巖儲層中最為常見、且發(fā)育程度最高的裂縫，在巖心觀察、野外勘測、成像測井識別以及薄片鑒定中所看到的裂縫主要為構(gòu)造裂縫，這類裂縫對油氣的勘探開發(fā)有著重要的影響。構(gòu)造裂縫分布廣泛，延伸長，產(chǎn)狀比較穩(wěn)定；具有明顯的規(guī)律性和方向性，裂縫走向往往隨著構(gòu)造線的變化而改變；裂縫中常見方解石、石英等礦物充填；裂縫面特征明顯。構(gòu)造裂縫在成像測井上表現(xiàn)為暗色或亮色正弦曲線(圖2)。

圖2 成像測井上的構(gòu)造裂縫(H16x井)

2.2 裂縫參數(shù)定量表征

根據(jù)成像測井，研究區(qū)裂縫走向與斷層走向一致，均以北東—南西向?yàn)橹鳎从乘鼈兪窃诮y(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場下形成的(圖3)。根據(jù)裂縫的傾角，通?？梢詫⒘芽p分為直立縫、高角度裂縫、中角度裂縫、低角度裂縫和水平裂縫共5類。結(jié)合取心井巖心裂縫傾角統(tǒng)計結(jié)果和對像測井資料裂縫產(chǎn)狀的解釋，研究區(qū)以高角度裂縫為主，其次為斜交縫，反映該區(qū)構(gòu)造裂縫以與巖層近垂直的近直立裂縫為主的特點(diǎn)。統(tǒng)計巖心等裂縫充填程度，研究區(qū)儲層裂縫被全充填者占21%，半充填者占18%，未充填者61%，有效裂縫占79%；儲層裂縫高導(dǎo)縫占80%，高阻縫占20%，表明研究區(qū)裂縫的充填程度較弱，有效裂縫占絕大多數(shù)。

圖3 研究區(qū)裂縫和斷層走向玫瑰花圖

裂縫密度反映了儲層裂縫的發(fā)育程度，通?？梢杂冒凑樟芽p的空間幾何關(guān)系進(jìn)行校正以后的線密度來表示野外相似露頭或巖心上裂縫的發(fā)育程度，而對于薄片上微觀裂縫的發(fā)育程度可以用面密度來表示。統(tǒng)計成像測井資料，研究區(qū)裂縫發(fā)育程度較高，單井線密度主要分布在1.0～6.8條/m，平均為3.8條/m。其中，霧迷山組裂縫最發(fā)育，其次是高于莊組；微觀裂縫面密度0.06～0.39 mm/mm2，平均為0.16 mm/mm2(圖4)。觀察到研究區(qū)裂縫與層理面近垂直，裂縫高度與地層厚度具有高度的一致性，主要分布在10～40 cm，一般不超過80 cm，部分穿層裂縫可達(dá)4.0 m，這是由于裂縫受巖石力學(xué)層影響，使裂縫發(fā)育在巖石層內(nèi)，一般終止于巖性界面[14]。

圖4 裂縫發(fā)育強(qiáng)度分布

3 裂縫主控因素分析

裂縫發(fā)育受多重因素的影響，不同因素對裂縫形成的影響也不同[15-16]。前文已述，研究區(qū)裂縫類型以構(gòu)造裂縫為主，裂縫的發(fā)育及分布受由多期構(gòu)造運(yùn)動所形成的復(fù)雜構(gòu)造變形系統(tǒng)影響[17]。本文從野外露頭、巖心及成像測井等資料入手，分析斷層、巖性、風(fēng)化殼對裂縫發(fā)育的影響。

3.1 斷層對裂縫發(fā)育的影響

(1)斷層發(fā)育特征。根據(jù)斷層的走向特征繪制斷層走向玫瑰花圖，可以清楚看出潛山頂面斷裂主要發(fā)育北東向和北北東向展布的斷層(圖1)；同時也發(fā)育一些北西向斷層?；⒈睌嗔验L期持續(xù)性活動，為北東向西正斷裂，最大垂直斷距2 400 m，南邊和衡水?dāng)嗔严嘟樱虮鄙烊腽堦柊枷葜?；早期活動斷層?guī)模較小走向以北東為主，反映盆地初始裂陷階段斷裂平面特征；中期活動斷層多為北西向，部分活動貫穿至基底。中元古代華北陸塊內(nèi)部形成裂陷槽，印支運(yùn)動以后張裂、斷陷解體大規(guī)模發(fā)生，中生代板塊的俯沖碰撞形成南北向俯沖構(gòu)造，在晚侏羅世晚期—早白堊世形成了北東向和近東西向裂谷系，自新生代開始受到發(fā)生明顯變化的構(gòu)造應(yīng)力場作用，構(gòu)造運(yùn)動進(jìn)入到斷陷—坳陷的發(fā)展階段[18]。

(2)斷層對裂縫發(fā)育的影響。構(gòu)造是控制儲層裂縫發(fā)育的重要因素，通過控制不同構(gòu)造部位的局部應(yīng)力分布來控制其裂縫發(fā)育程度[19-20]。由野外露頭觀察測量可以發(fā)現(xiàn)，無論在斷層面還是斷層的端部等部位，裂縫在斷層的上盤和下盤均十分發(fā)育；裂縫的線密度隨著距斷層距離的增大而明顯降低，且呈負(fù)指數(shù)函數(shù)遞減的趨勢，在斷層端部、交叉點(diǎn)、疊覆區(qū)、分段生長點(diǎn)等部位裂縫最發(fā)育(圖5)。這是由于隨著斷層活動在斷裂帶附近應(yīng)力一般會有明顯的集中，發(fā)生了應(yīng)力擾動，從而使斷裂帶附近的裂縫發(fā)育明顯。另外有研究表明，在更受應(yīng)力擾動作用的活動盤，即斷層上盤，裂縫的發(fā)育程度明顯大于斷層下盤裂縫，斷層兩側(cè)裂縫發(fā)育程度相差較大。

圖5 裂縫發(fā)育程度與至斷層距離關(guān)系

3.2 巖性對裂縫發(fā)育的影響

大量的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，影響裂縫發(fā)育程度的主控因素之一是巖性，不同類型的巖石，無論是比較其抗壓、抗張、抗剪的強(qiáng)度，還是其破裂的程度和方式之間都有很大的差異性[21-23]。從巖石的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等角度分析，巖性不同的巖石均具有不同的特征，巖石力學(xué)性質(zhì)差異較大，因此在構(gòu)造應(yīng)力相同的作用下，裂縫的發(fā)育程度不同，例如裂縫在白云巖等含有較高脆性礦物的巖石中發(fā)育程度比脆性礦物含量低的巖石裂縫發(fā)育程度好。冀中坳陷南部潛山儲層主要發(fā)育白云巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r等，統(tǒng)計裂縫密度發(fā)現(xiàn)，在白云巖中裂縫最發(fā)育，平均裂縫密度為0.68條/m，其次為灰?guī)r，平均裂縫密度為0.41條/m，在泥灰?guī)r中裂縫發(fā)育程度相對較差，平均裂縫密度為0.33條/m。

3.3 風(fēng)化殼對裂縫及優(yōu)質(zhì)儲層控制作用

在縱向上潛山油氣藏可以劃分為風(fēng)化殼、垂向滲濾帶和橫向潛流帶，裂縫在這三帶中的發(fā)育特征有所不同。例如地表水較強(qiáng)烈的溶蝕作用發(fā)生在潛山頂部的風(fēng)化殼中，其裂縫多為構(gòu)造裂縫和風(fēng)化裂縫，并被褐色鐵質(zhì)物和蒙古土礦物充填，低電阻為電性上的特征。以構(gòu)造裂縫為主的垂向滲濾帶位于風(fēng)化殼至古潛水面之間，串珠狀裂縫溶蝕孔洞發(fā)育，由地表水在重力作用下沿高角度裂縫向下快速滲流時發(fā)生選擇性溶蝕作用而形成，自然伽馬能譜測井上明顯的特征是低鈾帶。橫向潛流帶發(fā)育在古潛水面附近，構(gòu)造裂縫和溶蝕裂縫發(fā)育較多，近水平溶蝕裂縫受地下潛水橫向流動時發(fā)生的非選擇性溶蝕作用而形成，在自然伽馬能譜測井上以明顯的高鈾帶為特征。根據(jù)研究區(qū)裂縫和儲層質(zhì)量縱向分布規(guī)律統(tǒng)計(圖6)，隨埋藏深度增加，儲層孔隙度呈明顯降低趨勢，裂縫發(fā)育強(qiáng)度也逐漸降低，如H16x井，主要發(fā)育Ⅱ級裂縫和Ⅲ級裂縫，無Ⅰ級裂縫帶，隨著深度增加，Ⅱ級裂縫發(fā)育帶數(shù)量和厚度降低。這主要受2方面因素控制：隨著遠(yuǎn)離斷層，裂縫發(fā)育程度降低；隨著遠(yuǎn)離不整合面風(fēng)化淋濾作用減弱，儲層物性降低。同時從上述所有儲層質(zhì)量縱向分布圖中可以厘定風(fēng)化殼控制優(yōu)質(zhì)儲層厚度為50～160 m。

圖6 H16x井、H8p2井儲層質(zhì)量縱向分布

4 裂縫分布規(guī)律定量預(yù)測

裂縫預(yù)測方法多樣，技術(shù)逐漸趨于完善，如應(yīng)力場數(shù)值模擬、聚類分析邊緣增強(qiáng)裂縫檢測技術(shù)、基于疊后地震屬性裂縫分布預(yù)測法、多尺度邊緣檢測技術(shù)等[24-28]。本文利用分形幾何學(xué)預(yù)測裂縫分布，同一構(gòu)造應(yīng)力場背景下形成的斷裂、亞地震斷層、裂縫、微裂縫以及微裂紋具有相似性[29]。對每條斷層的長度進(jìn)行統(tǒng)計，建立不同斷層長度的分形生長模型，在建模過程中，擬合最佳頻率線以調(diào)整偏差，降低分辨率限制和研究區(qū)統(tǒng)計范圍的有限性。以上方法可以對不同尺度的裂縫數(shù)量和密度進(jìn)行預(yù)測，并可根據(jù)斷層密度分布對裂縫分布規(guī)律進(jìn)行定量預(yù)測(圖7)。

圖7 孫虎潛山區(qū)裂縫分布預(yù)測

根據(jù)孫虎地區(qū)斷層參數(shù)分布分析，其斷層長度—累積頻數(shù)和斷層長度—累積密度分布具有較好的冪律分布特征，可以通過分形幾何方法對不同尺度斷層/裂縫的數(shù)量、長度和密度進(jìn)行定量預(yù)測[30-32]。孫虎地區(qū)裂縫方位主要為北東—南西向，裂縫面密度主要分布在2.0～5.0 m/m2，在斷層端部、交叉點(diǎn)、疊覆區(qū)、分段生長點(diǎn)等部位裂縫發(fā)育程度最高。通過對比預(yù)測結(jié)果與測井裂縫解釋結(jié)果，二者呈較好正相關(guān)關(guān)系(圖8)，說明預(yù)測結(jié)果可信度較高。

圖8 裂縫預(yù)測結(jié)果與測井解釋結(jié)果對比

5 結(jié)論

(1)孫虎潛山帶碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)育，走向以北東—南西向?yàn)橹?，其中高角度?gòu)造裂縫最為常見，裂縫整體受充填程度較弱，即大多為有效裂縫。裂縫大量發(fā)育改善儲層物性，對潛山油藏形成具有重要意義。

(2)斷層、巖性及風(fēng)化殼等因素對裂縫發(fā)育均有影響。構(gòu)造變形強(qiáng)度越大、斷裂發(fā)育程度越高的部位裂縫越發(fā)育；研究區(qū)白云巖中裂縫密度最大，發(fā)育程度高；不同類型潛山溶蝕帶中裂縫發(fā)育特征不同，隨埋深增加儲層孔隙度降低、裂縫發(fā)育強(qiáng)度也降低，并厘定出風(fēng)化殼控制優(yōu)質(zhì)儲層厚度為50～160 m。

(3)利用分形幾何學(xué)原理，分析孫虎潛山帶斷裂參數(shù)分布，通過建立分形生長模型預(yù)測不同尺度斷層/裂縫的數(shù)量、長度和密度，對比分析測井裂縫解釋結(jié)果，裂縫預(yù)測結(jié)果可信度較高。