塔河油田奧陶系斷裂分形特征及與油氣運聚關(guān)系

江山 ，劉國勇，云露

(1. 中國石油大學(xué)(北京)教育部石油天然氣成藏機理重點實驗室，北京，100029；2. 長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州，434023；3. 中國石油冀東油田分公司，河北 唐山，063004；4. 中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊，830011)

大量研究已經(jīng)證實[1-4]：斷裂體系是油氣運移的有效通道，對油氣運聚有著重要影響。因此，對塔河油田的構(gòu)造和斷裂體系特征進行研究，是塔河油田油氣運聚研究的重要內(nèi)容。

1 塔河油田地質(zhì)概況

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起(又稱為塔北隆起)上的阿克庫勒凸起南坡。該凸起東鄰草湖凹陷，東南側(cè)面臨滿加爾坳陷，南側(cè)連接順托果勒(低)隆起，西側(cè)為哈拉哈塘凹陷，北界為雅克拉斷凸，面積約為6 113 km2。阿克庫勒凸起的奧陶系碳酸鹽巖的頂面，構(gòu)成一個總體上呈NE向延伸、向SW傾伏的古潛山地貌，長期的古巖溶作用與發(fā)育的構(gòu)造裂隙，為塔河油田油藏的形成提供了良好的油氣儲集空間。

阿克庫勒凸起油氣資源豐富，具備形成大型油氣田的基本地質(zhì)條件。實踐證明：塔河地區(qū)是一個以奧陶系為主，包括石炭系、三疊系在內(nèi)的3套含油層疊合連片含油的大型油氣田。塔河地區(qū)下奧陶統(tǒng)風(fēng)化面以下250 m內(nèi)是整體含油的，油氣分布和富集程度主要受阿克庫勒凸起、下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖孔洞縫儲集體發(fā)育程度和石炭系巴楚組泥巖分布等多種因素綜合控制。塔河油田的油氣成藏過程異常復(fù)雜，經(jīng)過多年研究和勘探實踐，發(fā)現(xiàn)塔河油田具有“多期成盆、多期改造、多套烴源巖、多次生排烴、多期運聚散”的成藏特點[5]。

2 塔河油田斷裂特征

位于沙雅隆起之上的阿克庫勒凸起先后經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支—燕山期及喜馬拉雅期等多次構(gòu)造運動，因此，塔河及鄰區(qū)中下奧陶統(tǒng)頂面構(gòu)造格局是多期次構(gòu)造形變綜合的產(chǎn)物。目前，其總體特征表現(xiàn)為具有自北東向西南方向傾沒的復(fù)式鼻凸，其上疊加了近EW向、NW—SE向和NNE向的3組褶皺構(gòu)造及多組方向不一的斷裂。

塔里木盆地長期經(jīng)歷構(gòu)造演化，因此，斷裂非常發(fā)育。對奧陶系內(nèi)各反射界面中138條斷層的斷距和延伸長度進行分析和統(tǒng)計，結(jié)果見圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出：斷層的斷距大多為10～30 m，最大為80 m；延伸長度最大為35 km，一般為2～10 km。從塔河油田奧陶系斷層斷距和延伸距離散點圖(圖 3)可以看出：工區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育的規(guī)模較小。

造成斷層這種分布特點的主要原因是塔河油田頻繁的構(gòu)造活動。在塔河油田主體區(qū)，由于巖溶和斷裂的關(guān)聯(lián)作用，發(fā)育了大量密集的溶塌小斷層。此外，由于海西早期北東向構(gòu)造和海西晚期近東西向構(gòu)造疊加，阿克庫勒凸起NE向構(gòu)造軸線也出現(xiàn)了斷層發(fā)育的密集帶(圖4)。此外，塔河地區(qū)也發(fā)育具有延伸距離較長和斷距較大的斷層。

(1)阿克庫勒凸起NE向構(gòu)造軸線，海西早期北東向構(gòu)造和海西晚期近東西向構(gòu)造疊加，是斷層發(fā)育的密集帶。其中，在塔河油田主體區(qū)即3，4和6區(qū)塊，由于巖溶和斷裂的關(guān)聯(lián)作用產(chǎn)生的密集溶塌小斷層，在構(gòu)造圖上表現(xiàn)為斷裂分布的最密集區(qū)。其主干斷層主要呈NE向、EW向或NEE向，少量的呈NW向或NNW向或近NS向。

圖1 塔河油田奧陶系斷層斷距分布圖Fig.1 Distribution of fracture throw of Ordovician in Tahe Oil Field

圖2 塔河油田奧陶系斷層延伸長度分布圖Fig.2 Distribution of fracture length of Ordovician fracture in Tahe Oil Field

圖3 塔河油田奧陶系斷層斷距和延伸距離散點圖Fig.3 Scatter diagram of fracture length and fracture throw of Ordovician fracture in Tahe Oil Field

(2)阿克庫勒鼻凸傾沒端附近，是較大規(guī)模NNW或近NS向斷層的主要發(fā)育區(qū)。

(3)阿克庫勒鼻凸的東南翼緩坡帶上，以NE向或NEE向的斷裂最發(fā)育。

(4)規(guī)模較大的近EW向斷層和近NS向的斷層發(fā)育。

最高車速(km/h) ..................................................205

3 塔河油田分維值計算

前面對斷裂體系的研究只能定性說明斷裂體系的發(fā)育規(guī)模和特征，為了定量研究斷裂體系對油氣運聚的影響，本文作者借助分形研究方法研究斷裂發(fā)育程度與油氣分布的關(guān)系。

分形研究方法利用了分形幾何學(xué)的原理[6]。分形幾何學(xué)(Fractal geometry)認為自然界中有眾多客體具有極不規(guī)則的時空形態(tài)，它們無法在歐氏空間中進行客觀描述。Mandelbrot[6]系統(tǒng)地研究了這些復(fù)雜現(xiàn)象后，發(fā)現(xiàn)這些眾多不規(guī)則客體具有自相似，即在所有標(biāo)定尺度上，局部包含整體且彼此相似，Mandelbrot把這一類不規(guī)則現(xiàn)象稱為分形。分形幾何學(xué)定量描述分形所具有的自相似性的參數(shù)是分維(Fractal dimension)。分形的定義式可表示為：

式中：C為常數(shù)；L為標(biāo)度；N(L)為該標(biāo)度下測得網(wǎng)格數(shù)；冪指數(shù)D為分維數(shù)。

目前，分形學(xué)已被應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域[7-14]。分形學(xué)在地質(zhì)領(lǐng)域的研究與運用不僅為地學(xué)研究提供了新的研究手段，而且為地質(zhì)現(xiàn)象研究向半定量化、定量化發(fā)展提供了理論依據(jù)。分形幾何學(xué)在斷裂體系中的應(yīng)用，為斷裂構(gòu)造空間分布和幾何結(jié)構(gòu)特征的定量表征提供了新的手段，同時，也為斷裂構(gòu)造及其與油氣空間分布關(guān)系研究提供了新的思路[15-16]。分維研究主要包括容量維(相似維)和信息維 2種方法[17]。本文運用容量維的分析方法計算塔河油田奧陶系斷裂體系的分維值，計算步驟是：以邊長為L的正方形網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)，不斷改變L，分別計算有斷裂穿過的網(wǎng)格數(shù)N(L)。對式(1)兩邊取對數(shù)得：

這說明研究對象具有自相似性，即具有分形。顯然，在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，N(L)—L關(guān)系圖形應(yīng)為1條直線，該直線的斜率的絕對值即為容量維D。為了研究塔河油田斷裂體系的分維特征及其與油氣藏分布的關(guān)系，首先，根據(jù)選擇的中下奧陶統(tǒng)頂面界面地震反射層的構(gòu)造圖繪制相應(yīng)反射層斷裂體系平面分布圖(見圖4)；然后，根據(jù)研究區(qū)面積，把研究區(qū)劃分為若干個邊長為2 km的正方形區(qū)域；最后，計算每個正方形網(wǎng)格塊的分維值。根據(jù)獲得的分維值，得出中下奧陶統(tǒng)頂面界面的斷裂體系分維值分布，見圖5。

4 斷裂體系分維值對于油氣運移聚集的指示作用

斷裂體系分維值能夠定量描述構(gòu)造的復(fù)雜程度以及空間分布的均勻性，同時，也能反映斷裂在時空上的不平衡性和非均勻性，而這種不平衡性和非均勻性與油氣分布有著密切的內(nèi)在聯(lián)系。由圖4和圖5可知：斷裂體系發(fā)育、斷裂密集且延伸長之處，斷裂分維值高，斷裂不發(fā)育的地方，分維值低；在研究區(qū)的北部S75至S73井，斷裂發(fā)育密集，而這里的分維值也最高，達到1.6以上；在南部S112至S56井之間，斷裂不發(fā)育，分維值大多小于0.8。結(jié)合塔河油田奧陶系油氣運聚模擬結(jié)果(見圖6)，可以發(fā)現(xiàn)：在研究區(qū)的北部，斷裂分維值高之處，油氣分布相對集中。這表明塔河油田北部主體區(qū)域與其他區(qū)域相比，其油田的規(guī)模和產(chǎn)能都占優(yōu)勢。可見：分維值大的區(qū)域，常是應(yīng)力集中或釋放、斷裂發(fā)育的地段，從而為油氣的運移、聚集提供了有利的運移通道和匯聚場所。斷裂體系分維值越高，說明斷裂體系空間分布復(fù)雜程度越大，油氣運移的通道條件良好。以上分析結(jié)果表明：在本區(qū)，油氣的運移與斷裂構(gòu)造存在一定的內(nèi)在規(guī)律，斷裂體系的分維值在一定程度上定量地反映了油氣運移聚集作用。

圖4 塔河油田中下奧陶統(tǒng)頂面斷裂分布圖(T74波阻反射界面)Fig.4 Distribution of fracture of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field

圖5 塔河油田T74反射界面斷裂體系分維等值線圖Fig.5 Fractal dimension isoline of fracture of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field

圖6 塔河油田奧陶系油氣運聚模擬結(jié)果Fig.6 Simulation result of hydrocarbon migration and accumulation of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field

5 結(jié)論

(1)塔河油田奧陶系油氣分布受斷裂體系控制，在斷裂發(fā)育的地區(qū)，是油氣分布的有利地區(qū)。

(2)斷裂體系分形研究能夠定量描述斷裂空間分布特征以及與油、氣運移、聚集條件的關(guān)系。一般地，斷裂體系分維值高，則斷裂體系空間分布復(fù)雜程度大，深源油、氣向上運移的通道條件好；而斷層體系分維值低，說明斷裂體系空間分布復(fù)雜性小，斷層為深源油、氣運移沒有提供良好的通道條件，因此，斷層體系分維值低的區(qū)域不利于油氣的運聚。

(3)構(gòu)造特征有深遠的地質(zhì)意義和豐富的內(nèi)涵。下一步的研究是要賦予不同類型的分維值特定的地質(zhì)含義，同時要對斷裂的形成、分布進行多重分維研究，以便了解有關(guān)斷裂形成、分布、斷裂結(jié)構(gòu)面及斷裂填充物特征，預(yù)測油氣的分布。

[1]金之鈞, 張發(fā)強. 油氣運移研究現(xiàn)狀及主要進展[J]. 石油與天然氣地質(zhì), 2005, 26(3): 263-268.JIN Zhi-jun, ZHANG Fa-qiang. Status and major advancements in study of hydrocarbon migration[J]. Oil & Gas Geology, 2005 ,26(3): 263-268.

[2]顧憶, 邵志兵, 陳強路, 等. 塔河油田油氣運移與聚集規(guī)律[J].石油實驗地質(zhì), 2007, 29(3): 224-230.GU Yi, SHAO Zhi-bing, CHEN Qiang-lu, et al. Oil migration and accumulation pattern in the Tahe Oil Field[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2007, 29(3): 224-230.

[3]康玉柱. 塔里木盆地塔河大油田形成的地質(zhì)條件及前景展望[J]. 中國地質(zhì), 2003, 30(3): 315-319.KANG Yu-zhu. Geological characteristics of the formation of the large Tahe Oil Field in the Tarim basin and its prospects[J].Geology in China, 2002, 30(3): 315-319.

[4]郭建華, 劉辰生, 吳東勝, 等. 大民屯凹陷靜安堡西側(cè)低潛山油氣成藏條件分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2005,36(2): 329-334.GUO Jian-hua, LIU Chen-sheng, WU Dong-sheng, et al.Analysis of hydrocarbon pool forming condition in western area of Jinganpu of Damintun depression[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2005, 36(2): 329-334.

[5]金之鈞, 王清晨. 中國典型疊合盆地與油氣成藏研究新進展——以塔里木盆地為例[J]. 中國科學(xué) D 輯, 2004, 34(增刊):1-12.JIN Zhi-jun, WANG Qing-chen. Recent developments in study of the typical superimposed basins and petroleum accumulation in China—Examplified by the Tarim Basin[J]. Science in China Ser D: Earth Science, 2004, 34(S): 1-12.

[6]Mandelbrot B B. The fractal geometry of nature[M]. San Francisco: Freeman, 1982: 1-486.

[7]李多麗. 中國油氣二次運移的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 北京大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2004, 40(4): 658-668.LI Duo-li, GU An-ping. Research situation and prospect of hydrocarbon migration in China[J]. Journal of Peking University:Natural Science, 2004, 40(4): 658-668.

[8]Barton C C, Pointe P R L. Fractals in petroleum geology and Earth processes[M]. New York: Plenum Press, 1995: 317.

[9]沈忠民, 馮祖鈞, 周光甲, 等. 斷裂體系的分維與油田分布[J].地球科學(xué), 1995, 20(1): 73-77.SHEN Zhong-min, FENG Zu-jun, ZHOU Guang-jia. Fractal dimension of fault system and oil field distribution[J]. Journal of China University of Geosciences: Earth Science, 1995, 20(1):73-77.

[10]敖力布, 林鴻溢. 分形學(xué)導(dǎo)論[M]. 呼和浩特: 內(nèi)蒙古人民出版社, 1996.AO Li-bu, LIN Hong-yi. Introduction to fractals[M]. Huhhot:Inner Mongalia People’s Press, 1996.

[11]易順民, 唐輝明. 活動斷裂的分形結(jié)構(gòu)特征[J]. 地球科學(xué): 中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報, 1995, 20(1): 58-62.YI Shun-min, TANG Hui-ming. Fractal structure features of active fault[J]. Journal of China University of Geosciences:Earth Science, 1995, 20(1): 58-62.

[12]宋寧, 王鐵冠, 劉東鷹, 等. 分形方法在蘇北盆地金湖凹陷石油資源評價中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)科學(xué), 2006, 41(4): 578-585.SONG Ning, WANG Tie-guan, LIU Dong-ying, et al.Application of fractal method predicating oil resources in the Jinhu Sag, North Jiangsu Basin[J]. Scientia Geologica Sinica,2006, 41(4): 578-585.

[13]JIANG Wei-dong. Fractal character of lenticles and its influence on sediment state intailings dam[J]. Journal of Central South University of Technology, 2005, 12(6): 753-756.

[14]李建東, 龔慶杰, 竇金龍, 等. 分形理論在勘查地球化學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國礦業(yè), 2006, 15(11): 91-94.LI Jian-dong, GONG Qing-jie, DOU Jin-long, et al. Application of fractal theory in geochemical exploration[J]. China Mining Magazine, 2006, 15(11): 91-94.

[15]Babadagli T. Fractal analysis of 2-D fracture networks of geothermal reservoirs in south-western Turkey[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2001, 112: 83-103.

[16]張拴宏, 周顯強. 斷裂系統(tǒng)分形研究新進展[J]. 桂林工學(xué)院學(xué)報, 2000, 20(1): 74-87.ZHANG Shuan-hong, ZHOU Xian-qiang. A review on the fractal of fault systems[J]. Journal of Guilin Institute of Technology, 2000, 20(1): 74-87.

[17]謝焱石, 譚凱旋. 斷裂構(gòu)造的分形研究及其地質(zhì)應(yīng)用[J]. 地質(zhì)地球化學(xué), 2002, 30(1): 71-77.XIE Yan-shi, TAN Kai-xuan. Fractal research on fracture structures and application in geology[J]. Geology and Geochemistry, 2002, 30(1): 71-77.