斷層相關(guān)裂縫定性識(shí)別：原理與應(yīng)用

李小剛，徐國(guó)強(qiáng)，戚志林，韓劍發(fā)，崔艷敏，譚先鋒，張 瀛，王 佳，徐 晌，吳仕虎，夏 銘

1.重慶科技學(xué)院復(fù)雜油氣田勘探開(kāi)發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331

2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059

3.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000

4.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司，成都 610213

0 前言

斷層相關(guān)裂縫作為構(gòu)造裂縫的重要類(lèi)型，其有效識(shí)別一直備受石油地質(zhì)學(xué)家關(guān)注，也是世界性的難題[1-3]。近年來(lái)，隨著油氣勘探程度持續(xù)向縱深發(fā)展，尋找與高陡構(gòu)造伴生的大型裂縫系統(tǒng)（褶皺相關(guān)裂縫）越來(lái)越難，油氣勘探重心正逐步從高點(diǎn)向翼部、單斜及構(gòu)造平緩區(qū)轉(zhuǎn)移，從常規(guī)的孔隙型、孔洞型向低滲透、特低滲透致密儲(chǔ)層轉(zhuǎn)移；而在構(gòu)造平緩的致密儲(chǔ)層內(nèi)部，由于褶皺作用弱，與斷層相關(guān)的裂縫圈閉[4-5]成為最重要、最現(xiàn)實(shí)的勘探對(duì)象。斷層是地層裂縫的宏觀表現(xiàn)，斷層與裂縫總是相互伴生、相互促進(jìn)的，盡管人們很早就注意到斷層與裂縫之間的這種伴生關(guān)系，但由于自然界斷層發(fā)育具有極不均質(zhì)性，不同斷層裂縫發(fā)育程度可以截然不同，即便是同一條斷層，不同部位斷層裂縫發(fā)育程度也可能存在很大差異[6]。前人[4-10]圍繞斷層相關(guān)裂縫“定性分析”和“定量表征”兩大主題已開(kāi)展過(guò)大量的嘗試，并提出過(guò)一些富有特色的研究方法；這些方法從不同途徑描述與預(yù)測(cè)裂縫，理論上都是可行的，只是其實(shí)用性、精度不同而已，并在各自的研究領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用效果。但由于斷層相關(guān)裂縫發(fā)育本身的復(fù)雜性，目前，還沒(méi)有哪一種方法可以完全解決各種成因斷層相關(guān)裂縫系統(tǒng)的有效識(shí)別。因此，基于不同的研究思路，從不同角度去探索定性、定量表征斷層相關(guān)裂縫發(fā)育分布規(guī)律的方法，仍然是今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，裂縫研究必須面對(duì)的選擇?；诖耍P者以前期研究為基礎(chǔ)，提出一種基于斷面脫空理論定性識(shí)別和預(yù)測(cè)斷層相關(guān)裂縫的新方法，詳細(xì)介紹該方法的原理，并應(yīng)用于塔中地區(qū)上奧陶統(tǒng)良里塔格組（O3l）灰?guī)r的裂縫識(shí)別與預(yù)測(cè)中，以期為斷層相關(guān)裂縫的定性與定量研究提供一種新思路。

1 斷層相關(guān)裂縫定性研究概況

長(zhǎng)期以來(lái)，圍繞“斷層-裂縫關(guān)系”這一主題，前人已開(kāi)展了大量研究，這些研究從本質(zhì)上可歸為“定性”和“定量”研究?jī)纱笾黝}，其中以定性為主。盡管Nelson[11]早在1985年就曾指出：斷層相關(guān)裂縫密度是巖性、斷層面位移與斷層面距離、應(yīng)力、埋藏深度和斷層類(lèi)型等的函數(shù)，但由于斷層本身的復(fù)雜性，這一定量函數(shù)至今還沒(méi)有一個(gè)能被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同的表達(dá)式[6]。在斷層相關(guān)裂縫定性研究方面，國(guó)內(nèi)的油氣勘探工作者開(kāi)展了大量研究工作，取得了許多原創(chuàng)性的認(rèn)識(shí)，概況起來(lái)包括以下3個(gè)方面：①對(duì)四川盆地相關(guān)層位斷層相關(guān)裂縫定性分析的總結(jié)與探索。20世紀(jì)50年代后期到90年代初，斷層相關(guān)裂縫研究曾是四川盆地構(gòu)造寬緩區(qū)陽(yáng)新統(tǒng)灰?guī)r、須二段致密砂巖油氣勘探中的主題（圖1），有關(guān)小斷層與裂縫關(guān)系、斷層相關(guān)裂縫特征、發(fā)育分布規(guī)律以及斷層相關(guān)裂縫勘探，前人[4-5，9-10]曾做過(guò)大量的研究，先后總結(jié)出尋找裂縫的“一占一沿”、“三占三沿”、“三打三不打”等經(jīng)驗(yàn)方法，其中“沿?cái)嗔选?、“?duì)斷層打上盤(pán)不打下盤(pán)”以及“大斷要避開(kāi)、中斷打上盤(pán)、小斷要緊挨”[12]等都是對(duì)斷層相關(guān)裂縫定性分析的經(jīng)典總結(jié)；這些認(rèn)識(shí)曾有效地指導(dǎo)了四川盆地陽(yáng)新統(tǒng)灰?guī)r、須家河致密砂巖的天然氣勘探。②提出斷層效應(yīng)法。王允誠(chéng)[13]提出運(yùn)用斷裂效應(yīng)法定性預(yù)測(cè)斷層相關(guān)裂縫發(fā)育帶，指出斷層的末端、外凸及兩條斷層的交匯處都是裂縫較發(fā)育的地帶。③對(duì)斷層兩盤(pán)裂縫發(fā)育規(guī)律的定性探索。胡明等[14]通過(guò)研究指出斷層的上下盤(pán)、性質(zhì)及斷層組合類(lèi)型等也可用來(lái)定性判斷斷層相關(guān)裂縫的發(fā)育情況：通常情況下斷層上盤(pán)一般比下盤(pán)裂縫更發(fā)育；單條逆斷層上盤(pán)主要發(fā)育張裂縫系統(tǒng)，其范圍隨斷距變化而變化，而下盤(pán)主要發(fā)育剪切裂縫，有效性差；而斷層末端常以應(yīng)力擾亂形式出現(xiàn)，常發(fā)育多組系、多性質(zhì)、多方向的裂縫網(wǎng)狀系統(tǒng)。宋國(guó)奇等[15]對(duì)陸相斷陷盆地中斷層兩盤(pán)裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了研究，指出斷層兩盤(pán)的裂縫發(fā)育程度存在明顯差異，通常情況下斷裂主動(dòng)盤(pán)的裂縫密度是被動(dòng)盤(pán)的4倍，有些斷裂被動(dòng)盤(pán)不發(fā)育裂縫。

這些定性識(shí)別斷層相關(guān)裂縫的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和方法的提出，分別在各自的研究領(lǐng)域有效地指導(dǎo)了油氣勘探部署，并有力地推動(dòng)了國(guó)內(nèi)斷層相關(guān)裂縫的定性研究水平。

2 斷層相關(guān)裂縫定性識(shí)別原理與方法

2.1 斷面脫空理論

徐國(guó)強(qiáng)等[16]在對(duì)四川盆地、塔里木盆地及中伊朗盆地致密儲(chǔ)層內(nèi)裂縫發(fā)育分布規(guī)律攻關(guān)研究過(guò)程中，受Suppe[17]利用幾何學(xué)原理定量分析斷層相關(guān)褶皺及建立平衡剖面技術(shù)的啟發(fā)，應(yīng)用平衡剖面及幾何原理，提出了斷面脫空理論。該理論可表述為：對(duì)于一個(gè)處于上下軟弱層之間的層狀強(qiáng)硬地層（圖2a）所形成的斷彎褶皺（圖2b），若其下盤(pán)底面保持水平，上盤(pán)頂面為弧狀背形，強(qiáng)硬層無(wú)塑性形變，兩斷盤(pán)間無(wú)物質(zhì)機(jī)械帶入，則根據(jù)物質(zhì)不滅定律（平衡剖面），斷盤(pán)間必然存在一個(gè)理論上的脫空空間（圖2c）。斷層面脫空理論從幾何學(xué)角度解釋斷層破裂帶裂縫的控制因素，它綜合反映了斷層與褶曲構(gòu)造對(duì)裂縫的影響和控制作用，揭示了斷層相關(guān)裂縫發(fā)育的本質(zhì)，解釋了并不是每一條斷層都發(fā)育斷層相關(guān)裂縫、而且同一條斷層也不是每一處都發(fā)育斷層相關(guān)裂縫的規(guī)律。在理論提出基礎(chǔ)之上，應(yīng)用斷彎褶皺的平衡剖面原理，通過(guò)設(shè)定斷彎褶皺構(gòu)造地質(zhì)條件，建立了斷層相關(guān)裂隙空間與斷面脫空空間置換模型。

但受上覆頂板壓力及巖層重力作用，地下很難存在像理論模型一樣的巨大脫空空間，因此，該理論模型下的脫空空間是一個(gè)理論空間，是將斷層破裂帶內(nèi)所有裂隙空間（包括各種X剪切縫、張裂縫、羽狀節(jié)理等）抽提到斷層面后介于上下盤(pán)地層之間的一個(gè)理論空間[6]，即斷層面附近所有構(gòu)造裂縫的孔隙空間總量與斷彎褶皺形成過(guò)程中產(chǎn)生的脫空空間理論上是相等的，斷面附近所有裂縫可視為脫空空間的分散表現(xiàn)。

2.2 斷面脫空理論定性識(shí)別斷層相關(guān)裂縫方法

圖1 斷層和褶皺作用強(qiáng)度與構(gòu)造裂縫發(fā)育程度關(guān)系示意圖Fig.1 Sketch map showing relationship among faulting and folding and development degree of structural fractures

圖2 斷彎褶皺構(gòu)造內(nèi)部脫空空間（據(jù)文獻(xiàn)[16]修編）Fig.2 Schematic cross-section showing the pure fault detachment void space in a fault-bend fold（modified from reference[16]）

既然斷層面附近所有構(gòu)造裂縫的孔隙空間總量與斷彎褶皺形成過(guò)程中產(chǎn)生的脫空空間理論上是相等的，則可以通過(guò)觀察斷層構(gòu)造形跡（斷層上下盤(pán)地層形態(tài)及其與斷面之間的組合關(guān)系），直觀地對(duì)具體某一條斷層構(gòu)造內(nèi)部斷層相關(guān)裂縫發(fā)育與否做出定性的判斷。通過(guò)進(jìn)一步的理論模型研究及實(shí)踐，將利用斷面脫空理論開(kāi)展裂縫定性識(shí)別的方法總結(jié)如下：如果斷層下盤(pán)底面平而上盤(pán)頂面上凸，或上盤(pán)頂面平而下盤(pán)底面下凹，或上盤(pán)頂面上凸而下盤(pán)底面下凹，上下盤(pán)地層的褶曲是不協(xié)調(diào)的，上下盤(pán)斷面間的“肚子”是“飽的”或鼓起的，則存在理論上的脫空空間，指示斷層破裂帶裂隙空間發(fā)育；如果斷層的上下盤(pán)地層皆平整而沒(méi)有褶曲，或者上下盤(pán)地層一致的向上凸或一致下凹，被斷層構(gòu)造頂?shù)酌嫦薅ǖ牡貙雍穸纫恢拢ǖ扔谠嫉貙雍穸龋洳睿?，此時(shí)上下盤(pán)斷面就像兩塊平板或兩張瓦片同向疊置，上下盤(pán)斷面貼在一起（圖2d、e），上下盤(pán)斷面間的“肚子”是“癟的”或沒(méi)有鼓起，沒(méi)有額外的空間產(chǎn)生，則就不存在理論上的脫空空間，也就意味著斷層破裂帶裂縫不發(fā)育。由于該方法可通過(guò)觀察斷層面之間的“肚子”是“鼓”還是“癟”，因此，將其形象地稱之為“飽肚子”效應(yīng)識(shí)別法。

3 斷面脫空理論的應(yīng)用

前已述及，根據(jù)斷面脫空理論可通過(guò)觀察某一條斷層的形跡對(duì)其是否發(fā)育有效的裂縫系統(tǒng)、裂縫系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)行定性判斷。據(jù)此，選擇塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶西側(cè)下奧陶統(tǒng)良里塔格組灰?guī)r裂縫研究為例，展示依據(jù)斷面脫空理論開(kāi)展剖面及平面斷層相關(guān)裂縫定性識(shí)別的過(guò)程及應(yīng)用效果。由于塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶西緣自早奧陶世末以來(lái)，斷裂活動(dòng)微弱而隨塔中發(fā)生整體升降，總體上呈現(xiàn)出構(gòu)造平緩的寬緩撓折帶[18]，且擁有高品質(zhì)的三維地震數(shù)據(jù)體，從而成為斷層相關(guān)裂縫研究的理想場(chǎng)所。研究中選擇典型井過(guò)井地震剖面和區(qū)塊分別展示剖面和平面上的斷層相關(guān)裂縫定性識(shí)別。

3.1 基于斷面脫空理論的斷層相關(guān)裂縫剖面識(shí)別

研究過(guò)程中，分別對(duì)塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶西側(cè)的58口過(guò)井地震剖面開(kāi)展了斷層相關(guān)裂縫的定性分析，限于篇幅，本次僅選擇塔中823井和中古3井為代表，展示如何利用斷面脫空理論開(kāi)展地震剖面上的斷層相關(guān)裂縫識(shí)別，其中中古3井為后續(xù)鉆井。

塔中823井 首先對(duì)過(guò)井地震剖面（主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線兩個(gè)方向）開(kāi)展精細(xì)的斷層閉合解釋，重點(diǎn)解釋良里塔格組頂?shù)酌?、?nèi)部斷層斷點(diǎn)、斷面形態(tài)。結(jié)果表明，該過(guò)井地震剖面存在兩條斷層，其中F1斷層的識(shí)別標(biāo)志為：在1500～1650m，良里塔格組頂界面反射呈弱振幅，反映頂部地層局部速度降低（暗點(diǎn)）；續(xù)至強(qiáng)振幅波谷反映有低速層頂面，波峰大致代表底面；其下的第2個(gè)強(qiáng)振幅波谷下未見(jiàn)波續(xù)至波峰，反映第二個(gè)低速層低速程度??；也見(jiàn)繞曲斷口。F2斷層的識(shí)別標(biāo)志為：在590～600m，可見(jiàn)繞曲帶和繞折標(biāo)志，為斷層點(diǎn)的地震響應(yīng)，此外，在820～1200m可見(jiàn)地震反射波呈弱振幅右傾斜對(duì)稱反射，是斷層破裂帶低速響應(yīng)。解釋結(jié)果表明：該井所鉆構(gòu)造為不協(xié)調(diào)的低幅沖斷背斜（圖3a），按照斷面脫空理論，屬于“頂凸底平”型，存在脫空空間。據(jù)此預(yù)測(cè)塔中823井進(jìn)入良里塔格組（O3l）之后，將鉆遇較大規(guī)模裂縫系統(tǒng)，實(shí)際鉆探結(jié)果也得到鉆井和雙側(cè)向測(cè)井反演的證實(shí)（圖3a藍(lán)色曲線）。

中古3井 中古3井位于研究區(qū)西部走滑斷裂帶旁。對(duì)過(guò)中古3井的主測(cè)線和聯(lián)絡(luò)測(cè)線開(kāi)展斷層精細(xì)解釋，其解釋結(jié)果如圖3b所示。由圖可知，該井鉆進(jìn)位置屬“頂平底平”式構(gòu)造，按照斷面脫空理論，若頂平底平則無(wú)脫空空間存在；再結(jié)合其所處位置得出中古3井位于張剪斷裂帶，在良里塔格組未鉆遇斷層，且反射層平直代表地層未經(jīng)構(gòu)造形變，無(wú)擠壓伴生構(gòu)造，從而斷層相關(guān)裂縫不發(fā)育。后續(xù)鉆井結(jié)果及雙側(cè)向測(cè)井裂縫參數(shù)反演結(jié)果（圖3b藍(lán)色曲線）也證實(shí)這一點(diǎn)。從測(cè)井反演結(jié)果分析，中古3井裂縫值一般低于0.019%，平均值為0.009%，裂縫系統(tǒng)不發(fā)育，與定性識(shí)別結(jié)果相同。

3.2 基于斷面脫空理論的斷層相關(guān)裂縫平面識(shí)別

依據(jù)斷面脫空理論可對(duì)地震資料解釋出的某一條斷層或斷層組是否發(fā)育有效裂縫系統(tǒng)進(jìn)行定性識(shí)別。以此為基礎(chǔ)，將剖面識(shí)別出的裂縫系統(tǒng)，即代表斷面脫空空間的變形帶，逐道地或按照一定道間距投影至目的層段某一界面之上（通常選取目的層頂?shù)酌妫瑒t可獲得目的層內(nèi)部斷層相關(guān)裂縫系統(tǒng)在平面上的宏觀發(fā)育分布。利用該方法對(duì)塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶西側(cè)的中古3井區(qū)、塔中72井區(qū)良里塔格組斷層相關(guān)裂縫開(kāi)展平面上的定性識(shí)別，裂縫平面分布圖的投影過(guò)程如圖4a所示：中古2井良里塔格組內(nèi)部地層呈多個(gè)“頂凸底平”地震響應(yīng)，為層面脫空與斷面脫空的疊合效應(yīng)，在剖面上勾繪出存在脫空的變形帶（圖4a中陰影部分），并將其投影至平面。據(jù)此，分別向兩側(cè)延伸，從而獲得兩個(gè)井區(qū)斷層相關(guān)裂縫平面分布圖（圖4b、c）（本次投影道間距為5×5）。結(jié)果表明：在中古3井區(qū)，有效裂縫系統(tǒng)主要集中發(fā)育中古2所在的呈NW-SE向分布的條帶狀區(qū)域，其次在中古203、中古204等井區(qū)有局部分布，除中古2井南部有較大差異外，其余部分與均方根振幅檢測(cè)結(jié)果宏觀上對(duì)應(yīng)較好；塔中72井區(qū)利用斷面脫空識(shí)別出的斷層裂縫發(fā)育分布圖與利用均方根振幅檢測(cè)結(jié)果相比，總體特征一致性較好，僅細(xì)節(jié)上有差異，兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系優(yōu)于中古2井區(qū)。

3.3 應(yīng)用效果分析

除文中所展示的兩口井之外，塔中54井預(yù)測(cè)結(jié)果（圖4d）也與實(shí)際鉆井結(jié)果一致（鉆遇構(gòu)造雖為“頂凸底平”式構(gòu)造，但該井進(jìn)入良里塔格組不是最佳位置，僅獲油氣顯示），此外對(duì)中古203、中古4、中古5、中古7等井進(jìn)行了鉆前定性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果基本得到證實(shí)①徐國(guó)強(qiáng)，李小剛.塔中54-塔中16井區(qū)奧陶系碳酸鹽巖裂縫預(yù)測(cè)與識(shí)別研究報(bào)告.成都：成都理工大學(xué)，2009.。而通過(guò)對(duì)將塔中72井區(qū)、中古3井區(qū)的平面識(shí)別結(jié)果與前人利用均方根振幅檢測(cè)結(jié)果相比，兩者總體特征基本一致，僅細(xì)節(jié)上有差異，表明利用斷面脫空原理開(kāi)展斷層裂縫系統(tǒng)的定性識(shí)別是可行的。

圖3 利用斷面脫空原理定性識(shí)別斷層相關(guān)裂縫實(shí)例Fig.3 Examples showing qualitative identification of FRF using fault detachment theory

圖4 利用斷面脫空理論識(shí)別裂縫平面發(fā)育分布與均方根振幅預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison between predicted results for the development distribution of FRF using fault detachment theory and RMS amplitude analysis，respectively

4 討論

4.1 斷層與有效裂縫系統(tǒng)

斷層本身就是看得見(jiàn)的大裂縫，不管其規(guī)模大小，按照安德森力學(xué)模式，斷層形成過(guò)程中必然伴生幾組裂縫?？碧綄?shí)踐表明，若斷層形成過(guò)程中無(wú)其他伴生構(gòu)造形成，僅靠其自身形成過(guò)程所固有的幾組裂縫，往往難以形成油氣勘探所尋找的“有效裂縫系統(tǒng)”。如本次的中古3井，盡管該井鉆遇位置本身斷層較發(fā)育，但由于斷層伴生構(gòu)造欠發(fā)育，斷層過(guò)程僅僅是板式錯(cuò)開(kāi)，即斷層形成過(guò)程中無(wú)額外脫空空間產(chǎn)生，因此，即使鉆遇斷層，通常只能獲得微裂縫或呈孤立分布的裂縫，難以形成有規(guī)模的網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)。為此，本次所討論的斷層相關(guān)裂縫，特指斷面附近受多種因素控制、能夠呈網(wǎng)狀發(fā)育的裂縫系統(tǒng)，即油氣勘探過(guò)程所指的“有效裂縫系統(tǒng)”。

4.2 斷面脫空定性識(shí)別裂縫精度

利用斷面脫空理論預(yù)測(cè)裂縫，受限于地震資料品質(zhì)，這也是其他以地震資料為載體研究裂縫的方法不可回避的問(wèn)題。地震資料分辨率有限，加之?dāng)鄬咏忉尫桨副旧磉€可能存在不合理的地方等均會(huì)造成所觀察和提取的斷層構(gòu)造模型與客觀實(shí)際存在差距，使得利用斷面脫空理論預(yù)測(cè)出的裂縫結(jié)果還不能像巖心觀察、測(cè)井解釋方法那樣，與對(duì)應(yīng)位置實(shí)際裂縫發(fā)育情況一一對(duì)應(yīng)。但斷面脫空理論的優(yōu)勢(shì)在于：離開(kāi)井控區(qū)，能夠?qū)ξ粗獏^(qū)域斷層相關(guān)裂縫的發(fā)育進(jìn)行宏觀的定性預(yù)測(cè)。因此，這種定性化的研究還只是宏觀、大尺度的預(yù)測(cè)，從精度上講，基于斷面脫空理論識(shí)別的大裂縫系統(tǒng)能夠滿足勘探要求，還不能滿足油氣開(kāi)發(fā)要求。

5 結(jié)論

1）斷層形成過(guò)程中產(chǎn)生的脫空空間容積與斷層面附近所有構(gòu)造裂縫的孔隙空間總量在理論上是相等的，斷面附近所有裂縫可視為脫空空間的分散表現(xiàn)。

2）利用斷面脫空理論，通過(guò)“飽肚子”效應(yīng)識(shí)別法可直觀地對(duì)斷層構(gòu)造內(nèi)部相關(guān)裂縫是否發(fā)育做出定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的核心要素為斷層上下盤(pán)地層形態(tài)及其與斷面之間的組合關(guān)系。

3）依據(jù)斷層形成過(guò)程中是否產(chǎn)生脫空空間進(jìn)行裂縫識(shí)別與預(yù)測(cè)，是斷層相關(guān)裂縫研究的一種新思路，其應(yīng)用效果已得到了實(shí)踐證實(shí)。進(jìn)一步對(duì)脫空空間容積進(jìn)行計(jì)算，能夠?yàn)槎坑?jì)算斷層附近裂縫系統(tǒng)大小提供一種可能。

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