四川盆地東部建南地區(qū)飛仙關(guān)組三段儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

何 利，譚欽銀，宋春彥，王瑞華，王正和，程錦翔

（1 成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所； 2 國(guó)土資源部沉積盆地與油氣資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

建南地區(qū)位于四川盆地東部，是川東重要的油氣富集帶，也是中國(guó)南方油氣勘探的重點(diǎn)區(qū)塊之一。建南地區(qū)的油氣儲(chǔ)集層主要分布于上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組二段和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組三段（以下簡(jiǎn)稱飛三段），其中，飛三段儲(chǔ)層可與普光氣田進(jìn)行對(duì)比［1-2］，是目前油氣勘探的重點(diǎn)層位。 “三元控儲(chǔ)”理論［3］的提出，表明儲(chǔ)集條件是決定該區(qū)油氣勘探成敗的關(guān)鍵因素之一。 研究表明，建南地區(qū)飛仙關(guān)組儲(chǔ)層包括孔隙型、裂縫型和孔-縫型三種；白云巖、碎屑灰?guī)r為孔隙型儲(chǔ)層，泥晶灰?guī)r為裂縫型儲(chǔ)層［4］。 大量鉆探資料證實(shí)，裂縫型灰?guī)r是建南地區(qū)飛仙關(guān)組的重要儲(chǔ)層類型，裂縫發(fā)育程度是影響建南地區(qū)油氣儲(chǔ)集性能的重要因素［4］。

迄今為止，對(duì)于建南地區(qū)飛三段儲(chǔ)層的研究主要集中于孔隙型儲(chǔ)層［5-7］，而對(duì)裂縫型儲(chǔ)層尚未得到足夠重視，對(duì)于該區(qū)裂縫發(fā)育情況認(rèn)識(shí)的不足，已經(jīng)嚴(yán)重制約了油氣勘探工作的深入。 筆者基于地震資料，應(yīng)用分形法、構(gòu)造主曲率法分別對(duì)該區(qū)與斷層和褶皺相關(guān)的裂縫進(jìn)行了預(yù)測(cè)，再結(jié)合巖性類型對(duì)裂縫發(fā)育程度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，應(yīng)用分形法和構(gòu)造主曲率法能夠很好地描述該區(qū)裂縫發(fā)育程度，預(yù)測(cè)結(jié)果是可信的。

1 地質(zhì)背景

四川盆地東部地區(qū)經(jīng)歷了早燕山期和喜馬拉雅期的擠壓褶皺變形，形成了方斗山背斜帶、石柱向斜帶、齊岳山背斜帶、利川向斜帶等數(shù)個(gè)巨型構(gòu)造單元（圖1）。 它們均呈典型的侏羅山式褶皺變形，主要表現(xiàn)為復(fù)背斜帶高陡、復(fù)向斜帶寬緩、隆坳相間、呈“S”形展布的區(qū)域構(gòu)造面貌［8］。

建南地區(qū)構(gòu)造上位于川東褶皺帶與湘鄂西褶皺帶的結(jié)合部位，處在石柱向斜帶內(nèi)部（圖1）。 地表出露的巖石以石灰?guī)r為主，屬山地地貌區(qū)，海拔高度一般為1 000～1 500 m，面積約1×104km2。 建南地區(qū)飛三段頂面構(gòu)造整體為北東—南西向展布（圖1）。 其中：斷層多為逆斷層，主要發(fā)育三條近于平行的主干斷裂：磨刀溪斷層、太平鎮(zhèn)斷層和龍3 斷層；三條斷層之間發(fā)育數(shù)個(gè)構(gòu)造圈閉。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組三段巖相分布與頂面構(gòu)造疊合圖

根據(jù)巖性特征，建南地區(qū)飛仙關(guān)組大致可以劃分為四段：一段和二段為陸棚—斜坡沉積，巖性為灰色薄層泥晶灰?guī)r、 泥晶泥質(zhì)灰?guī)r及泥晶含泥質(zhì)灰?guī)r互層，底部發(fā)育厚度不等的灰黑色泥頁(yè)巖；三段主要為淺灘相亮晶鮞粒灰?guī)r、 亮晶砂屑灰?guī)r和泥晶灰?guī)r等，是建南地區(qū)主要的儲(chǔ)層段；四段為局限臺(tái)地相及臺(tái)地蒸發(fā)巖相沉積，巖性為灰色泥晶含膏白云巖及紫紅色、綠灰色白云質(zhì)泥巖夾泥晶灰?guī)r，為一套區(qū)域性蓋層。 飛仙關(guān)組總層厚約300～800 m，其中三段層厚約60～380 m。區(qū)內(nèi)飛三段巖相平面分布特點(diǎn)（圖1）為： 中北部主要為中緩坡相臺(tái)洼亞相泥質(zhì)灰?guī)r—泥晶灰?guī)r微相和中緩坡相暴露鮞粒灘亞相鮞粒白云巖、鮞粒白云質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r微相；北部邊緣和中南部主要為中緩坡相鮞粒灘亞相泥晶灰?guī)r—鮞?；?guī)r微相。其中，有利儲(chǔ)集巖（礁灰?guī)r、碎屑灰?guī)r和白云巖）呈北東—南西向分布于研究區(qū)中部，由眾多孤立次級(jí)區(qū)塊構(gòu)成。

對(duì)野外露頭和巖心中的裂縫研究后發(fā)現(xiàn)，建南地區(qū)飛三段中的裂縫以構(gòu)造裂縫為主，主要表現(xiàn)為三種類型：被方解石脈充填的無(wú)效裂縫、被油氣充填的有效裂縫、未被充填的有效裂縫。

2 裂縫預(yù)測(cè)方法

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的深入，裂縫性油藏和受裂縫影響的油藏在已發(fā)現(xiàn)油氣藏中所占的比例逐漸增大，儲(chǔ)量和產(chǎn)量的比例也逐漸上升，儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)的研究日益受到重視［9］。 裂縫預(yù)測(cè)是針對(duì)儲(chǔ)層內(nèi)裂縫集合所構(gòu)成的裂縫系而言，并不是指特定時(shí)期或特定類型的裂縫，因而，這就常常需要對(duì)研究區(qū)內(nèi)多期裂縫的綜合發(fā)育程度進(jìn)行定性評(píng)價(jià)和定量化預(yù)測(cè)。由于儲(chǔ)層裂縫的規(guī)模、類型和性質(zhì)等千變?nèi)f化，要對(duì)復(fù)雜多變的儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行精細(xì)描述和定量化預(yù)測(cè)是目前石油地質(zhì)界的一個(gè)世界性難題［9］。 多年來(lái)的油氣勘探結(jié)果表明，構(gòu)造裂縫是儲(chǔ)層裂縫中最主要的類型，其他性質(zhì)的裂縫或多或少也與構(gòu)造裂縫具有一定的聯(lián)系，因此，對(duì)構(gòu)造裂縫進(jìn)行定量預(yù)測(cè)便抓住了裂縫的主體，有利于指導(dǎo)油氣勘探。

目前，儲(chǔ)層裂縫描述與預(yù)測(cè)的方法較多，主要包括：基于巖心的裂縫統(tǒng)計(jì)法、基于裂縫對(duì)物理場(chǎng)影響的測(cè)井和地震法、基于斷裂的分形法和斷裂因子法、基于褶皺變形的曲率分析法、 基于古應(yīng)力場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬法［10-12］。在眾多方法之中，分形法和曲率法兩者相對(duì)于其他方法而言，均是借助于宏觀構(gòu)造去預(yù)測(cè)微小構(gòu)造，逐漸受到了石油構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家的重視。

分形理論是關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)自相似性（或標(biāo)度不變性）的描述，按照Mandelbrot的定義［13］，只要組成部分與整體之間具有某種相似的形態(tài)，就稱之為分形。日本學(xué)者平田隆幸［14］首次證明了斷層和裂縫具有自相似的分形結(jié)構(gòu)，只是尺度上存在差異。因此，通過(guò)分析斷層的分形特征（分?jǐn)?shù)維）和斷裂強(qiáng)度便可以定性預(yù)測(cè)儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育程度。 例如，張吉昌等［15］曾指出儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的復(fù)雜形態(tài)及其分布具有分形特征，并且應(yīng)用分形方法預(yù)測(cè)了儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的分布；樂(lè)友喜等［16］應(yīng)用分形理論進(jìn)行測(cè)井資料的裂縫解釋；蘇玉平等［17］從斷裂與裂縫的期次、組成形態(tài)和展布方位三方面論證了同一區(qū)塊的斷裂和裂縫具有自相似性，滿足分形理論，并進(jìn)行了裂縫預(yù)測(cè)，經(jīng)鉆探證實(shí)其效果良好。

1968年，Murry［18］將構(gòu)造橫剖面看作彎曲的“梁”，用幾何方法導(dǎo)出了剖面曲率值與裂縫孔隙度之間的計(jì)算公式，對(duì)裂縫作了初步定量研究。 構(gòu)造面曲率在一定程度上控制了裂縫發(fā)育的密度、方向、寬度和深度。 曲率是一條曲線的二維屬性，它的大小反映了一個(gè)弧形的彎曲程度；對(duì)于脆性巖層而言，其彎曲程度越大，則構(gòu)造變形越強(qiáng)，構(gòu)造裂縫也就越發(fā)育［19］。近年來(lái)，曲率法在油氣儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 例如，周文等［20］利用主曲率法很好地預(yù)測(cè)了泌陽(yáng)凹陷安棚油田核桃園組三段儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育情況；汪必峰等［21］應(yīng)用剖面曲率法對(duì)東營(yíng)凹陷牛莊油田牛35塊沙河街組三段中部?jī)?chǔ)層裂縫進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果檢驗(yàn)表明剖面曲率法適合于與褶皺相關(guān)的裂縫預(yù)測(cè)。

由以上分析可見(jiàn)，分形法主要是預(yù)測(cè)與斷層構(gòu)造相關(guān)的裂縫，曲率法則主要預(yù)測(cè)與褶皺構(gòu)造相關(guān)的裂縫，將這兩種方法結(jié)合起來(lái)便能夠?qū)?gòu)造成因裂縫進(jìn)行很好地預(yù)測(cè)。因此，本文應(yīng)用分形法和曲率法對(duì)建南地區(qū)飛三段儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育程度進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。

3 裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與檢驗(yàn)

3.1 分形法預(yù)測(cè)結(jié)果

在分形裂縫預(yù)測(cè)方法中，常用的分維計(jì)算方法有豪斯道夫（Hausdorff）維數(shù)、自相似維數(shù)和盒維數(shù)［22］。通過(guò)對(duì)比分析，認(rèn)為適合于油氣儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫分維數(shù)測(cè)定的統(tǒng)計(jì)方法是盒維數(shù)，即網(wǎng)格覆蓋法。該方法的基本步驟如下： 用邊長(zhǎng)為r 的正方形網(wǎng)格覆蓋在儲(chǔ)層構(gòu)造圖上，然后統(tǒng)計(jì)其包含裂縫的正方形格子數(shù)N；逐步改變正方形網(wǎng)格的邊長(zhǎng)r，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的N；再以r 為橫坐標(biāo)，N 為縱坐標(biāo)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中采用最小二乘法對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作回歸分析，回歸直線的斜率即為裂縫分布的分維值D。

本次研究在建南地區(qū)飛三段的頂面構(gòu)造圖上，用邊長(zhǎng)為4.0 km 的方格將其分成83 個(gè)子區(qū)域，然后再分別用邊長(zhǎng)為2.0、1.0、0.5、0.25、0.125 km 的方格網(wǎng)對(duì)83 個(gè)子區(qū)域進(jìn)行覆蓋，并對(duì)每個(gè)子區(qū)域記錄其對(duì)應(yīng)不同邊長(zhǎng)r 的網(wǎng)格劃分時(shí)所含有斷裂的網(wǎng)格數(shù)N，經(jīng)回歸分析，得到那個(gè)子區(qū)域上裂縫分布的分維值D（圖2）。

結(jié)果顯示，幾乎所有l(wèi)nr 和lnN 的相關(guān)系數(shù)介于0.95～0.99 之間，故本次研究的斷層，分維特征很明顯，預(yù)測(cè)結(jié)果可信度高。 將83 個(gè)子區(qū)域的分維值歸一化后，繪制了建南地區(qū)飛三段頂面的分維值趨勢(shì)圖（圖2）。 由于斷裂與裂縫有自相似性，因此，可以把圖2看作是該區(qū)域飛三段儲(chǔ)層與斷層相關(guān)的構(gòu)造裂縫發(fā)育圖，圖中，分維值D作為描述儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度的定量參數(shù)［23］，分維值越大則裂縫越發(fā)育，分維值小則裂縫相對(duì)不發(fā)育。

圖2 建南地區(qū)飛仙關(guān)組三段儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的分形法預(yù)測(cè)結(jié)果

3.2 曲率法預(yù)測(cè)結(jié)果

曲率分析有趨勢(shì)面法和差分法兩種方法，本文采用九點(diǎn)差分法計(jì)算飛三段頂面的曲率，具體方法如下： 首先應(yīng)用邊長(zhǎng)為t的網(wǎng)格將曲面進(jìn)行網(wǎng)格化，再對(duì)網(wǎng)格中每個(gè)交叉點(diǎn)分別計(jì)算曲率值。 計(jì)算的時(shí)候該點(diǎn)編號(hào)為0點(diǎn)，相鄰的8個(gè)點(diǎn)依次編號(hào)為1～8；然后根據(jù)點(diǎn)1～8的高程（或深度）應(yīng)用差分公式計(jì)算0點(diǎn)的兩個(gè)主曲率值（圖3）。在計(jì)算出所有網(wǎng)格交叉點(diǎn)的主曲率值之后，選取其中絕對(duì)值的較大者作為各網(wǎng)格點(diǎn)的評(píng)價(jià)值，最后繪制曲率等值線圖。

本文首先應(yīng)用邊長(zhǎng)為1 km的網(wǎng)格對(duì)建南地區(qū)飛三段儲(chǔ)層頂面進(jìn)行網(wǎng)格化，總共劃分了1 000多個(gè)正方形網(wǎng)格。在網(wǎng)格化過(guò)程中，對(duì)不同的構(gòu)造帶分帶進(jìn)行，一般不跨越斷層線；同時(shí)考慮到等深線的疏密程度，對(duì)密集的地方縮小網(wǎng)格，對(duì)稀疏的地方加大網(wǎng)格。網(wǎng)格化之后，采用九點(diǎn)差分法對(duì)其主曲率進(jìn)行計(jì)算，總共計(jì)算了700多個(gè)點(diǎn)位的主曲率值，最后將各點(diǎn)最大主曲率值歸一化后，繪制了建南地區(qū)飛三段儲(chǔ)層頂面的主曲率等值線圖（圖3）。 根據(jù)前面的分析，圖3代表了建南地區(qū)飛三段儲(chǔ)層中與褶皺相關(guān)的縱張裂縫的分布情況。

圖3 建南地區(qū)飛仙關(guān)組三段儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的曲率法預(yù)測(cè)結(jié)果

3.3 綜合預(yù)測(cè)結(jié)果

如前所述，分形法和曲率法是分別基于宏觀上斷層和褶皺與構(gòu)造裂縫之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)的，這兩種預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)代表了兩類不同性質(zhì)裂縫的發(fā)育情況。 為了盡可能地對(duì)儲(chǔ)層中發(fā)育的多期不同性質(zhì)裂縫進(jìn)行完整而科學(xué)的預(yù)測(cè)，通常會(huì)將不同方法得到的結(jié)果進(jìn)行綜合。

本文對(duì)分形法預(yù)測(cè)結(jié)果、 曲率法預(yù)測(cè)結(jié)果以及巖性類型三個(gè)要素進(jìn)行了綜合考慮，來(lái)定性預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況。 進(jìn)行構(gòu)造裂縫預(yù)測(cè)時(shí)，巖性是不得不考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。 巖性是裂縫發(fā)育的內(nèi)因，對(duì)裂縫的發(fā)育存在顯著的影響。 巖性主要由巖石成分和巖石結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素共同決定，這兩個(gè)因素決定了巖石的硬度和非均質(zhì)性，硬度是巖石抵抗外力作用的衡量標(biāo)準(zhǔn)，非均質(zhì)性決定了巖石受力后其內(nèi)部是否會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中［9］。

然而，要用數(shù)字來(lái)定量評(píng)價(jià)巖性是很難實(shí)現(xiàn)的，雖然前人曾主觀地對(duì)不同巖性進(jìn)行過(guò)賦值［24-25］。為慎重起見(jiàn)，本文采用疊加法，即對(duì)分形法預(yù)測(cè)結(jié)果、曲率法預(yù)測(cè)結(jié)果和巖性類型三者疊加起來(lái)綜合預(yù)測(cè)研究區(qū)構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況。 疊加法相當(dāng)于將不同的因素或結(jié)果平等對(duì)待，從而避免了人為賦值的主觀性和權(quán)重因子計(jì)算的不可靠性。

疊加之前，先把分形法預(yù)測(cè)結(jié)果（圖2）、曲率法預(yù)測(cè)結(jié)果（圖3）和巖性（圖1）三個(gè)因素分別劃分為“好”和“差”兩種結(jié)果：前兩者以歸一化后的0.5為分界進(jìn)行劃分； 巖性方面則將孔隙發(fā)育的巖石（礁灰?guī)r、碎屑灰?guī)r和白云巖）劃為“好”，因孔隙發(fā)育的巖石非均質(zhì)性較強(qiáng)，裂縫易于產(chǎn)生；而成分單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、致密的泥晶灰?guī)r劃為“差”，因其均質(zhì)性較強(qiáng)，相對(duì)不易形成裂縫。綜合分析時(shí)，當(dāng)三個(gè)因素均為“好”時(shí)，劃為裂縫特別發(fā)育區(qū)；只有兩個(gè)為“好”時(shí)，劃為裂縫發(fā)育區(qū)；只有一個(gè)因素為“好”時(shí)，劃為裂縫不太發(fā)育區(qū)；三個(gè)因素均為“差”時(shí)，劃為裂縫不發(fā)育區(qū)。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（圖4）顯示，研究區(qū)內(nèi)裂縫特別發(fā)育區(qū)位于北部的龍3斷層附近和南部的跨石廟附近，其面積比較小，且臨近斷裂帶；裂縫發(fā)育區(qū)主要發(fā)育于新店子、建南及其以南部分地區(qū)，多被夾在三條主干斷層之間，且與斷層之間的垂直距離小于10km；裂縫不太發(fā)育區(qū)約占整個(gè)研究區(qū)面積的40%，它們一般位于兩條斷裂帶之間的中部地區(qū)； 裂縫不發(fā)育區(qū)約占整個(gè)研究區(qū)面積的50%，集中于研究區(qū)內(nèi)的西北和東南部。

圖4 建南地區(qū)飛仙關(guān)組三段儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的綜合預(yù)測(cè)結(jié)果圖

3.4 結(jié)果檢驗(yàn)

首先，從圖2 和圖3 分析，圖2 中與斷層相關(guān)的裂縫主要發(fā)育在研究區(qū)內(nèi)三條主干斷層附近，靠近斷層處發(fā)育，遠(yuǎn)離斷層處則不發(fā)育，因此分形法的預(yù)測(cè)結(jié)果比較合理； 圖3 中與褶皺相關(guān)的裂縫主要發(fā)育于研究區(qū)內(nèi)三條主干斷層的中間，特別是建南構(gòu)造高點(diǎn)上，因此曲率法的預(yù)測(cè)結(jié)果也是可信的。

其次，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)兩種方法預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，本文將研究區(qū)內(nèi)28 口鉆井處的分維值和曲率值相加，然后與每口井的日產(chǎn)氣量進(jìn)行相關(guān)分析（圖5）。 結(jié)果顯示，研究區(qū)大部分鉆井的日產(chǎn)氣量與分維值與曲率值的和具有很好的正相關(guān)性，即分維值與曲率值的和越大，日產(chǎn)氣量越高。由此表明，本文預(yù)測(cè)的裂縫綜合發(fā)育程度對(duì)油氣藏具有正面作用，預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的實(shí)際勘探價(jià)值。

圖5 建南地區(qū)飛仙關(guān)組三段儲(chǔ)層分維值與曲率值之和與日產(chǎn)氣量的相關(guān)性

最后，通過(guò)部分鉆井的日產(chǎn)氣量來(lái)檢驗(yàn)本文的綜合預(yù)測(cè)結(jié)果（圖4），即考慮了裂縫和巖性兩個(gè)因素之后的預(yù)測(cè)結(jié)果。 位于裂縫特別發(fā)育區(qū)的建15 井、 建平5 井和建61 井的日產(chǎn)氣量分別為9.7×104m3、 21.5×104m3、 5.9×104m3； 位于裂縫發(fā)育區(qū)的建51 井、建35 井和建10 井的日產(chǎn)氣量分別為40×104m3、 36.9×104m3和6.7×104m3；位于裂縫不太發(fā)育區(qū)的建68 井和太1 井的日產(chǎn)氣量分別為0.9×104m3和0.82×104m3；位于裂縫不發(fā)育區(qū)的建69 井和建33 井的日產(chǎn)氣量非常低，僅為0.015×104m3和0.04×104m3。 總體上，研究區(qū)內(nèi)裂縫的發(fā)育程度與日產(chǎn)氣量具有較高的一致性，這表明裂縫發(fā)育情況在一定程度上控制了研究區(qū)內(nèi)的油氣聚集成藏。 由此表明，本文的預(yù)測(cè)結(jié)果具有較高的可信度。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用分形法和曲率法較好地預(yù)測(cè)了四川盆地東部建南地區(qū)飛仙關(guān)組三段儲(chǔ)層中構(gòu)造裂縫的發(fā)育情況；綜合分析法相對(duì)于單一方法而言，避免了單一方法的某些不足，能夠更加科學(xué)地預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)育程度，與實(shí)際資料的吻合度較高，對(duì)實(shí)際勘探可能具有一定的指導(dǎo)意義。 但由于研究中較多地突出了儲(chǔ)層裂縫因素，故在油氣勘探實(shí)踐中應(yīng)合理使用。

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