塔里木盆地順南地區(qū)走滑斷裂派生裂縫發(fā)育規(guī)律及預(yù)測

張繼標(biāo)，張仲培，汪必峰，鄧 尚

[1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 ，北京 100083； 2.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580]

近年來，隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)走滑斷裂內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其分段特征的深入研究表明，走滑斷裂不同構(gòu)造位置的控儲(chǔ)、控聚作用具有明顯的差異性。走滑斷裂在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上通常被分為核部與破碎帶(誘導(dǎo)裂縫帶)兩部分[1-3]，斷層核包括沿主滑動(dòng)面發(fā)育的斷層巖，其形成經(jīng)過了粉碎，溶解，重結(jié)晶等復(fù)雜的力學(xué)化學(xué)過程，滲透性較差，而位于核部兩側(cè)的破碎帶，由于發(fā)育大量不能完全改變原巖結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)裂縫，滲透性好[4-8]。同時(shí)，在走滑斷裂形成過程中，在各段連接處，尤其是拉分橋接處存在泵吸流體的動(dòng)能，更有利于流體運(yùn)移與聚集[9-12]。

塔里木盆地順南地區(qū)主要發(fā)育北東走向走滑斷裂，斷裂分段特征明顯，奧陶系油氣沿北東向走滑斷裂分布。斷裂帶附近的鉆井縫洞型儲(chǔ)層發(fā)育，油氣顯示好，遠(yuǎn)離斷裂帶，儲(chǔ)層發(fā)育差，且位于同一斷裂帶不同部位鉆井，儲(chǔ)層發(fā)育特征與油氣顯示亦具有較大差異[13-17]。以順南4斷裂為例，位于拉分段的SN4井，發(fā)育熱液型碳酸鹽巖縫洞型儲(chǔ)集體，高產(chǎn)氣，而位于擠壓段的SN4-1井，實(shí)鉆取心裂縫不發(fā)育，儲(chǔ)集層物性較差，弱含氣。目前研究認(rèn)為，順南地區(qū)斷裂帶附近不同構(gòu)造部位儲(chǔ)集性能差異明顯的原因與走滑斷裂分段性及其派生裂縫發(fā)育體系差異密切相關(guān)，因而有必要開展走滑斷裂及其派生裂縫體系研究工作，明確裂縫型儲(chǔ)層發(fā)育主控因素，并對(duì)裂縫型儲(chǔ)層分布范圍進(jìn)行預(yù)測，為儲(chǔ)層優(yōu)選及勘探部署提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

順南地區(qū)位于塔里木盆地塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶下盤，塔中北坡順托果勒低隆與古城墟隆起的結(jié)合部位，發(fā)育一系列NE及NEE走向走滑斷裂及部分NNW向次級(jí)斷裂(圖1)，平面上呈線性延伸、斷續(xù)分布的特征，斷裂的規(guī)模和級(jí)別有較大差異[15-21]。其中NE向走滑斷裂發(fā)育規(guī)模最大，斷穿自基底至上古生界石炭系或二疊系等地層，自西向東主要有順南3斷裂、順南1斷裂、順南4斷裂及順南2斷裂，NEE向斷裂位于NE向斷裂之間，主要有順南5斷裂等，發(fā)育規(guī)模稍弱，NNW向斷裂主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)及其之上的地層內(nèi)，為NE向主干走滑斷裂的派生斷裂或破裂，一系列NE向走滑斷裂將塔中北坡下古生界切割成條塊狀。

古生界內(nèi)發(fā)育的近直立走滑斷裂，剖面上主要表現(xiàn)為花狀構(gòu)造、平行高陡斷裂帶以及與火成巖有關(guān)的斷裂，呈現(xiàn)3種樣式：緊閉平移型、擠壓隆升型、拉分下凹型，部分呈現(xiàn)下拱上凹型，空間上表現(xiàn)為海豚和絲帶效應(yīng)。平面上分段特征明顯，平移段拉分段、壓扭段與擠壓段交替出現(xiàn)?；准羟谢瑒?dòng)與塔中隆起沿Ⅰ號(hào)斷裂帶的差異推擠作用是塔中北坡NE向走滑斷裂發(fā)育的控制因素。

2 裂縫發(fā)育特征與主控因素

2.1 裂縫發(fā)育特征

基于巖心及成像測井資料對(duì)裂縫進(jìn)行識(shí)別與描述，總結(jié)發(fā)現(xiàn)順南地區(qū)主要發(fā)育構(gòu)造縫、成巖縫及構(gòu)造抬升形成的類風(fēng)化縫3種類型裂縫(圖2)，且以構(gòu)造縫為主，發(fā)育少量溶蝕縫。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造縫以剪裂縫為主，發(fā)育少量張性縫及張剪性縫。裂縫走向以NE-NEE走向?yàn)橹?，局部NW走向(圖1)，與主走滑斷裂帶走向近平行或小角度相交，部分近垂直相交。與走滑斷裂走向近平行的NE向裂縫主要為斷裂伴生裂縫，而與斷裂走向小角度或近垂直相交的裂縫主要為斷裂派生R及R′裂縫。裂縫傾角普遍較大，主要為高角度-近垂直裂縫，該區(qū)低角度裂縫的發(fā)育與巖層變形過程中的層間剪切有關(guān)。裂縫開度主要介于0～0.2 mm，局部裂縫開度大于1 mm，規(guī)模較大(圖2g)，基本全充填，裂縫充填物以方解石為主，其次為硅質(zhì)及泥質(zhì)。

根據(jù)順南地區(qū)不同巖性段巖心統(tǒng)計(jì)及成像測井解釋裂縫線密度計(jì)算結(jié)果(表1)，順南地區(qū)鷹山組裂縫發(fā)育程度普遍較大，且大于一間房組裂縫線密度，巖心統(tǒng)計(jì)鷹山組平均裂縫線密度6.63 條/m，一間房組僅為2.24 條/m，成像測井解釋鷹山組平均裂縫線密度為0.15 條/m，一間房組平均裂縫線密度為0.09 條/m。

圖1 順南地區(qū)斷裂展布與裂縫走向Fig.1 Fault distribution and fracture trend in Shunnan area

2.2 裂縫發(fā)育主控因素

構(gòu)造裂縫的發(fā)育受構(gòu)造位置、巖性、結(jié)構(gòu)、層厚及溫度、圍壓等因素的影響[22-25]。順南地區(qū)絕大多數(shù)裂縫為構(gòu)造成因縫，控制構(gòu)造裂縫形成的本質(zhì)是構(gòu)造應(yīng)力的作用，根據(jù)對(duì)不同構(gòu)造位置巖心裂縫密度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析認(rèn)為，構(gòu)造裂縫的發(fā)育與所處構(gòu)造位置密切相關(guān)，靠近斷層，裂縫發(fā)育程度明顯要高，隨距斷層距離增大，裂縫發(fā)育密度逐漸降低，斷裂控制誘導(dǎo)裂縫發(fā)育區(qū)為距斷裂2 km左右范圍內(nèi)(圖3)；針對(duì)同一條斷層，位于走滑斷層拉分、壓隆段的裂縫發(fā)育程度明顯要高于平移段(圖4)。同時(shí)巖性也是控制構(gòu)造裂縫發(fā)育的重要因素，隨著白云石含量的增加，裂縫發(fā)育密度有增大趨勢，因而鷹山組灰?guī)r、云巖為主地層較一間房組灰?guī)r為主地層裂縫更發(fā)育。

3 派生裂縫發(fā)育范圍預(yù)測

裂縫預(yù)測方面，主要從裂縫的成因出發(fā)，通過構(gòu)建裂縫發(fā)育期地質(zhì)模型、恢復(fù)邊界條件及古構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行精細(xì)應(yīng)力-應(yīng)變模擬，進(jìn)一步結(jié)合裂縫參數(shù)與地應(yīng)力之間關(guān)系對(duì)裂縫進(jìn)行預(yù)測。

應(yīng)力場模擬主要采用有限單元法，基本思路是將一個(gè)不規(guī)則地質(zhì)體離散成有限個(gè)連續(xù)的規(guī)則單元，根據(jù)不同構(gòu)造單元巖石及力學(xué)性質(zhì)的差異分別賦予不同的力學(xué)參數(shù)(彈性模量、泊松比、密度、摩擦系數(shù)等)，進(jìn)一步根據(jù)邊界條件及區(qū)域應(yīng)力場特征，對(duì)模型施加約束及加載，分別計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變值。由于走滑斷裂派生裂縫主要是剪切破裂的結(jié)果，影響其發(fā)育的主要控制因素是最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差和剪應(yīng)力，因而一方面可以通過數(shù)值模擬差應(yīng)力的分布間接對(duì)派生裂縫發(fā)育范圍進(jìn)行預(yù)測，另一方面可以從巖石破裂機(jī)理出發(fā)，根據(jù)巖石破裂準(zhǔn)則及應(yīng)變能守恒，構(gòu)建裂縫參數(shù)與地應(yīng)力之間定量模型[26-28]，開展派生裂縫發(fā)育范圍定量預(yù)測。為預(yù)測走滑斷裂兩側(cè)派生裂縫發(fā)育規(guī)律，分別設(shè)計(jì)平面及剖面地質(zhì)模型開展應(yīng)力場數(shù)值模擬，并根據(jù)裂縫參數(shù)與地應(yīng)力間定量模型及差應(yīng)力分布，分析走滑斷裂分段性及地層結(jié)構(gòu)對(duì)派生裂縫發(fā)育規(guī)律的影響。

圖2 順南地區(qū)奧陶系典型裂縫發(fā)育特征Fig.2 Characteristics of the typical Ordovician fractures in Shunnan areaa. SN1井，鷹山組，埋深6 966.1 m，近水平縫；b. GL1井，卻爾卻克組，埋深3 673.7 m，近垂直紅色泥質(zhì)充填和無充填剪切縫；c. SN4井，鷹山組，埋深6 668.8 m，方解石+硅質(zhì)充填裂縫；d. SN1井，鷹山組，埋深6 966.2 m，剖面X型高角度剪切裂縫；e. GL1井，恰爾巴克組，埋深5 865.2 m，近垂直剪切裂縫；f. SN2井，一間房組，埋深6 554.5 m，密集近水平縫合線；g. SN2井，鷹山組，埋深6 873.5 m，高角度方解石全充填剪切裂縫，規(guī)模大， 開度達(dá)1 cm；h. SN2井，一間房組，埋深6 549 m，縫合線及類風(fēng)化裂縫

井號(hào)巖心觀測裂縫密度/(條·m-1)成像測井解釋裂縫密度/(條·m-1)一間房組鷹山組一間房組鷹山組SN12.277.67—0.01SN22.215.45——SN31.210.39——SN42.159.98——SN4-1——0.230.59SN401—15.560.02—SN50.000.380.020.00SN5-1———0.07SN501——0.190.14SN6——0.000.07SN75.576.95——平均2.246.630.090.15

注：“—”為沒有數(shù)據(jù)。

圖3 順南地區(qū)構(gòu)造裂縫密度與距斷層距離關(guān)系Fig.3 Relationship between the structural fracture density and the distance from the fault in Shunnan area

3.1 走滑斷裂分段性對(duì)派生裂縫發(fā)育規(guī)律的影響

順南2斷裂具有典型的平面分段特征，根據(jù)構(gòu)造樣式及局部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異可以分為一段拉分下凹、兩段擠壓隆升與四段平移走滑(圖1，圖5)，根據(jù)順南2斷裂平面組合構(gòu)建地質(zhì)模型，設(shè)定斷裂核部寬度為1 km，參數(shù)大小的確定參照部分實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果(表2)[29-30]。

圖4 順南地區(qū)不同構(gòu)造位置裂縫密度分布Fig.4 Distribution of fracture density at different structural locations in Shunnan area

選用solid95單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分17 220個(gè)單元，參與運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 769個(gè)。由于順南地區(qū)一系列北東走向斷裂的發(fā)育主要受控于塔中Ⅰ號(hào)斷裂帶(圖1)，Ⅰ號(hào)斷裂帶在逆沖過程中具有明顯差異性，東段明顯比中段要強(qiáng)，表現(xiàn)為斷距較大，越往西北段，斷裂活動(dòng)強(qiáng)度有明顯減小的趨勢，從變形強(qiáng)度來看，可能東段推擠作用最大，因而沿模型西南邊界模擬Ⅰ號(hào)斷裂帶位置施加差異推擠作用，其中斷裂左盤較右盤擠壓力小，同時(shí)考慮主斷裂-裂縫發(fā)育期邊界條件，約束模型底面東西向及垂向位移，北部界面南北向位移，以此為基礎(chǔ)，開展應(yīng)力場數(shù)值模擬。

表2 順南地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場模擬力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters used in structural stress field simulation in Shunnan area

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，順南2斷裂附近最小主應(yīng)力主要為擠壓應(yīng)力，沿?cái)嗔讯瞬考袄侄尉植砍霈F(xiàn)拉張應(yīng)力，更利于裂縫發(fā)育，中間主應(yīng)力分布較均勻，最大主應(yīng)力沿?cái)嗔褞С拭黠@高值區(qū)分布，最大、最小主應(yīng)力差應(yīng)力沿?cái)嗔迅浇黠@較大，且拉分段差應(yīng)力值更大。將應(yīng)力模擬結(jié)果導(dǎo)入裂縫參數(shù)與地應(yīng)力間定量模型，定量計(jì)算裂縫密度(圖5)。根據(jù)裂縫預(yù)測結(jié)果，模型在差異推擠下，各斷塊產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(虛線框?yàn)樽冃吻澳Ｐ?，沿?cái)嗔褞Ц浇芽p密度明顯為高值區(qū)(深藍(lán)色區(qū)域裂縫密度近于0，裂縫基本不發(fā)育)，特別是沿?cái)嗔涯隙思皵嗔牙侄?，裂縫密度明顯更大，斷裂南端較大的裂縫密度主要是由于靠近模型邊界，邊界力作用所致。對(duì)斷裂兩盤裂縫發(fā)育區(qū)寬度進(jìn)行測量，以右盤為例，拉分段派生裂縫發(fā)育帶寬度最大為6.5 km，整體范圍較大，且裂縫發(fā)育密度大，最高達(dá)5 條/m，擠壓段最大為5 km，平移段最大為4.5 km，最小值位于中部平移段附近，為1.25 km，且擠壓與平移段整體裂縫密度小，普遍小于1 條/m，因而可以認(rèn)為，走滑斷裂派生裂縫發(fā)育帶寬度為斷裂帶寬度的1.25～6.5倍，且拉分段派生裂縫發(fā)育范圍與強(qiáng)度均明顯大于平移段。

圖5 順南地區(qū)順南2斷裂地質(zhì)模型(a)及派生裂縫密度分布(b)Fig.5 Geological model of Shunnan 2 fault(a)and the distribution of induced fracture density(b)in Shunnan area

3.2 巖石能干性對(duì)派生裂縫發(fā)育規(guī)律的影響

為模擬不同巖層巖石能干性差異對(duì)斷裂兩側(cè)派生裂縫發(fā)育規(guī)律的影響，根據(jù)順南地區(qū)地層結(jié)構(gòu)構(gòu)建垂向地質(zhì)模型(圖6)，模型中主走滑斷裂一條，伴生次級(jí)斷裂一條，構(gòu)成負(fù)花狀組合樣式。自上而下地層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其力學(xué)參數(shù)見表3。根據(jù)前述順南三維區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場背景，對(duì)模型的約束條件為：約束模型Y軸底面垂向位移，X軸兩側(cè)面東西方向位移、Z軸底面南北方向位移，模擬三向圍壓狀態(tài)；加載條件為：在模型南部界面斷裂兩側(cè)施加自南向北的差異推擠力，其中斷裂左盤較右盤擠壓力小，同時(shí)在兩斷層間施加垂向壓力，模擬負(fù)花狀構(gòu)造發(fā)育時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，以此為基礎(chǔ)，開展應(yīng)力場數(shù)值模擬。

模擬結(jié)果顯示，三軸主應(yīng)力最小主應(yīng)力高值區(qū)沿?cái)嗔褞Х植?，沿巖層界面出現(xiàn)低值區(qū)；中間、最大主應(yīng)力高值區(qū)沿?cái)嗔褞Ъ案浇植?，明顯受巖層界面影響；剪應(yīng)力在斷裂兩側(cè)對(duì)稱分布，大小近似相等，方向相反。

走滑斷裂派生裂縫主要為剪切裂縫，因而可以應(yīng)用最大、最小主應(yīng)力差應(yīng)力及應(yīng)變強(qiáng)度指標(biāo)(圖6)來評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育程度，差應(yīng)力高值區(qū)代表裂縫發(fā)育區(qū)，通過剖面不同層段差應(yīng)力的分布可以看出，走滑斷裂控制裂縫發(fā)育程度明顯受斷裂控制，遠(yuǎn)離斷層，裂縫發(fā)育程度逐漸減小，斷裂帶控制裂縫發(fā)育范圍最大為斷裂帶寬度的6.5倍(測量方法同前)；同時(shí)，裂縫發(fā)育受巖性控制，沿不同巖性界面斷裂控制誘導(dǎo)裂縫發(fā)帶區(qū)范圍明顯變大，且灰?guī)r、云巖段較泥巖及膏鹽巖段裂縫發(fā)育程度高、誘導(dǎo)裂縫帶寬度大，這與局部斷裂帶內(nèi)部、泥巖及膏鹽巖段巖石能干性低有關(guān)，低能干性巖石易于產(chǎn)生變形，應(yīng)力釋放快，應(yīng)力集中不明顯，不利于裂縫產(chǎn)生，因而其控制裂縫發(fā)育區(qū)范圍小，裂縫發(fā)育程度低。

根據(jù)巖心、成像裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果，斷裂控制的裂縫發(fā)育程度與主走滑斷裂變形強(qiáng)度具有正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步結(jié)合走滑斷裂平面及剖面裂縫預(yù)測結(jié)果，最終確定走滑斷裂誘導(dǎo)的裂縫發(fā)育帶寬度為斷裂核部寬度的1.25～6.5倍。

4 奧陶系裂縫發(fā)育規(guī)律預(yù)測

順南地區(qū)主要勘探目的層為奧陶系，斷裂-裂縫主要在加里東晚期-海西早期發(fā)育，因而根據(jù)中-下奧陶統(tǒng)頂面加里東中期Ⅲ幕古構(gòu)造圖構(gòu)建地質(zhì)及力學(xué)模型(圖7)。開展應(yīng)力場數(shù)值模擬及裂縫預(yù)測根據(jù)前述加里東晚期-海西早期順南地區(qū)北東向走滑斷裂主要受控于塔中隆起沿Ⅰ號(hào)斷裂帶的差異推擠作用，因而自東往西分別施加遞減的差異推擠作用，同時(shí)為模擬Ⅰ號(hào)斷裂帶的右行走滑對(duì)順南地區(qū)的影響，在模型的西南邊界施加SE-NW的切應(yīng)力，重力由模型自動(dòng)生成。模型邊界條件為約束模型底面，固定其垂向及南北方向的位移，減少下盤基底巖石的變形，同時(shí)固定模型東部邊界的東西方向位移。

在以上模型約束和加載條件下對(duì)模型進(jìn)行求解運(yùn)算，得到加里東晚期-海西早期三軸主應(yīng)力及最大、最小主應(yīng)力的差應(yīng)力分布，進(jìn)一步導(dǎo)入地應(yīng)力與裂縫參數(shù)間定量模型對(duì)裂縫密度進(jìn)行定量計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，順南地區(qū)一間房組頂面(圖8a)靠近Ⅰ號(hào)斷裂帶及沿NE向斷裂，裂縫密度大，發(fā)育程度高，遠(yuǎn)離Ⅰ號(hào)斷裂帶裂縫主要沿NE向斷裂發(fā)育，SN6井附近及模型東北，裂縫基本不發(fā)育；鷹山組頂面(圖8b)裂縫沿NE向斷裂分布特征明顯，且西部較東部裂縫發(fā)育程度更高。裂縫預(yù)測結(jié)果SN1井、SN2井及SN4井密度區(qū)間3～10 條/m，SN3井、SN5井密度區(qū)間1～3 條/m，與巖心統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)基本一致，預(yù)測結(jié)果合理可信。

通過對(duì)比過SN6井及SN7井剖面一間房組與鷹山組裂縫發(fā)育密度(圖9)差異可以看出，鷹山組裂縫發(fā)育密度普遍高于一間房組，鷹山組裂縫密度普遍大于1.0 條/m，而一間房組裂縫密度普遍小于1.0 條/m，特別是在SN6井附近，一間房組裂縫基本不發(fā)育，但鷹山組裂縫相對(duì)發(fā)育，與鉆井結(jié)果吻合性較好。

5 結(jié)論

1) 順南地區(qū)主要發(fā)育與走滑斷裂伴生及走滑斷裂活動(dòng)過程中派生發(fā)育的構(gòu)造裂縫，裂縫以高角度-近垂直縫為主，走向NE-NEE為主，規(guī)模較大，充填嚴(yán)重，低角度縫走向雜亂，走向NEE、NW為主。

2) 模擬結(jié)果認(rèn)為，走滑斷裂控制裂縫發(fā)育范圍為斷裂帶核部寬度的1.25～6.5倍，且走滑斷層拉分段派生裂縫發(fā)育范圍與強(qiáng)度明顯大于平移段。

表3 順南地區(qū)地層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)參數(shù)Table 3 Stratigraphic architecture and its mechanical parameters in Shunnan area

編號(hào)層位厚度/m泊松比彈性模量/GPa摩擦系數(shù)密度/(kg·m-3)1上奧陶統(tǒng)泥巖2 6030.32580.302 5962一間房組2050.29960.302 6733鷹上段3850.301000.302 6784鷹下段3740.281050.302 7015蓬萊壩組4280.281060.302 7706上寒武統(tǒng)7910.281060.302 7397中、下寒武統(tǒng)5950.45150.152 4768基底5 0000.251250.302 7639斷層50～2000.35400.202 500

3) 巖性是控制裂縫發(fā)育的重要因素，順南地區(qū)鷹山組裂縫發(fā)育程度普遍高于一間房組，且沿巖性界面，斷裂控制誘導(dǎo)裂縫發(fā)育區(qū)范圍明顯變大。

圖7 順南地區(qū)加里東晚期—海西早期古地質(zhì)模型及網(wǎng)格剖分Fig.7 Peleo-geological model and gridding of Shunnan area in the Late Caledonian-Early Hercynian

圖8 順南地區(qū)加里東晚期—海西早期一間房組(a)及鷹山組(b)頂面裂縫密度分布Fig.8 Distribution of fracture density in the Yijianfang Formation(a)and Yingshan Formation(b)in the Late Caledonian-Early Hercynian in Shunnan area

圖9 順南地區(qū)剖面裂縫密度分布Fig.9 Distribution of fracture density along the profile in Shunnan areaa.過SN6井剖面；b.過SN7井剖面