渠 芳,連承波,柴震瀚,任冠雄,夏青松,劉 宏
(西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川成都610500)
孔隙性砂巖地層中的變形帶是指發(fā)育于孔隙性巖石(孔隙度大于15%)或未完全膠結(jié)的顆粒沉積物中,多表現(xiàn)為小型、斷層狀結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)變薄層帶,與一般的斷裂相比,缺少獨立、連續(xù)的滑脫面[1-3]。通常在變形帶形成和發(fā)展過程中,其孔隙度和滲透率會明顯低于周圍巖石[4-10],在碎屑巖油氣儲層中,變形帶有可能作為單獨的局部構(gòu)造存在,也有可能數(shù)條變形帶聚集在一起出現(xiàn)在斷裂破碎帶中[11]。孔隙性砂巖地層中變形帶的研究是近年來斷層發(fā)育區(qū)儲層精細(xì)建模所涵蓋的關(guān)鍵內(nèi)容,可以更好地指導(dǎo)流體的運移模擬[12]。
中國東部主要的含油氣盆地多以中、新生界孔隙性砂巖地層作為主要的含油氣層系,且斷裂極為發(fā)育,控制著油氣藏的垂向和平面分布。因此,斷裂對油氣的輸導(dǎo)性、封堵性研究一直是石油地質(zhì)研究領(lǐng)域的熱點和難點,取得了許多進展[13-17]。但是目前針對孔隙性砂巖地層中斷層破裂帶發(fā)育的變形帶的相關(guān)研究甚少。因此,筆者對中外有關(guān)孔隙性砂巖地層中變形帶研究及其相關(guān)應(yīng)用進行綜合分析,以期在厘清孔隙性油氣儲層中的油氣優(yōu)勢運移通道、剖析斷層對流體運移的影響、精細(xì)準(zhǔn)確的三維地質(zhì)建模以及明確油氣成藏規(guī)律等方面起到拋磚引玉的作用。
變形帶這個術(shù)語在很多領(lǐng)域均有應(yīng)用,AYDIN等將其最早應(yīng)用于描述砂巖中的形變現(xiàn)象[18-20]。自此以后,變形帶逐漸用來代表孔隙性巖層中的微斷裂[5]、剪切變形帶[21]、破碎滑動帶[22]等。FISHER等認(rèn)為可將15%作為高孔隙性和低孔隙性巖石的分界[8]。低孔隙性或非孔隙性巖石的變形受成巖階段影響較小,巖石變形形成的微構(gòu)造多為裂縫;高孔隙性砂巖變形形成的變形帶類型繁多,在未固結(jié)-半固結(jié)、固結(jié)至超固結(jié)成巖階段分別形成解聚帶、碎裂變形帶和壓溶膠結(jié)變形帶,按泥質(zhì)含量可分為碎裂帶和層狀硅酸鹽變形帶[2],根據(jù)力學(xué)性質(zhì)可分為膨脹帶、剪切帶、壓縮帶以及混合變形帶[1,23-24]。
地質(zhì)學(xué)所說的變形帶一般是指由于碎屑顆粒旋轉(zhuǎn)形成的壓縮性的剪切碎裂變形帶。這種應(yīng)力集中產(chǎn)生的壓實作用會形成局部簇狀變形帶,并最終發(fā)展形成斷層[25]。而純剪切變形帶和純擠壓變形帶一般在實驗室條件下或理論上存在[6,26-33],在野外也可以觀測到[34],其共同的特征是存在于孔隙性砂巖或砂質(zhì)沉積物(孔隙度為15%~30%)中。
AYDIN認(rèn)為變形帶僅發(fā)育于孔隙性顆粒介質(zhì)中,其形成與發(fā)展包括碎屑顆粒的旋轉(zhuǎn)與形變過程,需要一定的孔隙度來完成[18]。若巖層的孔隙度很小,則傾向于形成張性裂縫及斷層滑動面。目前對石英砂巖中斷裂變形機制的研究較多[2,19],而對長石砂巖和巖屑砂巖卻缺乏系統(tǒng)研究。變形帶的形成機制主要有:顆粒流運動(顆粒邊緣的滑動及顆粒旋轉(zhuǎn))、碎裂流作用、溶解和膠結(jié)作用以及層狀硅酸鹽涂抹作用等。在不同的成巖演化階段,母巖及溫壓條件均不同,變形機制也明顯不同,進而形成的變形帶類型也不同,甚至?xí)l(fā)生相互轉(zhuǎn)化[23]。有些沉積巖層的性質(zhì)雖然比較穩(wěn)定,但層間差異較大,從而導(dǎo)致在不同的巖性邊界形成不同的變形帶類型。而諸如孔隙度、滲透率、圍壓、應(yīng)力狀態(tài)及膠結(jié)程度這些因素常會隨著時間推移而發(fā)生一定的變化,所以隨著沉積巖層埋深的增加,變形帶常會形成一定的時間演化序列,可以反映出地層在埋藏、成巖、抬升過程中所經(jīng)歷的物性變化。
國外很多學(xué)者針對砂巖中變形帶形成的時間演化序列進行了研究,認(rèn)為不同類型變形帶的形成主要與巖石埋深及層狀硅酸鹽含量有關(guān)[2,35](圖1)。
圖1 變形帶類型與巖石埋深及層狀硅酸鹽含量的關(guān)系(據(jù)文獻[2]修改)Fig.1 Schematic of relationship among deformation band types,rock depth and phyllosilicate content(Modified according to reference[2])
高孔隙性砂巖在未固結(jié)-半固結(jié)成巖階段(埋深小于1 km、低圍壓條件)的斷裂變形機制為顆粒邊界摩擦滑動引起顆粒旋轉(zhuǎn)和滾動,即為顆粒流[35-36],導(dǎo)致顆粒重排,形成解聚帶[37-39]。其外觀顏色比母巖淺,顆粒尺寸無明顯減小,孔滲性與母巖相比無明顯變化[36]。
在固結(jié)成巖階段(埋深為1~3 km、中等圍壓條件),斷裂變形機制為碎裂作用,形成碎裂帶[8,19-20,38,40]。孔隙度和滲透率與母巖相比明顯降低,且母巖孔隙度越大,形成的碎裂帶孔隙度越低[6]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)在埋深小于1 km的弱固結(jié)砂巖中也可能發(fā)育碎裂變形帶,這主要是由于分選、磨圓均較好的礦物顆粒造成的顆粒接觸應(yīng)力集中所致。不過這些淺層碎裂帶所表現(xiàn)出的碎裂作用比深層碎裂帶要弱得多[35]。當(dāng)固結(jié)高孔隙性巖石或低孔隙性巖石處于高圍壓條件,且應(yīng)變速率較高時,巖石會發(fā)生破裂,沿破裂面發(fā)生礦物顆粒的強烈摩擦滑動、旋轉(zhuǎn)和破碎,即為碎裂流,也會形成碎裂帶。不過由碎裂作用至碎裂流作用的界限受很多因素影響,目前還不確定(圖1)。
當(dāng)埋深超過3 km,即地層溫度超過90℃時,碎裂帶發(fā)生明顯的石英壓溶膠結(jié),形成壓溶膠結(jié)帶[2],其滲透率比碎裂帶低1~2個數(shù)量級[8]。固結(jié)成巖的砂巖在抬升過程中,由于卸載作用和冷卻作用,主要發(fā)生脆性變形,形成區(qū)域裂縫無內(nèi)聚力的斷層角礫巖[23]。
層狀硅酸鹽變形帶的形成主要與巖石中層狀硅酸鹽礦物的含量有關(guān)。不管深度如何,只要層狀硅酸鹽礦物含量大于15%,則在變形過程中主要表現(xiàn)為碎屑顆粒與黏土礦物的滑動和混合,形成層狀硅酸鹽變形帶。當(dāng)黏土礦物含量超過40%時,則以發(fā)生泥巖涂抹作用為主[2]。
野外及實驗室觀察數(shù)據(jù)均表明,在不同成巖階段形成的不同類型變形帶可以出現(xiàn)疊加,例如固結(jié)成巖階段形成的碎裂帶與壓溶膠結(jié)型碎裂帶的組合,或是碎裂帶與低孔隙性階段形成的裂縫組合[2,8,41]。從宏觀上來講,在一個砂巖層中的不同部位有可能同時發(fā)育變形帶和節(jié)理構(gòu)造;但就局部來說,變形帶的發(fā)育常遵循以下時間演化序列:①單條變形帶;②簇狀變形帶或發(fā)育斷層滑動面的簇狀變形帶;③節(jié)理;④節(jié)理發(fā)生更大滑動形成斷層[42]。因此,變形帶可以作為獨立構(gòu)造存在,也可以聚集形成復(fù)雜的簇狀變形帶,以及存在于斷層破裂帶中,且隨著應(yīng)力的增大,形成變形帶的數(shù)目也越多[11,20]。斷層滑動面通常在簇狀變形帶中成核,然后逐漸生長、連接,最終形成一條貫穿的斷層面[43]。在斷層開始形成之前,通常會先經(jīng)過顆粒強烈局部破碎的過程。在斷層端部前方,常會形成長度不等的過渡區(qū),由數(shù)量不一的變形帶組成;其長度因巖層的巖性不同而各異,在分選良好的孔隙性砂巖中,過渡區(qū)通常長達百米,從而會對油氣運移聚集產(chǎn)生影響[43]。
與石油地質(zhì)密切相關(guān)的、本文的重點研究對象為孔隙性巖層中大量發(fā)育的碎裂變形帶以及壓溶碎裂變形帶,其主要具有以下發(fā)育特征:①多發(fā)育在高孔隙性(孔隙度大于15%)砂巖中,拉張應(yīng)力與擠壓應(yīng)力下均可以形成[8,38,44-45]。②發(fā)育模式主要有2種類型:一是以多種組合模式發(fā)育于背斜中,二是廣泛發(fā)育于斷裂破碎帶中(圖2)。③由于風(fēng)化原因,外觀上多呈肋狀凸出,顏色比母巖淺,泥質(zhì)含量較高時顏色較深(圖 3)[2,19],礦物成分與母巖相似,微觀上表現(xiàn)為顆粒尺寸減小、分選變差。④變形帶不同于斷層滑動面或裂縫,與典型斷面或裂縫相比,其厚度變化較大,位移更小,且致使巖石的孔隙度和滲透率降低(圖3)[45]。⑤單條變形帶的位移很小,即使長達100 m的變形帶,其位移一般也不會超過幾厘米,且變形帶的密度隨著與斷層核距離的增大而逐漸減?。?]。⑥簇狀變形帶可發(fā)育于斷裂破碎帶、斷裂端部的過渡區(qū)、調(diào)節(jié)帶、背斜頂部、交叉斷層組成的三角地帶、2條平行斷層之間的區(qū)域等應(yīng)力集中的構(gòu)造部位,且其厚度變化較大(圖3c)[2,42]。⑦平面和剖面組合模式多樣,如網(wǎng)狀、交叉、平行、共軛、截斷、硬連接等(圖3)。
很多學(xué)者通過研究變形帶及其兩側(cè)巖層的滲透性,發(fā)現(xiàn)變形帶可能會對巖層的滲透性產(chǎn)生影響,進而影響流體的滲流特征。變形帶會降低儲層的滲透性,但也有一些實例表明變形帶有時亦可以作為流體的運移通道[46-48],這主要取決于變形帶內(nèi)部滲透性與其圍巖滲透性的關(guān)系。根據(jù)變形帶的力學(xué)形成機制,淺層形成的膨脹型解聚帶多會增大巖層的孔滲性,但總體來講,其對于砂巖儲層滲透率的影響微乎其微。層狀硅酸鹽變形帶由于層狀礦物的混合與重組,通常會降低巖層滲透率達2~5個數(shù)量級[8]。目前關(guān)于變形帶物理性質(zhì)的研究多集中于最為常見的剪切變形作用形成的碎裂變形帶,由于顆粒的破碎和重新排列,常會導(dǎo)致碎裂變形帶的滲透率比圍巖低 2~6 個數(shù)量級[4-5,7-8,10,48-53],而發(fā)生于變形帶中的膠結(jié)作用和溶解作用常會致使其孔滲性繼續(xù)變差[54]。
圖2 變形帶常見發(fā)育構(gòu)造部位(據(jù)文獻[45]修改)Fig.2 Main development structural positions of deformation bands(Modified according to reference[45])
圖3 遠安盆地上白堊統(tǒng)砂巖地層中的變形帶組合模式Fig.3 Types of composition of deformation bands in Upper Cretaceous sandstone of Yuanan Basin
雖然絕大多數(shù)變形帶會降低巖層的滲透性,但其對流體流動的影響究竟如何卻尚無定論。變形帶的厚度及其滲透性可控制單相流體的流動(比如水在飽和水的巖石中流動或油在飽和油的巖石中流動)[55]。但FOSSEN等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):當(dāng)碎裂帶的滲透率比母巖的滲透率低3個數(shù)量級時,即使碎裂帶密度高達100條/m時,對流體的流動效率也沒有明顯的影響;但當(dāng)碎裂帶的滲透率比母巖的滲透率低4~6個數(shù)量級時,流體的流動效率明顯降低;在兩相流體的流動過程中(例如油在飽含水的巖石中流動),毛細(xì)管力則起到更為重大的作用,斷層兩盤巖層的排驅(qū)壓力決定其可以聚集的烴柱高度[12]。王海學(xué)等以柴達木盆地油砂山背斜下油砂山組為研究對象,探討了其中發(fā)育的變形帶對流體流動的影響,同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)變形帶滲透率較母巖低3個數(shù)量級以上時,對流體流動起到阻礙作用,而變形帶滲透率低1~2個數(shù)量級,對流體流動基本無明顯阻滯作用[49]。HARPER等通過計算認(rèn)為變形帶封閉油柱的高度不超過20 m[56],GIBSON則認(rèn)為變形帶封閉的烴柱高度最大為75 m[57]。在蘇格蘭東北部Coithness的老紅砂巖上部富含瀝青的多孔砂巖中,油氣包裹體僅存在于未變形的砂巖孔隙和變形后形成的晚期石英次生加大帶中,而膠結(jié)的變形帶中不含油氣,證明了變形帶確實可以對油氣運移路徑造成影響。而塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖變形帶的分析結(jié)果表明[58],其對儲層物性的作用不同于碎屑巖,大多數(shù)壓實變形帶以低滲透特征出現(xiàn),表現(xiàn)出阻礙流體運動的特征。膨脹變形帶并非都具有增孔作用,而剪切變形帶則可能殘余局部孔隙,并在部分裂縫發(fā)育區(qū)形成良好的滲流通道??傮w來講,碳酸鹽巖變形帶可能是造成油氣層滲透性整體較低的重要原因。
筆者認(rèn)為,不管是單相流體還是雙相流體,僅考慮滲透率的差異都是不夠的,變形帶在三維空間的厚度、連續(xù)性及滲透性的變化才是關(guān)鍵所在。野外觀察顯示,即使是單條變形帶,其厚度及孔隙度的變化也是很大的,延伸至整個變形區(qū),變形帶及簇狀變形帶的展布特征及對應(yīng)滲透性的變化則更加難以掌握。但目前對于變形帶及簇狀變形帶三維空間分布規(guī)律的研究尚較為欠缺。
由于斷裂是復(fù)雜的三維空間體,且與油氣的運移、成藏及保存的關(guān)系非常密切,因此斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變形機理研究倍受重視[15,59-68]。目前中外很少將變形帶孤立進行研究,多數(shù)是將其作為整個斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封閉性研究的一部分。
近年來斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究越來越精細(xì)化,主要分為4個方面:野外露頭斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類[67,69-78]、斷裂帶結(jié)構(gòu)單元的非均質(zhì)性[67,79-82]、盆地內(nèi)斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)[83-85]、斷裂相及建模[3,86-89]。
隨著研究的深入,多數(shù)國外學(xué)者通過野外露頭觀察和取樣測試對斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了精細(xì)劃分,認(rèn)為斷裂帶通常包括斷層核和周圍的破裂帶,這兩者與未變形的原巖在構(gòu)造特征、形成機理及巖石物性等方面均存在差異[69-74]。JONES等根據(jù)應(yīng)力場分布特點將破裂帶劃分為內(nèi)破裂帶和外破裂帶[90-91]。KIM等根據(jù)斷裂帶不同結(jié)構(gòu)單元的位置,將破碎帶分為圍巖破碎帶、連接破碎帶和端部破碎帶[92]。而在孔隙性的巖層中,斷層破碎帶以變形帶的出現(xiàn)為特征,其可以降低巖體滲透性。碎屑巖儲層中變形帶的存在可導(dǎo)致滲透率降低1~6個數(shù)量級,主要是阻礙流體的流動,形成致密封隔層[2,83]。斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)也具有明顯的時空差異:在時間上,同一斷裂不同地質(zhì)歷史時期的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異;空間上,斷裂帶具有橫向上的不對稱性、垂向上的分層性和走向上的分段性[67]。斷層核兩側(cè)通常由不對稱的結(jié)構(gòu)單元組成[79-81]。正是這些差異引起斷裂帶內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)單元物性的非均質(zhì)特點,致使斷裂帶對油氣的輸導(dǎo)和封堵能力也存在時空差異。
付曉飛等以純凈石英砂巖為研究對象,針對不同類型的變形帶對斷層封閉性、油氣運移、充注的影響進行了有益的探討[15],認(rèn)為在不同成巖階段,由于不同的深度變形機制及變形帶類型,導(dǎo)致油氣選擇性充注,碎裂帶和壓溶膠結(jié)碎裂帶阻止油氣向高孔隙性砂巖中充注,解聚帶會成為油氣運移的通道,裂縫有利于油氣優(yōu)先充注(圖4)。但目前中國學(xué)者將變形帶和油氣充注聯(lián)系起來進行研究的文獻和成果則太少。
相較于露頭,對于盆地內(nèi)部斷裂結(jié)構(gòu)即斷裂帶埋于地下部分的研究較少。陳偉等利用地震、鉆井和錄井資料定性分析含油氣盆地的斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu),總結(jié)各類結(jié)構(gòu)單元的測井響應(yīng)特征[67]。在此基礎(chǔ)上,利用斷裂帶指示曲線計算法和交會圖法對斷裂帶各類結(jié)構(gòu)單元進行定量計算。斷裂帶指示曲線反映次生孔隙和裂縫的發(fā)育程度,但受資料所限,至今無法做到有效識別出覆蓋區(qū)變形帶,因此針對該方面的研究仍屬空白。
通過研究斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元(包括變形帶的發(fā)育和分布),盡可能詳細(xì)地建立三維斷裂地質(zhì)模型,以更有效地反映出斷裂帶對流體運移和聚集的影響。TVERANGER等針對斷裂帶中流體運移的精細(xì)建模進行了詳細(xì)研究,提出了斷裂相的概念[86]。而通常所說的斷裂帶即為一系列斷裂相的集合,斷裂相概念的提出對于更進一步理解油氣運移機制,建立非均質(zhì)儲層精細(xì)建模方法,進而提高油氣采收率具有重要意義。FREDMAN嘗試進行斷層相建模,對斷裂帶在三維空間內(nèi)進行表征,但此次嘗試仍主要針對斷層核部的細(xì)化,而對斷裂帶周圍的破碎帶或變形帶的研究則存在不足[87]。BRAATHEN等將碎屑巖油藏中的斷裂相劃分為不同級別、不同尺度的結(jié)構(gòu)要素和巖相組合,認(rèn)為主要形成滑動面、裂縫帶和變形帶3種斷裂相,為斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究提供了新的思路和定量建模方法[3]。屈泰來等采用TVERANGER等提出的斷裂相的概念和思路,以中國新疆塔里木盆地柯坪露頭碳酸鹽巖斷裂帶為例,詳細(xì)研究其滑動面、裂縫帶和變形帶等斷裂相的特征,認(rèn)為碳酸鹽巖斷層核部多致密,破碎帶中的裂縫帶是油氣輸導(dǎo)的優(yōu)勢通道[88]。鄔光輝等通過露頭與井下資料的綜合分析,研究了塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖走滑斷裂帶各類斷裂相(斷層核部的裂縫帶、透鏡體、滑動面,破裂帶的裂縫帶、變形帶)的發(fā)育特征,并利用地震剖面、構(gòu)造圖和相干圖等資料聯(lián)合判識各類斷裂相的特征及發(fā)育程度,根據(jù)其滲流特性定性地區(qū)分高滲透相和致密相區(qū)[89]。
圖4 純凈砂巖中斷裂變形形成的微構(gòu)造類型及對油氣充注影響模式(據(jù)文獻[15]修改)Fig.4 Micro-structural types formed by fracture deformation and their effects on hydrocarboon filling in pure sandstones(Modified according to reference[15])
由上述內(nèi)容可知,對不同地質(zhì)條件下斷裂帶的研究仍主要集中于針對斷層核部系統(tǒng)的探討,或斷層封堵性的研究。而斷層破碎帶中所發(fā)育的不同類型變形帶雖已引起很多學(xué)者的注意,但鑒于其分布規(guī)律、物性變化在三維空間研究的不足,以及覆蓋區(qū)資料難以識別變形帶的問題,目前在斷層帶的三維精細(xì)建模中還不能做到全面利用變形帶的特點和分布來更好地指導(dǎo)斷層的建模和流體運移的分析。
在不同成巖階段,隨埋深的增加,孔隙性砂巖地層中變形帶遵循解聚帶、碎裂帶、壓溶膠結(jié)型碎裂帶的形成順序。層狀硅酸鹽變形帶的形成則主要與巖石中層狀硅酸鹽礦物的含量有關(guān)。當(dāng)層狀硅酸鹽礦物含量為15%~40%時,在變形過程中主要表現(xiàn)為形成層狀硅酸鹽變形帶。在不同成巖階段形成的不同類型變形帶可以出現(xiàn)疊加。
完整的變形帶時間演化序列主要包括:①單條變形帶;②簇狀變形帶或發(fā)育斷層滑動面的簇狀變形帶;③節(jié)理;④節(jié)理發(fā)生更大滑動形成斷層。因此,變形帶可以作為獨立構(gòu)造存在,也可以聚集形成復(fù)雜的簇狀變形帶,以及存在于斷層破裂帶中,平面和剖面上具有網(wǎng)狀、交叉、平行、共軛、截斷、硬連接等多種組合模式。
目前變形帶的研究主要基于野外露頭,針對變形帶的類型、形成機制、發(fā)育特征等方面的研究相對較為成熟,在變形帶對流體滲流的影響方面做出了一些有益的探討,認(rèn)為絕大多數(shù)變形帶會降低巖層的滲透率達2~6個數(shù)量級,但其對流體流動的影響究竟如何卻尚無定論。這主要源于目前對孔隙性砂巖變形帶的類型、三維空間的長度和密度變化規(guī)律、與斷層位移的關(guān)系以及物性的變化規(guī)律等方面尚存在疑點,而變形帶對流體運移的影響又主要受控于以上因素,因此導(dǎo)致在該方面的認(rèn)識欠缺。
針對中國孔隙性砂巖地層中的變形帶尚欠缺獨立、完整的研究,還有很大研究空間。目前僅在新疆柯坪露頭、武漢遠安盆地和青海柴達木盆地油砂山等地區(qū)有一些初步研究。由于過斷層的鉆井、巖心等資料相對缺乏,難以進行直觀的觀察,僅利用地震和測井等資料無法達到有效識別,因此關(guān)于含油氣盆地內(nèi)部井下孔隙性砂巖變形帶的研究只略有涉及。上述研究成果為中國含油氣盆地淺層碎屑巖地層中變形帶的研究提供了良好的支持和借鑒。結(jié)合豐富的野外露頭資料,更深入地研究變形帶的發(fā)育特征及非均質(zhì)性,將會對油氣優(yōu)勢運移通道研究大有裨益,對于更加精細(xì)準(zhǔn)確的三維地質(zhì)建模以及明確油氣成藏規(guī)律也具有重要的理論和實踐意義。