鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組裂縫特征及成因

彭先鋒，鄧虎成，何建華，雷 濤，張燁毓，胡笑非

1.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，成都 610059；2.四川省能源投資集團有限責(zé)任公司，成都 610095；3.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；4.中國石化 華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006；5.四川省科源工程技術(shù)測試中心，成都 610073

大牛地氣田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的烏審旗、伊金霍洛旗和陜西省榆林市的交界地區(qū)[1]，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部，構(gòu)造形態(tài)整體平緩，為“北東高、西南低”的平緩單斜構(gòu)造[2-3]；其儲層奧陶系馬家溝組馬五5段巖性為細晶—粉晶白云巖、泥晶—微晶灰?guī)r、含膏灰?guī)r和云質(zhì)灰?guī)r等。馬五5段沉積期為海退期，具有陸地面積大、云坪分布廣泛和膏鹽湖發(fā)育的特征。馬五5段在沉積末期遭受加里東運動的抬升作用，地層遭受120～150 Ma的強烈風(fēng)化剝蝕和化學(xué)溶蝕，形成了多種成因的天然裂縫。馬家溝組馬五5段地層在地表水(或地下水)的風(fēng)化剝蝕和化學(xué)溶蝕作用下，形成了多種類型的裂縫系統(tǒng)[4-6]，為天然氣的運移和儲集提供了良好的條件。大牛地氣田風(fēng)化殼巖溶儲層屬于特低孔、低滲致密儲層[7]，裂縫系統(tǒng)改善了儲層的滲透性。大牛地氣田馬家溝組馬五5段風(fēng)化殼巖溶儲層的勘探實踐證明，裂縫對該氣田內(nèi)氣井的高產(chǎn)起著關(guān)鍵作用。因此，研究馬家溝組馬五5段地層內(nèi)裂縫特征，對提高大牛地氣田天然氣產(chǎn)量、落實下一步勘探有利區(qū)具有重要意義。

1 裂縫特征

李斌等[8]和謝亞軍等[9]根據(jù)山坡縱向坡度的定義，將坡度介于31°～70°的地貌定義為陡坡；陳立官等[10]在研究四川盆地川中地區(qū)香溪群砂巖裂縫時指出，“沉積物沿斜坡的重力滑動使斜坡上部巖層受拉張，斜坡下部受到擠壓，因此在殘丘、斜坡上部易產(chǎn)生張性裂縫。裂縫上寬下窄，裂縫面(斷裂面)上陡下緩，在拉張力的作用下陡坎上部的沉積物會形成裂縫”；周文[11]指出，雖然差異壓實量很大時才能形成正斷層，但是差異壓實可以較容易地形成破裂縫。據(jù)陳立官等[12]對該類裂縫特征的研究成果，陡坎成因裂縫可定義為：發(fā)育局限且受控于破裂位置下伏地層的地貌，發(fā)育在不整合面陡坡地形上的與差異壓實作用或重力誘發(fā)的拉張應(yīng)力作用有關(guān)的非構(gòu)造破裂縫。

前人研究表明[1-4]，大牛地氣田馬家溝組碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶儲層內(nèi)，發(fā)育構(gòu)造裂縫與非構(gòu)造裂縫兩種類型的天然裂縫。其中，構(gòu)造裂縫主要包括區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力縫、基底斷層復(fù)活派生裂縫和層面滑移縫；非構(gòu)造裂縫主要包括成巖裂縫(包括壓實縫和壓溶縫)和風(fēng)化裂縫，風(fēng)化裂縫又可以分為表層風(fēng)化淋濾破裂縫、巖溶崩塌破裂縫和陡坎成因裂縫[1,13-14]。

大牛地氣田的構(gòu)造裂縫中，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力縫指的是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，巖石發(fā)生剪切破裂形成的高角度或近垂直的裂縫，裂縫面形態(tài)規(guī)則(圖1a)；層面滑移縫為在區(qū)域性構(gòu)造應(yīng)力作用下，沿著軟弱面順層滑動產(chǎn)生(圖1b)；基底斷層復(fù)活派生裂縫是指地層底部早期存在的基底斷層，后期基底斷層差異復(fù)活，形成與低幅褶皺或斷層派生的高角度張性縫或張剪性縫(圖1c)。

圖1 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組構(gòu)造裂縫特征

大牛地氣田馬家溝組馬五5段受到多期構(gòu)造應(yīng)力場的疊加改造，巖心上裂縫特征復(fù)雜，可見多期構(gòu)造破裂現(xiàn)象。構(gòu)造張性裂縫的傾角多大于60°，表現(xiàn)為高角度斜交或近垂直狀，裂縫具有較大的延伸規(guī)模。構(gòu)造剪切裂縫的傾角多小于50°，縫面上可見擦痕現(xiàn)象，這類低角度的剪切裂縫在地層條件下，因上覆地層的重力作用裂縫面為閉合狀態(tài)，對儲層內(nèi)油氣的滲流作用較小。

1.1 陡坡成因裂縫的特征

大牛地氣田馬家溝組馬五5段地層長期(120～150 Ma)遭受風(fēng)化剝蝕和化學(xué)溶蝕[4]，位于不整合面下的馬五5段古地貌普遍存在明顯的高程差，其古地貌存在大量的陡坡區(qū)域。由于陡坡地形導(dǎo)致陡坡兩側(cè)沉積物重量不同，將在陡坡上形成一個局部的“剪切破碎帶”，導(dǎo)致馬五5段地層的陡坡區(qū)域發(fā)生垮塌現(xiàn)象，或?qū)е埋R五5段上部地層發(fā)生沉積物差異壓實現(xiàn)象。因此，大牛地氣田馬五5段具備發(fā)育陡坎成因裂縫的地質(zhì)基礎(chǔ)。本文通過巖心觀察法、巖心薄片法和成像測井法，綜合描述大牛地氣田馬家溝組馬五5段陡坎成因裂縫的基本特征。

1.1.1 裂縫的巖石學(xué)特征

巖心觀察法是直觀反映井下天然裂縫發(fā)育狀況的方法之一[2,14]。陡坎成因裂縫主要位于灰色石灰?guī)r和破碎角礫巖中(圖2)；巖心上，陡坎成因裂縫的裂縫延伸長度和裂縫張開度大(圖2)；裂縫的形態(tài)不規(guī)則、具有上寬下窄的特征，裂縫面曲折、不平整，裂縫尾端無分叉，縫間具有明顯的溶蝕現(xiàn)象(圖2)。陡坎成因裂縫主要為垂直縫(68.50%)，高角度斜交縫次之(23.62%)；裂縫普遍呈未充填(44%)和半充填狀態(tài)(39%)，裂縫的有效性程度高。

圖2 鄂爾多斯盆地大牛地氣田 中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五5段陡坎成因裂縫的巖心特征

基于巖心觀察法，統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)巖心上裂縫延伸長度和裂縫張開度可知：陡坎成因裂縫延伸長度主要分布在0～40cm，裂縫張開度主要分布在0～0.8 cm，直方圖上沒有明顯的“主峰”形態(tài)，表明陡坎成因裂縫的裂縫延伸長度和裂縫張開度分布雜亂，即裂縫的規(guī)模大小不等，無明顯的組系特征；而構(gòu)造裂縫的裂縫延伸長度主要分布在0～10 cm，裂縫張開度主要分布在0～0.4 cm，該區(qū)間的構(gòu)造裂縫占比為72%，直方圖上具有明顯的“主峰”形態(tài)，表明研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造裂縫規(guī)?；疽恢拢哂忻黠@的組系特征。同時，陡坎成因裂縫的裂縫延伸長度平均值為20.66 cm，裂縫張開度平均值為0.45 cm；構(gòu)造裂縫的裂縫延伸長度平均值為9.24 cm，裂縫張開度平均值為0.31 cm，可見陡坎成因裂縫的裂縫延伸長度和裂縫張開度均大于構(gòu)造裂縫。以上結(jié)果表明，陡坎成因裂縫更加有利于油氣的運移，因此，陡坎成因裂縫對大牛地氣田馬五5段風(fēng)化殼巖溶儲層的形成和油氣運移具有重要的地質(zhì)意義。

統(tǒng)計巖心薄片尺度范圍內(nèi)的天然裂縫特征，可以從微觀角度分析裂縫發(fā)育特征[15]。觀察研究區(qū)25口井的248塊薄片，從巖心薄片角度可知，陡坎成因裂縫以充填縫居多，多被方解石、白云石、砂泥質(zhì)及石英等礦物充填，充填裂縫的占比為85.88%，充填程度高；而構(gòu)造裂縫充填物主要為方解石，且晚期構(gòu)造裂縫基本無充填物。另外，巖心薄片觀察結(jié)果顯示：陡坎成因裂縫的裂縫寬度普遍大于400 μm，占比為52.4%；構(gòu)造裂縫的裂縫寬度普遍小于400 μm，大于400 μm的占比僅為24.5%；陡坎成因裂縫的裂縫延展方向和裂縫形態(tài)不規(guī)則，面曲折，成網(wǎng)狀，常表現(xiàn)為一束主要破裂疊加多條樹枝狀分枝，縫間溶蝕現(xiàn)象明顯，而構(gòu)造裂縫的縫面較為平直。同時，陡坎成因裂縫主要分布在細晶白云巖、粉晶灰?guī)r、細粉晶白云巖、粉晶白云巖、泥粉晶白云巖和泥晶白云巖中，陡坎成因裂縫的發(fā)育強度在白云巖中具有明顯規(guī)律，其發(fā)育強度隨著白云巖顆粒尺寸的減小而逐漸降低，細晶白云巖中陡坎成因裂縫的發(fā)育強度最高，泥晶白云巖中最低；陡坎成因裂縫的發(fā)育強度在灰?guī)r中同樣具有明顯規(guī)律，粉晶灰?guī)r中的裂縫發(fā)育強度最高，其次是泥晶灰?guī)r，最低是泥粉晶灰?guī)r。

1.1.2 裂縫的測井特征

成像測井是根據(jù)測量鉆孔中電信號，對井壁及附近巖性進行多物理參數(shù)成像的測井方法。直觀性和可視性是成像測井的最大優(yōu)勢，因此其對地層中裂縫等的測量效果比常規(guī)測井具有優(yōu)勢[1,16]。大牛地氣田馬家溝組地層的成像測井較少，僅對D122、D126、PG34、D1-518、D1-530、D1-531和D92井進行了數(shù)字井周聲波成像測井。數(shù)字井周聲波成像測井采用明暗影像變化來識別裂縫等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。7口井的成像測井結(jié)果顯示，陡坎成因裂縫在成像測井上具有以下特征(圖3)：(1)裂縫形態(tài)為混亂的、不連續(xù)的暗色—亮色影像，具有被多種礦物充填、與溶蝕孔洞伴生的特點；(2)裂縫張開度變化大，裂縫形態(tài)不規(guī)則，但是其同時具有單周期的正弦曲線等構(gòu)造裂縫的特征；(3)以高角度斜交縫為主，同時走向分布雜亂，沒有明顯特征。

圖3 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組陡坎成因裂縫的成像測井特征(D92井)

1.2 陡坡成因裂縫與構(gòu)造裂縫的差異

加里東時期，大牛地氣田馬家溝組地層抬升暴露并長期遭受風(fēng)化剝蝕[4]，之后，馬家溝組地層又經(jīng)歷了燕山中期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)運動、燕山和喜馬拉雅期的構(gòu)造擠壓褶皺運動兩次重要構(gòu)造事件[3]。雖然大牛地氣田陡坎成因裂縫的形成伴隨著構(gòu)造運動，但是其與構(gòu)造裂縫具有明顯的差異性。

1.2.1 裂縫發(fā)育頻率和有效性

觀察大牛地氣田34口取心井的100塊巖心，統(tǒng)計巖心上觀察到的365條天然裂縫顯示：天然裂縫中構(gòu)造裂縫總頻率為24.1%，成巖裂縫為5.2%，表層風(fēng)化淋濾破裂縫為35.4%，巖溶崩塌破裂縫為10.6%，陡坎成因裂縫為24.6%，陡坎成因裂縫是研究區(qū)內(nèi)第二發(fā)育的裂縫類型；未充填的陡坎成因裂縫的頻率為17.6%，遠大于其他類型的未充填裂縫。若以裂縫充填程度表征裂縫的有效性，大牛地氣田馬家溝組馬5段地層內(nèi)陡坎成因裂縫的有效性最高，為馬五5段風(fēng)化殼巖溶儲層的天然氣運移和儲集提供了運移通道和儲集空間。

1.2.2 裂縫的期次

馬家溝組沉積后，印支、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運動是鄂爾多斯盆地地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展的主要原因[2]。印支構(gòu)造運動期，鄂爾多斯盆地為穩(wěn)定的坳陷盆地，表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力環(huán)境[17-18]；燕山構(gòu)造運動期表現(xiàn)為左旋剪切應(yīng)力環(huán)境；喜馬拉雅構(gòu)造運動期表現(xiàn)為右旋剪切—拉張應(yīng)力環(huán)境。因此，印支、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運動是馬家溝組構(gòu)造裂縫的主要成因。

陡坎成因裂縫的形成往往伴隨著構(gòu)造運動，加里東運動早期，馬家溝組地層在強烈的風(fēng)化剝蝕和巖溶作用下，不僅產(chǎn)生了大量裂隙、裂縫甚至是斷裂，而且為陡坎成因裂縫的形成提供了陡坎地貌條件；加里東運動后期，在重力派生的拉張應(yīng)力作用下，加里東運動早期產(chǎn)生的大量裂隙進一步擴展形成陡坎成因裂縫。因此，陡坎成因裂縫是繼承了加里東運動早期產(chǎn)生的大量裂隙，并在加里東運動后期重力派生的拉張應(yīng)力等因素誘發(fā)下形成的非構(gòu)造裂縫。

1.2.3 裂縫賦存層位

統(tǒng)計大牛地氣田構(gòu)造裂縫和陡坎成因裂縫賦存層位頻率可知，馬家溝組陡坎成因裂縫和構(gòu)造裂縫具有不同的賦存層位，構(gòu)造裂縫普遍發(fā)育在馬五1、馬五2及馬五5上部地層；而陡坎成因裂縫主要集中發(fā)育在馬五3、馬五4、馬五5下部和馬五6地層。

1.2.4 裂縫的形態(tài)和傾角

構(gòu)造裂縫的延伸規(guī)模和開度小于陡坎成因裂縫，裂縫較為平直，具有多個平行組系，層內(nèi)裂縫穩(wěn)定延伸、分支少、長度小，裂縫的充填物主要為方解石，呈現(xiàn)充填程度高，有效性相對較低的特點。陡坎成因裂縫無固定的組系特點，延展方向和裂縫形態(tài)也不規(guī)則，裂縫延伸規(guī)模大小不一，裂縫面具有上寬下窄、面不平整、局部有彎曲現(xiàn)象，縫面粗糙，尾端無分叉(圖2)；充填物多為方解石、白云石、砂泥質(zhì)及石英等礦物，裂縫的縫間溶蝕現(xiàn)象明顯，裂縫呈現(xiàn)未充填和半充填狀態(tài)，有效性高。

構(gòu)造裂縫的水平縫占比為22.4%，低角度斜交縫占比為24.0%，高角度斜交縫占比為25.6%，垂直縫占比為28.0%，因此構(gòu)造裂縫傾角分布廣泛，具有平行組系特征；陡坎成因裂縫主要為垂直縫(占比為68.50%)，高角度斜交縫次之(占比為23.62%)。

1.2.5 裂縫特征的差異性

基于以上對裂縫發(fā)育頻率、有效性、裂縫期次、賦存層位、裂縫形態(tài)和傾角的分析，大牛地氣田馬家溝組馬5段地層內(nèi)陡坎成因裂縫和構(gòu)造裂縫的差異性如表1所示。

表1 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組陡坎成因裂縫與構(gòu)造裂縫特征對比

2 裂縫成因探討

2.1 理論分析

大牛地氣田馬家溝組地層在加里東期出露地表時，受到淺表風(fēng)化作用產(chǎn)生裂隙，加之陡坎高部位的重力勢能和陡坎兩側(cè)的沉積載荷重力勢能差，在重力派生拉張應(yīng)力作用下，陡坎(斷層、風(fēng)化殘丘等)地帶易形成陡坎成因裂縫(圖4a-b)。據(jù)黃潤秋等[18]的研究，陡坡地形的坡體側(cè)向回彈變形誘發(fā)應(yīng)力(包括拉張應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ)中的拉張應(yīng)力(σ)，是陡坎成因裂縫形成的主要力學(xué)原因(圖4c)。坡體巖石內(nèi)裂隙(長度為2a)尖端因應(yīng)力集中發(fā)生失穩(wěn)擴展并逐漸擴大，是陡坎成因裂縫發(fā)生破裂和形成的力學(xué)機制(圖4d)。

圖4 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組陡坎成因裂縫的力學(xué)成因模式

當(dāng)外加應(yīng)力與裂隙垂直，在外加應(yīng)力作用下裂隙尖端張開，裂隙擴展方向與外加應(yīng)力方向垂直時的斷裂屬于Ⅰ型張開型斷裂，所以陡坎拉張裂縫為典型的Ⅰ型張開型斷裂?？珊喕癁樵跓o限平板中有多條長度為2a的裂隙[19](圖5)，當(dāng)它受到均勻拉張應(yīng)力(σ)的作用時，其裂隙端部附近區(qū)域(r→0)的應(yīng)力分量可利用彈性理論解得。根據(jù)斷裂力學(xué)理論和前人研究成果[11,18]，陡坎拉張裂縫產(chǎn)生的拉張應(yīng)力條件可以表示如式(1)。

圖5 長度為2a的裂隙的張開型斷裂模型

(1)

2an+(n-1)(w-2a)=L

(2)

(3)

式中：σ為卸載時陡坎附近誘發(fā)的拉張應(yīng)力；KⅠ為Ⅰ型斷裂的應(yīng)力強度因子，是度量裂隙端部應(yīng)力場強弱程度參量；Y為裂隙形狀系數(shù)，當(dāng)裂隙類型為含2a長中心裂隙的無限大平板、受遠場均勻拉伸應(yīng)力時，Y=1；w為臨近裂隙的中點距離；a為裂隙的半長；n為裂隙的數(shù)量，n=1,2,3,…,n；L為巖段的長度；K為連通率。

雖然大量的實驗表明，Ⅰ型斷裂的臨界應(yīng)力強度因子(KIc)的值與裂隙所處的材料性質(zhì)、幾何形狀和尺寸有關(guān)，但是對同一狀態(tài)下的同種材料存在著一個最小值，此值是材料抵抗斷裂能力的指標，是由材料性質(zhì)決定并可通過實驗測量的性能常數(shù)。當(dāng)裂隙的應(yīng)力強度因子達到臨界值(KIc)時，裂隙開始進入擴展階段。因此，陡坎拉張裂縫的斷裂準則如式(4)。

KⅠ≥KⅠc

(4)

即：

(5)

式中：KⅠc為Ⅰ型斷裂的臨界應(yīng)力強度因子。

2.2 實例驗證

大牛地氣田馬家溝組泥晶白云巖的巖石抗張強度最大(平均為8.6 MPa)，故假設(shè)KⅠ=8.6 MPa·m1/2；前文研究表明陡坎成因裂縫主要集中發(fā)育在馬五3、馬五4、馬五5下部和馬五6地層，其平均儲層厚度為10 m，即巖段的長度L=10 m；平均裂縫密度為2.5條/m，故取裂隙的數(shù)量n=2.5。根據(jù)公式(4)～(5)計算陡坎成因裂縫的長度(2a)分別取值為0.25，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 m時，計算需要的臨界拉張應(yīng)力值(σc)如表2。計算結(jié)果表明：大牛地氣田馬家溝組具有發(fā)育延伸長度0.5 m以上陡坎成因裂縫的力學(xué)條件；取心井上見延伸長度大于0.51 m的陡坎成因裂縫(圖2)是這一結(jié)論的實例證明。

表2 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組不同裂縫長度(2a)下的臨界拉張應(yīng)力值(σc)

2.3 陡坎成因裂縫的判別標準

通過分析大牛地氣田馬家溝組馬五5段地層陡坎成因裂縫的特征，建立了基于巖心觀察法、巖心薄片法和成像測井法的陡坎成因裂縫判別標準(表3)。

表3 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組地層陡坎成因裂縫判別標準

3 裂縫發(fā)育的控制因素與儲層評價

內(nèi)因和外因是控制儲層內(nèi)裂縫發(fā)育的2個關(guān)鍵因素[19-21]。外因為沉積、成巖環(huán)境、構(gòu)造背景、邊界條件及構(gòu)造應(yīng)力的性質(zhì)等；內(nèi)因為巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)、巖石強度和巖石的力學(xué)性質(zhì)等。大牛地氣田馬家溝組碳酸鹽巖風(fēng)化殼巖溶儲層內(nèi)，發(fā)育構(gòu)造裂縫與非構(gòu)造裂縫兩種類型的天然裂縫。由于大牛地氣田的構(gòu)造形態(tài)整體平緩，為平緩單斜構(gòu)造，因此，構(gòu)造裂縫主要受擠壓應(yīng)力控制，構(gòu)造變形越強，裂縫越發(fā)育；巖層厚度越薄，裂縫越發(fā)育；泥質(zhì)含量較高，構(gòu)造裂縫的發(fā)育受到抑制、發(fā)育強度減弱。本文主要分析陡坎成因裂縫的發(fā)育控制因素。

陡坎成因裂縫是在非構(gòu)造因素作用下，由重力等因素誘發(fā)形成的一種裂縫，其發(fā)育不僅受控于巖溶古地貌的發(fā)育程度和位置、坡度、初始裂縫密度及巖層層面的傾角等外因，也受控于巖性與巖石力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)部因素。

3.1 巖溶古地貌單元

巖溶古地貌的形態(tài)是陡坎成因裂縫形成的地質(zhì)基礎(chǔ)。大牛地氣田奧陶系馬家溝組在加里東構(gòu)造運動期抬升，地層長期暴露(120～150 Ma)并遭到風(fēng)化剝蝕，形成了現(xiàn)今巖溶古地貌。風(fēng)化剝蝕作用不僅使地層減薄，而且造成巖石發(fā)生微裂隙、裂縫甚至破裂。在這些裂隙的基礎(chǔ)上，由于斷層、風(fēng)化殘丘等古地貌高部位的重力勢高，在重力拉張應(yīng)力以及地層水等潤滑劑存在的條件下形成陡坎成因裂縫。

殘余厚度法是通過水平基準面的殘余厚度來恢復(fù)古地貌，是分析古地貌的主要方法之一[22]。殘余厚度法選取古地貌不整合面下伏的某一地層為基準面，用該基準面到古地貌頂面之間地層的殘余厚度反映古地貌的形態(tài)，殘留厚度小的地方為洼地，殘留厚度大的地方為高地。采用殘余厚度法對大牛地氣田的古地貌單元進行恢復(fù)和劃分[22](表4)，將大牛地氣田古地貌劃分為巖溶高地、殘丘、斜坡及溝槽4個二級古地貌單元。

表4 鄂爾多斯盆地大牛地氣田二級古地貌單元劃分標準

在二級古地貌的基礎(chǔ)上，分析研究區(qū)取心井127條陡坎成因裂縫在不同二級古地貌上的分布情況，結(jié)果表明：陡坎成因裂縫在4種二級古地貌單元上均有發(fā)育，其分布占比分別為30.1%(溝槽)、28.7%(殘丘)、24.6%(巖溶高地)和16.4%(斜坡)。對于不同的二級古地貌單元，陡坎成因裂縫強度不同：溝槽上的強度差異較大，D88井的裂縫條數(shù)是D81井的2.6倍；殘丘上的強度差異次之，裂縫發(fā)育強度的差異性為1.8倍；巖溶高地上的強度差異性較小，為1.4倍；斜坡上的強度差異最低，僅有1.25倍。因此，不同的二級古地貌單元上裂縫發(fā)育強度差異較大，研究區(qū)馬家溝組二級古地貌單元特性是陡坎成因裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)。

3.2 陡坡地形的坡度

坡度(i)是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度(h)和水平方向的距離(D)的比叫做坡度。坡度的表示方法有百分比法、度數(shù)法、密位法和分數(shù)法四種。本文采用常用的度數(shù)法，即，i=arctanh/D，單位為度(°)。統(tǒng)計研究區(qū)陡坡地形陡坎成因裂縫和馬五5段古地貌坡度的關(guān)系，可知：陡坎成因裂縫密度和坡度成正相關(guān)，相關(guān)性(R)為0.898 3，表明古地貌的坡度越大，產(chǎn)生陡坎成因裂縫的可能性越大。

3.3 巖層的傾角

陡坎地形地貌上，新沉積的松軟的尚未固結(jié)的沉積物在重力等作用下，會發(fā)生順坡下滑或流動現(xiàn)象[23-25]。重力滑動或滑塌的作用力既有垂向上的壓應(yīng)力，又有水平方向的拉應(yīng)力。垂向壓應(yīng)力壓實松散沉積物或進而出現(xiàn)差異壓實現(xiàn)象，水平方向的拉應(yīng)力使沉積物沿陡坎下滑并產(chǎn)生沿陡坎方向的水平拉應(yīng)力，同時垂向壓應(yīng)力導(dǎo)致的差異壓實現(xiàn)象將增加此類水平拉應(yīng)力。在水平拉應(yīng)力的作用下，陡坎上的沉積物中的裂隙被拉張破裂，在陡坎上部產(chǎn)生張性裂縫，即陡坎成因裂縫。當(dāng)陡坎的坡向與巖層傾向相同時，重力滑動或滑塌誘發(fā)的水平拉應(yīng)力增大、拉張破裂作用增強，反之拉張破裂作用將降低。此過程顯然在陡坡地形形成了一個局部的“剪切破裂帶”(圖6)。由于壓實后地層發(fā)生“彎曲”，剪破裂符合一般剪破裂準則[11]，即：

τ=τ0+σntan(1-λ)

(6)

σn=ρghcos2θ×10-3

(7)

τ0=ρghsin2θ×10-3

(8)

式中：τ為剪切應(yīng)力臨界值，MPa；τ0為差異壓實產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，MPa；σn為差異壓實產(chǎn)生的張應(yīng)力，MPa；λ為與差異有關(guān)的無量綱常數(shù)；ρ為沉積物的平均密度，g/cm3；h為沉積物的平均厚度，m；θ為巖層傾角,(°)；g為重力加速度，N/kg。

因此，巖層傾角(θ)越大，巖石層面上的重力剪切作用增加，剪切應(yīng)力(τ)越大，巖體的活動性增加，拉張破裂作用加強，有利于陡坎成因裂縫的形成。

圖6 巖層傾角對陡坎成因裂縫的控制作用示意

3.4 地層初始裂縫密度

大牛地氣田馬家溝組34口取心井127條陡坎拉張裂縫統(tǒng)計結(jié)果顯示：巖心上的平均線密度為2.5條/m，平均延伸長度為15.3 cm。由公式(3)計算所得其巖體的連通率(K)為33.7%，可知陡坎附近誘發(fā)陡坎成因裂縫需要的臨界拉張應(yīng)力應(yīng)大于8.3 MPa；隨著連通率(K)的增加，使巖體破裂需要的陡坎附近誘發(fā)的拉張應(yīng)力(σ)越小，越有利于拉張破裂縫的形成。

3.5 巖性和巖石力學(xué)性質(zhì)

前文研究表明，當(dāng)裂隙處的應(yīng)力強度因子達到臨界值時，裂隙開始進入擴展階段，所以巖石本身的巖性和巖石力學(xué)性質(zhì)是陡坎成因裂縫產(chǎn)生的基礎(chǔ)。不同巖性的巖石具有不同的抗張強度，巖石的巖石力學(xué)強度越大，其臨界應(yīng)力強度因子越大。根據(jù)公式(5)可知，陡坎成因裂縫形成的臨界拉張應(yīng)力越大，陡坎成因裂縫發(fā)育越難。

大牛地氣田風(fēng)化殼巖溶儲層的巖石類型較多，主要為白云巖、石灰?guī)r以及夾雜的數(shù)層泥質(zhì)巖和膏化微晶白云巖。儲層的巖性復(fù)雜多變，巖石的破裂起始條件和破裂程度必然存在差異[7,26-27]。根據(jù)巖心、薄片和測井等資料，將研究區(qū)的巖石劃分為白云巖和灰?guī)r2個大類、8個小類，分別為：細晶白云巖、細粉晶白云巖、粉晶白云巖、泥粉晶白云巖、泥晶白云巖，粉晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥粉晶灰?guī)r。測試研究區(qū)不同巖性巖石的抗張強度并與裂縫密度之間的關(guān)系可知：研究區(qū)馬家溝組地層具有不同的抗張強度，分布在6.3～8.6 MPa；泥晶白云巖的巖石抗張強度最大，其裂縫密度最小，即巖石抗張強度與裂縫密度負相關(guān)。巖石抗張強度越大越不利于陡坎成因裂縫的形成，可能的原因是泥質(zhì)含量增加導(dǎo)致白云巖的塑性增強，不易發(fā)生破裂形成陡坎成因裂縫。因此，巖性與巖石力學(xué)性質(zhì)是大牛地氣田奧陶系馬家溝組陡坎成因裂縫形成的內(nèi)因。

3.6 裂縫對儲層品質(zhì)的影響

上述分析可知：大牛地氣田陡坎成因裂縫受控于巖溶古地貌、古地貌地形的坡度、巖性、初始裂縫密度和巖層的傾角。由于大牛地氣田馬家溝組馬五5段在構(gòu)造形態(tài)上整體平緩，為北東高、西南低的平緩單斜構(gòu)造。因此，基于前人研究成果[1-7,13-14]，假設(shè)初始裂縫密度相同、巖層的傾角為5°，結(jié)合12口取心井上陡坎成因裂縫條數(shù)，在二級古地貌單元類型和古地貌坡度的控制下，繪制了大牛地馬家溝組馬五5段地層陡坎成因裂縫發(fā)育有利區(qū)預(yù)測圖(圖7)。由圖7可知，大牛地氣田陡坎成因裂縫主要發(fā)育在溝槽巖溶古地貌區(qū)域，陡坎成因裂縫密度與巖溶縱向影響深度、橫向影響長度均成正比，巖溶縱向影響深度和橫向影響長度分別為10～30 m和526～3 216 m。因此，陡坎成因裂縫不僅改善了儲層的滲透性，而且促進了大牛地氣田碳酸鹽巖風(fēng)化殼儲層巖溶的空間發(fā)育，提高了此類儲層的品質(zhì)。

圖7 鄂爾多斯盆地大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組陡坎成因裂縫發(fā)育有利區(qū)預(yù)測

4 結(jié)論

(1)大牛地氣田中奧陶統(tǒng)馬家溝組馬五5段地層發(fā)育陡坎成因裂縫。陡坎成因裂縫為Ⅰ型張開型斷裂；以高角度斜角縫、垂直縫為主，無固定組系；延展方向和裂縫形態(tài)不規(guī)則；裂縫面上寬下窄，縫面不平整、有局部彎曲現(xiàn)象，縫間溶蝕現(xiàn)象明顯；充填物為方解石、白云石、砂泥質(zhì)及石英等礦物，呈現(xiàn)未充填和半充填狀態(tài)。

(2)大牛地氣田未充填的陡坎成因裂縫的頻率為17.6%，遠大于其他類型裂縫的未充填頻率。研究區(qū)內(nèi)陡坎成因裂縫的有效性最高，更加有利于油氣的運移，可為大牛地氣田天然氣的運移和儲集提供運移通道和儲集空間。陡坎成因裂縫對大牛地馬五5段風(fēng)化殼巖溶儲層的形成和油氣運移具有重要的地質(zhì)意義。

(3)陡坎成因裂縫發(fā)育受控于巖溶古地貌形態(tài)、古地貌陡坡地形的坡度、巖層的傾角、初始裂縫密度及巖性與巖石力學(xué)性質(zhì)等因素。古地貌陡坡地形的坡體側(cè)向回彈變形誘發(fā)的拉應(yīng)力是陡坎成因裂縫形成的主要應(yīng)力。坡體巖石內(nèi)因風(fēng)化作用產(chǎn)生的裂隙尖端，再次因重力等產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)發(fā)生失穩(wěn)擴展并逐漸擴大，是陡坎成因裂縫進一步延伸的力學(xué)機制。