鄂爾多斯盆地東北緣上古生界構(gòu)造演化及裂縫耦合控氣作用

尹帥，孫曉光，鄔忠虎，王應(yīng)斌，趙靖舟，孫偉豪，閆浩霖

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安，710065；2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710065；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司 忻州分公司，山西 太原，030000；4.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽，550025；5.中海石油(中國) 有限公司 非常規(guī)油氣分公司，北京，100016)

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，是一個(gè)中、新生代內(nèi)陸多旋回疊合盆地[1-3]。鄂爾多斯盆地東北緣上古生界石炭—二疊煤系發(fā)育縱向疊置的致密砂巖氣藏，天然氣縱橫向分布具有強(qiáng)非均質(zhì)性[2-3]。以往對于致密砂巖氣的勘探主要集中于沉積和構(gòu)造環(huán)境均相對穩(wěn)定的盆地內(nèi)部。而盆地邊緣地帶的沉積-構(gòu)造特征相對復(fù)雜，地殼活動(dòng)較為活躍，這類區(qū)域的油氣資源勘探程度相對較低，油氣分布規(guī)律復(fù)雜[3-4]。目前，該地區(qū)在臨興和神府區(qū)塊發(fā)現(xiàn)并確定了儲量超過1 000×108m3的大型氣田，隨著臨興及神府氣田在上古生界氣藏的突破，擴(kuò)寬了向盆地邊緣精細(xì)勘探的新思路。

煤系致密砂巖儲層具有單砂體厚度小、儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、天然氣富集差異大的特點(diǎn)[2-4]。這些因素使得致密砂巖氣的勘探難度加大。鄂東北地區(qū)處于不同板塊的交接部位。該地區(qū)經(jīng)歷了地殼減薄、多期次構(gòu)造擠壓、松弛及巖漿巖的侵入作用，構(gòu)造特征較為復(fù)雜[3-4]。該地區(qū)發(fā)育大量低幅度構(gòu)造及紫金山巖體，中新生代多期變向的構(gòu)造應(yīng)力場演化和疊加在上古生界地層中形成了大量構(gòu)造裂縫。構(gòu)造對油氣成藏具有一定控制作用[5-12]，一方面，在良好保存條件下，所形成的構(gòu)造圈閉可以促進(jìn)油氣聚集；另一方面，構(gòu)造活動(dòng)還會(huì)形成大量裂縫，裂縫對致密砂巖儲層物性的改善及油氣富集均有重要意義[13-19]。

針對鄂爾多斯盆地東北緣臨興地區(qū)上古生界煤系氣藏分布規(guī)律，前人從烴源巖、沉積相類型及展布、低幅度構(gòu)造精細(xì)刻畫及儲層物性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[20-22]?；谶@些研究，前人總結(jié)出“構(gòu)造控區(qū)、微相控儲、物性控藏”的油氣富集規(guī)律[20-22]。構(gòu)造及沉積屬于氣藏發(fā)育的高階控制因素，而物性，特別是裂縫，是氣藏發(fā)育的低階控制因素，直接影響鉆遇氣藏或富氣甜點(diǎn)概率。因此，構(gòu)造及裂縫密切關(guān)聯(lián)，其耦合控藏機(jī)制是一個(gè)亟待解決的問題。本文作者以鄂爾多斯盆地東北緣臨興地區(qū)上古生界為例，以煤系含氣系統(tǒng)中相對薄弱的構(gòu)造演化及裂縫發(fā)育規(guī)律為切入點(diǎn)，利用該地區(qū)豐富的巖心、測試、測井、地震及產(chǎn)能數(shù)據(jù)，對上古生界古、今構(gòu)造及裂縫進(jìn)行精細(xì)刻畫，闡明構(gòu)造演化及裂縫對古生界氣藏的控制作用。該研究可為鄂爾多斯盆地邊緣地帶上古生界氣藏勘探的擴(kuò)邊和高效開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 鄂爾多斯盆地東北緣沉積-構(gòu)造特征

研究區(qū)臨興區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，總體為一平緩的西傾單斜(圖1(a))，其構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡和晉西撓摺帶交接的區(qū)域，地勢上東高西低、北高南低(圖1(b))。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造以東南部紫金山巖體穿刺構(gòu)造為中心，由內(nèi)向外依次被劃分為底辟構(gòu)造隆起帶、環(huán)形凹槽帶、低幅度平緩構(gòu)造帶3個(gè)次級構(gòu)造單元。紫金山隆起帶深部地層的地震結(jié)構(gòu)成像差，巖漿底辟作用造成地層傾角可達(dá)45°，代表這些區(qū)域的巖石破碎嚴(yán)重。地殼減薄及軟流圈活躍造成大量巖漿巖上涌，隨著大量高溫物質(zhì)的注入，上古生界煤系烴源巖加速成熟，并伴隨出現(xiàn)古超壓[2-3]。

圖1 研究區(qū)位置、平面構(gòu)造及井位分布.Fig.1 Location,plane structure and well location distribution of study area

研究區(qū)上古生界目的層自下而上發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)、下二疊統(tǒng)太原組(P1t)和山西組(P1s)、中二疊統(tǒng)石盒子組(P2sh)以及上二疊統(tǒng)石千峰組(P3s)。臨興區(qū)塊含氣層系多、本溪組到石千峰組均有氣層發(fā)現(xiàn)。上古生界目的層可識別出辮狀河或曲流河三角洲平原沉積、障壁海岸沉積類型，發(fā)育多套砂體[2-3]。辮狀河三角洲平原發(fā)育辮狀河道和越岸(或泛濫平原)微相；曲流河三角洲平原發(fā)育分支(或分流)河道和河泛平原(或天然堤、決口扇、沼澤)微相。由下至上，本溪組和太原組為一套障壁海岸沉積；山西組沉積時(shí)發(fā)生海退并進(jìn)積為曲流河三角洲平原亞相；上覆下石盒子組、上石盒子組及石千峰組分別為辮狀河三角洲平原亞相、曲流河三角洲平原亞相及辮狀河三角洲平原亞相(圖2)。該套上古生界天然氣主要來源于底部本溪組和太原組烴源巖。

研究區(qū)上古生界主要發(fā)育曲流河三角洲平原分支河道及辮狀河三角洲平原辮狀河道砂體。主力產(chǎn)層盒8段發(fā)育辮狀河道砂體，包括河床滯流和心灘，其巖性以巖屑砂巖為主，其次為巖屑石英砂巖和長石巖屑砂巖。由于靠近物源，河道砂體規(guī)模較大，辮狀河道寬度通常在幾百米范圍內(nèi)。以鄂爾多斯盆地東緣黑岱溝太原組到盒8段剖面為例，同層的辮狀河道、分支河道及砂坪等砂體多具有連續(xù)疊置的分布特征，其間無明顯泥巖夾層和隔層(圖3)。對于辮狀河三角洲平原發(fā)育的辮狀河道、心灘及曲流河三角洲發(fā)育的分支河道沉積，其儲集砂體中以高能環(huán)境下形成的粗砂巖和含礫中粗砂巖為優(yōu)質(zhì)儲層。此外，上古生界致密砂巖儲層中廣泛發(fā)育各類構(gòu)造裂縫，且主要為剪切縫 (圖2)。

圖2 鄂爾多斯盆地東緣黑岱溝上古生界地層剖面Fig.2 Stratigraphic profile of Upper Paleozoic in Heidaigou,Eastern Margin of Ordos Basin

圖3 LX-4井剝蝕量擬合曲線(紅色線段的深度段長度代表剝蝕量)Fig.3 Fitting curve of denudation amount of well LX-4 (the length of depth section of red line segment represents the amount of denudation)

2 鄂爾多斯盆地東北緣構(gòu)造演化

2.1 紫金山巖體隆起時(shí)限

研究區(qū)發(fā)育大型寬緩褶皺，寬緩褶皺以南北向構(gòu)造跡線為主[12-13]。研究區(qū)東南部為紫金山隆起，自紫金山隆起向外分別為隆起帶、斜坡帶、凹陷帶和平緩構(gòu)造帶。研究區(qū)侏羅系—白堊系地層被全部剝蝕，斷裂主要分布在紫金山隆起帶附近，且斷層沒有明顯的垂向斷距。

紫金山巖體的侵入為上古生界構(gòu)造演化提供了重要驅(qū)動(dòng)力，其抬升時(shí)間對該區(qū)構(gòu)造演化分析至關(guān)重要。大量研究表明，紫金山巖體的隆升時(shí)間處于早白堊世中期[12-15]，對應(yīng)的地質(zhì)年代為136 Ma(表1)。紫金山巖體強(qiáng)烈的縱向構(gòu)造活動(dòng)為上古生界巖體變形提供了主要驅(qū)動(dòng)力。紫金山巖體的物質(zhì)來源至少達(dá)到了殼幔過渡帶，或者更深的深度，其構(gòu)造環(huán)境屬于板內(nèi)張力環(huán)境[12]。

表1 紫金山隆起時(shí)限的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of time limit of the Zijinshan Pluton

紫金山巖體的隆升時(shí)間與華北板塊地層急劇減薄和軟流圈沖上地表的時(shí)間一致。紫金山巖體的隆升導(dǎo)致上古生界地層發(fā)生構(gòu)造縮短[12-15]。此后，研究區(qū)處于弱拉張環(huán)境，其構(gòu)造形態(tài)基本定型[12-15]。

2.2 構(gòu)造演化史

臨興地區(qū)上古生界地層經(jīng)歷多期強(qiáng)烈剝蝕，累計(jì)剝蝕厚度大，上三疊統(tǒng)延長組到第四系(T3y-Q)之間發(fā)育疊合不整合[23]，聲波時(shí)差法是計(jì)算剝蝕量的有效方法。聲波時(shí)差法的應(yīng)用必須滿足一定的適用條件，根據(jù)新舊地層在不整合面上的壓實(shí)規(guī)律，可歸納為以下幾種情況：1) 若新老地層的壓實(shí)率(C)相等，則新地層的厚度應(yīng)小于侵蝕厚度，此時(shí)該方法適用。2) 若新舊地層的壓實(shí)率不同，則可以細(xì)分為4 種情況(表2)。研究區(qū)經(jīng)歷多期強(qiáng)烈侵蝕，T3y-Q不整合面以上沉積層厚度遠(yuǎn)小于侵蝕地層厚度，因此聲波時(shí)差法的適用性較好。

表2 新舊地層壓實(shí)率不同條件下聲波時(shí)差法的適用性Table 2 Applicability of sonic time difference method under different conditions of compaction rate of new and old formations

在正常壓實(shí)條件下，泥巖的孔隙度會(huì)隨著埋深增加呈指數(shù)下降。對于小孔隙固結(jié)地層，巖石孔隙度與聲波時(shí)差呈線性正相關(guān)[12-13]。因此，聲波時(shí)差與地層埋深在半對數(shù)坐標(biāo)系中也呈線性相關(guān)，可用下式表示：

式中：H為埋深；Δt為目的層泥巖聲波時(shí)差；Δt0為地表泥巖聲波時(shí)差；C為正常壓實(shí)率。

本文中碎屑巖地層的Δt0為620 μs/m。對于強(qiáng)烈侵蝕的區(qū)域，不整合面上方的沉積物厚度小于侵蝕厚度。此時(shí)，由于地層沉積過程的不可逆性，不整合面下泥巖的壓實(shí)作用基本不變。因此，可以擬合不整合面以下泥巖地層的聲波時(shí)差和深度結(jié)果，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)壓實(shí)曲線，即H=Aln(Δt)+B。其中A和B分別為所擬合直線的斜率和截距。將曲線延伸至Δt=Δt0(地表)，地表與不整合面的垂直距離即為地層侵蝕厚度(H)。

在提取泥巖層段聲波時(shí)差(表3)過程中，應(yīng)遵循以下原則：1) 選擇純泥巖層段，避免其他巖性干擾；2) 避免選擇薄泥巖層段，單層泥巖厚度應(yīng)大于2 m，以保證數(shù)據(jù)可靠性；3) 不同泥巖層段的讀數(shù)點(diǎn)應(yīng)沿縱向均勻劃分。此外，擬合相關(guān)系數(shù)要大于0.9以保證擬合曲線的準(zhǔn)確性。

表3 LX-4井三疊系剝蝕量計(jì)算數(shù)據(jù)提取結(jié)果Table 3 Extraction results of calculation data of denudation amount of Triassic in Well LX-4

由LX-4井剝蝕量擬合線(圖3)可以看出：相關(guān)系數(shù)R2較高，擬合效果較好，因而剝蝕量的計(jì)算結(jié)果可靠。

研究區(qū)T3y-Q 不整合面侵蝕厚度主要分布在1 000～2 500 m 之間，侵蝕趨勢由東北地區(qū)向西南地區(qū)逐漸減小。侵蝕量計(jì)算結(jié)果與該地區(qū)盆地位置的侵蝕趨勢一致[3-4]。同時(shí)，利用反剝離技術(shù)恢復(fù)了單井埋藏史，單井埋藏史結(jié)果顯示，研究區(qū)在三疊紀(jì)發(fā)生快速沉積，在白堊世早期開始發(fā)生整體抬升(圖4)。

圖4 研究區(qū)LX-4井單井埋藏史Fig.4 Burial history of well LX-4 in study area

根據(jù)上述構(gòu)造演化分析，制作貫穿研究區(qū)南北方向的骨干地震測線平衡剖面(圖5)。根據(jù)恢復(fù)結(jié)果可知，自三疊紀(jì)以來，研究區(qū)沉積了較厚的三疊紀(jì)沉積，侏羅紀(jì)以來，生古生界發(fā)生構(gòu)造縮短，反映出區(qū)域擠壓構(gòu)造背景。侏羅紀(jì)中晚期，華北地區(qū)形成大量的擠壓褶皺[3-4]。侏羅紀(jì)晚期(J3)，西伯利亞板塊向南移動(dòng)，太平洋板塊向西移動(dòng)，印度板塊向北移動(dòng)。在三向匯聚背景下，研究區(qū)上古生界地層發(fā)生較大程度變形，低幅度隆起及斷裂發(fā)育[12-13]。早白堊世中期，紫金山帶隆升，上古生界地層發(fā)生較大程度的縮短。此后，上古生界處于弱拉伸構(gòu)造環(huán)境，其構(gòu)造面貌基本定型[14-15]。

圖5 基于平衡剖面的上古生界地層構(gòu)造演化(過LX-35～LX-12 井)Fig.5 Stratigraphic evolution of the Upper Paleozoic based on balanced profile (through wells LX-35～LX-12)

2.3 晚侏羅世末古構(gòu)造恢復(fù)

根據(jù)構(gòu)造演化、剝蝕量計(jì)算、平衡剖面及上古生界殘余厚度綜合研究，恢復(fù)了研究上古生界頂面在晚侏羅世末期古構(gòu)造(圖6(a))。晚侏羅世末，紫金山巖體尚未隆起，圖6(b)所示為該時(shí)期隆起分布區(qū)。該時(shí)期，研究區(qū)西南部為相對隆起區(qū)，中部LX34井到LX22井一線為另一個(gè)相對隆起區(qū)。中部LX34 井到LX22 井一線同時(shí)為現(xiàn)今構(gòu)造高部位，說明該區(qū)域?yàn)槔^承性隆起區(qū)。

圖6 研究區(qū)晚侏羅世末期古構(gòu)造及單元?jiǎng)澐諪ig.6 Paleostructure and unit division of study area at the end of Late Jurassic

3 鄂爾多斯盆地東北緣上古生界裂縫發(fā)育特征

本文對研究區(qū)20 余口井上古生界目的層進(jìn)行巖心裂縫觀察描述及FMI 測井裂縫統(tǒng)計(jì)。目的層裂縫線密度通常小于2條/m。根據(jù)力學(xué)性質(zhì)分類方案，目的層致密砂巖的裂縫類型主要包含張性縫及剪切縫(圖7(a)～(c))。張性縫通常是由于局部構(gòu)造拉張而形成，此外，局部構(gòu)造擠壓也可以形成擴(kuò)張縫。目的層中張性縫主要為未充填縫，其所占比例為25.13%(圖7(a))；張性縫產(chǎn)狀以近垂直縫為主，且會(huì)伴隨產(chǎn)生一些水平或低角度次級裂縫。剪切縫是目的層最主要的裂縫類型，通常由構(gòu)造剪切應(yīng)力條件下形成，其所占的比例為74.87%(圖7(b)和7(c))。水平縫通常是由于高上覆載荷條件下，地層沿著薄弱面發(fā)生水平剪切滑移形成的[16-17]，屬于剪切縫(圖7(c))。從裂縫產(chǎn)狀角度來看，目的層致密砂巖主要發(fā)育高角度近垂直縫(＞70°)及近水平縫(＜20°)，這兩類裂縫的比例接近90%。

從FMI 成像測井上看，未充填或半充填的天然裂縫通常具有暗色正弦影像，同時(shí)，裂縫孔、滲參數(shù)具有高異常顯示；而被礦物全充填的裂縫則通常顯示為亮色正弦影像(圖7(d))。本研究在計(jì)算裂縫發(fā)育程度時(shí)所統(tǒng)計(jì)的裂縫均為有效裂縫。根據(jù)研究區(qū)目的層11 口成像井290 條裂縫觀察結(jié)果，下覆太原組和本溪組裂縫最為發(fā)育，平均裂縫線密度均超過了1.5條/m；而上覆山西組到石千峰組的裂縫發(fā)育程度較低，平均裂縫線密度均小于0.5條/m(圖8)。

圖7 研究區(qū)上古生界裂縫發(fā)育特征Fig.7 Characteristics of fracture development in the Upper Paleozoic in study area

圖8 研究區(qū)上古生界系統(tǒng)各小層裂縫發(fā)育程度對比Fig.8 Comparison of development degree of fractures in the upper Paleozoic system in study area

分析認(rèn)為，紫金山隆起區(qū)裂縫最為發(fā)育，這主要是由于紫金山巖體為單純的構(gòu)造型隆起，且該隆起的坡度非常陡，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，造成了地層的嚴(yán)重破裂；而凹槽帶裂縫相對欠發(fā)育。其他區(qū)域?yàn)榈头葮?gòu)造區(qū)，每千米水平延伸距離內(nèi)地層起伏度通常在20 m 以內(nèi)。北部LXDG-04 井、LX-27井、LX-102井、LX-22井一線區(qū)域發(fā)育規(guī)模較大的低幅度隆起，隆起范圍約為200 km2(圖1)，其隆起區(qū)及斜坡部位裂縫發(fā)育程度較高。

4 構(gòu)造演化及裂縫耦合控氣規(guī)律

4.1 古、今構(gòu)造對氣藏的控制作用

研究區(qū)上古生界氣藏?zé)N源巖為本溪組和太原組煤和富有機(jī)質(zhì)泥巖。流體包裹體測試顯示，太原組和山西組的流體包裹體均一溫度主峰溫度為120～150 ℃，下石盒子組和上石盒子組溫度為100～130 ℃，石千峰組溫度為100～120 ℃。地層從下到上，其流體包裹體均一溫度具有連續(xù)分布特征。結(jié)合埋藏史恢復(fù)結(jié)果確定了研究區(qū)天然氣主要充注成藏期為155～120 Ma，即晚侏羅—早白堊世(J3-K1)。

晚侏羅世末期或早白堊世早期古構(gòu)造格局對上古生界致密砂巖氣藏的形成具有重要影響。對比研究區(qū)晚侏羅世末古構(gòu)造與商業(yè)氣井分布關(guān)系(圖9(a))，可以看出，研究區(qū)西南部商業(yè)氣井主要分布在古構(gòu)造高部位。北部部分氣井位于古構(gòu)造高部位，但也有部分井位于相對低部位。但是，通過對比氣井與現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)可知，這部分井位于現(xiàn)今構(gòu)造的高部位(圖9(b))?；?7口工業(yè)氣井的試氣結(jié)果，84.4%的工業(yè)氣井均位于古、今構(gòu)造的高部位(圖9(b))。因此，研究認(rèn)為古構(gòu)造高部位是致密砂巖氣大規(guī)模聚集的有利場所，現(xiàn)今構(gòu)造對致密砂巖氣的分布具有一定調(diào)節(jié)作用。整個(gè)紫金山巖體區(qū)幾乎沒有發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣井，這主要與該區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)造成的地層破碎嚴(yán)重有關(guān)，其保存條件很差。

圖9 研究區(qū)晚侏羅世末古構(gòu)造及現(xiàn)今構(gòu)造對上古生界氣藏的控制作用Fig.9 Control effect of the late Jurassic and present structures on the Upper Paleozoic gas reservoirs in study area

4.2 巖漿巖體侵入對氣藏的控制作用

紫金山巖體對上古生界天然氣成藏具有重要影響。紫金山巖體的侵入巖性以堿性雜巖為主，其剖面形態(tài)如圖10所示[24]，其在平面上呈“半環(huán)狀”分布。此外，巖漿巖在向上侵入過程中會(huì)刺穿上覆地層，有些巖漿巖刺穿至地表而出露(圖11(a))。小規(guī)模巖漿巖侵入體無法利用地震數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，測井資料成為識別這些巖漿巖侵入體的有效方法。

圖10 研究區(qū)過紫金山巖體地震剖面[24]Fig.10 Seismic profile through the Zijinshan Pluton in study area[24]

紫金山巖體周圍深成侵入巖漿巖在測井上具有一定響應(yīng)，其主要表現(xiàn)為高密度(3.1 g/cm3)、高GR、中高電阻及低孔隙度特征。根據(jù)其測井響應(yīng)特征，統(tǒng)計(jì)了侵入巖體的分布范圍(圖11(b))?？梢杂^察到，小規(guī)模巖漿巖體整體沿著紫金山巖體帶呈環(huán)狀分布；其次，發(fā)現(xiàn)小規(guī)模巖漿巖體的單井中儲層物性通常較差，這是由于所侵入巖體基本上為非滲透層，其在與砂體接觸過程中使砂體物性變差；同時(shí)，小規(guī)模巖漿巖體帶之外的區(qū)域分布有大量工業(yè)氣井，其與巖漿巖體冷凝形成烴類向上輸運(yùn)通道有關(guān)[18-19]。巖漿巖體的刺穿作用可以穿透多個(gè)層位，其是造成研究區(qū)氣藏從下部本溪組到頂部石千峰組均有分布的重要原因。

圖11 臨興區(qū)塊深成侵入巖漿巖分布Fig.11 Distribution of plutonic intrusive magmatic rocks in Linxing Block

4.3 裂縫對氣藏的控制作用

紫金山巖體的隆起與東亞匯聚背景(約136 Ma)在時(shí)間上一致的，該時(shí)期也是公認(rèn)的華北板塊內(nèi)部最強(qiáng)的一次板內(nèi)擠壓活動(dòng)[20-21]。強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為上古生界儲層中區(qū)域裂縫的形成創(chuàng)造了條件，形成NE 及NW 這2 組共軛剪切裂縫，此外，鄂爾多斯盆地古生界成藏事件主要就是發(fā)生在這一時(shí)期。研究區(qū)自早白堊世以來一直處于弱拉張應(yīng)力環(huán)境，不具備形成大規(guī)模區(qū)域剪切裂縫的構(gòu)造背景[12-15]。

因此，研究區(qū)上古生界儲層裂縫形成、紫金山隆起及油氣充注在時(shí)間上是匹配的。結(jié)合大量巖心及成像裂縫觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)目的層中的裂縫通常為未充填及半充填縫，裂縫有效性好。此外，本文研究的裂縫為巖心尺度的裂縫，其主要起滲流的作用。裂縫的存在能使儲層的滲透率提高1～2個(gè)數(shù)量級，因而其能顯著改善儲層物性。

考慮到研究區(qū)上古生界儲層主要發(fā)育垂直縫，本研究引入裂縫段厚度來表征裂縫的發(fā)育程度。裂縫指數(shù)IF為裂縫段地層的累積厚度與砂體累積厚度的比值，其表達(dá)式如下[23-24]：

式中：HC為裂縫段砂巖的累積厚度；HF為砂體累積厚度，m。

該裂縫指標(biāo)又可稱為等效裂縫密度。該裂縫指標(biāo)可以定量表征目標(biāo)地層中裂縫的整體發(fā)育程度。從裂縫的平面分布特征(圖12)來看，下覆本溪組和太原組裂縫最為發(fā)育且分布廣泛，其表現(xiàn)出區(qū)域性裂縫的特征，而上覆山西組到石千峰組的裂縫發(fā)育程度要相對低一些，裂縫僅在局部富集。

圖12 上古生界各小層裂縫及氣藏的耦合關(guān)系Fig.12 Coupling relationship between small fractures and gas reservoirs in the Upper Paleozoic

從縱向上看，裂縫的分布范圍也較為類似。這主要是由于，對于同一套沉積系統(tǒng)，在類似的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景條件下，裂縫的形成受控于同一套應(yīng)力體系[25-26]。因此，儲層中所發(fā)育的裂縫在裂縫性質(zhì)及其走向方面具有相似性。上古生界氣藏中的裂縫通常具有剪切性質(zhì)，且裂縫走向較為固定。主裂縫走向?yàn)?5°～85°之間，該組裂縫發(fā)育程度高，裂縫有效性好；而另外一組次級裂縫走向?yàn)?40°～350°之間，裂縫發(fā)育程度低，有效性相對較差。45°～85°裂縫與上古生界地層現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向是一致的，因而該組裂縫的滲透性好，對氣藏形成起到重要的疏導(dǎo)作用[27]。

各個(gè)層位的裂縫指數(shù)的對比見圖13。從圖13可知：太原組和本溪組裂縫最為發(fā)育，其裂縫指數(shù)分別為0.68和0.72，而其他層位的裂縫指數(shù)通常低于0.63。由于太原組和本溪組裂縫發(fā)育程度高，且在區(qū)域上具有大片連續(xù)分布的特征，這可能造成天然氣向上大量溢散。因此，太原組和本溪組目前勘探的工業(yè)氣井較少，而上覆地層勘探發(fā)現(xiàn)了大量工業(yè)氣井(圖11)。

圖13 研究區(qū)上古生界各小層裂縫指數(shù)對比Fig.13 Comparison of fracture indexes of the Upper Paleozoic strata in study area

從目前單井裂縫識別結(jié)果與氣藏耦合特征來看，剪切縫延伸規(guī)模更大，更利于形成氣藏。而張性縫僅在局部發(fā)育，且裂縫延伸規(guī)模較小，對氣藏的控制作用十分有限。砂體厚度對裂縫發(fā)育程度有一定影響，隨著單砂體厚度增加，裂縫線密度逐漸降低，當(dāng)單砂體厚度大于5 m時(shí)，裂縫線密度通常低于0.5條/m。

不同地層裂縫發(fā)育程度的差異與砂體中脆性礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。裂縫的發(fā)育程度與石英礦物組分及脆性礦物(石英+長石)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間均有良好的正相關(guān)性(圖14)。太原組和本溪組砂體的脆性礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常高，特別是石英組分，太原組平均石英礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%，而本溪組平均石英礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近80%。脆性礦物組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，在構(gòu)造活動(dòng)條件下，巖石越容易發(fā)生破裂。因此，脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高是太原組和本溪組致密砂巖的裂縫發(fā)育程度明顯高于上覆地層的重要原因。

圖14 研究區(qū)上古生界各層位礦物組分分布及與裂縫發(fā)育程度的關(guān)系Fig.14 Distribution of mineral components in each layer of the Upper Paleozoic and its relationship with degree of fracture development

從目前氣井產(chǎn)能情況來看，紫金山隆起帶的氣藏被嚴(yán)重破壞。而對于其他區(qū)域的平緩構(gòu)造帶，本溪組和太原組過度發(fā)育的裂縫對天然氣的保存不利；而上覆山西組到石千峰組裂縫對天然氣的富集是有利的。研究區(qū)各地層的裂縫指數(shù)與氣井無阻流量的交匯關(guān)系如圖15所示。兩者整體具有一定弱正相關(guān)性?？梢园l(fā)現(xiàn)，工業(yè)氣井的裂縫指數(shù)通常大于0.55，而低產(chǎn)井及非工業(yè)氣井的裂縫指數(shù)通常小于0.55。

圖15 目的層中壓裂層段的裂縫指數(shù)與無阻流量的關(guān)系Fig.15 Relationship between fracture index and open flow rate in target zone

4.4 構(gòu)造及裂縫對氣藏的耦合控制作用

本文系統(tǒng)討論構(gòu)造(古、今構(gòu)造及巖漿巖侵入體)控氣作用及裂縫控氣作用。研究認(rèn)為，在晚侏羅—早白堊世，即燕山末期構(gòu)造活動(dòng)影響下，研究區(qū)上古生界發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造匯聚、板塊減薄及巖漿巖侵入，這些構(gòu)造活動(dòng)造成上古生界低幅度構(gòu)造區(qū)的脆性砂體中形成了大量區(qū)域性剪切縫。此外，紫金山帶巖體則出現(xiàn)強(qiáng)烈上拱，上古生界地層發(fā)生微小程度減薄，強(qiáng)烈的橫彎作用造成上古生界致密儲層中裂縫極為發(fā)育。

基于晚侏羅世末古構(gòu)造分析，識別出了工區(qū)西南部平緩構(gòu)造帶及北部LX34 井到LX22 井一線的古構(gòu)造高部位。古構(gòu)造高部位與裂縫發(fā)育區(qū)及試氣(圖9及圖12)耦合結(jié)果顯示，商業(yè)氣井位于古構(gòu)造高部位及裂縫發(fā)育區(qū)的疊合部位。對于現(xiàn)今構(gòu)造而言，研究區(qū)可被劃分為紫金山巖體區(qū)(包括隆起帶、斜坡帶及凹槽帶)、西部平緩構(gòu)造帶、北部隆起帶和東北部平緩帶(圖1)。紫金山巖體區(qū)地層變形強(qiáng)烈，整體裂縫極為發(fā)育，過度發(fā)育的裂縫對油氣的保存不利。西部平緩構(gòu)造帶及東北部平緩帶為簡單的平緩單斜構(gòu)造，地層每千米的起伏度只有10 m，裂縫帶及小規(guī)模巖漿巖體的刺穿作用對氣藏的形成就有至關(guān)重要的作用。對于北部隆起帶(圖1)，它是一個(gè)繼承性古隆起構(gòu)造，長期接受天然氣運(yùn)移及聚集。該區(qū)域在上、下石盒子組裂縫均較為發(fā)育，因而該區(qū)域也是目前工區(qū)內(nèi)氣藏開發(fā)效果最好的區(qū)域。整體而言，構(gòu)造及裂縫對鄂爾多斯盆地東北緣上古生界氣藏的控制作用主要表現(xiàn)為“古構(gòu)造控帶、現(xiàn)今構(gòu)造控圈、小規(guī)模巖漿巖體及斷裂控運(yùn)、裂縫控藏”。

5 結(jié)論

1) 鄂爾多斯盆地東北緣臨興地區(qū)古生界在三疊紀(jì)發(fā)生快速沉積，在白堊世早期開始發(fā)生抬升。T3y-Q疊合不整合剝蝕量主要分布在1 000～2 500 m之間。

2) 紫金山巖體的隆升時(shí)間處于早白堊世中期，其隆升時(shí)間與華北板塊地層急劇減薄和軟流圈侵入地表時(shí)間一致。受紫金山巖體隆升影響，上古生界發(fā)生橫彎縮短。此后，研究區(qū)處于弱拉張環(huán)境，構(gòu)造面貌基本定型。

3) 晚侏羅世末期古構(gòu)造高部位是成藏的有利場所，現(xiàn)今構(gòu)造對氣藏分布具有一定調(diào)節(jié)作用。巖漿侵入及裂縫對上古生界氣藏影響具有雙重影響，一方面，紫金山巖體區(qū)巖漿大規(guī)模上涌，裂縫極為發(fā)育，不利于成藏；另一方面，平緩構(gòu)造區(qū)小規(guī)模巖漿巖體起到油氣疏導(dǎo)作用；適度發(fā)育的裂縫對油氣的聚集及保存有利。

4) 構(gòu)造及裂縫對研究區(qū)上古生界氣藏的控制作用主要表現(xiàn)為“古構(gòu)造控帶、現(xiàn)今構(gòu)造控圈、小規(guī)模巖漿巖體及斷裂控運(yùn)、裂縫控藏”。