鄂尔多斯盆地南部泾河油田延长组板内走滑断裂内部结构刻画

Characterization of Architecture of Intraplate Strike-Slip Faults in Yanchang Formation of Jinghe Oilfield in Southern Ordos Basin

摘要

板内走滑断裂的内部结构具有控储和控藏作用.在断缝体油气藏勘探开发过程中，由于走滑断裂带内部结构具有高度非均质性，需要对其内部结构进行刻画.综合岩心、测井和地震资料，对鄂尔多斯盆地南部泾河油田延长组走滑断裂带进行了走向分段和侧向分带研究，并提出了利用综合裂缝指数测井（comprehensive fracture index log，CFI）和断层形态指数地震属性（fault shape index attribute，FSI）累积曲线定量划分损伤带边界的方法.结果表明，泾河油田延长组走滑断裂带以张扭段和走滑段为主，压扭段仅少量发育.CFI和FSI均与裂缝密度呈正相关关系，根据累积CFI和累积FSI曲线的梯度变化可以刻画地下走滑断裂的损伤带边界.泾河油田延长组走滑断裂带内单条断裂的宽度主要在160~300 m，且张扭段的宽度最大，其次为压扭段和走滑段.

关键词

板内走滑断裂带 / 内部结构 / 损伤带 / 断裂带宽度 / 走向分段 / 综合裂缝指数测井（CFI） / 断层形态指数属性（FSI） / 延长组 / 鄂尔多斯盆地南部 / 构造

Key words

intraplate strike-slip fault / fault zone architecture / damaged zone / fault zone width / fault segmentation / comprehensive fracture index log (CFI) / fault shape index attribute (FSI) / Yanchang Formation / southern Ordos basin / tectonics

0 引言

走滑断裂是大陆和大洋地壳中常见的变形模式，在不同的尺度上均有发育（Kim and Sanderson，2006），可分为与板块运动或洋壳拉伸等构造活动相关的大型走滑断裂（滑移距可达数百公里），以及在远离板块边界的板内应力下形成的中-小尺度的板内走滑断裂或克拉通走滑断裂（Storti et al.，2003；Mann，2007；刘雨晴和邓尚，2022）.板内走滑断裂对于地震活动、金属矿产和油气富集具有控制作用（Storti et al.，2003）.

近些年，沿板内走滑断裂分布的油气藏已成为我国重要的勘探目标，比如塔里木盆地的顺北油田（李培军等，2017；Deng et al.，2019）和哈拉哈塘油田（丁志文等，2020）、鄂尔多斯盆地的泾河油田和红河油田（Liu et al.，2021）、四川盆地安岳气田（马德波等，2018）等.但是勘探实践及研究表明，受走滑断裂内部结构的非均质性（尤其是侧向分带性和走向分段性）的控制，同一条走滑断裂不同部位的储层和油气藏特征差异极大（Caine et al.，1996；王伟锋等，2017；徐兴雨和王伟锋，2020；Deng et al.，2022；云露和邓尚，2022）.因此，进行板内走滑断裂的侧向分带性和走向分段性研究，有利于探讨其控储和控藏作用.

在埋藏走滑断裂带内部结构的研究中，可以用的资料有岩心、薄片、测井和3D地震资料.在岩心尺度上，前人在岩心或薄片裂缝解释的基础上，利用累积裂缝频率曲线划分的损伤带边界（Choi et al.，2016；Wu et al.，2019）.在测井尺度上，Lü et al.（2016）通过选取对裂缝敏感的常规测井，建立综合裂缝指数测井CFI来识别井下的裂缝带.但在泾河油田早期勘探开发过程中，受相控储层认识的限制，在钻井和取心过程中通常避开断裂带，所以钻井和岩心资料相对缺乏.3D地震资料为地下断裂带内部结构的刻画提供了可能.以往利用3D地震资料刻画断裂带内部结构的研究中，主要侧重于断层识别和走向分段性研究（Deng et al.，2019；Teng et al.，2020；Wu et al.，2020；Sun et al.，2021；周铂文等，2022），而对断裂带侧向分带性的研究较少，且侧重于通过地震属性定性地圈定断裂带边界（Iacopini et al.，2016；Deng et al.，2019；何发岐等，2020）.Liao et al.（2019）提出了通过定义损伤带和围岩所对应的相干地震属性值范围，定量地划分损伤带边界的方法，但是在边界阈值选取时存在主观性.因此，如何定量地确定埋藏走滑断裂带的边界仍然是一个问题.

鄂尔多斯盆地南部泾河油田的前期研究普遍认为缺乏断裂构造，并认为油气藏类型以岩性油气藏为主.随着3D地震勘探工作的开展，泾河油田内小断距的、高陡的走滑断裂开始受到关注，与走滑断裂相关的“断缝体”油气藏成为勘探开发的重点（何发岐等，2020）.但由于走滑断裂带内部的高度非均质性、地下资料的限制（比如岩心和测井资料的缺乏、地震分辨率低等问题）以及鄂尔多斯盆地南部复杂的构造活动史，泾河油田走滑断裂带内部结构的识别和刻画难度大.前期的研究主要集中在断层和裂缝定性识别上（何发岐等，2020；王旭，2021），缺乏有关走滑断裂的走向分段性和侧向分带性的系统分析，这制约了对走滑断裂控储、控藏作用的深入研究以及对致密砂岩甜点油藏的预测.

本文以鄂尔多斯盆地南部泾河油田延长组的走滑断裂为研究对象，综合测井和3D地震资料，按照“走向分段、侧向分带”的研究思路，根据断层落差、构造样式、断层连续性等进行走滑断裂的走向分段研究，总结分段类型和特征.通过分别建立裂缝密度与CFI、FSI的关系，提出了利用累积CFI和累积FSI曲线确定走滑断裂损伤带边界的方法，并统计了泾河油田主要走滑断裂带的宽度.本文可以为走滑断裂的控储、控藏作用研究以及油气藏建模提供基础.

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是华北板块西部的大型克拉通盆地.研究区泾河油田位于鄂尔多斯盆地南部，处于伊陕斜坡与渭北隆起的过渡部位（图1a）.多期的构造运动导致盆地南部分布大量的断裂和褶皱.燕山期和喜山期是三叠系延长组断裂、裂缝形成的主要时期，燕山期太平洋板块与欧亚大陆板块斜向碰撞所产生的挤压分量在盆地南部形成NW-SE向的应力场，发育NEE向走滑断裂（徐黎明等，2006）；喜山期受印度板块与太平洋板块的俯冲作用，在盆地南部形成NE-SW向的应力场（徐黎明等，2006），对前期断裂进行了加强或改造.多期构造运动叠加导致延长组长8-长6段发育以NEE向为主的左行走滑断裂，同时也发育NW向、近EW向和NW向走滑断裂（图1b）.

泾河油田延长组发育于印支期三叠纪的陆内坳陷阶段，发育河流相-湖泊相沉积（包洪平等，2020）.延长组长8-长6段为泾河油田的主力产层.长8段发育浅水辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体（Liu et al.，2020；Luo et al.，2020），砂岩以细砂岩为主，发育少量粉砂岩.长6-长7段发育一套湖底扇沉积，其中长7段底部的张家滩页岩构成泾河油田的油源基础（图1c）.

2 走滑断裂的分段变形特征

2.1　典型走滑断裂的走向分段性

由于走滑断裂带沿走向不同部位的局部应力场不同，导致其平剖面的构造样式有差异，称之为走滑断裂的分段性.在走滑断裂带解释的基础上，依据断层落差（Deng et al.，2019；Wu et al.，2020）、应力差异（挤压、拉张和剪切）（Fossen et al.，1994）、几何构造样式差异（de Joussineau and Aydin，2009）、几何不连续性等（Choi et al.，2012），进行泾河油田延长组走滑断裂带的走向分段研究.本文以200 m的横向间距做测线，在地震剖面上测量断层两盘上对应层之间的铅直距离即断层落差（图2）.断层落差以挤压变形为正、拉张变形为负（Deng et al.，2019）.根据断层落差的正负和大小，划分出落差为负值的张扭段（transtensional）、落差为正值的压扭段（transpressional）和无明显落差的走滑段（strike-slip）.

2.1.1　永正走滑断裂带

根据断层落差、应力差异和断层连续性，永正走滑断裂带在T₆ ^c地震界面（长7段底部）分为3段，包括2个张扭段和1个走滑段.其中，张扭段发育在断层中部，具有较大的断层落差（TWT可达20 ms），且单一张扭段的落差具有中间大、两边小的特征；走滑段无明显落差（TWT<2 ms）.根据几何构造样式可将其细分为线性张扭段和马尾走滑段（图3）.

2.1.2　早胜走滑断裂带

根据断层落差、应力差异和断层连续性，可以将T₆ ^c地震界面（长7段底部）上的榆林子走滑断裂带划分为4段，包括2个张扭段、1个压扭段和1个走滑段.其中，张扭段具有较大的断层落差（TWT可达30 ms），压扭段断层落差较小（TWT<10 ms），走滑段无明显落差（TWT<2 ms）.根据几何构造样式可将其细分为线性张扭段、线性压扭段和线性走滑段（图4）.

2.1.3　榆林子走滑断裂带

根据断层落差、应力差异和断层连续性，可以将榆林子走滑断裂带在T₆ ^c地震界面（长7段底部）分为8段，包括5个张扭段和3个走滑段.其中，张扭段具有较大的断层落差（TWT可达30 ms），走滑段无明显落差（TWT<2 ms）.根据几何构造样式可将其细分为线性张扭段、辫状张扭段、马尾张扭段和线性走滑段（图5）.

2.2　走向分段类型及特征

根据断层落差和应力-应变差异，可将泾河油田的走滑断裂带划分为张扭段、压扭段、走滑段.其中张扭段的断层落差远大于压扭段和走滑段（图3~图5）.根据几何形态学，可将张扭段分为马尾张扭段、辫状张扭段和线性张扭段，压扭段为线性压扭段，走滑段分为线性走滑段和马尾走滑段等分段类型.其中，马尾张扭段位于榆林子走滑断裂的端部，是从主断层分支出来的低角度的同向分支断层，剖面上呈半花状构造（图6）.辫状张扭段由左阶雁列式断层组成，平面上由于分支断层的分叉交织而呈辫状或豆荚状，剖面上呈负花状构造（图6）.线性张扭段在泾河油田延长组发育最广泛，在平面上呈两条平行的断层线性延伸，剖面上呈地堑构造样式（图6）.线性压扭段仅少量发育在早胜断裂带和宫河断裂带，在剖面上呈地垒构造样式.线性走滑段在泾河油田延长组广泛发育，剖面上呈高陡直立的构造样式.马尾走滑段位于永正断裂带的端部，从主断层向外延展的过程中，逐渐向着平行于远场最大主压应力的方向弯曲，剖面上呈高陡直立的构造样式，不同于呈负花状构造的马尾张扭段（图6）.

3 走滑断裂带的边界刻画

3.1　损伤带裂缝的定性识别

岩心和成像测井提供了直接识别板内走滑断裂带内部结构的资料.通过岩心和成像资料标定裂缝带的测井响应特征，可指导井间裂缝带的识别.

3.1.1　岩心

JH23井和JH63井位于榆林子断裂带附近（位置见图1b），JH23井的取心段（1 458.20~1 459.86 m）以及JH63井的取心段（1 395.26~1 396.82 m）均钻遇延长组长8₁小层的损伤带，发育高角度裂缝和垂直裂缝（图7）.裂缝带的测井响应特征均表现出声波时差（AC）、中子孔隙度（CNL）增大，以及密度（DEN）和电阻率（ILD、LLM、LL8）降低的特征（图7）.

3.1.2　成像测井

JH17P23成像测井的水平段钻遇榆林子断裂带中的次级小断裂，层位为三叠系延长组长8₁ ²小层（位置见图1b）.根据地震的断层解释，确定断核位置.断核在成像测井中表现出低阻夹高阻的特征（图8a）.靠近断核的损伤带发育高角度（以70°~90°为主）、低阻的簇状裂缝；远离断核的位置，损伤带裂缝密度明显降低，在电成像上表现为近乎平行的光滑暗色条纹分布特征（图8a）.围岩中裂缝不发育，在电成像上呈现块状分布特征（图8a）.在水平井段的测井响应特征中，高角度裂缝带表现出AC和CNL增大、DEN降低的特征（图8b）.

3.2　损伤带边界的定量刻画

3.2.1　综合裂缝指数测井CFI

由于泾河油田内钻遇走滑断裂带的岩心、成像测井资料较少，井下损伤带的识别与划分主要依赖于常规测井资料.但由于断裂带的岩性复杂、孔隙结构变化大，难以用单一的测井识别损伤带.因此，需要采用多种测井信息增强裂缝测井响应、降低非裂缝因素影响.

本文采用Lü et al.（2016）提出的综合裂缝指数法（CFI）预测损伤带中的裂缝.首先，在JH23井和JH63井取心段，以及水平成像测井JH17P23水平段裂缝解释的基础上（图8），绘制了裂缝带和非裂缝带的测井交会图（图9），选取了对裂缝敏感的测井曲线（AC、CNL、DEN、ILM、ILD、LL8），计算CFI曲线.

以成像测井JH17P23为例，由于该井缺乏电阻率测井，所以采用3条对裂缝响应敏感的常规测井曲线（AC、CNL、DEN）计算CFI.由图8可以看出，CFI曲线和成像测井解释的裂缝密度（FD）曲线相似.回归分析得出CFI与FD呈线性正相关关系（图10），CFI值越大说明裂缝越发育.因此，CFI可以指示井下裂缝密度的变化.

仅根据裂缝密度的分布来划分边界具有较强的主观性，Choi et al.（2016）提出可以根据累积变形频率曲线的梯度变化来降低主观性.断裂带变形频率（如裂缝密度）随着远离断层而衰减，直至衰减至围岩低而稳定的背景变形频率（Torabi et al.，2020）.裂缝密度的这种变化特征在累积曲线上表现为斜率的突变.因此该方法是以断层为起点，向断层两侧做裂缝密度的累积曲线，根据累积裂缝密度曲线斜率的变化识别损伤带边界，进而定义损伤带的宽度（Choi et al.，2016）.

以JH17P23井为例，以断核为起点，向两侧分别做累积FD和累积CFI曲线.根据累积FD曲线梯度的突变，划分损伤带与围岩的边界，损伤带范围为1 715.3~1 785.9 m，估算JH17P23水平段钻穿的损伤带的宽度为70.6 m（图8）；根据累积CFI曲线梯度的突变，划分损伤带与围岩的边界，损伤带范围为1 715.7~1 795.8 m，损伤带宽度为80.1 m（图8）.可见，利用累积FD和累积CFI曲线梯度变化所划分的损伤带宽度相近，虽然存在一定的偏差，但在缺乏岩心和水平成像测井的情况下，这种方法对于划分井下损伤带边界是可取的.

利用累积CFI曲线方法对钻遇太昌断裂带长8₁ ¹小层的水平井JH61P1进行损伤带边界的划分（图11）.该井钻遇了多条断层，本文研究处于水平段的断层F1及其次级断层F2，二者形成负花状构造（图11b）.两条断层（F1和F2）距离较近，导致损伤区的变形重叠，难以通过累积曲线区分每条断层的单个损伤区宽度，尤其是在地震分辨率的限制下；另一方面，断层F2是断层F1的次级断层，所以考虑将其损伤带纳入断层F1的损伤带，估算总损伤带宽度.由于该水平井缺少CNL和DEN数据，所以选取四条对裂缝敏感的曲线（AC、ILM、ILD、LL8）计算CFI（图11c）.以F1断层为起点做累积CFI曲线，根据累积CFI曲线的梯度变化划分损伤带边界，损伤带范围为2 304.2~2 464.5 m，估算断层F1及其次级断层F2的总损伤带宽度为160.3 m（图11c）.从CFI解释的损伤带与断层的位置关系来看，断层导致的变形主要集中在F1和F2断层之间的下降盘，这与前人提出的损伤带具有不对称性的认识相一致（Berg and Skar，2005；Lin and Yamashita，2013）.

3.2.2　3D地震损伤带边界刻画

为了定量刻画地下损伤带的边界，本文在建立裂缝密度和地震属性的关系的基础上，将Choi et al.（2016）提出的裂缝密度累积曲线法应用到地震尺度.

针对泾河油田高陡的、小断距走滑断裂带，在进行倾角扫描和构造导向滤波的断层增强处理的基础上，提取了不仅能够更准确地反映断点位置，且能够指示断层上升盘（属性值为正）和下降盘的（属性值为负）FSI地震属性（图5）（Chopra and Marfurt，2007；Rafiq et al.，2016）.

由于地震和测井资料之间尺度差异较大，对测井解释的裂缝密度曲线进行粗化，有利于在地震尺度下进行井震关系的分析.沿水平成像测井JH17P23的井轨迹提取FSI值，将沿井的FSI值与粗化后的裂缝密度FD进行回归分析（图8），得出二者呈线性正相关关系（图12）.因此，可以利用FSI指示裂缝密度的变化，并根据FSI累积曲线梯度的变化，划分地震尺度下的损伤带边界.

以榆林子走滑断裂带为例，作垂直于走滑断裂的测线（位置见图5的AA'），并沿测线AA'提取FSI值.断层附近的零值导致FSI地震属性预测的断核附近的裂缝密度不准确.考虑到研究区地震数据的道间距为20 m且断核宽度一般小于10 m（Lin and Yamashita，2013），本文以距离断层20 m的位置为起点，制作FSI绝对值的直方图和累积曲线，这不影响基于累积曲线梯度变化而划分的损伤带和围岩之间的边界位置.将FSI累积曲线梯度突然降低至背景变形频率的位置视为损伤带和围岩的边界，得出测线AA'所穿过的断裂两侧的损伤带宽度分别为160 m和80 m，总断裂带宽度为240 m（包括断核宽度，图13）.根据FSI累积曲线的梯度变化，又可将损伤带细分为变形程度更高、梯度更大的内损伤带和变形程度相对较低的外损伤带（图13）（de Joussineau and Aydin，2007）.

沿上述水平井JH61P1井轨迹提取FSI地震属性（位置见图11），在地震断层解释的基础上，以距离F1断层20 m的位置为起点做FSI累积曲线.根据FSI累积曲线梯度的突变划分损伤带和围岩边界，得到F1断层及其次级断层F2的总断裂带宽度为140 m（包括断核宽度，图14）.FSI属性值的分布也表现出不对称性的特征（Berg and Skar，2005；Lin and Yamashita，2013），即断层导致的变形主要集中在F1和F2断层之间的下降盘.

利用FSI累积曲线和CFI所划分的损伤带宽度存在一定偏差（20.3 m），且二者预测损伤带位置存在一定的偏离.导致这种偏差产生的原因可能有地震分辨率的问题，也可能是由于井震标定和时深关系存在误差，导致提取的沿井地震属性存在误差.但在缺乏岩心、成像测井和水平井资料的情况下，利用FSI累积曲线的方法划分走滑断裂的损伤带边界是可取的.

3.3　泾河油田不同分段的损伤带宽度

以200 m的横向间距作垂直于榆林子、永正和早胜走滑断裂带的测线，利用上述FSI累积曲线法，划分3条主要走滑断裂带在延长组长7段底界面（T₆ ^c）的损伤带边界（图15），统计得到泾河油田三条主要走滑断裂带内单条断裂的宽度整体在160~300 m （图16）.这与前人的认识一致，即在大多数成熟断层中，断裂带的宽度在100~400 m （Brogi，2008；Huang and Ampuero，2011；Choi et al.，2016；Ampuero and Mao，2017）.

走滑断裂分段性对损伤带的宽度具有控制作用，榆林子、永正和早胜走滑断裂带的损伤带宽度整体表现出张扭段>压扭段>走滑段的特征（图16）.其原因可能是受到断层落差的影响，前人研究指出损伤带宽度和位移呈正相关关系（Riley et al.，2010；Choi et al.，2016；Alaei and Torabi，2017；Liu et al.，2017；Torabi et al.，2020），泾河油田延长组张扭段的断层落差大于压扭段和走滑段（图3~图5），因此张扭段的损伤带宽度大于压扭段和走滑段.

4 结论

（1）泾河油田延长组的走滑断裂具有走向分段的特征，整体以张扭段为主，其次为走滑段，压扭段不甚发育.结合构造样式，又可细分为半负花状的马尾状张扭段、负花状的辫状张扭段、地堑式的线性张扭段，高陡亚垂直构造的线性和马尾状走滑段，以及地垒式的线性压扭段.

（2）裂缝密度（FD）和综合裂缝指数测井（CFI）呈线性正相关关系，可利用CFI指示井下裂缝密度的变化，根据CFI累积曲线的梯度变化可以刻画井下损伤带的边界.

（3）裂缝密度（FD）和断层形态指数属性（FSI）的绝对值呈线性正相关关系.利用FSI累积曲线的梯度变化，可以划分板内走滑断裂带的损伤带边界.但是受地震分辨率的限制，估算的损伤带宽度会有一定误差.

（4）泾河油田延长组永正、早胜和榆林子走滑断裂带内单条断裂的宽度主要在160~300 m，且张扭段的宽度最大，其次为压扭段和走滑段.

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基金资助

“十三五”国家科技重大专项(2016ZX05048-001-01)

中国石油化工股份有限公司科技项目(P21026)