复杂构造变形区断控裂缝发育分布模式

Development and distribution pattern of fault-controlled fractures in complex structural deformation zones

摘要

天然裂缝是油气重要的储集空间和渗流通道。在复杂构造变形区,裂缝明显受断层影响控制,但其规律和模式尚不清晰。为此,本次研究以库车坳陷为例,通过现场地质观测、成像测井裂缝解译和理论分析,计算断控裂缝系数,揭示走滑断层、逆冲断层控制复杂构造变形区天然裂缝的规律,提出断控裂缝发育分布模式。结果表明:(1)逆冲断层对天然裂缝产状和发育程度均具有明显的控制作用,裂缝密度与距断层距离呈现负指数关系,距断层由近及远可以划分为断层强控制裂缝带、断层弱控制裂缝带和区域裂缝带。(2)走滑断层包括调节走滑断层和逆冲-走滑断层。调节走滑断层与地层走向近垂直或大角度斜交,发育断层控制裂缝带,其受断层规模影响显著;逆冲-走滑断层与地层走向近平行或者小角度斜交,天然裂缝主要局限于断层带内,沿断层走向断裂带宽度发生变化。(3)定义断控裂缝系数(K),即断层强控制裂缝带宽度与断层断距(滑距)的比值,通过分析,库车坳陷逆冲断层K值为1.50~1.80,走滑断层K值为0.125~0.150。研究成果对复杂构造变形区油气勘探开发具有理论和实践指导意义。

关键词

裂缝发育分布模式 / 断控裂缝系数 / 走滑断层 / 复杂构造变形区 / 库车坳陷

Key words

fracture development and distribution pattern / fault-controlled fracture coefficient / strike-slip fault / complex structural deformation zone / Kuqa depression

0 引言

塔里木盆地库车坳陷的石油地质条件优越,具备完善的“生储盖”系统,油气资源丰富且潜力巨大^[1]。该坳陷内天然气三级储量超过万亿m³,是我国“西气东输”工程的主力气源地^[2]。近些年来,随着油气资源需求的日益增加,库车坳陷深层-超深层领域受到广泛关注,并不断取得突破,已发现博孜9、克深8、克深9等超深高产气藏^[1,3-4]。

勘探开发实践显示,库车坳陷超深气井井间产能差异很大,甚至同一区块内相邻井的产能相差数倍^[5]。深层-超深层处高温高压环境,岩石致密且成岩作用强,导致原生孔隙稀少。然而与此同时,库车坳陷构造变形强且复杂,天然裂缝发育,成为油气重要的储集空间和渗流通道^[6-7]。勘探开发经验表明,天然裂缝的规模发育是保证油气井高产、稳产的关键^[8⇓⇓-11]。然而,在复杂构造变形区,断层发育分布具有强非均质性,其对裂缝控制规律的研究实践意义重大,断控裂缝发育分布模式是关键研究课题。

前期研究主要聚焦复杂构造变形区内逆冲断层对裂缝发育分布的控制。孙雄伟等^[12]依据野外裂缝测量与统计分析,半定量地建立库车前陆冲断带逆冲断层和相关褶皱控制裂缝发育的模型,提出“局部构造控制裂缝带”和“区域裂缝带”。潘文庆等^[13]分析天然裂缝发育影响因素,从岩性、层厚、风化作用、断裂作用、褶皱作用、热液改造和区域构造应力场角度探讨其控制裂缝发育分布的规律,并提出概念模型。鞠玮等^[14]探讨断层相关褶皱对裂缝发育程度的规律性控制,发现了“断层-转折端共控裂缝带”。Mao等^[15]基于离散元数值模拟和野外观测分析,揭示了断层转折褶皱对裂缝的控制规律,认为褶皱前翼和后翼裂缝最为发育。Ju 等^[16]通过有限元地质力学模型与野外数据,分析断层转折褶皱对裂缝发育分布的控制,并探讨断层滑移位移量、断层倾角和断层摩擦系数等因素的影响。刘国平^[17]基于野外露头和离散元数值模拟,构建准噶尔盆地南缘前陆冲断带断层转折褶皱天然裂缝分布模式,认为断层斜坡处裂缝密度最高,其次为褶皱前翼,原状地层部位处裂缝发育程度最低。Kim等^[18]分析Hongseong-Imjingang构造带中断层转折褶皱形成过程中天然裂缝网络及其连通性演化,明确了断层对其控制作用。

地震剖面解译与理论分析发现,库车坳陷内走滑断层亦同样发育^{[12,19⇓-21]},且断层走滑量呈由西向东逐渐衰减的趋势,同排构造带内断层走滑量与逆冲推覆量具相互转化的特点^[5]。前期Brogi^[22]研究Calcione地区走滑断层对天然裂缝的控制效应,认为先存天然裂缝的存在可显著影响断控天然裂缝样式。复杂构造变形区走滑断层与油气分布具有密切的关系,走滑断层活动过程中的聚合部位受挤压影响造成地层抬升、剥蚀,后期埋藏可形成优质储集层^[20]。复杂构造变形区内走滑断层具有何种发育样式,其对天然裂缝的控制规律如何,与逆冲断层控制裂缝发育分布具何种差异,以及断层对裂缝产状具有何种控制规律,这些问题目前还未得到有效解答。

为此,本次研究通过野外观测与统计分析,结合数值模拟,以库车坳陷为研究对象,重点关注走滑断层对天然裂缝的影响效应和断层对裂缝产状的控制规律,构建复杂构造变形区逆冲断层、走滑断层控制天然裂缝发育分布模式,以期为库车坳陷油气勘探开发提供理论依据和实践指导。

1 地质背景

库车坳陷位于塔里木盆地北缘南天山构造带和塔北隆起之间,是南天山前构造运动最为强烈的地区,经历了多阶段演化,是一个中、新生代坳陷。在印度-欧亚板块碰撞远程效应的作用下,南天山发生挤压收缩变形和强烈隆升,受其影响,库车坳陷内发育一系列断层和褶皱构造,形成复杂构造变形区^[23](图1),代表性的构造单元为北部斜坡带和克拉苏构造带(图1)。库车坳陷现今形态整体呈ENE-WSW向展布,空间上具有“南北分带、东西分段、上下分层”的构造特征,样式复杂丰富^[3,6,24-25](图1)。

北部斜坡带位于南天山前,其主要含气层系为侏罗系,是一套含煤陆相碎屑岩沉积,自下而上为阿合组(J₁a)、阳霞组(J₁y)、克孜勒努尔组(J₂kz)、恰克马克组(J₂q)、齐古组(J₃q)和喀拉扎组(J₃k),其中阿合组、阳霞组和克孜勒努尔组为目标储层,孔隙度为0.3%~15.63%,平均值为7.53%,空气渗透率基本低于1.00×10^-3 μm²,属典型致密砂岩储层。

克拉苏构造带是库车坳陷油气非常富集的构造单元,呈明显的分段性,根据膏盐层厚度展布特征和构造样式差异,自东向西可细划分为克深段、大北段、博孜段和阿瓦特段。克拉苏构造带主要含气层系为下白垩统巴什基奇克组(K₁bs)和巴西改组(K₁bx),其中:K₁bs主要为辫状河三角洲前缘和扇三角洲前缘沉积,岩性主要有细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和含砾砂岩;K₁bx主要为辫状河三角洲前缘沉积,其岩性以中砂岩、细砂岩和粉砂岩为主^[26]。白垩系砂岩基质有效孔隙度主要为4%~11%,平均值7%,渗透率为(0.04~0.50)×10^-3 μm²,平均值为0.23×10^-3 μm^{2 [3]},岩心和成像测井资料显示天然裂缝普遍发育^[5,27],整体为一套裂缝性致密砂岩储层。

2 逆冲断层控制裂缝发育分布规律

以库车坳陷吐尔力克河逆冲断层为例(图2a,b),开展野外天然裂缝的测量与建模分析,在J₂kz同一岩层中布置裂缝观测点,拾取裂缝产状参数并计算其密度,结果显示,靠近逆冲断层的观测点,裂缝发育程度高,天然裂缝走向呈现WNW-ESE向绝对优势方位,远离断层时裂缝密度较低,裂缝产状分散(图2c)。

以横轴x代表距断层距离,纵轴y表示裂缝密度,构建裂缝密度与距断层距离之间的量化关系,结果显示二者呈指数关系(图3a)。

基于裂缝形成的力学模式分析,认为WNW-ESE向裂缝为在吐尔力克河逆冲断层周边局部构造应力场作用下形成的天然裂缝,由此在现有数据基础上剔除区域裂缝,建立断层控制裂缝模型(图3b),可见逆冲断层对裂缝发育分布具有明显的控制作用,靠近断层的裂缝密度高(约5.39 m^-1),裂缝优势方位明显,远离断层的裂缝密度较低。根据裂缝密度随距断层距离的关系(图3b),距逆冲断层约50 m以内,天然裂缝密度随着距逆冲断层距离的增大而快速降低,此范围定义为断层强控制裂缝带。本研究中最远观测点(距断层约175 m)裂缝密度为1.01 m^-1,但此部位还未完全脱离吐尔力克河逆冲断层的影响,仍发育WNW-ESE走向裂缝,由此将断层强控制裂缝带以外至仍受断层影响的地段范围定义为断层弱控制裂缝带。当观测点内裂缝没有明显体现断控裂缝产状特征时,称为区域裂缝带。

3 走滑断层控制裂缝发育分布规律

根据走滑断层样式及其与地层之间的关系,库车坳陷发育的走滑断层可划分为两种基本的类型:调节走滑断层和逆冲-走滑断层(图4)。

调节走滑断层一般与地层走向近垂直或大角度斜交,野外观测显示,裂缝受走滑断层控制明显(图5d),存在断层控制裂缝带。统计并分析裂缝密度与距调节走滑断层距离之间的关系,表现为负指数关系。库东调节走滑断层强控制裂缝带宽度约为2.50 m(图6)。

为分析调节走滑断层滑移量对裂缝的控制作用,本次研究开展有限元数值模拟分析(表1),查明应变特征,据其分析天然裂缝发育分布规律。罗世伟^[28]研究发现,南天山与库车坳陷南部古隆起的距离在东西方向存在差异,阿瓦特地区约13 km、博孜地区约25 km、大北地区约为40 km、克深5地区约52 km、克深2-克拉3地区约49 km。数值模型中按上述比例关系设置差异滑移量。模拟结果显示,差异滑移量接壤处是走滑断层潜在发育部位,且差异越大,应变越大,裂缝发育程度越高(图7),走滑断层规模(滑移量)显著影响裂缝发育程度。

逆冲-走滑断层常与地层走向近平行或者小角度斜交,天然裂缝主要局限于断层带内,其宽度沿断层走向变化(图5b)。原因在于,逆冲-走滑断层沿其走向错断岩层岩性存在差异,当遇塑性泥岩层和膏盐岩层时,主要通过构造变形方式释放应力,岩石破碎程度低,进而断层带的宽度窄,而当遇脆性砂岩层时,岩石则主要通过破裂释放应力,因而断层带宽度大。逆冲-走滑断层强控制裂缝带宽度即为断层带宽度。据野外实际观测表明,库车坳陷阿格逆冲-走滑断层强控制裂缝带宽度为40 m左右。

4 断控裂缝发育分布模式

为了量化表征断层对裂缝的控制作用,本次研究定义断控裂缝系数(K),即断层强控制裂缝带的宽度与断层断距(或滑距)的比值。按此定义,基于野外观测与统计分析,库车坳陷发育的逆冲断层,其K值为1.50~1.80,走滑断层K值为0.125~0.150(表2)。

在此基础上,结合天然裂缝产状特征,建立库车坳陷复杂构造变形区走滑断层和逆冲断层控制裂缝发育分布的模式(图8)。逆冲断层控制下的天然裂缝主要集中于断层附近,尤其是断层上盘,天然裂缝发育程度高,裂缝优势方位明显。随着距逆冲断层距离的增加,裂缝密度呈指数减小,依次发育断层强控制裂缝带、断层弱控制裂缝带和区域裂缝带。逆冲-走滑断层控制下的天然裂缝主要集中于断层带内,受与断层接触部位地层岩性差异的影响,断层带宽度发生变化;调节走滑断层存在断层控制裂缝带,但其明显小于逆冲断层控制的裂缝带宽度。

5 认识与结论

以库车坳陷复杂构造变形区为例,本次研究分析走滑断层和逆冲断层控制裂缝发育分布的规律与模式,主要获取如下认识与结论。

(1)随着距逆冲断层距离由近到远,断层附近依次发育断层强控制裂缝带、断层弱控制裂缝带和区域裂缝带,断层强控制裂缝带内的裂缝密度最大,裂缝产状受断层显著控制,优势方位明显。

(2)库车坳陷主要发育两种类型的走滑断层:调节走滑断层和逆冲-走滑断层。调节走滑断层一般与地层走向近垂直或者大角度斜交,存在断层控制裂缝带;逆冲-走滑断层常与地层走向近平行或者小角度斜交,天然裂缝主要局限于断层带内,其宽度沿断层走向变化。

(3)定义断层强控制裂缝带宽度与断层断距(或滑距)的比值为断控裂缝系数K,库车坳陷逆冲断层K值为1.50~1.80,走滑断层K值为0.125~0.150,并在此基础上构建了库车坳陷复杂构造变形区断控裂缝发育分布模式。

感谢塔里木油田分公司勘探开发研究院张辉、徐珂、尹国庆、王志民和王海应的有益探讨;感谢评审专家提出的建设性意见,有效地提升了论文质量;感谢中国矿业大学钟宇在数值模拟过程中的帮助。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42372185)

科学技术部第三次新疆综合科学考察项目(2022XJKK1006)