断层相关裂缝定性识别：原理与应用

李小刚，徐国强，戚志林，韩剑发，崔艳敏，谭先锋，张 瀛，王 佳，徐 晌，吴仕虎，夏 铭

1.重庆科技学院复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331

2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059

3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000

4.中国石油川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司，成都 610213

0 前言

断层相关裂缝作为构造裂缝的重要类型，其有效识别一直备受石油地质学家关注，也是世界性的难题[1-3]。近年来，随着油气勘探程度持续向纵深发展，寻找与高陡构造伴生的大型裂缝系统（褶皱相关裂缝）越来越难，油气勘探重心正逐步从高点向翼部、单斜及构造平缓区转移，从常规的孔隙型、孔洞型向低渗透、特低渗透致密储层转移；而在构造平缓的致密储层内部，由于褶皱作用弱，与断层相关的裂缝圈闭[4-5]成为最重要、最现实的勘探对象。断层是地层裂缝的宏观表现，断层与裂缝总是相互伴生、相互促进的，尽管人们很早就注意到断层与裂缝之间的这种伴生关系，但由于自然界断层发育具有极不均质性，不同断层裂缝发育程度可以截然不同，即便是同一条断层，不同部位断层裂缝发育程度也可能存在很大差异[6]。前人[4-10]围绕断层相关裂缝“定性分析”和“定量表征”两大主题已开展过大量的尝试，并提出过一些富有特色的研究方法；这些方法从不同途径描述与预测裂缝，理论上都是可行的，只是其实用性、精度不同而已，并在各自的研究领域取得了一定的应用效果。但由于断层相关裂缝发育本身的复杂性，目前，还没有哪一种方法可以完全解决各种成因断层相关裂缝系统的有效识别。因此，基于不同的研究思路，从不同角度去探索定性、定量表征断层相关裂缝发育分布规律的方法，仍然是今后相当长一段时间内，裂缝研究必须面对的选择。基于此，笔者以前期研究为基础，提出一种基于断面脱空理论定性识别和预测断层相关裂缝的新方法，详细介绍该方法的原理，并应用于塔中地区上奥陶统良里塔格组（O3l）灰岩的裂缝识别与预测中，以期为断层相关裂缝的定性与定量研究提供一种新思路。

1 断层相关裂缝定性研究概况

长期以来，围绕“断层-裂缝关系”这一主题，前人已开展了大量研究，这些研究从本质上可归为“定性”和“定量”研究两大主题，其中以定性为主。尽管Nelson[11]早在1985年就曾指出：断层相关裂缝密度是岩性、断层面位移与断层面距离、应力、埋藏深度和断层类型等的函数，但由于断层本身的复杂性，这一定量函数至今还没有一个能被大多数学者认同的表达式[6]。在断层相关裂缝定性研究方面，国内的油气勘探工作者开展了大量研究工作，取得了许多原创性的认识，概况起来包括以下3个方面：①对四川盆地相关层位断层相关裂缝定性分析的总结与探索。20世纪50年代后期到90年代初，断层相关裂缝研究曾是四川盆地构造宽缓区阳新统灰岩、须二段致密砂岩油气勘探中的主题（图1），有关小断层与裂缝关系、断层相关裂缝特征、发育分布规律以及断层相关裂缝勘探，前人[4-5，9-10]曾做过大量的研究，先后总结出寻找裂缝的“一占一沿”、“三占三沿”、“三打三不打”等经验方法，其中“沿断裂”、“对断层打上盘不打下盘”以及“大断要避开、中断打上盘、小断要紧挨”[12]等都是对断层相关裂缝定性分析的经典总结；这些认识曾有效地指导了四川盆地阳新统灰岩、须家河致密砂岩的天然气勘探。②提出断层效应法。王允诚[13]提出运用断裂效应法定性预测断层相关裂缝发育带，指出断层的末端、外凸及两条断层的交汇处都是裂缝较发育的地带。③对断层两盘裂缝发育规律的定性探索。胡明等[14]通过研究指出断层的上下盘、性质及断层组合类型等也可用来定性判断断层相关裂缝的发育情况：通常情况下断层上盘一般比下盘裂缝更发育；单条逆断层上盘主要发育张裂缝系统，其范围随断距变化而变化，而下盘主要发育剪切裂缝，有效性差；而断层末端常以应力扰乱形式出现，常发育多组系、多性质、多方向的裂缝网状系统。宋国奇等[15]对陆相断陷盆地中断层两盘裂缝发育特征进行了研究，指出断层两盘的裂缝发育程度存在明显差异，通常情况下断裂主动盘的裂缝密度是被动盘的4倍，有些断裂被动盘不发育裂缝。

这些定性识别断层相关裂缝的经验总结和方法的提出，分别在各自的研究领域有效地指导了油气勘探部署，并有力地推动了国内断层相关裂缝的定性研究水平。

2 断层相关裂缝定性识别原理与方法

2.1 断面脱空理论

徐国强等[16]在对四川盆地、塔里木盆地及中伊朗盆地致密储层内裂缝发育分布规律攻关研究过程中，受Suppe[17]利用几何学原理定量分析断层相关褶皱及建立平衡剖面技术的启发，应用平衡剖面及几何原理，提出了断面脱空理论。该理论可表述为：对于一个处于上下软弱层之间的层状强硬地层（图2a）所形成的断弯褶皱（图2b），若其下盘底面保持水平，上盘顶面为弧状背形，强硬层无塑性形变，两断盘间无物质机械带入，则根据物质不灭定律（平衡剖面），断盘间必然存在一个理论上的脱空空间（图2c）。断层面脱空理论从几何学角度解释断层破裂带裂缝的控制因素，它综合反映了断层与褶曲构造对裂缝的影响和控制作用，揭示了断层相关裂缝发育的本质，解释了并不是每一条断层都发育断层相关裂缝、而且同一条断层也不是每一处都发育断层相关裂缝的规律。在理论提出基础之上，应用断弯褶皱的平衡剖面原理，通过设定断弯褶皱构造地质条件，建立了断层相关裂隙空间与断面脱空空间置换模型。

但受上覆顶板压力及岩层重力作用，地下很难存在像理论模型一样的巨大脱空空间，因此，该理论模型下的脱空空间是一个理论空间，是将断层破裂带内所有裂隙空间（包括各种X剪切缝、张裂缝、羽状节理等）抽提到断层面后介于上下盘地层之间的一个理论空间[6]，即断层面附近所有构造裂缝的孔隙空间总量与断弯褶皱形成过程中产生的脱空空间理论上是相等的，断面附近所有裂缝可视为脱空空间的分散表现。

2.2 断面脱空理论定性识别断层相关裂缝方法

图1 断层和褶皱作用强度与构造裂缝发育程度关系示意图Fig.1 Sketch map showing relationship among faulting and folding and development degree of structural fractures

图2 断弯褶皱构造内部脱空空间（据文献[16]修编）Fig.2 Schematic cross-section showing the pure fault detachment void space in a fault-bend fold（modified from reference[16]）

既然断层面附近所有构造裂缝的孔隙空间总量与断弯褶皱形成过程中产生的脱空空间理论上是相等的，则可以通过观察断层构造形迹（断层上下盘地层形态及其与断面之间的组合关系），直观地对具体某一条断层构造内部断层相关裂缝发育与否做出定性的判断。通过进一步的理论模型研究及实践，将利用断面脱空理论开展裂缝定性识别的方法总结如下：如果断层下盘底面平而上盘顶面上凸，或上盘顶面平而下盘底面下凹，或上盘顶面上凸而下盘底面下凹，上下盘地层的褶曲是不协调的，上下盘断面间的“肚子”是“饱的”或鼓起的，则存在理论上的脱空空间，指示断层破裂带裂隙空间发育；如果断层的上下盘地层皆平整而没有褶曲，或者上下盘地层一致的向上凸或一致下凹，被断层构造顶底面限定的地层厚度一致（等于原始地层厚度＋落差），此时上下盘断面就像两块平板或两张瓦片同向叠置，上下盘断面贴在一起（图2d、e），上下盘断面间的“肚子”是“瘪的”或没有鼓起，没有额外的空间产生，则就不存在理论上的脱空空间，也就意味着断层破裂带裂缝不发育。由于该方法可通过观察断层面之间的“肚子”是“鼓”还是“瘪”，因此，将其形象地称之为“饱肚子”效应识别法。

3 断面脱空理论的应用

前已述及，根据断面脱空理论可通过观察某一条断层的形迹对其是否发育有效的裂缝系统、裂缝系统规模进行定性判断。据此，选择塔中Ⅰ号断裂带西侧下奥陶统良里塔格组灰岩裂缝研究为例，展示依据断面脱空理论开展剖面及平面断层相关裂缝定性识别的过程及应用效果。由于塔中Ⅰ号断裂带西缘自早奥陶世末以来，断裂活动微弱而随塔中发生整体升降，总体上呈现出构造平缓的宽缓挠折带[18]，且拥有高品质的三维地震数据体，从而成为断层相关裂缝研究的理想场所。研究中选择典型井过井地震剖面和区块分别展示剖面和平面上的断层相关裂缝定性识别。

3.1 基于断面脱空理论的断层相关裂缝剖面识别

研究过程中，分别对塔中Ⅰ号断裂带西侧的58口过井地震剖面开展了断层相关裂缝的定性分析，限于篇幅，本次仅选择塔中823井和中古3井为代表，展示如何利用断面脱空理论开展地震剖面上的断层相关裂缝识别，其中中古3井为后续钻井。

塔中823井 首先对过井地震剖面（主测线和联络测线两个方向）开展精细的断层闭合解释，重点解释良里塔格组顶底面、内部断层断点、断面形态。结果表明，该过井地震剖面存在两条断层，其中F1断层的识别标志为：在1500～1650m，良里塔格组顶界面反射呈弱振幅，反映顶部地层局部速度降低（暗点）；续至强振幅波谷反映有低速层顶面，波峰大致代表底面；其下的第2个强振幅波谷下未见波续至波峰，反映第二个低速层低速程度小；也见绕曲断口。F2断层的识别标志为：在590～600m，可见绕曲带和绕折标志，为断层点的地震响应，此外，在820～1200m可见地震反射波呈弱振幅右倾斜对称反射，是断层破裂带低速响应。解释结果表明：该井所钻构造为不协调的低幅冲断背斜（图3a），按照断面脱空理论，属于“顶凸底平”型，存在脱空空间。据此预测塔中823井进入良里塔格组（O3l）之后，将钻遇较大规模裂缝系统，实际钻探结果也得到钻井和双侧向测井反演的证实（图3a蓝色曲线）。

中古3井 中古3井位于研究区西部走滑断裂带旁。对过中古3井的主测线和联络测线开展断层精细解释，其解释结果如图3b所示。由图可知，该井钻进位置属“顶平底平”式构造，按照断面脱空理论，若顶平底平则无脱空空间存在；再结合其所处位置得出中古3井位于张剪断裂带，在良里塔格组未钻遇断层，且反射层平直代表地层未经构造形变，无挤压伴生构造，从而断层相关裂缝不发育。后续钻井结果及双侧向测井裂缝参数反演结果（图3b蓝色曲线）也证实这一点。从测井反演结果分析，中古3井裂缝值一般低于0.019%，平均值为0.009%，裂缝系统不发育，与定性识别结果相同。

3.2 基于断面脱空理论的断层相关裂缝平面识别

依据断面脱空理论可对地震资料解释出的某一条断层或断层组是否发育有效裂缝系统进行定性识别。以此为基础，将剖面识别出的裂缝系统，即代表断面脱空空间的变形带，逐道地或按照一定道间距投影至目的层段某一界面之上（通常选取目的层顶底面），则可获得目的层内部断层相关裂缝系统在平面上的宏观发育分布。利用该方法对塔中Ⅰ号断裂带西侧的中古3井区、塔中72井区良里塔格组断层相关裂缝开展平面上的定性识别，裂缝平面分布图的投影过程如图4a所示：中古2井良里塔格组内部地层呈多个“顶凸底平”地震响应，为层面脱空与断面脱空的叠合效应，在剖面上勾绘出存在脱空的变形带（图4a中阴影部分），并将其投影至平面。据此，分别向两侧延伸，从而获得两个井区断层相关裂缝平面分布图（图4b、c）（本次投影道间距为5×5）。结果表明：在中古3井区，有效裂缝系统主要集中发育中古2所在的呈NW-SE向分布的条带状区域，其次在中古203、中古204等井区有局部分布，除中古2井南部有较大差异外，其余部分与均方根振幅检测结果宏观上对应较好；塔中72井区利用断面脱空识别出的断层裂缝发育分布图与利用均方根振幅检测结果相比，总体特征一致性较好，仅细节上有差异，两者对应关系优于中古2井区。

3.3 应用效果分析

除文中所展示的两口井之外，塔中54井预测结果（图4d）也与实际钻井结果一致（钻遇构造虽为“顶凸底平”式构造，但该井进入良里塔格组不是最佳位置，仅获油气显示），此外对中古203、中古4、中古5、中古7等井进行了钻前定性预测，预测结果基本得到证实①徐国强，李小刚.塔中54-塔中16井区奥陶系碳酸盐岩裂缝预测与识别研究报告.成都：成都理工大学，2009.。而通过对将塔中72井区、中古3井区的平面识别结果与前人利用均方根振幅检测结果相比，两者总体特征基本一致，仅细节上有差异，表明利用断面脱空原理开展断层裂缝系统的定性识别是可行的。

图3 利用断面脱空原理定性识别断层相关裂缝实例Fig.3 Examples showing qualitative identification of FRF using fault detachment theory

图4 利用断面脱空理论识别裂缝平面发育分布与均方根振幅预测结果对比Fig.4 Comparison between predicted results for the development distribution of FRF using fault detachment theory and RMS amplitude analysis，respectively

4 讨论

4.1 断层与有效裂缝系统

断层本身就是看得见的大裂缝，不管其规模大小，按照安德森力学模式，断层形成过程中必然伴生几组裂缝。勘探实践表明，若断层形成过程中无其他伴生构造形成，仅靠其自身形成过程所固有的几组裂缝，往往难以形成油气勘探所寻找的“有效裂缝系统”。如本次的中古3井，尽管该井钻遇位置本身断层较发育，但由于断层伴生构造欠发育，断层过程仅仅是板式错开，即断层形成过程中无额外脱空空间产生，因此，即使钻遇断层，通常只能获得微裂缝或呈孤立分布的裂缝，难以形成有规模的网状裂缝系统。为此，本次所讨论的断层相关裂缝，特指断面附近受多种因素控制、能够呈网状发育的裂缝系统，即油气勘探过程所指的“有效裂缝系统”。

4.2 断面脱空定性识别裂缝精度

利用断面脱空理论预测裂缝，受限于地震资料品质，这也是其他以地震资料为载体研究裂缝的方法不可回避的问题。地震资料分辨率有限，加之断层解释方案本身还可能存在不合理的地方等均会造成所观察和提取的断层构造模型与客观实际存在差距，使得利用断面脱空理论预测出的裂缝结果还不能像岩心观察、测井解释方法那样，与对应位置实际裂缝发育情况一一对应。但断面脱空理论的优势在于：离开井控区，能够对未知区域断层相关裂缝的发育进行宏观的定性预测。因此，这种定性化的研究还只是宏观、大尺度的预测，从精度上讲，基于断面脱空理论识别的大裂缝系统能够满足勘探要求，还不能满足油气开发要求。

5 结论

1）断层形成过程中产生的脱空空间容积与断层面附近所有构造裂缝的孔隙空间总量在理论上是相等的，断面附近所有裂缝可视为脱空空间的分散表现。

2）利用断面脱空理论，通过“饱肚子”效应识别法可直观地对断层构造内部相关裂缝是否发育做出定性评价，评价的核心要素为断层上下盘地层形态及其与断面之间的组合关系。

3）依据断层形成过程中是否产生脱空空间进行裂缝识别与预测，是断层相关裂缝研究的一种新思路，其应用效果已得到了实践证实。进一步对脱空空间容积进行计算，能够为定量计算断层附近裂缝系统大小提供一种可能。

（References）：

[1]苏培东，秦启荣，黄润秋.储层裂缝预测研究现状与展望[J].西南石油学院学报，2005，27（5）：14-18.Su Peidong，Qin Qirong，Huang Runqiu.Prospects and Status for the Study on Reservoir Fractures[J].Journal of Southwest Petroleum Institute，2005，27（5）：14-18.

[2]周新桂，操成杰，袁嘉音.储层构造裂缝定量预测与油气渗流规律研究现状和进展[J].地球科学进展，2003，18（3）：398-402.Zhou Xingui， Cao Chengjie， Yuan Jiayin.The Research Actuality and Major Progresses on the Quantitative Forecast of Reservoir Fractures and Hydrocarbon Migration Lew[J].Advance in Earth Sciences，2003，18（3）：398-402.

[3]张国君，冯晅，王典，等.裂缝性油气藏发展现状[J].吉林大学学报：地球科学版，2008，38（增刊）：43-47.Zhang Guojun，Feng Xuan，Wang Dian，et al.Present Status of Fractured Oil and Gas Reservoirs[J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2008，38（Sup.）：43-47.

[4]戴弹申，王兰生.四川盆地碳酸盐岩缝洞系统形成条件[J].海相油气地质，2000，2（1）：89-97.Dai Tanshen，Wang Lansheng.Formation Condition of Carbonatite Fracture-Cavity Systems in Sichuan Basin[J].Marine Origin Petroleum Geology，2000，2（1）：89-97.

[5]戴弹申.四川盆地碳酸盐岩缝洞系统形成条件及分布预测[J].天然气工业，1996，16（增刊）：54-62.Dai Tanshen.Formation Conditions and Distributive Prediction of the Fracture-Cavity System in Carbonate Rocks in Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry，1996，16（Sup.）：54-62.

[6]李小刚，徐国强，韩剑发，等.断层裂缝定量描述技术在塔中X井区良里塔格组裂缝研究中的应用[J].吉林大学学报：地球科学版，2012，42（2）：344-352.Li Xiaogang，Xu Guoqiang， Han Jianfa，et al.Application of a New Method for Quantitative Calculation of Fault-Related Fracture：A Case Study from Lianglitage Formation in Tazhong X Well Area，Tarim Basin，China[J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2012，42（2）：344-352.

[7]周文，邓虎成，赵国良，等.阿曼Daleel油田下白垩统Shuaiba组上段走滑断裂带裂缝分布定量评价[J].矿物岩石，2009，29（4）：53-59.Zhou Wen，Deng Hucheng，Zhao Guoliang，et al.Quantitative Evaluation of Fracture Distribution in the Down Strike-Slip Fault Zone of Upper Shuaiba Member of Lower Cretaceous，Daleel，Oman[J].Journal of Mineralogy and Petrology，2009，29（4）：53-59.

[8]邓虎成，周文，姜文利，等.鄂尔多斯盆地麻黄山西区块延长、延安组裂缝成因及期次[J].吉林大学学报：地球科学版，2009，39（5）：811-817.Deng Hucheng，Zhou Wen，Jiang Wenli，et al.Genetic Mechanism and Development Periods of Fracture in Yanchang and Yan’an Formation of Western Mahuangshan Block in Ordos Basin[J].Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2009，39（5）：811-817.

[9]杨茂康.川南阳新统中小型断层与张开缝发育程度的关系[J].天然气工业，1988，8（1）：34-39.Yang Maokang.Relationship Between the Medium Small Fault and the Degree of Development of Opened Fractures in Yangxin Limestone in South Sichuan[J].Natural Gas Industry，1988，8（1）：34-39.

[10]刘仲宣，夏绍文.川西南地区二叠系阳新统有效裂缝分布规律与布井方法探讨[J].天然气工业，1991，11（3）：1-7.Liu Zhongxuan，Xia Shaowen.Distribution Rules of the Effective Fractures in Yangxin Series of Permian in South-West Sichuan and a Discussion on the Method of Location of Wells[J].Natural Gas Industry，1991，11（3）：1-7.

[11]Nelson R A.Geologic Analysis of Naturally Fractured Reservoirs[M].Houston：Gulf Publishing Company，1985：12-17.

[12]陈立官，王洪辉，陆正元，等.川南地区古岩溶与阳新统天然气局部富集关系的探讨[J].成都地质学院学报，1992，19（4）：99-105.Chen Liguan，Wang Honghui，Lu Zhengyuan，et al.Discussion on the Relationship Between Local Gas Accumulation and Paleokarst in Yangxin Limestones in Southern Sichuan[J].Journal of Chengdu College of Geology，1992，19（4）：99-105.

[13]王允诚.裂缝性致密油气储集层[M].北京：地质出版社，1992.Wang Yuncheng.Fractured Tight Reservoirs[M].Beijing：Geological Publishing House，1992.

[14]胡明，秦启荣，陈继明，等.断层应力效应分析及其在裂缝性储层研究中的作用[J].新疆石油地质，1992，13（3）：280-284.Hu Ming，Qin Qirong，Chen Jiming，et al.Faulting Stress Analysis and Its Effect on the Study of Fractured Reservoirs [J].Xinjiang Petroleum Geology，1992，13（3）：280-284.

[15]宋国奇，刘克奇.断层两盘裂缝发育特征及其石油地质意义[J].油气地质与采收率，2009，16（4）：1-3.Song Guoqi，Liu Keqi.Fracture Characteristics Around Faults and Their Significance in Petroleum Accumulation[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2009，16（4）：1-3.

[16]徐国强，刘树根，Yang Qinming，等.断层相关裂隙的一种定量计算方法[J].地质学报，2006，80（2）：192-195.Xu Guoqiang，Liu Shugen，Yang Qinming，et al.A New Method for Quantitative Calculation of Fault Fractured Pore Space[J].Acta Geologica Sinica，2006，80（2）：192-195.

[17]Suppe J.Geometry and Kinematics of Fault-Bend Folding[J].Journal of Structural Geology，1983，283：684-721.

[18]徐国强，刘树根，李国蓉，等.塔中、塔北古隆起形成演化及油气地质条件对比[J].石油与天然气地质，2005，26（1）：114-119.Xu Guoqiang，Liu Shugen，Li Guorong，et al.Comparison of Tectonic Evolutions and Petroleum Geological Conditions in Tazhong and Tabei Palaeohighs in Tarim Basin[J].Oil ＆ Gas Geology，2005，26（1）：114-119.