镇泾地区延长组多期次裂缝发育特征及分布

王翠丽, 周 文, 李红波, 邓虎成, 刘 岩

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059；2.中国石油 塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 814000)

镇泾地区延长组多期次裂缝发育特征及分布

王翠丽1, 周 文1, 李红波2, 邓虎成1, 刘 岩1

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059；2.中国石油 塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 814000)

根据野外、非定向岩心、成像测井、裂缝充填物的稳定同位素测定、岩心的声发射实验等资料对鄂尔多斯盆地镇泾地区延长组天然裂缝特征、形成期次及成因类型进行分析，结果表明该区裂缝以垂直和高角度裂缝为主，主要组系为南北向、北东向，发育张破裂和剪破裂2种裂缝类型；延长组裂缝有3个破裂期，主要破裂期为燕山期第Ⅱ幕，对应埋深约为1 190 m；研究区存在多期的区域性裂缝及断裂共(派)生裂缝。运用断层共生裂缝参数评价软件和FLAC3D岩石破裂数值模拟软件，预测和评价断层共(派)生裂缝和多期次区域构造裂缝的平面分布。结果表明，南部的区域构造裂缝比北部发育，砂体越多的地方裂缝发育程度也越高，断裂带范围内裂缝发育程度普遍高于非断裂带范围。

镇泾地区；延长组；裂缝特征；裂缝期次；分布评价

鄂尔多斯盆地是一个在华北古生代克拉通地块上经过长期演化叠加形成的中、新生代沉积盆地[1]，经历了3期构造运动。印支期，盆地主应力方向为南北向，基本继承了前克拉通盆地西高东低、北高南低的格局。燕山期，盆地处于由左旋剪切产生的主压应力为北西-南东向的挤压应力场中，使盆地发生逆时针旋转。喜马拉雅期，盆地应力场发生根本变化，出现整体隆升、剥蚀，边缘断裂的特点，造就了鄂尔多斯盆地现今复杂的地貌格局。研究区位于鄂尔多斯盆地天环拗陷南部，上三叠统延长组的长6、长8、长9为该区的主要勘探目的层，其储层主要由三角洲水下分流河道控制的NE-SW向致密砂岩组成，岩石脆性相对较大[2]。从已有的钻井、物探、孔渗关系、建产特征等方面来看，镇泾地区断裂系统发育，是影响产能大小的重要因素。

延长组是鄂尔多斯盆地中部、西南部各油田的主力产油层，其储层物性极差，为典型的低孔、超低渗砂岩储层[3]。多期构造运动及主应力方向的变化使得低渗储层内天然裂缝发育，它们为油气运聚提供空间和路径，控制储层渗流系统，直接影响低渗油田的开发方案部署及开发效果[4]。故对低渗储层裂缝的特征及分布规律的研究可为油田开发过程中的井网部署、注水开发、储层改造等提供依据，对低渗油田的科学、合理、有效开发具有重要指导意义。前人对盆地中生代的构造应力场及部分地区的裂缝特征、成因、期次、分布规律以及裂缝对渗流的影响等做过大量基础工作[5-11]，但对镇泾地区的裂缝特征及分布缺少深入研究。本文基于前人研究成果，通过野外、岩心、成像、实验等资料，分析总结裂缝发育特征及形成的主要时期，根据岩石破裂理论，建立不同期次裂缝分布模型，利用信息叠合方法，对镇泾地区的裂缝分布进行综合评价。

1 裂缝发育特征

1.1 野外裂缝特征

野外露头裂缝调查是目前进行天然裂缝研究的一种最为直接的方法[12]。本次选取研究区西南部的崇信县汭水河至华亭安口镇一线延长组剖面进行裂缝调查和描述。通过对调查及描述的结果的甄别及统计分析，认为本区野外裂缝具有以下特征：①裂缝组系较多，主要发育有北西、北东、近南北、近东西向4个组系，其中南北向、北东向相对更发育。②裂缝产状主要为高角度、垂直裂缝，裂缝充填程度较高，缝面见擦痕，有效性较差；裂缝力学性质以剪性破裂为主，也可见由构造变形、断层派生等张性破裂。③野外剖面上裂缝发育程度相对高，一般可以达到0.8～1.5条/m，裂缝规模可达到2 m以上，裂缝穿层能力强(图1、图2)。

1.2 岩心裂缝特征

岩心是最直接、直观、真实反映井下地层的样本，对岩心裂缝的观察和描述是进行裂缝研究的基本方法[12]。通过对研究区延长组50口取心井的裂缝观察及统计分析，得出延长组岩心裂缝发育特征: ①裂缝产状以垂直裂缝和高角度斜交裂缝为主，低角度斜交裂缝较少，见少量的网状缝和泥岩收缩缝(图3-A,B,D,E)。②裂缝充填程度高，有效性差，充填物以方解石为主，石英、泥质充填少见(图3-A,D)。③垂直裂缝缝面一般比较平直，斜交裂缝面在砂岩、泥岩中可以观察到擦痕、阶步等缝面构造，擦痕为顺缝面方向的“X”形剪破裂，且共轭出现，张性和剪性破裂缝均有发育(图3-B,C)。④裂缝主要发育在砂岩中，垂直裂缝纵向延伸具有一定规模，能切穿一些薄层的砂岩层和泥岩层(图3-D)，未充填裂缝的宽度一般为<1 mm。

图1 延长组地层 SE方向野外调查剖面Fig.1 The section of fractures surveyed at the outcrops of Yanchang Formation

图2 野外延长组剖面裂缝产状统计Fig.2 The charts of fracture occurrence at the outcrops of Yanchang Formation

2 裂缝期次的确定

2.1 岩石声发射破裂期次分析

地层中的致密脆性岩石受到古构造应力的作用，会产生应力“记忆”。 当施加的应力达到或超过古应力强度时，产生明显的声发射信号，即Kaiser效应。岩石的声发射测定地应力和破裂期次的原理正是基于Kaiser效应[13]。通过对岩石的再次应力加载，根据声发射曲线上出现的Kaiser效应的点数，可以确定岩石的破裂期次，此方法已成为确定裂缝生成期次和测量地应力的重要方法之一。

图3 镇泾地区延长组岩心裂缝照片Fig.3 The pictures of the core fracture in Yanchang Formation of the Zhenjing block

本次实验从目的层段7口井大岩心上3个方向钻取试样，每个方向取3组试样，共取样63组。实验中，将试样进行单轴应力加载，声发射检测系统接收到声发射次数、事件率和能量强度等声发射的特征参数，并建立声发射特征参数和加载时间的关系(图4)，但随着应力加载的增大，样品可能产生新的微裂缝，出现新的Kaiser效应点，影响判断结果，故需结合其它实验进行综合判定岩石破裂期次。本次实验多数样品的声发射特征曲线一般出现4～5个Kaiser效应点，其中第3和第4个Kaiser效应点一般较弱，因此声发射记录的岩石破裂期次应该为4～5期，以第1、第2、第5期为主，中间第3、第4期与燕山期的多幕构造运动有关。

图4 岩石试件声发射能量累计数对数曲线Fig.4 Logarithmic curve of sound emission cumulative about rock samples

2.2 裂缝充填物同位素分析

除根据野外和岩心观察裂缝面的切割、限制及组合关系来推测裂缝形成期次外，裂缝中充填物的类型及形成时期也是判断裂缝期次的常用方法[9]。本次实验选取7件野外和28件岩心裂缝充填物样品，对其进行碳、氧稳定同位素测试分析。从碳氧同位素分布图上可以看出，据氧同位素可将样品分为3个区，反映出裂缝形成主要有3期，所对应的氧同位素平均值分别是-10‰, -16‰, -19‰(图5)。

图5 野外和岩心裂缝充填物碳氧同位素分析结果Fig.5 Carbon and oxygen isotope experimental analysis of the filler in the fractures from drill cores and outdoors

1953年Epstein提出氧同位素测温方程，据此计算裂缝形成时的温度。考虑地面温度和地温梯度，可对裂缝形成的古埋深进行估算。结合盆地地层埋深演化剖面，进一步确定各期次裂缝的具体形成时间

t=31.9-5.55(δ18O-δ18Ow)+ 0.7(δ18O-δ18Ow)2

式中：t为方解石矿物形成时温度(℃)；δ18O为矿物的氧同位素值(‰)；δ18Ow为形成矿物时水介质氧同位素值(‰)。

镇泾地区延长组为湖相-河流相沉积体系，属淡水环境，其水介质同位素取值一般为-10‰。应用此值与各期氧同位素的测试值，计算出3期裂缝形成的温度分别为31.9℃、70.4℃、138.55℃。按年地面平均温度为25℃，地温梯度为55℃/km折算裂缝形成时的埋深，3期裂缝形成时的平均埋深分别为125 m、1 190 m、2 065 m。将折算埋深对应到延长组沉积埋深演化剖面上，分别为燕山期第Ⅰ幕、燕山期第Ⅱ幕、喜马拉雅期(图6)。

图6 鄂尔多斯盆地西缘三叠系地层埋深演化剖面Fig.6 Burial evolution in Triassic on the west margin of Ordos Basin

综合裂缝同位素实验结果和岩样破裂期次测试结果认为，研究区裂缝形成期次为3期，分别对应于燕山第Ⅰ幕、第Ⅱ幕和喜马拉雅期。

3 裂缝分布评价

通过对研究区野外裂缝调查、岩心裂缝观察结果统计分析以及形成期次的研究，认为裂缝发育受控于岩性、层厚、区域构造应力、构造变形和断层的共同控制。研究区裂缝的主要成因类型有2类：一类是受区域构造运动控制的区域构造裂缝，这种成因裂缝包括断裂多为剪性破裂，且以一组相对发育；另外一类即为受各期断层所控制的与断层共生或者派生的裂缝。

3.1 区域构造裂缝的分布预测

由野外、岩心裂缝观察结果可知，构造裂缝是研究区裂缝的主要成因类型之一，其发育程度与分布受构造应力场控制。通过调查断层的构造活动特点、震源机制解以及不同点地应力测量，建立地质力学模型，运用有限差分法或有限差分差法进行数值模拟，得出能真实反映研究区形变的区域应力场。由前述可知，研究区裂缝形成期次为3期，由于不同时期的构造应力场差异大，需对燕山期、喜马拉雅期应力场进行分别模拟，模拟的整

个过程在FLAC3D软件中实现。

3.1.1 燕山期应力场分布特征

燕山期盆地最大主压应力作用优势方向为NW-SE(130°～310°)，分布于鄂尔多斯盆地东部和西北部；次优势方位为NE-SW向(50°～230°)，主要分布于盆地西南部(包括镇泾地区)。在该主压应力作用下，预测出燕山期最大主应力和破裂系数分布规律。

从整体来看，研究区最大主应力受岩性控制，平面上出现砂岩附近的主应力要大于泥岩附近的主应力，且变化明显，应力高值主要分布在研究区南北两侧的砂岩中。在断层附近有应力释放造成其附近的最大主应力值很低(图7-A)。

研究区在燕山期受到NE-SW方向挤压力作用，所处最大主应力场方向为NE向，应产生NE向张性破裂和近NNE向、NEE向共轭剪破裂。根据数值模拟结果可知(图7-B)，该期镇泾地区延长组η值普遍较高，岩体达到或超过了破坏强度，裂缝发育。从图上可以看出，燕山期形成的裂缝破裂程度较高，范围也较大，主要分布在研究区的南部，并呈北东-西南走向。这主要是由于该期应力作用进一步加强，从而导致裂缝进一步发育。此外，南部断层部位岩体破裂程度较高，裂缝发育。

3.1.2 喜马拉雅期应力场分布特征

喜马拉雅期镇泾区块受区域北东-南西向挤压应力的影响。从该期应力分布云图中可看出(图8-A)，研究区最大主应力整体表现出西高东低的特征，砂岩中的应力要大于与其相邻的泥岩中的应力，受岩性控制较明显。

图7 镇泾地区延长组燕山期最大主应力及破裂系数等值线图Fig.7 The contour maps of the Yanshan maximum principal stress and the cracking coefficient of Yanchang Formation in the Zhenjing block

图8 镇泾地区延长组喜马拉雅期最大主应力及破裂系数等值线图Fig.8 The contour maps of Himalayan maximum principal stress and cracking coefficient of Yanchang Formation in the Zhenjing block

根据数值模拟结果可知(图8-B)，喜马拉雅期镇泾地区延长组裂缝不发育，其最大破裂程度值达到1.65，但主要分布在断层附近；而大部分地区其破裂系数皆为<0.75，岩体未达到张性破坏强度，裂缝不发育。从裂缝分布规律来看，裂缝主要分布在断层带附近，其分布面积有限。这表明在喜马拉雅期构造应力作用下，由于早期形成裂缝的影响，应力在这些地方释放，难以形成新的裂缝系统。再加上目的层埋藏深度不断增大，围压增加，因此，在该变形期延长组的裂缝发育程度较燕山期大幅度减弱。

3.1.3 构造裂缝分布预测

由于岩石的破裂变形受多种因素影响，基于岩石强度理论得出的η值可量化岩石的破裂程度，是岩体受力变形的综合体现。一般认为η值越大，裂缝就越发育。根据研究区试油产液量大小、产液量与裂缝发育指数的关系、裂缝发育指数与岩石破裂的关系，建立裂缝分区的裂缝发育指数及岩石破裂系数标准(表1)。

基于上述裂缝预测的理论及方法，根据数值模拟获得的岩体破裂特征、物理模拟的结果，利用上述确定裂缝评价标准η值范围对研究区燕山期和喜马拉雅期的岩石破裂系数分布进行叠合，编制了构造裂缝分布图(图9)。由图可知，研究区裂缝分布整体上南部高于北部，断裂带内高于非断裂带区域，砂岩发育区高于泥岩发育区。

表1 裂缝发育指数及岩石破裂系数标准Table 1 The standards of fractured index and the cracking coefficient of rocks

3.2 断层共(派)生裂缝的分布预测

裂缝的发育程度与断层分布密切相关，断层活动引起应力扰动，造成应力集中，影响断层附近裂缝的分布[14]。作者统计了不同规模断层(断层延伸距>3 km和断层延伸距≤3 km)附近单井上裂缝密度，建立单井裂缝发育指数与距离断层的远近关系，发现断层附近的裂缝密度分布符合幂函数递减关系。依据断层附近裂缝密度的分布关系式，利用断层共生裂缝参数评价软件计算断层附近裂缝的发育指数，运用前述的裂缝分区标准，对断层附近的裂缝发育与较发育区进行划分，得到断裂带裂缝发育分布图(图10)，从图上可以看出，距离断层越近，裂缝发育指数越高。

图9 研究区区域构造裂缝发育区分布预测图Fig.9 The prediction of tectonic fractures distribution in the study area

图10 研究区断裂带裂缝发育区及次发育区分布图Fig.10 Distribution of the fault fracture developed and sub-developed areas in the study area

3.3 裂缝分布的综合预测与评价

上述2种裂缝预测方法侧重点不同，需将2种方法的预测结果进行信息叠合，使预测结果更接近地下实际。在综合考虑岩心裂缝观察、成像裂缝识别、单井裂缝解释结果等资料的基础上，绘制镇泾地区延长组裂缝综合评价图(图11)。从图中可以看出，区域构造裂缝发育南部高于北部，砂体越发育的地方，其裂缝发育程度也越高，断裂带范围内裂缝发育程度普遍高于非断裂带范围。

图11 镇泾探区延长组裂缝综合预测及评价图Fig.11 The integrated forecasting and evaluation map of the fractures of Yanchang Formation in the Zhenjing block

4 结 论

a.延长组裂缝以垂直和高角度裂缝为主，主要组系为南北向、北东向。裂缝充填程度高，见擦痕、阶步等缝面构造。垂直裂缝，纵向上有一定的延伸规模，可穿层。

b.以裂缝充填物的稳定同位素测定和岩心样品的声发射实验为依据，结合野外、岩心裂缝特征及电测裂缝识别结果，认为研究区裂缝有3个破裂期，主要破裂期为燕山期第Ⅱ幕，对应埋深约为1 190 m。

c.研究区主要存在两类成因的裂缝，一类是多期次区域构造裂缝，另一类是断层共(派)生裂缝。区域构造裂缝发育南部高于北部，砂体越发育的地方，其裂缝发育程度也越高，断裂带范围内裂缝发育程度高于非断裂带范围。

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Characteristics and distribution of multiphase fractures in Yanchang Formation of Zhenjing block in Ordos Basin, China

WANG Cui-li1, ZHOU Wen1, LI Hong-bo2, DENG Hu-cheng1, LIU Yan1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.TarimOilfieldCompanyofPetroChina,Kuerl841000,China

According to the analysis and summary of outcrops, non-directional cores, imaging logging data, the measured results of the stable isotopes in fracture fillings, and the acoustic emission experiments of core samples, this paper analyses the characteristics and the formation periods and genetic types of the natural fractures in Ordos Yanchang Formation. The results show that there mainly are vertical fractures and high angle fracture in this block, whose main group system is S-N and N-E. There develops tension fractures and shear fractures. The fractures of the study area are thought to be 3 rupture periods. The main rupture period is the second episode of Yanshan phase, whose corresponding depth is 1190 m. The results of the comprehensive analysis show that there are multiple phase regional fractures and fault symbiotic fractures. Using the fault symbiotic fracture evaluation software and the FLAC3D rock fracture simulation software, the plane distribution of the fault symbiotic fractures and the multiple phase regional fractures can be predicted and evaluated. The results show that the regional tectonic fractures in the south of this block develop more than that in the north, and the more of sand bodies, the more of the fractures. The development degree of the fracture over the range of the fractured zone is generally higher than that of the non-fractured zone.

Zhenjing block; Yanchang Formation; fracture character; period; tectonic fracture; evaluation; distribution

10.3969/j.issn.1671-9727.2014.05.09

1671-9727(2014)05-0596-08

2013-08-21

王翠丽(1985-),女,博士研究生,研究方向:油气藏描述, E-mail:wcl15982205106@163.com。

P589.1

A