库车前陆冲断带低渗砂岩的裂缝发育模式

孙雄伟,侯贵廷,于 璇,魏红兴,莫 涛,周 露,谢亚妮,罗海宁

(1.塔里木油田 勘探开发研究院,新疆 库尔勒 841000;2.北京大学 地球与空间科学学院,教育部造山带与地壳演化重点实验室,北京 100871)

0 引 言

低渗砂岩储层(例如致密砂岩)渗透率低于0.1 mD,储集性差,勘探开发难度很大。美国巴肯致密砂岩气田和鄂尔多斯盆地湖盆中心的致密砂岩油田处于构造作用较弱的稳定地区,天然裂缝不发育,油气开发需要人工压裂技术(邹才能等,2013)。若致密砂岩处于前陆冲断带,受到强烈的构造作用,发育天然的构造裂缝,有利于提高致密砂岩的储集性和渗透能力,形成裂缝性低渗油气藏。前陆冲断带低渗砂岩区构造裂缝地质建模及发育机制是目前前陆区构造裂缝发育规律研究的重要问题。

加拿大阿尔伯塔盆地的前陆冲断带深部致密砂岩气是世界上最早开展研究的深盆气(何登发等,2005)。阿尔伯塔盆地的前陆冲断带及前渊坳陷在3000～4000 m深部发育侏罗系和下白垩统致密砂岩,下白垩统页岩为区域盖层。自西向东的冲断作用,导致深部致密砂岩发育构造裂缝,提高了致密砂岩储层的储集性。库车坳陷北部山前也具有与阿尔伯塔盆地山前类似的构造和致密砂岩储层,值得借鉴。库车坳陷相继发现了大北气田、克深气田和迪北气田等致密砂岩气田,占塔里木油田新发现油气藏的80%～90%。库车北部山前冲断带控制裂缝发育的构造因素是库车坳陷致密砂岩气勘探开发急需研究的重要课题。

库车坳陷的裂缝研究多数集中在钻孔资料的构造裂缝研究。曾联波等(2008)利用测井资料解释分析了前陆冲断带地下裂缝的产状和分布。张鹏等(2011)、孟庆峰等(2011)分别开展了岩性和层厚控制裂缝发育的研究。戴俊生等(2003,2011)利用有限元模拟方法研究了泥岩对砂岩裂缝的阻隔作用及裂缝发育的应力敏感性。利用弹性力学有限元数值模拟方法研究构造裂缝形成机制和开展裂缝分布的预测,一直是裂缝油气藏研究的重要方法(丁中一等,1998;周新桂,2005;鞠玮等,2013)。近些年,国内外开始利用粘弹性有限元数值模拟技术研究断层相关褶皱变形中所产生的裂缝发育过程(Smart et al.,2012;Ju et al.,2014),都具有理论意义以及应用价值。

断裂和褶皱控制的构造裂缝多数呈带状分布,即“构造裂缝发育带”,具有较高的裂缝密度,国外把这个“裂缝发育带”称为“破损带”(Damage Zone)(Gudmundsson et al.,2010)。前陆冲断带致密砂岩裂缝发育机制的研究就是分析各种构造(断层和褶皱)控制“裂缝发育带(即破损带)”分布规律及其控制因素,探讨构造裂缝发育的构造影响因素。由于构造现象在钻孔资料中不能系统全面地连续体现,仅利用钻孔资料不能开展各种构造控制裂缝发育机制的研究。库车坳陷北部山前的单斜带(Ⅰ)和克-依背斜带(ⅠⅠ)发育连续的地质露头,出露各种连续的构造剖面,为研究各种构造控制裂缝发育的地质建模提供了宝贵的基地(图1)。本文以库车坳陷北部山前各构造剖面的裂缝测量为基础,研究前陆冲断带内断裂和褶皱控制裂缝发育的规律性。

图1 库车坳陷地质简图及剖面位置Fig.1 Geological map of the Kuqa Depression and location of sections

1 裂缝的分级与分期

构造裂缝(Structural fractures)实际上是在某一个构造应力场作用下岩石破裂的结果(Van Golf-Racht,1989;侯贵廷,1994)。构造裂缝是由构造运动、应力作用形成的裂缝,一般成组出现、走向稳定、能指示应力方向,与构造应力场密切相关。一般来说,发生相对位移的裂缝为断层,而没有发生显著位移的裂缝称为节理,多数构造裂缝相当于构造地质学中的节理。而非构造成因裂缝主要是溶蚀缝、压实缝、风化缝、层间缝和沉积裂缝。另外,还有钻井成因缝和人工压裂缝,是由机械作用或水力压裂强制形成的人工裂缝(Van Golf-Racht,1989)。

构造裂缝按力学性质进一步可划分为张性裂缝、剪性裂缝和压性裂缝,以及张剪性裂缝和压剪性裂缝,一般纯的张性裂缝和压性裂缝少见,多见剪性裂缝和张剪性裂缝。张性裂缝多表现为不规则的边界;剪性裂缝表现为平直的可切穿颗粒和切穿多层的特点;压性裂缝多数表现为波浪状和劈理性质。不同地质时期存在着不同类型的构造运动及不同形式的应力作用,由此生成的构造裂缝形态和走向也各有不同。多期构造裂缝彼此之间相交、切割和改造,形成地下构造裂缝网络(侯贵廷,1994)。

构造裂缝可以根据长度分级,也可以根据开度或穿层性分级,目前多数以裂缝的长度为主要分级依据。参考Van Golf-Racht (1989)的裂缝分类方案,本文主要按裂缝长度分级,其次,再考虑裂缝的开度、产状和穿层性等。按裂缝长度为主可以将构造裂缝划分为四级裂缝。

Ⅰ级缝(大型裂缝):长度介于几十米至几百米,开度为厘米级,类似断层级的裂缝,如断距较小的微断裂、巨型节理,野外露头可见,FMⅠ(成像测井)中偶见。

ⅠⅠ级缝(中型裂缝):长度多为几米至十几米,开度为几十微米至几十毫米级,在 FMⅠ中常见,岩心可见的高角度缝、网状缝、斜交缝等。

ⅠⅠⅠ级缝(小型裂缝):长度近于几厘米至几十厘米,开度为几微米至几十微米级,在部分岩心中可见,微米 CT中可见的小裂缝和铸体薄片中可见的贯穿颗粒的裂缝。

ⅠV级缝(微型裂缝):长度为毫米级、微米级,开度为纳米级至几微米级,主要为粒缘缝和粒内缝,仅在纳米CT、激光共聚焦、场发射扫描电镜下可见。

野外发育的裂缝通常以大型和中小型裂缝为主,例如:库车前陆冲断带发育的构造裂缝就是以中小型裂缝为主(图2a,b,c),其次是大型裂缝(图2d)。微型裂缝在野外见不到,仅能在显微镜下观察到。

库车前陆冲断带的基本构造类型是断层相关褶皱,因此构造裂缝的成因及其发育期次与褶皱的形成过程密切相关。

图2 库车地区克拉苏剖面的构造裂缝分级及期次划分Fig.2 The ranks and episodes of the outcrop fractures in the Kelasu section,Kuqa

褶皱内发育的构造裂缝也不是全部属于褶皱成因的裂缝,也有一些裂缝形成于褶皱之前,因此,褶皱内发育的构造裂缝至少可以划分为三期:褶皱之前形成的裂缝、同褶皱期形成的裂缝和褶皱之后形成的裂缝(图2、3)。以克-依背斜带的克拉苏河剖面裂缝考察为基础(图1中的克拉苏河剖面),根据褶皱地层和构造演化期次及野外裂缝的交切关系,库车坳陷北部前陆冲断带的构造裂缝可以划分出三期构造裂缝:前褶皱期裂缝、同褶皱期裂缝和后褶皱期裂缝。

前褶皱期裂缝:以层内中小型正交缝为主,被充填或半充填,穿层性较差;通常在褶皱前期形成,与地层产状相关,与地层正交,穿层性差,多为层内正交缝。通常较缓的地层发育高角度裂缝,形成较早,被中期斜交缝切割(图3a,3b)。

同褶皱期裂缝:以中型斜交缝为主,多数被充填,可能为层间滑动成因,穿层性较强;通常为同褶皱期,呈雁列的张性脉,切割早期的正交裂缝(图2a,2b,2c)。同褶皱期还可以在背斜顶部转折端(中和面之上)发育高角度纵张裂缝,在下部(中和面之下)尤其核部受局部挤压作用而发育多倾角的剪裂缝,裂缝倾角变化较大(图3b)。

图3 库车地区各级各期裂缝的发育模式Fig.3 Model for the ranks and episodes of fracture development in Kuqa

后褶皱期裂缝:褶皱后期还可以发育少量大型垂直裂缝,穿层性非常强,可以切穿之前形成的所有裂缝,开度大,多数未充填。这些大型裂缝的走向通常与区域主压应力方向一致,在库车前陆冲断带区这类大型裂缝的走向为近南北向(图2d)。

2 前陆冲断带构造裂缝的主控因素分析

控制裂缝发育的因素有很多,包括岩性、层厚和各种构造。对于构造作用较弱的地区,主控因素为岩性和层厚,例如鄂尔多斯盆地湖盆中部的裂缝不十分发育,这些裂缝主要受砂体分布和层厚影响(赵文韬等,2013)。对于弱构造作用区层厚和岩性(尤其砂泥互层)控制裂缝发育的方面已有多位学者开展了研究(戴俊生等,2011;孟庆峰等,2011;张鹏等,2011)。而对于库车坳陷北缘的山前冲断带强构造作用地区,构造裂缝发育的主控因素是断层和断层相关褶皱。

库车坳陷是一种再生前陆盆地,虽然不是由海相发展而来的典型前陆盆地,但仍具有典型的前陆冲断构造(杨庚和钱祥麟,1995;卢华复等,2000)。库车坳陷自北向南分为北部单斜带、克-依背斜带、拜城凹陷、阳霞凹陷和秋里塔格背斜带(图1)(杨海军和朱光有,2013)。其中,北部单斜带和克-依背斜带是库车坳陷北部与前陆冲断带密切相关的裂缝发育区。该地区发育各种与前陆冲断带相关的断裂和褶皱,构造变形强烈,构造类型丰富,是研究各种类型构造控制裂缝发育的优质露头区。

2.1 裂缝发育的褶皱控制因素

在库车坳陷的前陆冲断带内发育各种褶皱构造,并在褶皱内发育各种构造裂缝,包括纵张裂缝、横张裂缝和斜交裂缝等。针对前陆冲断带各种构造,我们开展了8条大剖面的裂缝测量工作(图1)。以库车河的比尤勒包谷孜背斜(库车河大剖面的 KC7小剖面)为例(剖面位置见图1),研究背斜控制构造裂缝发育的规律性。我们在该褶皱的同一层位从南翼经转折端至北翼布置测线,共布置了 8个构造裂缝测量点(图4a),主要测量每个测量点的构造裂缝面密度。每个测量点实际上为一个测量面,该测量面内所有构造裂缝的长度之和除以该测量面的面积就是裂缝面密度(单位:m-1)。该褶皱剖面上各测量点的裂缝面密度分布情况见图4a,可见转折端点5的裂缝密度明显比两翼的裂缝密度要高。进一步利用Matlab对该褶皱所有测量点的裂缝面密度进行回归分析,分析裂缝面密度与距褶皱轴面距离的关系(图4b)。

图4 比尤勒包谷孜背斜(KC7剖面)构造裂缝面密度分布图Fig.4 Distribution of fracture density in the KC7 section of the Biyoulebaoguz fold

根据裂缝野外测量统计结果对比,背斜转折端的裂缝面密度明显大于两翼的裂缝面密度(图4a)。褶皱同一层各个测点的裂缝面密度随着距褶皱轴面距离的增大而降低,显示出较好的指数关系(图4b),相关关系式为 lgy=-0.0013x-0.4186,相关系数 R=0.93。褶皱的转折端和两翼对构造裂缝发育程度控制的差异性呈指数分布说明褶皱转折端对裂缝具有很强的控制,并具有很强的构造局部性,即:在褶皱的转折端裂缝相对比较发育,而在两翼裂缝密度明显地呈指数下降。因此,与褶皱相关的构造裂缝明显受到褶皱变形强烈的局部构造部位的控制,如转折端。

另外,库车坳陷东部的库如力向斜和克孜勒努尔沟背斜也具有相同的裂缝发育程度分布特征,即距褶皱的轴面和转折端越近,裂缝密度越高,这里不详细叙述了。

2.2 断裂控制裂缝发育的分带性

前陆冲断带除了褶皱外还发育大量逆冲断层及部分反冲断层和走滑断层。构造裂缝的发育程度和发育范围是否与断层密切相关？在断层附近是否存在“裂缝发育带”?若存在这个裂缝发育带,其裂缝发育范围与断层的性质或断距是否存在一定的关系？

根据库车坳陷北部单斜带内的逆冲断层和克-依背斜带内的反冲断层的野外裂缝测量和地质建模分析(图5、6),发现断层附近的构造裂缝发育程度和范围与断层的性质、规模和断距有密切关系,距断层由近至远可以分为“断裂控制的裂缝带”和“区域控制的裂缝”(图7)。“断裂控制的裂缝带”内发育的裂缝密度整体较高,变化较大,随着离开断层,裂缝密度急剧下降,与断层附近的局部应力场密切相关,而离开断层一定距离以后发育的是“区域控制的裂缝”,其裂缝密度整体较低,变化不大,与区域应力场有关,与局部应力场无关。

图5 库车坳陷西部阿瓦特逆冲断层控制裂缝密度分布图Fig.5 Distribution of fracture density controlled by the Awate reverse fault in the western Kuqa Depression

图6 库车坳陷东部克孜勒努尔沟反冲断层控制裂缝密度分布图Fig.6 Distribution of fracture density controlled by the Kezilenuer reverse fault in the eastern Kuqa Depression

图7 库车地区断背斜的构造裂缝发育模式Fig.7 Model for the fractures developed in the faulted fold in Kuqa

库车坳陷北部单斜带逆冲断层的野外裂缝测量和地质建模分析,以阿瓦特断层为例(图1的阿瓦特剖面和图5a)。距阿瓦特逆冲断层40 m范围内,三个测量点的裂缝密度均高于7 m-1,而距阿瓦特逆冲断层 40 m以外各测点的裂缝密度绝大多数介于2～5 m-1之间,明显低于40 m范围之内的裂缝密度(图5a)。将各测量点的裂缝密度与距断层的距离进行回归分析,得到指数分布关系式:y=1.27lnx+9.36,R=-0.72(图5b)。各测量点裂缝密度与距断层距离呈指数分布规律,说明逆冲断层控制裂缝发育具有很强的局部控制性,即距该断层 40 m范围内为“断层控制的裂缝带”,裂缝密度较高,而距该断层 40 m以外发育的裂缝为“区域控制裂缝”,裂缝密度明显降低,且变化不大,基本上已不受断层的影响了(图5b)。

克-依背斜带内的反冲断层的野外裂缝测量和地质建模分析,以克孜勒努尔沟反冲断层为例(图1的克孜勒努尔沟剖面和图6a)。距克孜勒努尔沟反冲断层40 m范围内,裂缝密度介于5～17 m-1,变化很大,在该范围内,离开断层的裂缝密度从 17 m-1骤降至5 m-1;而距克孜勒努尔沟反冲断层40 m以外的裂缝密度绝大多数介于 2～3 m-1之间,变化很小,明显低于40 m范围之内的裂缝密度(图6a)。将各测量点的裂缝密度与距断层的距离进行回归分析,得到指数分布关系式:lny=0.013x+1.22,R=-0.0.97(图6b)。各测量点裂缝密度与距断层距离呈指数分布规律,说明逆冲断层控制裂缝发育也具有很强的局部控制性,即距该断层40 m范围内的裂缝密度骤降带为“断层控制的裂缝带”,裂缝密度较高,而距该断层 40 m以外发育的裂缝稳定区为“区域控制裂缝”,裂缝密度明显降低,但变化不大,基本上已不受断层的影响了(图6b)。

综合以上各种构造类型控制裂缝发育程度和发育范围的规律性研究,根据褶皱和断层控制裂缝发育的地质建模分析获得的指数分布规律分析,前陆冲断带的主要构造类型逆断层及相关褶皱是控制前陆冲断带裂缝发育的主要构造因素。各种类型的构造控制裂缝发育的范围和程度均具有局部性,例如褶皱转折端的裂缝密度明显高于褶皱的两翼和非褶皱地层;断层附近一定范围内的裂缝密度明显高于该范围以外的裂缝密度,该范围以内裂缝密度较高且变化大,离开断层裂缝密度骤降,为“断层控制裂缝带”,而该范围以外远离断层,裂缝密度较低但变化不大,较平稳,为“区域裂缝”,显然不受该断层的局部影响了(图7)。

在前陆冲断带内褶皱通常与逆冲断层密切相关构成断层相关褶皱(图7)。在这种类型构造内,逆断层及相关褶皱构成的局部构造变形共同控制了裂缝的发育程度和发育范围,比单独一种构造控制的裂缝范围和程度都要高。这种情况下,逆冲断层的上盘并靠近断层的褶皱陡翼发育的构造裂缝密度明显高于下盘和缓翼的裂缝(图6a、7)。例如:克孜勒努尔沟剖面的逆冲断层上盘褶皱陡翼的测点6和7的裂缝密度分别为15.9 m-1和16.9 m-1,均高于下盘的测点8和9的裂缝密度14.7 m-1和11 m-1;这些测点的裂缝密度同样远高于远离断层并位于褶皱缓翼的其他点,其他点的裂缝密度大多数都低于10 m-1(图6a)。

根据以上模型分析,可见前陆冲断带致密砂岩区发育的构造裂缝可以划分出两种成因的构造裂缝,即局部构造控制的“褶皱冲断带裂缝发育区”和由区域应力场控制的“区域裂缝区”(图7)。褶皱转折端发育的裂缝和断层控制的裂缝带都属于“褶皱冲断带裂缝发育区”,通常裂缝密度较高,距局部构造由近及远,裂缝密度呈指数急剧下降,说明对裂缝具有很强的局部性控制(图6);而远离局部构造,与距局部构造的距离无关的裂缝为“区域裂缝”,通常裂缝密度较低,变化不大(图6)。上盘的裂缝比下盘发育,上盘背斜的顶部和陡翼的裂缝明显比缓翼发育。褶皱冲断带是构造裂缝发育带,裂缝密度高,而远离褶皱冲断带裂缝不发育,裂缝密度较低(图6、7)。

褶皱冲断带内的裂缝分布与褶皱中和面有一定联系。中和面之上的褶皱顶部转折端主要发育同褶皱期的高角度纵张裂缝和晚期的横张裂缝,在中和面之下的褶皱核部主要发育中低角度的共轭裂缝(图7)。在褶皱翼部主要发育雁列的张裂缝,常被充填。在远离褶皱的地层主要发育褶皱前期的正交裂缝,与地层垂直,是区域应力场控制的区域裂缝(图7)。

以上裂缝发育模式在库车前陆冲断带内普遍存在。除了以上列举的三个地质剖面,塔拉克剖面、大宛齐煤矿剖面、依奇克里克剖面和阳霞河剖面也都具有类似的裂缝发育规律(图1),这里不再一一赘述。

3 结 论

本文以库车前陆冲断带为例,根据库车北部单斜带和克-依背斜带内褶皱、逆冲断层和断层相关褶皱控制构造裂缝发育程度和发育范围的测量统计分析,可将前陆冲断带内发育的构造裂缝分为三期:前褶皱期、同褶皱期和后褶皱期。根据前陆冲断带内褶皱和逆断层控制裂缝发育的基本模型分析,前陆冲断带致密砂岩露头区构造裂缝有两种成因:局部构造控制的裂缝和区域构造裂缝。逆冲断层的上盘裂缝比下盘发育,褶皱顶部和陡翼的构造裂缝明显比缓翼和远离断层的区域裂缝要发育。褶皱转折端发育的裂缝和断层控制的裂缝带均属于“局部构造控制的裂缝”,属于局部强变形区控制的构造裂缝发育区,而远离这些局部构造受区域应力场控制的裂缝为区域构造裂缝。构造裂缝发育程度明显受变形程度影响,变形越强,裂缝越发育。

局部构造控制的裂缝带具有一定的范围,该范围呈带状,与局部构造类型(褶皱或断层)和规模密切相关,与距局部构造的距离密切相关,距这些构造越近,裂缝密度越高,越远裂缝密度越低,并呈指数分布规律。而区域构造裂缝不受距这些局部构造(褶皱或断层)距离的影响,通常裂缝密度较低,呈透入性弥散分布在区域内,裂缝方向主要受区域应力场控制。区域构造裂缝虽然裂缝密度较低,但分布广,对于区域性油气运移和储集也有一定的贡献。局部构造控制的裂缝通常裂缝密度较高,明显提高了局部构造附近的致密储层的储集性和渗透性,可以形成致密砂岩油气勘探的“甜点”,值得高度重视。

致谢:感谢北京大学的詹彦、赵文韬、李杰、郑淳方、李乐、张庆莲、鞠玮、张鹏等研究生参加了部分野外和数据统计工作。

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