冀中坳陷东北部石炭-二叠系裂缝发育特征研究

尘福艳，杨 创，丁文龙

（1.中煤航测遥感集团有限公司，西安 710054；2.陕西省地理空间信息工程技术研究中心，西安 710054；3.中国地质大学（北京），北京 100083）

冀中坳陷东北部石炭-二叠系裂缝发育特征研究

尘福艳1，2，杨 创1,2，丁文龙3

（1.中煤航测遥感集团有限公司，西安 710054；2.陕西省地理空间信息工程技术研究中心，西安 710054；3.中国地质大学（北京），北京 100083）

岩心裂缝观测是目前研究裂缝的一个最重要、最基本，也是最有效的方法，它是根据岩心裂缝发育情况对地层中的裂缝进行最直观的描述，是进行裂缝研究的最直接的手段，是裂缝测井和地震研究的基础，也是对后者研究精度的最直接的检验。通过对冀中坳陷东北部钻遇石炭-二叠系井的岩心观察，发现研究区的裂缝主要是天然裂缝，人工裂缝较少。天然裂缝的主要特征为裂缝间距较小，裂缝开启程度小或者是在地下为闭合缝，高角度缝和低角度缝均较为发育。其中，开启裂缝大部分未被充填，缝面干净，有镜面擦痕。影响天然裂缝发育的地质影响因素主要有岩性、埋藏深度和构造应力的关系。在冀中坳陷石炭-二叠系中裂缝发育段主要集中在泥质粉砂岩和含砾砂岩中；裂缝发育程度在同一期构造应力场下是随着深度的增加而减少的。

冀中坳陷；石炭-二叠系；岩心；天然裂缝

0 引言

油气成藏是一个油气聚集与逸散的动态平衡过程，油气藏充注和保存是成藏的两个主要要素[1]。对石油和天然气保存条件的评价，通常考虑以下四个方面的因素：一是水文地质条件，二是盖层发育状况与封盖性能，三是断层或裂缝封闭性，四是后期构造作用强度。裂缝是岩石中没有明显位移的断裂，它既是油气储集空间，也是渗流通道，因此，对裂缝的研究一直是油气勘探开发中一项重要内容[2]。岩心、露头(包括在清水井条件下的井壁成像资料)和薄片观察能对裂缝进行直接的描述，对观察到的裂缝特征进行分析，可以发现它们相互之间的关系。冀中坳陷东北部石炭-二叠系目前涉及裂缝研究资料较少，未进行过系统的研究。本文是通过对研究区的17口钻井岩心观察，对研究区的裂缝进行了系统的分析，以期对油田的下一步开发提供有效的支持作用。

1 地质概况

1.1 区域地质

冀中坳陷石炭-二叠系煤系的分布具有残留盆地性质，在历经了印支-燕山和喜马拉雅期多次构造运动改造后，主要分布在冀中坳陷的东北部，包括霸县凹陷的文安斜坡、廊固凹陷的河西务地区、武清凹陷、里坦凹陷和大城凸起，总面积约7000 km2（图1），残留厚度为0～1100 m。冀中坳陷东部为一大型古向斜，自核心向外依次出露中生界、石炭-二叠系、奥陶系、寒武系，古向斜总面积1.3万km2。

图1 冀中坳陷前古近系地质图（据华北油田研究院）Figure 1 Central Hebei depression pre-Paleogene geological map (after North China Oilfield Research Institute)

1.2 地层发育特征

在冀中坳陷石炭—二叠系中，利用测井曲线可以方便且准确地识别出各种岩性标志，这非常有利于地层的对比与划分。因此本次研究主要使用测井曲线，结合岩性标志层，确定了本区晚古生代岩石地层划分方案（图2），地层自下而上可划分为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组。

图2 冀中坳陷地层综合柱状图Figure 2 Central Hebei depression comprehensive stratigraphic column

2 岩心裂缝发育特征

2.1 岩心观测

在进行岩心观测时，一个重要的问题是如何区分天然裂缝和人工裂缝。天然裂缝是指由于构造作用、成岩作用、压实作用等构造应力作用下而形成的裂缝。天然裂缝按成因又可分为构造裂缝和非构造裂缝（表1）[3]。其中，构造裂缝是主要研究对象。人工裂缝是指由于人为因素而形成的裂缝。形成人工裂缝的原因主要有岩心破裂、压力卸载、钻具磨损等。

表1 裂缝类型及成因Table 1 Fissure types and origins

岩心构造裂缝的识别标志主要有以下三个方面：（1）裂缝内含有与钻井液无关的充填物；（2）裂缝面有擦痕、阶步；（3）裂缝之间存在明显的组系关系。裂缝所具有的羽饰构造、擦痕、矿物充填，或者破裂面上具有剪切组构等特征对于裂缝成因分析都有非常重要的作用。

2.2 岩心描述

岩心裂缝的描述主要是通过裂缝的发育位置、岩性、条数、形态、充填物和缝面特征等几大方面描述。对于研究区目的层的岩心，本文共观察和描述了17口井的岩心，由于10口井岩心风化较为严重（图3），因此，仅对七口钻井岩心进行系统观察（图4），观测到94条裂缝，其中天然裂缝92条，占97.87%，而完全人工诱发裂缝(图4a)只有2条，仅占总裂缝条数的2.13%。在研究区中，天然裂缝的性质以先张后剪性裂缝(图4b、图4c)和剪性裂缝(图4d、图4e、图4f)为主。

图3 葛5井风化破碎的岩心Figure 3 Weathering cracked cores from well No.Ge5

（1）岩心裂缝产出状态。高角度裂缝和低角度裂缝均较为发育（图5），其中高角度裂缝（60°～90°）约占50%（图6，图7），低角度裂缝（0°～30°）约为43%（图8），只有7%的裂缝角度分布在30°～60°。

图4 岩心裂缝照片Figure 4 Photo of core fissures

（2）岩心裂缝长度。研究区石炭-二叠系岩心天然裂缝长度变化较大（图9），从几厘米到几十厘米均有，裂缝的长度大多集中在5～20 cm，约为82%；其中，5～10 cm长的裂缝占据主要的长度，约为47%，最长的裂缝达70 cm（图10）。

图5 裂缝角度分布柱状图Figure 5 Columnar section of fissure angle distribution

图6 苏50井4758.05m处垂缝Figure 6 Vertical fissures at 4785.05m in well No.Su50

图7 苏46井2244.15m处高角度缝Figure 7 High-angle fissures at 2241.15m in well No.Su46

图8 京70井3212.73m处低角度缝Figure 8 Low-angle fissures at 3212.73m in well No.Jing70

图9 裂缝长度分布柱状图Figure 9 Columnar section of fissure length distribution

图10 苏46井2625.9m处的70cm长裂缝Figure 10 Fissures with length 70cm at 2625.9m in well No.Su46

（3）岩心裂缝宽度。研究区目的层岩心中没有大型穿层裂缝发育，分散细碎的裂缝较发育。本区的裂缝宽度变化较大，从几个微米到几个厘米，对于一些经过后期溶蚀充填的裂缝而言，其宽度虽大，但对油气的储集已无意义。有些由于完全被错开，仅测量部分因矿物充填或未裂成两部分的岩心裂缝的宽度。所测量岩心裂缝宽度为0.1～0.5 mm，其中宽度为0.5 mm裂缝占78.7%，宽度为0.1 mm的裂缝占10.64%。

（4）裂缝间距。有裂缝的岩心井中，钻遇的裂缝数多且细小，观察统计的7口岩心井中，苏46井和苏50井的裂缝间距几乎都是每0.5 m都会有一条裂缝或数条小裂缝；剩下的5口井的裂缝间距是0.2 m。冀中坳陷石炭-二叠系的井中钻遇的裂缝间距都很小，层间缝和高角度缝很发育，且有方解石或石英充填现象，偶尔有油浸现象（图4c、图4d、图4f）。

（5）裂缝开启程度。在岩心中表现为裂缝面新鲜、无附着物且无滑动的擦痕、阶步，则可判断为在此种裂缝在地下开启程度多为闭合缝，闭合缝占天然裂缝的74.36%。部分闭合缝中的裂缝受阻于层间缝，缝面平直新鲜，在地下应为剪性隐裂缝(图11)。闭合缝在岩心中之所以能表现出来可能是由于钻井过程中在钻具压力作用下裂开的。开启裂缝多为大型张剪缝(先张后剪缝)和剪切裂缝，裂缝面有擦痕、摩擦镜面（图4c、图4e）或有油迹显示（图4d），开启缝占天然裂缝的25.64%。

图11 苏50井4757.5m处的闭合缝Figure 11 Closed fissures at 4757.5m in well No.Su50

3 天然裂缝发育的主控因素分析

在石油地质领域，裂缝的精细描述和预测是一个至今世界性难题。裂缝是地壳上最小的构造，也是最为复杂的构造[4]。因此，裂缝的研究和分布是极其复杂的。大量研究表明，裂缝是由于在地层中的构造运动、岩石物理性质、化学组成、埋藏深度及温度等多种因素的综合作用致使裂缝的出现。其中，地层的岩性、厚度及其组合是裂缝发育的内因，而构造则是裂缝形成的外因[5]。

3.1 岩性

岩性是影响裂缝发育的内在因素[6]。岩石类型不同，变形程度不同所显现出来的力学性质也不一样，岩石的性质不同，受力后发生的变形程度也不同，即使是同种性质的岩石因其裂隙发育数量，裂隙方向等不同，其变形也有差异。天然裂缝的发育程度与岩性具有密切相关性。在系统的观察了7口井的岩心裂缝中，砂砾岩中的裂缝发育程度最低，平均密度为0.8条/m；粉砂岩中的裂缝发育程度是最高的，平均密度为2.26条/m；含砾砂岩中的裂缝发育程度要比泥灰岩发育，平均密度分别为1.88条/m和1.6条/m。从中可以看出含高脆性成分的岩石比低脆性成分的岩石具有更大的裂缝密度。岩心观测的裂缝长度在砂砾岩中较其在粉砂岩、泥灰岩中普遍较长，且有一条贯穿岩心的长裂缝分布于砂砾岩中。在粉砂岩中如果有泥质夹层，更容易发育层理缝。粉砂岩和泥灰岩中的裂缝长度一般都是在10 cm左右。

3.2 岩层厚度

在失去了褶皱、断层对裂缝的控制因素后，岩层厚度对裂缝的影响变得较为重要[7]。一方面，岩层中的裂缝发育程度明显受单层厚度的控制，即岩层越薄裂缝越发育。另一方面，单层厚度薄的岩层中岩石的颗粒更加细小，岩石颗粒和单层厚度的双重影响控制着裂缝的发育程度，即岩层越薄，颗粒越细，裂缝就越发育（图12）。

图12 裂缝密度与层厚关系[7]Figure 12 Relationship between fissure density and bed thickness[7]

3.3 构造应力

构造应力是大部分内生类裂缝的形成力源之一[8]。构造因素对裂缝形成的控制主要取决于岩层所受构造应力的大小、性质及受力次数。通常，岩层所受的作用力愈强，受力次数愈多，所受的应力愈大，产生的裂缝往往愈多，规模也较大。岩石埋藏在地下，承受周围岩体及上覆岩体对它的静压力，岩石埋藏越深，围压越大，岩石的抗破坏强度随之增大，则随埋藏深度增加，同一时期构造应力下形成的裂缝发育程度随深度增加而减弱.另外，随岩石埋深增加，围压增大，导致岩石的塑性增大，岩石逐渐产生塑性变形，最终导致的结果是裂缝开启程度随深度增加而变小以至闭合[9]。

4 结论

（1）通过对冀中坳陷石炭-二叠系7口井的岩心观察，发现研究区的天然裂缝类型主要为裂缝间距较小，裂缝开启程度小或者是在地下为闭合缝，高角度缝和低角度缝均较为发育。开启裂缝大部分未被充填，缝面干净，有镜面擦痕。

（2）粉砂岩中的天然裂缝发育程度最高，砂砾岩中的天然裂缝最不发育，含砾砂岩较泥灰岩发育。裂缝在泥灰岩中的发育长度大部分在10cm左右。裂缝发育程度随埋深加大而降低。

（3）影响天然裂缝发育的地质影响因素主要有岩性和埋藏深度的关系。在冀中坳陷石炭-二叠系中发育的裂缝主要集中在泥灰岩和砂砾岩中；同一时期构造应力下形成的裂缝发育程度要随着深度的增加而减少。裂缝的形成和分布是受多种因素控制的，所以不同阶段，不同应力背景下产生的裂缝是具有完全不同的性质和空间分布。

[1]付孝悦.天然气成藏与保存[J].新疆石油地质，2004，25(2):212-214.

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图5 勘查阶段与开采阶段3煤层（含天然焦）叠合分布图（局部放大）Figure 5 Coal No.3(with natural coke)stacked distribution during exploration and mining stages(partly magnified)

通过研究岩浆岩分布的连续性特征，可得：13104工作面最好，13101和13102工作面连续性最差。经测量，岩浆岩连续分布的长度一般不超过100 m，大多为50～100 m，由此可知，针对该天然焦矿井而言，适宜的勘查工程线距至少为50～100 m，复杂地段可小于50 m。

4 结论

由于岩浆岩分布的随机性较大，因此在地层倾向或走向上，按矿井勘探阶段确定的天然焦矿井勘探钻孔间距和勘探线距无法满足矿井实际开采需要，探采对比差异明显，即针对天然焦矿井而言，勘探钻孔间距和勘探线距均比煤、泥炭地质勘查规范规定的要小。

参考文献：

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Study on Permo-Carboniferous Fissure Development Features in Northeastern Central Hebei Depression

Chen Fuyan1,2,Yang Chuang1,3and Ding Wenlong3
(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Bureau,CNACG,Xi'an,Shaanxi 710054; 2.Shaanxi Provincial Geographic Spatial Information Engineering and Technology Research Center,Xi'an,Shaanxi 710054; 3.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083)

The core fissure observation is an above all,essential and most effective way to study fissures at present.It carries out most intuitive description for fissures in strata based on fissure development in cores,thus a direct means of fissure study,the fundamental work for fissure well logging and seismic studies;and can directly inspect research accuracy.Through observation on cores from borehole intersected Permo-Carboniferous strata in the northeastern Central Hebei depression,has found out the fissures in study area are mainly intrinsic fissures,less artificial fissures.Main features of intrinsic fissures have small interval and opening or closing underground,high-angle and low-angle fissures are all rather developed.Open fissures have mostly unfilled clean surfaces with scratches. Intrinsic fissure development geological impacting factors have mainly lithology,buried depth and relation with tectonic stress.Fissure developed zones are mainly concentrated upon argillaceous siltstone and pebbly sandstone.Under identical stage tectonic stress field, the degree of fissure development is decreasing along with depth increasing in Central Hebei depression Permo-Carboniferous strata.

Central Hebei depression;Permo-Carboniferous;core;intrinsic fissure

P534.4

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.04

1674-1803(2017)01-0014-06

国家自然科学基金面上项目（41372139）

尘福艳（1987—），女，硕士，工程师，主要研究方向为含油气盆地分析。

2016-08-12

责任编辑：宋博辇