准噶尔盆地哈山构造带断裂输导能力量化评价

林会喜，王圣柱，张奎华，吴倩倩，薛 雁

(中国石化胜利油田分公司，山东 东营 257015)

0 引 言

断层是油气运移的重要通道，断层附近出露的油苗和伴生裂缝充填的脉体是地层流体沿断裂运移的直接证据。油气勘探证实，70%以上的油气藏与断层有关[1]。断层是一个具有一定宽度的三维地质体，表现出强非均质性[2-7]。断裂带内部结构刻画对于分析断层在油气成藏过程中的作用具有重要意义。国内外学者针对碎屑岩和碳酸盐岩发育区的断裂开展了大量研究，在断裂带结构及其输导机制方面取得了丰硕的研究成果[2-15]。准噶尔盆地哈拉阿拉特山(下文简称哈山)构造带为一大型的逆冲推覆构造，经历海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期构造运动的叠加改造[16-17]，断裂发育。以“断—毯”和“断—缝”输导成藏模式为指导[18-19]，在超剥带、推覆带和冲断带发现了多个出油点，但油气分布非均质性强，富集规律不清楚。为此开展哈山构造带火山岩区断裂输导能力量化研究，揭示断裂带非均质性对油气差异运聚的控制作用，以实现研究区油气高效勘探。

1 地质概况

哈山构造带位于准噶尔盆地北缘，处于哈山与盆地的结合部位，南部紧邻玛湖凹陷，勘探面积逾1 000 km2。哈山构造带发育超剥系统、冲断系统、外来推覆系统和准原地系统4个地质单元，具有 “垂向分层，平面分带、东西分段”的地质结构特点[16-19]。剖面上分为2套构造层，下构造层包括冲断系统、外来推覆系统和准原地系统，主要充填石炭系和二叠系火山岩，以发育推覆-冲断构造为特征；上构造层指超覆于推覆-冲断系统之上的超剥系统，包括三叠系及其以上地层，表现为“底超顶削”的斜坡。平面上自北向南分为走滑改造带、推覆-冲断带、逆冲褶皱带和南部斜坡带。黄羊泉、风城和红旗坝构造调节带将研究区自西向东分割为百口泉推覆区、乌尔禾推覆区、夏子街冲断区和红旗坝断褶区等构造单元(图1)。

2 断裂带结构特征

2.1 断裂带内部结构

断裂带内部结构精细解剖是断裂输导研究的基础。哈山地区地表出露的大量断层为断裂带结构研究创造了条件。露头、岩心、薄片、扫描电镜等断裂带结构特征分析表明，研究区断裂带具有明显的分层性，可划分为断层核、破碎带和诱导裂缝带结构单元。断层核是岩石经历碎裂岩化、片理岩化或糜棱岩化，同时伴有蠕变、压溶或重结晶作用形成的有黏结力的致密断层岩组合体[20]，是断层发生剪切滑动的主要部位；破碎带指在断层滑动过程中两侧的岩石挤压破碎而形成的无黏结力的断层角砾岩和碎裂岩带[5-7，21]；诱导裂缝带即破裂带，指在断层形成过程中，在破碎带外侧产生的伴生构造裂缝的区域，保留了母岩的基本面貌[5-7]。

图1 哈山构造带构造单元划分及断裂输导性评价

2.2 断裂带结构层几何模型

断裂带结构观察、构造变形物理及数值模拟表明，断层发育区岩石力学性质不同，断裂带结构发育模式也不同。火山岩区的断裂变形符合里德尔剪切原理[20]，经历破裂、碎裂和碎裂流作用[6]，由“二维”断层面向“三维”结构体演化。当岩石所受构造应力超过其强度极限时，岩石内部质点间的结合力遭到破坏，发生破裂，形成微裂缝；在应力持续作用下微裂缝逐渐增多，延伸发展并联合形成断层滑动面，此时两侧的岩石发生明显的位移；在两侧岩石滑移过程中裂缝将岩石切割，形成无黏结力的破碎岩带；进一步挤压研磨，岩石发生碎裂流、压溶或重结晶作用，形成有黏结力的断层核。

基于大量露头与(成像)测井资料，对断裂带结构层测量统计，建立了断距与断裂带、诱导裂缝带、碎裂带和断层核宽度的几何关系模型(图2)。

图2 哈山构造带断裂带结构层宽度(w)

当断距为毫米至厘米级时，断层表现为不连续的微裂缝和断面擦痕，碎裂带不发育，诱导裂缝带宽度仅为数厘米；当断距小于1 m时，断层核宽度为厘米级，碎裂带和诱导裂缝带宽度达数米；当断距为米级时，断裂带以发育不连续断层核为特征；当断距为几米至数十米时，形成连续断层核，断层核和碎裂带宽度分别为数十厘米或数米，诱导裂缝带宽度为数十米，甚至上百米；当断距为数十米至数百米时，断裂带由断层核、碎裂带和诱导裂缝带组成，破碎带和诱导裂缝带的宽度可达数百米至上千米。

3 断裂带输导量化评价

3.1 断裂带渗透率-有效应力关系模型

断裂带地质结构模型将传统的断层面作为三维结构体。诱导裂缝带和无黏结力的碎裂带为脆性破裂，可形成复杂的裂隙网，具有较好的孔渗性；有黏结力的断层核发生强烈的颗粒细粒化、糜棱岩化，表现为脆塑性碎裂和特低孔特低渗特征。断裂带结构层渗透性是断层输导的关键，断层所受有效应力是断裂带渗透率的重要影响因素，有效应力为区域构造应力、上覆地层压力和地层流体压力三者的综合效应。断裂输导能力量化评价的核心是建立断裂带渗透率-有效应力模型。研究中考虑到断裂带内部结构非均质性，分结构层进行其输导性评价。通过露头和岩心断裂带结构层样品覆压物性测试，结合常规测井和核磁测井物性解释成果，建立了诱导裂缝带与碎裂带渗透率-有效应力关系模型(图3)，渗透率与有效应力两者呈幂函数关系。在此基础上，根据断裂带各结构层几何模型赋予其对应的渗透率权重系数，构建了断裂带渗透性评价模型。

图3 哈山构造带断裂带渗透率与有效应力关系

(1)

σ1=10-3(ρ岩-ρw)gh

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

KFC=CifzKifz+CsdzKsdz

(7)

式中：σeff为断裂带所受有效应力，MPa；Kifz为上下盘诱导裂缝带渗透率，10-3μm2；Ksdz为破碎带渗透率，10-3μm2；σ1为自重应力和流体压力差值(垂向应力)，MPa；σ2、σ3分别为最大水平主应力和最小水平主应力，MPa；α为断层走向与最大水平主应力之间夹角，°；φ为断层倾角，°；h为断层埋深，m；ρ岩为上覆地层平均密度，g/cm3；ρw为地层水平均密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；KFC为断裂带渗透率评价指数，即诱导裂缝带和碎裂带加权渗透率，10-3μm2；Kifz为上下盘诱导裂缝带渗透率，10-3μm2；Ksdz为碎裂带渗透率，10-3μm2；Cifz为诱导裂缝带权重系数；Csdz为碎裂带权重系数；L为断层断距，m；Wifz为断层上下盘诱导裂缝带宽度之和，m；Wsdz为碎裂带宽度，m；a、b、a′、b′、c、c′、d、d′为拟合系数。

3.2 断裂带输导能力校正因子模型

断裂带具有明显的“四维”属性特征，即横向上的不对称性、垂向上的分层性、走向上的分段性及时间演化阶段性[7]。综合断层不同部位的岩性组合、与烃源灶的位置关系及其所处地层流体环境等差异，提出岩性校正因子、活动性校正因子和运移动力校正因子，进行其输导能力校正。

3.2.1 断裂带岩性校正因子

断层不同部位的岩性组合及不同岩性岩石力学性质对断裂带内部结构发育具有重要影响[12-13]。根据不同岩性岩石的造缝能力和目的层两盘不同岩性的相对含量，赋予相应的岩性校正因子数值，该数值大小反映该岩性段断裂带结构的相对发育程度高低：

(8)

式中：Flith为断裂带渗透性岩性校正因子；Wk为断层两盘第k种岩性权重系数；Qk为断层两盘第k种岩性相对含量，%；q为断层两盘岩石岩性种类。

3.2.2 断裂带活动性校正因子

一般而言，在烃源岩生排烃期内断层活动次数越多，断裂带宽度越宽，其输导能力也越强，断裂带输导能力与其地质历史时期活动期次具有正相关关系。因此，需引入断层活动性校正因子进行断层活动性对其输导能力的影响校正。

(9)

式中：Fnum为断层活动性校正因子；Nt为地质时期断层活动次数；Neff为烃源岩主生烃期内断层活动次数。

3.2.3 断裂带运移动力校正因子

油气沿断裂运移除受断裂带结构因素控制外，还受断层与有效烃源岩的空间配置形式和所处地层流体环境(异常压力区和正常压力区)等因素的控制，断裂的输导能力大小与其距离有效烃源岩的距离呈负相关关系，与地层流体动力高低呈正相关关系。地层流体为常压时，浮力为主要的油气运移动力，其值随断层产状、油气与水的密度差值变化而变化。

Fdy=C浮CpCf

(10)

C浮=g(ρw-ρh)sinφ

(11)

(12)

(13)

式中：Fdy为断裂带油气充注动力校正因子；C浮为油气运移动力浮力系数；Cf为有效烃源岩供烃能力系数；Cp为地层流体压力系数；p地为实测地层流体压力，MPa；ρh为烃类流体密度，g/cm3；D为断层距离有效烃源岩的距离，km；int(D+1)为取整函数。

3.3 断裂带分单元输导量化评价

平面上，断层具有一定的延伸长度，其走向往往发生一定的变化，在不同部位所受区域应力存在一定差异；剖面上，断层倾角一般会发生一定的改变，因此，不同层段所受上覆地层的压力也不同。根据断层的空间展布形态差异，分单元进行输导性评价。依研究需要将断层划分出m×n个输导评价单元，即将断层在平面上划分为m段，剖面上划分为n层：

(CellFC)ij=(Fnum)ij×(Fdy)ij×(Flith)ij×(KFc)ij，i=1，2，3…m，j=1，2，3，…，n

(14)

式中：CellFC为断裂带输导单元输导能力评价指数；Flith为断裂带输导单元断层岩性因子；Fnum为断裂带输导单元断层活动性因子；Fdy为断裂带输导单元油气充注动力因子；Kfc为断裂带输导单元渗透性评价指数；m为平面上断层的分段数；n为剖面上断层的分层数。

4 实例分析

利用上述方法对哈山构造带主要断层的输导性进行了评价。研究表明，断裂带输导能力评价指数主要分布在0.10～130.00，不同断层或同一断层不同部位的输导能力存在明显差异，具有分层、分段、分块的特点(图1、表1)。为了系统评价研究区的断层输导性，根据20余条断层上下盘的油气水空间分布关系对其启闭性进行判识，将断裂带输导能力评价指数门限值定为2.50，CellFC≥2.50表示断层的输导性较好，且数值越大，输导能力越强，CellFC<2.50表示断层的输导能力较差，可以有效遮挡油气。

表1 哈山构造带F6断层分单元输导能力量化评价

断裂带结构输导非均质性控制了哈山构造带油气差异运聚成藏。一般而言，浅部与中—高角度断裂沟通，且具有良好盖层的圈闭和深部低角度断裂下盘的圈闭是油气的有利聚集部位。哈山构造抬升剥蚀造成地层压力的释放和应力松弛，推覆体Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ以发育中—高角度无黏结力的断裂带为特征，表现为一定的“膨胀”性，F3、F6等断层的诱导裂缝带和破碎带具有较强的输导性，遮挡能力较弱，致使浅部的推覆体整体连片含油[18]，哈浅3、哈浅6、哈深201等井的油气显示跨度在1 000 m以上；但在泥岩集中发育部位，由于泥岩的涂抹作用，断裂带输导能力评价指数为1.85～2.47，仍具有较强的封堵能力，哈浅6井风城组油藏是F4-1断裂遮挡的产物，哈深斜1井佳木河组油藏是F3断裂侧向遮挡的产物(图4)。推覆体Ⅰ、Ⅳ和准原地系统的断层埋藏较深，在高温、高压条件下断裂带内部成岩胶结作用强烈，以发育中—低角度有黏结力的断裂带为特征，表现为较强的封堵性。如哈深2井钻井揭示的F6断层埋深达4 600 m，在有效应力和再成岩作用下断裂带严重致密化，4 540～4 650 m井段的断裂带输导能力评价指数仅为0.06～0.31，颗粒定量荧光(QGF-E)值为9.8～10.1，F7断裂2 350～2 460 m井段的断裂带输导能力评价指数为4.72～52.14，QGF-E值为129.9～195.7，两者形成鲜明对比。F7断裂具有较强的输导能力，是哈深2井佳木河组油藏的重要输导通道；F6断裂深部丧失输导能力是哈深2和哈深201井3 600 m以下未见油气显示的重要原因。

图4 哈山构造带断裂带油气差异运聚模式

5 结 论

(1) 哈山构造带火山岩区断层经历破裂、碎裂和碎裂流作用，由二维断层面逐渐演变为三维地质体，具有强非均质性，呈现横向上的不对称性、垂向上的分层性和走向上的分段性。

(2) 基于断裂带结构几何模型与渗透率-有效应力关系模型，综合断层不同部位岩性、充注动力环境等，构建了断裂带输导能力评价模型，厘定断裂带输导能力评价指数门限值为2.50，实现了断裂带分单元输导能力量化评价，揭示了哈山构造带油气差异运聚机制。