X油田断裂系统演化及低序级断层刻画研究

李 鑫金 利沈忠山孙 丹

(大庆油田有限责任公司第四采油厂,黑龙江 大庆 163511)

1 X 油田断裂系统概况

X油田断裂系统复杂,井震结合研究之后共识别大小断层249 条,断层密度1.3 条/k m2,区内NW,NWW,NE和SN 这4种走向断层共存,并且呈条带状分布,证明每一种走向的断层是相同应力环境下相同期次构造活动的产物,4种走向的断层也代表4个构造活动期次,但目前各种走向断层的演化顺序尚不明确。图1所示为X 油田断层平面示意图。由于各种走向断层在区内纵横交错发育,局部断层分布密集,导致断层在地震资料上的特征模糊或者混乱,增加了对断层空间展布形态、搭接关系及大断层边部低序级断层识别与精细刻画的难度。为进一步提高断层的刻画精度,有必要深入研究断裂系统的演化过程,理顺不同走向断层间的分段生长关系,将复杂大断层化整为零,剖析其内部结构,进而指导对复杂大断层演化过程中形成的低序级断层的精细刻画。

图1 X油田断层平面示意图Fig.1 Fault plan of X Oilfield

2 各走向断层演化顺序研究

根据断层的成因机制、区域性断层要素分析、断层断距分析及不同走向断层切割关系研究等手段,判断各走向断层演化的先后顺序。

2.1 近南北向断层演化次序研究

将X油田及周边区域的断层按T2顶面的位置绘制断层平面图,并将不同走向的断裂密集带分颜色填充,形成T2层断裂系统分布特征图,如图2所示。统计长垣构造和两侧坳陷断层走向,绘制不同构造带断层走向玫瑰图,如图3所示。综合分析图2和图3,发现长垣两侧坳陷断层走向主体为近NS向,局部为NNW 向;而长垣构造发育多种方位断层,包括SN,NNW(近SN),NW,NWW 和NE 向断层。上述现象说明,NW,NWW 和NE这3种走向断层仅在经历了构造反转运动的长垣背斜带大规模发育,而近SN 向断层在反转背斜和背斜之外的区域均有发育,证明NW,NWW 和NE这3种走向断层形成于构造反转期,近SN 向断层形成于坳陷期,为东西向应力场作用的结果。

图2 长垣T2层断裂系统及背斜分布规律Fig.2 The T2 layer fault systemand anticline distribution of Changyuan

图3 不同构造带断层走向统计规律Fig.3 Statistical law of fault strikein different structural belts

由上述分析得出,X油田各走向断层中,近SN向断层为最早形成。

2.2 北东向断层演化次序研究

将长垣从北至南在地震资料上反映的褶皱幅度及褶皱对称指数进行统计并绘制成曲线,将每个二级构造发育NEE向断层数量与曲线一一对应,形成不同构造带变形强度与NEE向断层发育关系,如图4所示。从整个长垣的角度来分析,NE向断层仅发育在NNE向正反转断层发育区,从统计不同构造带变形强度和NE向断层发育关系来看,进一步证实背斜反转强度越大,NE向断层越发育,说明NE向断层的形成受NNE向反转背斜带的影响。

图4 不同构造带变形强度与NEE向断层发育的关系Fig.4 The relationship bet ween the defor mation strength of different structural belts and the development of NEEtrending faults

为验证NE向断层与NNE向反转背斜带的关系,设计了沙箱物理模拟实验,如图5所示。沙箱两端挡板模拟构造反转期的挤压应力场,底部设置胶皮模拟先存构造控制反转背斜走向。物理模拟的结果表明,在挤压应力作用下,形成了反转背斜,背斜走向受先存构造的控制,沿背斜发育一系列张性正断层,反映出背斜形成过程中的伸展应力环境。物理模拟实验的结果如图6所示,在基地薄弱带内出现新生断层,其走向与应力方向正交,与长垣构造反转期应力环境、反转背斜走向及NE向断层走向的配置关系完全相符,证明NE向断层的形成受控于NNE向反转背斜带,走向与挤压应力的方向正交。其形成原理是纵弯褶皱和挤压双重作用的结果,应力分析及效果示意图如图7所示,在反转背斜形成的后期,地层顶部由于弯曲被拉伸,在背斜顶端形成剪裂断层带。

图6 NE向断层物理模拟验证结果Fig.6 NE-direction fault physical simulation verification results

图7 NE向断层纵弯褶皱和挤压双重作用成因示意图Fig.7 Schematic diagram of the cause of the dual effects of longitudinal bending folds and compression on NE-trending faults

上述论证表明,NE向断层形成于构造反转的末期,在X油田各走向断层中最晚形成。

2.3 北西和北西西向断层演化次序研究

NW 和NWW 向断层都是构造反转期的压扭应力场下形成,演化顺序的区分较为困难,但仍可通过断距分析的手段间接判断。

根据断层的演化规律,断层在成核点处断距最大,由成核点向四周断距逐渐减小,直至断距减小为零处断层消亡。因此,可通过对断层做断距分析,判断断层的成核点,进而根据断层成核部位推断断层演化的先后顺序。

为有效分析断距的垂向变化规律,以地震资料为基础,针对X油田NW 走向和NWW 走向的若干断层,统计断层由浅至深的断距值,绘制了断距-埋深曲线,如图8和图9所示。图中横坐标为时间域的断距值,纵坐标为地震双程旅行时,断距极大值指示了断层的核部。

图8 X油田F234断层断距-埋深曲线Fig.8 F234 fault-buried depth curve of X Oilfield

图9 X油田不同走向断层断距-埋深曲线Fig.9 Fault distance-buried depth curves of different strikes in X Oilfield

从断层埋深-断距曲线可以看出,NWW 向断层明显表现为1期(T1)成核特点,而NW 向断层形成具有两期(T1和T2)成核特点,且形成时期明显早于NWW 向断层。

综合上述论述,确定X油田4种走向断层由早到晚的演化顺序为近SN,NW,NWW,NE向。

3 各走向断层分段生长关系研究

断层分段生长的现象在X油田普遍存在,认清各种走向断层之间的分段生长关系,对断层形态的刻画及低序级断层的识别具有重要的指导意义。针对分段生长断层,可以依据断层的地震标准层形态及分段生长点处断距减小的特性进行判断。

3.1 近南北向断层分段生长关系研究

近SN向断层主要分布在X油田东南区域。图10为X油田东南部T1地震反射层的等T0图,其中蓝色线标识了近SN 走向断层,红色线指示了NWW走向断层。从断层的平面展布形态上看,所有的近SN向断层均为分段生长形成的复合断层,走向上存在较大转角,个别断层的转角接近90°。与近SN向断层存在分段生长关系的为NW 向和NWW 向断层,NE向断层由于分布范围与近SN向断层不重叠,不存在分段生长关系。

图10 SN向与NWW 向断层分段生长现象(T1等T0图)Fig.10 Segmented growth phenomenon of faults in SNand NWWdirections(the T1 layer)

3.2 北东向断层分段生长关系研究

NE向断层主要分布在X 油田西北区域。图11所示为X 油田东北部T1地震反射层的等T0图,从图中断层分布特征分析,其分段生长特性表现在2个方面:

图11 NE向、NW 向、NWW 向断层分段生长现象(T1等T0图)Fig.11 Segmented growth phenomenon of faults in NE,NWand NWWdirections(the T1 layer)

一是NE 向断层之间的分段生长,NE 向断层普遍延伸长,断距小,是断层分段发育的典型特征,从地震标准层的形态上也可以观察到分段发育的现象;

二是NE向断层与NW,NWW 向断层分段生长,3种走向断层分布范围重叠,在空间上搭接便会分段生长,尤其是NE向和NW 走向断层之间易形成正交形态的分段生长断层。

3.3 北西、北西西向断层分段生长关系研究

NW 和NWW 两种走向断层在X 油田范围内广泛分布,图12为X 油田内部典型的分段生长断层的T1地震反射层等T0图。从图12可以看出,NW 和NWW 两种走向断层在平面上交错搭接,形成了大量的分段生长断层,导致X油田发育大量的“Z”字形、“L”形断层。各种走向断层的分段生长特性及关系证明,X油田断层的稳定性较差,晚期形成的断层发育时,早期形成的断层再次复活,并与晚期断层共同生长,现今断层的发育形态是经历多期构造运动,断层多次发育累加的结果。

图12 NW 向、NWW 向断层分段生长现象(T1等T0图)Fig.12 Segmented growth phenomenon of faults in NW and NWWdirections(the T1 layer)

4 断层演化指导低序级断层刻画

由前文的论述可知,X油田断裂系统演化的特征主要有分段生长与多期演化,2种特征在指导低序级断层刻画方面有重要作用。

4.1 断层分段生长指导低序级断层刻画

图13为利用沙箱在实验室内模拟断层分段生长演化过程(Fossen,2010),实验结果展示了断层分段生长经历相互孤立、侧列叠覆、软连接和硬连接4个阶段,硬连接后在断层分段连接的部位,会生成一系列新生的断层,与断层主体关系密切,主要以断层分支或者伴生小断层的形式分布于大断层边部。

图13 断层分段生长演化沙箱实验Fig.13 Sandbox experiment of fault segmented growth and evolution

此类小断层规模较小,地震反映不敏感,同时由于附近大断层的存在,使地震资料的响应混乱,导致小断层不能被有效识别。利用以演化规律指导的断层分段刻画思想,可以提高对此类低序级断层的识别及刻画精度。

图14为X 油田F03#-F04#断层组合的三维地震解释效果图,由图中看出其由NW,NWW 和NE 三种走向断层分段生长形成,在分段生长点的部位断裂密集分布,断层组合关系复杂。图15为断层搭接部位地震剖面,从图中看出,F04-1断层的尾端由于断距小,且距离F03,F04较近不易识别,通过以断层分段生长模式为指导,将断层拆分为多个相互搭接的小断层分别进行井震结合精细解释,识别出原未能有效识别的细小分支,各种走向断层之间的搭建关系更加明确,刻画精度提高。

图14 X油田F03#-F04#断层组合三维效果图Fig.14 Three-dimensional renderings of F03#-F04#fault in X Oilfield

图15 X油田F03#-F04#断层组合地震剖面Fig.15 Seismic profileinterpretation of F03#-F04#fault in X Oilfield

4.2 断层多期演化指导大断层内部低序级断层刻画

在多期构造运动作用下,断层会多次复活并经历多次发育,每一次断层活动并不会遵循同一个面,而是以分段叠覆的形态相互搭接,在断层内部垂向分段的部位会形成难以识别的低序级断层。图16为X油田F77#,F80#断层组合的地震剖面解释结果,可以看出,青山口组地层发育早期形成的F77#,F80#两条断层,图中由蓝色线标识;姚家组时期F77#断层继续发育,图中由红色线标识。F77#,F80#断层经历了两期发育,在多期断层搭接部位发育低序级断层,在断层多期演化模式的指导下,常规解释难以识别的低序级断层得到了精细刻画,井资料中小断距的井断点得到合理的组合。

图16 X油田F77#和F80#断层地震剖面解释Fig.16 Seismic profile interpretation of F77#,F80#fault in X Oilfield

5 结论

1)X油田4种走向断层的形成经历了多个期次的构造演化,由早到晚的演化顺序为近SN,NW,NWW 和NE向;

2)各种走向断层的分段生长特性及关系证明,X油田断层的稳定性较差,晚期形成的断层发育时,早期形成的断层再次复活,并与晚期断层共同生长,现今断层的发育形态是经历多期构造运动,断层多次发育累加的结果;

3)以断层分段生长和多期演化的特性和规律为指导,可以有效提高对大断层附近低序级断层的识别及刻画精度。