塔河油田奧陶系斷裂分形特征及與油氣運聚關系

江山 ，劉國勇，云露

(1. 中國石油大學(北京)教育部石油天然氣成藏機理重點實驗室，北京，100029；2. 長江大學 地球科學學院，湖北 荊州，434023；3. 中國石油冀東油田分公司，河北 唐山，063004；4. 中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司勘探開發研究院，新疆 烏魯木齊，830011)

大量研究已經證實[1-4]：斷裂體系是油氣運移的有效通道，對油氣運聚有著重要影響。因此，對塔河油田的構造和斷裂體系特征進行研究，是塔河油田油氣運聚研究的重要內容。

1 塔河油田地質概況

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起(又稱為塔北隆起)上的阿克庫勒凸起南坡。該凸起東鄰草湖凹陷，東南側面臨滿加爾坳陷，南側連接順托果勒(低)隆起，西側為哈拉哈塘凹陷，北界為雅克拉斷凸，面積約為6 113 km2。阿克庫勒凸起的奧陶系碳酸鹽巖的頂面，構成一個總體上呈NE向延伸、向SW傾伏的古潛山地貌，長期的古巖溶作用與發育的構造裂隙，為塔河油田油藏的形成提供了良好的油氣儲集空間。

阿克庫勒凸起油氣資源豐富，具備形成大型油氣田的基本地質條件。實踐證明：塔河地區是一個以奧陶系為主，包括石炭系、三疊系在內的3套含油層疊合連片含油的大型油氣田。塔河地區下奧陶統風化面以下250 m內是整體含油的，油氣分布和富集程度主要受阿克庫勒凸起、下奧陶統碳酸鹽巖孔洞縫儲集體發育程度和石炭系巴楚組泥巖分布等多種因素綜合控制。塔河油田的油氣成藏過程異常復雜，經過多年研究和勘探實踐，發現塔河油田具有“多期成盆、多期改造、多套烴源巖、多次生排烴、多期運聚散”的成藏特點[5]。

2 塔河油田斷裂特征

位于沙雅隆起之上的阿克庫勒凸起先后經歷了加里東期、海西期、印支—燕山期及喜馬拉雅期等多次構造運動，因此，塔河及鄰區中下奧陶統頂面構造格局是多期次構造形變綜合的產物。目前，其總體特征表現為具有自北東向西南方向傾沒的復式鼻凸，其上疊加了近EW向、NW—SE向和NNE向的3組褶皺構造及多組方向不一的斷裂。

塔里木盆地長期經歷構造演化，因此，斷裂非常發育。對奧陶系內各反射界面中138條斷層的斷距和延伸長度進行分析和統計，結果見圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出：斷層的斷距大多為10～30 m，最大為80 m；延伸長度最大為35 km，一般為2～10 km。從塔河油田奧陶系斷層斷距和延伸距離散點圖(圖 3)可以看出：工區內斷層發育的規模較小。

造成斷層這種分布特點的主要原因是塔河油田頻繁的構造活動。在塔河油田主體區，由于巖溶和斷裂的關聯作用，發育了大量密集的溶塌小斷層。此外，由于海西早期北東向構造和海西晚期近東西向構造疊加，阿克庫勒凸起NE向構造軸線也出現了斷層發育的密集帶(圖4)。此外，塔河地區也發育具有延伸距離較長和斷距較大的斷層。

(1)阿克庫勒凸起NE向構造軸線，海西早期北東向構造和海西晚期近東西向構造疊加，是斷層發育的密集帶。其中，在塔河油田主體區即3，4和6區塊，由于巖溶和斷裂的關聯作用產生的密集溶塌小斷層，在構造圖上表現為斷裂分布的最密集區。其主干斷層主要呈NE向、EW向或NEE向，少量的呈NW向或NNW向或近NS向。

圖1 塔河油田奧陶系斷層斷距分布圖Fig.1 Distribution of fracture throw of Ordovician in Tahe Oil Field

圖2 塔河油田奧陶系斷層延伸長度分布圖Fig.2 Distribution of fracture length of Ordovician fracture in Tahe Oil Field

圖3 塔河油田奧陶系斷層斷距和延伸距離散點圖Fig.3 Scatter diagram of fracture length and fracture throw of Ordovician fracture in Tahe Oil Field

(2)阿克庫勒鼻凸傾沒端附近，是較大規模NNW或近NS向斷層的主要發育區。

(3)阿克庫勒鼻凸的東南翼緩坡帶上，以NE向或NEE向的斷裂最發育。

(4)規模較大的近EW向斷層和近NS向的斷層發育。

最高車速(km/h) ..................................................205

3 塔河油田分維值計算

前面對斷裂體系的研究只能定性說明斷裂體系的發育規模和特征，為了定量研究斷裂體系對油氣運聚的影響，本文作者借助分形研究方法研究斷裂發育程度與油氣分布的關系。

分形研究方法利用了分形幾何學的原理[6]。分形幾何學(Fractal geometry)認為自然界中有眾多客體具有極不規則的時空形態，它們無法在歐氏空間中進行客觀描述。Mandelbrot[6]系統地研究了這些復雜現象后，發現這些眾多不規則客體具有自相似，即在所有標定尺度上，局部包含整體且彼此相似，Mandelbrot把這一類不規則現象稱為分形。分形幾何學定量描述分形所具有的自相似性的參數是分維(Fractal dimension)。分形的定義式可表示為：

式中：C為常數；L為標度；N(L)為該標度下測得網格數；冪指數D為分維數。

目前，分形學已被應用于地質學領域[7-14]。分形學在地質領域的研究與運用不僅為地學研究提供了新的研究手段，而且為地質現象研究向半定量化、定量化發展提供了理論依據。分形幾何學在斷裂體系中的應用，為斷裂構造空間分布和幾何結構特征的定量表征提供了新的手段，同時，也為斷裂構造及其與油氣空間分布關系研究提供了新的思路[15-16]。分維研究主要包括容量維(相似維)和信息維 2種方法[17]。本文運用容量維的分析方法計算塔河油田奧陶系斷裂體系的分維值，計算步驟是：以邊長為L的正方形網格覆蓋研究區，不斷改變L，分別計算有斷裂穿過的網格數N(L)。對式(1)兩邊取對數得：

這說明研究對象具有自相似性，即具有分形。顯然，在雙對數坐標系中，N(L)—L關系圖形應為1條直線，該直線的斜率的絕對值即為容量維D。為了研究塔河油田斷裂體系的分維特征及其與油氣藏分布的關系，首先，根據選擇的中下奧陶統頂面界面地震反射層的構造圖繪制相應反射層斷裂體系平面分布圖(見圖4)；然后，根據研究區面積，把研究區劃分為若干個邊長為2 km的正方形區域；最后，計算每個正方形網格塊的分維值。根據獲得的分維值，得出中下奧陶統頂面界面的斷裂體系分維值分布，見圖5。

4 斷裂體系分維值對于油氣運移聚集的指示作用

斷裂體系分維值能夠定量描述構造的復雜程度以及空間分布的均勻性，同時，也能反映斷裂在時空上的不平衡性和非均勻性，而這種不平衡性和非均勻性與油氣分布有著密切的內在聯系。由圖4和圖5可知：斷裂體系發育、斷裂密集且延伸長之處，斷裂分維值高，斷裂不發育的地方，分維值低；在研究區的北部S75至S73井，斷裂發育密集，而這里的分維值也最高，達到1.6以上；在南部S112至S56井之間，斷裂不發育，分維值大多小于0.8。結合塔河油田奧陶系油氣運聚模擬結果(見圖6)，可以發現：在研究區的北部，斷裂分維值高之處，油氣分布相對集中。這表明塔河油田北部主體區域與其他區域相比，其油田的規模和產能都占優勢。可見：分維值大的區域，常是應力集中或釋放、斷裂發育的地段，從而為油氣的運移、聚集提供了有利的運移通道和匯聚場所。斷裂體系分維值越高，說明斷裂體系空間分布復雜程度越大，油氣運移的通道條件良好。以上分析結果表明：在本區，油氣的運移與斷裂構造存在一定的內在規律，斷裂體系的分維值在一定程度上定量地反映了油氣運移聚集作用。

圖4 塔河油田中下奧陶統頂面斷裂分布圖(T74波阻反射界面)Fig.4 Distribution of fracture of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field

圖5 塔河油田T74反射界面斷裂體系分維等值線圖Fig.5 Fractal dimension isoline of fracture of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field

圖6 塔河油田奧陶系油氣運聚模擬結果Fig.6 Simulation result of hydrocarbon migration and accumulation of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field

5 結論

(1)塔河油田奧陶系油氣分布受斷裂體系控制，在斷裂發育的地區，是油氣分布的有利地區。

(2)斷裂體系分形研究能夠定量描述斷裂空間分布特征以及與油、氣運移、聚集條件的關系。一般地，斷裂體系分維值高，則斷裂體系空間分布復雜程度大，深源油、氣向上運移的通道條件好；而斷層體系分維值低，說明斷裂體系空間分布復雜性小，斷層為深源油、氣運移沒有提供良好的通道條件，因此，斷層體系分維值低的區域不利于油氣的運聚。

(3)構造特征有深遠的地質意義和豐富的內涵。下一步的研究是要賦予不同類型的分維值特定的地質含義，同時要對斷裂的形成、分布進行多重分維研究，以便了解有關斷裂形成、分布、斷裂結構面及斷裂填充物特征，預測油氣的分布。

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