斷層相關裂縫定性識別：原理與應用

李小剛，徐國強，戚志林，韓劍發，崔艷敏，譚先鋒，張 瀛，王 佳，徐 晌，吳仕虎，夏 銘

1.重慶科技學院復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 401331

2.成都理工大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610059

3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000

4.中國石油川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司，成都 610213

0 前言

斷層相關裂縫作為構造裂縫的重要類型，其有效識別一直備受石油地質學家關注，也是世界性的難題[1-3]。近年來，隨著油氣勘探程度持續向縱深發展，尋找與高陡構造伴生的大型裂縫系統（褶皺相關裂縫）越來越難，油氣勘探重心正逐步從高點向翼部、單斜及構造平緩區轉移，從常規的孔隙型、孔洞型向低滲透、特低滲透致密儲層轉移；而在構造平緩的致密儲層內部，由于褶皺作用弱，與斷層相關的裂縫圈閉[4-5]成為最重要、最現實的勘探對象。斷層是地層裂縫的宏觀表現，斷層與裂縫總是相互伴生、相互促進的，盡管人們很早就注意到斷層與裂縫之間的這種伴生關系，但由于自然界斷層發育具有極不均質性，不同斷層裂縫發育程度可以截然不同，即便是同一條斷層，不同部位斷層裂縫發育程度也可能存在很大差異[6]。前人[4-10]圍繞斷層相關裂縫“定性分析”和“定量表征”兩大主題已開展過大量的嘗試，并提出過一些富有特色的研究方法；這些方法從不同途徑描述與預測裂縫，理論上都是可行的，只是其實用性、精度不同而已，并在各自的研究領域取得了一定的應用效果。但由于斷層相關裂縫發育本身的復雜性，目前，還沒有哪一種方法可以完全解決各種成因斷層相關裂縫系統的有效識別。因此，基于不同的研究思路，從不同角度去探索定性、定量表征斷層相關裂縫發育分布規律的方法，仍然是今后相當長一段時間內，裂縫研究必須面對的選擇?；诖?，筆者以前期研究為基礎，提出一種基于斷面脫空理論定性識別和預測斷層相關裂縫的新方法，詳細介紹該方法的原理，并應用于塔中地區上奧陶統良里塔格組（O3l）灰巖的裂縫識別與預測中，以期為斷層相關裂縫的定性與定量研究提供一種新思路。

1 斷層相關裂縫定性研究概況

長期以來，圍繞“斷層-裂縫關系”這一主題，前人已開展了大量研究，這些研究從本質上可歸為“定性”和“定量”研究兩大主題，其中以定性為主。盡管Nelson[11]早在1985年就曾指出：斷層相關裂縫密度是巖性、斷層面位移與斷層面距離、應力、埋藏深度和斷層類型等的函數，但由于斷層本身的復雜性，這一定量函數至今還沒有一個能被大多數學者認同的表達式[6]。在斷層相關裂縫定性研究方面，國內的油氣勘探工作者開展了大量研究工作，取得了許多原創性的認識，概況起來包括以下3個方面：①對四川盆地相關層位斷層相關裂縫定性分析的總結與探索。20世紀50年代后期到90年代初，斷層相關裂縫研究曾是四川盆地構造寬緩區陽新統灰巖、須二段致密砂巖油氣勘探中的主題（圖1），有關小斷層與裂縫關系、斷層相關裂縫特征、發育分布規律以及斷層相關裂縫勘探，前人[4-5，9-10]曾做過大量的研究，先后總結出尋找裂縫的“一占一沿”、“三占三沿”、“三打三不打”等經驗方法，其中“沿斷裂”、“對斷層打上盤不打下盤”以及“大斷要避開、中斷打上盤、小斷要緊挨”[12]等都是對斷層相關裂縫定性分析的經典總結；這些認識曾有效地指導了四川盆地陽新統灰巖、須家河致密砂巖的天然氣勘探。②提出斷層效應法。王允誠[13]提出運用斷裂效應法定性預測斷層相關裂縫發育帶，指出斷層的末端、外凸及兩條斷層的交匯處都是裂縫較發育的地帶。③對斷層兩盤裂縫發育規律的定性探索。胡明等[14]通過研究指出斷層的上下盤、性質及斷層組合類型等也可用來定性判斷斷層相關裂縫的發育情況：通常情況下斷層上盤一般比下盤裂縫更發育；單條逆斷層上盤主要發育張裂縫系統，其范圍隨斷距變化而變化，而下盤主要發育剪切裂縫，有效性差；而斷層末端常以應力擾亂形式出現，常發育多組系、多性質、多方向的裂縫網狀系統。宋國奇等[15]對陸相斷陷盆地中斷層兩盤裂縫發育特征進行了研究，指出斷層兩盤的裂縫發育程度存在明顯差異，通常情況下斷裂主動盤的裂縫密度是被動盤的4倍，有些斷裂被動盤不發育裂縫。

這些定性識別斷層相關裂縫的經驗總結和方法的提出，分別在各自的研究領域有效地指導了油氣勘探部署，并有力地推動了國內斷層相關裂縫的定性研究水平。

2 斷層相關裂縫定性識別原理與方法

2.1 斷面脫空理論

徐國強等[16]在對四川盆地、塔里木盆地及中伊朗盆地致密儲層內裂縫發育分布規律攻關研究過程中，受Suppe[17]利用幾何學原理定量分析斷層相關褶皺及建立平衡剖面技術的啟發，應用平衡剖面及幾何原理，提出了斷面脫空理論。該理論可表述為：對于一個處于上下軟弱層之間的層狀強硬地層（圖2a）所形成的斷彎褶皺（圖2b），若其下盤底面保持水平，上盤頂面為弧狀背形，強硬層無塑性形變，兩斷盤間無物質機械帶入，則根據物質不滅定律（平衡剖面），斷盤間必然存在一個理論上的脫空空間（圖2c）。斷層面脫空理論從幾何學角度解釋斷層破裂帶裂縫的控制因素，它綜合反映了斷層與褶曲構造對裂縫的影響和控制作用，揭示了斷層相關裂縫發育的本質，解釋了并不是每一條斷層都發育斷層相關裂縫、而且同一條斷層也不是每一處都發育斷層相關裂縫的規律。在理論提出基礎之上，應用斷彎褶皺的平衡剖面原理，通過設定斷彎褶皺構造地質條件，建立了斷層相關裂隙空間與斷面脫空空間置換模型。

但受上覆頂板壓力及巖層重力作用，地下很難存在像理論模型一樣的巨大脫空空間，因此，該理論模型下的脫空空間是一個理論空間，是將斷層破裂帶內所有裂隙空間（包括各種X剪切縫、張裂縫、羽狀節理等）抽提到斷層面后介于上下盤地層之間的一個理論空間[6]，即斷層面附近所有構造裂縫的孔隙空間總量與斷彎褶皺形成過程中產生的脫空空間理論上是相等的，斷面附近所有裂縫可視為脫空空間的分散表現。

2.2 斷面脫空理論定性識別斷層相關裂縫方法

圖1 斷層和褶皺作用強度與構造裂縫發育程度關系示意圖Fig.1 Sketch map showing relationship among faulting and folding and development degree of structural fractures

圖2 斷彎褶皺構造內部脫空空間（據文獻[16]修編）Fig.2 Schematic cross-section showing the pure fault detachment void space in a fault-bend fold（modified from reference[16]）

既然斷層面附近所有構造裂縫的孔隙空間總量與斷彎褶皺形成過程中產生的脫空空間理論上是相等的，則可以通過觀察斷層構造形跡（斷層上下盤地層形態及其與斷面之間的組合關系），直觀地對具體某一條斷層構造內部斷層相關裂縫發育與否做出定性的判斷。通過進一步的理論模型研究及實踐，將利用斷面脫空理論開展裂縫定性識別的方法總結如下：如果斷層下盤底面平而上盤頂面上凸，或上盤頂面平而下盤底面下凹，或上盤頂面上凸而下盤底面下凹，上下盤地層的褶曲是不協調的，上下盤斷面間的“肚子”是“飽的”或鼓起的，則存在理論上的脫空空間，指示斷層破裂帶裂隙空間發育；如果斷層的上下盤地層皆平整而沒有褶曲，或者上下盤地層一致的向上凸或一致下凹，被斷層構造頂底面限定的地層厚度一致（等于原始地層厚度＋落差），此時上下盤斷面就像兩塊平板或兩張瓦片同向疊置，上下盤斷面貼在一起（圖2d、e），上下盤斷面間的“肚子”是“癟的”或沒有鼓起，沒有額外的空間產生，則就不存在理論上的脫空空間，也就意味著斷層破裂帶裂縫不發育。由于該方法可通過觀察斷層面之間的“肚子”是“鼓”還是“癟”，因此，將其形象地稱之為“飽肚子”效應識別法。

3 斷面脫空理論的應用

前已述及，根據斷面脫空理論可通過觀察某一條斷層的形跡對其是否發育有效的裂縫系統、裂縫系統規模進行定性判斷。據此，選擇塔中Ⅰ號斷裂帶西側下奧陶統良里塔格組灰巖裂縫研究為例，展示依據斷面脫空理論開展剖面及平面斷層相關裂縫定性識別的過程及應用效果。由于塔中Ⅰ號斷裂帶西緣自早奧陶世末以來，斷裂活動微弱而隨塔中發生整體升降，總體上呈現出構造平緩的寬緩撓折帶[18]，且擁有高品質的三維地震數據體，從而成為斷層相關裂縫研究的理想場所。研究中選擇典型井過井地震剖面和區塊分別展示剖面和平面上的斷層相關裂縫定性識別。

3.1 基于斷面脫空理論的斷層相關裂縫剖面識別

研究過程中，分別對塔中Ⅰ號斷裂帶西側的58口過井地震剖面開展了斷層相關裂縫的定性分析，限于篇幅，本次僅選擇塔中823井和中古3井為代表，展示如何利用斷面脫空理論開展地震剖面上的斷層相關裂縫識別，其中中古3井為后續鉆井。

塔中823井 首先對過井地震剖面（主測線和聯絡測線兩個方向）開展精細的斷層閉合解釋，重點解釋良里塔格組頂底面、內部斷層斷點、斷面形態。結果表明，該過井地震剖面存在兩條斷層，其中F1斷層的識別標志為：在1500～1650m，良里塔格組頂界面反射呈弱振幅，反映頂部地層局部速度降低（暗點）；續至強振幅波谷反映有低速層頂面，波峰大致代表底面；其下的第2個強振幅波谷下未見波續至波峰，反映第二個低速層低速程度??；也見繞曲斷口。F2斷層的識別標志為：在590～600m，可見繞曲帶和繞折標志，為斷層點的地震響應，此外，在820～1200m可見地震反射波呈弱振幅右傾斜對稱反射，是斷層破裂帶低速響應。解釋結果表明：該井所鉆構造為不協調的低幅沖斷背斜（圖3a），按照斷面脫空理論，屬于“頂凸底平”型，存在脫空空間。據此預測塔中823井進入良里塔格組（O3l）之后，將鉆遇較大規模裂縫系統，實際鉆探結果也得到鉆井和雙側向測井反演的證實（圖3a藍色曲線）。

中古3井 中古3井位于研究區西部走滑斷裂帶旁。對過中古3井的主測線和聯絡測線開展斷層精細解釋，其解釋結果如圖3b所示。由圖可知，該井鉆進位置屬“頂平底平”式構造，按照斷面脫空理論，若頂平底平則無脫空空間存在；再結合其所處位置得出中古3井位于張剪斷裂帶，在良里塔格組未鉆遇斷層，且反射層平直代表地層未經構造形變，無擠壓伴生構造，從而斷層相關裂縫不發育。后續鉆井結果及雙側向測井裂縫參數反演結果（圖3b藍色曲線）也證實這一點。從測井反演結果分析，中古3井裂縫值一般低于0.019%，平均值為0.009%，裂縫系統不發育，與定性識別結果相同。

3.2 基于斷面脫空理論的斷層相關裂縫平面識別

依據斷面脫空理論可對地震資料解釋出的某一條斷層或斷層組是否發育有效裂縫系統進行定性識別。以此為基礎，將剖面識別出的裂縫系統，即代表斷面脫空空間的變形帶，逐道地或按照一定道間距投影至目的層段某一界面之上（通常選取目的層頂底面），則可獲得目的層內部斷層相關裂縫系統在平面上的宏觀發育分布。利用該方法對塔中Ⅰ號斷裂帶西側的中古3井區、塔中72井區良里塔格組斷層相關裂縫開展平面上的定性識別，裂縫平面分布圖的投影過程如圖4a所示：中古2井良里塔格組內部地層呈多個“頂凸底平”地震響應，為層面脫空與斷面脫空的疊合效應，在剖面上勾繪出存在脫空的變形帶（圖4a中陰影部分），并將其投影至平面。據此，分別向兩側延伸，從而獲得兩個井區斷層相關裂縫平面分布圖（圖4b、c）（本次投影道間距為5×5）。結果表明：在中古3井區，有效裂縫系統主要集中發育中古2所在的呈NW-SE向分布的條帶狀區域，其次在中古203、中古204等井區有局部分布，除中古2井南部有較大差異外，其余部分與均方根振幅檢測結果宏觀上對應較好；塔中72井區利用斷面脫空識別出的斷層裂縫發育分布圖與利用均方根振幅檢測結果相比，總體特征一致性較好，僅細節上有差異，兩者對應關系優于中古2井區。

3.3 應用效果分析

除文中所展示的兩口井之外，塔中54井預測結果（圖4d）也與實際鉆井結果一致（鉆遇構造雖為“頂凸底平”式構造，但該井進入良里塔格組不是最佳位置，僅獲油氣顯示），此外對中古203、中古4、中古5、中古7等井進行了鉆前定性預測，預測結果基本得到證實①徐國強，李小剛.塔中54-塔中16井區奧陶系碳酸鹽巖裂縫預測與識別研究報告.成都：成都理工大學，2009.。而通過對將塔中72井區、中古3井區的平面識別結果與前人利用均方根振幅檢測結果相比，兩者總體特征基本一致，僅細節上有差異，表明利用斷面脫空原理開展斷層裂縫系統的定性識別是可行的。

圖3 利用斷面脫空原理定性識別斷層相關裂縫實例Fig.3 Examples showing qualitative identification of FRF using fault detachment theory

圖4 利用斷面脫空理論識別裂縫平面發育分布與均方根振幅預測結果對比Fig.4 Comparison between predicted results for the development distribution of FRF using fault detachment theory and RMS amplitude analysis，respectively

4 討論

4.1 斷層與有效裂縫系統

斷層本身就是看得見的大裂縫，不管其規模大小，按照安德森力學模式，斷層形成過程中必然伴生幾組裂縫?？碧綄嵺`表明，若斷層形成過程中無其他伴生構造形成，僅靠其自身形成過程所固有的幾組裂縫，往往難以形成油氣勘探所尋找的“有效裂縫系統”。如本次的中古3井，盡管該井鉆遇位置本身斷層較發育，但由于斷層伴生構造欠發育，斷層過程僅僅是板式錯開，即斷層形成過程中無額外脫空空間產生，因此，即使鉆遇斷層，通常只能獲得微裂縫或呈孤立分布的裂縫，難以形成有規模的網狀裂縫系統。為此，本次所討論的斷層相關裂縫，特指斷面附近受多種因素控制、能夠呈網狀發育的裂縫系統，即油氣勘探過程所指的“有效裂縫系統”。

4.2 斷面脫空定性識別裂縫精度

利用斷面脫空理論預測裂縫，受限于地震資料品質，這也是其他以地震資料為載體研究裂縫的方法不可回避的問題。地震資料分辨率有限，加之斷層解釋方案本身還可能存在不合理的地方等均會造成所觀察和提取的斷層構造模型與客觀實際存在差距，使得利用斷面脫空理論預測出的裂縫結果還不能像巖心觀察、測井解釋方法那樣，與對應位置實際裂縫發育情況一一對應。但斷面脫空理論的優勢在于：離開井控區，能夠對未知區域斷層相關裂縫的發育進行宏觀的定性預測。因此，這種定性化的研究還只是宏觀、大尺度的預測，從精度上講，基于斷面脫空理論識別的大裂縫系統能夠滿足勘探要求，還不能滿足油氣開發要求。

5 結論

1）斷層形成過程中產生的脫空空間容積與斷層面附近所有構造裂縫的孔隙空間總量在理論上是相等的，斷面附近所有裂縫可視為脫空空間的分散表現。

2）利用斷面脫空理論，通過“飽肚子”效應識別法可直觀地對斷層構造內部相關裂縫是否發育做出定性評價，評價的核心要素為斷層上下盤地層形態及其與斷面之間的組合關系。

3）依據斷層形成過程中是否產生脫空空間進行裂縫識別與預測，是斷層相關裂縫研究的一種新思路，其應用效果已得到了實踐證實。進一步對脫空空間容積進行計算，能夠為定量計算斷層附近裂縫系統大小提供一種可能。

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