斷控巖溶體系空間結構差異性與三維建模
——以順北1號斷裂帶為例

張文彪, 段太忠, 趙華偉， 馬琦琦， 鮑 典

(1.中國地質大學(北京)能源學院， 北京 100083； 2.中國石化石油勘探開發研究院, 北京 100083； 3.中國石化西北油田分公司, 烏魯木齊 830011)

塔里木盆地順北油氣田的發現揭示了大型走滑斷裂控儲、控藏的特征，且隨著鉆井及生產動態數據增加，發現不同斷裂帶或同一斷裂帶的不同部位，油氣藏規模及油氣富集程度存在明顯差異。中國學者對順北地區走滑斷裂構造特征、成藏模式、儲層預測等工作開展了大量卓有成效的研究[1-6]，在理論與實踐上起到了較強的助推作用。而隨著滾動開發工作的推進，單井產能特征、動態干擾特征顯示出走滑斷裂體系內部更為復雜的連通關系，主要表現在斷裂分段性、斷溶體分割性、以及動態連通性之間呈現出不匹配的現象，以上問題對于該類油藏如何高效布井帶來較大挑戰。另外，鑒于順北油田鉆井成本極高，“稀井高產”的需求迫在眉睫，探索走滑斷裂帶、斷溶體、油氣充注體、縫洞連通體之間的層次關系及差異性，并通過三維建模的方式展示各層次之間的匹配方式，對于指導深層斷溶體油藏合理高效開發具有關鍵作用。基于此，以順北1號走滑斷裂帶為研究對象，通過走滑斷裂帶構造特征分析、斷溶體分布刻畫、動態特征描述，開展斷裂分段、斷溶體油氣充注、斷溶體分割及斷溶體內部縫-洞連通關系研究，并建立各個層級的三維模型，為順北油田滾動開發及井位部署提供參考及理論依據。

1 地質概況

順北地區構造位置位于塔里木盆地順托果勒低隆起西北部，沙雅隆起的西南傾沒端，東西緊鄰滿加爾坳陷和阿瓦提坳陷，南北鄰近卡塔克隆起和沙雅隆起，構造特征北高南低、東高西低，構造平緩。順北地區經歷多階段構造演化活動[7]，下古生界地層發育相對齊全，奧陶系自下而上為下統蓬萊壩組(O1p)、中-下統鷹山組(O1-2y)、中統一間房組(O2yj)、上統恰爾巴克組(O3q)、良里塔格組(O3l)和桑塔木組(O3s)。志留系自下而上為下統柯坪塔格組(S1k)、下統塔埃爾塔格組(S1t)、中統依木干他烏組(S1y)，泥盆系發育中下統克孜爾塔格組(D1-2k)、上統東河塘組(D3d)。該區在下古生界奧陶系一間房組-鷹山組碳酸鹽巖與上覆巨厚桑塔木組泥巖蓋層形成非常好的儲蓋組合，多期活動的走滑斷裂體系為該地區油氣運移、聚集與富集提供了優越的石油地質條件，是目前油氣勘探評價主要目標。順北地區勘探開發主要目的層系為奧陶系一間房組和鷹山組上部碳酸鹽巖，已知儲層類型以孔洞-裂縫型為主，斷裂-裂縫體系相關構造破裂作用是儲層發育的主控因素。

研究區為順北1號斷裂帶(圖1[8])，該區滾動勘探開發程度較高，目前沿斷裂帶已鉆各類井30余口，錄取了多種動靜態資料進行分析，集中表現為斷裂帶不同段的流體性質存在差異、單井生產壓力變化存在差異、以及單井產能之間的巨大差異。當前該斷裂帶部分單井已出現壓降過快、生產壓力不足等問題，對于斷裂帶空間差異性的認識不清也是制約下步如何調整的重要因素。

圖1 研究區區域位置[8]Fig.1 Location of study area[8]

2 斷控巖溶體系空間結構差異性分類

順北地區勘探開發實踐已證實走滑斷裂帶具有控儲、控藏、控富的作用[7]，走滑斷裂體系是斷溶體形成和演化的重要基礎，控制著不同級別差異體的形成(圖2)。受地應力及地層巖性雙重作用，走滑斷裂在空間表現出分段性特征，不同斷裂段破碎程度和規模不同，構成不同的破碎體；破碎體作為基礎，受膠結溶蝕作用差異控制，形成不同規模、具有一定分割性的斷溶體；斷溶體的油氣富集程度受斷溶體規模及斷裂溝通源巖程度影響，集中體現為油氣充注差異性，構成不同的充注體[9]；斷溶體內部，受縫-洞組合關系及斷裂開啟程度控制，形成溝通強度不同的連通體。

圖2 斷溶體系空間結構差異分類Fig.2 Classification of spatial hierarchical variety of fault karst system

2.1 走滑斷裂帶分段性

SHB1-X表示井名圖3 順北1號帶走滑斷裂分段性特征Fig.3 Segmental characteristics of Shunbei1 strike-slip faultzone

2.2 斷溶體空間分割性

斷溶體的發育基礎為走滑斷裂形成的破碎體，根據溶蝕強度不同，將斷溶體作為第二層次差異體進行分析。順北主要發育深大斷裂體系，其在構造演化過程中發生多次應力方向的轉換，加之地層巖性的差異，導致走滑斷裂帶的寬度呈現出寬窄不一的特征，表現為寬條帶狀破碎體和窄條帶狀破碎體。破碎體內發育的大量斷裂/裂縫作為溝通通道，在表層巖溶水或深部流體雙重作用下，演化為現今的斷溶體，破碎體因寬窄變化不同、溶蝕強弱不同，必然造成后期形成的斷溶體呈現一定程度的空間分割性。

圖5 順北1號帶斷溶體空間分割性特征Fig.5 Fault-controlled paleokarst reservoir segmental features of Shunbei 1

另外，斷溶體間的分割強弱也與斷溶體本身的規模變化有關，從圖4(b)可以看出，斷溶體出現分割往往是在其寬度變窄的位置以及縱向延伸較淺的位置。

圖4 順北1號帶基于單井鉆遇漏失點標定結構張量屬性值Fig.4 Cutoff values analysis of structural tensor attribute values based on the drilling data along Shunbei 1

2.3 油氣充注差異性

油氣充注差異需要考慮充注通道和儲集體兩個要素，即通源斷裂與斷溶體的有機結合稱為充注體，將其作為第三層次差異體進行研究。已有成果表明，順北地區油氣差異聚集主控因素包括斷裂通源性、縱向疏導性以及分段性[13-16]，進一步說明斷裂對于油氣富集程度至關重要。

本次對于充注差異的研究，除斷裂的疏導、通源及分段性外，更要考慮其與斷溶體分割性之間的匹配關系。考慮走滑應力過程[17]，通過相干及螞蟻體分析，沿順北1號斷裂帶走向提取了大、中型斷裂片[圖6(a)]，從裂縫片的分布密度來看，可將1號斷裂帶分為5個裂縫集中段，其中主干斷裂4段，分支斷裂1段，段與段之間裂縫密度變小甚至裂縫片基本不發育。斷裂片密度分段性與斷溶體分割性之間具有較好的一致性[圖6(b)]，通過斷裂與斷溶體的匹配，構成強弱不同的充注體，①號充注體的斷裂通道較深，斷溶體沿縱向發育規模較大，斷溶體與深大斷裂之間溝通情況較好，該充注體內典型單井的平均單位壓降采油量為1 145 t/MPa，間接反映其含油豐度較高，說明其油氣充注條件較好，屬于強充注體；②號充注體的斷裂深度不大，且斷溶體縱向發育規模較小，通過典型單井剖面來看[圖6(d)]，斷裂溝通深部油源的程度較弱，其單位壓降采油量為887 t/MPa，說明其油氣充注條件一般，屬于弱充注體；③號充注體從斷裂縱深以及斷溶體體積來看，匹配關系較好，典型單井剖面[圖6(c)]顯示其溝通油源的程度強，單位壓降采油量達到2 147 t/MPa，充注條件較好，屬于強充注體。基于以上分析，將1號斷裂帶劃分為3個強充注體和2個弱充注體，不同充注體之間的平均單井壓降產能均存在差異，進一步說明其充注強度的變化。

2.4 縫-洞連通強弱性

縫-洞是斷溶體儲層研究的最基本單元，其組合關系和連通程度也是影響開發效果的最直接因素，本次將縫-洞連通強弱作為第4層次差異體進行研究。斷溶體內部儲集體發育主要受成巖作用(溶蝕、膠結等)強弱控制[18-19]，溶蝕作用可能會在原有斷溶體分割基礎上進一步弱化其差異性，也可能由于成巖膠結作用進一步強化了原有的分割性差異。當斷層巖溶蝕作用較弱、膠結作用較強時，會形成致密的透鏡體，缺少有效儲集空間，且通常呈不連續分布，造成斷溶體內部進一步分割，生產動態表現為不連通或弱連通；當溶蝕作用大于膠結作用時，斷層巖內會形成一定規模的溶蝕孔洞，再加之原有的碎裂空隙，構成斷溶體內部最主要的儲集空間，各儲集空間之間主要靠斷裂/裂縫進行溝通，多數情況下動態連通情況較好。另外，需要強調的是，不同規模的斷裂/裂縫往往是儲集體間溝通與否的橋梁，當裂縫受到不均勻應力或不均勻膠結充填作用時，會導致裂縫空間出現間斷性的開啟和閉合，如果缺乏動態資料支撐，會給縫-洞連通程度判斷帶來很大挑戰。

首先，基于研究區19口井的壓力監測數據編制了壓力分布平面分布[圖7(a)]，可見其沿斷裂帶不同位置呈現出差異變化，尤其在SHB1-3井區附近，顯示出了較高的壓力值，與當前生產狀況較為匹配。斷裂帶其他井區位置壓力值也表現出相對集中的現象，同一組連通單元的可能性較大。

其次，基于干擾試井資料，對順北1號帶斷溶體內部縫-洞溝通情況進一步分析。前述鉆井揭示斷裂帶上不同位置油藏溫度、壓力系數不同，表明斷溶體油藏內部存在更為復雜的連通關系。干擾試井資料(表1)表明順北1號斷裂帶存在3個連通性較好的井組，其他基本均為單井控制的獨立井組。對于連通井組，壓力傳播速度最快的SHB1-6H井組達到370 m/h，其他兩個井組壓力平均傳播速度約40 m/h，可見即使同為連通體，其連通程度也差異較大。為進一步綜合動、靜態數據分析儲層連通性的匹配關系，沿順北1號斷裂帶走向提取縫-洞疊合平面分布[圖7(b)]，通過對比發現，動態連通井組與靜態縫-洞分布之間具備一定的相關性，連通井組內部洞-縫之間溝通關系較為清晰，不同井組之間的斷裂/裂縫分布呈現減弱的趨勢，如SHB1-1H與SHB1-6H井組之間斷裂屬性變弱，說明不連通的原因是斷裂不發育；而進一步分析SHB1-1H與SHB1-2H井組之間，縫-洞分布預測結果顯示，兩個獨立井組分屬于拉分段的兩側，分割原因可能由于拉分下凹位置儲層物性較差、裂縫溝通性弱。

圖7 基于縫-洞分布的井組連通狀況平面分布Fig.7 Planar distribution of dynamic connectivity based on fracture-cavity distribution

表1 井組動態連通情況統計Table 1 Well group dynamic connectivity statistics

整體來看，順北1號斷裂帶內部縫-洞之間的連通關系存在3種情況。縫-洞之間溝通順暢，即裂縫作為溝通通道處于未充填的開啟狀態；縫-洞儲層間物質分割，即洞與洞間無裂縫溝通；縫-洞間物性分割，即有裂縫存在，但裂縫處于填充或閉合狀態。基于以上，造成沿走滑斷裂帶呈現多個相互獨立、不具備統一溫壓系統的連通體單元。

3 斷控巖溶體系空間結構三維建模

基于以上差異性分類特征，按照“層次建模”的思路，通過三維地質建模進行表征，進一步梳理各個層次差異體之間的關系，為油藏流體流動模擬奠定基礎。

3.1 走滑斷裂帶三維建模

圖8 順北1號走滑斷裂三維模型Fig.8 Three-dimensional model of Shunbei1 strike-slip fault/fracture

3.2 斷溶體三維建模

斷溶體分布受走滑斷裂帶約束，受鉆井資料限制，斷溶體三維建模主要基于地震雕刻，采用確定性建模方法，在走滑斷裂格架內建立斷溶體分布模型。以地震結構張量屬性為基礎，提取斷溶體地質目標體，通過網格重采樣技術，確定性建立斷溶體三維分布模型。

從建模結果來看(圖5)，斷溶體沿走滑斷裂帶呈現縱深發育，且寬窄不一、斷續分布，不同顏色代表相互獨立的斷溶分割體，既存在走向上的不連續，也在縱向上表現為不同的體。此外，單個斷溶體的內部連接程度也存在差異變化，有的為全連通、有的僅為部分連通，更加劇了儲層內部的復雜性。

3.3 內部縫-洞帶建模

縫-洞屬于斷溶體內部主要的儲集體類型，本次主要采用地質建模的方式，進一步將縫-洞之間的連通關系進行三維展示，深入剖析油藏內部結構。同樣由于鉆井數量以及錄取資料的限制，單井統計數據極其有限，順北1號帶僅有5口井具有測井資料，且基本均為直導巖井數據，僅反映了斷裂圍巖的特征，而對于側鉆到斷裂帶內部的斜井和水平井基本無測井數據，因此，對于內部縫-洞的認識仍主要依靠地震資料。通過對地震屬性及反演工作的多次嘗試，探索出剩余阻抗屬性可有效預測縫洞儲集體分布。剩余阻抗是通過常規波阻抗與背景波阻抗做差得到，從地球物理含義上可將背景波阻抗值理解為原始層狀地層信息，通過做差得到的剩余阻抗相當于僅保留了溶蝕改造后的地層信息，即溶洞、溶孔儲層。

溶洞、溶孔儲層建模主要基于剩余阻抗屬性采用確定性方法。因溶洞與溶孔的溶蝕強度不同，反映到剩余阻抗上表現為屬性值高低。同樣基于鉆井揭示的漏失信息及鉆時曲線信息對溶洞、溶孔的屬性界限值進行標定，尤其是鉆時曲線在遇到溶洞儲層時會較溶孔儲層進一步降低，通過多井取平均值分析，溶孔儲層的剩余阻抗截斷值約22.6，溶洞儲層的剩余阻抗截斷值約28.5。在斷溶體輪廓約束下，將剩余阻抗雕刻得到的溶洞、溶孔地質目標體重采樣到三維模型中，得到孔洞儲層模型，同時將前面得到離散裂縫片嵌入到孔洞模型中，得到縫-洞帶三維模型。

圖10 順北1號斷裂帶縫-洞組合三維模型平面及剖面結果Fig.10 The plane and section results of the fracture-cavity combination 3D model of the Shunbei 1 fault zone

4 討論

斷溶體系從斷裂到儲層逐漸演化，斷裂-儲層之間的匹配關系，尤其是作為連通通道的斷裂開啟閉合問題，是導致現今縫-洞儲層連通關系復雜性以及生產特征差異性的關鍵因素。因此，理清斷溶體系各個層次差異體之間的成因關系及組合規律，并采用針對性的技術手段進行三維表征，對于該類油藏的高效開發至關重要。以下兩點內容尚需進一步研討和攻關。

4.1 空間差異性耦合關系

斷控巖溶儲層不同于常規沉積儲層，屬于復雜斷裂基礎上強改造的結果。前已述及，走滑斷裂根據應力變化可劃分為拉分段、平移段、壓隆段，但各個段之間的界限并非十分清晰，往往存在疊加過渡，甚至于共存的現象。圖11(a)為順北1號斷裂帶縫-洞儲層組合及走滑分段性之間的對比，可見各個分段交替出現，不同段對應的縫-洞儲層寬度存在一定變化，整體來看拉分段寬度略大于平移和壓隆段，孔洞儲層基本沿主斷裂面分布，且集中分布在斷裂交叉部位。

圖11(b)為在儲層分段基礎上，通過干擾試井結果進一步劃分的動態連通井組。從動態分組的界限來看，其與斷裂、儲層之間的分段性并非完全匹配，如SHB1-1H井與SHB1-4H井分屬于同一拉分段的兩翼，但兩口井并無動態干擾響應，再如SHB1-22H井與SHB1-7H井屬于同一平移段，動態測試顯示兩口井也不連通；反之，分屬于不同斷裂段的單井間其動態響應卻較為明顯，如SHB1-2H井與SHB1-5H井分屬于拉分段和壓隆段。以上現象說明，斷裂、儲層、動態分割性之間相互關聯、相互影響，溶蝕改造作用可能會強化構造分段性，也可能會削弱構造分段性。另外，再加上成巖膠結和地應力作用影響，一些看似連通的斷裂/裂縫可能會由于充填或擠壓應力強而導致裂縫閉合，造成一些“假連通”的現象，如SHB1-3與SHB1-19H之間，如果單從地質信息很容易誤判為連通。針對以上難點和復雜性，希望下一步能夠從不同走滑斷裂段的溶蝕改造規律、縫洞充填性預測、地應力與裂縫閉合關系等方面展開攻關。

4.2 建模數模一體化協同研究

儲層的復雜性、資料的不完備、認知不充分，給順北斷溶體油藏的表征與高效開發帶來極大挑戰，尤其當地質認識不充分的前提下所建立的三維模型，其預測準確性會大打折扣。當前順北地區主要依靠地震資料進行三維建模，受分辨率限制，儲層模型的精度較低，地震雕刻“串珠”所反映的是縫洞帶概念，內部孔洞組合關系很難判斷。另外，縫-洞的充填程度、充填樣式直接影響到儲集體物性及連通性，在缺乏足夠鉆井數據支撐的前提下，通過地震進行物性判斷和預測的難度更大。

當單一因素不確定性程度較高的時候，通過多維度的數據進行綜合、循環分析顯得尤為重要。三維靜態模型可以反映基本的縫-洞組合關系，通過動態試井資料可以判斷裂縫的連通情況，通過產量擬合和壓力擬合，可大致推斷可采儲量及油水界面情況。采用多輪次的建模數模一體化工作對油藏模型進行整體調整，可一定程度降低模型的風險。需要強調的是，建模工作要充分尊重地質認識，以最大程度展示儲層的差異性；數模工作要充分意識到地質認識的局限性，通過動態響應對地質模式進行合理大膽的預測，再進一步修改模型，開展下一輪建模數模工作。因此，建議將建模數模一體化工作模式充分運用到順北斷溶體型油藏的研究中，通過多維互動、模式擬合、動態擬合使得模型更具合理性。

5 結論

(1)順北斷溶體系空間差異性可以劃分為4類。即走滑斷裂分段性，包括拉分、平移、壓隆；斷溶體分割性，包括強分割、弱分割；油氣充注差異性，包括強充注體、弱充注體；縫-洞連通強弱性，包括連通性好的強連通體、連通性較差的弱連通體。各類差異體之間相互影響構成復雜的斷溶體系，成巖改造作用可能會強化原有的差異性，也可能會弱化原有的差異性。

(2)斷溶體系“層次建模”可再現其空間差異性。從復雜構造模型、斷溶體模型再到內部縫-洞結構模型，逐級約束，儲層連通關系逐漸清晰。縫-洞充填性及裂縫開啟閉合程度是動態連通性判斷的主要制約因素，通過建模數模一體化研究有望降低其不確定性。