冀中坳陷孫虎潛山帶裂縫發育特征及定量預測

穆 燕，曹蘭柱，高 帥，5，李熹微，鄭榮華，陳再賀，楊曉霄，郭柳汐

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.“斷裂構造變形機制與斷圈有效性評價技術”東北石油大學優秀中青年科研創新團隊，黑龍江 大慶 163318； 3.“油氣藏及地下儲庫完整性評價”黑龍江省重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 4.中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552； 5.東北石油大學 環渤海能源研究院，河北 秦皇島 066004；6.中國石油華北油田公司第五采油廠，河北 辛集 052360)

孫虎潛山帶面積約150 km2，作為華北地區重要開采區域具有巨大開采潛力，資料顯示孫虎潛山油藏累計探明地質儲量為350.05萬t，已開發儲量為105.02萬t。但冀中南部潛山油藏儲集具有層位老、埋藏深度大的特點，相較于新生界油氣藏其形成條件更為復雜。裂縫不僅作為潛山油藏的滲流通道，還控制潛山溶蝕孔隙的發育，是單井產量的重要影響因素[1-2]。由于受成巖作用、構造作用、風化淋濾作用等影響，潛山儲層裂縫發育十分復雜、非均質性強烈，分布規律預測難度大。近年來，對于孫虎潛山帶的研究多從油氣成藏條件入手，包括成藏動力學系統分析、源巖成烴動態演化過程、沉積和剝蝕對油氣生成、聚集的影響及斷—砂配置輸導體系的研究等方向入手，對于儲集層裂縫發育特征、主控因素及裂縫分布規律的預測則缺乏相關研究[3-7]。

本文在精細構造解釋的基礎上，依據地震資料、巖心及成像測井資料等，開展儲層天然裂縫成因研究并表征斷裂破碎帶(發育裂縫)發育特征。結合構造分析，明確潛山儲層裂縫發育狀況除了與層位和巖性對應關系以外，還與構造應力相關，就是與斷層破裂帶規模、井與斷層距離有關。運用分形幾何學建立斷裂分形生長模型，預測不同尺度的裂縫數量、長度及密度，對潛山油氣下一步開采具有重要參考作用。

1 地質概況

孫虎地區位于冀中坳陷東南角饒陽凹陷南端，毗鄰滄縣隆起與邢衡隆起，西部潛山區是其一次級構造單元，以虎北斷層為界緊鄰深縣凹陷[4-6、8-9]。根據地震資料證明，基底斷層系統主要由一系列北東和北北東向展布的斷層組成，另外還有北西向和近南北向斷層分布(圖1)。虎北斷層為長期活動斷層，受其遮擋下盤發育孫虎潛山。潛山斷裂為孔店時期活動的早期斷裂，這類斷裂平面北東向展布，剖面呈多米諾式或地壘—地塹式組合樣式。

孫虎潛山頂面地層多為長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組，這2套地層沉積期整體處于淺海環境，碳酸鹽巖廣泛發育，且以白云巖為主，地層厚度與巖性分布穩定[10]。受多期運動影響，古生界地層被剝蝕，自始新世以來沉積完整的新生界地層，包括古近系孔店組、沙河街組和東營組地層，新近系館陶組、明化鎮組地層及第四系平原組地層[11]。

孫虎地區形成以沙三段或沙一段生油巖為烴源層，以古潛山為儲集層，以斷層、不整合面和裂縫為溝通油源的運移通道，以上覆第三系泥巖作蓋層的生儲蓋組合[3，12]。這種油氣藏主要分布于虎北斷裂上升盤，如H8潛山油藏和H16x潛山油藏。孫虎構造帶中北部成藏模式主要表現為：孫虎斷層上盤沙三段烴源巖層生成的油氣，沿孫虎斷層運移到孫虎斷層下盤潛山圈閉中；孫虎斷層下盤孔店、沙四段、沙三段圈閉也可得到孫虎斷層上盤沙一段、沙三段烴源巖層生成的油氣，H2井沙三段獲工業油流已得到證實。

2 裂縫類型與發育特征

2.1 裂縫成因類型

天然裂縫主要指由于構造變形或物理成巖作用所形成的宏觀面狀構造。從狹義上講，天然裂縫主要指儲層在成巖作用及后期構造作用中形成的節理和微斷裂，前者可以稱為節理型裂縫，后者可以稱為斷層型裂縫。對于儲層中天然裂縫的命名與分類，按照不同的分類方法可以有不同的分類方案，例如可以按照地質成因、力學性質、與層面關系及幾何學形態等分類。按照裂縫的地質成因，冀中坳陷南部潛山碳酸鹽巖儲層裂縫主要分為構造裂縫、成巖裂縫、溶蝕裂縫、風化裂縫和卸載裂縫等類型[13]。其中構造裂縫是研究區碳酸鹽巖儲層中最為常見、且發育程度最高的裂縫，在巖心觀察、野外勘測、成像測井識別以及薄片鑒定中所看到的裂縫主要為構造裂縫，這類裂縫對油氣的勘探開發有著重要的影響。構造裂縫分布廣泛，延伸長，產狀比較穩定；具有明顯的規律性和方向性，裂縫走向往往隨著構造線的變化而改變；裂縫中常見方解石、石英等礦物充填；裂縫面特征明顯。構造裂縫在成像測井上表現為暗色或亮色正弦曲線(圖2)。

圖2 成像測井上的構造裂縫(H16x井)

2.2 裂縫參數定量表征

根據成像測井，研究區裂縫走向與斷層走向一致，均以北東—南西向為主，反映它們是在統一構造應力場下形成的(圖3)。根據裂縫的傾角，通?？梢詫⒘芽p分為直立縫、高角度裂縫、中角度裂縫、低角度裂縫和水平裂縫共5類。結合取心井巖心裂縫傾角統計結果和對像測井資料裂縫產狀的解釋，研究區以高角度裂縫為主，其次為斜交縫，反映該區構造裂縫以與巖層近垂直的近直立裂縫為主的特點。統計巖心等裂縫充填程度，研究區儲層裂縫被全充填者占21%，半充填者占18%，未充填者61%，有效裂縫占79%；儲層裂縫高導縫占80%，高阻縫占20%，表明研究區裂縫的充填程度較弱，有效裂縫占絕大多數。

圖3 研究區裂縫和斷層走向玫瑰花圖

裂縫密度反映了儲層裂縫的發育程度，通?？梢杂冒凑樟芽p的空間幾何關系進行校正以后的線密度來表示野外相似露頭或巖心上裂縫的發育程度，而對于薄片上微觀裂縫的發育程度可以用面密度來表示。統計成像測井資料，研究區裂縫發育程度較高，單井線密度主要分布在1.0～6.8條/m，平均為3.8條/m。其中，霧迷山組裂縫最發育，其次是高于莊組；微觀裂縫面密度0.06～0.39 mm/mm2，平均為0.16 mm/mm2(圖4)。觀察到研究區裂縫與層理面近垂直，裂縫高度與地層厚度具有高度的一致性，主要分布在10～40 cm，一般不超過80 cm，部分穿層裂縫可達4.0 m，這是由于裂縫受巖石力學層影響，使裂縫發育在巖石層內，一般終止于巖性界面[14]。

圖4 裂縫發育強度分布

3 裂縫主控因素分析

裂縫發育受多重因素的影響，不同因素對裂縫形成的影響也不同[15-16]。前文已述，研究區裂縫類型以構造裂縫為主，裂縫的發育及分布受由多期構造運動所形成的復雜構造變形系統影響[17]。本文從野外露頭、巖心及成像測井等資料入手，分析斷層、巖性、風化殼對裂縫發育的影響。

3.1 斷層對裂縫發育的影響

(1)斷層發育特征。根據斷層的走向特征繪制斷層走向玫瑰花圖，可以清楚看出潛山頂面斷裂主要發育北東向和北北東向展布的斷層(圖1)；同時也發育一些北西向斷層?；⒈睌嗔验L期持續性活動，為北東向西正斷裂，最大垂直斷距2 400 m，南邊和衡水斷裂相接，向北伸入饒陽凹陷中；早期活動斷層規模較小走向以北東為主，反映盆地初始裂陷階段斷裂平面特征；中期活動斷層多為北西向，部分活動貫穿至基底。中元古代華北陸塊內部形成裂陷槽，印支運動以后張裂、斷陷解體大規模發生，中生代板塊的俯沖碰撞形成南北向俯沖構造，在晚侏羅世晚期—早白堊世形成了北東向和近東西向裂谷系，自新生代開始受到發生明顯變化的構造應力場作用，構造運動進入到斷陷—坳陷的發展階段[18]。

(2)斷層對裂縫發育的影響。構造是控制儲層裂縫發育的重要因素，通過控制不同構造部位的局部應力分布來控制其裂縫發育程度[19-20]。由野外露頭觀察測量可以發現，無論在斷層面還是斷層的端部等部位，裂縫在斷層的上盤和下盤均十分發育；裂縫的線密度隨著距斷層距離的增大而明顯降低，且呈負指數函數遞減的趨勢，在斷層端部、交叉點、疊覆區、分段生長點等部位裂縫最發育(圖5)。這是由于隨著斷層活動在斷裂帶附近應力一般會有明顯的集中，發生了應力擾動，從而使斷裂帶附近的裂縫發育明顯。另外有研究表明，在更受應力擾動作用的活動盤，即斷層上盤，裂縫的發育程度明顯大于斷層下盤裂縫，斷層兩側裂縫發育程度相差較大。

圖5 裂縫發育程度與至斷層距離關系

3.2 巖性對裂縫發育的影響

大量的巖石力學實驗數據表明，影響裂縫發育程度的主控因素之一是巖性，不同類型的巖石，無論是比較其抗壓、抗張、抗剪的強度，還是其破裂的程度和方式之間都有很大的差異性[21-23]。從巖石的成分、結構、構造等角度分析，巖性不同的巖石均具有不同的特征，巖石力學性質差異較大，因此在構造應力相同的作用下，裂縫的發育程度不同，例如裂縫在白云巖等含有較高脆性礦物的巖石中發育程度比脆性礦物含量低的巖石裂縫發育程度好。冀中坳陷南部潛山儲層主要發育白云巖、灰巖、泥灰巖等，統計裂縫密度發現，在白云巖中裂縫最發育，平均裂縫密度為0.68條/m，其次為灰巖，平均裂縫密度為0.41條/m，在泥灰巖中裂縫發育程度相對較差，平均裂縫密度為0.33條/m。

3.3 風化殼對裂縫及優質儲層控制作用

在縱向上潛山油氣藏可以劃分為風化殼、垂向滲濾帶和橫向潛流帶，裂縫在這三帶中的發育特征有所不同。例如地表水較強烈的溶蝕作用發生在潛山頂部的風化殼中，其裂縫多為構造裂縫和風化裂縫，并被褐色鐵質物和蒙古土礦物充填，低電阻為電性上的特征。以構造裂縫為主的垂向滲濾帶位于風化殼至古潛水面之間，串珠狀裂縫溶蝕孔洞發育，由地表水在重力作用下沿高角度裂縫向下快速滲流時發生選擇性溶蝕作用而形成，自然伽馬能譜測井上明顯的特征是低鈾帶。橫向潛流帶發育在古潛水面附近，構造裂縫和溶蝕裂縫發育較多，近水平溶蝕裂縫受地下潛水橫向流動時發生的非選擇性溶蝕作用而形成，在自然伽馬能譜測井上以明顯的高鈾帶為特征。根據研究區裂縫和儲層質量縱向分布規律統計(圖6)，隨埋藏深度增加，儲層孔隙度呈明顯降低趨勢，裂縫發育強度也逐漸降低，如H16x井，主要發育Ⅱ級裂縫和Ⅲ級裂縫，無Ⅰ級裂縫帶，隨著深度增加，Ⅱ級裂縫發育帶數量和厚度降低。這主要受2方面因素控制：隨著遠離斷層，裂縫發育程度降低；隨著遠離不整合面風化淋濾作用減弱，儲層物性降低。同時從上述所有儲層質量縱向分布圖中可以厘定風化殼控制優質儲層厚度為50～160 m。

圖6 H16x井、H8p2井儲層質量縱向分布

4 裂縫分布規律定量預測

裂縫預測方法多樣，技術逐漸趨于完善，如應力場數值模擬、聚類分析邊緣增強裂縫檢測技術、基于疊后地震屬性裂縫分布預測法、多尺度邊緣檢測技術等[24-28]。本文利用分形幾何學預測裂縫分布，同一構造應力場背景下形成的斷裂、亞地震斷層、裂縫、微裂縫以及微裂紋具有相似性[29]。對每條斷層的長度進行統計，建立不同斷層長度的分形生長模型，在建模過程中，擬合最佳頻率線以調整偏差，降低分辨率限制和研究區統計范圍的有限性。以上方法可以對不同尺度的裂縫數量和密度進行預測，并可根據斷層密度分布對裂縫分布規律進行定量預測(圖7)。

圖7 孫虎潛山區裂縫分布預測

根據孫虎地區斷層參數分布分析，其斷層長度—累積頻數和斷層長度—累積密度分布具有較好的冪律分布特征，可以通過分形幾何方法對不同尺度斷層/裂縫的數量、長度和密度進行定量預測[30-32]。孫虎地區裂縫方位主要為北東—南西向，裂縫面密度主要分布在2.0～5.0 m/m2，在斷層端部、交叉點、疊覆區、分段生長點等部位裂縫發育程度最高。通過對比預測結果與測井裂縫解釋結果，二者呈較好正相關關系(圖8)，說明預測結果可信度較高。

圖8 裂縫預測結果與測井解釋結果對比

5 結論

(1)孫虎潛山帶碳酸鹽巖儲層裂縫發育，走向以北東—南西向為主，其中高角度構造裂縫最為常見，裂縫整體受充填程度較弱，即大多為有效裂縫。裂縫大量發育改善儲層物性，對潛山油藏形成具有重要意義。

(2)斷層、巖性及風化殼等因素對裂縫發育均有影響。構造變形強度越大、斷裂發育程度越高的部位裂縫越發育；研究區白云巖中裂縫密度最大，發育程度高；不同類型潛山溶蝕帶中裂縫發育特征不同，隨埋深增加儲層孔隙度降低、裂縫發育強度也降低，并厘定出風化殼控制優質儲層厚度為50～160 m。

(3)利用分形幾何學原理，分析孫虎潛山帶斷裂參數分布，通過建立分形生長模型預測不同尺度斷層/裂縫的數量、長度和密度，對比分析測井裂縫解釋結果，裂縫預測結果可信度較高。