塔里木盆地塔河地區中-下奧陶統碳酸鹽巖儲層天然裂縫發育特征及主控因素

赫俊民，王小垚，孫建芳，孫小童，史今雄，曹東升，曾聯波

[1.中國石化 勝利油田分公司 物探研究院，山東 東營257022； 2.中國石油大學(北京)，北京102249；3.中國石化 石油勘探開發研究院，北京100083]

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面狀構造[1]。隨著裂縫性油氣藏的不斷發現，關于裂縫的研究國內外主要集中在裂縫的定量表征和分布預測兩個方面。近年來，碳酸鹽巖裂縫的研究也成為了研究的熱點。但由于碳酸鹽巖巖性的特殊性，裂縫的研究成為研究的重難點。通過對巖心與成像測井等資料的分析，發現塔里木盆地塔河地區奧陶系碳酸鹽巖中裂縫既是儲集空間，又是流動的通道。不同學者對此已經做了大量的工作，基于地震高分辨率多方位方法建立裂縫的地震識別方法[2]。利用微電阻率成像測井資料建立塔河地區裂縫的定量關系[3]。結合測井資料和地應力分析也可以分析裂縫發育分布規律[4]。構造運動對裂縫的影響也受到普遍的關注，并作為裂縫發育的主控因素[5]。但是，對于整個塔河地區天然裂縫的定量表征只是限于測井與地震等方法的應用，沒有形成以巖心數據為主的直觀表征系統與多學科的綜合應用，也未系統揭示影響中-下奧陶統天然裂縫發育特征的主控因素。

本文以塔河地區奧陶系碳酸鹽巖儲層為研究對象，通過對巖心、野外露頭和鑄體薄片分析，以裂縫發育規律與主控因素為目標，表征塔河地區中-下奧陶統裂縫發育特征和影響裂縫發育特征的地質因素?；趯λ拥貐^裂縫系統的精細描述，再結合天然裂縫的幾何學特征，在此基礎上探討天然裂縫形成的地質因素，分析不同地質因素對裂縫發育的影響，為解決研究區縫洞型油藏勘探開發提供指導建議。

1 地質概況

塔里木盆地塔河地區構造位置屬沙雅隆起中段，北鄰阿克庫勒凸起，南與滿加爾凹陷及順托果勒隆起接壤，在草湖凹陷西部，哈拉哈塘凹陷東部(圖1)[6-7]。研究區奧陶系自下而上分為蓬萊壩組、鷹山組、一間房組、恰爾巴克組、良里塔格組和桑塔木組6個巖石地層單元[8]，研究的目的層位主要是中-下奧陶統的蓬萊壩組、鷹山組和一間房組。

圖1 塔里木盆地塔河地區奧陶系油藏構造位置[6]Fig.1 The structural location of the Ordovician reservoir in Tahe area,Tarim Basin[6]

塔河地區在地質歷史時期經歷了加里東、海西、印支-燕山和喜馬拉雅四大構造旋回[9-10]。加里東時期，塔里木盆地構造應力場方向以近南北向擠壓為主；海西時期，構造應力場方向為北東-南西向擠壓；印支—燕山時期為前陸盆地和陸內坳陷形成期，經歷了三疊紀擠壓和撓曲背景；喜馬拉雅時期是陸內坳陷和前陸盆地形成的重要時期，構造演化以中等強烈擠壓撓曲與隆升為主要構造背景。

2 天然裂縫發育規律

2.1 天然裂縫成因類型

本文基于野外露頭、巖心和薄片等不同尺度的觀察，將塔河地區裂縫按照成因分為構造裂縫、成巖裂縫和復合成因裂縫3種類型。其中，構造裂縫以剪切裂縫和張性裂縫為主；水平層理縫和成巖縫合線是兩類主要的成巖裂縫；復合成因裂縫主要包括構造-成巖裂縫、構造-表生裂縫和巖溶裂縫。

構造剪切裂縫是塔河地區最為發育的構造縫之一，在野外與巖心均發育；裂縫面光滑平直，與巖層面高角度相交(>75°)，延伸較長；存在未充填、砂泥質局部充填和方解石全充填3種不同充填程度；在局部剪切裂縫中沿縫面發育有溶蝕孔，在溶孔內以方解石和砂泥質局部充填或全充填為主(圖2a—c)。構造張性裂縫是塔河地區另一類發育的構造裂縫，在野外與巖心均可見；裂縫面斷續，較為粗糙，常與巖層面低角度相交，延伸較短；多被有機質或砂泥質局部充填，在部分裂縫中也可見方解石全充填(圖2d—f)。

水平層理縫在野外較少，在巖心上較為發育；縫面平直，縫寬較小但發育均勻，延伸長度中等；未充填或泥質與方解石充填，也可見部分有機質全充填；在部分水平層理縫中有局部溶蝕現象并伴有晶形完整的黃鐵礦充填；裂縫密度較小，巖層面發育(圖2g)。成巖縫合線在野外與巖心上均可見，一般繞巖心一周；縫面呈現鋸齒狀，縫寬較小且變化較大，延伸較長，多與層面平行或低角度相交(或終止于巖層變化界面)；充填物類型多樣，主要以泥質與方解石全充填或局部充填；裂縫的密度變化較大，只在局部發育，受控于巖性變化(圖2h，i)。

塔河地區碳酸鹽巖儲層還普遍發育與構造作用、成巖作用、表生作用或巖溶作用有關的復合成因裂縫，主要包括構造-成巖裂縫、構造-表生裂縫和巖溶裂縫3種類型。構造縫合線是一種由構造作用和成巖作用復合成因的構造-成巖裂縫，它是在早期構造裂縫的基礎上，再經過成巖壓溶作用形成的；與順層分布的成巖縫合線不同，構造縫合線與層面呈大角度相交，規模較大，裂縫面呈明顯的鋸齒狀(圖2j)。構造-表生裂縫是在表生成巖作用階段，由于成巖作用和構造作用共同控制形成的裂縫類型；這類裂縫的規律性差，延伸較短，具有局部呈網狀發育的特點(圖2k)。巖溶裂縫是指與巖溶發育有關的裂縫，是在溶洞發育過程中或溶洞形成以后，由于上覆地層的自身重力作用，通常在溶洞頂部發生坍塌的同時形成的裂縫；巖溶裂縫一般分布在溶洞的頂部，呈環狀發育，其裂縫形態表現為與溶洞頂面垂直、斜交和平行3種關系(圖2l)；由于在溶洞頂部的巖石中通常存在早期構造裂縫，因而巖溶裂縫可以在早期構造裂縫的基礎上進一步發育和擴展。

2.2 天然裂縫發育特征

通過對塔河地區6口巖心井、14口成像測井和4個主要野外剖面(蓬萊壩剖面、一間房剖面、永安壩剖面和西克爾剖面)的觀察分析，發現塔河地區奧陶系發育多組裂縫，裂縫之間交錯切割，主要以構造剪切裂縫為主，大部分充填方解石或砂泥質。據裂縫發育特征研究，裂縫的組系、方位、傾角、密度和高度等常作為描述裂縫發育特征的參數。這些裂縫特征參數是定量描述裂縫發育特征的理論指標[1,11-12]。

裂縫的方位和組系在確定裂縫的發育機制與發育期次方面具有一定的指導意義[6,13]。根據塔河地區14口成像測井資料以及野外露頭區觀察資料統計分析，塔河地區主要發育有北東-南西向、北西-南東向、近東西向和近南北向4組構造裂縫。通過統計分析不同層位和不同組系的裂縫，發現研究區中-下奧陶統不同層位、不同組的裂縫發育程度存在一定的差異。其中，蓬萊壩組和鷹山組北東-南西向裂縫明顯發育，其他方向裂縫的發育程度明顯較差；而一間房組除了發育北東-南西向裂縫以外，北西-南東向裂縫和近東西向裂縫也較發育(圖3)。該結果反映塔河地區以北東-南西向裂縫最為發育，其次是北西-南東向裂縫，而近東西向裂縫和近南北向裂縫的發育程度相對較差，這與該區斷層的發育程度有相似之處。

裂縫的傾角即裂縫面在水平面上的投影與水平線的夾角。裂縫傾角的大小在一定程度上可以反映出裂縫的發育規律和構造作用的強度大小。根據塔河地區巖心與成像測井等資料觀察統計，將研究區奧陶系碳酸鹽巖地層構造裂縫的傾角分為40°～60°，70°～80°和大于80°三個區間范圍。根據統計結果，構造裂縫的傾角主要在50°以上，以中、高角度剪切裂縫為主(圖4a，b)。

圖2 塔河地區中-下奧陶統裂縫成因類型Fig.2 Genetic types of fractures in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe areaa.剪切裂縫，一間房剖面，一間房組(O2yj)；b.剪切裂縫，T403井，埋深5 454.32 m；c.剪切裂縫，單偏光；d.張性裂縫，蓬萊壩剖面，蓬萊壩組(O1p)；e.張性裂縫，S71井，埋深5 508.70 m；f.張性裂縫，單偏光；g.水平層理縫，T416井，埋深5 594.52 m；h.成巖縫合線，西克爾剖面，一間房組(O2yj)；i.成巖縫合線，T706井，埋深5 728.61 m；j.構造成巖裂縫，T705井，埋深5 771.45 m；k.構造表生裂縫，S71井，埋深5 711.35 m；l.巖溶裂縫，西克爾 剖面，一間房組(O2yj)

裂縫的高度也稱作裂縫的縱向延伸長度，可以反映裂縫的發育規模。裂縫的縱向延伸長度受巖石力學層控制，裂縫在巖石力學層內發育，并終止于力學層界面上。由于巖心直徑的局限性，在利用巖心資料進行裂縫縱向延伸長度統計時需要根據測井資料進行校正。根據巖心與成像測井資料統計，將裂縫的縱向延伸長度劃分為10～30，30～60，60～100 cm和大于100 cm四個區間，其中以10～30 cm與30～60 cm區間的中、小裂縫為主(圖4 c，d)。

裂縫的密度包括裂縫的線密度、面密度和體積密度。本次主要討論裂縫的線密度，即垂直于構造走向裂縫發育的條數。裂縫的線密度由裂縫的高度、裂縫的條數和傾角共同決定。由于本次研究統計的裂縫以高角度的構造縫為主，所以裂縫的高度和裂縫的條數成為最主要的因素。從裂縫線密度的統計結果可得，裂縫的密度隨著層位的不同也呈現了不同范圍的變化，其中在中-下奧陶統的主要層位裂縫密度普遍小于6條/m；在不同的井位上，裂縫的縱向發育密度也存在較大的差別，變化范圍較大，總體上裂縫的密度小于3條/m(圖5)。

基于前述裂縫基本參數的統計，裂縫的方位、傾角、高度以及密度存在明顯的差異性，不同特征參數表征的地質意義也各不相同。根據塔河地區單井縱向上裂縫發育規律統計結果可得，在不同的深度段裂縫的密度存在較大差異；隨著深度的變化，裂縫的密度變化并沒有呈現明顯的規律性，裂縫發育呈現出“短而密”的特征。結合塔河地區縱向上巖性的變化，單井上裂縫的發育規律不僅僅與深度的變化相關，還受其他因素的控制。在塔河地區縱向上不同組系中裂縫密度的變化規律也不同，蓬萊壩組和鷹山組裂縫的密度基本一致，但在蓬萊壩組和鷹山組中裂縫密度明顯大于一間房組裂縫密度。

圖3 塔河地區中-下奧陶統裂縫方位統計Fig.3 Statistics of fracture orientation of the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe areaa.蓬萊壩組；b.鷹山組；c.一間房組

圖4 塔河地區中-下奧陶統裂縫高度與傾角統計結果Fig.4 Statistical results of fracture height and dip angle in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe areaa.巖心裂縫傾角統計；b.成像測井裂縫傾角統計；c.巖心裂縫高度統計；d.成像測井裂縫高度統計

考慮到塔河地區碳酸鹽巖儲層經歷了巖溶地質過程，因此在縱向上裂縫的發育特征也存在明顯的分帶性。塔河地區中-下奧陶統巖溶帶在縱向上可以分為表層帶、滲流帶和徑流帶[14]。在表層帶，水流基本順地表坡度流動，形成了河道和順坡溶蝕縫洞，主體裂縫以中、高角度構造裂縫為主，低角度構造裂縫不發育。滲流帶主要是地表水沿著斷層或高角度裂縫垂向運動形成的，因此在滲流帶中易形成與斷層伴生的中、高角度的構造裂縫。在徑流帶中，連續不斷匯聚的流體容易形成地下河，地下河體系以近似水平的低角度為主，因此與其相關的裂縫也以低角度構造裂縫為主。

3 裂縫發育主控因素

裂縫形成與發育的控制因素較多，包括巖性、巖層厚度、構造作用及巖溶作用等多種因素[15-17]。通過野外露頭、巖心和薄片等觀察分析，結合前述裂縫發育特征以及不同類型裂縫發育情況，本文將裂縫控制因素總結為沉積作用、構造作用和巖溶作用3方面的影響。

3.1 沉積作用

沉積作用對裂縫的控制主要表現在巖性和層厚等對裂縫的影響[18]。結合塔河地區裂縫發育特征與沉積作用的特點，本次主要考慮巖性的差異與層厚的變化對裂縫發育的影響。

巖性對裂縫密度發育的影響主要體現在巖石的礦物組分、構造及力學參數的差異。據理論研究，在相同的應力條件下，巖石脆性礦物組分含量越高，裂縫的發育程度更高[19-20]。在相同組分的巖石中，隨著巖石顆粒變細，在較小應變時即表現出破裂變形，裂縫越容易發育[21]?；趯λ拥貐^野外露頭、巖性和薄片的觀察統計可得，在塔河地區白云巖比灰巖裂縫更發育，且隨著白云石含量的增加，裂縫越發育。在灰巖中，生屑灰巖比泥質灰巖裂縫更為發育，這也表明隨著泥質等塑性成分增加，裂縫的發育程度降低(圖6)。

據研究，在一定厚度范圍內，裂縫間距與層厚呈正線性關系[22]。在研究區內，裂縫間距隨著層厚的增加而增加，且在不同的巖性中裂縫間距與層厚的比值存在差異。部分裂縫可以切穿相鄰能干性不同的地層，并發生一定的產狀變化[23]。根據塔河地區主體區巖心裂縫數據統計獲得的不同巖性層厚與裂縫密度之間的關系可見，隨著層厚的增加裂縫的密度呈現減小的趨勢，并且白云巖的層厚對裂縫發育程度的影響范圍大于灰巖。但是，不同類型的灰巖對裂縫密度的影響也存在差異。當灰巖厚度在一定范圍內時(<4m)，單層灰巖的厚度相同，泥質灰巖的裂縫密度最小，其次是生屑灰巖；且隨著灰巖厚度的減小，泥質灰巖的密度減小趨勢大于生屑灰巖(圖7)。

3.2 構造作用

構造是控制儲層裂縫發育的重要因素，構造應力是裂縫形成的主要動力[24]。構造擠壓作用的增強導致巖石狀態變化。其中，裂縫的走向取決于裂縫形成時期的主應力產狀，裂縫的發育程度受控于構造應力的大小[25]。本次主要從構造類型和不同構造部位來闡明構造作用對裂縫的影響，主要討論斷層和褶皺對裂縫的影響。

由于斷層活動的影響，在斷層附近構造應力的分布具有明顯的分帶性[26]，從而影響斷層附近裂縫的分布規律。據前人研究可知，斷層上盤的裂縫較下盤發育，且由斷面向兩側裂縫發育程度逐漸降低；在斷層端部和交叉等應力集中區，裂縫相對發育。通過研究類比塔河地區碳酸鹽巖儲層與塔里木盆地西北緣野外露頭，發現二者的構造運動具有同期性?；谝巴饴额^的實測分析可知，在塔河地區主要以走滑斷層為主，局部發育逆斷層，很少看到正斷層。針對野外典型剖面測量分析，在走滑斷層中，裂縫主要在走滑斷層的活動盤和斷層的端部最發育。斷層的端部為應力釋放區，裂縫較為發育。在逆斷層中，斷層的上盤比斷層的下盤裂縫發育，且斷層的上、下盤裂縫密度的變化范圍較大?？傮w上，裂縫的密度在7.52～1.57條/m范圍內變化，在斷層的上盤裂縫密度的變化范圍是7.52～2.09條/m，在斷層的下盤裂縫的密度變化范圍是5.82～1.57條/m。綜合分析，在逆斷層發育區帶范圍內主要存在3點規律：1)在斷層面附近裂縫發育，裂縫的發育密度是正常地層的2～4倍；2)在斷層影響的范圍內，遠離斷層面，裂縫密度呈現減小的趨勢，且在正常地層中趨于不變；3)斷層的上盤比下盤裂縫發育，斷層上盤的裂縫平均密度為5.54條/m，斷層下盤的裂縫平均密度為4.63條/m(圖8)。

圖5 塔河地區中-下奧陶統裂縫密度統計結果Fig.5 Statistical results of fracture density in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe areaa.不同組系裂縫密度；b.不同井位裂縫密度

圖6 塔河地區中-下奧陶統巖性對裂縫發育的影響Fig.6 The impact of lithology on fracture development in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe areaa.不同巖性裂縫密度發育情況；b.白云石含量對裂縫密度發育的影響

對于褶皺構造與裂縫的關系，許多學者都進行過研究，認為褶皺的軸部和轉折端等構造曲率較大的部位裂縫最為發育，而褶皺翼部的裂縫發育程度相對較差；其中，陡翼的裂縫相對于緩翼發育，褶皺變形越強烈，裂縫越發育，裂縫密度越大[27]。在塔河地區結合塔西北野外露頭的觀測發現，褶皺的轉折端和核部裂縫最為發育；由褶皺軸面向兩翼方向裂縫逐漸不發育，裂縫的密度逐漸減小。由圖9分析可見，在褶皺的核部部位，裂縫密度接近8條/m；在褶皺的翼部，裂縫的密度分布在4～6條/m；在正常的巖石地層中，裂縫的平均密度在2條/m左右。綜合分析，在塔河地區褶皺構造對裂縫發育的影響主要體現在不同的褶皺構造部位裂縫的發育密度存在明顯的差異。在褶皺的核部，裂縫密度是常規地層的4倍左右；在褶皺翼部，裂縫密度是常規地層的2～3倍。由此可見，褶皺的不同構造部位裂縫的發育程度存在明顯的差異(圖9)。

圖7 塔河地區中-下奧陶統層厚對裂縫發育的影響Fig.7 The impact of layer thickness on fracture development in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe area

圖8 塔河地區中-下奧陶統斷層對裂縫發育的影響Fig.8 The impact of faults on fracture development in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe area

3.3 巖溶作用

巖溶裂縫即與巖溶相關的裂縫。巖溶作用受沉積環境、流體性質和古地貌等多種因素的影響，巖溶的規模和巖溶的充填程度也影響著裂縫的發育。本文主要討論發生的巖溶作用對裂縫發育的影響。前述中提到巖溶裂縫主要存在于巖溶作用形成溶洞的上部，形成的裂縫與溶洞頂面成不同的夾角(圖10a)。

巖溶裂縫的形成與巖溶作用形成的溶洞密切相關。一方面，由于溶洞的形成導致巖石受力發生改變，在上覆巖層的壓力下溶洞的頂面產生滑塌，在溶洞的頂面形成破碎帶，伴隨著巖石破碎帶的形成便很容易產生裂縫；另一方面，隨著洞頂力學機制的變化，上覆巖層滑塌導致先期形成的溶洞被充填，由于上覆滑塌破碎程度的變化溶洞的充填也存在不同程度的差異，使得上覆滑塌過程中形成的裂縫規模也存在較大差異。巖溶裂縫形成的受力機制分為3個階段：最開始，巖層只受到上覆重力的影響；當下伏地層發生溶蝕時，在重力作用下巖層發生彎曲；在曲率較大地方，巖層破裂就會形成裂縫(圖10b)。

圖9 塔河地區中-下奧陶統褶皺對裂縫發育的影響Fig.9 The impact of folds on fracture development in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe area

圖10 塔河地區中-下奧陶統巖溶裂縫發育模式Fig.10 The development mode of karst fractures in the Middle-to-Lower Ordovician in Tahe areaa.巖溶發育模式；b.巖溶裂縫受力機制；c.巖溶裂縫類型

根據塔河地區的統計分析，巖溶裂縫是較為常見的復合成因裂縫，其受巖溶作用的影響主要存在以下規律：1)巖溶裂縫主要分布在溶洞的頂部，在溶洞周圍分布規模不大，巖溶裂縫具有向溶洞形成方向的收斂性；2)巖溶裂縫與溶洞頂面存在不同的夾角，遠離溶洞頂面，主要發育垂直于洞頂的裂縫，并伴隨著小斷層的產生，靠近洞頂則主要以斜交縫和水平縫為主；3)以局部張性拉應力為主，形成的裂縫縫面斷續，延伸不遠(圖10c)。整體上，巖溶裂縫的發育程度與溶洞的規模和充填程度密切相關，根據二者的具體定量關系便可以從巖溶裂縫的發育程度來預測溶洞的發育規模。

4 結論

1) 塔河地區中-下奧陶統碳酸鹽巖儲層天然裂縫可分為構造裂縫、成巖裂縫和復合成因裂縫3種類型。構造裂縫以剪切裂縫為主，其次為張裂縫；成巖裂縫主要為水平層理縫，其次是成巖縫合線；復合成因裂縫主要包括構造-成巖裂縫、構造-表生裂縫和巖溶裂縫。其中，高角度構造剪切裂縫是該區的主要裂縫類型，發育有北東-南西向、北西-南東向、近東-西向和近南-北向4組，它們在不同層位的發育程度存在明顯的差異。

2) 塔河地區中-下奧陶統碳酸鹽巖儲層天然裂縫的發育程度受沉積作用、構造作用和巖溶作用的控制。隨著塑性礦物含量與巖石層厚的增加，裂縫的密度逐漸降低。距斷層面與褶皺軸面的距離越遠，裂縫發育程度也逐漸變差。巖溶作用使得在溶洞上部巖層中主要發育近直立裂縫、斜交裂縫和近水平裂縫3種產狀類型的裂縫系統。