埕岛地区埕北20潜山带裂缝类型、发育期次及控制因素

2012-01-03杨少春齐陆宁李拴豹

中国石油大学学报（自然科学版） 2012年5期

杨少春，齐陆宁，2，李拴豹

（1.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛 266580;2.中国石化胜利油田分公司海洋采油厂，山东东营 257237; 3.中国海洋石油天津分公司渤海油田勘探开发研究院，天津 300452）

杨少春1，齐陆宁1，2，李拴豹3

依据岩心观察和薄片分析并应用潜山测井解释模型，揭示埕岛地区埕北20潜山带的裂缝类型及测井响应特征;通过应用碳氧同位素特征判定方法对其裂缝的发育期次进行划分，并依据区域岩性、构造应力场及断层活动分析，对潜山裂缝的发育控制因素进行剖析。结果表明:埕北20潜山带主要发育风化破裂缝和构造破裂缝两种类型;风化破裂缝为网状缝，以高角度为主，分布于不整合面下脆性地层中，构造破裂缝多为斜交缝，形成于拉张和挤压双重构造环境中;两种裂缝在测井响应上均表现出扩径、声波时差增大、低电阻率的特征;裂缝发育主要经历了3个期次，以印支期发育为主，形成了加里东—海西期风化缝、印支期构造缝和燕山期—喜山期拉张缝;裂缝形成受上覆岩性、构造应力场、断层活动等多种因素控制，一般发育在灰岩、白云岩等脆性岩石中，且在无上覆石炭－二叠系砂泥地层覆盖区，或构造应力高值区、断裂带集中发育区。

潜山;裂缝类型;发育期次;控制因素

潜山是一种重要的深层地质单元，指被埋于地下、在盆地接受沉积前就已经形成的古地貌或构造凸起，在随后的盆地演化中被新地层覆盖埋藏而形成的地质单元［1］。潜山受到断裂的相互切割，产生大量裂缝。这些裂缝受风化剥蚀作用向较深层延伸，形成扩大储集空间，是一种重要的储集体;同时多期次、多方向的裂缝将各种储集空间有机地连接在一起，能作为有效的输导体，因此潜山裂缝是富集高产且复杂的储集体系［2－14］。埕北20潜山带经过多期断裂构造运动和风化剥蚀，潜山裂缝大量发育［15－17］，但是一直以来潜山带的裂缝特征、发育期次及控制因素认识不清楚，笔者通过岩心观察和薄片分析，以及应用潜山测井模型解释，碳氧同位素特征判定等方法，对该地区的裂缝特征进行剖析，并对潜山裂缝的发育控制因素进行研究。

1 研究区地质概况

埕岛地区位于渤海湾南部、东营滩海地区东北部的浅海区，区域构造上处于济阳坳陷与渤中凹陷过渡带［14－15］。埕岛地区潜山自古生代之后经历了印支、燕山、喜山等3个大构造运动阶段和2次应力转型期（其中印支期以逆断及推覆运动的挤压应力为主，燕山期—喜山期转成断陷活动的拉张应力），造成了该区地质构造错综复杂的特征（图1）。埕北20潜山带位于埕岛潜山带埕北20古断层的上升盘，主要是由埕北20古断层控制形成，属于典型的残丘山。该潜山带内幕结构相当复杂，发育了大量的褶皱和断裂构造，潜山裂缝也相对发育［18］。

图1 埕岛地区埕北20潜山带构造图Fig.1 Structuralmap of Chengbei20 buried hills in Chengdao aera

2 潜山裂缝类型及特征

埕北20潜山带在形成过程中经历多期构造运动和长期风化剥蚀，在沉积孔隙、构造裂缝的基础上产生大量的溶蚀孔洞及溶缝，其突出特点是原生储集空间不发育，多发育裂缝、溶蚀孔洞等储集空间类型［17－19］。根据对研究区取心井的古生界、太古界潜山岩心裂缝发育特征的观察和分析，认为埕北20潜山带存在风化破裂缝和构造破裂缝两种类型裂缝（图2）。

2.1 风化破裂缝

在表生期因机械、物理及化学风化作用或坍塌作用等形成的各类裂缝，也包含了同期构造作用形成的破裂缝及其经各种风化、溶蚀作用改造后的构造裂缝。埕北20潜山带风化破裂缝特征主要有:①纵向上分布于不整合面以下脆性地层中，破裂深度变化较大，主要取决于风化时古地貌及加里东—海西期造缝运动。一般认为，残丘及各种溶蚀陡坡带风化破裂发育且厚度较大，而平台及缓坡地区则较差;②裂缝的发育与早期构造缝、断层的发育有密切联系，在无加里东—海西期裂缝、断层影响区裂缝一般分布于地表下50～70 m（表面风化破裂缝），而在加里东—海西期裂缝、断层发育区其发育深度就大得多，这主要是由于岩石随水溶蚀、温差涨缩、盐结晶张裂等作用沿着原裂隙方向易于改造;③风化破裂缝的产状较复杂，呈现出密度大（100～120条/ m）的特点，极破碎带呈网状，相对破碎带则以高角度或垂直缝为主。

2.2 构造破裂缝

埕北20潜山带的古生界、太古界中存在有大量的构造破裂缝。根据斜交剪切的产状及擦痕方向，可以判断出该区构造缝至少有两种成因类型:①构造拉张缝，主要为燕山期—喜山期构造拉张活动的产物，发育于晚期活动的断裂带内，同样由于构造拉张作用可以激活印支期以前的裂缝，这类裂缝形成的剪切破裂缝倾角较大，一般为60°～70°，为高角度斜交缝;②构造挤压缝，主要为印支期挤压作用的产物，该期构造活动可以产生许多破裂，也可以改造前印支期（加里东—海西期）破裂缝，是研究区重要的破裂缝类型之一，这类裂缝形成的斜交破裂缝倾角一般小于42°，为低角度斜交缝。

图2 埕北20潜山带储层裂缝类型Fig.2 Fracture types of Chengbei20 buried hills reservoir

3 潜山裂缝测井响应特征

埕北20潜山带储层发育大量裂缝、溶洞，非均质性较强、物性差，应将常规测井、特殊测井与地质理论相结合，精细分析测井响应规律，建立合理的解释模型［14－16，18］。

3.1 风化破裂缝测井响应

风化破裂带往往叠加有构造缝，多组系裂缝形成网状缝特征明显，这些网状缝中的小段以纵向上沿伸不长（最多20 cm）的垂直缝束为主（图3）;在测井响应上表现为井径扩径、声波时差值增大、双测向曲线上出现相对低阻的正幅度差等特征（图4）。

图3 胜海古2井古生界风化破裂缝测井响应Fig.3 Log response of Palaeozoic weathered fractures of well Shenghai Gu 2

3.2 构造破裂缝测井响应

构造裂缝按产状可以分为垂直缝、斜交缝、水平缝和网状缝。在裂缝识别测井图上（图3），反映出古生界及太古界中的构造裂缝以垂直缝和网状缝为主，斜交缝次之，而水平缝极少;其测井响应特征也表现为扩径、高声波时差和双侧向电阻率的相对低阻等特征（图4）。

图4 胜海古2井古生界构造破裂缝测井响应Fig.4 Log response of Palaeozoic structural fractures of well Shenghai Gu 2

4 潜山裂缝发育期次

各期次形成的裂缝对油气的运移、成藏作用不同［19］。裂缝发育期次的研究方法有很多种，如利用包裹体特征、岩石声发射特征、电子自族共振测年分析、成像测井等［20－22］。尤里［23］提出的通过测定碳酸钙与水之间的氧同位素分布来估计古代海洋温度的方法是当代核子地球化学中最重要成就之一。本次研究就是在充分了解埕岛地区埕北20潜山带构造背景、地层特征基础上，通过这一综合碳氧同位素特征方法来确定裂缝形成期次。

不同时期形成的裂缝中，方解石结晶矿物从地层水中析出后沉淀在裂缝壁上。结晶方解石矿物的氧稳定同位素丰度（δ18O）主要取决于当时的温度和水介质条件，因此可指示形成温度，而形成温度的差别表明裂缝形成期次不同。许多学者已提出不同的同位素测温方程，笔者采用Fritz等［24］提出的氧同位素测温方程:

式中，T为温度，℃;δ18O为方解石氧同位素丰度值;δ18Ow为水介质的氧同位素丰度值。利用氧同位素计算古温度的同时，碳同位素的特征可用于区分处于相同埋深下、不同形成时期的情况。综合氧碳同位素的特征，就能估算出裂缝形成的时间和期次。

根据构造演化时期及7口取心井共19个裂缝充填方解石样品进行的同位素测定，认为埕岛地区埕北20潜山带裂缝可分为3个发育期次的裂缝，即加里东—海西期裂缝、印支期裂缝和燕山期—喜山期裂缝（图5）。

图5 古生界—太古界裂缝充填方解石稳定同位素特征Fig.5 Stable isotope characteristic of fracture filling Calcite in Archaeozoic＆Palaeozoic strata

（1）加里东—海西期裂缝:充填方解石的同位素值δ18O为－11‰～－7‰（PDB），δ13C为－2‰～－3.5‰（PDB），未见有机质的影响。氧同位素值与淡水方解石氧同位素值相近（约为－10‰（PDB）），因此认为这类裂缝多数应为风化剥蚀淋滤时期形成的破裂，可能有些裂缝形成时期更早。

（2）印支期裂缝:在印支期研究区古生界、太古界经历了早期挤压和晚期的拉张作用，挤压作用不仅能形成构造裂缝而且由此引起的地层风化剥蚀作用也能改造构造缝和形成新的破裂缝。这一时期形成的破裂缝中充填物的δ18O为－14.5‰～－12‰（PDB），δ13C值为－5‰～－2‰（PDB），个别点值达到－7.8‰（PDB），说明含有一定的有机质。按实测氧同位素值和方程估算得到该期裂缝充填方解石形成时的古温度为45.8～65.3℃，如果按年平均地表温度为20℃估计，其形成时埋深为0.860～1.510 km（梯度取3.0℃/（100 m），胜海古2井），说明裂缝形成期相对较早，其第一次充填物形成期也早。

（3）燕山期—喜山期裂缝:在燕山期—喜山期研究区处于拉张作用阶段，区域影响不是太大，形成的裂缝较少，但由于形成期晚，有效性较高。该期破裂缝充填物的同位素值分布δ18O为－19‰～－15‰ （PDB），δ13C为－3‰～－0.5‰（PDB），多数破裂链形成于成烃期后而未见有机质的影响。按同位素测温方程估算得到其形成时温度为77.1～138.6℃，按相对低温平均温度94℃估计其形成时埋深约为2.50 km。因此判断其为晚期形成的裂缝。

5 潜山裂缝发育控制因素

埕岛地区埕北20潜山带裂缝成因主要受上覆岩性、构造应力场、断层活动等因素影响。

5.1 岩性

不同的岩性其力学性质不同，其破裂发育情况也存在区别。风化破裂缝主要见于灰岩、白云岩及花岗片麻岩风化壳中，泥质岩或砂岩地层风化期形成的破裂相对就不发育。构造缝发育程度也与岩性有一定关系;统计8口井构造缝发育井段，白云岩类有8层占50%，灰岩类有6层占37.5%，花岗片麻岩（煌斑岩）有2层，占12.5%。因此构造缝优先选择在白云岩类中形成破裂，灰岩、花岗片麻岩相对较差。

无论是风化裂缝还是构造裂缝，都主要发育在碳酸盐岩中，而在砂泥岩层中裂缝相对不发育。在埕北20潜山带，若古潜山上覆有石炭－二叠系（CP）的砂泥岩层，其裂缝则不发育，而在无石炭－二叠系的砂泥岩覆盖的下古生界直接暴露的区域，古潜山裂缝发育，并以风化破裂缝为主，其次发育断裂伴生裂缝（图6）。

图6 岩性与潜山裂缝发育程度关系模式图Fig.6 M ode chart about relationship between lithology and fractured size

5.2 构造应力场

在岩性相同的地层中，构造裂缝发育程度受控于构造应力场，即在构造应力场高值区，构造裂缝相对发育。从部分井产液量与模拟最大主应力（σmax）关系反映出，随着应力的增加，产液呈增大的趋势（图7）。由于潜山储层油井产液量主要取决于裂缝的发育情况，因此上述关系反映构造应力场越高，裂缝相对越发育。

图7 产液量与模拟最大主应力关系Fig.7 Relationship between liquid production and simulated maximum principal stress

5.3 断层

断裂带往往是破裂带，前人对华北地区古生界及太古界的裂缝发育带做过许多研究［25－27］，认为二者关系十分密切。从图1可以看出，埕岛地区埕北20潜山带发育许多断裂构造，无疑这些断裂带附近也是裂缝发育带。

6 结论

（1）埕岛地区埕北20潜山裂缝具有类型多、结构复杂、分布不均匀的特点，但主要发育风化破裂缝和构造破裂缝两种类型。

（2）风化破裂缝为网状缝，密度大，以高角度为主，分布于不整合面下的脆性地层中，深度变化较大;构造破裂缝多为斜交缝，是构造运动拉张和挤压后形成，其拉张缝多呈高角度特征，挤压缝多呈低角度特征。风化破裂缝、构造破裂缝均在测井响应上表现为扩径、高声波时差、低双侧向电阻率低的特点。

（3）埕北20潜山带裂缝发育3个充填期次，分别为加里东—海西期、印支期和燕山期—喜山期，且以印支期为主要阶段。加里东—海西期裂缝多数为风化剥蚀淋滤时期形成的风化缝，是早期裂缝;印支期裂缝为早期挤压和晚期拉张的构造缝，形成规模大;燕山期裂缝形成较晚，但有效性较高，分布范围小。

（4）埕北20潜山带裂缝形成主要受上覆岩石岩性、区域构造应力场、以及断层活动等因素控制。裂缝一般发育在灰岩、白云岩等脆性岩石中，且在无上覆石炭－二叠系砂泥地层覆盖区较为发育，另外应力高值区构造裂缝相对发育，断裂带一般也是裂缝的集中发育带。

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Fracture types，development phases and controlling factors of Chengbei20 buried hills in Chengdao area

YANG Shao－chun1，QILu－ning1，2，LIShuan－bao3

（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 2.Offshore Oil Production Plant，Shengli Oilfield，SINOPEC，Dongying 257237，China; 3.Research Institute of Exploration and Development，BohaiOilfield，CNOOC，Tianjin 300452，China）

Based on the core observation，thin section analysis and the buried hill log interpretation，the fracture types and the log response features were revealed in Chengbei 20 buried hills.The fracture development phases were distinguished clearly by carbon and oxygen isotope characteristics decisionmethod.According to the regional lithology，tectonic stress field and fault activity analysis，the buried hill fracture controlling factorswere explained.The results show that two kinds of fractures are identified in Chengbei20 buried hills，which are weathering fractures and structural fractures.The weathering fractures aremesh ones with high density，high angles，and various depths，and distribute in the brittle strata under the unconformities.The structural fractures have bevel angles，high tension joint angles and low extrusion joint angles，which are caused by the extensionaland compressionmovements.Both the weathering and the structural fractures perform expanding diameter，long interval transit time，and low resistivity characteristics in logging response.The fractures in Chengbei20 buried hills can be divided into three development phases and Indo－Chinesemovement dominates.As a result the Caledonian－Hercynian weathering fractures，Indo－Chinese structural fractures，and Yanshan－Himalayan tensional fractures form.The formation of the fractures in Chengbei20 buried hills ismainly controlled by the overlying lithology，the tectonic stress field and the fault activities.The fractures aremainly caused in the brittle rocks such as the limestone and dolomite，especially in those no Carboniferous－Permian sandstone ormudstone overlying.The fractures are also influenced by the tectonic stress andmostly form in the strong tectonic stress field as a consequence.Furthermore，the fractures are controlled by the faults，and the fault concentrated development zone is the fracture area as well.

buried hills;fracture type;development phase;controlling factor

P 583

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.05.001

1673－5005（2012）05－0001－06

2012－02－18

中国石油化工股份有限公司攻关项目（So－PF0769D010E）;国家科技重大油气专项课题（2011ZX05009－003）

杨少春（1962－），男（汉族），广西桂林人，教授，博士，博士生导师，主要从事油藏描述及储层地质学研究和教学工作。

（编辑徐会永）