断层相关裂缝的发育模式及分布预测——以东濮凹陷沙三段为例

刘卫彬，张世奇，徐兴友，周新桂，陈 珊，白 静，李世臻

(1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029； 2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

天然裂缝是沉积盆地中广泛分布的一种重要地质构造，对油气勘探和油气藏开发具有极其重要的意义[1-6]。目前，中国各大含油气盆地浅层油气资源已被很大程度开发，中深部地层逐渐成为增储上产的重要勘探领域[7]。由于中深部储层埋深较大，压实作用强烈，成岩程度高，易形成以低孔低渗为特征的致密储层，天然裂缝则成为该类储层主要的储存空间和渗流通道[8-11]。很多学者认为裂缝的发育可以增大储层的储集空间，改善储层有效渗流面积和渗流能力，是致密储层中形成优质储层的主要原因之一[12-16]。同时，裂缝又是排烃及油气二次运移的主要通道，是中深部油气富集成藏的重要因素[17]。国内外勘探成果也证实，裂缝型油气藏在已发现的油气藏中占比逐渐增大，探明储量和实际产量也逐年上升[18-19]。由此可见，天然裂缝在当今世界油气勘探开发中发挥着重要作用，是中深部油气勘探的重点攻关领域。

由于天然裂缝成因复杂，分布不规律，非均质性强，使得裂缝型油气藏的开发成为世界性难题[20-23]。近年来，随着裂缝型油气藏的不断开发，寻找与高陡构造伴生的大型裂缝系统(褶皱相关裂缝)越来越难，而在褶皱作用弱的致密储层内部，与断层相关的裂缝甜点区则成为勘探的重要新目标。前人对于断层相关裂缝做过一系列定性和定量的研究工作。Cmexob认为随着距断层距离的增大，裂缝发育密度降低[24]；Nelson研究认为断层相关裂缝的密度是岩性、断层面位移、断层面距离、埋藏深度和断层类型等构成的函数[25]。此后，国内外学者运用断裂效应法、断层应力场强度因子法、F指标法、VSD技术、古应力场数值模拟、有限元数值模拟等方法对储层裂缝进行评价[26-32]。这些评价方法从不同角度为中国裂缝型油气藏的勘探开发提供了有效的技术支撑，但由于断层相关裂缝本身的复杂性，不同地区地质条件和勘探程度也不尽相同。目前，尚无一种能够完全有效评价各类型断层相关裂缝的统一技术方法。因此，从不同角度、不同思路去探索定量表征断层相关裂缝分布规律的方法，仍然是今后断层相关裂缝研究的重点方向。

东濮凹陷是中国东部富含油气的盆地之一，以“小而肥”为特点。东濮凹陷的主力产层是古近系沙三段储层，储层岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩为主，孔隙度平均为8.4%，渗透率平均为9.8×10-3μm2，为致密砂岩储层，目前面临油气增产难题[33]。区内发育多条NNE向正断层，岩芯观察及测井资料显示断层附近裂缝较为发育，且与油气的富集具有很好的相关性。然而，前人对东濮凹陷断层相关裂缝的研究十分缺乏，对其分布规律更无针对性预测。基于此，本文利用大量岩芯、地震、测井等资料分析断层相关裂缝发育特征，探讨断层相关裂缝的成因机制和发育模式，同时利用断地比参数法预测断层相关裂缝的分布规律，为油田优质储层甜点区的勘探部署提供依据，也为高效合理开发此类裂缝型油气藏提供科学支撑。

图1 东濮凹陷沙三段断层分布及裂缝发育规律Fig.1 Distribution of Faults and Development Law of Fractures in the Third Member of Shahejie Formation, Dongpu Depression

1 裂缝发育特征

通过对东濮凹陷35口取芯井岩芯和薄片资料观察分析，沙三段地层主要发育两种类型的裂缝：一类是与构造作用相关的断层相关裂缝和区域应力型裂缝；另一类是与超压作用、成岩作用相关的超压裂缝、成岩裂缝等非构造裂缝(图1)。其中，以断层相关裂缝占比最高，高达82%。本次研究选取断层相关裂缝作为具体对象，其可分为剪切裂缝、张性裂缝和张剪裂缝3种基本类型(图2)。其中，剪切裂缝最为发育，约占78%；其次为张性裂缝，占18%；张剪裂缝最少，约占4%。通过对裂缝的倾角进行统计，发现其倾角多分布在60°～85°，以高角度剪切裂缝为主[图2(d)]，约占63%。这一现象说明沙三段裂缝的形成主要靠构造挤压应力作用，容易形成高角度剪切裂缝。岩芯古地磁定向及成像测井资料表明，东濮凹陷沙三段储层中主要发育NNE向、NE向2组断层相关裂缝，其对应的优势方位分别是29°和47°，而NW向裂缝不发育(图1)。

根据岩芯测量和成像测井计算结果，沙三段断层相关裂缝长度主要为0.1～5.0 m，平均1.27 m；线密度为1～5条·m-1，平均4.3条·m-1；校正后的地下开度多集中在0.2～1.4 mm，平均0.72 mm。裂缝的充填程度较低，未充填裂缝占37%，半充填裂缝占22%，全充填裂缝占41%，充填物以方解石为主[图2(e)]，次为泥质[图2(f)]、硬石膏[图2(g)]，裂缝的整体有效性较好。裂缝发育处储层物性明显较好，常见油气运移痕迹[图2(h)]和饱含油级别砂岩[图2(i)]。而且，运用Monte Carlo多次逼近法求得东濮凹陷沙三段断层相关裂缝平均裂缝孔隙度为0.43%，平均裂缝渗透率为186.54×10-3μm2，说明断层相关裂缝对改善沙三段致密储层有重要作用。

2 断层与裂缝的相关性分析

2.1 力学性质

断裂是地层裂缝的宏观表现，断裂和裂缝两者相互伴生，相互促进。与正断层相关的裂缝组系有两种：一种是由拉张应力形成的、近于直立的拉张裂缝，裂缝走向平行于断层面；另一种是两组斜交的剖面共轭“X”剪切裂缝，一组在平面和剖面上均平行于断层面，另一组在平面上平行于断层面，在剖面上与断层面斜交[34-37]。东濮凹陷沙三段裂缝在拉张应力作用下形成高角度拉张裂缝，又发育大量共轭“X”剪切裂缝，表明裂缝的发育特征与正断层力学特征具有一致性。

此外，受板块运动的影响，东濮凹陷沙三期构造应力表现为NW—SE向拉张应力和稍弱的NNE—SSW向挤压应力(图3)，形成了以NNE向、NE向为主要走向的正断层[38]。从测得的沙三段裂缝产状来看，断层附近井中发育的裂缝主要以NNE向、NE向为主,与东濮凹陷主要断层的总体方位一致(图1)，从另一个角度表明裂缝的形成受断层控制，两者在力学成因方面具有相关性。

图3 构造演化、断层活动与裂缝形成关系Fig.3 Relationships Among Tectonic Evolution, Fault Activity and Fracture Formation

2.2 形成时间

东濮凹陷是一个新生代断陷盆地，断裂十分发育。区内断层的形成主要分为3期：第一期次断层为兰聊断层，形成于古生代，下切地层到硅镁层；第二期次断层主要在古近系早期(沙四期)形成，下切地层至古生界；第三期次断层在古近系中期(沙三早期—沙二早期)形成，下切地层至古近系(表1)。由此可见区内主要大断裂基本形成于沙三中期及以前，活动时期集中在沙三中晚期。

断层的活动速率可用来综合判定断层各地质历史时期的活动强弱，结合构造演化史可恢复断层的变形演化序列[39]。通过分析研究区4条主断裂的断层活动速率，可知东濮凹陷主要断层在沙三晚期和东营晚期活动最为强烈，结合东濮凹陷构造演化史，认为沙三晚期和东营晚期是凹陷内主控断层最主要的时期(图3)。

通过裂缝中所含的流体包裹体，可以推测裂缝的最晚形成时间[4]；通过对断层相关裂缝中所含矿物流体包裹体测温，发现其包裹体均一温度峰值为80 ℃～125 ℃。结合东濮凹陷沙三段的地温梯度和埋藏史等资料[40]，可以推断断层相关裂缝的形成时间主要为35～40 Ma和18～25 Ma，对应沙三中晚期和东营晚期，与区内主要断层的活动时间一致(图3)，两者在形成时间上具有相关性。

表1 各主要断层基本特征Tab.1 Basic Characteristics of Major Faults

3 断层相关裂缝发育的影响因素

断裂带附近裂缝的发育规律与断层有着密不可分的关系，断层的发育程度直接决定了裂缝的发育程度[41-43]。本文通过地震资料解译、岩芯描述、成像测井解释等手段，获取了大量断层和裂缝的发育参数，定量分析二者之间的关系。为排除地层岩性和厚度对裂缝发育规律的影响[44-46]，本次研究所采用的裂缝参数均限定于同一岩石力学层、相近单层厚度的粉砂岩中，用线密度表示裂缝的发育强度。

图4 断层相关裂缝分布规律Fig.4 Distribution Law of Fault-related Fractures

3.1 距断层距离

断层活动可以形成应力扰动。根据东濮凹陷8条正断层相关裂缝发育参数统计结果(表2)，绘制出沙三段断层相关裂缝发育程度分布规律(图4)。从图4可以看出，距断层距离不同，裂缝发育强度出现了规律性变化。通过裂缝线密度及裂缝长度分布的差异性对比(图4)，裂缝线密度和规模与距断层距离成明显负相关关系，相关系数为0.574 8(图5)。长垣断层北段控制着3口裂缝较为发育的钻井，分别是胡82井、庆65井、胡83井。其中，胡82井距长垣断层距离最近，为0.4 km，其裂缝发育程度最为密集，平均线密度为23.60 条·m-1；庆65井距长垣断层距离为0.8 km，其裂缝发育程度居中，平均线密度为20.40 条·m-1；胡83井距长垣断层距离最远，为1.2 km，其裂缝发育程度最差，平均线密度仅为7.40条·m-1[图6(a)]。从断层上盘每口井距断层距离与裂缝线密度的关系(图5)可知，裂缝线密度随距断层距离的增大而成幂函数递减。由此可见，无论从定性还是定量角度，均能表明断层相关裂缝的发育程度随距断层距离的减小而增强。远离断层面，裂缝发育程度在整体上具有减小的趋势；越靠近断层面，裂缝越发育。

3.2 断层上、下盘

断层对裂缝发育的影响还体现在裂缝发育的位置上，即断层上、下盘对裂缝发育强度也有影响。以文东2号断层为例，濮深16井、前参2井分布在文东2号断层的下盘，距文东2号断层的距离分别为0.9 km和1.7 km。同样由文东2号断层控制的文260井和濮深7井位于断层的上盘，距文东2号断层的距离分别为0.9 km和1.6 km。由于文260井和濮深16井、濮深7井和前参2井分别距离文东2号断层的距离大致相等，分两组进行对比分析。结果表明：距断层距离0.9 km时，上盘裂缝线密度大致为下盘的3.6倍；距断层距离1.6 km时，上盘裂缝线密度约为下盘的5倍[图6(b)]。由此可见，受同一断层控制的地层，上盘裂缝的发育程度明显高于下盘，且下盘裂缝线密度的递减速度要快，即随着距断层距离的增大，下盘裂缝线密度的减小幅度明显大于上盘。

表2 断层相关裂缝的发育参数统计结果Tab.2 Statistical Results of Development Parametersof Fault-related Fractures

图5 距断层距离与裂缝线密度之间的关系Fig.5 Relationship Between Distance from the Fault and Linear Density of Fractures

图6 不同条件下断层相关裂缝发育程度对比Fig.6 Comparisons of Development of Fault-related Fracture Under Different Conditions

3.3 断层规模

通过观察对比，裂缝的发育程度与控制其发育的主断层规模有很大关系。根据断层长度和落差对比发现，研究区内的断层规模从大到小依次为长垣断层、杜寨断层、文东2号断层(表2)，在距断层距离相近(0.8 km)且均位于断层上盘的条件下，长垣断层控制的庆65井裂缝线密度高于杜寨断层控制的濮深12井，文东2号断层控制的文210井裂缝线密度最低[图6(c)]。由此可见，裂缝发育的平均线密度随着断层规模的增大呈递增趋势。

4 断层相关裂缝的发育模式

基于大量样本定性对比和实测数据定量分析，本次研究总结出东濮凹陷沙三段致密储层中断层相关裂缝的发育模式(图7)。从图7可知，裂缝的发育程度和发育范围与断层密切相关，在断层附近存在强变形带、弱变形带和无变形带3个裂缝发育带。强变形带为主要的造缝区域，裂缝线密度整体较高；弱变形带裂缝发育程度较差，呈透入性弥散分布，主要受非断层因素控制，与区域应力有关。

图7 断层相关裂缝的发育模式Fig.7 Development Model of Fault-related Fractures

断层相关裂缝带内，裂缝线密度通常较高，且越靠近断层带，裂缝越密集。相同深度、相近岩性条件下，断裂带附近的致密储层孔隙度要明显高于距断层距离较远的储层，且裂缝发育密集带与深部致密储层异常高孔带密切相关，深度上呈对应关系(图8)；微观上，裂缝发育段储层的物性和含油性均好于一般储层(图9)。由此可见，断层相关裂缝带的存在可显著提高致密储层的储集性和渗透性，形成致密砂岩储层油气勘探的裂缝甜点区，这对断层相关裂缝带分布的预测具有重要意义。

5 断地比参数法预测裂缝带分布

5.1 断地比参数法理论依据

断地比是指断层的断距在平面上的投影占研究区网格化后单元格面积的比例，与断层断距成正相关关系，可定量描述断层在局部区域的断裂程度。计算断地比，首先需对研究区进行网格化处理[47-48]，然后计算每个单元格内断层断距的平面投影面积与单元格面积比值。

根据本文建立的断层相关裂缝的发育模式，可以看出东濮凹陷沙三段断层的应力扰动临界宽度与断层断距具有密切的关系。根据东濮凹陷沙三段8处地震解释的断层相关裂缝带宽度与主控断层断距之间的关系，可以得出两者成显著正相关关系，相关系数为0.962 2(图10)。断层断距越大，其应力扰动范围越大，断层相关裂缝带宽度就越大。

为研究断地比能否较精确地反映裂缝的发育程度，本次研究将断层的断地比与已知井的裂缝线密度进行相关性分析。结果显示，断地比越大，断层相关裂缝发育程度越好，二者成明显正相关关系，且相关系数为0.817(图11)。

图8 断层相关裂缝发育与储层物性之间的关系Fig.8 Relationships Between Development of Fault-related Fracture and Reservoir Physical Properties

综上所述，断地比既能反映断层相关裂缝带宽度，又能代表裂缝发育程度。利用断地比参数法预测东濮凹陷断层相关裂缝发育程度具有一定的可行性，可以达到间接定量预测裂缝分布情况。

5.2 致密储层裂缝甜点区分布预测

根据东濮凹陷沙三段断地比的统计分析，作出其平面等值线图(图12)。从图12可以看出，受断层的影响，断地比分布呈现明显的分区分带性，整体呈NNE向展布，与断裂的发育方向平行。按照地区分布，断地比可划为5个高值区：第一个高值区位于庆祖集地区以东，以庆65井为代表，主要受长垣断层的控制；第二个高值区位于前梨园地区，以濮深4井为代表，主要受杜寨断层与兰聊断层的控制，此外该区二级断裂较发育(如文东断层等)，断地比最高可达40%；第三个高值区位于胡状集地区以北，以胡96井、濮深18井为代表，主要受石家集断层、文西断层、马寨断层的控制；第四个高值区位于濮城地区，以濮27井、濮深3井为代表，主要受兰聊断层和濮城断层的控制；第五个高值区位于文明寨地区以东，主要受濮城断层和卫西断层的控制。

图10 断层断距与裂缝带宽度之间的关系Fig.10 Relationship Between Fault Displacement and Width of Fracture Zones

图11 断地比与裂缝线密度之间的关系Fig.11 Relationship Between Fault-stratum Ratio and Linear Density of Fractures

图12 致密储层裂缝甜点区分布预测Fig.12 Distribution Prediction of Fracture Favorable Areas for Tight Reservoir

对比分析研究区断地比分布情况和单井裂缝实际发育情况，发现断地比小于10的区域断层相关裂缝几乎不发育，因此，本次研究将断地比等于10作为断层相关裂缝的发育下限。同时，根据实际情况，把东濮凹陷沙三段裂缝的分布划分为4个带：断地比为0～10的区域为裂缝欠发育带；断地比为10～20的区域为裂缝弱发育带；断地比为20～30的区域为裂缝中等发育带；断地比大于30的区域为裂缝强发育带。

东濮凹陷沙三段可以划分出5个致密储层裂缝甜点区，分别为庆祖集地区东部、前梨园地区、胡状集地区北部、濮城地区、文明寨地区东部，其中以前梨园地区裂缝带最为发育(图12)。该预测结果与东濮凹陷沙三段已探明油气储量分布情况和单井油气产能情况具有很好的匹配性(图13)，证明断地比参数法预测裂缝带和本次研究的预测结果在该区具有很好的适用性，对研究区低勘探程度区裂缝的预测和致密砂岩储层裂缝甜点区的预测具有一定的指导意义。

图13 主要含油气区储量分布Fig.13 Distribution of Reserves in the Main Petroleum-bearing Areas

6 结 语

(1)东濮凹陷沙三段发育剪切裂缝、张性裂缝和张剪裂缝3种基本类型的断层相关裂缝，主要走向为NNE向、NE向。裂缝与断层在力学性质、力学成因及主要形成时间方面具有相关性，沙三晚期和东营晚期为区内主控断层和裂缝的主要形成时期。

(2)正断层相关的裂缝既可以是拉张裂缝，也可以为剪切裂缝，但由于受地下围压作用的影响，拉张裂缝发育较差，主要形成高角度共轭“X”剪切裂缝。断层相关裂缝的发育强度随着距断层距离的增大而逐渐减小，越靠近断层面，裂缝越发育。正断层上盘裂缝的发育程度要高于下盘，且随着距断层距离的增加，上、下盘裂缝线密度均呈指数递减，但是下盘裂缝线密度的减小速度要明显大于上盘。裂缝的发育程度与断层的规模也成正相关关系。

(3)断层相关裂缝带可显著提高致密储层的物性，对致密砂岩储层裂缝甜点区的预测具有重要意义。断层相关裂缝发育程度与断层的发育程度密切相关，断地比可以定量描述断层的发育程度，且与裂缝发育程度具有很好的正相关性。采用断地比参数法预测出庆祖集地区东部、前梨园地区、胡状集地区北部、濮城地区、文明寨地区东部等5个致密储层裂缝甜点区。

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