冀中坳陷孙虎潜山带裂缝发育特征及定量预测

穆 燕，曹兰柱，高 帅，5，李熹微，郑荣华，陈再贺，杨晓霄，郭柳汐

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.“断裂构造变形机制与断圈有效性评价技术”东北石油大学优秀中青年科研创新团队，黑龙江 大庆 163318； 3.“油气藏及地下储库完整性评价”黑龙江省重点实验室，黑龙江 大庆 163318； 4.中国石油华北油田公司勘探开发研究院，河北 任丘 062552； 5.东北石油大学 环渤海能源研究院，河北 秦皇岛 066004；6.中国石油华北油田公司第五采油厂，河北 辛集 052360)

孙虎潜山带面积约150 km2，作为华北地区重要开采区域具有巨大开采潜力，资料显示孙虎潜山油藏累计探明地质储量为350.05万t，已开发储量为105.02万t。但冀中南部潜山油藏储集具有层位老、埋藏深度大的特点，相较于新生界油气藏其形成条件更为复杂。裂缝不仅作为潜山油藏的渗流通道，还控制潜山溶蚀孔隙的发育，是单井产量的重要影响因素[1-2]。由于受成岩作用、构造作用、风化淋滤作用等影响，潜山储层裂缝发育十分复杂、非均质性强烈，分布规律预测难度大。近年来，对于孙虎潜山带的研究多从油气成藏条件入手，包括成藏动力学系统分析、源岩成烃动态演化过程、沉积和剥蚀对油气生成、聚集的影响及断—砂配置输导体系的研究等方向入手，对于储集层裂缝发育特征、主控因素及裂缝分布规律的预测则缺乏相关研究[3-7]。

本文在精细构造解释的基础上，依据地震资料、岩心及成像测井资料等，开展储层天然裂缝成因研究并表征断裂破碎带(发育裂缝)发育特征。结合构造分析，明确潜山储层裂缝发育状况除了与层位和岩性对应关系以外，还与构造应力相关，就是与断层破裂带规模、井与断层距离有关。运用分形几何学建立断裂分形生长模型，预测不同尺度的裂缝数量、长度及密度，对潜山油气下一步开采具有重要参考作用。

1 地质概况

孙虎地区位于冀中坳陷东南角饶阳凹陷南端，毗邻沧县隆起与邢衡隆起，西部潜山区是其一次级构造单元，以虎北断层为界紧邻深县凹陷[4-6、8-9]。根据地震资料证明，基底断层系统主要由一系列北东和北北东向展布的断层组成，另外还有北西向和近南北向断层分布(图1)。虎北断层为长期活动断层，受其遮挡下盘发育孙虎潜山。潜山断裂为孔店时期活动的早期断裂，这类断裂平面北东向展布，剖面呈多米诺式或地垒—地堑式组合样式。

孙虎潜山顶面地层多为长城系高于庄组、蓟县系雾迷山组，这2套地层沉积期整体处于浅海环境，碳酸盐岩广泛发育，且以白云岩为主，地层厚度与岩性分布稳定[10]。受多期运动影响，古生界地层被剥蚀，自始新世以来沉积完整的新生界地层，包括古近系孔店组、沙河街组和东营组地层，新近系馆陶组、明化镇组地层及第四系平原组地层[11]。

孙虎地区形成以沙三段或沙一段生油岩为烃源层，以古潜山为储集层，以断层、不整合面和裂缝为沟通油源的运移通道，以上覆第三系泥岩作盖层的生储盖组合[3，12]。这种油气藏主要分布于虎北断裂上升盘，如H8潜山油藏和H16x潜山油藏。孙虎构造带中北部成藏模式主要表现为：孙虎断层上盘沙三段烃源岩层生成的油气，沿孙虎断层运移到孙虎断层下盘潜山圈闭中；孙虎断层下盘孔店、沙四段、沙三段圈闭也可得到孙虎断层上盘沙一段、沙三段烃源岩层生成的油气，H2井沙三段获工业油流已得到证实。

2 裂缝类型与发育特征

2.1 裂缝成因类型

天然裂缝主要指由于构造变形或物理成岩作用所形成的宏观面状构造。从狭义上讲，天然裂缝主要指储层在成岩作用及后期构造作用中形成的节理和微断裂，前者可以称为节理型裂缝，后者可以称为断层型裂缝。对于储层中天然裂缝的命名与分类，按照不同的分类方法可以有不同的分类方案，例如可以按照地质成因、力学性质、与层面关系及几何学形态等分类。按照裂缝的地质成因，冀中坳陷南部潜山碳酸盐岩储层裂缝主要分为构造裂缝、成岩裂缝、溶蚀裂缝、风化裂缝和卸载裂缝等类型[13]。其中构造裂缝是研究区碳酸盐岩储层中最为常见、且发育程度最高的裂缝，在岩心观察、野外勘测、成像测井识别以及薄片鉴定中所看到的裂缝主要为构造裂缝，这类裂缝对油气的勘探开发有着重要的影响。构造裂缝分布广泛，延伸长，产状比较稳定；具有明显的规律性和方向性，裂缝走向往往随着构造线的变化而改变；裂缝中常见方解石、石英等矿物充填；裂缝面特征明显。构造裂缝在成像测井上表现为暗色或亮色正弦曲线(图2)。

图2 成像测井上的构造裂缝(H16x井)

2.2 裂缝参数定量表征

根据成像测井，研究区裂缝走向与断层走向一致，均以北东—南西向为主，反映它们是在统一构造应力场下形成的(图3)。根据裂缝的倾角，通常可以将裂缝分为直立缝、高角度裂缝、中角度裂缝、低角度裂缝和水平裂缝共5类。结合取心井岩心裂缝倾角统计结果和对像测井资料裂缝产状的解释，研究区以高角度裂缝为主，其次为斜交缝，反映该区构造裂缝以与岩层近垂直的近直立裂缝为主的特点。统计岩心等裂缝充填程度，研究区储层裂缝被全充填者占21%，半充填者占18%，未充填者61%，有效裂缝占79%；储层裂缝高导缝占80%，高阻缝占20%，表明研究区裂缝的充填程度较弱，有效裂缝占绝大多数。

图3 研究区裂缝和断层走向玫瑰花图

裂缝密度反映了储层裂缝的发育程度，通常可以用按照裂缝的空间几何关系进行校正以后的线密度来表示野外相似露头或岩心上裂缝的发育程度，而对于薄片上微观裂缝的发育程度可以用面密度来表示。统计成像测井资料，研究区裂缝发育程度较高，单井线密度主要分布在1.0～6.8条/m，平均为3.8条/m。其中，雾迷山组裂缝最发育，其次是高于庄组；微观裂缝面密度0.06～0.39 mm/mm2，平均为0.16 mm/mm2(图4)。观察到研究区裂缝与层理面近垂直，裂缝高度与地层厚度具有高度的一致性，主要分布在10～40 cm，一般不超过80 cm，部分穿层裂缝可达4.0 m，这是由于裂缝受岩石力学层影响，使裂缝发育在岩石层内，一般终止于岩性界面[14]。

图4 裂缝发育强度分布

3 裂缝主控因素分析

裂缝发育受多重因素的影响，不同因素对裂缝形成的影响也不同[15-16]。前文已述，研究区裂缝类型以构造裂缝为主，裂缝的发育及分布受由多期构造运动所形成的复杂构造变形系统影响[17]。本文从野外露头、岩心及成像测井等资料入手，分析断层、岩性、风化壳对裂缝发育的影响。

3.1 断层对裂缝发育的影响

(1)断层发育特征。根据断层的走向特征绘制断层走向玫瑰花图，可以清楚看出潜山顶面断裂主要发育北东向和北北东向展布的断层(图1)；同时也发育一些北西向断层。虎北断裂长期持续性活动，为北东向西正断裂，最大垂直断距2 400 m，南边和衡水断裂相接，向北伸入饶阳凹陷中；早期活动断层规模较小走向以北东为主，反映盆地初始裂陷阶段断裂平面特征；中期活动断层多为北西向，部分活动贯穿至基底。中元古代华北陆块内部形成裂陷槽，印支运动以后张裂、断陷解体大规模发生，中生代板块的俯冲碰撞形成南北向俯冲构造，在晚侏罗世晚期—早白垩世形成了北东向和近东西向裂谷系，自新生代开始受到发生明显变化的构造应力场作用，构造运动进入到断陷—坳陷的发展阶段[18]。

(2)断层对裂缝发育的影响。构造是控制储层裂缝发育的重要因素，通过控制不同构造部位的局部应力分布来控制其裂缝发育程度[19-20]。由野外露头观察测量可以发现，无论在断层面还是断层的端部等部位，裂缝在断层的上盘和下盘均十分发育；裂缝的线密度随着距断层距离的增大而明显降低，且呈负指数函数递减的趋势，在断层端部、交叉点、叠覆区、分段生长点等部位裂缝最发育(图5)。这是由于随着断层活动在断裂带附近应力一般会有明显的集中，发生了应力扰动，从而使断裂带附近的裂缝发育明显。另外有研究表明，在更受应力扰动作用的活动盘，即断层上盘，裂缝的发育程度明显大于断层下盘裂缝，断层两侧裂缝发育程度相差较大。

图5 裂缝发育程度与至断层距离关系

3.2 岩性对裂缝发育的影响

大量的岩石力学实验数据表明，影响裂缝发育程度的主控因素之一是岩性，不同类型的岩石，无论是比较其抗压、抗张、抗剪的强度，还是其破裂的程度和方式之间都有很大的差异性[21-23]。从岩石的成分、结构、构造等角度分析，岩性不同的岩石均具有不同的特征，岩石力学性质差异较大，因此在构造应力相同的作用下，裂缝的发育程度不同，例如裂缝在白云岩等含有较高脆性矿物的岩石中发育程度比脆性矿物含量低的岩石裂缝发育程度好。冀中坳陷南部潜山储层主要发育白云岩、灰岩、泥灰岩等，统计裂缝密度发现，在白云岩中裂缝最发育，平均裂缝密度为0.68条/m，其次为灰岩，平均裂缝密度为0.41条/m，在泥灰岩中裂缝发育程度相对较差，平均裂缝密度为0.33条/m。

3.3 风化壳对裂缝及优质储层控制作用

在纵向上潜山油气藏可以划分为风化壳、垂向渗滤带和横向潜流带，裂缝在这三带中的发育特征有所不同。例如地表水较强烈的溶蚀作用发生在潜山顶部的风化壳中，其裂缝多为构造裂缝和风化裂缝，并被褐色铁质物和蒙古土矿物充填，低电阻为电性上的特征。以构造裂缝为主的垂向渗滤带位于风化壳至古潜水面之间，串珠状裂缝溶蚀孔洞发育，由地表水在重力作用下沿高角度裂缝向下快速渗流时发生选择性溶蚀作用而形成，自然伽马能谱测井上明显的特征是低铀带。横向潜流带发育在古潜水面附近，构造裂缝和溶蚀裂缝发育较多，近水平溶蚀裂缝受地下潜水横向流动时发生的非选择性溶蚀作用而形成，在自然伽马能谱测井上以明显的高铀带为特征。根据研究区裂缝和储层质量纵向分布规律统计(图6)，随埋藏深度增加，储层孔隙度呈明显降低趋势，裂缝发育强度也逐渐降低，如H16x井，主要发育Ⅱ级裂缝和Ⅲ级裂缝，无Ⅰ级裂缝带，随着深度增加，Ⅱ级裂缝发育带数量和厚度降低。这主要受2方面因素控制：随着远离断层，裂缝发育程度降低；随着远离不整合面风化淋滤作用减弱，储层物性降低。同时从上述所有储层质量纵向分布图中可以厘定风化壳控制优质储层厚度为50～160 m。

图6 H16x井、H8p2井储层质量纵向分布

4 裂缝分布规律定量预测

裂缝预测方法多样，技术逐渐趋于完善，如应力场数值模拟、聚类分析边缘增强裂缝检测技术、基于叠后地震属性裂缝分布预测法、多尺度边缘检测技术等[24-28]。本文利用分形几何学预测裂缝分布，同一构造应力场背景下形成的断裂、亚地震断层、裂缝、微裂缝以及微裂纹具有相似性[29]。对每条断层的长度进行统计，建立不同断层长度的分形生长模型，在建模过程中，拟合最佳频率线以调整偏差，降低分辨率限制和研究区统计范围的有限性。以上方法可以对不同尺度的裂缝数量和密度进行预测，并可根据断层密度分布对裂缝分布规律进行定量预测(图7)。

图7 孙虎潜山区裂缝分布预测

根据孙虎地区断层参数分布分析，其断层长度—累积频数和断层长度—累积密度分布具有较好的幂律分布特征，可以通过分形几何方法对不同尺度断层/裂缝的数量、长度和密度进行定量预测[30-32]。孙虎地区裂缝方位主要为北东—南西向，裂缝面密度主要分布在2.0～5.0 m/m2，在断层端部、交叉点、叠覆区、分段生长点等部位裂缝发育程度最高。通过对比预测结果与测井裂缝解释结果，二者呈较好正相关关系(图8)，说明预测结果可信度较高。

图8 裂缝预测结果与测井解释结果对比

5 结论

(1)孙虎潜山带碳酸盐岩储层裂缝发育，走向以北东—南西向为主，其中高角度构造裂缝最为常见，裂缝整体受充填程度较弱，即大多为有效裂缝。裂缝大量发育改善储层物性，对潜山油藏形成具有重要意义。

(2)断层、岩性及风化壳等因素对裂缝发育均有影响。构造变形强度越大、断裂发育程度越高的部位裂缝越发育；研究区白云岩中裂缝密度最大，发育程度高；不同类型潜山溶蚀带中裂缝发育特征不同，随埋深增加储层孔隙度降低、裂缝发育强度也降低，并厘定出风化壳控制优质储层厚度为50～160 m。

(3)利用分形几何学原理，分析孙虎潜山带断裂参数分布，通过建立分形生长模型预测不同尺度断层/裂缝的数量、长度和密度，对比分析测井裂缝解释结果，裂缝预测结果可信度较高。