21世纪以来,随着认识深入、理论突破和技术进步,以及世界范围油气勘探开发进程的持续推进,深层、超深层已逐步成为未来油气资源发展的重点新领域,并不断有新发现,从而成为了近来勘探的热点。国外一般将埋深处在4000m以下的油气资源作为深层油气,而我国则按照油气藏的埋藏深度划分为浅层(<2000m)、中深层(2000～3500m)、深层(3500～4500m)和超深层(>4500m)等几个主要类型[1,2,3]。作为我国深层、超深层致密砂岩气的重要产区,塔里木盆地已在库车坳陷的大北、克深、迪那、克拉等气田的白垩系和古近系内实现了勘探突破[4,5]。与常规储层相比,致密砂岩储层表现为成岩作用强烈、低孔低渗、裂缝发育等地质特征,原生孔隙在后期的成岩演化过程中已所剩无几,裂缝成为了油气运移和聚集的主要通道。受晚新生代天山造山带向南的多期推覆挤压,山前褶皱强烈,高陡地层发育,地质构造复杂,地层变化大,膏盐岩层分布广且构造裂缝十分发育,但裂缝的分布规律及样式在不同构造带和气田之间存在很大的差异性,给库车坳陷古近系和白垩系深层致密砂岩裂缝的预测和有效储层的评价带来了难题,从而制约着下一步的勘探开发工作。要解决这个问题,关键是要搞清复杂裂缝系统的形成机理和裂缝参数的有效表征方法,并以此恢复库车坳陷裂缝演化规律,建立不同裂缝发育地质模式。

1、地质概况

库车坳陷发育在天山褶皱带与塔里木板块北缘的结合部,北界为南天山南缘大断裂,南界则为塔北隆起,发育一系列由北向南逆冲的叠瓦状冲断层和近东西向展布的断层相关褶皱[6]。依其褶皱形式及隆凹成带展布特点,自北向南进一步细分为北部单斜带、克拉苏-依奇克里克构造带(简称克依构造带)、拜城凹陷、秋里塔格背斜带和阳霞凹陷五个二级构造单元(图1a)。克依构造带作为山前第二排背斜构造带,呈近东西向展布,是一个油气非常富集的构造带,纵向上由一系列逆冲推覆的断裂控制,平面上具东西分段、南北分带的特征,以克拉苏断裂为界,可划分为北部构造带与南部深层构造带两个次级构造单元,地面构造则有南、北两个背斜带组成,北背斜带从西到东依次由库姆格列木背斜、巴什基奇克背斜和坎亚肯背斜组成。南背斜带从西到东依次由吐孜马扎背斜、喀桑托开背斜、吉迪克背斜组成(图1b)。作为克依构造带的南部深层未出露的地表部分,主要包括两个大型的被动顶板双重构造和由相互叠置的断弯褶皱组成的复合构造,即克拉苏背斜和巴深背斜。秋里塔格构造带整体为一向南凸出的弧形带,分为西秋里塔格和东秋里塔格两个构造带,东秋里塔格带又包括东秋里塔格背斜和东秋深背斜。

大北气田、克深气田均位于克拉苏断层的下盘,断裂主要以叠瓦冲断型为主,未见正断层发育,显示了强烈的推覆挤压构造环境(图2a)。平面上,两者断裂体系展布相似,均以发育平行排列的长条形断片为主,只是大北气田内次级斜交断裂更为发育。该区储层主要为白垩系巴什基奇克组,埋深达5600～7500m,属超深层储层。自上而下进一步划分为3个岩性段:巴一段、巴二段和巴三段,受剥蚀影响,大北气田整体缺失巴一段。按照含油气情况,大北、克深地区砂体厚度大,纵向叠置明显,三个岩性段进一步划分为六个砂层组,即Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ和Ⅵ砂层组。在储层方面,以克深2区块为例,巴什基奇克组岩性主要为细砂岩、粉砂岩和泥岩,属辫状河三角洲及扇三角洲前缘沉积,平均厚度约270m,泥质夹层发育,但厚度薄,岩心实测基质孔隙度为2%～7%,基质渗透率为(0.05～0.50)×10-3μm2,裂缝普遍发育,裂缝渗透率为(1.00～10.00)×10-3μm2,为典型低孔低渗超深层致密砂岩。大北气田巴什基奇克组岩性为褐色中细砂岩、含砾砂岩,钙质含量高,一般为10%左右,属辫状河三角洲及冲积扇—扇三角洲沉积,岩心孔隙度为0.68%～11.21%,渗透率为(0.0002～3.46)×10-3μm2,属于低孔低渗透-特低孔特低渗透裂缝型砂岩。

迪那气田位于天山冲断带前缘的秋里塔格背斜带浅部,属于复合典型的断弯褶皱样式,形成于向盆地内逐渐减弱的挤压作用下,南部边界主断裂兼具走滑特征,褶皱顶部则以低级序正断层为主,北部为主断裂控制下的反向逆冲断裂,活动强度大,控制了背斜的主体隆升(图2b)。主要储层为新近系吉迪克组下段、古近系库姆格列木组(EⅡ)及苏维依组(EⅠ),EⅠ和EⅡ可进一步划分为5个岩性段和3个岩性段,总体上以扇三角洲前缘和扇三角洲平原砂体为主,岩性主要为砂岩、含砾砂岩及粉砂岩,夹层频率高且厚度大,尤其是存在3套区域上稳定的泥岩隔层。储层总体上属于低孔低渗和低孔特低渗储层,非均质性强:EⅠ平均孔隙度分布在5.07%～8.97%,平均渗透率分布在(0.43～1.11)×10-3μm2,EⅡ物性相对较差,平均孔隙度分布在3.15%～4.90%,平均渗透率分布在(0.05～0.09)×10-3μm2。克拉2气田尽管位于克拉苏断裂的上盘,被北部克拉2北断裂和南部的克拉202断裂所夹持,顶部被一系列北西向、东西向的次级断裂切割,使得背斜形态进一步复杂化,常呈现为雁列式和部分正断特征。主力储层为白垩系巴什基奇克组砂岩,其次为白垩系巴西改组及古近系库姆格列木群白云岩、砂砾岩。其中库姆格列木群白云岩段为碳酸盐岩储层,平均孔隙度为11.41%,平均渗透率为1.87×10-3μm2,白垩系巴什基奇克组平均孔隙度平均为12.56%;渗透率平均为49.42×10-3μm2,总体上,属于中孔中渗储层。

图1库车前陆盆地构造单元划分(a)及主要地质剖面特征(b)(图a据文献[3]修改,图b据文献[6]修改)

N3x.下更新统西域组;N2k.上新统库车组;N1k.中新统康村组;N1j.中新统吉迪克组;E.古近系;K.白垩系;J.侏罗系;T.三叠系

2、背斜裂缝分布差异

2.1大北、克深气田裂缝分布特征

大量岩心、FMI统计结果表明,大北气田裂缝走向以近EW向为主,其次为NW-SE向,即与断裂小角度斜交和大角度的一组共轭缝发育。裂缝倾角50°～80°为主,倾角低于30°的裂缝少见,性质以高角度缝和斜交剪切缝为主。裂缝线密度介于1～4.7条/m,平均裂缝线密度为2.1条/m,裂缝张开度为0.1～1mm、1～3mm及大于3mm所占比例分别为74.6%、21.3%和4.1%,裂缝充填率达74.6%,说明大北气田单裂缝参数虽小,但裂缝发育密度大,且多为高角度裂缝,是库车坳陷超深超压条件下仍能形成大型气田的关键因素。平面上大北区块裂缝由北向南逐渐减小,受局部构造影响局部增大,裂缝主要分布于背斜翼部和断层附近等古应力的集中区,核部形态宽缓,裂缝相对不发育,局部区域小断层发育可使核部裂缝密度增大。但核部裂缝多以张性裂缝为主,渗透性较好,翼部裂缝多为剪切缝和网状缝,开度小,渗透性较差,断层上盘裂缝发育且多为高角度张性裂缝,是渗透性最好的部位。

图2库车坳陷不同构造带地震剖面特征

a.克拉苏构造带地震剖面;b.秋里塔格背斜地震剖面

岩心观察和FMI解释结果表明:克深2区块裂缝走向以近NW-SE向为主,其次为近SN向和NE-SW向(图3a)。按照裂缝力学性质,克深2区块发育剪切缝、张剪切缝和张性缝3种裂缝类型,分别占总数量的79.5%,18.7%和1.8%,张剪缝和张性缝所占比例小,主要分布在背斜高点处和泥岩隔层的边界处。纵向上,由浅入深裂缝密度依次增大,在Ⅴ和Ⅵ砂层组内密度分别达到3.03条/m和4.72条/m。从倾角上看,裂缝主要为直立缝(>75°),其次为高角度缝(45°～75°),低角度缝(15°～45°)及水平缝(<15°)不发育(图3b)。直立、雁列式缝多分布于背斜构造高部位,开度相对较大,一般为0.5～1mm,半充填为主,裂缝线密度相对较低一般为1.5条/m,高角度、斜交排列裂缝多分布于背斜翼部,比背斜高部位充填程度低,以半充填、未-半充填为主,开度约为0.5mm,裂缝线密度约为2条/m;背斜构造南部近断裂部位多见网状裂缝,开度约为0.3mm,裂缝线密度相对较高,达到2.23条/m,但多充填严重。越靠近断层,裂缝的发育程度越高,其次为背斜翼部,背斜高点裂缝发育程度相对较低,远端最低(图4a)。

图3库车坳陷克深2气田裂缝识别及分布特征(克深201井)

可见,在大北、克深2地区巴什基奇克组广泛发育的厚层叠置砂体中,裂缝分布规律具有相似性,以发育与断层斜交的共轭剪切缝为主,高角度缝、直立缝为辅,两翼网状缝发育且密度高,开度小,充填程度高,核部直立剪切缝渗透性好,规模大,张性缝密度低,但渗透性好,开度大,由北向南裂缝密度逐渐降低,主要受控于喜马拉雅期天山向盆内的前展式冲断强度逐渐消耗降低有关。

2.2迪那、克拉气田裂缝分布特征

岩心、FMI统计结果表明,迪那裂缝主要为构造缝为主,背斜顶部裂缝走向以NEE-SWW和NE-SW为主,两翼以近SN和NNW-SSW为主,两组均组成共轭缝。以垂直缝(75°～90°)和高角度缝斜交缝(45°～75°)为主,低角度斜交缝少量(图3b)。网状剪切网状缝占裂缝总数量的54.2%,张剪缝占27.7%,张性缝占18.1%,说明迪那背斜的隆升幅度大,超过700m,背斜顶部不仅具有大的曲率值,同时发育张性应力环境,为张性断层和裂缝的发育提供了必要条件。纵向上,由上至下裂缝密度降低趋势不明显,但低值区主要受大套隔层发育的影响。除个别井点外,裂缝线密度总体偏低,大部分低于1条/m,且裂缝密度高值区位于背斜核部,其次是主断裂附近,线密度超过1.5条/m。裂缝开度主要集中在0.2～0.8mm范围内,大于1mm的比例为28%,主要为顶部张性缝,但充填程度高。总体上,裂缝密度背斜顶部高,远端主断裂附近次之,两翼最低,局部断层附近呈高值。尽管克拉2气田相对于大北、克深气田泥质夹层数量和厚度都要小,但裂缝密度为0.142～1.842条/m,平均密度为0.909条/m,明显低于克深和大北气田。而且,克拉2气田的裂缝力学类型主要以剪切缝为主,约占总裂缝的72%,张剪缝约占21%,张性缝最少,仅占7%,且张性缝主要分布在背斜顶部位置。裂缝倾角一般大于70°,以高角度缝为主,低角度缝主要分布在背斜翼部和泥岩隔夹层周围。总体上,裂缝走向主要为NW和NE向,具有明显的共轭关系,主要为库车期近南北向挤压应力环境下背斜顶部派生出的张应力和剪应力共同作用下的构造缝,且两组裂缝与次级断裂的主要走向基本吻合,由此可推断出大部分裂缝具有与断层伴生的关系。

另外,迪那背斜在构造的定型期,即喜马拉雅运动晚期,由于强烈的构造挤压作用和隆升导致形成超压,气田中部地层压力达到106MPa,压力系数超过2.2,进一步促进了背斜顶部大量横张型裂缝的产生。同时,克拉2气田尽管目前压力为73～7MPa,但压力系数为2～2.11,也属于超压气藏,且由于超压的存在而在孔隙中滞留了大量流体,超压带与孔隙发育带有着良好的对应关系。克深、大北气田尽管埋藏深度大,但压力系数仅位于1.7左右,尚未达到超压的状态。

2.3裂缝发育模地质模式

按照褶皱翼间角的几何分类方案[7,8],可将库车坳陷内的褶皱划分为三种基本类型,具体地,迪那背斜为闭合型(30°～70°),克拉背斜为开阔型(70°～120°),大北和克深背斜属于典型平缓型(>120°)。作为构造幅度和翼间角均高于大北、克深背斜但小于迪那背斜的克拉2背斜,具有过渡构造特征,但另一方面,不仅裂缝密度高值区位于背斜顶部,张性、张剪缝也主要发育在背斜顶部,同时还发育大量兼具正断特征的次级断层,因此,认为与迪那背斜同为一种类型。以上构造背景的差异导致了低幅度的大北、克深背斜以发育剪切网状缝为主,背斜顶部少量张性缝,高幅度的迪那背斜和克拉背斜以两翼剪切网状缝和顶部张性缝同等发育为典型特征。由此,认为大北、克深背斜属于典型的顶部冲起型褶皱,迪那、克拉背斜属于典型的顶部地堑型褶皱,两者控制了截然不同的裂缝发育演化史和分布特征(图4)。

从白垩纪晚期以来,库车坳陷受天山隆升的影响,其构造应力场经历了从弱伸展向挤压的逐步转变[9,10,11],挤压方向经历了从NNW-SSE向向NW-SE向的转变[12,13,14]。岩石声发射测试和脆性构造序列指示,库车坳陷下白垩统地层记忆了4次主要构造运动,分别为燕山晚期、喜马拉雅早期、喜马拉雅中期和喜马拉雅晚期的构造运动,而古近系和新近系地层分别记忆了3次和2次主要古构造运动[15,16]。由79块样品的声发射测试结果显示,下白垩统中所经历的4次主要构造运动最大有效古应力值分别为:35.2,59.9,74.8和80.9MPa,古近系经历的3次构造运动古应力值分别为50.2,71.6和85.2MPa,可见,早、中期喜马拉雅运动在白垩系地层中的活动强度要高于古近系,但晚期运动强度则明显低于古近系[15,17]。另外,根据平衡剖面缩短量和断层相关褶皱断层滑移速率计算结果,反映在构造活动由北向南依次扩展的过程中,活动的断层数量逐渐增加,活动的速率和强度递增[12]。

图4库车坳陷断层相关褶皱裂缝发育地质模式

a,a′.克深、大北顶部冲起型褶皱裂缝发育模式;b,b′.迪那、克拉顶部地堑型褶皱裂缝发育模式

库车坳陷内,大北、克深、迪那、克拉背斜也同样经历了区域水平挤压、初始隆升、强烈隆升并最终定型的几个关键阶段,构造活动强度经历了由深部向浅部、由白垩系向古近系迁移的过程。由于前陆冲断带内应力及应变能具有向前、向浅部传递消减的特征[18],深层大北、克深背斜在前第二个发育阶段受到强烈的区域构造应力作用,有利于大规模叠瓦状断层的发育,同时处于深层Ⅲ型应力环境下[18],发育了大量的近直立共轭区域裂缝,主要分布在断层周围和背斜翼部,而此时背斜核部由于隆升幅度小,褶皱曲率小,尚未形成局部伸展应力环境,但已经基本脱离了区域构造环境,因此,仅有少量张性缝的出现(图5a)。相比之下,浅部的迪那、克拉背斜尽管前两个阶段的应力强度低于大北、克深背斜,但在第三阶段,即强烈隆升和定型期构造活动明显变强,导致了背斜顶部的明显局部伸展应力场的出现,从而控制形成了一系列次级正断层及派生、派生张性缝的大量发育(图4b)。

基于岩石力学理论、能量守恒理论,致密储层岩石存储的可释放应变能存在一定上限,应变能密度与破裂体密度存在正相关性[19],不论是断层还是裂缝都是应变能释放的结果。大北、克深背斜深埋藏深、主应力值高、围压大、脆性强、可释放应变能高,而迪那、克拉背斜埋藏相对浅、应力值相对低、围压相对小、脆性相对低、可释放应变能相对低,最终导致大北、克深地区断裂密度低但裂缝密度高,而迪那、克拉地区断裂密度高但裂缝密度低。

3、断层相关褶皱演化下的裂缝发育规律

由上可知,库车坳陷内褶皱既可以划分为断展褶皱和断弯褶皱两种基本类型,又可以划分为闭合型和开阔型两种,还可以划分为顶部冲起型和顶部地堑型。不同的褶皱类型有着不同的裂缝发育模式,但这些构造裂缝都是多期构造运动或应力场叠加的结果,不仅受控于断层造成的局部应力场,也受控于褶皱的隆升和地层的力学性质,仅从单一构造运动或单一地质因素角度很难对裂缝的成因机制进行很好地解释。为了直观表征库车坳陷致密砂岩储层的断层相关褶皱演化过程,及对裂缝的控制作用,选择库车河露头剖面为主线,进行构造演化正演恢复,并以裂缝参数地质力学模型为桥梁,定量预测裂缝发育和分布特征,最终建立断层相关褶皱演化下的裂缝演化模式。由北向南,该剖面穿过北部单斜带、巴什基奇克背斜、喀桑托开背斜、拜城凹陷和秋里塔格背斜等主要构造单元,尽管北部单斜带及以北地区缺少地震资料约束,其解释方案主要以野外露头为参考,以断层相关褶皱理论图谱推断出深部构造形态[6,20],从而结合轴面、生长地层和不整合分析,恢复了各个背斜的活动起始时间以及数条断层的变形位移量(图1b)。库车断褶带的变形开始时间可以追溯到渐新世,随后依次经历了中新世-更新世的多期变形,其中渐新世的构造变形仅局限于北部山前地区,其中南部克拉苏背斜的形成时间则为中新世,而汪新等[21]根据对磁性地层和生长地层的数据分析,认为秋里塔格背斜的形成时间可追溯到上新世(5.2±0.2Ma)。根据断层位移量和褶皱隆升幅度大小,将演化过程划分为6个阶段,分别对应燕山晚期和喜马拉雅三期构造运动。最终,以3DMOVE软件为模拟平台,以断层相关褶皱理论为指导,定量模拟了库车河剖面的变形过程。

3.1力学模型建立

基于二维地震资料和野外露头建立的库车河地质剖面,依托Ansys15.0有限元平台,建立了二维构造地质模型,下更新统西域组、上新统库车组及第四系与下覆地层具有明显的不整合特征,而且压实程度低,泥质含量高,既非库车坳陷内的储层,也非有效盖层,因此进行了忽略,上覆地层产生的重力由软件按照厚度和密度值自行计算加载到模型中(参考图6中地表线)。考虑到不同岩性岩相的影响,垂向上划分为前三叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和新近系等多套地层,其中目的层为白垩系和古近系致密砂岩储层。断层模型包括主断层和次级断层共8条(图5),为了尽量体现断层作为位移滑脱面的动态效应以及对裂缝发育的影响,断层面的摩擦系数赋值为0.25[22]。依据三轴岩石力学测试结果,对测定的岩石密度、弹性模量、泊松比、剪切模量和屈服强度等参数做平均处理,最终确定了研究区各单元体的岩石力学参数(表1)。由于断层带岩石力学参数很难直接测量,通常做法是将断层及其周围的岩石单元统一作为断层带处理,将其弹性模量和密度值降低为地层的60%～70%,从而泊松比则按胡克定律计算得到[23,24]。最终,将相应的岩石力学参数赋予到有限元地质模型中,并采用最符合储层岩石力学特性的Solid45单元对地质模型进行网格划分,共划分出83876个节点和54606个单元(图4)。由于古应力值不易通过测试直接获得,在这里采用“等效古应力”这一概念,以单井裂缝参数为约束,结合地应力与储层裂缝参数之间的关系,通过不断地反演、拟合来逼近真实值。最终,在前人研究的基础上[14,15,16,17],经过反复尝试,确定了燕山晚期和喜马拉雅三期古构造应力的值,分别为:210,330,440,500MPa。同时为了保证力学平衡,模型的底部作为断层下盘固定不动,南侧即前端固定,北侧边界施加来自天山的挤压应力(图5)。

图5库车河地区构造地质及有限元模型

表1库车坳陷不同地层单元岩石力学参数

3.2地应力与裂缝参数的定量关系

为了定量表征裂缝的发育程度,根据弹性力学有关理论及能量守恒原理,建立了三轴挤压应力状态下地应力与裂缝参数的定量关系[25]。

{Dvf=[σ12+σ22+σ32-2μ(σ1+σ2+σ3)-  σd2+2μ(σ2+σ3)σd]/(2EJ)Dlf=2DvfL1L3sinθcosθ-L1sinθ-L3cosθL12sin2θ+L32cos2θ         (1)

当θ≠0时,则Dvf≠Dlf,有

(σ3L1sinθ+σ3L3cosθ)b2+[(L1sinθ+L3cosθ)J0+(|ε3|-|ε0|)(L12sin2θ+L32cos2θ)σ3-2wfL1L3sinθcosθ]b+(|ε3|-|ε0|)×(L12sin2θ+L32cos2θ)J0=0         (2)

当θ=0时,则Dvf=Dlf,有

(|ε3|-|ε0|)σ3b+(|ε3|-|ε0|)J0=wfb         (3)

式中:θ为裂缝破裂角,(°);Dvf为裂缝体积密度,m2/m3;Dlf为裂缝真实线密度,条/m;L1,L2,L3为沿主应力方向σ1,σ2,σ3的单元体长度,m;b为古应力场裂缝开度,m;J0为裂缝表面能,J/m2,wf为裂缝应变能密度,J/m3;|ε0|为最大弹性张应变,|ε3|为最小主应变。

将各参数代入,并根据古应力计算结果,即可求出古开度b,将b反代入上面公式进一步求出Dvf和Dlf。

3.3古应力场及裂缝发育演化

基于弹塑性有限元法对不同阶段的构造应力场进行了数值模拟,模拟结果显示:1)晚燕山期,库车坳陷处在由伸展向挤压过渡的时期,早期正断层开始反转,台阶状逆断层F2的初始迹面开始形成,但背斜尚未发育,最大主应力高值区主要位于三叠系、白垩系和古近系内的初始断层拐弯处(图6),总体上,深部应力强度(应力差)大于浅部地层,初始断层尚已经对区域应力场造成了影响;2)喜马拉雅运动早期,控制巴什基奇克背斜和巴深背斜的F1和F2断层开始发育,且断层F2的位移量约为1.2km,模型的构造缩短量为1.2km,此阶段受断层活动的影响应力强度高值区开始向浅部和山前方向转移,断层带内及断层转折处应力出现低值,说明断层形成后加剧了应力和能量的释放,而初始开始发育的背斜应力场较前阶段发生了一定程度的改变;3)喜马拉雅运动中期,随着天山挤压强度的增大,断层F1的位移量约为6.4km,断层F2的位移量约为5.4km,模型缩短量达到13km,从而导致巴什基奇克背斜的继续抬升和喀桑托开背斜的迅速隆升,巴深背斜和克拉苏背斜也初具规模,并导致了南北应力场的明显差异,背斜南部或向盆地方向应力值逐渐变得均匀,而山前地区应力强度明显高于盆内,且应力方向也受到背斜的明显影响;4)喜马拉雅运动晚期,随着天山挤压强度达到顶峰,应力持续向盆内传递,中北部褶皱继续发育抬升,同时秋里塔格背斜和秋里塔格深背斜迅速隆升至目前幅度,此时断层F3的位移量约为14km,模型缩短量达到了34km,此时强力强度高值区迁移到浅部地层的背斜核部和山前地区,应力受断层和褶皱的联合控制作用,方向变化明显。综上所述,早期和中期阶段断层是影响和改变区域应力状态的关键因素,中期和晚期阶段褶皱是应力状态改变的主要因素,同时受到的断层的影响(图6)。

基于古应力场模拟结果,采用上面建立的裂缝与应力-应变关系力学模型,同时结合库伦-摩尔剪切破裂准则和格里菲斯张性破裂准则可计算得到不同时期产生的裂缝的线密度和力学性质分布特征。从裂缝模拟结果看,晚燕山期构造活动较弱,受到大规模F2断层初始迹面的影响,断层上盘的侏罗系、白垩系和古近系地层内发育少量剪切裂缝,线密度普遍小于1.6条/m,在断层前缘的古近系内零星发育密度低于1.2条/m的裂缝,而在断层下盘裂缝密度值更低,大部分小于0.1条/m,但在靠近基底的三叠系平面上内存在一稳定的裂缝发育区,这主要是由于此阶段最大主应力值由深向浅逐渐降低的原因;喜马拉雅运动早期,随着天山挤压活动的增强,裂缝的分布趋势与晚燕山期基本相似,由于此阶段巴什基奇克背斜和喀桑托开背斜受控于F2断层,已经开始形成雏形,但裂缝的发育仍然首先受控于断层的活动,尤其是在两个背斜中间的断层台阶处,即白垩系地层内裂缝密度达到2条/m以上,而且山前的喀桑托开背斜顶部裂缝密度也达到了1条/m以上(图7a),说明此阶段内裂缝主要受控于断层活动,前缘背斜裂缝密度低于山前背斜,而且裂缝类型仍为剪切构造缝(图7b)。进入喜马拉雅运动中期阶段后,随着构造应力强度的增加以及F1断层的再次强烈活动,巴什基奇克背斜以断展褶皱形式迅速抬升并在背斜前缘形成突破断层,这是裂缝密度高值区主要位于背斜内部和断层附近,达到5条/m以上,不过背斜内的裂缝主要发育在白垩系和古近系地层内,而新近系地层内裂缝明显不发育,只在背斜的南翼出现了明显的张性缝。随着F2断层的进一步活动,喀桑托开背斜也强烈隆升,且深部的巴深背斜和克拉苏背斜也初具规模,但总体裂缝密度值向盆内依次降低,这主要与前陆冲断带内前展式构造发育序列和向前缘依次减小的背斜幅度有关。同时在背斜带的前缘白垩系和古近系水平地层内出现了较为连续的裂缝发育区,正好位于吉迪克组内水平断层的周围,密度达到了1.5条/m,相对前几个阶段,裂缝发育区明显逐步向盆内扩展,从另一方面也说明了构造应力强度是控制裂缝发育程度的最重要因素。进入喜马拉雅运动晚期阶段,随着F3断层的长距离大规模活动,不仅控制了深部克深背斜的快速形成并定型,同时在盆地前缘的深部也形成一系列叠瓦冲断层和台阶状断层控制形成了库车塔乌背斜和秋里塔格深背斜的形成,在冲断带的前缘由于受到盆地内巨厚沉积地层的阻挡,形成反冲断裂控制了浅部的秋里塔格背斜快速隆起。此种构造环境下,裂缝开始在库车坳陷内大面积发育,克深背斜、克拉苏背斜以及巴深背斜内的裂缝密度明显变大,尤其是克深背斜内裂缝密度达到了9条/m以上,明显高于克拉苏背斜和秋里塔格深背斜。对比发现,构造幅度较低的克深背斜和库车塔乌背斜翼部裂缝密度明显高于核部,构造幅度相对大的巴什基奇克背斜和喀桑托开背斜裂缝发育区主要位于翼部和核部位置,而构造幅度最大的秋里塔格背斜背斜核部裂缝最为发育,密度值超过了11条/m。由图8b看出,此阶段内的张性缝明显增多,主要位于浅部的高幅度背斜顶部,也可以说位于背斜较陡的一侧顶部。综上所述,库车河剖面中裂缝的发育和分布特征与前面统计结果十分相似,即受区域应力场作用,水平地层中以发育高角度共轭剪切缝为主,但密度很低,断裂和褶皱的出现改变了区域应力场的分布,从而导致局部裂缝的发育,且断裂和褶皱作为特殊构造在区域挤压应力向前传递的过程中具有分割作用。随着构造活动的增强和断层、褶皱的持续发育,裂缝首先受控于区域应力场和大规模断层,当背斜隆升至一定幅度后,褶皱则成为控制裂缝发育和分布的首要因素,当背斜强烈隆升并最终定型后,裂缝便同时受控于褶皱核顶部局部应力场的改变以及次级张性断层的活动。

图6库车河地区南北向剖面应力差及最大主应力方向分布特征

图7库车河地区南北向剖面裂缝密度分布及力学特征

图8库车坳陷断层相关褶皱地质模型及裂缝模拟结果

a.断层位移40m;b.断层位移170m;c.断层位移320m;d.断层位移650m;e.断层位移840m;f.断层位移1020m

3.4断层相关褶皱裂缝发育主控因素

在构造类型上,迪那背斜属于断弯褶皱类型,而克拉背斜、大北背斜和克深背斜属于断展褶皱,为了进一步量化断层相关褶皱演化过程中断层、褶皱及岩性对裂缝发育的影响和控制作用,这里选取褶皱幅度大、经历演化阶段多的迪那、克拉背斜古近系地层为例建立了综合型的断层相关褶皱地质模型。在地质模型建立的基础上,将断层面设置为力学滑脱面,以前面库车河二维模型的力学边界条件为约束,采用弹塑性有限元模拟方法,结合岩石复合破裂准则进行了不同构造演化阶段的应力场模拟和裂缝定量预测,同时提取了裂缝密度、倾角等参数(图8)。由模拟结果可以看出,在断层活动的初始阶段,由于摩擦作用,在断层的下盘和尖端处,裂缝相对发育,而此时褶皱幅度仅有25m,尚未形成局部应力场,因此裂缝很不发育(图8);随着断层位移的增加,褶皱开始隆升,幅度达到了120m,裂缝发育区逐渐向断层上盘或褶皱核部迁移,但褶皱顶部裂缝仍不发育,总体上裂缝密度由山前向盆地内逐渐降低;随着断层的继续活动,当褶皱幅度达到235m时,褶皱顶部的砂岩地层内裂缝开始发育,尤其当达到385m后,裂缝密度值在褶皱顶部地层内已经达到了0.3条/m,而且此时,裂缝发育区主要位于断层周围及褶皱顶部和中部的砂岩地层内,结合应力、应变分布特征,发现褶皱紧邻中和面之上的砂岩层内一直是裂缝最为发育的位置,且随着褶皱的隆升或中和面的上移,裂缝密度高值区也逐渐有深部向浅部迁移;但褶皱不断隆升并发展到定型阶段(褶皱幅度为720m)时,尽管裂缝密度低于处于强烈隆升阶段(幅度为520m)的褶皱裂缝密度,但裂缝的垂向连通性明显变好,即裂缝穿透了泥岩层,且裂缝发育区明显转移到了褶皱的核部和后翼浅部地区。这主要是由于在褶皱的定型阶段受到前缘盆地内地层的阻挡,应力强度高值区逐渐向山前和褶皱后翼迁移、集中,从而导致后翼裂缝较前翼更为发育。

对一系列有限元模拟结果进行数据统计,发现以迪那背斜为代表的断层相关褶皱内裂缝的发育和分布除了与岩性和中和面直接相关外,还明显受控于褶皱隆升幅度、与断层面距离和断层滑动位移等因素(图9)。由图9a可以看出,随着褶皱隆升幅度的不断增加,裂缝密度总体呈现增大趋势,但当褶皱幅度大约超过450m之后,裂缝密度值又逐渐变得平稳甚至有降低趋势,即当幅度位于410～450m范围内时,裂缝密度值最大,这正是大北、克深背斜的幅度低于克拉和迪那背斜幅度,但裂缝仍然非常发育的原因。由图9b可以看出,剔除数据异常点后,离断层面距离与裂缝密度呈一定的幂指数关系,相关性达到了0.775;且随着离断层面距离的增大,裂缝密度值逐渐降低,大约距离值超过65m后,裂缝密度变得稳定,可以认为一般断层对裂缝的最大控制有效距离为65m左右。随着断层活动的持续或断层位移的变大,裂缝密度值逐渐升高,且整个断层相关褶皱内裂缝密度最高值一般位于上部地层内或中和面之上区域,但当断层位移大约超过630m后,上部和下部地层内的裂缝密度值又变得相近(图9c)。由图9d可以看出,裂缝的倾角变化与褶皱隆升幅度有直接关系,如浅部的苏维依组(EⅠ)内裂缝倾角随着褶皱隆升幅度的增加近乎呈直线增大,而深部的库姆格列木群(EⅡ)内的裂缝倾角随着褶皱幅度的增加先升高后降低,这与断层相关褶皱演化过程中的中和面不断向上迁移、中低角度剪切缝向上逐渐增多直接相关。褶皱浅部地层内由于局部伸展应力场范围的逐渐扩大,高角度的张性缝变得更为发育。综上所述,不管是多断层相关褶皱还是单一断层相关褶皱的构造演化模式下,裂缝的定量模拟或预测结果都与实际裂缝测量结果和地质发育模式有很好的吻合性。

图9库车坳陷断层相关褶皱与裂缝发育关系统计结果(EⅠ为古近系苏维依组,EⅡ为古近系库姆格列木群)

a.褶皱隆升幅度与裂缝密度关系;b.离断层面距离与裂缝密度关系;c.主断层滑动距离与裂缝密度关系;d.褶皱隆升幅度与裂缝倾角关系

4、结论

1)针对库车坳陷内不同背斜裂缝分布的差异性,从构造特征、储层特征、物性特征和单井裂缝统计入手,分析了裂缝的空间分布特征,总结了裂缝发育的主控因素,认为背斜翼间角大、埋藏深度大、储层压实强烈的克深、大北气田内断层数量少、裂缝密度高,且背斜翼部裂缝密度明显高于核部,而背斜翼间角相对小、埋藏深度相对小、储层压实相对差的迪那、克拉气田内断层数量多、裂缝密度低,且背斜核部裂缝密度明显高于翼部。

2)库车河野外剖面有限元数值模拟结果表明,在各断层相关褶皱的演化过程,随着构造活动的增强和断层、褶皱的持续发育,构造裂缝首先受控于区域应力场和大规模断层,当背斜隆升至一定幅度后,褶皱则成为控制裂缝发育和分布的首要因素,当背斜强烈隆升并最终定型后,裂缝便同时受控于褶皱核顶部局部应力场的改变以及次级张性断层的活动。同时,单一断层相关褶皱的构造演化历程及裂缝模拟结果表明,构造裂缝的发育和分布除了与岩性和中和面直接相关外,还明显受控于褶皱隆升幅度、与断层面距离和断层滑动位移等因素,尤其当褶皱隆升幅度位于410～450m范围内时,裂缝密度值最大,这与大北、克深背斜的裂缝发育模式十分吻合。

3)通过“动、静分析”建立了库车坳陷断层相关褶皱区共生裂缝系统演化地质模式,如克深-大北气田为典型的顶部冲起型褶皱共生裂缝模式,迪那-克拉气田为典型的顶部地堑型共生裂缝模式,以期为库车坳陷山前冲断带的高效勘探部署和老油气田综合治理提供有效理论指导。

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基金:国家自然科学基金面上项目(41572124);中央高校基本科研业务费专项资金项目(17CX05010);国家科技重大专项(2016ZX05047-003,2016ZX05014002-006).