地质力学学报  2018, Vol. 24 Issue (5): 607-616
引用本文
张丽辰, 吴孔友, 何文军, 陈洪, 郑孟林, 贾西玉. 准噶尔盆地北三台凸起断裂结构特征及成岩封闭作用[J]. 地质力学学报, 2018, 24(5): 607-616.
ZHANG Lichen, WU Kongyou, HE Wenjun, CHEN Hong, ZHENG Menglin, JIA Xiyu. STRUCTURAL CHARACTERISTICS AND DIAGENETIC SEALING OF FAULTS IN THE BEISANTAI SWELL, JUNGGAR BASIN[J]. Journal of Geomechanics, 2018, 24(5): 607-616.
准噶尔盆地北三台凸起断裂结构特征及成岩封闭作用
张丽辰1 , 吴孔友1 , 何文军2 , 陈洪2 , 郑孟林2 , 贾西玉2     
1. 中国石油大学地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580;
2. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院, 新疆 克拉玛依 834000
摘要:断层具有复杂的内部结构,可划分为滑动破碎带和诱导裂缝带两个结构单元。断裂带内部成岩作用普遍发育,其中,胶结作用是断裂两侧诱导裂缝带中较常见的成岩作用,影响着断裂的垂向封闭性。利用地震、测井、岩心等资料定量化的对准噶尔盆地北三台凸起主要断裂进行结构划分,利用岩心、镜下薄片观察的方法研究断裂带成岩胶结作用。研究发现:断裂带成岩胶结作用显著,胶结物以方解石为主,还发现有粘土矿物、沸石、石英等胶结裂缝。大型主控断裂裂缝充填程度相比派生断裂高,胶结程度致密,对油气的封堵性能更强。通过镜下鉴定及流体包裹体均一温度测定发现:北三台凸起断裂带至少经历了3期大规模流体活动,多期的流体作用导致该区断裂的成岩封闭。
关键词断裂带结构    胶结作用    流体活动    北三台凸起    准噶尔盆地    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2018.24.05.061     文章编号:1006-6616(2018)05-0607-10
STRUCTURAL CHARACTERISTICS AND DIAGENETIC SEALING OF FAULTS IN THE BEISANTAI SWELL, JUNGGAR BASIN
ZHANG Lichen1 , WU Kongyou1 , HE Wenjun2 , CHEN Hong2 , ZHENG Menglin2 , JIA Xiyu2     
1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;
2. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay 834000, Xinjiang, China
Abstract: A fault has a complex internal structure, which can be divided into slip damage zone and induced fracture zone. The internal diagenesis of the fault zone is widely developed, and the cementation is the most important diagenesis in the induced fracture zone on both sides of the fault, which plays an important role in the vertical sealing of the fault. The structure of the main faults in the Beisantai swell is divided quantitatively by using seismic, logging and core information, and diagenetic cementation of fault zone is studied through core observation and microscope observation of thin section. The results show that the cementation of fault zone is obvious and there are various types of cement, mainly calcite; clay minerals, zeolite, quartz and other cement are also found in fractures. Compared with the derived faults, the fracture filling and cementation of large main faults are more intense, and the sealing performance of the oil and gas is stronger. The identification under microscope and the uniform temperature test of fluid inclusion suggest that there were at least three periods of great fluid activities in the Beisantai swell, and the multiple fluid activities lead to the diagenetic sealing of the faults in this area.
Key words: fault zone structure    cementation    fluid activity    the Beisantai swell    Junggar Basin    

岩心及野外观察均表明,无论是什么性质的断层,在形成与活动过程中,断层两盘地层岩石均发生破裂并填充在断层错动拉开的空间中,使断层两盘以“带”接触[1]。但多数学者都将断层看成一个“面”来研究,忽略了断层空间、时间结构特征[2],实际上,断层形成是个渐进的过程,由错动带至两侧原岩,应力释放程度逐渐递减,岩石碎裂化程度及裂缝发育情况渐变,具有明显的内部结构特征[3~5]。一些学者[4~6]将此断层三维空间结构称为断裂带并划分为滑动破碎带与诱导裂缝带两个结构单元。由于断裂受构造应力影响巨大且断裂内部地下流体活动频繁,因此断裂带内的成岩作用显著。断裂带成岩作用与储层成岩作用相似,可分为压实作用、胶结作用、溶蚀作用几个研究方面。断裂形成过程中,依靠“地震泵”抽吸作用将地壳深部富含矿物质的地下流体沿断裂低压带抽吸到地表浅层,在流体流动过程中,由于物理、化学等条件的变化产生水岩反应或是自身矿物达到饱和状态发生沉淀,从而形成次生矿物,造成断裂带裂缝被充填,从而导致渗透率降低[5]。胶结作用是造成断层封闭的主要因素之一[7~9]。由于学者们对研究区北三台凸起断裂带成岩胶结作用的研究较少,因此研究该区断裂带结构及成岩胶结作用对指导油气勘探具有重要意义。

1 地质背景

准噶尔盆地是新疆北部的大型含油气盆地,整体呈三角形,位于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块及塔里木板块的交汇部位[10~11],三面被古生代缝合线包围,面积约13×104 km2[12~13]。研究区北三台凸起位于准噶尔盆地南缘,中央坳陷区与东部隆起区之间,东邻吉木萨尔凹陷,西接阜康凹陷东斜坡(见图 1)。该区南部紧邻博格达造山带, 其形成及演化与造山带的多期隆升密切相关。塔里木板块与准噶尔地块在晚石炭世末期发生碰撞挤压,导致东博格达裂谷带闭合[14],早二叠世末期,随着博格达山造山作用的开始,作为南缘前陆盆地系统前隆带的北三台凸起逐渐开始发育;进入三叠纪之后,印支—燕山运动早期成为北三台地区主要的构造运动时期;中晚燕山期,博格达山前凹陷转化成增生楔向北逆冲,构造载荷增大,导致北三台凸起强烈隆升并最终定型[15]。该区发育多条大型断层,如北三台北断层、西地断层等。由于受博格达山隆升的影响, 这些断裂长期活动, 不仅控制了该区的构造格局, 而且控制了地层的发育和岩相的展布;总体构造特征可概括为一核、二坡、三鼻、四断和多条环形地层尖灭线[15~16]。北三台凸起三面邻凹, 由于长期持续隆升, 经历多期构造运动,因此地层剥蚀明显,凸起顶部地层削蚀殆尽,白垩系地层直接覆盖于石炭系地层之上,油气聚集和保存条件十分复杂[17~18]

图 1 研究区位置图 Figure 1 Location of the study area
2 断层发育特征

研究区断层发育广泛,主要包括西地断层、西泉断层、北三台北断层等一、二级断层以及派生断层如北32井断层、北28井断层等,断层性质以逆冲断层和走滑断层为主。平面上,主控断层如北三台北断层、西泉断层等整体沿东西走向呈平行状分布(见图 2)。北三台凸起南翼(西泉鼻凸)发育多条规模相对较小走滑断层,西泉断层向东与北西—南东向西地断层交汇(见图 2)。由于研究区位于博格达造山带北部,经历多期构造运动的改造,断层发育演化十分复杂,海西期在博格达造山带不断向前推覆挤压的背景下,研究区逆冲断层广泛发育,印支期受到区域东西向挤压应力,西泉断层等一系列逆冲断层发生走滑改造。燕山期为强烈造山期,早期基底拱升促使中生界内正断层广泛发育,晚期剪切作用导致深浅断层彼此联合,形成了研究区深、浅两套断层体系。

图 2 北三台凸起断层平面分布图 Figure 2 The planar distribution and structural characteristics of faults in the Beisantai swell
3 断裂带内部结构特征 3.1 断裂带结构定量判识方法

目前关于断裂带内部结构的研究方法主要为野外踏勘、岩心观察、测井资料分析等。学者们多利用测井曲线响应特征对断裂带不同结构单元进行划分,但这种划分方法更多的集中在定性描述上,证据仍不够充分。研究中综合利用地震、测井、岩心等多方面资料,引入测井曲线识别裂缝的方法,计算裂缝敏感性参数如深浅电阻率差比RTC、次生孔隙度变化值P2、曲线变化率ΔX、井径增大率CALd等,拟合断裂带结构综合判别参数CWP,定量化的对北三台凸起地区发育的大型断裂内部结构进行划分[19],最大化的提取了测井曲线反映的信息。具体计算公式及所表达的意义如下:

$ {R_{{\rm{TC}}}} = \frac{{{R_{\rm{D}}} - {R_{\rm{S}}}}}{{{R_{\rm{D}}}}} $ (1)

其中,RTC为深浅电阻率差比,RD为深侧向测井值或深电阻率测井值,RS为浅侧向测井值或浅电阻率测井值。一般来说,当地层没有裂缝发育且无径向电阻率变化时,深浅侧向或电阻率应该是重合的[20]。而当裂缝存在时,深浅侧向或电阻率则通常出现差异性,这是由于两条曲线的探测的深度不同,当裂缝存在时,测井泥浆会侵入钻井中远处的地层,从而导致曲线差异的形成。当裂缝为高角度裂缝时,深浅侧向或电阻率的差值一般呈正差异,而当裂缝为低角度裂缝时,则出现负差异[20~21]。在断裂带结构上,由于滑动破碎带内部裂缝不发育,通常在深浅电阻率差比上表现为较为稳定且无差值,而诱导裂缝带通常发育有大量裂缝,因此则会出现较大的差值。

$ {P_2} = \frac{{\left| {{\varphi _t} - {\varphi _{\rm{s}}}} \right|}}{{{\varphi _t}}} $ (2)
$ {\varphi _t} = \sqrt {\frac{{\varphi _{\rm{D}}^2 + \varphi _{\rm{N}}^2}}{2}} $ (3)

公式中,P2为次生孔隙度变化值,φtφN

$ CA{L_{\rm{d}}} = \frac{{CAL - CA{L_{\rm{j}}}}}{{CA{L_{\rm{j}}}}} $ (4)

式中,CALd为井径增大率,CAL为钻头直径,CALj为实测井径。井径增大率是与钻头直径相关的一个参数,诱导裂缝带内裂缝较为发育且更容易破碎导致井壁垮塌,所以就会导致井径出现明显的增大,而滑动破碎带裂缝发育较少,不易垮塌,所以通常在井径增大率上表现为稳定且较小。

选取对裂缝敏感的曲线声波时差(AC)、补偿中子(CNL)及密度(DEN)进行曲线变化率计算,计算公式为:

$ \mathit{\Delta }{X_i} = \left( {\left| {{X_{i - 1}} - {X_i}} \right| + \left| {{X_{i + 1}} - {X_i}} \right|} \right)/{X_i} $ (5)

其中,Xi为当前深度点的测井曲线值,Xi-1Xi+1为当前深度点邻近的两点的测井曲线值。由于声波、中子、密度等曲线通常对裂缝较为敏感,因此,曲线变化率可以反映裂缝的发育情况,诱导裂缝带多裂缝发育,对应曲线变化率大,而滑动破碎带裂缝发育少,因此对应曲线稳定波动小。由于单一参数可能会受到多种因素的影响,而导致判断失误,因此,研究中通过构建断裂带内部结构综合判别参数CWP,综合多种参数对曲线信号放大,从而做到准确的对断裂带内部结构进行判断。在对各参数进行归一化计算的基础上,对CWP进行构建,其公式如下:

$ \begin{array}{l} CWP = \left[ {F\left( {\mathit{\Delta }AC} \right) + F\left( {\mathit{\Delta }CNL} \right){\rm{ + }}F\left( {\mathit{\Delta }DEN} \right) + } \right.\\ \left. {\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;F\left( {{R_{{\rm{TC}}}}} \right) + F\left( {\mathit{\Delta }CA{L_{\rm{d}}}} \right) + F\left( {{P_2}} \right)} \right]/6 \end{array} $ (6)

其中,F为相对各种曲线的函数,满足以下条件:

$ F\left( X \right) = \left\{ \begin{array}{l} \;\;0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;x < a\\ F\left( x \right), \;\;\;a \le x \le b\\ \;\;0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;x > b \end{array} \right. $

式中,ab为异常临界值,且有ab。一般来说,滑动破碎带CWP较小且稳定,而诱导裂缝带CWP较大并且会出现波动、跳跃的情况。

在此基础上总结各种参数在断裂带结构划分中的判别标准如表 1所示

表 1 断裂带结构单元测井曲线识别判别标准表 Table 1 Well logging curve identification criterion of fault zone structure unit
3.2 北三台凸起断裂带结构特征

西泉断层、西地断层均为研究区内的大型主控断裂,平面延伸距离超过40 km, 其中西地断层为典型的逆冲断层,而西泉断层由于受到后期构造运动的改造具有走滑性质。通过对过井地震剖面解释(见图 2),可以看出这两条断层都呈现出明显的“带”状结构,划分为中间的滑动破碎带和两侧的诱导裂缝带。地震剖面上,在断层发育范围内,地震同相轴都呈现出明显杂乱反射现象,为一条明显的破碎带。

利用测井资料,定量化的对断层进行内部结构划分,也进一步反映了研究区主干断层具有明显的断裂带内部结构。利用测井资料对钻遇西泉断层的西泉2井进行的断裂带结构综合划分,测井曲线定量计算结果表明(见图 3),滑动破碎带厚度约21 m,上、下盘诱导裂缝带厚度分别为58 m和44 m。在测井曲线标志上,滑动破碎带RTC较小且十分稳定,暗示裂缝不发育或仅有少量水平裂缝,而诱导裂缝带RTC数值偏大,尤其是下盘诱导裂缝带,正异常明显,显示了裂缝较为发育。滑动破碎带的ΔACΔDENΔCNLCALd均表现的较为稳定或有轻微波动,而在诱导裂缝带则呈现明显的波动、跳跃。P2CWP在滑动破碎带和诱导裂缝带表现也有较大差异,滑动破碎带数值较小,而诱导裂缝带明显增大。钻遇断裂并取心井的岩心观察也表明断裂带内部不同结构间具有明显的差异性:滑动破碎带内岩石破碎现象十分明显,呈细小碎块状;而诱导裂缝带内裂缝明显发育且被脉体充填,原岩特征未发生改变(见图 3)。

图 3 西泉2井断裂带内部结构测井曲线综合判别图 Figure 3 Comprehensive discrimination of the internal structure of fault in well Xiquan 2
3.3 北三台凸起主要断裂带内部结构发育规律

研究中选取钻遇北三台北断层的北69井、北12井、北42井,钻遇西泉断层的西泉2井、西泉7井,钻遇西地断层的北7井、北22井及钻遇北32井断层的北32井共8口取心井,利用“井—震—心”相结合的方法,进行详细的断裂带内部结构划分,并利用断面倾角将视宽度换算为真宽度。通过统计研究,该区主要断层内部结构发育具有以下规律:

(1) 滑动破碎带的宽度与诱导裂缝带的宽度具有幂指数关系

通过对研究区主要断裂滑动破碎带及诱导裂缝带宽度的统计,发现两者之间存在着良好的幂指数关系(见图 4a),即滑动破碎带的宽度越大,相应的诱导裂缝带的宽度也越大。这一关系的建立对于预测资料匮乏区断裂带内部结构具有很强的适用性。

a—滑动破碎带与诱导裂缝带关系;b—断裂带内部结构各部分占比;c—断距与断裂带宽度关系 图 4 断裂带内部结构发育规律 Figure 4 The internal structure development regulation of the fault zone

此外,还对滑动破碎带、上盘诱导裂缝带及下盘诱导裂缝带在断裂带中所占的比例进行了计算,并利用三角图对三者之间的关系进行了比较(见图 4b),结果表明,诱导裂缝带在断层中占主体地位,诱导裂缝带的宽度可占到整个断裂的80%~90%,而上盘诱导裂缝带在断裂带中所占的比例往往比下盘诱导裂缝带大,占到50%以上,这是由于诱导裂缝带的发育与主动盘密切相关,研究区发育的断层基本为大规模逆冲断层,上盘作为主动盘,在断层活动过程中受到了更大的作用力。

(2) 断距与断裂带宽度具有幂指数关系

在断裂带内部结构定量研究的基础上,对断裂的断距与断裂带宽度之间的关系进行了研究。统计结果表明,断距与断裂带宽度之间也存在有明显的幂指数关系,随着断距的增大,断裂带的宽度也随之增大(见图 4c)。

4 断裂带成岩封闭作用

相对于断裂带成岩作用的胶结作用和溶蚀作用而言,滑动破碎带内压实作用强烈,泥质充填与流体胶结都造成核心部位岩性异常致密,对断裂横向封闭性影响较大。胶结作用与溶蚀作用则是发生在断裂两侧诱导裂缝带中最主要的正、反两向成岩作用,对断裂垂向封闭性起到至关重要的决定性作用[5]。成岩胶结作用多用来表征储层物性影响因素,而在流体活动最为活跃的断裂带输导体中胶结作用更为突出,对断裂物性的改变也比储层物性更广[22]

流体进入诱导裂缝带中压力和温度降低,必然产生水岩反应,导致热液矿物的沉淀结晶,而愈合裂缝,久而久之,渗透率逐渐变小直至不渗透[23]。通过对北三台凸起各断裂带岩心薄片的详细观察,发现该区断裂诱导裂缝带成岩胶结作用显著。岩心观察发现构造裂缝发育,裂缝内多充填白色脉体,滴酸反应剧烈,为方解石胶结裂缝(见图 5a5b)。镜下观察发现成岩胶结物类型多样,包括碳酸盐类矿物、粘土矿物、沸石、硅质矿物等。

图 5 北三台凸起主干断层胶结物类型 Figure 5 Cement types of the main faults in the Beisantai swell

镜下观察该区主干断裂裂缝发育,且基本都被次生矿物充填胶结,多数裂缝胶结程度致密。其中,碳酸盐胶结物发育最为广泛,具有多期次胶结的特征(见图 5c),部分裂缝中可见方解石与沸石、石英等矿物共生(见图 5d),表明断裂带经历过多期流体的作用。由于研究区深部地层岩性以火成岩为主,而很多沸石类矿物的形成都与火山物质密切相关[24],因此该区沸石类矿物也较为发育(见图 5d)。研究区粘土胶结物以高岭石为主,主要来源应为沸石类矿物溶蚀作用产生的不稳定组分与流体中K+、Al3+的相互作用。粘土矿物是流体作用过程中水—岩反应的产物,除了大量生成于风化、成岩等地质过程外,也是中低温条件下常见的热液蚀变矿物[25]。在研究区断裂带中,粘土类胶结物主要以胶结裂缝的形式出现(见图 5e)。而硅质胶结物相对不发育,说明硅质来源不丰富,这与研究区断裂带主要发育在火成岩内有关,仅在部分裂缝中见少量的硅质胶结(见图 5f)。

总体来看,西地断层(北22井)胶结物类型主要以方解石为主(见图 5c),反映碱性环境。西泉断层(西泉7井)胶结物类型多样,包括方解石、石英、沸石等且矿物共生现象明显(见图 5d),反映了不同的成岩环境,表明该断裂经历过多次流体作用。西地断层与西泉断层胶结物充填裂缝程度致密,对油气封堵能力较强。北32井钻遇断层为西地断层东部一小规模断层,主要胶结物类型为方解石和粘土矿物,胶结程度一般,镜下还可多见油迹浸染现象(见图 5e)。通过对北32井岩心薄片的观察得出,研究区小型断层胶结程度相对大型断层较差,封闭能力相对较弱。

5 断裂带流体期次划分

断裂作为油气水运移的主要通道,经历长期而广泛的流体活动,在断裂岩构造裂隙的成岩胶结物及自生成岩矿物结晶晶体内常捕获代表着地下构造热事件的流体包裹体[26~27]。通过流体包裹体的成分、类型、产出状态等显微学特征,结合包裹体均一温度的分析,可以得到诸如有机质生烃演化史、流体运聚史、油气成藏史、断裂、储层成岩史等多方面的可靠信息[28]

研究中重点针对北三台凸起区主要断层裂缝充填物进行了流体包裹体均一温度测试,共挑选取自断裂带的样品15块并磨制薄片,共测得有效数据66个。镜下观察流体包裹体多发育于方解石脉体中,以盐水包裹体为主(见图 6)。薄片观察中发现包裹体通常成群出现,主要呈面状(见图 6a)以及沿方解石解理缝线状分布(见图 6b),偶见孤立包裹体,单个包裹体大小为1~10 μm左右,主要为5~10 μm,整体偏小,形态有菱形、长条形、椭圆形、三角形、不规则形等。用于测温的气液两相包裹体气液比以1%~10%为主,部分样品达到10%以上。

图 6 断裂带内流体包裹体产状、形态特征 Figure 6 Fluid inclusion occurrences and characteristics in the fault zone

研究中均一温度的测量使用英国Linkam公司生产的MDS 600冷热台,配备Linksys32温度控制软件,实验误差为±0.1 ℃。通过测试得出研究区主干断裂盐水包裹体均一温度分布在70~210 ℃,部分流体包裹体的均一温度超过140 ℃,明显偏离了准噶尔盆地正常的地温演化曲线[29],将测得的包裹体均一温度分为80~90 ℃、100~110 ℃、130~140 ℃三个区间(见图 7a),对应三期较大规模的流体运移。结合北13井埋藏史图对断裂流体活动的地质时代进行分析得出,研究区流体活动时期对应晚三叠世、晚侏罗世和新近纪晚期三个阶段(见图 7b)。有学者研究表明,在准噶尔盆地东部地区,其石炭系曾经有过两次成藏期,分别是晚三叠世和晚侏罗世[30]。通过对断裂内部样品的剖析,也发现了相同时期流体活动的信号,这恰恰证明了,断裂带可以作为油气运移的通道,油气与热液流体一起通过断裂带运移,进入储层中,充注形成油气藏。总体来看,在研究区广泛发育的流体活动中,三叠纪中晚期的热液流体可能伴随着油气运移,而晚白垩世和古近纪晚期—新近纪早期的流体则主要起到了胶结封闭作用。

(a)流体包裹体均一温度分布直方图    (b)北13井埋藏史图 图 7 北三台凸起断裂带流体活动史 Figure 7 Fluid activity history of the fault zone in the Beisantai swell
6 结论

研究中通过选取钻遇北三台凸起主干断裂的8口取心井,利用地震剖面解释、测井曲线拟合定量识别、岩心观察、镜下薄片观察的“井—震—心”相结合的方法对研究区主干断裂进行结构划分,并通过岩心观察、镜下薄片观察对断裂带成岩胶结作用进行了研究,得出以下结论:

(1) 北三台凸起主干断裂在剖面上具有明显的“带”状结构,可划分中间的滑动破碎带和两侧的诱导裂缝带。对断裂带结构发育规律的研究表明,滑动破碎带的宽度与诱导裂缝带的宽度具有幂指数关系,断裂的断距与断裂带的宽度也具有幂指数关系。

(2) 北三台凸起主干断裂诱导裂缝带裂缝发育,成岩胶结作用强,胶结物类型多样,以碳酸盐矿物为主,具有多期次胶结的特征,其次为粘土矿物和沸石,还发现有少量的硅质矿物。研究区小型断裂胶结程度相对大型断裂较差,镜下常见裂缝含油,封闭能力相对较弱。

(3) 北三台凸起断裂带胶结物中流体包裹体常见,对包裹体均一温度进行测试表明北三台凸起断裂带至少经历了三期大规模流体活动,多期的流体作用导致该区断裂的成岩封闭。

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