塔里木盆地庫車坳陷斷層相關(guān)褶皺對裂縫發(fā)育的控制

馮建偉，孫建芳，張亞軍，戴俊生，魏荷花，權(quán)蓮順，任啟強(qiáng)，趙力彬

[1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 3.中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州 730020； 4.中國石油 塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000]

21世紀(jì)以來，隨著認(rèn)識深入、理論突破和技術(shù)進(jìn)步，以及世界范圍油氣勘探開發(fā)進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，深層、超深層已逐步成為未來油氣資源發(fā)展的重點新領(lǐng)域，并不斷有新發(fā)現(xiàn)，從而成為了近來勘探的熱點。國外一般將埋深處在4 000 m以下的油氣資源作為深層油氣，而我國則按照油氣藏的埋藏深度劃分為淺層(<2 000m)、中深層(2 000～3 500 m)、深層(3 500～4 500 m)和超深層(>4 500 m)等幾個主要類型[1-3]。作為我國深層、超深層致密砂巖氣的重要產(chǎn)區(qū)，塔里木盆地已在庫車坳陷的大北、克深、迪那、克拉等氣田的白堊系和古近系內(nèi)實現(xiàn)了勘探突破[4-5]。與常規(guī)儲層相比，致密砂巖儲層表現(xiàn)為成巖作用強(qiáng)烈、低孔低滲、裂縫發(fā)育等地質(zhì)特征，原生孔隙在后期的成巖演化過程中已所剩無幾，裂縫成為了油氣運移和聚集的主要通道。受晚新生代天山造山帶向南的多期推覆擠壓，山前褶皺強(qiáng)烈，高陡地層發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層變化大，膏鹽巖層分布廣且構(gòu)造裂縫十分發(fā)育，但裂縫的分布規(guī)律及樣式在不同構(gòu)造帶和氣田之間存在很大的差異性，給庫車坳陷古近系和白堊系深層致密砂巖裂縫的預(yù)測和有效儲層的評價帶來了難題，從而制約著下一步的勘探開發(fā)工作。要解決這個問題，關(guān)鍵是要搞清復(fù)雜裂縫系統(tǒng)的形成機(jī)理和裂縫參數(shù)的有效表征方法，并以此恢復(fù)庫車坳陷裂縫演化規(guī)律，建立不同裂縫發(fā)育地質(zhì)模式。

1 地質(zhì)概況

庫車坳陷發(fā)育在天山褶皺帶與塔里木板塊北緣的結(jié)合部，北界為南天山南緣大斷裂，南界則為塔北隆起，發(fā)育一系列由北向南逆沖的疊瓦狀沖斷層和近東西向展布的斷層相關(guān)褶皺[6]。依其褶皺形式及隆凹成帶展布特點，自北向南進(jìn)一步細(xì)分為北部單斜帶、克拉蘇-依奇克里克構(gòu)造帶(簡稱克依構(gòu)造帶)、拜城凹陷、秋里塔格背斜帶和陽霞凹陷五個二級構(gòu)造單元(圖1a)。克依構(gòu)造帶作為山前第二排背斜構(gòu)造帶，呈近東西向展布，是一個油氣非常富集的構(gòu)造帶，縱向上由一系列逆沖推覆的斷裂控制，平面上具東西分段、南北分帶的特征，以克拉蘇斷裂為界，可劃分為北部構(gòu)造帶與南部深層構(gòu)造帶兩個次級構(gòu)造單元， 地面構(gòu)造則有南、北兩個背斜帶組成，北背斜帶從西到東依次由庫姆格列木背斜、巴什基奇克背斜和坎亞肯背斜組成。南背斜帶從西到東依次由吐孜馬扎背斜、喀桑托開背斜、吉迪克背斜組成(圖1b)。作為克依構(gòu)造帶的南部深層未出露的地表部分，主要包括兩個大型的被動頂板雙重構(gòu)造和由相互疊置的斷彎褶皺組成的復(fù)合構(gòu)造，即克拉蘇背斜和巴深背斜。秋里塔格構(gòu)造帶整體為一向南凸出的弧形帶，分為西秋里塔格和東秋里塔格兩個構(gòu)造帶，東秋里塔格帶又包括東秋里塔格背斜和東秋深背斜。

大北氣田、克深氣田均位于克拉蘇斷層的下盤，斷裂主要以疊瓦沖斷型為主，未見正斷層發(fā)育，顯示了強(qiáng)烈的推覆擠壓構(gòu)造環(huán)境(圖2a)。平面上，兩者斷裂體系展布相似，均以發(fā)育平行排列的長條形斷片為主，只是大北氣田內(nèi)次級斜交斷裂更為發(fā)育。該區(qū)儲層主要為白堊系巴什基奇克組，埋深達(dá)5 600～7 500 m，屬超深層儲層。自上而下進(jìn)一步劃分為3個巖性段：巴一段、巴二段和巴三段，受剝蝕影響，大北氣田整體缺失巴一段。按照含油氣情況，大北、克深地區(qū)砂體厚度大，縱向疊置明顯，三個巖性段進(jìn)一步劃分為六個砂層組，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ砂層組。在儲層方面，以克深2區(qū)塊為例，巴什基奇克組巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，屬辮狀河三角洲及扇三角洲前緣沉積，平均厚度約270 m，泥質(zhì)夾層發(fā)育，但厚度薄，巖心實測基質(zhì)孔隙度為2%～7%，基質(zhì)滲透率為(0.05～0.50)×10-3μm2，裂縫普遍發(fā)育，裂縫滲透率為(1.00～10.00)×10-3μm2，為典型低孔低滲超深層致密砂巖。大北氣田巴什基奇克組巖性為褐色中細(xì)砂巖、含礫砂巖,鈣質(zhì)含量高,一般為10 %左右，屬辮狀河三角洲及沖積扇—扇三角洲沉積，巖心孔隙度為0.68%～11.21%，滲透率為(0.000 2～3.46)×10-3μm2,屬于低孔低滲透-特低孔特低滲透裂縫型砂巖。

迪那氣田位于天山?jīng)_斷帶前緣的秋里塔格背斜帶淺部，屬于復(fù)合典型的斷彎褶皺樣式，形成于向盆地內(nèi)逐漸減弱的擠壓作用下，南部邊界主斷裂兼具走滑特征，褶皺頂部則以低級序正斷層為主，北部為主斷裂控制下的反向逆沖斷裂，活動強(qiáng)度大，控制了背斜的主體隆升(圖2b)。主要儲層為新近系吉迪克組下段、古近系庫姆格列木組(EⅡ)及蘇維依組(EⅠ)，EⅠ和EⅡ可進(jìn)一步劃分為5個巖性段和3個巖性段，總體上以扇三角洲前緣和扇三角洲平原砂體為主，巖性主要為砂巖、含礫砂巖及粉砂巖，夾層頻率高且厚度大，尤其是存在3套區(qū)域上穩(wěn)定的泥巖隔層。

圖1 庫車前陸盆地構(gòu)造單元劃分(a)及主要地質(zhì)剖面特征(b)(圖a據(jù)文獻(xiàn)[3]修改，圖b據(jù)文獻(xiàn)[6]修改)Fig.1 Structural unit division(a) and main geological profile characteristics(b) of Kuqa foreland basin(Fig.1a modified after reference[3];Fig.1b modified after reference[6])N3x.下更新統(tǒng)西域組；N2k.上新統(tǒng)庫車組；N1k.中新統(tǒng)康村組；N1j.中新統(tǒng)吉迪克組；E.古近系；K.白堊系；J.侏羅系；T.三疊系

儲層總體上屬于低孔低滲和低孔特低滲儲層，非均質(zhì)性強(qiáng)：EⅠ平均孔隙度分布在5.07%～8.97% ，平均滲透率分布在(0.43～1.11) ×10-3μm2，EⅡ物性相對較差，平均孔隙度分布在3.15%～4.90%，平均滲透率分布在(0.05～0.09)×10-3μm2?？死?氣田盡管位于克拉蘇斷裂的上盤，被北部克拉2北斷裂和南部的克拉202斷裂所夾持，頂部被一系列北西向、東西向的次級斷裂切割，使得背斜形態(tài)進(jìn)一步復(fù)雜化，常呈現(xiàn)為雁列式和部分正斷特征。主力儲層為白堊系巴什基奇克組砂巖，其次為白堊系巴西改組及古近系庫姆格列木群白云巖、砂礫巖。其中庫姆格列木群白云巖段為碳酸鹽巖儲層，平均孔隙度為11.41%，平均滲透率為1.87×10-3μm2，白堊系巴什基奇克組平均孔隙度平均為12.56%；滲透率平均為49.42×10-3μm2，總體上，屬于中孔中滲儲層。

2 背斜裂縫分布差異

2.1 大北、克深氣田裂縫分布特征

大量巖心、FMI統(tǒng)計結(jié)果表明，大北氣田裂縫走向以近EW向為主，其次為NW-SE向，即與斷裂小角度斜交和大角度的一組共軛縫發(fā)育。裂縫傾角50°～80°為主，傾角低于30°的裂縫少見，性質(zhì)以高角度縫和斜交剪切縫為主。裂縫線密度介于1～4.7條/m，平均裂縫線密度為2.1條/m， 裂縫張開度為0.1～1 mm、1～3 mm及大于3 mm所占比例分別為74.6%、21.3%和4.1%，裂縫充填率達(dá)74.6%，說明大北氣田單裂縫參數(shù)雖小，但裂縫發(fā)育密度大，且多為高角度裂縫，是庫車坳陷超深超壓條件下仍能形成大型氣田的關(guān)鍵因素。平面上大北區(qū)塊裂縫由北向南逐漸減小，受局部構(gòu)造影響局部增大，裂縫主要分布于背斜翼部和斷層附近等古應(yīng)力的集中區(qū)，核部形態(tài)寬緩，裂縫相對不發(fā)育，局部區(qū)域小斷層發(fā)育可使核部裂縫密度增大。但核部裂縫多以張性裂縫為主，滲透性較好，翼部裂縫多為剪切縫和網(wǎng)狀縫，開度小，滲透性較差，斷層上盤裂縫發(fā)育且多為高角度張性裂縫，是滲透性最好的部位。

巖心觀察和FMI解釋結(jié)果表明：克深2區(qū)塊裂縫走向以近NW-SE向為主，其次為近SN向和NE-SW向(圖3a)。按照裂縫力學(xué)性質(zhì)，克深2區(qū)塊發(fā)育剪切縫、張剪切縫和張性縫3種裂縫類型，分別占總數(shù)量的79.5%，18.7%和1.8%，張剪縫和張性縫所占比例小，主要分布在背斜高點處和泥巖隔層的邊界處?？v向上，由淺入深裂縫密度依次增大，在Ⅴ和Ⅵ砂層組內(nèi)密度分別達(dá)到3.03條/m和4.72條/m。從傾角上看，裂縫主要為直立縫(>75°)，其次為高角度縫(45°～75°)，低角度縫(15°～45°)及水平縫(<15°)不發(fā)育(圖3b)。直立、雁列式縫多分布于背斜構(gòu)造高部位，開度相對較大，一般為0.5～1 mm，半充填為主，裂縫線密度相對較低一般為1.5條/m，高角度、斜交排列裂縫多分布于背斜翼部，比背斜高部位充填程度低，以半充填、未-半充填為主，開度約為0.5 mm，裂縫線密度約為2條/m；背斜構(gòu)造南部近斷裂部位多見網(wǎng)狀裂縫，開度約為0.3 mm，裂縫線密度相對較高，達(dá)到2.23條/m，但多充填嚴(yán)重。越靠近斷層，裂縫的發(fā)育程度越高，其次為背斜翼部，背斜高點裂縫發(fā)育程度相對較低，遠(yuǎn)端最低(圖4a)。

圖3 庫車坳陷克深2氣田裂縫識別及分布特征(克深201井)Fig.3 Fracture identification and distribution characteristics of Keshen 2 gas field in Kuqa Depression(in Well KS201)a.裂縫平面走向；b.FMI和巖心識別裂縫

可見，在大北、克深2地區(qū)巴什基奇克組廣泛發(fā)育的厚層疊置砂體中，裂縫分布規(guī)律具有相似性，以發(fā)育與斷層斜交的共軛剪切縫為主，高角度縫、直立縫為輔，兩翼網(wǎng)狀縫發(fā)育且密度高，開度小，充填程度高，核部直立剪切縫滲透性好，規(guī)模大，張性縫密度低，但滲透性好，開度大，由北向南裂縫密度逐漸降低，主要受控于喜馬拉雅期天山向盆內(nèi)的前展式?jīng)_斷強(qiáng)度逐漸消耗降低有關(guān)。

2.2 迪那、克拉氣田裂縫分布特征

巖心、FMI統(tǒng)計結(jié)果表明，迪那裂縫主要為構(gòu)造縫為主，背斜頂部裂縫走向以NEE-SWW和NE-SW為主， 兩翼以近SN和NNW-SSW為主，兩組均組成共軛縫。以垂直縫(75°～90°)和高角度縫斜交縫(45°～75°)為主，低角度斜交縫少量(圖3b)。網(wǎng)狀剪切網(wǎng)狀縫占裂縫總數(shù)量的54.2%，張剪縫占27.7%，張性縫占18.1%，說明迪那背斜的隆升幅度大，超過700 m，背斜頂部不僅具有大的曲率值，同時發(fā)育張性應(yīng)力環(huán)境，為張性斷層和裂縫的發(fā)育提供了必要條件?？v向上，由上至下裂縫密度降低趨勢不明顯，但低值區(qū)主要受大套隔層發(fā)育的影響。除個別井點外，裂縫線密度總體偏低，大部分低于1條/m，且裂縫密度高值區(qū)位于背斜核部，其次是主斷裂附近，線密度超過1.5條/m。裂縫開度主要集中在0.2～0.8 mm范圍內(nèi)，大于1 mm的比例為28%，主要為頂部張性縫，但充填程度高。總體上，裂縫密度背斜頂部高，遠(yuǎn)端主斷裂附近次之，兩翼最低，局部斷層附近呈高值。盡管克拉2氣田相對于大北、克深氣田泥質(zhì)夾層數(shù)量和厚度都要小，但裂縫密度為0.142～1.842 條/m，平均密度為0.909條/m，明顯低于克深和大北氣田。而且，克拉2氣田的裂縫力學(xué)類型主要以剪切縫為主，約占總裂縫的72%，張剪縫約占21%，張性縫最少，僅占7%，且張性縫主要分布在背斜頂部位置。裂縫傾角一般大于70°，以高角度縫為主，低角度縫主要分布在背斜翼部和泥巖隔夾層周圍?？傮w上，裂縫走向主要為NW和NE向，具有明顯的共軛關(guān)系，主要為庫車期近南北向擠壓應(yīng)力環(huán)境下背斜頂部派生出的張應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下的構(gòu)造縫，且兩組裂縫與次級斷裂的主要走向基本吻合，由此可推斷出大部分裂縫具有與斷層伴生的關(guān)系。

另外，迪那背斜在構(gòu)造的定型期，即喜馬拉雅運動晚期，由于強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓作用和隆升導(dǎo)致形成超壓，氣田中部地層壓力達(dá)到106 MPa，壓力系數(shù)超過2.2，進(jìn)一步促進(jìn)了背斜頂部大量橫張型裂縫的產(chǎn)生。同時，克拉2氣田盡管目前壓力為73～7 MPa,但壓力系數(shù)為2～2.11,也屬于超壓氣藏，且由于超壓的存在而在孔隙中滯留了大量流體,超壓帶與孔隙發(fā)育帶有著良好的對應(yīng)關(guān)系?？松?、大北氣田盡管埋藏深度大，但壓力系數(shù)僅位于1.7左右，尚未達(dá)到超壓的狀態(tài)。

2.3 裂縫發(fā)育模地質(zhì)模式

按照褶皺翼間角的幾何分類方案[7-8]，可將庫車坳陷內(nèi)的褶皺劃分為三種基本類型，具體地，迪那背斜為閉合型(30°～70°)，克拉背斜為開闊型(70°～120°)，大北和克深背斜屬于典型平緩型(>120°)。作為構(gòu)造幅度和翼間角均高于大北、克深背斜但小于迪那背斜的克拉2背斜，具有過渡構(gòu)造特征，但另一方面，不僅裂縫密度高值區(qū)位于背斜頂部，張性、張剪縫也主要發(fā)育在背斜頂部，同時還發(fā)育大量兼具正斷特征的次級斷層，因此，認(rèn)為與迪那背斜同為一種類型。以上構(gòu)造背景的差異導(dǎo)致了低幅度的大北、克深背斜以發(fā)育剪切網(wǎng)狀縫為主，背斜頂部少量張性縫，高幅度的迪那背斜和克拉背斜以兩翼剪切網(wǎng)狀縫和頂部張性縫同等發(fā)育為典型特征。由此，認(rèn)為大北、克深背斜屬于典型的頂部沖起型褶皺，迪那、克拉背斜屬于典型的頂部地塹型褶皺，兩者控制了截然不同的裂縫發(fā)育演化史和分布特征(圖4)。

從白堊紀(jì)晚期以來,庫車坳陷受天山隆升的影響，其構(gòu)造應(yīng)力場經(jīng)歷了從弱伸展向擠壓的逐步轉(zhuǎn)變[9-11]，擠壓方向經(jīng)歷了從NNW-SSE向向NW-SE向的轉(zhuǎn)變[12-14]。巖石聲發(fā)射測試和脆性構(gòu)造序列指示，庫車坳陷下白堊統(tǒng)地層記憶了4次主要構(gòu)造運動,分別為燕山晚期、喜馬拉雅早期、喜馬拉雅中期和喜馬拉雅晚期的構(gòu)造運動，而古近系和新近系地層分別記憶了3次和2次主要古構(gòu)造運動[15-16]。由79塊樣品的聲發(fā)射測試結(jié)果顯示，下白堊統(tǒng)中所經(jīng)歷的4次主要構(gòu)造運動最大有效古應(yīng)力值分別為：35.2，59.9，74.8和80.9 MPa，古近系經(jīng)歷的3次構(gòu)造運動古應(yīng)力值分別為50.2,71.6和85.2 MPa，可見，早、中期喜馬拉雅運動在白堊系地層中的活動強(qiáng)度要高于古近系，但晚期運動強(qiáng)度則明顯低于古近系[15,17]。另外，根據(jù)平衡剖面縮短量和斷層相關(guān)褶皺斷層滑移速率計算結(jié)果，反映在構(gòu)造活動由北向南依次擴(kuò)展的過程中，活動的斷層數(shù)量逐漸增加，活動的速率和強(qiáng)度遞增[12]。

圖4 庫車坳陷斷層相關(guān)褶皺裂縫發(fā)育地質(zhì)模式Fig.4 Geological model of fracture development in fault-related folds in Kuqa Depressiona，a′.克深、大北頂部沖起型褶皺裂縫發(fā)育模式；b,b′.迪那、克拉頂部地塹型褶皺裂縫發(fā)育模式

庫車坳陷內(nèi)，大北、克深、迪那、克拉背斜也同樣經(jīng)歷了區(qū)域水平擠壓、初始隆升、強(qiáng)烈隆升并最終定型的幾個關(guān)鍵階段，構(gòu)造活動強(qiáng)度經(jīng)歷了由深部向淺部、由白堊系向古近系遷移的過程。由于前陸沖斷帶內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)變能具有向前、向淺部傳遞消減的特征[18]，深層大北、克深背斜在前第二個發(fā)育階段受到強(qiáng)烈的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用，有利于大規(guī)模疊瓦狀斷層的發(fā)育，同時處于深層Ⅲ型應(yīng)力環(huán)境下[18]，發(fā)育了大量的近直立共軛區(qū)域裂縫，主要分布在斷層周圍和背斜翼部，而此時背斜核部由于隆升幅度小，褶皺曲率小，尚未形成局部伸展應(yīng)力環(huán)境，但已經(jīng)基本脫離了區(qū)域構(gòu)造環(huán)境，因此，僅有少量張性縫的出現(xiàn)(圖5a)。相比之下，淺部的迪那、克拉背斜盡管前兩個階段的應(yīng)力強(qiáng)度低于大北、克深背斜，但在第三階段，即強(qiáng)烈隆升和定型期構(gòu)造活動明顯變強(qiáng)，導(dǎo)致了背斜頂部的明顯局部伸展應(yīng)力場的出現(xiàn)，從而控制形成了一系列次級正斷層及派生、派生張性縫的大量發(fā)育(圖4b)。

基于巖石力學(xué)理論、能量守恒理論，致密儲層巖石存儲的可釋放應(yīng)變能存在一定上限，應(yīng)變能密度與破裂體密度存在正相關(guān)性[19]，不論是斷層還是裂縫都是應(yīng)變能釋放的結(jié)果。大北、克深背斜深埋藏深、主應(yīng)力值高、圍壓大、脆性強(qiáng)、可釋放應(yīng)變能高，而迪那、克拉背斜埋藏相對淺、應(yīng)力值相對低、圍壓相對小、脆性相對低、可釋放應(yīng)變能相對低，最終導(dǎo)致大北、克深地區(qū)斷裂密度低但裂縫密度高，而迪那、克拉地區(qū)斷裂密度高但裂縫密度低。

3 斷層相關(guān)褶皺演化下的裂縫發(fā)育規(guī)律

由上可知，庫車坳陷內(nèi)褶皺既可以劃分為斷展褶皺和斷彎褶皺兩種基本類型，又可以劃分為閉合型和開闊型兩種，還可以劃分為頂部沖起型和頂部地塹型。不同的褶皺類型有著不同的裂縫發(fā)育模式，但這些構(gòu)造裂縫都是多期構(gòu)造運動或應(yīng)力場疊加的結(jié)果，不僅受控于斷層造成的局部應(yīng)力場，也受控于褶皺的隆升和地層的力學(xué)性質(zhì)，僅從單一構(gòu)造運動或單一地質(zhì)因素角度很難對裂縫的成因機(jī)制進(jìn)行很好地解釋。為了直觀表征庫車坳陷致密砂巖儲層的斷層相關(guān)褶皺演化過程，及對裂縫的控制作用，選擇庫車河露頭剖面為主線，進(jìn)行構(gòu)造演化正演恢復(fù)，并以裂縫參數(shù)地質(zhì)力學(xué)模型為橋梁，定量預(yù)測裂縫發(fā)育和分布特征，最終建立斷層相關(guān)褶皺演化下的裂縫演化模式。由北向南，該剖面穿過北部單斜帶、巴什基奇克背斜、喀桑托開背斜、拜城凹陷和秋里塔格背斜等主要構(gòu)造單元，盡管北部單斜帶及以北地區(qū)缺少地震資料約束，其解釋方案主要以野外露頭為參考，以斷層相關(guān)褶皺理論圖譜推斷出深部構(gòu)造形態(tài)[6,20]，從而結(jié)合軸面、生長地層和不整合分析，恢復(fù)了各個背斜的活動起始時間以及數(shù)條斷層的變形位移量(圖1b)。庫車斷褶帶的變形開始時間可以追溯到漸新世，隨后依次經(jīng)歷了中新世-更新世的多期變形，其中漸新世的構(gòu)造變形僅局限于北部山前地區(qū)，其中南部克拉蘇背斜的形成時間則為中新世，而汪新等[21]根據(jù)對磁性地層和生長地層的數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為秋里塔格背斜的形成時間可追溯到上新世(5.2±0.2 Ma)。根據(jù)斷層位移量和褶皺隆升幅度大小，將演化過程劃分為6個階段，分別對應(yīng)燕山晚期和喜馬拉雅三期構(gòu)造運動。最終，以3DMOVE軟件為模擬平臺，以斷層相關(guān)褶皺理論為指導(dǎo)，定量模擬了庫車河剖面的變形過程。

3.1 力學(xué)模型建立

基于二維地震資料和野外露頭建立的庫車河地質(zhì)剖面，依托Ansys15.0有限元平臺，建立了二維構(gòu)造地質(zhì)模型，下更新統(tǒng)西域組、上新統(tǒng)庫車組及第四系與下覆地層具有明顯的不整合特征，而且壓實程度低，泥質(zhì)含量高，既非庫車坳陷內(nèi)的儲層，也非有效蓋層，因此進(jìn)行了忽略，上覆地層產(chǎn)生的重力由軟件按照厚度和密度值自行計算加載到模型中(參考圖6中地表線)?？紤]到不同巖性巖相的影響，垂向上劃分為前三疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和新近系等多套地層，其中目的層為白堊系和古近系致密砂巖儲層。斷層模型包括主斷層和次級斷層共8條(圖5)，為了盡量體現(xiàn)斷層作為位移滑脫面的動態(tài)效應(yīng)以及對裂縫發(fā)育的影響，斷層面的摩擦系數(shù)賦值為0.25[22]。依據(jù)三軸巖石力學(xué)測試結(jié)果，對測定的巖石密度、彈性模量、泊松比、剪切模量和屈服強(qiáng)度等參數(shù)做平均處理，最終確定了研究區(qū)各單元體的巖石力學(xué)參數(shù)(表1)。由于斷層帶巖石力學(xué)參數(shù)很難直接測量，通常做法是將斷層及其周圍的巖石單元統(tǒng)一作為斷層帶處理，將其彈性模量和密度值降低為地層的60%～70%，從而泊松比則按胡克定律計算得到[23-24]。最終，將相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)賦予到有限元地質(zhì)模型中，并采用最符合儲層巖石力學(xué)特性的Solid45單元對地質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分出83 876個節(jié)點和54 606個單元(圖4)。由于古應(yīng)力值不易通過測試直接獲得，在這里采用“等效古應(yīng)力”這一概念，以單井裂縫參數(shù)為約束，結(jié)合地應(yīng)力與儲層裂縫參數(shù)之間的關(guān)系，通過不斷地反演、擬合來逼近真實值。最終,在前人研究的基礎(chǔ)上[14-17]，經(jīng)過反復(fù)嘗試，確定了燕山晚期和喜馬拉雅三期古構(gòu)造應(yīng)力的值，分別為：210，330，440，500 MPa。同時為了保證力學(xué)平衡，模型的底部作為斷層下盤固定不動，南側(cè)即前端固定，北側(cè)邊界施加來自天山的擠壓應(yīng)力(圖5)。

圖5 庫車河地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)及有限元模型Fig.5 The tectonic geological and finite element model of Kuqa River Area

表1 庫車坳陷不同地層單元巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters for different stratigraphic units in Kuqa Depression

3.2 地應(yīng)力與裂縫參數(shù)的定量關(guān)系

為了定量表征裂縫的發(fā)育程度，根據(jù)彈性力學(xué)有關(guān)理論及能量守恒原理，建立了三軸擠壓應(yīng)力狀態(tài)下地應(yīng)力與裂縫參數(shù)的定量關(guān)系[25]。

(1)

當(dāng)θ≠0時，則Dvf≠Dlf，有

(σ3L1sinθ+σ3L3cosθ)b2+[(L1sinθ+L3cosθ)J0+

2wfL1L3sinθcosθ]b+(|ε3|-|ε0|)×

(2)

當(dāng)θ=0時，則Dvf=Dlf，有

(|ε3|-|ε0|)σ3b+(|ε3|-|ε0|)J0=wfb

(3)

式中：θ為裂縫破裂角，(°)；Dvf為裂縫體積密度，m2/m3；Dlf為裂縫真實線密度，條/m；L1，L2，L3為沿主應(yīng)力方向σ1，σ2，σ3的單元體長度，m；b為古應(yīng)力場裂縫開度，m；J0為裂縫表面能，J/m2，wf為裂縫應(yīng)變能密度，J/m3；|ε0|為最大彈性張應(yīng)變，|ε3|為最小主應(yīng)變。

將各參數(shù)代入，并根據(jù)古應(yīng)力計算結(jié)果，即可求出古開度b，將b反代入上面公式進(jìn)一步求出Dvf和Dlf。

3.3 古應(yīng)力場及裂縫發(fā)育演化

基于彈塑性有限元法對不同階段的構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示：1)晚燕山期，庫車坳陷處在由伸展向擠壓過渡的時期，早期正斷層開始反轉(zhuǎn)，臺階狀逆斷層F2的初始跡面開始形成，但背斜尚未發(fā)育，最大主應(yīng)力高值區(qū)主要位于三疊系、白堊系和古近系內(nèi)的初始斷層拐彎處(圖6)，總體上，深部應(yīng)力強(qiáng)度(應(yīng)力差)大于淺部地層，初始斷層尚已經(jīng)對區(qū)域應(yīng)力場造成了影響；2)喜馬拉雅運動早期，控制巴什基奇克背斜和巴深背斜的F1和F2斷層開始發(fā)育，且斷層F2的位移量約為1.2 km，模型的構(gòu)造縮短量為1.2 km，此階段受斷層活動的影響應(yīng)力強(qiáng)度高值區(qū)開始向淺部和山前方向轉(zhuǎn)移，斷層帶內(nèi)及斷層轉(zhuǎn)折處應(yīng)力出現(xiàn)低值，說明斷層形成后加劇了應(yīng)力和能量的釋放，而初始開始發(fā)育的背斜應(yīng)力場較前階段發(fā)生了一定程度的改變；3)喜馬拉雅運動中期，隨著天山擠壓強(qiáng)度的增大，斷層F1的位移量約為6.4 km，斷層F2的位移量約為5.4 km，模型縮短量達(dá)到13 km，從而導(dǎo)致巴什基奇克背斜的繼續(xù)抬升和喀桑托開背斜的迅速隆升，巴深背斜和克拉蘇背斜也初具規(guī)模，并導(dǎo)致了南北應(yīng)力場的明顯差異，背斜南部或向盆地方向應(yīng)力值逐漸變得均勻，而山前地區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度明顯高于盆內(nèi)，且應(yīng)力方向也受到背斜的明顯影響；4)喜馬拉雅運動晚期，隨著天山擠壓強(qiáng)度達(dá)到頂峰，應(yīng)力持續(xù)向盆內(nèi)傳遞，中北部褶皺繼續(xù)發(fā)育抬升，同時秋里塔格背斜和秋里塔格深背斜迅速隆升至目前幅度，此時斷層F3的位移量約為14 km，模型縮短量達(dá)到了34 km，此時強(qiáng)力強(qiáng)度高值區(qū)遷移到淺部地層的背斜核部和山前地區(qū)，應(yīng)力受斷層和褶皺的聯(lián)合控制作用，方向變化明顯。綜上所述，早期和中期階段斷層是影響和改變區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)鍵因素，中期和晚期階段褶皺是應(yīng)力狀態(tài)改變的主要因素，同時受到的斷層的影響(圖6)。

基于古應(yīng)力場模擬結(jié)果，采用上面建立的裂縫與應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系力學(xué)模型， 同時結(jié)合庫倫-摩爾剪切破裂準(zhǔn)則和格里菲斯張性破裂準(zhǔn)則可計算得到不同時期產(chǎn)生的裂縫的線密度和力學(xué)性質(zhì)分布特征。從裂縫模擬結(jié)果看，晚燕山期構(gòu)造活動較弱，受到大規(guī)模F2斷層初始跡面的影響，斷層上盤的侏羅系、白堊系和古近系地層內(nèi)發(fā)育少量剪切裂縫，線密度普遍小于1.6條/m，在斷層前緣的古近系內(nèi)零星發(fā)育密度低于1.2條/m的裂縫，而在斷層下盤裂縫密度值更低，大部分小于0.1條/m，但在靠近基底的三疊系平面上內(nèi)存在一穩(wěn)定的裂縫發(fā)育區(qū)，這主要是由于此階段最大主應(yīng)力值由深向淺逐漸降低的原因；喜馬拉雅運動早期，隨著天山擠壓活動的增強(qiáng)，裂縫的分布趨勢與晚燕山期基本相似，由于此階段巴什基奇克背斜和喀桑托開背斜受控于F2斷層，已經(jīng)開始形成雛形，但裂縫的發(fā)育仍然首先受控于斷層的活動，尤其是在兩個背斜中間的斷層臺階處，即白堊系地層內(nèi)裂縫密度達(dá)到2條/m以上，而且山前的喀桑托開背斜頂部裂縫密度也達(dá)到了1條/m以上(圖7a)，說明此階段內(nèi)裂縫主要受控于斷層活動，前緣背斜裂縫密度低于山前背斜，而且裂縫類型仍為剪切構(gòu)造縫(圖7b)。進(jìn)入喜馬拉雅運動中期階段后，隨著構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度的增加以及F1斷層的再次強(qiáng)烈活動，巴什基奇克背斜以斷展褶皺形式迅速抬升并在背斜前緣形成突破斷層，這是裂縫密度高值區(qū)主要位于背斜內(nèi)部和斷層附近，達(dá)到5條/m以上，不過背斜內(nèi)的裂縫主要發(fā)育在白堊系和古近系地層內(nèi)，而新近系地層內(nèi)裂縫明顯不發(fā)育，只在背斜的南翼出現(xiàn)了明顯的張性縫。隨著F2斷層的進(jìn)一步活動，喀桑托開背斜也強(qiáng)烈隆升，且深部的巴深背斜和克拉蘇背斜也初具規(guī)模，但總體裂縫密度值向盆內(nèi)依次降低，這主要與前陸沖斷帶內(nèi)前展式構(gòu)造發(fā)育序列和向前緣依次減小的背斜幅度有關(guān)。同時在背斜帶的前緣白堊系和古近系水平地層內(nèi)出現(xiàn)了較為連續(xù)的裂縫發(fā)育區(qū)，正好位于吉迪克組內(nèi)水平斷層的周圍，密度達(dá)到了1.5條/m，相對前幾個階段，裂縫發(fā)育區(qū)明顯逐步向盆內(nèi)擴(kuò)展，從另一方面也說明了構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度是控制裂縫發(fā)育程度的最重要因素。進(jìn)入喜馬拉雅運動晚期階段，隨著F3斷層的長距離大規(guī)?；顒樱粌H控制了深部克深背斜的快速形成并定型，同時在盆地前緣的深部也形成一系列疊瓦沖斷層和臺階狀斷層控制形成了庫車塔烏背斜和秋里塔格深背斜的形成，在沖斷帶的前緣由于受到盆地內(nèi)巨厚沉積地層的阻擋，形成反沖斷裂控制了淺部的秋里塔格背斜快速隆起。此種構(gòu)造環(huán)境下，裂縫開始在庫車坳陷內(nèi)大面積發(fā)育，克深背斜、克拉蘇背斜以及巴深背斜內(nèi)的裂縫密度明顯變大，尤其是克深背斜內(nèi)裂縫密度達(dá)到了9條/m以上，明顯高于克拉蘇背斜和秋里塔格深背斜。對比發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造幅度較低的克深背斜和庫車塔烏背斜翼部裂縫密度明顯高于核部，構(gòu)造幅度相對大的巴什基奇克背斜和喀桑托開背斜裂縫發(fā)育區(qū)主要位于翼部和核部位置，而構(gòu)造幅度最大的秋里塔格背斜背斜核部裂縫最為發(fā)育，密度值超過了11條/m。由圖8b看出，此階段內(nèi)的張性縫明顯增多，主要位于淺部的高幅度背斜頂部，也可以說位于背斜較陡的一側(cè)頂部。綜上所述，庫車河剖面中裂縫的發(fā)育和分布特征與前面統(tǒng)計結(jié)果十分相似，即受區(qū)域應(yīng)力場作用，水平地層中以發(fā)育高角度共軛剪切縫為主，但密度很低，斷裂和褶皺的出現(xiàn)改變了區(qū)域應(yīng)力場的分布，從而導(dǎo)致局部裂縫的發(fā)育，且斷裂和褶皺作為特殊構(gòu)造在區(qū)域擠壓應(yīng)力向前傳遞的過程中具有分割作用。隨著構(gòu)造活動的增強(qiáng)和斷層、褶皺的持續(xù)發(fā)育，裂縫首先受控于區(qū)域應(yīng)力場和大規(guī)模斷層，當(dāng)背斜隆升至一定幅度后，褶皺則成為控制裂縫發(fā)育和分布的首要因素，當(dāng)背斜強(qiáng)烈隆升并最終定型后，裂縫便同時受控于褶皺核頂部局部應(yīng)力場的改變以及次級張性斷層的活動。

圖6 庫車河地區(qū)南北向剖面應(yīng)力差及最大主應(yīng)力方向分布特征Fig.6 The distribution of the stress difference and the direction of maximum principal stress in the NS section of Kuqa River Area

圖7 庫車河地區(qū)南北向剖面裂縫密度分布及力學(xué)特征Fig.7 The density distribution and mechanical characteristics of fractures in the NS section of Kuqa River Areaa.裂縫線密度分布;b.裂縫類型分布

圖8 庫車坳陷斷層相關(guān)褶皺地質(zhì)模型及裂縫模擬結(jié)果Fig.8 The geological model of fault-related folds and the fracture simulation results in Kuqa Depressiona.斷層位移40 m;b.斷層位移170 m;c.斷層位移320 m;d.斷層位移650 m;e.斷層位移840 m;f.斷層位移1 020 m

3.4 斷層相關(guān)褶皺裂縫發(fā)育主控因素

在構(gòu)造類型上，迪那背斜屬于斷彎褶皺類型，而克拉背斜、大北背斜和克深背斜屬于斷展褶皺，為了進(jìn)一步量化斷層相關(guān)褶皺演化過程中斷層、褶皺及巖性對裂縫發(fā)育的影響和控制作用，這里選取褶皺幅度大、經(jīng)歷演化階段多的迪那、克拉背斜古近系地層為例建立了綜合型的斷層相關(guān)褶皺地質(zhì)模型。在地質(zhì)模型建立的基礎(chǔ)上，將斷層面設(shè)置為力學(xué)滑脫面，以前面庫車河二維模型的力學(xué)邊界條件為約束，采用彈塑性有限元模擬方法，結(jié)合巖石復(fù)合破裂準(zhǔn)則進(jìn)行了不同構(gòu)造演化階段的應(yīng)力場模擬和裂縫定量預(yù)測，同時提取了裂縫密度、傾角等參數(shù)(圖8)。由模擬結(jié)果可以看出，在斷層活動的初始階段，由于摩擦作用，在斷層的下盤和尖端處，裂縫相對發(fā)育，而此時褶皺幅度僅有25m，尚未形成局部應(yīng)力場，因此裂縫很不發(fā)育(圖8)；隨著斷層位移的增加，褶皺開始隆升，幅度達(dá)到了120 m，裂縫發(fā)育區(qū)逐漸向斷層上盤或褶皺核部遷移，但褶皺頂部裂縫仍不發(fā)育，總體上裂縫密度由山前向盆地內(nèi)逐漸降低；隨著斷層的繼續(xù)活動，當(dāng)褶皺幅度達(dá)到235 m時，褶皺頂部的砂巖地層內(nèi)裂縫開始發(fā)育，尤其當(dāng)達(dá)到385 m后，裂縫密度值在褶皺頂部地層內(nèi)已經(jīng)達(dá)到了0.3條/m，而且此時，裂縫發(fā)育區(qū)主要位于斷層周圍及褶皺頂部和中部的砂巖地層內(nèi)，結(jié)合應(yīng)力、應(yīng)變分布特征，發(fā)現(xiàn)褶皺緊鄰中和面之上的砂巖層內(nèi)一直是裂縫最為發(fā)育的位置，且隨著褶皺的隆升或中和面的上移，裂縫密度高值區(qū)也逐漸有深部向淺部遷移；但褶皺不斷隆升并發(fā)展到定型階段(褶皺幅度為720 m)時，盡管裂縫密度低于處于強(qiáng)烈隆升階段(幅度為520 m)的褶皺裂縫密度，但裂縫的垂向連通性明顯變好，即裂縫穿透了泥巖層，且裂縫發(fā)育區(qū)明顯轉(zhuǎn)移到了褶皺的核部和后翼淺部地區(qū)。這主要是由于在褶皺的定型階段受到前緣盆地內(nèi)地層的阻擋，應(yīng)力強(qiáng)度高值區(qū)逐漸向山前和褶皺后翼遷移、集中，從而導(dǎo)致后翼裂縫較前翼更為發(fā)育。

對一系列有限元模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)以迪那背斜為代表的斷層相關(guān)褶皺內(nèi)裂縫的發(fā)育和分布除了與巖性和中和面直接相關(guān)外，還明顯受控于褶皺隆升幅度、與斷層面距離和斷層滑動位移等因素(圖9)。由圖9a可以看出，隨著褶皺隆升幅度的不斷增加，裂縫密度總體呈現(xiàn)增大趨勢，但當(dāng)褶皺幅度大約超過450 m之后，裂縫密度值又逐漸變得平穩(wěn)甚至有降低趨勢，即當(dāng)幅度位于410～450 m范圍內(nèi)時，裂縫密度值最大，這正是大北、克深背斜的幅度低于克拉和迪那背斜幅度，但裂縫仍然非常發(fā)育的原因。由圖9b可以看出，剔除數(shù)據(jù)異常點后，離斷層面距離與裂縫密度呈一定的冪指數(shù)關(guān)系，相關(guān)性達(dá)到了0.775；且隨著離斷層面距離的增大，裂縫密度值逐漸降低，大約距離值超過65 m后，裂縫密度變得穩(wěn)定，可以認(rèn)為一般斷層對裂縫的最大控制有效距離為65 m左右。隨著斷層活動的持續(xù)或斷層位移的變大，裂縫密度值逐漸升高，且整個斷層相關(guān)褶皺內(nèi)裂縫密度最高值一般位于上部地層內(nèi)或中和面之上區(qū)域，但當(dāng)斷層位移大約超過630 m后，上部和下部地層內(nèi)的裂縫密度值又變得相近(圖9c)。由圖9d可以看出，裂縫的傾角變化與褶皺隆升幅度有直接關(guān)系，如淺部的蘇維依組(EⅠ)內(nèi)裂縫傾角隨著褶皺隆升幅度的增加近乎呈直線增大，而深部的庫姆格列木群(EⅡ)內(nèi)的裂縫傾角隨著褶皺幅度的增加先升高后降低，這與斷層相關(guān)褶皺演化過程中的中和面不斷向上遷移、中低角度剪切縫向上逐漸增多直接相關(guān)。褶皺淺部地層內(nèi)由于局部伸展應(yīng)力場范圍的逐漸擴(kuò)大，高角度的張性縫變得更為發(fā)育。綜上所述，不管是多斷層相關(guān)褶皺還是單一斷層相關(guān)褶皺的構(gòu)造演化模式下，裂縫的定量模擬或預(yù)測結(jié)果都與實際裂縫測量結(jié)果和地質(zhì)發(fā)育模式有很好的吻合性。

圖9 庫車坳陷斷層相關(guān)褶皺與裂縫發(fā)育關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果(EⅠ為古近系蘇維依組，EⅡ為古近系庫姆格列木群)Fig.9 Statistical results of the relationship between fault-related folds and fracture development in Kuqa Depression(EⅠ:the Palaeogene Suwiyi Fm.; EⅡ:the Palaeogene Kumugeliemu Group)a.褶皺隆升幅度與裂縫密度關(guān)系；b.離斷層面距離與裂縫密度關(guān)系；c.主斷層滑動距離與裂縫密度關(guān)系；d.褶皺隆升幅度與裂縫傾角關(guān)系

4 結(jié)論

1) 針對庫車坳陷內(nèi)不同背斜裂縫分布的差異性，從構(gòu)造特征、儲層特征、物性特征和單井裂縫統(tǒng)計入手，分析了裂縫的空間分布特征，總結(jié)了裂縫發(fā)育的主控因素，認(rèn)為背斜翼間角大、埋藏深度大、儲層壓實強(qiáng)烈的克深、大北氣田內(nèi)斷層數(shù)量少、裂縫密度高，且背斜翼部裂縫密度明顯高于核部，而背斜翼間角相對小、埋藏深度相對小、儲層壓實相對差的迪那、克拉氣田內(nèi)斷層數(shù)量多、裂縫密度低，且背斜核部裂縫密度明顯高于翼部。

2) 庫車河野外剖面有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，在各斷層相關(guān)褶皺的演化過程，隨著構(gòu)造活動的增強(qiáng)和斷層、褶皺的持續(xù)發(fā)育，構(gòu)造裂縫首先受控于區(qū)域應(yīng)力場和大規(guī)模斷層，當(dāng)背斜隆升至一定幅度后，褶皺則成為控制裂縫發(fā)育和分布的首要因素，當(dāng)背斜強(qiáng)烈隆升并最終定型后，裂縫便同時受控于褶皺核頂部局部應(yīng)力場的改變以及次級張性斷層的活動。同時，單一斷層相關(guān)褶皺的構(gòu)造演化歷程及裂縫模擬結(jié)果表明，構(gòu)造裂縫的發(fā)育和分布除了與巖性和中和面直接相關(guān)外，還明顯受控于褶皺隆升幅度、與斷層面距離和斷層滑動位移等因素，尤其當(dāng)褶皺隆升幅度位于410～450 m范圍內(nèi)時，裂縫密度值最大，這與大北、克深背斜的裂縫發(fā)育模式十分吻合。

3) 通過“動、靜分析”建立了庫車坳陷斷層相關(guān)褶皺區(qū)共生裂縫系統(tǒng)演化地質(zhì)模式，如克深-大北氣田為典型的頂部沖起型褶皺共生裂縫模式，迪那-克拉氣田為典型的頂部地塹型共生裂縫模式，以期為庫車坳陷山前沖斷帶的高效勘探部署和老油氣田綜合治理提供有效理論指導(dǎo)。