超深層致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫分布特征及其成因
——以塔里木盆地庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶克深氣田為例

王 珂，張榮虎，王俊鵬，孫雄偉，楊學(xué)君

(1.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州 310023； 2.中國(guó)石油 勘探開(kāi)發(fā)研究院 塔里木盆地研究中心，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.中國(guó)石油 塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

致密砂巖儲(chǔ)層泛指滲透率小于1×10-3μm2且孔隙度小于10%的砂巖儲(chǔ)層，當(dāng)其中具有工業(yè)規(guī)模性天然氣聚集時(shí)則成為致密砂巖氣藏[1]。致密砂巖氣的勘探已有近百年的歷史，工業(yè)開(kāi)采歷史超過(guò)65 a[2]。中國(guó)致密砂巖氣勘探潛力巨大，是近年來(lái)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。目前在鄂爾多斯盆地石炭系-二疊系、四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組、渤海灣盆地古近系沙河街組、塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷侏羅系和白堊系等均已發(fā)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模性的致密砂巖氣藏，總有利區(qū)面積達(dá)32×104km2，地質(zhì)資源量17.4×1012～25.1×1012m3，可采資源量為8.8×1012～12.1×1012m3[3-4]。由于致密砂巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔滲低，難以形成高效的滲流系統(tǒng)，因此構(gòu)造裂縫通常是改善這類(lèi)儲(chǔ)層物性的重要因素[5-7]。研究表明，構(gòu)造裂縫所提供的滲透率可高出基質(zhì)滲透率1～3個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高[8-11]。對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層，構(gòu)造裂縫研究的最終目的是在構(gòu)造裂縫發(fā)育類(lèi)型、成因機(jī)制以及控制因素分析的基礎(chǔ)上，明確構(gòu)造裂縫在空間上的分布規(guī)律，從而尋找天然氣的有利區(qū)[12-17]。

前陸沖斷帶是全球沉積盆地中一類(lèi)重要的含油氣構(gòu)造，通常發(fā)育成排成帶的大型構(gòu)造圈閉群，與前淵坳陷優(yōu)質(zhì)生烴灶縱向疊置，復(fù)雜斷裂系統(tǒng)溝通，喜馬拉雅期形成并保存的前陸沖斷帶易形成大型構(gòu)造油氣田群，在中國(guó)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣、塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷、塔西南地區(qū)和四川盆地西部，加拿大西加盆地、伊朗扎格羅斯盆地、美國(guó)沃希托盆地及委內(nèi)瑞拉東委盆地等均發(fā)育前陸沖斷型油氣田[18-19]。由于構(gòu)造變形規(guī)模大、演化階段復(fù)雜，前陸沖斷帶通常大量發(fā)育構(gòu)造裂縫，并且具有多期次疊加的特點(diǎn)，其成因和分布規(guī)律一直是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[20-23]。

克深氣田是在塔里木盆地庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶上探明的萬(wàn)億立方級(jí)大型天然氣田，由多個(gè)近EW走向的斷背斜氣藏組成，目前仍有新的氣藏圈閉在不斷發(fā)現(xiàn)[24]。該氣田的主力含氣層系下白堊統(tǒng)巴什基奇克組為典型的超深層致密砂巖儲(chǔ)層，基質(zhì)孔滲較差，僅靠基質(zhì)孔隙難以形成高效的滲流系統(tǒng)，構(gòu)造裂縫對(duì)儲(chǔ)層物性有顯著的改造作用[25-27]。巖心和成像測(cè)井資料表明，各個(gè)斷背斜氣藏間的構(gòu)造裂縫發(fā)育特征具有明顯差異性，這種差異性是導(dǎo)致氣藏間天然氣產(chǎn)能差異的重要因素。明確構(gòu)造裂縫的差異分布特征及其成因，對(duì)繼續(xù)尋找有利天然氣圈閉，拓寬勘探領(lǐng)域具有重要意義。因此本文綜合巖心、薄片及成像測(cè)井等資料，分析庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶克深氣田致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的類(lèi)型與形成序列，在此基礎(chǔ)上探討不同斷背斜氣藏之間構(gòu)造裂縫的差異性分布及其成因，從而明確構(gòu)造裂縫的分布規(guī)律，以期為克深氣田新的天然氣圈閉勘探提供一定的參考，同時(shí)為其他前陸沖斷帶致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的研究提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶位于塔里木盆地的北緣，是一個(gè)自晚海西期開(kāi)始發(fā)育，經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加，在古生代被動(dòng)大陸邊緣基礎(chǔ)之上發(fā)育起來(lái)的中新生代疊合前陸盆地，總面積約28 500 km2，包括北部單斜帶、克拉蘇構(gòu)造帶、依奇克里克構(gòu)造帶、拜城凹陷、陽(yáng)霞凹陷、烏什凹陷、秋里塔格構(gòu)造帶和南部斜坡帶8個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元[28-30]。區(qū)內(nèi)天然氣資源豐富，先后發(fā)現(xiàn)了克拉2、大北、迪那、克深和博孜等大中型天然氣田。

克深氣田位于克拉蘇前陸沖斷帶，東西長(zhǎng)約50 km，南北寬約20 km，緊鄰拜城生烴凹陷(圖1)，天然氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越，具有良好的天然氣勘探潛力，探明地質(zhì)儲(chǔ)量超過(guò)10 000×108m3?？松顨馓镢@揭地層自上而下依次為第四系(Q)，新近系庫(kù)車(chē)組(N2k)、康村組(N1-2k)、吉迪克組(N1j)，古近系蘇維依組(E2-3s)和庫(kù)姆格列木群(E1-2km)，白堊系巴什基奇克組(K1bs)和巴西改組(K1bx)，主力含氣層系為巴什基奇克組的厚層砂巖?？松顨馓锏奶烊粴庵饕獊?lái)源于侏羅系的煤系烴源巖，生氣強(qiáng)度可達(dá)160×108～320×108m3/km2，目的層巴什基奇克組上覆的古近系庫(kù)姆格列木群為巨厚的膏鹽層沉積，是一套優(yōu)質(zhì)的區(qū)域蓋層，兩者與目的層構(gòu)成了良好的生儲(chǔ)蓋組合[24]。喜馬拉雅晚期印度板塊與歐亞板塊碰撞引發(fā)南天山造山帶的劇烈隆升，產(chǎn)生了近NS向的強(qiáng)烈擠壓推覆作用，在膏鹽層下形成了多個(gè)斷背斜氣藏[31](圖1)，其中克深5、克深6、克深2、克深8和克深9氣藏已逐步轉(zhuǎn)入開(kāi)發(fā)階段，克深10、克深13和克深24等氣藏處于預(yù)探和評(píng)價(jià)階段。

圖1 克深氣田斷層及圈閉分布(a)、構(gòu)造位置(b)與過(guò)克深2井疊前時(shí)間偏移剖面(c)Fig.1 Fault and trap distribution (a),tectonic location (b),and section of pre-stack time migration (PSTM) across Well KS2 (c) in Keshen gas field(N2k.新近系庫(kù)車(chē)組；N1-2k.新近系康村組；N1j新近系吉迪克組；E1-2km1.古近系庫(kù)姆格列木群上段；E1-2km2.古近系庫(kù)姆格列木群下段)

克深氣田巴什基奇克組沉積期的物源主要來(lái)自北部的南天山造山帶，早期為沖積扇-扇三角洲-濱淺湖沉積體系，中晚期為辮狀河-辮狀河三角洲-濱淺湖沉積體系，垂向上多期砂體疊置、平面上多個(gè)扇體相連，從而形成了規(guī)模巨大的砂體[32]。研究區(qū)侏羅系-下白堊統(tǒng)為連續(xù)沉積，晚白堊世的構(gòu)造抬升剝蝕使研究區(qū)普遍缺失上白堊統(tǒng)，下白堊統(tǒng)巴什基奇克組也遭受一定程度的剝蝕，造成其與下伏地層下白堊統(tǒng)卡普沙良群巴西改組(K1bx)整合接觸，與上覆地層庫(kù)姆格列木群(E1-2km)呈角度不整合接觸[33]?？松顨馓锇褪不婵私M埋深5 500～8 500 m，厚度260～310 m，巖性以紅褐色細(xì)砂巖、粉砂巖、中砂巖和薄層泥巖為主。砂巖主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖；儲(chǔ)集空間包括殘余原生粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、微孔隙和微裂縫等；巖心實(shí)測(cè)基質(zhì)孔隙度一般為1.5%～5.5%，基質(zhì)滲透率一般(0.01～0.1)×10-3μm2。巖心及成像測(cè)井等資料顯示，巴什基奇克組構(gòu)造裂縫發(fā)育，屬于超深層低孔裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層。

2 構(gòu)造裂縫基本特征

克深氣田具有豐富的巖心、成像測(cè)井和天然氣產(chǎn)量等資料，本文共利用5個(gè)氣藏39口井的取心(其中發(fā)育裂縫總計(jì)1791條)、44口井的目的層段成像測(cè)井和61口井的天然氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)(表1)，對(duì)構(gòu)造裂縫的類(lèi)型、特征及差異性進(jìn)行分析。

表1 克深氣田巴什基奇克組構(gòu)造裂縫參數(shù)及天然氣產(chǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源Table 1 Statistics of tectonic fracture parameters and natural gas production data of the K1bs in Keshen gas field

按照傾角不同，可將構(gòu)造裂縫分為直立縫(θ≥75°)、高角度縫(45°≤θ<75°)、低角度縫(15°≤θ<45°)和水平縫(0°≤θ<15°)4類(lèi),其中θ為裂縫傾角[9]。巖心觀察表明(圖2)，克深氣田的構(gòu)造裂縫以直立縫和高角度縫為主，剪切裂縫和張性裂縫均有不同程度的發(fā)育。剪切裂縫的裂縫面平直，延伸較遠(yuǎn)，可切穿層理面，部分剪切裂縫具有微小斷距，開(kāi)度通常小于0.5 mm，一般為未充填或少量充填；張性裂縫的裂縫面彎曲，延伸范圍有限，開(kāi)度一般在0.5～1 mm，個(gè)別可達(dá)2～3 mm，多被方解石、硬石膏和白云石等礦物充填，其中的方解石充填物有時(shí)可見(jiàn)酸性地層水溶蝕形成的小型孔洞。構(gòu)造裂縫多發(fā)育在粉砂巖和細(xì)砂巖中，并且通常終止于砂泥巖界面，少見(jiàn)透入泥巖的裂縫。在泥巖中多發(fā)育規(guī)模較小的張裂縫，偶見(jiàn)直立的剪切裂縫。由于泥巖多以薄夾層形式出現(xiàn)在多套砂巖之間，其中的裂縫數(shù)量有限，因此對(duì)構(gòu)造裂縫總體發(fā)育程度的貢獻(xiàn)率較低。

圖2 克深氣田巴什基奇克組典型構(gòu)造裂縫巖心照片F(xiàn)ig.2 Typical tectonic fractures in cores of K1bs in Keshen gas fielda.克深503井，埋深6 895.7 m，高角度張性縫，方解石充填；b.克深505井，埋深6 773.9 m，直立張性縫，方解石半充填；c.克深602井，埋深6 009.4 m，密集的直立張性縫，方解石充填；d.克深2-1-5井，埋深6 723.2 m，直立張性縫，方解石充填，方解石發(fā)生局部溶蝕形成小型孔洞；e.克深202井，埋深6 765.8 m，直立剪切縫，方解石微量充填；f.克深802井，埋深7 236.6 m，高角度張性縫，硬石膏充填；g.克深8-8井，埋深6 879.0 m，高角度剪切縫，硬石膏微量充填；h.克深902井，埋深7 974.3 m，未充填的高角度剪切縫和硬石膏充填的直立張性縫相交；i.克深905 井，埋深7 486.7 m，直立剪切縫，硬石膏和白云石少量充填

微觀構(gòu)造裂縫多切穿膠結(jié)物和部分顆粒，縫寬從10～100 μm不等，沿裂縫可發(fā)生長(zhǎng)石等礦物的局部溶蝕，早期滲流砂或方解石、硬石膏和白云石等礦物充填的構(gòu)造裂縫在后期構(gòu)造應(yīng)力和異常高壓流體作用下易沿顆粒邊緣或原有裂縫面重新裂開(kāi)(圖3)。由于開(kāi)度通常較小，因此微觀構(gòu)造裂縫對(duì)提高儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)十分有限，主要起儲(chǔ)集空間的作用，并且可以切穿基質(zhì)顆粒，連通基質(zhì)孔隙，從而改善儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)[23,34]。

圖3 克深氣田巴什基奇克組微觀構(gòu)造裂縫Fig.3 Tectonic microfractures of K1bs in Keshen gas fielda.克深501井，埋深6 746.6 m，構(gòu)造裂縫切穿膠結(jié)物和部分顆粒，縫寬約50 μm；b.克深506井，埋深6 567.7 m，沿早期白云石充填裂縫重新裂開(kāi)，縫寬約25 μm；c.克深6井，埋深5 618.1 m，白云石充填構(gòu)造裂縫，縫寬約3 mm，發(fā)育白云石晶間孔隙；d.克深201井，埋深6 706.7 m，構(gòu)造裂縫切穿顆粒，縫寬約10 μm，沿裂縫發(fā)生局部顆粒溶蝕；e.克深801井，埋深7 227.3 m，構(gòu)造裂縫切穿顆粒，縫寬約100 μm；f.克深802井，埋深7 235.1 m，早期白云石充填構(gòu)造裂縫重新裂開(kāi)，縫寬約40 μm；g.克深8004井，埋深7 004.2 m，早期滲流砂充填構(gòu)造裂縫重新裂開(kāi)，裂縫繞過(guò)顆粒，縫寬約10 μm；h.克深902井，埋深7 928.0 m，沿構(gòu)造裂縫發(fā)生溶蝕，縫寬約25 μm；i.克深 904井，埋深7 849.1 m，構(gòu)造裂縫切穿顆粒，縫寬約10 μm

構(gòu)造裂縫在成像測(cè)井圖像上表現(xiàn)為正弦曲線，發(fā)育平行式、斜交式、共軛式和網(wǎng)狀式等組合類(lèi)型(圖4)。根據(jù)正弦曲線的幾何形態(tài)，可獲取裂縫的傾向、傾角等產(chǎn)狀信息，并根據(jù)公式(1)計(jì)算裂縫的線密度[33,35]。

圖4 克深氣田巴什基奇克組成像測(cè)井構(gòu)造裂縫組合類(lèi)型Fig.4 Assemblage types of tectonic fractures on image logs of K1bs in Keshen gas fielda.克深501井，1組平行裂縫；b.克深6井，網(wǎng)狀裂縫；c.克深201井，1組共軛裂縫；d.克深8井，2組裂縫斜交

D=N/H

(1)

式中：D為裂縫線密度，條/m；H為井段長(zhǎng)度，m；N為成像測(cè)井識(shí)別的裂縫數(shù)量，條。

3 構(gòu)造裂縫的形成序列

構(gòu)造裂縫形成于構(gòu)造應(yīng)力作用，因此構(gòu)造裂縫的形成期次通常與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，各期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不同，所形成的構(gòu)造裂縫在產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)等特征上也會(huì)有明顯差異，并且一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)造裂縫形成越早，充填程度越高，常被后期形成的構(gòu)造裂縫切割和錯(cuò)斷[22-23]。參考前人對(duì)庫(kù)車(chē)坳陷構(gòu)造變形的地質(zhì)分析及物理模擬成果[36-38]，利用最新的地震解釋剖面，運(yùn)用平衡剖面技術(shù)恢復(fù)了庫(kù)車(chē)坳陷中部剖面(過(guò)克深2井)的構(gòu)造演化史(圖5)。再結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化史、儲(chǔ)層沉積埋藏史[39-40]以及構(gòu)造裂縫的產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)、交切關(guān)系和充填程度等特征和裂縫充填物碳氧同位素測(cè)溫結(jié)果(表2)，認(rèn)為克深氣田巴什基奇克組的構(gòu)造裂縫可分為3期[9,39-43]。

圖5 庫(kù)車(chē)坳陷中部白堊紀(jì)—第四紀(jì)構(gòu)造演化Fig.5 Tectonic evolution of the Cretaceous-Quaternary in central Kuqa Depression

表2 克深2氣藏巴什基奇克組構(gòu)造裂縫充填物碳氧同位素特征Table 2 C-O isotopes of tectonic fracture fills in K1bs of Keshen-2 gas pool

第1期構(gòu)造裂縫形成于白堊紀(jì)末期—新近紀(jì)吉迪克組沉積期的近NS向伸展作用及短暫的擠壓抬升(燕山運(yùn)動(dòng)-喜馬拉雅早期運(yùn)動(dòng))，該時(shí)期的水平最大主應(yīng)力為35.2～59.9 MPa，主要形成少量近EW走向的張性裂縫和近NS走向的剪切裂縫，已被方解石、硬石膏或白云石等礦物完全充填成為無(wú)效裂縫(克深2氣藏裂縫方解石充填物形成溫度為89～91 ℃)，但少數(shù)可在后期構(gòu)造應(yīng)力和異常流體高壓作用下沿原裂縫面重新裂開(kāi)成為有效裂縫；第2期構(gòu)造裂縫形成于新近紀(jì)康村組沉積期—庫(kù)車(chē)組沉積早期的近NS向擠壓作用(喜馬拉雅中期運(yùn)動(dòng))，該時(shí)期水平最大主應(yīng)力約74.8 MPa，主要形成一定數(shù)量的近NS走向的剪切裂縫，一般為半充填，保留了一定的滲流能力(克深2氣藏裂縫方解石充填物形成溫度為106～109 ℃)；第3期構(gòu)造裂縫形成于新近紀(jì)庫(kù)車(chē)組沉積晚期—第四紀(jì)西域組沉積期的近NS向強(qiáng)烈擠壓推覆作用(喜馬拉雅晚期運(yùn)動(dòng))，該時(shí)期水平最大主應(yīng)力約80.9 MPa，地層在推覆擠壓應(yīng)力作用下發(fā)生強(qiáng)烈彎曲，伴隨著大量逆沖斷層的形成，克深地區(qū)的疊瓦沖斷構(gòu)造最終定型，在此構(gòu)造應(yīng)力背景下發(fā)育2種成因的構(gòu)造裂縫，一種是擠壓應(yīng)力直接產(chǎn)生的近NS走向剪切裂縫，另一種是背斜彎曲變形產(chǎn)生的近EW走向張性裂縫，多為未充填、少量充填或半充填(克深2氣藏裂縫方解石充填物形成溫度為122～129 ℃)，該期構(gòu)造裂縫數(shù)量較多，并且其形成時(shí)間與天然氣的大量充注期吻合[24,44-45]，是克深氣田工業(yè)規(guī)模性氣藏最終形成的關(guān)鍵因素(圖6)。

圖6 克深氣田巴什基奇克組構(gòu)造裂縫形成序列(最大古構(gòu)造應(yīng)力σmax采用庫(kù)車(chē)坳陷的數(shù)據(jù)，據(jù)曾聯(lián)波等[39])Fig.6 Forming sequence of tectonic fractures of K1bs in Keshen gas field (σmax is derived after reference[39])

4 構(gòu)造裂縫差異分布及成因

利用巖心裂縫觀察及成像測(cè)井裂縫解釋結(jié)果，結(jié)合單井無(wú)阻流量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造裂縫的產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)、密度、有效開(kāi)度、充填性和充填物等方面在不同氣藏之間具有明顯的差異性(表3)。由于白堊紀(jì)—古近紀(jì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較弱，形成的第1期構(gòu)造裂縫數(shù)量很少，對(duì)不同氣藏之間構(gòu)造裂縫的差異性影響較小，因此起控制作用的主要為新近紀(jì)康村組沉積期以后的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

表3 克深氣田不同氣藏之間巴什基奇克組構(gòu)造裂縫差異性Table 3 Differences in tectonic fractures of gas reservoirs in K1bs of Keshen gas field

4.1 產(chǎn)狀和力學(xué)性質(zhì)差異性

從構(gòu)造位置來(lái)看，克深5氣藏位于克深氣田和大北氣田之間的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，除了受到近NS向的構(gòu)造應(yīng)力分量外，還受到NE-SW向的左旋剪切應(yīng)力分量[46]，從而導(dǎo)致局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜化，裂縫產(chǎn)狀多變。根據(jù)成像測(cè)井的解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn)，克深5氣藏西南部的構(gòu)造裂縫優(yōu)勢(shì)走向和現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方位均為近EW向，中部漸變?yōu)镹W-SE向，東南部又漸變?yōu)榻麼S向。

由表3可見(jiàn)，除克深5氣藏外，構(gòu)造裂縫的優(yōu)勢(shì)走向自北向南由以近EW向?yàn)橹?克深6氣藏)過(guò)渡為近EW向和近NS向共存，其間還有少量NW-SE向的裂縫(克深2和克深8氣藏)，再過(guò)渡為以近NS向?yàn)橹?克深9氣藏)；傾角自北向南逐漸增大，由以高角度縫為主(克深5和克深6氣藏)過(guò)渡為以直立縫為主(克深2、克深8和克深9氣藏)，并且直立縫的比例逐漸增大；力學(xué)性質(zhì)由以張性裂縫為主(克深5和克深6氣藏)過(guò)渡為以剪切裂縫為主(克深2、克深8和克深9氣藏)，并且剪切裂縫的比例自北向南逐漸增大。構(gòu)造裂縫的這種分布規(guī)律主要與不同氣藏的構(gòu)造擠壓變形時(shí)間和變形速率差異有關(guān)。

克深氣田所在的克拉蘇沖斷帶屬于典型的前展式?jīng)_斷構(gòu)造[47-49]，在吉迪克組沉積期以前整體發(fā)生微弱變形，南部和北部的變形沒(méi)有明顯的差異性。吉迪克組沉積期以后，不同部位的變形開(kāi)始出現(xiàn)差異。北部靠近南天山造山帶的地區(qū)擠壓變形時(shí)間相對(duì)較早(圖5)，在新近系康村組沉積期就已開(kāi)始變形，此時(shí)變形速率相對(duì)較慢，地層發(fā)生蠕變彎曲形成背斜構(gòu)造，產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫以近似平行于背斜長(zhǎng)軸(近EW向)的張性裂縫為主，在長(zhǎng)軸軸線上為直立縫，翼部為高角度縫。另外伴隨著逆沖斷層的推覆滑移，還產(chǎn)生了一定數(shù)量的斷層伴生低角度-水平縫，通常為剪切性質(zhì)，主要發(fā)育在翼部和斷層附近，呈近EW向。在新近系庫(kù)車(chē)組沉積期以后的快速擠壓推覆時(shí)，早期的張性裂縫和低角度-水平縫在一定程度上限制了近NS向剪切裂縫的形成，并且隨著背斜的進(jìn)一步彎曲，又會(huì)形成新的近EW向直立或高角度張性裂縫，造成北部的克深6氣藏以高角度縫和張性裂縫為主，直立縫和剪切裂縫相對(duì)較少，克深5氣藏局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)雖然較復(fù)雜，但整體變形過(guò)程與克深6氣藏相似，因此構(gòu)造裂縫的傾角和力學(xué)性質(zhì)也與克深6氣藏相近，只是在氣藏內(nèi)部走向變化較大。

中部地區(qū)(克深2氣藏)在新近系庫(kù)車(chē)組沉積早中期開(kāi)始變形收縮，因此構(gòu)造裂縫的形成時(shí)間略晚于克深5和克深6氣藏，并且在部分近EW向的張性裂縫和低角度-水平縫形成之后或近于同時(shí)，即受到庫(kù)車(chē)組沉積晚期的快速擠壓推覆，早期裂縫對(duì)該時(shí)期剪切裂縫的限制作用有限，從而造成近EW向和近NS向裂縫共存，并且以近NS向占優(yōu)勢(shì)的局面。同時(shí)，成像測(cè)井解釋結(jié)果表明近NS向的剪切裂縫以直立為主，因此克深2氣藏直立縫的比例略有增大。此外還發(fā)育NW-SE向裂縫，僅在背斜傾沒(méi)端的個(gè)別井中發(fā)育，可能與局部構(gòu)造應(yīng)力方位的變化有關(guān)。

南部地區(qū)(克深8和克深9氣藏)靠近前淵帶，直到新近系庫(kù)車(chē)組沉積晚期—第四紀(jì)西域組沉積期才陸續(xù)發(fā)生擠壓變形(圖5)，此時(shí)強(qiáng)烈的擠壓推覆作用使地層彎曲出現(xiàn)背斜形態(tài)之前即產(chǎn)生大量的近NS向剪切裂縫，限制了后期因背斜彎曲變形產(chǎn)生的張性裂縫和斷層相關(guān)低角度-水平縫的發(fā)育，因此克深8和克深9氣藏的構(gòu)造裂縫整體上以近NS向的剪切裂縫為主，直立縫比例與克深2氣藏相比進(jìn)一步增大，僅在背斜長(zhǎng)軸的部分井中發(fā)育近EW向的張性裂縫，低角度-水平縫基本不發(fā)育。

4.2 密度差異性

前人研究表明，構(gòu)造裂縫密度受構(gòu)造應(yīng)力、儲(chǔ)層巖性、巖石力學(xué)性質(zhì)、巖層厚度、沉積微相等諸多因素的影響[16,33,50-52]?？松顨馓锇褪不婵私M為一大型的辮狀河(扇)三角洲前緣朵體，平面上分布穩(wěn)定[53]，因此對(duì)于克深氣田的不同氣藏而言，儲(chǔ)層巖性、巖層厚度和沉積微相等因素差異較小，影響構(gòu)造裂縫密度差異性的主要因素為構(gòu)造應(yīng)力及儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)的差異[54-57]。

克深氣田自北向南儲(chǔ)層埋深逐漸增加，主差應(yīng)力隨之逐漸增大，但埋深增加同時(shí)也造成儲(chǔ)層壓實(shí)作用增強(qiáng)，巖石抗壓強(qiáng)度增大。其中主差應(yīng)力為水平最大主應(yīng)力與水平最小主應(yīng)力的差值，巖石抗壓強(qiáng)度為巖石破壞時(shí)單位面積上的應(yīng)力值，反映了巖石在受擠壓應(yīng)力時(shí)抵抗破壞的能力。上述參數(shù)可利用測(cè)井資料，通過(guò)以下方程組計(jì)算[58-60]：

(2)

式中：σh，σH和σV分別為水平最小主應(yīng)力、水平最大主應(yīng)力和垂向主應(yīng)力，MPa；σx，σy分別為x方向、y方向上的構(gòu)造應(yīng)力分量，MPa；μ為巖石泊松比，無(wú)量綱；α為Biot系數(shù)，無(wú)量綱；pp為地層壓力，MPa；Z為地層深度，m；ρ(Z)為上覆巖層密度，是與地層深度Z有關(guān)的函數(shù)，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Δtp和Δts分別為縱波時(shí)差和橫波時(shí)差，μs/m；E為巖石楊氏彈性模量，MPa；ρb為巖石骨架密度，kg/m3；σd為主差應(yīng)力，MPa；S為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；Vsh為巖石泥質(zhì)百分含量，小數(shù)。

相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)表明，克深氣田主差應(yīng)力與巖石抗壓強(qiáng)度的比值與裂縫線密度有良好的正相關(guān)性，自北向南具有先增大后減小的趨勢(shì)，其中克深2氣藏主差應(yīng)力與巖石抗壓強(qiáng)度的比值最高，因此構(gòu)造裂縫密度最大(圖7)。

圖7 克深氣田巴什基奇克組主差應(yīng)力/抗壓強(qiáng)度與裂縫密度的關(guān)系Fig.7 Relationship between deviator stress/compressive strength ratios and fracture density of K1bs in Keshen gas field

4.3 有效開(kāi)度差異性

構(gòu)造裂縫的現(xiàn)今有效開(kāi)度與裂縫初始開(kāi)度、裂縫走向和現(xiàn)今應(yīng)力方位的關(guān)系以及裂縫充填率等因素有關(guān)。北部的克深6和克深5氣藏以張性裂縫為主，裂縫的初始開(kāi)度較大，但其中克深6氣藏的構(gòu)造裂縫優(yōu)勢(shì)走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方位近似垂直，裂縫容易受壓閉合，并且充填率較高，而克深5氣藏的構(gòu)造裂縫優(yōu)勢(shì)走向雖然與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方位近似平行，裂縫不易受壓閉合，但同樣具有較高的充填率，因此這2個(gè)氣藏的構(gòu)造裂縫有效開(kāi)度相對(duì)較低(0.1～0.5 mm)；南部的克深8和克深9氣藏以剪切裂縫為主，裂縫初始開(kāi)度相對(duì)較小，但其優(yōu)勢(shì)走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方位近似平行，構(gòu)造裂縫的開(kāi)度不會(huì)因現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力擠壓明顯減小，并且充填率較低，因此構(gòu)造裂縫有效開(kāi)度較大(0.1～1.5 mm)(表3)；中部克深2氣藏的構(gòu)造裂縫一部分走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方位近似平行，另一部分近似垂直，并且充填率中等，因此構(gòu)造裂縫有效開(kāi)度也為中等大小(0.1～1.0 mm)。

4.4 充填率和充填物差異性

巖心觀察結(jié)果表明，克深氣田北部克深5、克深6氣藏和中部克深2氣藏的裂縫充填物以方解石為主，充填率可達(dá)60%～70%；南部克深8和克深9氣藏的裂縫充填物以硬石膏和少量白云石為主，充填率僅約26%～27%(表3)。

構(gòu)造裂縫充填物的差異性主要受成巖孔隙水介質(zhì)環(huán)境控制。克深氣田巴什基奇克組儲(chǔ)層的優(yōu)質(zhì)層段主要集中在中上部，是一套以細(xì)砂巖和粉砂巖為主的辮狀河三角洲沉積體系，物源主要來(lái)自北部的南天山造山帶(圖8)?？傮w上，巴什基奇克組沉積期以炎熱干旱氣候?yàn)橹?，沉積水體呈咸化狀態(tài)。但由于研究區(qū)北部地勢(shì)較高，水體相對(duì)較淺，再加上靠近山區(qū)，氣候相對(duì)偏濕，古克拉蘇河的季節(jié)性淡水持續(xù)注入[61]，降低了水體鹽度，使得巴什基奇克組沉積期整體上為淡水-半咸水介質(zhì)成巖環(huán)境，因此在儲(chǔ)層中形成了大量淡水-半咸水成因的方解石膠結(jié)物。當(dāng)這些方解石膠結(jié)物在構(gòu)造裂縫形成以后發(fā)生溶解-再沉淀作用時(shí)，即在裂縫兩壁形成現(xiàn)今巖心上所觀察到的方解石充填物。Keith等總結(jié)了區(qū)分侏羅紀(jì)以來(lái)海相成因灰?guī)r和淡水成因灰?guī)r的經(jīng)驗(yàn)公式[62-63]：

圖8 庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶巴什基奇克組辮狀河三角洲沉積模式Fig.8 Depositional pattern of braided river delta facies of K1bs in Kuqa foreland thrust belt

Z=2.048(δ13C+50)+0.498(δ18O+50)

(3)

式中：δ13C和δ18O分別為碳同位素和氧同位素，均為PDB標(biāo)準(zhǔn)，‰。當(dāng)Z大于120時(shí)為海相成因灰?guī)r，Z小于120時(shí)為淡水成因灰?guī)r。

根據(jù)構(gòu)造裂縫方解石充填物的碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算得出的Z值為111.4～115.3(表2)，小于120但與120十分接近，表明克深氣田構(gòu)造裂縫中的方解石充填物確應(yīng)形成于淡水-半咸水介質(zhì)成巖環(huán)境。

研究區(qū)南部地勢(shì)較低，水體相對(duì)較深，同時(shí)缺乏淡水注入，整體表現(xiàn)為偏堿性水成巖環(huán)境，水體鹽度較高，儲(chǔ)層中的膠結(jié)物主要為硬石膏和白云石[64](圖9)。

圖9 庫(kù)車(chē)前陸沖斷帶博孜―大北―克深地區(qū)巴什基奇克組沉積期成巖環(huán)境與膠結(jié)物類(lèi)型(據(jù)文獻(xiàn)[64]修改)Fig.9 Diagenetic settings and cement types of the K1bs in Bozi-Dabei-Keshen areas of Kuqa foreland thrust belt黃色區(qū)域?yàn)榈?半咸水介質(zhì)成巖環(huán)境，主要方解石膠結(jié)；藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠珘A性水介質(zhì)(鹽湖)成巖環(huán)境，白云石、硬石膏、巖鹽等膠結(jié)

裂縫充填性的差異性主要與構(gòu)造裂縫的形成時(shí)間有關(guān)。研究區(qū)所在的大北-克深地區(qū)，白堊系巴什基奇克組共經(jīng)歷了古近系-新近系康村組沉積早期(>6 Ma)、康村組沉積晚期-庫(kù)車(chē)組沉積早期(6～5 Ma)和庫(kù)車(chē)組沉積晚期(3～2 Ma)3期主要的膠結(jié)作用[65]。如前文所述，在燕山晚期-喜馬拉雅期的前展式逆沖推覆作用下，研究區(qū)北部克深5和克深6氣藏的構(gòu)造裂縫在康村組沉積期便開(kāi)始產(chǎn)生，因此完整經(jīng)歷了上述3期膠結(jié)作用，形成了大量的方解石充填物，充填率約70%；中部克深2氣藏的構(gòu)造裂縫形成于庫(kù)車(chē)組沉積早中期，只經(jīng)歷了后兩期膠結(jié)作用，充填物仍以方解石為主，充填率降至60%左右；南部克深8和克深9氣藏的構(gòu)造裂縫形成于庫(kù)車(chē)組沉積晚期，只經(jīng)歷了最后一期膠結(jié)作用，因此在構(gòu)造裂縫中只形成了少量的硬石膏和白云石充填物，充填率僅30%左右(表3)。

5 討論

綜合構(gòu)造裂縫的產(chǎn)狀、密度、有效開(kāi)度、充填性和充填物等進(jìn)行定性評(píng)價(jià)后認(rèn)為，克深8氣藏的構(gòu)造裂縫密度和有效開(kāi)度較大，并且充填率低，整體有效性最好，因此天然氣無(wú)阻流量也最高(320×104～900×104m3/d)，克深5和克深6氣藏的構(gòu)造裂縫密度和有效開(kāi)度均較低，并且充填率高，整體有效性較差，因此天然氣無(wú)阻流量?jī)H分別為80×104～350×104m3/d和90×104～220×104m3/d，克深2和克深9氣藏的構(gòu)造裂縫整體有效性中等，無(wú)阻流量分別為110×104～530×104m3/d和100×104～440×104m3/d(表3)。構(gòu)造裂縫充填物的差異性決定了不同氣藏采取的儲(chǔ)層改造措施也應(yīng)有所不同，克深5、克深6和克深2氣藏的構(gòu)造裂縫充填物以易于與酸發(fā)生反應(yīng)的方解石為主，因此酸化可有效改善裂縫的有效性，提高產(chǎn)量，例如克深205井6 890～6 976 m采用6 mm油嘴求產(chǎn)，酸化前日產(chǎn)量?jī)H約3×104m3，酸化后(未壓裂)提高到41×104m3；克深8和克深9氣藏的構(gòu)造裂縫充填物以硬石膏和白云石為主，不易與酸發(fā)生反應(yīng)，并且本身含量也較低，酸化改造提產(chǎn)效果十分有限，例如克深8-3井6 953～7 062 m采用5 mm油嘴求產(chǎn)，酸化前日產(chǎn)量30.2×104m3，酸化后僅提高到31.1×104m3，因此對(duì)于克深8和克深9氣藏的儲(chǔ)層改造應(yīng)以壓裂為主，例如克深805井6 959～7 087 m采用6 mm油嘴求產(chǎn)，體積壓裂前日產(chǎn)量幾乎為0，體積壓裂后提高到44×104m3。

克深氣田的勘探目前正逐漸向前淵帶和東西兩側(cè)推進(jìn)，根據(jù)上述規(guī)律推測(cè)，在克深9氣藏南部靠近前淵帶的地區(qū)，直立剪切構(gòu)造裂縫的比例應(yīng)有所增大，而構(gòu)造裂縫密度、充填率和有效開(kāi)度均應(yīng)有所降低，整體發(fā)育程度要低于克深9氣藏，天然氣產(chǎn)量相應(yīng)下降。從靠近前淵帶的克深13井巖心來(lái)看，直立剪切裂縫的比例可達(dá)80%以上，除少數(shù)高角度裂縫被硬石膏和白云石充填外，其余裂縫均未被充填，有效開(kāi)度0.1～1.0 mm，但成像測(cè)井解釋的構(gòu)造裂縫線密度僅約0.06條/m，加砂壓裂后的無(wú)阻流量?jī)H約50×104m3/d，這表明前述構(gòu)造裂縫的分布規(guī)律預(yù)測(cè)是符合實(shí)際地質(zhì)情況的。因此，根據(jù)沖斷帶內(nèi)各個(gè)沖斷片的相對(duì)位置及圈閉規(guī)模推測(cè)，與克深2、克深8和克深9氣藏處于相同斷片的克深18、克深19、克深20和克深24號(hào)構(gòu)造的裂縫整體有效性較高，具有較大的勘探潛力，可作為克深氣田下一步勘探的重點(diǎn)目標(biāo)。

6 結(jié)論

1) 克深氣田主要發(fā)育3期構(gòu)造裂縫，以直立縫和高角度縫為主；不同氣藏之間的構(gòu)造裂縫發(fā)育特征具有明顯的差異性，主要受構(gòu)造變形時(shí)間和成巖孔隙水介質(zhì)環(huán)境控制。

2) 北部克深5和克深6氣藏靠近造山帶，在早期緩慢擠壓變形背景下，形成的裂縫以與背斜長(zhǎng)軸近似平行的直立或高角度張性裂縫為主；中部克深2氣藏變形時(shí)間稍晚，表現(xiàn)出近NS走向剪切裂縫和近EW走向張性裂縫共存，并且前者略占優(yōu)勢(shì)的特征，直立縫的比例有所增加；南部克深8和克深9氣藏變形時(shí)間最晚，在強(qiáng)烈的擠壓推覆作用下，形成的裂縫整體上以近NS走向的剪切裂縫為主，直立縫比例進(jìn)一步增加。

3) 克深氣田的裂縫密度主要受控于構(gòu)造應(yīng)力和巖石力學(xué)性質(zhì)，主差應(yīng)力與巖石抗壓強(qiáng)度的比值自北向南總體上先增大后減小，克深2氣藏該比值最大，因此裂縫密度最高。

4) 北部克深5和克深6氣藏的裂縫優(yōu)勢(shì)走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力呈大角度相交且充填率高，裂縫有效開(kāi)度較小；中部克深2氣藏一部分裂縫的優(yōu)勢(shì)走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力近似平行，一部分近似垂直，充填率中等，因此裂縫有效開(kāi)度中等大?。荒喜靠松?和克深9氣藏裂縫的優(yōu)勢(shì)走向與現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力近似平行且充填率低，裂縫有效開(kāi)度較大。

5) 巴什基奇克組沉積期的水體總體呈咸化狀態(tài)。北部克深5、克深6和克深2區(qū)塊地勢(shì)較高，水體相對(duì)較淺，加上古克拉蘇河的季節(jié)性淡水持續(xù)注入，形成了淡水-半咸水介質(zhì)成巖環(huán)境，因此裂縫充填物主要為淡水-半咸水成因的方解石，儲(chǔ)層改造措施應(yīng)以酸化為主；南部克深8和克深9區(qū)塊地勢(shì)較低，水體相對(duì)較深，同時(shí)缺乏淡水注入，表現(xiàn)為偏堿性水成巖環(huán)境，形成的裂縫充填物主要為硬石膏和白云石，儲(chǔ)層改造措施應(yīng)以壓裂為主。自北向南，裂縫形成時(shí)間越來(lái)越晚，所經(jīng)歷的膠結(jié)作用越來(lái)越弱，因此裂縫充填率逐漸降低。

6) 克深8氣藏的構(gòu)造裂縫整體有效性最好，其次為克深2和克深9氣藏，克深5和克深6氣藏的構(gòu)造裂縫整體有效性較差；根據(jù)沖斷片的相對(duì)位置及圈閉規(guī)模，推測(cè)克深18、克深19、克深20和克深24號(hào)構(gòu)造的裂縫有效性較高，具有較大的勘探潛力，可作為克深氣田下一步勘探的重點(diǎn)目標(biāo)。