X油田斷裂系統演化及低序級斷層刻畫研究

李 鑫金 利沈忠山孫 丹

(大慶油田有限責任公司第四采油廠,黑龍江 大慶 163511)

1 X 油田斷裂系統概況

X油田斷裂系統復雜,井震結合研究之后共識別大小斷層249 條,斷層密度1.3 條/k m2,區內NW,NWW,NE和SN 這4種走向斷層共存,并且呈條帶狀分布,證明每一種走向的斷層是相同應力環境下相同期次構造活動的產物,4種走向的斷層也代表4個構造活動期次,但目前各種走向斷層的演化順序尚不明確。圖1所示為X 油田斷層平面示意圖。由于各種走向斷層在區內縱橫交錯發育,局部斷層分布密集,導致斷層在地震資料上的特征模糊或者混亂,增加了對斷層空間展布形態、搭接關系及大斷層邊部低序級斷層識別與精細刻畫的難度。為進一步提高斷層的刻畫精度,有必要深入研究斷裂系統的演化過程,理順不同走向斷層間的分段生長關系,將復雜大斷層化整為零,剖析其內部結構,進而指導對復雜大斷層演化過程中形成的低序級斷層的精細刻畫。

圖1 X油田斷層平面示意圖Fig.1 Fault plan of X Oilfield

2 各走向斷層演化順序研究

根據斷層的成因機制、區域性斷層要素分析、斷層斷距分析及不同走向斷層切割關系研究等手段,判斷各走向斷層演化的先后順序。

2.1 近南北向斷層演化次序研究

將X油田及周邊區域的斷層按T2頂面的位置繪制斷層平面圖,并將不同走向的斷裂密集帶分顏色填充,形成T2層斷裂系統分布特征圖,如圖2所示。統計長垣構造和兩側坳陷斷層走向,繪制不同構造帶斷層走向玫瑰圖,如圖3所示。綜合分析圖2和圖3,發現長垣兩側坳陷斷層走向主體為近NS向,局部為NNW 向;而長垣構造發育多種方位斷層,包括SN,NNW(近SN),NW,NWW 和NE 向斷層。上述現象說明,NW,NWW 和NE這3種走向斷層僅在經歷了構造反轉運動的長垣背斜帶大規模發育,而近SN 向斷層在反轉背斜和背斜之外的區域均有發育,證明NW,NWW 和NE這3種走向斷層形成于構造反轉期,近SN 向斷層形成于坳陷期,為東西向應力場作用的結果。

圖2 長垣T2層斷裂系統及背斜分布規律Fig.2 The T2 layer fault systemand anticline distribution of Changyuan

圖3 不同構造帶斷層走向統計規律Fig.3 Statistical law of fault strikein different structural belts

由上述分析得出,X油田各走向斷層中,近SN向斷層為最早形成。

2.2 北東向斷層演化次序研究

將長垣從北至南在地震資料上反映的褶皺幅度及褶皺對稱指數進行統計并繪制成曲線,將每個二級構造發育NEE向斷層數量與曲線一一對應,形成不同構造帶變形強度與NEE向斷層發育關系,如圖4所示。從整個長垣的角度來分析,NE向斷層僅發育在NNE向正反轉斷層發育區,從統計不同構造帶變形強度和NE向斷層發育關系來看,進一步證實背斜反轉強度越大,NE向斷層越發育,說明NE向斷層的形成受NNE向反轉背斜帶的影響。

圖4 不同構造帶變形強度與NEE向斷層發育的關系Fig.4 The relationship bet ween the defor mation strength of different structural belts and the development of NEEtrending faults

為驗證NE向斷層與NNE向反轉背斜帶的關系,設計了沙箱物理模擬實驗,如圖5所示。沙箱兩端擋板模擬構造反轉期的擠壓應力場,底部設置膠皮模擬先存構造控制反轉背斜走向。物理模擬的結果表明,在擠壓應力作用下,形成了反轉背斜,背斜走向受先存構造的控制,沿背斜發育一系列張性正斷層,反映出背斜形成過程中的伸展應力環境。物理模擬實驗的結果如圖6所示,在基地薄弱帶內出現新生斷層,其走向與應力方向正交,與長垣構造反轉期應力環境、反轉背斜走向及NE向斷層走向的配置關系完全相符,證明NE向斷層的形成受控于NNE向反轉背斜帶,走向與擠壓應力的方向正交。其形成原理是縱彎褶皺和擠壓雙重作用的結果,應力分析及效果示意圖如圖7所示,在反轉背斜形成的后期,地層頂部由于彎曲被拉伸,在背斜頂端形成剪裂斷層帶。

圖6 NE向斷層物理模擬驗證結果Fig.6 NE-direction fault physical simulation verification results

圖7 NE向斷層縱彎褶皺和擠壓雙重作用成因示意圖Fig.7 Schematic diagram of the cause of the dual effects of longitudinal bending folds and compression on NE-trending faults

上述論證表明,NE向斷層形成于構造反轉的末期,在X油田各走向斷層中最晚形成。

2.3 北西和北西西向斷層演化次序研究

NW 和NWW 向斷層都是構造反轉期的壓扭應力場下形成,演化順序的區分較為困難,但仍可通過斷距分析的手段間接判斷。

根據斷層的演化規律,斷層在成核點處斷距最大,由成核點向四周斷距逐漸減小,直至斷距減小為零處斷層消亡。因此,可通過對斷層做斷距分析,判斷斷層的成核點,進而根據斷層成核部位推斷斷層演化的先后順序。

為有效分析斷距的垂向變化規律,以地震資料為基礎,針對X油田NW 走向和NWW 走向的若干斷層,統計斷層由淺至深的斷距值,繪制了斷距-埋深曲線,如圖8和圖9所示。圖中橫坐標為時間域的斷距值,縱坐標為地震雙程旅行時,斷距極大值指示了斷層的核部。

圖8 X油田F234斷層斷距-埋深曲線Fig.8 F234 fault-buried depth curve of X Oilfield

圖9 X油田不同走向斷層斷距-埋深曲線Fig.9 Fault distance-buried depth curves of different strikes in X Oilfield

從斷層埋深-斷距曲線可以看出,NWW 向斷層明顯表現為1期(T1)成核特點,而NW 向斷層形成具有兩期(T1和T2)成核特點,且形成時期明顯早于NWW 向斷層。

綜合上述論述,確定X油田4種走向斷層由早到晚的演化順序為近SN,NW,NWW,NE向。

3 各走向斷層分段生長關系研究

斷層分段生長的現象在X油田普遍存在,認清各種走向斷層之間的分段生長關系,對斷層形態的刻畫及低序級斷層的識別具有重要的指導意義。針對分段生長斷層,可以依據斷層的地震標準層形態及分段生長點處斷距減小的特性進行判斷。

3.1 近南北向斷層分段生長關系研究

近SN向斷層主要分布在X油田東南區域。圖10為X油田東南部T1地震反射層的等T0圖,其中藍色線標識了近SN 走向斷層,紅色線指示了NWW走向斷層。從斷層的平面展布形態上看,所有的近SN向斷層均為分段生長形成的復合斷層,走向上存在較大轉角,個別斷層的轉角接近90°。與近SN向斷層存在分段生長關系的為NW 向和NWW 向斷層,NE向斷層由于分布范圍與近SN向斷層不重疊,不存在分段生長關系。

圖10 SN向與NWW 向斷層分段生長現象(T1等T0圖)Fig.10 Segmented growth phenomenon of faults in SNand NWWdirections(the T1 layer)

3.2 北東向斷層分段生長關系研究

NE向斷層主要分布在X 油田西北區域。圖11所示為X 油田東北部T1地震反射層的等T0圖,從圖中斷層分布特征分析,其分段生長特性表現在2個方面:

圖11 NE向、NW 向、NWW 向斷層分段生長現象(T1等T0圖)Fig.11 Segmented growth phenomenon of faults in NE,NWand NWWdirections(the T1 layer)

一是NE 向斷層之間的分段生長,NE 向斷層普遍延伸長,斷距小,是斷層分段發育的典型特征,從地震標準層的形態上也可以觀察到分段發育的現象;

二是NE向斷層與NW,NWW 向斷層分段生長,3種走向斷層分布范圍重疊,在空間上搭接便會分段生長,尤其是NE向和NW 走向斷層之間易形成正交形態的分段生長斷層。

3.3 北西、北西西向斷層分段生長關系研究

NW 和NWW 兩種走向斷層在X 油田范圍內廣泛分布,圖12為X 油田內部典型的分段生長斷層的T1地震反射層等T0圖。從圖12可以看出,NW 和NWW 兩種走向斷層在平面上交錯搭接,形成了大量的分段生長斷層,導致X油田發育大量的“Z”字形、“L”形斷層。各種走向斷層的分段生長特性及關系證明,X油田斷層的穩定性較差,晚期形成的斷層發育時,早期形成的斷層再次復活,并與晚期斷層共同生長,現今斷層的發育形態是經歷多期構造運動,斷層多次發育累加的結果。

圖12 NW 向、NWW 向斷層分段生長現象(T1等T0圖)Fig.12 Segmented growth phenomenon of faults in NW and NWWdirections(the T1 layer)

4 斷層演化指導低序級斷層刻畫

由前文的論述可知,X油田斷裂系統演化的特征主要有分段生長與多期演化,2種特征在指導低序級斷層刻畫方面有重要作用。

4.1 斷層分段生長指導低序級斷層刻畫

圖13為利用沙箱在實驗室內模擬斷層分段生長演化過程(Fossen,2010),實驗結果展示了斷層分段生長經歷相互孤立、側列疊覆、軟連接和硬連接4個階段,硬連接后在斷層分段連接的部位,會生成一系列新生的斷層,與斷層主體關系密切,主要以斷層分支或者伴生小斷層的形式分布于大斷層邊部。

圖13 斷層分段生長演化沙箱實驗Fig.13 Sandbox experiment of fault segmented growth and evolution

此類小斷層規模較小,地震反映不敏感,同時由于附近大斷層的存在,使地震資料的響應混亂,導致小斷層不能被有效識別。利用以演化規律指導的斷層分段刻畫思想,可以提高對此類低序級斷層的識別及刻畫精度。

圖14為X 油田F03#-F04#斷層組合的三維地震解釋效果圖,由圖中看出其由NW,NWW 和NE 三種走向斷層分段生長形成,在分段生長點的部位斷裂密集分布,斷層組合關系復雜。圖15為斷層搭接部位地震剖面,從圖中看出,F04-1斷層的尾端由于斷距小,且距離F03,F04較近不易識別,通過以斷層分段生長模式為指導,將斷層拆分為多個相互搭接的小斷層分別進行井震結合精細解釋,識別出原未能有效識別的細小分支,各種走向斷層之間的搭建關系更加明確,刻畫精度提高。

圖14 X油田F03#-F04#斷層組合三維效果圖Fig.14 Three-dimensional renderings of F03#-F04#fault in X Oilfield

圖15 X油田F03#-F04#斷層組合地震剖面Fig.15 Seismic profileinterpretation of F03#-F04#fault in X Oilfield

4.2 斷層多期演化指導大斷層內部低序級斷層刻畫

在多期構造運動作用下,斷層會多次復活并經歷多次發育,每一次斷層活動并不會遵循同一個面,而是以分段疊覆的形態相互搭接,在斷層內部垂向分段的部位會形成難以識別的低序級斷層。圖16為X油田F77#,F80#斷層組合的地震剖面解釋結果,可以看出,青山口組地層發育早期形成的F77#,F80#兩條斷層,圖中由藍色線標識;姚家組時期F77#斷層繼續發育,圖中由紅色線標識。F77#,F80#斷層經歷了兩期發育,在多期斷層搭接部位發育低序級斷層,在斷層多期演化模式的指導下,常規解釋難以識別的低序級斷層得到了精細刻畫,井資料中小斷距的井斷點得到合理的組合。

圖16 X油田F77#和F80#斷層地震剖面解釋Fig.16 Seismic profile interpretation of F77#,F80#fault in X Oilfield

5 結論

1)X油田4種走向斷層的形成經歷了多個期次的構造演化,由早到晚的演化順序為近SN,NW,NWW 和NE向;

2)各種走向斷層的分段生長特性及關系證明,X油田斷層的穩定性較差,晚期形成的斷層發育時,早期形成的斷層再次復活,并與晚期斷層共同生長,現今斷層的發育形態是經歷多期構造運動,斷層多次發育累加的結果;

3)以斷層分段生長和多期演化的特性和規律為指導,可以有效提高對大斷層附近低序級斷層的識別及刻畫精度。