2018, Vol. 38
2. 山东科技大学地球科学与工程学院, 青岛市前湾港路579号, 266590
鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，盆地内地层平缓、接触整合、构造稳定，主要产油层以致密砂岩为主。然而构造裂缝在致密储层中较为发育，严重影响压裂施工及油气开发效率。多位学者从不同角度、采用不同方法对鄂尔多斯盆地中生代地层中的构造裂缝进行研究，涉及成因机制[1]、分布规律[2]、几何学特征[3]以及对油气成藏的贡献[4]等。
地层中构造裂缝是应力场微小变化的敏感标志，常具有较稳定且标志性的展布方位[5]。前人对盆地内构造裂缝的展布方位认识较为统一，但对裂缝的形成时代及形成机制尚未达成共识。本研究以姬塬-元城地区白垩系露头及三叠系延长组成像测井资料中搜集到的裂缝数据为依据，参考岩石声发射及高温高压实验，结合盆地构造演化史，从时间和空间维度探讨裂缝形成期次及形成的主导因素，并定量分析形成期次对应的应力场方位。
1 背景鄂尔多斯盆地经历了印支期大型克拉通内拗陷、燕山期类前陆盆地及喜马拉雅-新构造期盆地周缘断陷3大构造演化阶段[6]。早侏罗世以来，区域发生燕山运动，古太平洋板块及古特提斯洋向华北板块俯冲消减及陆块碰撞[7]，其远程效应在华北板块及鄂尔多斯盆地形成SE-NW向的挤压作用力[8]，对盆地产生明显改造作用[9]。新生代以来的喜山运动造成盆地南北部构造应力场差别很大，北部以拉张为主，南部以南西向挤压和右行走滑为主，中部北西、近东西向断层则具有左行走滑特征[10]。
研究区位于鄂尔多斯盆地中西部，区内中新生代地层平缓，无断层发育(图 1)。姬塬油田和元城油田位于研究区内，其储集层原始物性较差，构造裂缝普遍发育。裂缝控制了储层的渗流能力，连同砂体、不整合面等作为输导体系运移成藏[4]。
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图 1 研究区位置 Fig. 1 The location map of research area |
研究区为白垩系露头，裂缝集中发育在砂岩及细砂岩地层，终止于泥岩夹层(图 2(a))。对58个观测点、773条裂缝进行测量，对测量的裂缝产状利用吴氏网校正，消除由地层倾斜造成的偏差。将每个观测点的走向玫瑰花图根据观测点位置投放在区域地质图上(图 3(a))，并对节理走向进行统计。其走向分布具有以下特征：裂缝方位有两个明显区间，240°~280°即NEE-SWW，330°~20°即近S-N向；同时还有少量NW-SE和NE-SW向裂缝发育。不同方位的裂缝组系具有如下切割关系(图 2(b))：NE向和近S-N向切割了NW向和NEE向裂缝。这种切割关系反映该区至少发生了两期裂缝形成过程[11]。
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图 2 渠子乡都沟渠白垩系露头区裂缝展布特征 Fig. 2 The characteristics of the cretaceous outcrops fracture distribution of the Dugou canal section in Quzi country (a)裂缝发育特征; (b)裂缝展布特征; (c)裂缝平面展布示意图 |
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图 3 研究区裂缝走向玫瑰花图 Fig. 3 The trend rose diagram of fracture in the research area |
对工区24口成像测井资料进行高保真度处理，提取672条裂缝的产状信息。根据井位布置裂缝走向玫瑰花图(图 3b)，其走向分布具有以下特征：裂缝方位主要集中在240°~280°，即NEE-SWW；其次是NE-SW向裂缝发育，还有少量的近S-N向和SW-NE向裂缝，以高角度裂缝为主。
各油层组裂缝均以NEE-SWW及近E-W走向、裂缝倾角>60°为主，还存在少数NE-SW、NW-SE及近S-N向裂缝。分别对长4+5、长6、长7及长8油层组等目的层的裂缝特征进行统计分析(图 4)。
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图 4 姬塬-元城地区延长组裂缝产状特征 Fig. 4 The Fracture orientation characteristics of Yanchang group Jiyuan-Yuancheng area (a)、(b)、(c)分别为每个岩层组中裂缝的走向、倾向玫瑰花图及倾角直方图 |
长4+5段的天然裂缝发育程度较长6、长7和长8段要差，共提取裂缝77条，以倾角大于70°的高角度缝为主。裂缝优势方位呈北东东或近东西向展布，其次为北东向，还有少量近南北向。
长6、长7和长8段的天然裂缝发育，同样以高角度缝占主导。其中长6段提取裂缝250条，优势方位以北东东或近东西向为主，其次为北西向，还有少量呈近南北向和北东向展布。长7段提取裂缝183条，其方位特征以北东东或近东西向为主，其次为北西向，北东向、北北西或近南北向欠发育，只在部分井点可见。长8段提取裂缝165条，方位则以北东东或近东西向为主，其次为北东向与北西向，北北东向与北北西或近南北向展布的裂缝发育程度相对较差，仅部分井点可见。
3 讨论 3.1 裂缝期次探讨野外露头及成像测井所获得的裂缝均未呈现典型的共轭剪裂缝特征，而是其中一支较为发育，另外一支发育较少或不发育。岩石中裂缝的破裂角与岩石力学性质有关，受原生沉积组构控制。在一定深度范围内，当岩石受到水平应力挤压时，岩石中主要形成与最大主压应力(σ1)方向呈一定夹角的单向剪切破裂，有时出现与主破裂面共轭的破裂(表 1)[12]。
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表 1 高温高压三轴岩石力学实验数据表[12] Tab. 1 High temperature and high pressure triaxial rock mechanics experiment data[12] |
根据露头中裂缝的切割关系(图 2(b))，NE向和近S-N向裂缝切割了NW向和NEE向裂缝，反映该区至少发生两期的裂缝形成过程[11], NE向和近S-N向延伸的裂缝发育晚于NW向和NEE向延伸的裂缝。邻区的岩石声发射实验也表明有多期破裂事件发生[13]。研究区下白垩统露头及延长组井下裂缝具有相近的方位特征(图 5)，因此岩石破裂应该发生在早白垩世之后。
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图 5 姬塬-元城地区下白垩统露头和延长组裂缝发育特征图 Fig. 5 The characteristics of fracture development of lower cretaceous outcrop and Yanchang group of Jiyuan-Yuancheng area (a)(b)、(c)分别为走向、倾向玫瑰花图及走向方位角直方图 |
燕山期，库拉-太平洋板块向北或北北西向运动，同时东亚大陆向南运动，产生左旋剪切, 使该盆地派生了北西-南东向的挤压应力场。应力场分布特征主要受控区域剪切应力体制和陆内变形构造体制[10]。早白垩世末的燕山运动造成盆地西缘南段地层压缩近20%(表 2)[14]，同时盆地整体抬升[15-16]。随着地层的抬升，地层岩石所处的温度、压力等降低，岩石的屈服极限升高、韧性减小，延长组及白垩纪地层中近E-W向裂缝大量发育。
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表 2 鄂尔多斯盆地西缘南段地震反演的各主要构造期次地层最大缩短量统计 Tab. 2 The statistical table of the maximum shortening of the substrata of the main tectonic periods the western margin of the Ordos basin through seismic inversion |
进入新生代，随着印度-欧亚板块挤压碰撞，青藏高原早期向北推挤为主的运动经阿尔金断层的走滑转换，区域应力挤压方向为北东-南西向。燕山晚期的盆地差异抬升进一步发展，前期地层遭受强烈而不均匀的改造，特别是晚新生代来自西南方向的挤压对盆地的抬升方向及接受沉积范围和古构造面貌有很大改观，使得盆地南北部构造应力场差别很大，北部以拉张为主，南部以南西向挤压和右行走滑为主，中部北西、近东西向断层则具有左行走滑特征[10]。在南西向挤压应力场作用下，形成近S-N向及NE-SW向延伸的裂缝(图 6和图 7)。
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图 6 研究区盆地埋藏、抬升与裂缝形成的关系和应力莫尔圆、破裂包络线(构造抬升使应力圆向右移与破裂包络线相交产生破裂) Fig. 6 The relationship between basin burial, uplift and fracture formation in the study area, and stress Mohr circle and rupture envelope (tectonic uplift causes the stress circle move right and the fracture develop) |
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图 7 研究区燕山期和喜山期构造裂缝与最大主应力优势方位关系图 Fig. 7 The relationship between the structural fracture of Yanshan period and Xishan period and the maximum principal stress advantage |
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表 3 盆地构造应力场纵向演化及其与裂缝形成的关系 Tab. 3 The evolution of the tectonic stress field and its relationship with the formation of fractures |
成像测井资料获取的延长组燕山期主裂缝方位为240°~280°，共有436条裂缝，其平均方位为258.24°；走向分布在295°~335°的裂缝有62条，其平均走向为312.54°。因此，燕山期最大主应力方向为285.39°。喜山期主裂缝方位为200°~240°，共有67条裂缝，其平均方位角为223.85°；走向分布在±20°的裂缝有36条，其平均走向为1.625°。因此，喜山期主应力方向为22.74°。
野外露头统计的白垩系中燕山期主裂缝方位为240°~280°，共有324条裂缝，其平均方位为255.30°；走向分布在295°~335°的裂缝有120条，其平均走向为314.82°。因此，燕山期最大主应力方向为285.06°。喜山期主裂缝方位为200°~240°，共有162条裂缝，其平均方位角为225.94°；走向位于±20°的裂缝有140条裂缝，其平均走向为-4.57°。因此，喜山期主应力方向为20.69°。
4 结语1) 鄂尔多斯盆地姬塬-元城地区下白垩统露头及延长组地层中裂缝较发育，以斜交于最大主应力的单条裂缝为主，其中尤其以SWW-NEE或近EW向裂缝和NNE-SSW或近S-N向裂缝较为发育，并有少量NW-SE和NE-SW向共轭裂缝发育。
2) 裂缝发育具有以下时间序列关系：NEE-SWW和NW-SE向裂缝发育最早，近S-N和NE-SW向裂缝发育较晚。NEE-SWW向裂缝有可能在后期发生改造或加强。
3) 早期发育的裂缝是燕山运动晚期在北西-南东向挤压应力场作用下，鄂尔多斯盆地区域性差异抬升产生的主应力差形成，而后期发育的裂缝是喜山运动期间在北东-南西向区域应力挤压作用下形成的。岩石中裂缝的破裂角与岩石力学性质有关，受岩石原生沉积组构控制。
4) 燕山运动晚期主应力方向约285.06°~285.39°，喜山期20.69°~22.74°。
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2. College of Geological Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, 579 Qianwangang Road, Qingdao 266590, China