0 引言
在克深地区，由于强烈的构造挤压广泛发育各式各样的断背斜构造，断背斜控制着天然裂缝的形成和分布，影响了超深层致密储层的油气储量和开发效果，断背斜天然裂缝分布特征研究对指导研究区超深层致密油气藏勘探开发具有重要的现实意义［7-9］。在对断背斜的研究中发现背斜内部的应变存在明显的分层特征，其内部的裂缝分布也具有一定的分层性，另外断背斜构造的翼间角对裂缝分布的影响十分密切，断背斜顶部裂缝发育区的厚度随着翼间角的减小而逐渐增加［10-12］。但针对不同断背斜内部天然裂缝分布特征的差异以及同一断背斜的不同部位天然裂缝分布特征差异的研究较少，仍需进一步研究。为明确该区致密气的富集情况，需要揭示不同断背斜内部天然裂缝分布特征的差异、以及同一断背斜的不同部位天然裂缝分布特征差异，为致密气勘探提供合理的地质依据。
此外，前人对克拉苏构造带白垩系巴什基奇克组不同断背斜各部位的储层物性、应力分布、溶蚀强度等方面开展了研究，同时针对克深地区裂缝的发育特征进行了定量描述和预测，讨论了裂缝对区域应力场转换的指示作用，探讨了裂缝的形成机理，分析了有效裂缝的控制因素，探讨了裂缝对致密储层物性的影响［10-11，13-22］。前人认为克深气田巴什基奇克组产气储层普遍发育网状缝—垂向缝，克深地区巴什基奇克组的构造裂缝包括近东西向充填缝以及以南北向高角度为主的张性裂缝，它们的形成主要受喜马拉雅中晚期的挤压构造应力控制［2-9］。但针对克深地区不同断背斜内天然裂缝分布特征缺少系统的研究，在一定程度上制约了该区超深层致密储层油气的勘探开发。
本文以克拉苏构造带白垩系巴什基奇克组克深地区的两断式平缓褶皱（代表性气藏为克深2、克深6、克深8气藏）、二级反冲构造（代表性气藏为克拉2气藏）和凸型三角带（代表性气藏为克深9气藏）3种典型断背斜构造样式为研究对象（表1），在明确研究区地层分布、构造样式特征以及古构造应力场演化的基础上，结合地质、地震、FMI成像测井、地应力以及岩石力学参数等资料，通过储层地质力学法分析了3种典型断背斜构造样式的裂缝分布特征、含典型断背斜构造样式的过KS902井剖面的天然裂缝分布特征。研究结果一方面丰富了断背斜理论成果，另一方面可为研究区超深层致密气的勘探开发提供地质依据。
表1 研究区3种典型断背斜构造样式的代表性气藏及不同部位岩石力学参数Table 1 Typical gas reservoirs and mechanical parameters of the different parts of the three typical fault anticlines in the study area |
| 构造样式 | 单元类型 | 代表气藏 | 杨氏模量/GPa | 泊松比 |
|---|---|---|---|---|
| 两断式平缓褶皱 | 断层部位 | 克深2、克深6、克深8气藏 | 15 | 0.22 |
| 背斜部位 | 10 | 0.24 | ||
| 二级反冲构造 | 断层部位 | 克拉2气藏 | 18 | 0.22 |
| 背斜部位 | 14 | 0.25 | ||
| 凸型三角带 | 断层部位 | 克深9气藏 | 18 | 0.24 |
| 背斜部位 | 14 | 0.26 |
1 区域地质概况
库车坳陷的演化过程主要分为2个阶段：古近纪的弱伸展构造和新近纪—第四纪的喜马拉雅造山运动［26-28］。南天山隆起诱发的挤压应力促使库车坳陷进入再生前陆盆地演化阶段，受其影响，克拉苏构造带的构造应力场经历了从弱伸展向挤压的逐步转变，期间发生了强烈挤压变形，特别是在喜马拉雅运动中晚期的挤压作用下发育成排成带的逆冲叠瓦式背斜群，在断背斜构造内部形成了大量发育程度以及分布范围不一的裂缝［1， 23， 29-34］。库车坳陷克拉苏构造带表现出盐上层、盐岩层及盐下层分层收缩的变形特征，其中盐下层发育冲断构造，逆冲断层由北部基底卷入式逆冲断层向南过渡为盖层滑脱逆冲断层［9， 25］。克拉苏构造带盐下断背斜构造样式按照翼间角划分出平缓褶皱以及开阔褶皱两大类，以开阔褶皱为主，并依据两大类构造样式内的次级断层发育及组合特征进行细分，平缓褶皱中发育反冲构造、二级反冲构造、凹型构造三角带以及凸型构造三角带，开阔褶皱中发育次断同倾三断式断背斜和次断同倾反冲构造（图2）。
图2 克拉苏构造带克深地区典型构造样式地震剖面及对应3种典型断背斜构造样式力学模型［图2（a）和图2（b）据侯贵廷等［25］修改］（a）过克深201井地震剖面；（b）过克深902井地震剖面；（c）两断式平缓褶皱力学模型图； （d）二级反冲构造力学模型图；（e）凸型三角带力学模型图（E为杨氏模量，u为泊松比） Fig.2 Seismic sections of subsalt structural styles of Keshen section in Kelasu tectonic belt and mechanical models of the three typical fault anticlines （Fig.2（a） and Fig.2（b） are modified from HOU et al.［25］） |
库车坳陷出露完整的中生界白垩系，自上而下分为巴什基奇克组、巴西盖组、舒善河组和亚格列木组4个层组［15］。巴什基奇克组沉积时期，受来自南天山3个沉积物源控制，包括北部的天山物源供给区、东部的库鲁克塔格物源供给区以及西南部的温宿凸起物源供给区，以辫状河三角洲前缘水下分流河道和扇三角洲前缘水下分流河道沉积为主［35-36］。克深地区白垩系巴什基奇克组地层厚度约为200~300 m，平均埋深在6 000 m以深，储层岩性以红褐色岩屑长石砂岩为主，并含有少量长石岩屑砂岩，分选中等，局部区域由于水动力环境的改变分选较差，基质孔隙度为2%~8%，基质渗透率为（0.05~0.5）×10-3 μm2［37］。由于喜马拉雅中晚期的构造运动对库车坳陷的构造变形和最终定型起着至关重要的作用，克深地区巴什基奇克组在喜马拉雅中晚期形成了大量构造裂缝，以高角度剪切裂缝和中角度剪切裂缝为主，裂缝开度较大、延伸距离较短，主要发育北北西—南南东向和北北东—南南西向2组裂缝，裂缝孔隙度为0.011%~0.13%，裂缝渗透率为（1.00~10.00）×10-3 μm2，形成了典型的超深层裂缝性致密砂岩储层［32，37-44］。
2 天然裂缝预测研究方法
有限元数值模拟方法的基本原理是将一个连续的地质体离散成有限个单元，用节点连接这些单元，在每个单元内赋予特定的岩石力学参数，根据研究区实际边界条件和载荷，建立并求解以节点位移或单元内应力为未知量，以总体刚度矩阵为系数的联合方程组，用构造插值函数求得每个节点上的位移，进而计算每个单元内的应力和应变的近似值［55］。
应力场数值模拟能够准确顺利进行的基础是建立一个合理的地质模型，在建立地质模型的时候，本文综合考虑了研究区构造演化、沉积相分布、砂体厚度等地质背景资料，建立了符合研究区实际的地质模型。利用地震、测井和钻井资料恢复古构造发育史剖面，构建应力场数值模拟的地质隔离体［56］。
建立力学模型包括了地质体不同部位的岩石力学参数以及力学性质的确定等［60］。可以将地质体看作是弹性体、弹塑性体或者黏弹性体，在此基础上确定地质体的岩石力学特征。为将地质模型转换为可用于有限元数值模拟的力学模型，需确定研究区不同地质单元的材料属性和受力环境［57-58］，包括杨氏模量和泊松比等岩石力学参数的范围，再结合岩相分布反复模拟调整，最终确定不同区域的岩石力学参数。研究区是典型超深层裂缝性致密砂岩储层，属于弹性材料，因此对各构造样式的断层部位和背斜部位赋予不同的岩石力学参数。采用三角形自由网格的划分法，既能反映地质体非均质性，又能保证复杂处的网格不过于粗糙。通过对KS902井、KS201井为代表的长石砂岩样品进行高温高压三轴岩石力学实验，岩石的杨氏模量（E）集中分布在2~25 GPa之间，泊松比（u）集中分布在0.13~0.28之间，排除特高、特低异常值后，取样品实验岩石力学参数中位数，对地质模型进行参数赋值得到力学模型（表1）。两断式平缓褶皱的背斜部位杨氏模量（E）为10 GPa，泊松比（u）为0.24，断层部位杨氏模量（E）为15 GPa，泊松比（u）为0.22；二级反冲构造的背斜部位杨氏模量（E）为14 GPa，泊松比（u）为0.25，断层部位杨氏模量（E）为18 GPa，泊松比（u）为0.22；凸型三角带的背斜部位杨氏模量（E）为14 GPa，泊松比（u）为0.26，断层部位杨氏模量（E）为18 GPa，泊松比（u）为0.24［图2（c）—图2（e）］。
数学模型主要包括根据力学模型所确定的数值计算方法，基于地质模型和力学模型来确定。对于3种不同的断背斜构造样式，在地质模型和力学模型的基础上，运用ANSYS软件进行网格剖分，得到数学模型，进而施加边界条件。边界条件是影响构造应力场数值模拟结果准确度的重要环节，而确定边界条件主要根据区域构造应力背景［57］。根据对库车坳陷内发育的褶皱、断裂、共轭节理、各时代地层岩石磁组构分析，构造变形解析的最大主压应力方位为358°，磁组构分析的最大主压应力方位为2°。因此认为库车坳陷白垩系在喜马拉雅中晚期最大主应力方位为近南北向，在近南北向的挤压应力作用下形成了北北西—南南东向和北北东—南南西向2组主要裂缝［44， 60-62］。运用岩石声发射实验对古构造应力的大小进行恢复，模拟结果表明，克拉苏构造带克深地区的喜马拉雅中晚期最大主压应力大小一般为170 MPa［22］。另外由于研究区目的层属于超深层储层，所以上覆岩层重力对其构造变形也有一定的影响，按照上覆岩层平均厚度6 900 m、重力加速度9.8 m/s2计算得到上覆岩层压力约为160 MPa［26］。利用应力场有限元数值模拟方法计算研究区喜马拉雅中晚期的古应力，结合实际的岩石破裂准则，获得岩石破裂率，通过从成像测井资料获得的裂缝统计数据进行标定，并以此验证模拟结果，反复调整模型，得到较为真实的天然裂缝展布规律，从而实现天然裂缝定量预测。
3 3种典型断背斜天然裂缝分布特征
3.1 不同断背斜天然裂缝分布特征
两断式平缓褶皱两侧逆冲断层的倾向相同，表现为同冲平缓褶皱，储层地质力学法裂缝预测结果显示断层部位的裂缝密度约为3.6 条/m，断背斜内部的裂缝密度集中在3.0~3.4 条/m范围内［图3（a）］；二级反冲构造相较于两断式平缓褶皱和凸型三角带距离造山带更近，构造变形更强，逆冲断层的倾向相反，次级断层更发育［12］，包含A、B 2个褶皱，其中断层部位的裂缝密度约为4.8 条/m，断背斜内部的裂缝密度集中在3.0~4.5 条/m范围内［图3（b）］；凸型三角带两侧逆冲断层的倾向相反，表现为对冲平缓褶皱［12］，断层部位的裂缝密度约为4.8 条/m，断背斜内部的凸型三角带的裂缝密度集中在3.0~4.5 条/m范围内［图3（c）］。根据上述对裂缝分布的预测和统计结果可知，3种典型断背斜构造样式均表现出断层部位的天然裂缝更为发育，其次是背斜内部。
3.2 断背斜不同部位天然裂缝分布特征
针对两断式平缓褶皱［图3（a）］、二级反冲构造［图3（b）］和凸型三角带［图3（c）］3种典型断背斜，对其背斜的顶部、中部和底部裂缝发育区的厚度与背斜总厚度之比（简称“厚度占比”）进行统计，结合与轴部的位置关系，得到厚度占比与距轴部的相对距离关系图（图5），两者拟合关系呈二次多项式分布。3种典型断背斜构造样式各部位的天然裂缝分布特征变化趋势具有一致性：①从背斜的轴部到翼部，顶部裂缝发育区分布范围始终大于底部，且两者范围均逐渐减小，中部裂缝发育区分布范围逐渐增大，越靠近翼部的顶部裂缝发育区分布范围越小、中部裂缝发育区分布范围越大［图5（a）—图5（e）］；②背斜内部横向上裂缝集中发育在轴部，裂缝密度沿两翼方向逐渐减小，顶部裂缝密度大于底部裂缝密度大于中部裂缝密度，这与地表露头观察结果一致（图4）；③二级反冲构造和凸型三角带的裂缝发育程度略高于两断式平缓褶皱。在相同边界应力作用下，同一背斜内各部位岩石力学性质一致，但由于背斜各部位形态不同，导致背斜各部位受到的应力不同，其中背斜顶部应力相对集中，进而造成背斜各部位变形程度不同，因此背斜各部位天然裂缝的发育程度和分布也存在明显差异。
3.3 不同翼间角对断背斜天然裂缝分布的影响
断背斜内的裂缝分布与翼间角的大小密切相关［12］。本文针对3种典型断背斜构造样式，将其翼间角从130°以10°为间隔逐渐递增到160°分别进行应力场数值模拟，并根据储层地质力学法预测3种典型断背斜构造样式在不同翼间角形态下的裂缝密度分布（图6）。结果表明：翼间角从130°以10°为间隔逐渐递增到160°，两断式平缓褶皱的裂缝密度在3.0~3.6 条/m范围内［图6（a）—图6（d）］，其中顶部和底部的裂缝密度在3.3~3.5 条/m范围内，中部的裂缝密度在3.0~3.2 条/m范围内；二级反冲构造和凸型三角带的裂缝密度在2.5~4.8 条/m范围内［图6（e）—图6（l）］，其中顶部和底部的裂缝密度在3.0~4.5 条/m范围内，中部的裂缝密度在2.5~2.9 条/m范围内；同一断背斜随着背斜翼间角大小的改变，各部位的裂缝密度也会发生变化，翼间角增大时，缩短率减小，曲率变小，变形程度减弱，导致相同部位处的裂缝密度会有所降低。
图6 3种典型断背斜不同翼间角裂缝密度分布（a）两断式平缓褶皱130°翼间角；（b）两断式平缓褶皱140°翼间角；（c）两断式平缓褶皱150°翼间角；（d）两断式平缓褶皱160°翼间角；（e）二级反冲构造130°翼间角；（f）二级反冲构造140°翼间角；（g）二级反冲构造150°翼间角；（h）二级反冲构造160°翼间角；（i）凸型三角带130°翼间角；（j）凸型三角带140°翼间角；（k）凸型三角带150°翼间角；（l）凸型三角带160°翼间角 Fig.6 Fracture intensity distributions of the three typical faulted anticlines with different interlimb angles |
利用缩短率和翼间角可以推算出背斜各部位距离顶界面的距离［61］，以背斜顶部、中部和底部的厚度（b、c、d值）为基础，推算不同翼间角形态下背斜各部位厚度占背斜整体厚度的比值（b/a、c/a、d/a值），统计获得厚度占比与到轴部的相对距离（0代表距离轴部最近，1代表距离轴部最远）关系图（图7）。3种断背斜构造样式的不同翼间角形态下背斜各部位天然裂缝分布特征表现为：①各部位厚度占比与到轴部的相对距离呈二次多项式分布，顶部［图7（a）—图7（c）］和底部［图7（g）—图7（i）］裂缝主要集中在背斜轴部，距离轴部越远，顶部和底部裂缝发育区厚度越小，而中部裂缝发育区厚度随着与轴部距离增大而增大［图7（d）—图7（f）］；②当背斜翼间角从130°以10°为间隔逐渐递增到160°时，背斜顶部、中部裂缝发育区的厚度减小，底部裂缝发育区的厚度增大［图7（a）—图7（i）］。地表露头中断背斜顶部、中部及底部裂缝分布特征（图4）中不同翼间角形态下裂缝分布情况以及数值模拟结果说明，在应力作用下，随着翼间角的增大，背斜弯曲程度和缩短率也随之减小，断背斜形态发生变化，造成了变形强度的改变，导致其顶部裂缝发育区范围变小、底部裂缝发育区范围增大。
图7 3种典型断背斜不同部位厚度占比与距轴部的相对距离的关系（a）两断式平缓褶皱顶部区域；（b）二级反冲构造顶部区域；（c）凸型三角带顶部区域；（d）两断式平缓褶皱中部区域；（e）二级反冲构造中部区域；（f）凸型三角带中部区域；（g）两断式平缓褶皱底部区域；（h）二级反冲构造底部区域；（i）凸型三角带底部区域 Fig.7 The relationship between thickness ratio of different parts of the three typical fault anticlines and relative distance to the axis |
4 含典型断背斜剖面裂缝分布特征
利用储层地质力学法预测含典型断背斜构造样式的过KS902井剖面（简称“剖面”）的裂缝分布特征。首先通过有限元数值模拟方法对剖面进行应力场数值模拟，得到喜马拉雅中晚期古应力分布特征，再根据岩石样品实验获得岩石破裂准则，结合KS902井目标井段成像测井资料裂缝统计数据，预测剖面其他区域裂缝分布特征。结果表明剖面中的断背斜裂缝分布遵循了以下规律：在剖面中断层端部、交叉部位的裂缝密度值相较于背斜内部更大，断背斜转折端顶部裂缝较发育且分布范围广（图8）。断背斜内的背斜部位顶部、中部至底部裂缝密度呈现“高—低—高”的分布特征，背斜的顶部、底部的裂缝密度普遍高于中部。根据成像测井资料显示，背斜的顶部裂缝近等间距规律性排列；底部裂缝发育具有分带性，紧密发育段与无裂缝段交替出现；中部裂缝分布稀疏且部分裂缝发育程度不高（图8）。通过成像测井资料的裂缝解释成果统计发现，背斜顶部裂缝密度在1.8~2.3 条/m范围内，中部裂缝密度在1.2~1.7 条/m范围内，底部裂缝密度在1.7~2.2 条/m范围内，与储层地质力学法预测的裂缝规律一致，说明过KS902井剖面裂缝密度分布图较准确地反映剖面天然裂缝分布情况（图8）。
剖面包含有多个典型断背斜，不同断背斜天然裂缝分布存在差异性。由于二级反冲构造、两断式平缓褶皱相较于凸型三角带其内部断层发育的规模更大、背斜变形强度更大，因此二级反冲构造和两断式平缓褶皱内发育的裂缝密度更高。剖面中同一断背斜中，断背斜内部不同部位天然裂缝分布存在差异性。成像测井解释结果表明，白垩系巴什基奇克组中的断背斜内构造裂缝走向主要为近EW方向以及少量近NS方向。其中断背斜中部区域，裂缝不太发育，裂缝规模相对较小；而断背斜顶部与底部裂缝发育程度明显增强，裂缝规模相对较大（图8）。
克深地区白垩系巴什基奇克组由南至北裂缝密度与发育强度逐渐增大，KS13反冲构造与构造三角带区域裂缝密度整体小于KS8反冲构造与构造三角带，且两者均小于KS10开阔褶皱断背斜叠置区域裂缝密度。
克拉苏构造带克深地区白垩系巴什基奇克组属于超深层致密砂岩储层，其基质孔隙度为2%~8%，基质渗透率为（0.05~0.5）×10-3 μm2，裂缝发育储层孔隙度为0.011%~0.13%，裂缝发育储层渗透率为（1.00~10.00）×10-3 μm2［40，42，45］。基质孔隙度高出裂缝发育储层孔隙度1~2个数量级，表明裂缝具有一定的储集空间，是超深层致密储层油气的有效储集空间；裂缝发育储层渗透率比基质储层的渗透率高出1~3个数量级，表明裂缝可以显著提高储层渗透率，是超深层致密储层油气的重要渗流通道，改善了研究区致密储层质量［5］。图8揭示了研究区过KS902井剖面宏观的天然裂缝分布特征，可为探明研究区优质储层及致密气有利勘探开发区提供地质依据。结果表明断背斜转折端顶部储层的裂缝密度大，裂缝的存在可以有效地改善断背斜转折端顶部超深层致密储层质量，因此断背斜转折端顶部是研究区致密气潜在的有利勘探开发区。
5 结论
（1）两断式平缓褶皱、二级反冲构造、凸型三角带的天然裂缝密度在垂向上呈现“高—低—高”特征，断背斜的顶部和底部裂缝密度较大，裂缝密度范围为3.2~4.5条/m；中部裂缝密度较小，裂缝密度范围为2.5~3.2 条/m。根据天然裂缝发育及分布特征可将断背斜分为顶部高发育区、中部一般发育区、底部高发育区。
（2）从背斜轴部到翼部，断背斜顶部裂缝分布范围始终大于底部，越靠近翼部，顶部裂缝分布范围越小、中部裂缝分布范围越大，且顶部与底部的裂缝密度值均在转折端高点处达到最大，向两翼逐渐减小。
（3）翼间角大小影响顶部、中部和底部裂缝分布范围，断背斜两翼夹角越小，顶部和中部裂缝分布越广泛，而底部裂缝分布越局限；当翼间角固定不变时，越靠近翼部，顶部和底部裂缝分布范围越小，而中部裂缝分布范围与距轴距离成正相关关系。
（4）过KS902井剖面中的典型断背斜裂缝分布特征与断背斜部位、构造样式类型、翼间角大小等因素控制。剖面中各断层端部、交叉部位裂缝密度最大，断背斜顶部次之。断背斜顶部裂缝密度范围为1.8~2.3 条/m，中部裂缝密度范围为1.2~1.7 条/m，底部裂缝密度范围为1.7~2.2 条/m，呈现“高—低—高”的特征。裂缝发育储层渗透率比基质储层渗透率高出1~3个数量级，极大改善了超深层致密储层的渗透性。断背斜转折端顶部裂缝较中部与底部更发育，是研究区致密气潜在的有利勘探开发区。
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