0 引言
库车坳陷前陆冲断带博孜—大北地区下白垩统巴什基奇克组和巴西改组砂岩储集层埋深普遍超过6 000 m，截至2023年初，目的层勘探埋深已达8 200 m。储层内天然裂缝发育，成因机制复杂［12-15］，前人研究表明，研究区储集层构造裂缝产生的主要动力来源是侧向构造“压实”作用［5］；以高角度裂缝和网状缝为主，主体走向与现今水平最大主应力方向较为一致［16-17］；裂缝的发育和分布受到岩性、层厚、上覆膏盐层、构造样式和距断裂距离的共同影响［18-21］；裂缝对产能的影响主要体现在裂缝对致密储集层渗透率的贡献，其发育程度与产能之间有较好的相关性［12，22］；同时建立了裂缝发育有效系数，开展了控产有效裂缝的分类评价和预测等工作［23］。目前研究通常把裂缝视为一个整体对储集性能进行研究，而前陆冲断带深埋藏储集层裂缝在漫长地质演化过程中经历不同期次构造运动的叠加，不同地质演化阶段的应力方向及大小、地层结构、流体性质及规模不同，导致裂缝的成因、产状及充填程度存在一定差异。对裂缝系统的整体性研究往往容易忽略不同类型裂缝对储集层的影响，从而限制研究区的油气勘探开发和稳产上产。除此之外，研究区目的层经历了多期次构造运动，地应力场在地质历史时期内发生偏转，构造裂缝的开启与闭合受到应力场控制，影响裂缝的开启程度和有效性，有关应力控制下的裂缝发育有效性特征和模式相关研究较为欠缺。
因此，笔者在前人研究基础上，利用露头、岩心、测井资料、铸体薄片、阴极发光、碳氧稳定同位素及流体包裹体等实验分析数据，进一步细化研究博孜—大北地区下白垩统巴什基奇克组和巴西改组储集层构造裂缝特征及分布规律；基于成因法划分子系统并明确构造裂缝形成主要时期及成因机制；基于裂缝有效性分布特征，明确最大主应力方向对裂缝有效性的控制作用。
1 地质背景
库车坳陷与南天山造山带逆冲断层相接，自晚海西期以来，经历了多期次复合隆升和挤压冲断作用的叠合影响，总面积约为5 500 km2。库车坳陷北部克拉苏构造带西部博孜—大北地区整体上呈NEE向展布，因印度板块的持续楔入，山前冲断带呈SN向挤压，在南天山强烈的逆冲推覆作用下形成叠瓦构造带。在自北向南推覆作用下，形成了现今南北分带（博孜—克拉断裂带、克深断裂带、拜城断裂带），因温宿古隆起和西秋古隆起阻挡形成了东西分段（阿瓦特—博孜构造转换带、博孜构造带、博孜—大北构造转换带）的构造格局［24］。该区主要经历了燕山晚期、喜马拉雅早期、喜马拉雅晚期—第四纪3个演化阶段，其定型于喜马拉雅晚期。下白垩统巴什基奇克组（K1 bs）和巴西改组（K1 bx）目的层，埋藏深度大（5 300~8 200 m），基质孔隙度为4.8%，钻井岩心、成像测井、薄片鉴定及钻井资料显示目的层中构造裂缝发育，属于深层—超深层裂缝型致密砂岩储层［25］，断层倾角普遍较低，属于前展式逆冲推覆构造（图1）。
2 构造裂缝特征、期次及成因
2.1 构造样式
2.2 裂缝成因类型
多期次复杂构造区常见构造裂缝成因类型包括区域构造裂缝、构造变形相关裂缝和断层共（派）生裂缝3类（图4）。区域构造裂缝是指地层在发生变形前，因区域挤压应力作用或区域剪切应力作用而形成的裂缝，这类裂缝不受局部构造控制［图4（a），图4（b）］；构造变形相关裂缝是指当挤压应力大于岩石的抗压强度，在岩层弯曲派生的局部挤压应力环境下所形成的裂缝［图4（c）］；断层共（派）生裂缝是指在断层两盘相对运动的过程中，可以形成断裂带附近的剪切应力场，从而可以派生出新的裂缝，通常断裂带附近的裂缝产状较为杂乱［图4（d）］。除此之外，不同地区对有效裂缝的定义不同，在统计过程中难以始终保持一致［26］。前人［27-29］研究结果认为，全充填裂缝无法对油气储层品质进行改善，难以成为油气储集空间和运移通道，未充填裂缝和半充填裂缝在一定程度上可对油气聚集和传输做出贡献，因此本文根据裂缝充填性，基于薄片鉴定、岩心观察和成像测井裂缝识别结果，将未充填裂缝和半充填裂缝定义为有效裂缝，将全充填裂缝和闭合缝定义为无效裂缝，并根据研究区裂缝铸体薄片、岩心和成像测井资料形成了充填性特征识别图版（图5）。
2.3 裂缝形成期次
基于钻井岩心观察下裂缝充填性及裂缝相互切割关系，可判断主要发育3期裂缝［图6（a）］，中期全充填裂缝切割早期全充填裂缝，晚期裂缝主要为半充填或未充填。通过观察裂缝充填物阴极发光发现，方解石阴极发光颜色具有明显的差异性，照片显示具有2期方解石充填特征，镜下早期方解石呈暗橙色光，方解石表面较为浑浊，节理发育明显，晚期方解石呈亮橘红色，方解石表面较为干净，表明研究区存在2期规模性流体注入充填裂缝［图6（b）］。从石英和构造裂缝里充填的方解石中提取包裹体，主要类型为单相盐水包裹体与气液两相盐水溶液包裹体，二者常共同产出［图6（c），图6（d）］。显示了库车坳陷林场剖面巴西改组裂缝充填物方解石中的11个两相盐水溶液包裹体，表现为长条形、长方形、椭圆形及不规则状，大小范围在3~8 μm之间。对岩心提取裂缝充填物方解石进行包裹体均一温度分析，结果显示包裹体均一温度分布形成2个明显峰值范围：分别为100~120 ℃和130~160 ℃之间，少量包裹体均一温度在170~180 ℃之间［图6（e）］，其中高角度裂缝包裹体均一温度集中在100~150 ℃之间，垂直缝包裹体均一温度集中在100~120 ℃和130~150 ℃之间。除此之外，对岩心提取裂缝充填物方解石稳定C—O同位素分析，基于FRITZ等［30］提出的氧同位素测温方程，对各样品裂缝形成时的温度进行计算：
T=31.9-5.55(δ18O-δ18Ow)+0.7(δ18O-δ18Ow)²
式中：T为填充物形成时的温度，℃；δ18O为填充物氧同位素值；δ18Ow为形成矿物时的水介质氧同位素值。
图6 博孜—大北地区构造裂缝形成期次特征（a）DB902，5 091.9 m，见3期剪切缝，中期全充填切割早期全充填缝，晚期半充填；（b）林场剖面，K1 bx，裂缝充填物阴极发光照片；（c）林场剖面，K1 bx，流体包裹体照片，共7个包裹体；（d）林场剖面，K1 bx，流体包裹体照片，共4个包裹体；（e）博孜—大北地区裂缝方解石充填物包裹体均一温度柱状图，共181个数据点；（f）博孜—大北地区裂缝方解石充填物稳定C—O同位素分布，共89个数据点 Fig.6 Characteristic of the multiperiods of tectonic fracture in the Bozi-Dabei area |
研究区平均地面温度20 ℃、地温梯度24 ℃/km，经计算得到裂缝时期埋深，可进一步结合研究区埋藏史分析推断相应的地质时期［31］。结果显示构造裂缝主要形成于3~4期，与前人研究结果一致［32-33］：δ18O值分布在-5.59‰~-11.1‰之间，计算得裂缝埋深为800~1 600 m，对应燕山晚期—喜马拉雅早期；δ18O值在-11.2‰~-14.87‰之间，计算得裂缝埋深为2 000~4 000 m，对应喜马拉雅中期；第3期部分半充填裂缝方解石δ18O值在-14.88‰~-17.00‰之间，计算得埋深为4 000~7 000 m，主要形成于喜马拉雅晚期早幕；第4期裂缝未充填，主要形成于喜马拉雅晚期晚暮阶段至今［图6（f）］。综上所述，博孜—大北研究区目的层主要形成3~4期构造裂缝，其中前2期裂缝为全充填裂缝，分别形成于燕山晚期—喜马拉雅早期和喜马拉雅中期，后2期裂缝主要为半充填和未充填裂缝，主要形成于喜马拉雅晚期早幕和喜马拉雅晚期晚暮阶段，裂缝充填程度较低，是研究区有效裂缝研究的重点关注对象（图7）。
2.4 多成因构造裂缝特征及发育控制因素
2.4.1 区域构造裂缝
区域构造裂缝是指在较大范围内，受构造应力作用下所形成的裂缝，该类裂缝平直，穿层性强，延伸长，一般垂直于层面或与层面呈大角度相交。区域构造裂缝主要发育2组共轭剪切缝，在层面上呈棋盘格子状等间距分布，间距较大，当岩层直立或倾角较高时，在剖面上呈阶梯状；其次可见少量与水平最大主应力方向一致的扩张缝，垂直于层面。库车坳陷阿瓦特河剖面巴什基奇克组砂岩层中见2组呈棋盘格子状分布裂缝发育，为高角度近NW—SE、NE—SW共轭剪切缝，裂缝延伸平直延伸较远；同时可见一组近SN垂直扩张缝［图8（a）］。岩心上，见2组共轭剪切缝及高角度扩张缝，长度大于30 cm，开度大于2 mm［图8（b），图8（c）］。经统计，区域构造裂缝主要呈高角度或垂直分布［图9（a）］，裂缝充填性表现以全充填或半充填为主［图9（b）］，裂缝线密度主要分布在0.1~0.4条/m之间［图9（c）］，主要裂缝开度小于0.6 mm［图9（d）］。
图8 博孜—大北地区区域构造裂缝特征（a）阿瓦特河剖面棋盘格状区域构造裂缝；（b）BZ301井，5 855.5 m，两组共轭剪切缝；（c）BZ301井，5 879.9 m，中轴扩张缝 Fig.8 Characteristics of regional tectonic fractures in the Bozi-Dabei area |
基于成像测井资料对于研究区全井段的识别裂缝信息，针对远离断裂区域及少量构造变形较强区域单井，统计其区域构造裂缝特征及发育控制因素。图10（a）所示为博孜地区典型高产单井裂缝发育柱状图，由浅至深，裂缝发育密度先降低后升高；同时裂缝在砂地比较高地层（巴什基奇克组2段、3段以及巴西改组2段）中较为发育；在单井底部较厚单层砂岩段，裂缝发育程度相对较低。同时，将博孜—大北地区目的层区域构造共轭剪切缝和SN向扩张缝进行统计，对发育控制影响因素进行研究，统计发现，区域构造裂缝发育密度与目的层厚度、砂地比呈良好正相关特征［图10（b），图10（c）］，与砂岩单层厚度呈幂函数负相关［图10（d）］，裂缝发育密度受岩性和厚度控制。
2.4.2 断层共派生裂缝
博孜—大北研究区野外露头断层附近见派生共轭剪切缝和高角度近SN向扩张缝，于断裂核两侧发育。断层派生裂缝主要发育2组剪切缝，呈小角度共轭。据前人研究，研究区目的层局部构造活动产生断裂主要发生在喜马拉雅晚期，水平最大主应力方向近SN向［34-36］，断层共派生裂缝发育2组近EW组系共轭剪切缝，一组与断层产状一致，另一组与断层斜交；其次可见少量近SN向的平行扩张缝，在野外露头和钻井岩心上均可观察到相关特征（图11）。经统计，断层共派生裂缝主要呈高角度或垂直分布［图12（a）］，裂缝充填性以未充填或半充填为主［图12（b）］，裂缝线密度主要分布在0.2~0.6 条/m之间［图12（c）］，裂缝开度主要在0.1~0.6 mm之间［图12（d）］。
图11 断层共派生裂缝发育特征（a）卡普沙良断层剖面，巴什基奇克组；（b）阿瓦特河西侧断层剖面，巴西改组；（c）博孜12井，6 998.34 m，网状裂缝发育（34条），见断裂核及断裂角砾；（d）大北902井，5 094.5 m，见断裂角砾岩，裂缝带内见沥青、泥质充填 Fig.11 Development characteristics of fault co-derivative fractures |
断层共派生裂缝发育密度受断裂规模以及断层上下盘位置影响。基于单井成像测井资料，对研究区断裂附近单井所表征裂缝研究，结果表明一级、二级断裂控制裂缝发育距离分别为500 m和300 m左右（图13）。同时，对野外剖面断层附近裂缝以及穿断层单井裂缝发育特征进行统计，结果显示逆断层上盘（主动盘）裂缝发育明显密度大于下盘（被动盘）。博孜—大北地区巴什基奇克组和巴西改组地层断裂主要发育于喜马拉雅中期至晚期，时期相对较晚，断层共派生裂缝主要发育1~2期，早期充填—半充填，晚期未充填。
2.4.3 构造变形相关裂缝
如前文所述，构造变形相关裂缝是岩层受局部应力挤压而弯曲派生的裂缝。前文所述，博孜—大北地区整体变形相对平缓，盐下构造层内主要发育4种构造样式，前峰后谷型同冲平缓褶皱构造样式构造变形相对较强，平均翼间角为145°，而突发构造、单峰型、对冲平缓褶皱构造样式构造变形较弱（平均翼间角分别为152°、155°和160°）。构造变形相关裂缝于前峰后谷型同冲平缓褶皱构造内可见，主要为高角度近EW向扩张缝。博孜9井区位于典型前峰后谷型同冲平缓褶皱构造内，构造平均曲率值最大（0.44/km），相对强变形，其中35.8%裂缝为近EW组系。
图14 构造变形相关裂缝发育特征（a）BZ1302井，7 130.1 m，垂直扩张缝，炭质微充填；（b）BZ1302井，7 133.5 m，垂直扩张缝，缝面见炭质与方解石部分充填 Fig.14 Development characteristics of tectonic deformation-related fractures |
3 应力控制下的有效裂缝发育模式
前人［37-42］对致密储层的裂缝有效性影响因素进行了一定的分析，主要从不同期次裂缝充填性、充填物质、裂缝开启度、构造部位以及流体特征等方面进行相关研究。通过博孜—大北地区区域构造缝、断层共派生裂缝和构造变形裂缝表征研究发现，巴什基奇克组和巴西改组裂缝有效性同时还受水平最大主应力方向的控制。当水平最大主应力发生偏转时，水平最大主应力方向与早期共轭剪切缝其中一组系裂缝夹角减小，该组系裂缝在受力情况下出现2种情况：一是当早期全充填缝走向与偏转后水平最大主应力方向呈小角度或一致时，沿早期裂缝方向再次受力扩张，裂缝空间增大；二是早期闭合缝与偏转后水平最大主应力方向呈小角度或一致时，沿闭合缝方向受力开启，出现未充填裂缝空间。
图16 博孜—大北地区受断裂控制影响单井裂缝剖面连井图Fig.16 Profiles view of connecting wells affected by faults in the Bozi-Dabei area |
综合博孜—大北地区巴什基奇克组和巴西改组裂缝成因类型、期次、分布控制因素、有效性受控因素构建了裂缝形成演化模式（图18）。该地区主要经历了3期构造运动：燕山晚期—喜马拉雅早期，博孜—大北地区水平最大主应力方向近SN，地层无明显变形，在区域应力作用下，主要发育NNW—SSE和NNE—SSW共轭剪切缝，其次可见少量近SN向扩张缝，形成时期较早，主要被方解石、泥质、膏盐岩充填；喜马拉雅中期，水平最大主应力方向发生一定偏转近NNW—SSE向，强烈挤压环境逐渐形成，地层开始发生变形，下伏地层开始发生断裂构造活动，但尚未贯穿下白垩统。此时，目的层接上一时期继承性的发育区域构造裂缝，主要发育NW—SE和SN向共轭剪切缝，其次可见少量近NNW—SSE向扩张缝；喜马拉雅晚期，研究区构造活动最为强烈，晚期和早期区域构造裂缝叠合发育的同时，断层共派生裂缝广泛发育，博孜—大北地区目的层形成多个逆冲推覆作用下的构造区块。该时期水平最大主应力方向为近SN向，区域构造裂缝、断层共派生裂缝以及少量构造变形裂缝方向受该水平最大主应力方向控制，所形成裂缝充填性较低，有效性较好，为该地区开发重点关注对象。
构造裂缝的开启与闭合受到多地质历史时期的应力场控制。当裂缝与历史时期水平最大主应力平行或小角度相交时，同时期产生的裂缝以及早期闭合或充填裂缝在该应力场的作用下可呈现或重新呈现出拉张开启状态，具备油气运移的有效性；当裂缝与历史时期水平最大主应力垂直或大角度相交时，未充填开启裂缝受到应力挤压呈现出闭合状态，未充填的闭合缝在测井成像资料上通常难以识别，往往会影响裂缝表征结果的准确性。因此，应力场方向的转变会使裂缝在不同历史时期开启或闭合，影响裂缝的开启程度和有效性，当应力场呈小角度偏转与早期裂缝叠合时，偏转方向相关组系的裂缝有效性更好，整体呈协调型发育。
4 结论
（1）塔里木盆地库车坳陷博孜—大北地区下白垩统致密储集层裂缝发育，基于成因分析认为，目的层处于强挤压应力环境，东西走向逆冲推覆断裂发育。目的层内主要发育单峰型、前峰后谷型同冲平缓褶皱、突发构造、对冲平缓褶皱4类构造样式，各类构造样式整体较为平缓且变形程度较弱。
（2）发育的裂缝主要为区域构造裂缝和断层共派生裂缝，局部构造变形裂缝为次要类型。区域构造裂缝发育较早见3期特征，裂缝发育程度受岩性和厚度影响，早期充填，晚期有效。断层共派生裂缝其发育程度受距断裂距离、断裂上下盘相对位置影响，发育较晚，有效程度较高。
（3）博孜—大北地区多期次构造运动，地应力场在该时期内发生小角度偏转，目的层构造裂缝的开启与闭合受到多地质历史时期的应力场控制，应力场方向的转变会使裂缝在不同历史时期开启或闭合，影响裂缝的开启程度和有效性，当应力场呈小角度偏转与早期裂缝叠合时，与偏转方向相关组系的裂缝有效性更好，整体有效程度较高，博孜—大北地区高产的致密砂岩气藏裂缝系统是多期次活动的优势配置结果。
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