0 引言
南堡凹陷碳酸盐岩潜山由研究区内NNE—SSW向和NNW—SSE向深大断裂切割成的多个潜山构造带组成。潜山地层主要为奥陶系和寒武系碳酸盐岩，其烃源岩为古近系沙河街组厚度大、有机质丰度高的暗色泥岩［5-6］。持续活动性大断裂和区域不整合面形成优势运移通道，使得潜山圈闭长期处于油气运移聚集区，具有良好的油气成藏条件。自2004年在奥陶系潜山获得日产油700 m3、天然气16×104 m3以来，逐渐成为冀东油田增储上产的重要勘探领域，截至目前，已获得储量1.5×108 t，研究区剩余资源量为10×108 t［7-9］，表明南堡凹陷潜山开采潜力巨大，冀东油田将其作为主要的油气勘探目标。前人对南堡凹陷有效储集空间，尤其是有效裂缝的精细表征较少，本文通过露头区、成像测井、岩心和微观薄片裂缝精细表征，明确了研究区潜山碳酸盐岩储层裂缝的成因类型及发育特征，分析了裂缝形成和分布的主控因素，在此基础上建立了综合考虑裂缝主控因素的、基于有限元地质力学模拟的天然裂缝定量预测方法，对研究区储层有效裂缝的分布规律进行综合预测。
1 地质概况
南堡凹陷在构造上位于燕山台地褶皱带南缘、渤海湾盆地黄骅坳陷的东北部，它是经历了一系列中、新生代构造运动后，形成的北缘断裂南缘超覆的形如箕状的断陷［5，10］，总面积约为1 932 km2［图1（a）］。南堡凹陷主要经历了4期构造演化，古生代陆台稳定升降并沉积海相碳酸盐岩；印支期挤压抬升，古生代地层遭受剥蚀直至沉积层剥蚀殆尽［11］；燕山期产生了一系列NE向、NW向的主要伸展断裂，如西南庄断裂、柏各庄断裂等［6，12-13］，它们影响了凹陷和潜山的生成和演化，致使南堡潜山1号、2号、3号和5号构造带初步形成规模；新生代以来至少经历过3次造山旋回运动，南堡潜山1号、2号、3号和5号构造带控制了地层沉积，使盆地空间扩展，形成了较大范围内连通性良好的储集空间［11，14-16］。南堡1号和2号潜山是在西南斜坡背景下发育的背斜构造，受NE走向的断层影响。南堡凹陷的西南庄断层为该区主干断层，控制了5号断背斜潜山的形成。西南庄断层对该区地质构造和演化有着重要的控制作用，断层活动时对凹陷的形成和演化还造成了一定影响，并且派生许多晚期断裂，增加了研究区构造复杂性［11，15，17］。在早古生代阶段，南堡地区受构造运动影响小，为陆台稳定阶段，沉积了巨厚的海相碳酸盐岩及薄层泥岩和页岩，沉积环境主要为浅海相和滨浅海相沉积。潜山地层主要由古生界寒武系府君山组、馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组等和奥陶系冶里组、亮甲山组、马家沟组等组成［图1（b）］，其中府君山组为研究区重要勘探层系，也是本文主要的研究对象。研究区储层相对致密，物性较好，基质孔隙度主要分布在3.2%~15.6%之间，平均为10.9%，渗透率主要分布在（1.06~121）×10-3 μm2之间［5，17-18］，多尺度天然裂缝系统有效改善了储层储集性能，并为油气的运移和聚集提供了有利条件。
2 裂缝分布特征
2.1 裂缝类型及发育特征
根据2条露头剖面、41口井824 m岩心以及80余块薄片观察，南堡凹陷古潜山碳酸盐岩储层中各个尺度裂缝均大量发育，根据裂缝形成的地质条件可分为4种类型：构造裂缝、成岩裂缝、风化裂缝和溶蚀裂缝，其中构造裂缝最发育，对研究区储层的改造起到重要作用［图2（a）—图2（e）］。根据岩石所受的力学性质可将构造裂缝划分为张性裂缝和剪切裂缝，研究区以剪切裂缝为主。剪切裂缝以中高角度为主，裂缝面平直光滑，具有明显的擦痕和阶步［图2（a）—图2（c）］，部分裂缝被方解石等矿物半充填或全充填，剪切裂缝可切穿一个甚至多个岩石力学层，延伸长度大。张性裂缝以近直立缝为主，裂缝面粗糙不平，无擦痕，常有羽饰构造，部分裂缝被方解石等矿物半充填或全充填，一般终止于岩石力学界面［图2（d）—图2（e）］。构造裂缝在成像测井上表现为高导缝和高阻缝2种类型（图3），高导缝表现为暗色正弦曲线，为未充填的有效裂缝；高阻缝表现为亮色正弦曲线，为充填程度较高的无效裂缝。
图2 研究区裂缝类型及发育特征（a）剪切裂缝，NP5-4井，5 362.33 m，灰岩；（b）剪切裂缝，NP5-4井，5 362 m，灰岩；（c）剪切裂缝，NP3-28井，5 389 m，灰岩；（d）张性裂缝，T2井，5 345 m；（e）张性裂缝，T18井，4 783.5 m，白云岩，油浸；（f）层理缝，CC1井，4 773 m，紫红色泥灰岩；（g）风化裂缝，FC1井，5 247 m，紫红色泥岩；（h）溶蚀裂缝，T20井，5 196 m，白云岩 Fig.2 Types and development characteristics of fractures in the study area |
2.2 裂缝定量表征
根据岩心、成像测井资料和野外露头观察分析，南堡凹陷潜山碳酸盐岩储层中主要发育3组天然构造裂缝：NE—SW向、近E—W向以及NW—SE向，其中近E—W向和NE—SW向裂缝最发育。根据岩心统计结果和成像测井解释资料统计，南堡凹陷古潜山碳酸盐岩储层构造裂缝倾角主要分布在50°~80°之间，大部分为中高角度构造裂缝，其中75%的裂缝倾角大于50°（图4）。裂缝的充填程度是判别裂缝有效性的主要依据［19，23］，根据岩心和薄片裂缝充填程度统计，研究区裂缝有效性整体较好，未充填裂缝占全部裂缝的45%；部分裂缝被方解石等矿物半充填，矿物颗粒在裂缝中起到了支撑作用，使裂缝呈开启状态，保存了部分空间，也属于有效裂缝，占全部裂缝的14%；全充填裂缝因其不能起到储集空间或渗流作用，属于无效裂缝，占41%。根据成像测井资料解释，研究区储层裂缝高导缝占85%，高阻缝占15%，表明研究区仅有少数宏观裂缝被矿物充填，其余多数裂缝未被充填，有效裂缝占比较大，裂缝有效性好。以上统计结果表明，成像测井上有效裂缝比例高于岩心上有效裂缝比例，这是由于成像测井识别裂缝分辨率存在差异，高导缝未被矿物充填，容易被识别，高阻缝因为被方解石充填，而方解石与母岩的成分一致，在成像测井上则不易识别，导致一些高阻缝没有被识别出来，从而使高阻缝数量偏低。
裂缝的密度反映裂缝的发育程度，本文研究分别从成像测井、岩心以及薄片资料对研究区不同尺度裂缝发育程度进行表征。统计结果表明，研究区不同尺度裂缝发育程度均很高，其中在13口井的成像测井中累计识别出2 203条裂缝，成像测井尺度裂缝规模较大，裂缝高度一般大于10 cm，主要分布在15~25 cm之间，裂缝线密度分布在2~8条/m之间，平均为3.9条/m。岩心裂缝高度的分布范围在5~20 cm之间，裂缝线密度的分布范围在3~10条/m之间，每口井裂缝线密度平均为5.6条/m；岩心裂缝面密度的分布范围在5~15 cm/cm2之间，平均为9.2 cm/cm2［图5（a）］。微观裂缝的规模很小，其开度一般小于50 μm（图6），延伸长度为毫米—厘米级，但其发育程度高，统计结果显示微观裂缝面密度分布在25~50 cm/cm2之间［图5（b）］；微观裂缝孔隙度为0.25%~0.68%，平均值为0.54%，渗透率分布在（0.1~15）×10-3 μm2之间，平均值为3×10-3 μm2。
2.3 裂缝发育主控因素
2.3.1 岩性
根据野外露头、岩心和成像测井裂缝资料观察，南堡凹陷潜山储层主要发育白云岩、灰岩、泥质白云岩等岩性，不同岩性中裂缝差异明显，其中白云岩和白云质灰岩相对较脆，容易发生破裂，在这种坚硬的岩石中裂缝发育程度最大，白云岩中平均裂缝密度为8.6条/m，白云质灰岩中平均裂缝密度为6.7条/m；其次为灰岩，平均裂缝密度为6.3条/m；而泥岩在承受外力时容易发生塑性变形，裂缝发育程度低，平均裂缝密度仅为1.8条/m。随着白云石、方解石等脆性矿物含量的降低以及黏土矿物含量的增加，裂缝发育程度降低（图7）。
2.3.2 岩石力学层
在层状岩石中，裂缝发育受岩石力学层控制，裂缝主要发育在能干性强的地层中（如灰岩、白云岩），而在能干性较弱的泥质灰岩、泥岩等地层中，裂缝发育程度较差［图8（a），图8（b）］。根据裂缝与岩石力学层之间的空间配置关系，可分为层控裂缝和穿层裂缝［21， 25］。层控裂缝一般垂直并终止于岩石力学界面（如层理面），裂缝高度与岩石力学层厚度相当，裂缝之间相互平行，近等间距分布［26-28］。穿层裂缝可以跨越多个岩石力学层，受更高级别的岩石力学界面控制［29］，如薄层泥岩等。岩石力学界面可分为不同等级：层理面（如纹层、层系界面、层系组界面等）和塑性层（如泥岩层等），不同类型岩石力学界面控制了不同尺度裂缝［图8（c）］。其中纹层控制了微观裂缝的发育，在露头区不易识别。层系界面控制了小尺度裂缝（<20 cm的层控裂缝）分布［图8（a），图8（b）］，根据露头区不同岩石力学界面处裂缝终止还是穿越统计，约有35%~45%的裂缝终止于该类型界面［图8（c）］。层系组界面在露头区表现为沿层理面裂开，控制了中尺度裂缝（<50 cm的穿层裂缝）分布［图8（a），图8（b）］，约有45%~60%的裂缝终止于该类型界面。塑性层控制了大尺度裂缝分布［图8（a），图8（b）］，80%以上的裂缝会终止于塑性层，这取决于塑性层厚度，塑性层越厚，其控制的裂缝规模越大，延伸长度越大，裂缝终止比例越大［图8（d）］。在相同地质背景下，裂缝发育程度与岩层厚度具有较好的线性关系，岩层垂向厚度越大，裂缝间距增大，裂缝线密度随之减小［图8（e），图8（f）］。
2.3.3 断层
南堡凹陷碳酸盐岩潜山经历了多期构造运动，断裂系统十分发育。断层形成过程中控制了不同构造位置的局部应力分布，从而影响着裂缝的发育程度［1- 2， 11］。沿断裂带方向普遍存在应力集中现象，越靠近断层核，裂缝发育程度越明显。图9是一条发育在唐山市抹轴峪村碳酸盐岩中的一条逆冲断层，并伴生有牵引褶皱，断层面产状为18°∠39°，断距为8~10 m。该断层具有典型的“二元结构”，即包括断层核及其周围的破碎带。断层核厚度为10~50 cm，主要由断层角砾岩和少量断层泥组成，断层核未被全充填，开启性好，是优势渗流通道。破碎带内主要发育2组裂缝，其中一组与断层面近平行，裂缝间距小、密度大，另一组与断层面呈45°左右，裂缝间距较大（10~30 cm），2组裂缝相交形成裂缝网络系统，裂缝连通性好。
根据不同部位裂缝发育程度统计，离断层核越远，裂缝发育程度越弱，裂缝密度越小，总体呈下降趋势，当裂缝密度与远离断层带的裂缝密度一致时，代表了破碎带的结束。需要指出的是，在断层伴生牵引褶皱转折端裂缝发育程度最高，裂缝间距可低至3~4 cm，平均裂缝线密度为25~33条/m，这是由于该部位受到断层滑动和褶皱作用双重影响造成的。
根据破碎带发育的位置，可划分为端部破碎带、围岩破碎带和连接破碎带。其中，端部破碎带是指位于断层端部的亚地震断层和裂缝，又称作过程带［21，30-31］。围岩破碎带即分布在单条断层两盘的破碎带。连接破碎带是指2条或多条断层相互作用的地区，可以是断层交叉部位或叠覆区，这一部位往往是裂缝最发育的地区［21，32］。图10为位于唐山市武山剖面亮甲山组的2条叠覆断层，发育有连接破碎带和围岩破碎带，其中连接破碎带中裂缝最发育，多组裂缝交织呈网状，裂缝密度可达40条/m；其次为围岩破碎带，裂缝密度主要分布在20~30条/m之间，随着远离断层裂缝密度降低至区域裂缝密度值10条/m左右，破碎带总体宽度约为10 m。在平面上，研究区单井裂缝密度也表现出类似的规律（图11），在断层端部、交叉点、叠覆区裂缝密度最大，主要分布在6.5~21.2条/m之间；其次为断层边部，裂缝密度主要分布在3.1~11.2条/m之间；远离断层位置的井裂缝密度降低，通常小于1.9条/m。
图10 唐山市武山剖面亮甲山组断层及伴生裂缝系统发育特征（a）露头区断层及裂缝发育特征；（b）断层附近裂缝发育规律 Fig.10 Development characteristics of the Liangjiashan Formation fault and associated fracture system in the Wushan section of Tangshan city |
3 裂缝分布预测
有效裂缝分布规律定量预测对南堡地区古潜山油气藏的勘探开发具有重要的借鉴意义。通过上述对南堡凹陷碳酸盐岩储层裂缝的成因类型、有效性、分布规律及主控因素分析，并结合研究区构造演化可知，研究区以构造裂缝为主，且早期裂缝因矿物充填而变为无效裂缝，晚期（喜马拉雅期）构造裂缝有效性最好，因此，主要对该期裂缝形成时期的古构造应力场进行数值模拟［33-34］。在地质力学模拟过程中，根据研究区岩性、岩相及断层分布来建立数值模拟的地质模型。利用岩石力学实验，确定不同岩相的杨氏模量和泊松比等岩石力学参数，进而建立数值模拟的力学模型［35-37］。根据研究区构造演化分析，研究区在喜马拉雅期的主应力方向为NEE向，应变量为1.5%~2%［12-13，38］，以此为边界条件，利用有限元数值模拟技术，对研究区喜马拉雅期构造应力场分布特征进行数值模拟。根据储层裂缝计算的需要，在这里主要以最大主应力σ 1、最小主应力σ 3来体现。应力正值表示压缩，负值表示拉伸。模拟结果显示，研究区域内最大和最小主应力方向相对稳定，主要受模拟时期边界条件影响。最大和最小主应力的大小变化较大，与储层非均质性分布关系密切。研究区主要破裂期的最大主应力范围在85~95 MPa之间，最小主应力范围在18~23 MPa之间。
根据对府君山组喜马拉雅期古构造应力场数值模拟结果，结合岩石力学实验获取的不同岩相的破裂准则，预测了南堡地区裂缝发育分布规律。其中，分别用格里菲斯准则和库伦—摩尔准则判断研究区是否发生张破裂和剪破裂，即计算岩石破裂率I，岩石的破裂率是指单元内剪应力或张应力与岩石实际的抗剪或抗张强度的比值，当该值大于1时，表示发生破裂，可由下式获得：
式中：τ n和σ t 分别为计算的各单元剪应力和张应力，MPa；［τ n］和［σ t］分别为岩石的抗剪强度和抗张强度，MPa。岩石发生破裂后，岩石中裂缝的发育程度还与岩石中积累的能量有关，可由主应力计算获得：
式中：W为应变能，J；E为岩石的弹性模量，MPa；σ 1、σ 2、σ 3为3个主应力值，MPa；v为岩石的泊松比。
应变能主要能够体现出在施加构造应力环境下岩石累计的应变能量。由构造应力场计算得出南堡凹陷储层中岩石应变能W和岩石破裂率I，将他们与岩心统计的裂缝密度进行拟合计算，进而预测储层中构造裂缝发育程度的分布规律：
(I r≥I 0)
(I r<I 0)
式中：I r为对张破裂率和剪破裂率进行校正后所得到的综合总破裂率；W为不同时期的综合能量值；A 1、A 2、A 3、A 4、A 5分别为比例系数，用最小二乘法结合单井裂缝密度资料拟合得到；I 0为总破裂率的临界值，一般为1。
图12 府君山组裂缝分布规律综合预测Fig.12 Comprehensive prediction of fracture distribution in the Fujunshan Formation |
表1 天然裂缝发育强度定量预测结果与钻井揭示裂缝密度对比Table 1 Comparison between prediction results and drilling revealed fracture densities |
| 井号 | 裂缝密度/（条/m） | 误差 | 精度 /% | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 实测 | 预测 | 绝对误差 /（条/m） | 相对误差 /% | ||
| NP1-1 | 6.93 | 6.05 | -0.88 | 12.66 | 87.34 |
| NP1-2 | 6.42 | 7.42 | 1.01 | 15.71 | 84.29 |
| NP1-3 | 5.12 | 5.95 | 0.83 | 16.31 | 83.69 |
| NP3-1 | 6.17 | 5.57 | -0.61 | 9.82 | 90.18 |
| NP1-4 | 5.87 | 6.45 | 0.58 | 9.88 | 90.12 |
| NP5-1 | 3.52 | 3.96 | 0.45 | 12.69 | 87.31 |
| NP3-2 | 2.79 | 3.33 | 0.53 | 19.15 | 80.85 |
| NP3-3 | 3.50 | 4.30 | 0.80 | 22.68 | 77.32 |
| PG1 | 5.33 | 4.75 | -0.58 | 10.92 | 89.08 |
| NP280 | 5.69 | 6.09 | 0.41 | 7.17 | 92.83 |
| NP1-5 | 6.22 | 6.82 | 0.60 | 9.66 | 90.34 |
| NP2-1 | 8.40 | 7.45 | -0.95 | 11.31 | 88.69 |
| NP1 | 3.82 | 4.09 | 0.27 | 7.07 | 92.93 |
| NP288 | 5.26 | 6.37 | 1.11 | 21.10 | 78.90 |
| 平均值 | 5.36 | 5.61 | 0.26 | 13.30 | 86.70 |
4 结论
（1）渤海湾盆地黄骅坳陷南堡凹陷古潜山碳酸盐岩储层裂缝主要为中高角度构造裂缝，以NE—SW向和近E—W向为主要方向；单井裂缝线密度范围为2~8条/m，平均值为3.9条/m；微观裂缝面密度平均为32.3 cm/cm2；裂缝填充程度不高，有效性较好，有效裂缝占比超过59%。
（2）南堡凹陷古潜山碳酸盐岩储层裂缝主要受岩性、岩石力学层和断层等因素控制。裂缝在不同岩石中发育程度不同，在能干性较强（白云岩、灰岩）的脆性岩石中，裂缝发育程度较高；而在能干性较弱的泥岩中，裂缝发育程度低。岩石力学层厚度影响裂缝发育强度，地层厚度越大，裂缝间距越大，裂缝密度越小。断层是控制裂缝分布的重要因素，在断层附近，尤其是在断层端部、交叉点和叠覆区，裂缝密度最大，远离断层，裂缝发育强度最低。
（3）依据影响裂缝形成的主控因素创建地质模型，并通过裂缝形成时期的构造应力场进行数值模拟，结合实际岩石破裂标准和岩心单井裂缝密度，可对构造裂缝分布规律进行定量预测。裂缝预测结果的可靠性取决于前期对研究区裂缝分布规律、主控因素以及岩性岩相分布、构造演化等基础地质背景的认识程度。
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