0.   引言

碳酸盐岩储层孔渗特征与裂缝关系密切，裂缝对储层孔渗性能的制约受裂缝规模、开度、密度、产状及充填程度等多种因素影响^[1~11]，但本质受裂缝的空间分布规律及其有效性的控制。裂缝的发育与所处构造位置、岩性及层厚等关系密切^[12~14]，其有效性受充填程度、发育期次、规模及产状等因素影响^[15~16]。要解决裂缝的空间展布及其有效性这一关键问题，需要在总结裂缝分布特征的基础上，明确裂缝发育主控因素，划分裂缝发育期次，分析裂缝成因机制，并结合区域构造背景，恢复裂缝发育过程，进而对裂缝的有效性进行探讨。

塔里木盆地玉北地区奥陶系碳酸盐岩储层发育，储集空间主要以孔洞、裂缝为主^[17]，其中裂缝型储层普遍发育，但不同构造带裂缝型储层发育的强度及其充填程度有差异，油气显示亦有差异，这种差异是否由裂缝发育程度及其有效性的差异所导致？为此需要对玉北地区的储层裂缝开展系统的研究。本文基于单井岩心及成像测井资料进行裂缝表征，总结了不同构造带的裂缝发育特征，明确了裂缝发育的差异性及其主控因素，划分了裂缝发育期次，并从力学的角度分析了裂缝的成因机制，初步优选了有利裂缝型储层的分布地区，以期为玉北地区油气勘探成果的进一步扩大提供借鉴。

1.   研究区地质概况

玉北地区位于塔里木盆地西南部麦盖提斜坡区东部，北与中央隆起区巴楚隆起接壤，南邻喀什凹陷、叶城—和田凹陷，西北接柯坪断隆，东与塘古巴斯凹陷过渡。2010年首次在奥陶系获得工业油流，实现了油气的重大突破。该区经历多期构造运动，断裂系统复杂，自奥陶系沉积以来，共伴随有3次主要的断裂活动，分别为加里东中期、加里东晚期—海西早期与海西晚期^[18~19]，形成了现今断裂系统格局。玉北地区东部断裂走向以北东向为主，自西向东主要发育玉北7、玉北1、玉东1、玉北2、玉北3及玉北4等6个断裂构造带，各构造带基本呈平行展布，继承性复合挤压构造为区内主要的构造变形样式，断裂活动强度不同导致三维区内同一构造带构造样式具有明显的分段性，差别主要表现在主逆冲方向和褶皱带宽度2个方面(见图 1)。

图  1  玉北地区断裂平面展布及裂缝方位

Figure  1.  The fault distribution in plane and fracture azimuth in Yubei area

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2.   裂缝发育特征及主控因素

目前常用的裂缝识别方法主要有岩心及野外露头观测法、常规及成像测井资料识别法以及叠前、叠后地震属性法，其中岩心观测法及成像测井识别法是目前最常用、最有效的裂缝识别方法^[20~21]。本文基于玉北地区奥陶系9口井岩心、12口井成像测井及镜下薄片等资料，系统总结了玉北地区不同构造带的裂缝发育特征(见图 2)。

图  2  玉北地区奥陶系裂缝发育特征

a—YB1-2井近垂直开启构造缝；b—YB7井近垂直方解石全充填构造缝；c—YB3井方解石全充填高角度构造缝；d—YB3井沿高角度缝弱溶蚀，锯齿状；e—YB1井高角度缝合线；f—YB3井网状缝；g—YB5井溶缝被灰色泥质条带充填；h—YB5井近垂直构造缝充填沥青质；i—YB7井密集发育近水平缝合线

Figure  2.  The characteristics of fractures of the Ordovician in Yubei area

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按成因分类，该区主要发育构造缝、溶蚀缝和成岩缝3种类型裂缝，其中受区域或局部构造应力控制的构造缝普遍发育，但不同构造带裂缝组系特征有差异。玉北1构造带主要发育一组低角度剪切裂缝及一组高角度—近垂直剪切裂缝，北东走向为主(见图 1)，低角度缝深层发育，裂缝开启程度高。玉北3构造带发育一组方解石充填高角度剪切裂缝、一组沥青质充填高角度剪切缝，沿缝面具弱溶蚀特征，北西—近南北走向为主，另发育网状缝；断洼区主要发育一组高角度—近垂直剪切裂缝，北北西走向为主，沥青质充填。玉北7构造带主要发育一组高角度剪切裂缝，北西西—北西走向为主，基本被方解石全充填，深层蓬莱坝组发育开启高角度缝及近水平缝。该区成岩缝以缝合线为主，自西向东发育程度逐渐降低，且以近水平缝合线为主，高角度缝合线局部发育。溶蚀缝主要表现为沿早期构造缝及缝合线的扩溶，沿断洼带的溶蚀强于高陡带。

构造裂缝的发育受构造位置、岩性、层厚及温度、围压等因素影响。对比玉北地区不同构造带裂缝发育程度(见图 3)可以看出，沿高陡带裂缝发育程度明显高于断洼带，但不同岩性段裂缝发育程度无明显差异(见图 4)，随岩层厚度增加，裂缝发育程度具减小趋势。综合分析认为，玉北地区构造裂缝的发育主要与所处构造位置有关，岩性差异的影响相对较小。

图  3  不同构造带裂缝密度分布直方图

Figure  3.  Distribution histogram of fracture density in different structural zone

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图  4  不同岩性段裂缝密度分布直方图

Figure  4.  Distribution histogram of fracture density in different lithologic section

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3.   裂缝发育期次

玉北地区构造裂缝的发育具多期性，目前缺乏直接有效的手段准确确定裂缝的形成时期，只能在裂缝“分期”的基础上，结合构造演化史，并根据不同演化阶段区域/局部构造应力场控制下的可能裂缝发育形态，对裂缝进行“定期”^[21]。根据岩心、镜下裂缝切割关系(方解石充填高角度缝切割网状缝、弱溶蚀沥青质充填高角度缝切割方解石充填高角度缝、近水平—低角度开启缝切割高角度开启缝，见图 5)，结合裂缝阴极发光特征和裂缝充填物包裹体特征，并考虑裂缝充填、溶蚀特征差异，初步将玉北地区识别的构造裂缝划分为4期：第Ⅰ期为东部玉北3构造带发育的网状缝；第Ⅱ期为玉北3构造带方解石充填高角度缝；第Ⅲ期为玉北3构造带弱溶蚀、沥青质充填高角度缝、玉北1构造带开启高角度缝、玉北7构造带方解石充填高角度缝及部分近水平缝；第Ⅳ期为玉北1构造带低角度剪切缝、玉北7构造带开启高角度缝及断洼带高角度缝。其中玉北3构造带发育3期构造缝，玉北1、玉北7构造带各发育2期构造缝。

图  5  玉北地区奥陶系不同期次构造缝切割关系

a—YB1井低角度缝切割高角度缝；b—YB3井弱溶蚀沥青质充填缝切割方解石充填缝；c—YB3井弱溶蚀沥青质充填高角度缝限制后期红色方解石充填高角度缝；d—YB7井高角度剪切缝切割近水平缝；e—YB3井阴极发光显示裂缝三期充填特征；f—YB1井裂缝充填方解石包裹体具两期特征

Figure  5.  The cutting relation of different sorts of the Ordovician structural fractures in Yubei area

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4.   裂缝成因模式

控制裂缝发育的本质是构造应力，因三轴主应力状态差异导致岩石具有不同的破裂扩展型式，从而形成性质不同、产状不同的多种裂缝。实际地质情况中，要确定裂缝的成因机制，需对裂缝发育区的构造应力场进行分析，特别是在断层或褶皱发育区，由于断层或褶皱作用派生局部应力场，所形成裂缝往往不受区域构造应力场的控制，而取决于裂缝发育区的局部三轴主应力状态，因而同一构造体系下往往会产生多种不同成因的裂缝^[22~25]。

4.1   构造缝发育力学模式

前已述及，玉北地区构造缝的发育与所处构造位置密切相关，而玉北地区东部逆冲断层相关褶皱发育，裂缝的发育受断层及褶皱作用共同控制，裂缝的发育程度及产状受到与断层距离、断层产状及所处褶皱部位等因素影响^[26~27]。靠近断层附近，由于受断层上盘沿断层面向上逆冲作用影响，三轴最大主应力σ₁与断层面平行，最小主应力σ₃垂直于断层面，该三轴主应力状态下发育与断层走向近平行的高角度剪切裂缝(见图 6A)，在该区表现为北东走向，向深层断层倾角变小，最大主应力倾角亦随之变小，相应产生裂缝倾角也逐渐变小(近垂直一组由于受上覆岩层重力被抑制，见图 6B)；远离断层区，受区域或褶皱作用控制，σ₁与区域主应力方向一致，产生与区域主应力方向小角度相交的高角度剪切裂缝(见图 6E、6F)，在该区表现为北西西—北西走向；而位于两者之间，由于受到断层与褶皱派生局部应力场的共同控制，产生裂缝走向介于北东与北西走向之间，可能表现为北北东—南北—北北西走向(见图 6D)；同时在褶皱变形过程中，受层间滑动造成的近水平剪切作用控制发育低角度剪切裂缝(见图 6C)。

图  6  逆冲断层相关褶皱控制下构造缝发育模式

Figure  6.  The development pattern of structural fracture controlled by thrust fault related fold

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4.2   构造应力场数值模拟

构造缝的发育受构造运动控制，这一控制以应力-应变为纽带来体现，不同地质历史时期的应力场方向、强度不同，其控制下的差异构造变形特征派生不同的构造应力场，导致裂缝发育的主控因素及特征也不尽相同。玉北地区主要经历3期构造运动：① 加里东中期，受来自东南部的挤压应力作用，逆冲断裂发育，断褶区初步形成；② 加里东晚期—海西早期，受持续来自东南的挤压应力作用，断裂进一步活动，褶皱强烈变形，断褶区基本定型；③ 海西晚期，受北部天山洋关闭影响，玉北地区断褶区西部受近南北向挤压应力作用，部分断裂继承性活动，构造进一步变形。这种差异构造变形派生不同的局部应力场。本文通过应力场数值模拟法，在恢复不同地质历史时期变形过程的基础上，对不同地质历史时期古构造应力的分布进行了数值模拟。

应力场模拟主要采用有限单元法，其基本思路是将一个不规则地质体离散成有限个连续的规则单元，分别计算每个单元内的应力和应变值。地质模型的建立力求复原不同地质时期的变形特征，并根据实际断裂带与地层中岩石强度的差异，给应力场模拟的不同区块分别赋以不同的力学参数，参数大小的确定参照部分实验测试结果(见表 1)^[29~30]。在建立地质模型及确定各项岩石力学参数的基础上，划分有限单元网格，并按照古区域应力场的方向对模型进行加载求解，最终恢复不同地质历史时期的古地应力状态。

表  1  构造应力场模拟力学参数

Table  1.  Mechanical parameters used in the simulating of structural stress field

岩石来源	弹性模量/GPa	泊松比	岩石密度/(g·cm-3)
地层	43	0.303	2.66
断层	40	0.350	2.50

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应力场模拟结果显示，玉北地区在加里东中期、加里东晚期—海西早期受挤压作用影响，三轴主应力主要为挤压应力，此应力背景下，选用库伦-莫尔准则对岩石能否产生破裂进行判别，以岩石发生剪切破裂为依据，重点考虑最大与最小主应力对岩石强度的影响。加里东中期，构造变形微弱，最大、最小主应力差值较小(见图 7a)，此差应力条件下，派生剪应力小于岩石抗剪强度，岩石没有足够能量产生破裂，基本没有裂缝产生，仅在靠近断层附近，差应力较大，可能有裂缝发育；加里东晚期—海西早期，随着挤压力逐渐增强，派生局部应力场差应力逐渐增大(见图 7b、7c)，沿断层附近、褶皱变形强烈区均有差应力高值区分布，其派生的剪应力大于岩石的抗剪强度，有足够的能量产生裂缝，且随着挤压力逐渐增强，差应力高值区分布范围逐渐扩大，因而裂缝发育区范围也逐渐扩大。

图  7  不同地质时期最大、最小主应力差应力分布图

Figure  7.  Distribution of differential stress between maximum and minimum principal stress in different geological periods

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4.3   裂缝分期发育特征

根据前述裂缝发育期次划分及应力场模拟结果，玉北地区受不同地质历史时期局部应力场控制共发育4期构造裂缝(见图 8)。

图  8  不同地质时期裂缝发育特征

Figure  8.  The development characteristics of fractures in different geological periods

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第Ⅰ、Ⅱ期构造缝形成于加里东中期，分别对应于加里东中期Ⅰ、Ⅲ幕构造运动，主要受断层派生局部应力场控制。加里东中期Ⅰ幕，东部逆冲断裂开始活动，受断裂派生局部应力场控制，在断层附近发育与断层走向一致构造缝和网状缝，由于断层活动初期，断裂派生局部应力场范围较小(见图 7a)，控制形成的裂缝主要在断层附近发育，东部YB3井识别的网状缝即为该时期形成。到加里东中期Ⅲ幕，褶皱开始变形，受断层与褶皱作用共同控制，玉北3井发育近南北走向的高角度缝(见图 6D)，西部YB7井由于远离断层且褶皱变形较微弱，该时期少有裂缝产生。

第Ⅲ期构造缝形成于加里东晚期—海西早期，受断层及褶皱派生局部应力场共同控制。该时期，断裂进一步逆冲，褶皱进一步变形，所控制局部应力场范围也进一步扩大(见图 7b、7c)，裂缝发育区进一步扩展，东部YB3井附近，由于褶皱控制作用进一步加强，产生北西西—北西向裂缝并切割早期近南北走向裂缝，同时在褶皱枢纽部位发育纵张裂缝；YB1井附近由于靠近断层，断层控制作用明显，发育北东走向裂缝，西部YB7井附近，浅层受褶皱主控发育北西走向高角度缝，深层靠近断层，受断层与褶皱共同控制发育近南北走向高角度裂缝，同时该时期由于层间剪切作用发育部分近水平缝。

第Ⅳ期构造缝形成于海西晚期，受北部天山洋关闭影响，玉北地区受近南北向挤压应力，西部断裂继承性活动，裂缝主要在西部发育。YB1井附近，在褶皱变形枢纽部位发育纵张裂缝，裂缝开启性高，同时深层发育层间剪切裂缝切割早期北东走向高角度缝；YB7井深层，受断层与褶皱共同控制部分近南北走向高角度裂缝进一步活动开启，浅层褶皱枢纽部位，由于变形较东部弱，仅产生少量纵张裂缝；在YB3井附近，由于东部变形较强烈，早期纵张裂缝发育区可能已被剥蚀；而该时期在断洼区发育北北西向高角度裂缝。

5.   裂缝发育与油气聚集

断裂及其伴生裂缝是岩溶作用的先期通道，从根本上为空间范围内大规模的碳酸盐岩溶蚀作用提供条件^[31]。玉北地区加里东中、晚期—海西早期的断裂带活动时期与奥陶系碳酸盐岩暴露时期相匹配，断裂活动控制了伴生裂缝的发育，使得地表淡水能够沿断裂及裂缝下渗，发生溶蚀作用，有利于缝洞型储层的发育。

玉北地区东部主要发育加里东中期及加里东晚期—海西早期裂缝，后期开启性纵张裂缝发育区可能已被剥蚀殆尽，残留裂缝基本全充填，对后期油气及流体的渗滤意义不大；而西部继承性发育加里东晚期—海西早期、海西晚期2期复合叠加构造区，海西晚期开启性纵张裂缝得以保存，且早期发育的裂缝特别是近南北走向的裂缝受南北向挤压应力作用进一步活动，开启性较好，对油气或流体的渗滤意义更大，且该裂缝发育期与碳酸盐岩暴露期相匹配，裂缝的存在，为大气淡水的下渗提供了通道，从而扩大了溶蚀孔洞发育带的厚度，同时也增强了岩溶发育的强度，尤其是高角度缝，对于纵向上沟通溶蚀意义最大，往往易形成较好的岩溶-裂缝型储层，其他类型裂缝有利于增加奥陶系储层，但却不能沿裂缝形成岩溶缝洞型储层，只表现为对后期油气调节存在一定的贡献性。通过与玉北地区不同构造带油气显示特征(见表 2)对比也可以看出，沿继承性发育加里东晚期—海西早期、海西晚期2期复合叠加构造区发育、且与断裂走向较一致的北东/近南北走向高角度裂缝有效性更高，对储层发育贡献最大，易获得工业油流，因而玉北地区的下一步勘探重点应为玉北1构造带北东走向高角度裂缝发育区及玉北7构造带蓬莱坝组近南北走向高角度裂缝发育区。

表  2  玉北地区不同构造带裂缝发育特征与油气显示

Table  2.  Fracture characteristics and oil-gas indication in different fault zones in Yubei area

构造 位置	裂缝产状		开启 程度	发育期次	发育特征	油气显示
	走向	倾角
玉北1构造带	北东向为主	高角度—近垂直缝、低角度缝	好	加里东晚期—海西早期海西晚期	裂缝发育程度高、开启性好、缝洞对应好	工业油流
玉北3构造带	北西—南北为主，低角度缝北东	高角度缝为主低角度缝其次	差	加里东中、晚—海西早期	裂缝发育程度高，但大部分全充填，开启性差	油迹、荧光
玉北7构造带	北西、近南北向	高角度缝为主局部低角度缝	差	加里东晚期—海西早期海西晚期	裂缝发育程度较高，鹰山组开启性差，蓬莱坝组好	取心见沥青
断洼带	北西—北北西	中低、高角度缝	较差	海西晚期	鹰山组裂缝发育程度低；蓬莱坝组裂缝发育程度较高	油迹、气测异常

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6.   结论

玉北地区奥陶系裂缝主要沿高陡带发育，玉北1构造带裂缝走向与断裂走向较一致，其他构造带与主构造方向角度相交，以高角度—近垂直缝为主，深层发育低角度缝，不同构造带裂缝充填程度有差异。

构造裂缝的发育主要与所处构造位置有关，其发育程度、产状受断层、褶皱共同控制。断层相关褶皱区主冲断层附近发育与断层走向一致裂缝、褶皱翼部发育与长轴高角度—近垂直相交裂缝、层间发育近水平剪切裂缝、褶皱翼部与主冲断层之间发育与主构造走向小角度相交裂缝。

玉北地区发育加里东中期Ⅰ、Ⅲ幕(断层主控)、加里东晚期—海西早期(断层、褶皱控制)及海西晚期(褶皱主控)4期裂缝。

与断裂走向较一致的北东/近南北走向高角度裂缝对储层发育贡献最大，且沿继承性发育加里东中晚期—海西早与海西晚期2期复合叠加构造区的有效缝更发育。