构造裂缝类型划分与预测_秦启荣

作者简介:秦启荣,1964年生,博士、教授、博士生导师;1985年毕业于原成都地质学院地质学专业,西南石油大学优秀中青年骨干教师,四川省学术技术带头人后备人选;主要从事构造地质和油气地质的教学与科研工作,研究方向为构造地质、地应力、裂缝和开发地质。

地址:(610500)四川省成都市新都区。

电话:132********。

E 2mail :qqrong @构造裂缝类型划分与预测秦启荣　苏培东(西南石油大学) 秦启荣等.构造裂缝类型划分与预测.天然气工业,2006,26(10):33236.摘　要　通过对四川盆地东部大量地面裂缝的调查研究,结合川中地下岩心裂缝观测结果的验证,探讨了地面裂缝与地下裂缝的关系,提出了一套以预测为目的的构造成因裂缝类型划分方案。

该分类方案将构造裂缝分为区域型、局部型以及复合型构造裂缝3大类型,其中区域性裂缝可进一步细分为伴生构造缝和派生构造缝,复合裂缝也可分为重张裂缝和追踪张裂缝。

进而阐述了各种裂缝的形成方式、与构造运动的时间关系、空间分布关系及可能的方位和产状等具体特征,可为地下裂缝的预测提供依据。

主题词　构造　裂缝(岩石)　类型　划分　特征　预测　四川盆地　中 在石油勘探开发过程中,迫切需要解决裂缝发育程度及其分布规律的预测问题,由于裂缝发育分布的复杂性和观察手段的局限性,许多学者专家运用不同的手段和技术对其进行了预测研究[125],总体来看,其技术方法仍然需要进一步探索。

笔者通过对四川盆地华蓥山中段西侧侏罗系地层中地面裂缝的调查研究,结合相邻的川中地区深部钻井资料的验证,发现地下裂缝与地表岩体裂缝在发育分布规律上有较大的相似性,由此提出了以地下裂缝预测为目的的构造裂缝分类方案。

一、地面岩体裂缝调查 地面裂缝调查主要选择在露头条件比较好的华蓥山中段的西侧,该区构造上为四川盆地、川中低缓褶皱带与川东高陡构造带的交界地段,即川中油气区的东部边缘的广安龙王塘、合川青林村、北碚凉水桥、大坝沟;调查所选地层以侏罗系的大安寨灰岩为主,同时对其相邻的珍珠冲组砂岩、凉高山组粉沙岩等几套脆性岩层也进行了观测。

各观测露头点相距较远,并且处于不同构造以及不同的构造部位上。

裂缝类型是在大量野外观测资料的分析研究基础之上,经过与邻区深井的取心资料和油气生产资料进行对比验证后总结得出来的。

根据野外观察和室内分析发现,岩体裂缝按其成因、分布特征、以及与主体构造的形成在时间和空间上的关系配置等因素综合考虑,可分为区域型、局部型和复合型3大类型裂缝。

1.区域性构造裂缝 区域构造裂缝是指在一定区域范围内分布(特别是走向)具有一定规律性的裂缝,主要特征如下。

裂缝平直、穿层深、延伸长,垂直于层面或与岩层面呈大角度相交。

同一层面上的区域裂缝一般同时发育两组,它们切割岩层在层面上呈棋盘格子状,当岩层直立或倾角较高时,在剖面上呈阶梯状。

不同方位的区域裂缝的规模、密度等有所不同,同一组裂缝其发育程度基本相似,常呈等间距分布。

调查发现:同一露头上所观测的具有上述特征的裂缝延伸方位比较一致性,但在不同观测点所测得的这类裂缝的初始产状却各不相同,如果直接作玫瑰花图,将看不出优势方位。

为此,将野外所测得的此类裂缝根据其所处的岩层产状进行赤平投影处理,求出其在岩层处于水平状态时的产状(恢复产状),然后再作玫瑰花图,求出其优势方位,最后根据岩层在水平状态下裂缝的优势方位,求出裂缝形成时的主应力方位(表1)。

结果表明:不同地方的区域裂缝在岩层水平时其延伸方位有惊人的一致性,单个裂缝的走向方位·33·第26卷第10期 天　然　气　工　业 地质与勘探表1　裂缝恢复产状统计及分析成果综合表地层岩性裂缝组号实测裂缝条数恢复产状(°)恢复走向(°)主应力方位(°)珍珠冲组砂岩大安寨组石灰岩凉高山组砂岩Ⅰ15136∠8646Ⅱ1734∠81304Ⅲ23280∠8910Ⅳ2114∠84284Ⅰ47310∠8940Ⅱ3839∠85309Ⅳ57188∠89278Ⅲ32282∠8712Ⅰ19317∠8947Ⅱ23214∠86304Ⅲ38280∠8710Ⅳ41200∠8929085～265151～33184.5～264.5145.5～325.584.5～264.5150～330与平均值方位最大误差值不超过10°,一般小于5°。

在整个研究区共有4组较稳定的区域构造裂缝,虽然在连续沉积的不同岩性的地层中,同一组区域构造裂缝的恢复产状(走向)不完全一致,但各组裂缝产状非常接近,其微小的差异是由于不同岩性岩体的内摩擦角不同所致(表1)。

根据野外的分期与配套研究,表1中的I 、II 两组裂缝为同一共轭剪切节理系,第III 、IV 两组裂缝为另一共轭剪切节理系,且I 、II 组节理的形成时间早于III 、IV 组节理。

从表1中可以看出:I 、II 组裂缝是在近东西方向(85°～265°)的水平挤压应力作用而形成的,而III 、IV 组裂缝则是由南东—北西方向(150°～330°)力的作用而形成的。

上述裂缝形成于构造运动的初期、岩体尚未大规模褶皱断裂变形之前,此时岩层基本上还处在原始水平状态,受构造运动初期的区域性水平挤压力作用的影响,岩体内部构造应力的方向、大小和性质都较均匀、一致,因此,所形成的裂缝在较大区域内其规模、方位和性质都具有相同或相似性,分布不受局部构造形态和构造部位的影响,具有区域上的规律性或一致性,因而叫区域性构造裂缝。

2.局部构造裂缝 裂缝在不同的地区、不同构造以及不同的构造部位所表现出的产状、性质和规模大小等方面各不相同,没有区域上分布的规律性,但与局部构造有关,故称局部构造裂缝。

局部构造裂缝分为伴生裂缝和派生裂缝两种类型。

(1)伴生裂缝 在统一构造应力场的作用下,伴随着褶皱和断层的形成而产生的裂缝,主要类型如下。

①与断层伴生的剪切裂缝:往往发育有两组,其中一组与断层产状相同和近于一致,另一组与断层面斜交,在剖面上成“X ”型相交,在构造地质学中常常叫做剖面“X ”型节理。

②与褶皱伴生的剪切裂缝:发育于褶皱的核部和靠近核部两翼,与岩层面斜交,两组裂缝在剖面上仍然呈“X ”型。

在构造运动的中后期阶段,该裂缝容易发育形成较大规模的逆断层(一般为倾轴断层)。

③横向张性裂缝:常常发育褶皱的倾伏部位,垂直于褶皱和断层(与主构造应力一致),但发育数量比较少。

(2)派生裂缝 在构造运动的中后期,随着褶皱和断层的形成,区域构造力在不同构造部位会派生一些大小、方向和性质各不相同的局部派生应力。

由派生应力作用而形成的裂缝就叫派生裂缝。

派生裂缝随它所处的构造部位的不同而呈现出不同的规模、不同的方位和不同的性质。

其类型主要有以下几种:断层附近的羽状扭张裂缝、羽状剪切裂缝;褶皱外凸部位的纵向张性裂缝。

局部构造裂缝形成于褶皱和断裂构造形成的时期或后期,因而这类裂缝在不同地区、不同构造部位,具有不同的性质、规模和方位,分布范围较小,与所处的构造部位相关,不具区域普遍性特征。

3.复合型裂缝 区域性裂缝形成于小规模的构造运动时期或大规模构造运动的初期阶段;在大规模构造运动开始(褶皱或断层开始形成)之后,早期区域性裂缝要受到不同程度、不同形式的应力改造,使其进一步剪切产生平滑(走滑)断层,或者使其张开形成张性裂缝,这种裂缝同时具有区域和局部构造裂缝的部分特征。

因此把它叫做复合性裂缝。

从裂缝的二次改造方式来看主要有重张缝和追踪张性缝两种形式。

(1)重张缝 在形成褶皱或断层的过程中,在某些构造部位(如褶皱的外凸部位、局部断层面附近)会派生出局部拉张应力,使早期形成的区域裂缝张开,呈张性状态,重张是沿某一条区域裂缝张开,使早期的区域剪切裂缝加宽、延长。

重张多产生于褶皱的核部,往往呈纵向张开;在褶皱的倾伏部位容易产生横向重张。

(2)追踪张性缝 追踪张性裂缝不是沿一条早期区域裂缝张开延伸,而是沿两条或多条早期平面“X ”型区域裂缝进一步张开连通而形成,但其张开方向与单一的区域性·43·地质与勘探 天　然　气　工　业 2006年10月剪切缝不一致,而与共轭剪切裂缝的角平分线平行,即是两组剪切裂缝的复合方向张开,其形态在层面上呈锯齿状。

总体延伸方向与主构造方向垂直(横向)或平行(纵向)。

复合裂缝虽然具有区域性裂缝和局部裂缝的双重特征,但其后期改造作用仍然受局部应力场的控制。

因此分布与局部构造裂缝一样,受构造形态和构造部位的影响。

二、深部岩体裂缝资料验证 为了揭示地面露头岩体裂缝与地下深部岩体的裂缝的关系,对毗邻的川中油气区地下相同层位的岩体裂缝进行了对比验证,所选资料如下。

1.地下岩心资料 根据川中的金华、文井、充西3个试验区内的7口井所观察到的岩心裂缝与地面裂缝对比,发现它们之间在类型、发育规律等方面基本一致。

地面岩体构造裂缝类型有:与岩层垂直或高角度相交区域型裂缝,与岩层中低角度的斜交的构造伴生剪切裂缝,与岩层呈高角度和低角度相交的褶皱或断层的派生构造张性或剪切裂缝。

岩心裂缝的观察统计表明:上述几种产状类型的裂缝在地下岩体中同样发育,只是在岩心上所观察到的高角度斜交裂缝和直立裂缝(区域构造裂缝)没有地面露头上那样普遍,这有两方面原因:一是高角或直立裂缝的个体规模较大,而整体发育的密度小,钻遇率小;二是直立钻井往往与这种裂缝平行或小角度相交,钻遇率也小。

因此岩心观察结果与地面结果一致。

深部岩体中裂缝在不同岩层中的的发育规律与地面露头岩体裂缝的发育规律也基本一致。

例如:地面岩体裂缝的密度(或间距)主要与岩性和岩层厚度有关,岩层越薄、岩体强度越低(特别柔软的塑性层除外),岩体中裂缝的密度就越高,深部岩体中的取心观察结果也证明了这一点。

三、基于裂缝预测的类型划分 通过地面裂缝调查研究和地下裂缝资料的验证,针对地下油气储集岩体裂缝的预测需要,笔者尝试将构造成因的裂缝类型作如型划分(表2)。

表2　基于地下油气储层裂缝预测的构造裂缝分类方案表类型裂缝类型细分形成方式形成时间分布及可能的产状裂缝特征区域性裂缝根据走向可进一步配套为不同的组、系,并根据剪切方向进一步分为左旋、右旋区域性水平挤压导致水平剪切轻微构造运动时期,或大规模构造运动的早期区域性大范围分布、产状较稳定;与主体构造方向成近于或大于45°角斜交平直、与岩层面垂直或大角度相交,延伸长,穿层较深,每两组共轭而生,切割岩层呈棋盘格子样式,每组基本等间距分,在同一构造单元的区域范围内延伸方向有规律性局部构造裂缝伴生裂缝褶皱伴生缝断层伴生缝派生缝断层派生缝褶皱派生缝羽状剪切扭张纵张横张局部剪切局部剪切局部剪切拉张 局部拉张作用 构造运动中晚期,伴随着褶皱、断层形成而形成断层形成的中晚期断层形成的晚期构造运动晚期构造运动中、晚期褶皱核部及靠近核部的两翼,走向与褶皱延伸方向一致与地层低角度斜交,缝面平直,张开度小,常闭合,常伴有擦痕断层面两侧,分布范围与断层规模有关,一般成正比关系。