塔河油田奥陶系断裂分形特征及与油气运聚关系
江山1, 2，刘国勇3，云露4
(1. 中国石油大学(北京) 教育部石油天然气成藏机理重点实验室，北京，100029；
2. 长江大学 地球科学学院，湖北 荆州，434023；
3. 中国石油冀东油田分公司，河北 唐山，063004；
4. 中国石油化工股份有限公司 西北油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐，830011)
摘 要：为了研究塔河油田奥陶系断裂对油气运聚的影响，采用分形研究方法对塔里木盆地塔河油田中下奥陶统顶面(T74界面)断裂体系的分布特征进行研究。研究结果表明：断裂体系的分维值与其空间分布的复杂程度密切相关，若断裂体系分维值越高，则断裂体系空间分布越复杂，深源油、气向上运移的通道条件越好；若断裂体系分维值越低，则越不利于油气运移的发生；分形研究方法在塔河油田得到应用，不仅有助于该区油气富集规律的研究，而且有助于断裂系统的研究。
关键词：塔河油田；奥陶系；分形；断裂；油气运聚
中图分类号：P618.13 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)02-0736-06
Fractal feature of fracture system in Tahe Oil Field and its relation to hydrocarbon migration and accumulation
JIANG Shan1, 2, LIU Guo-yong3, YUN Lu4
(1. Key Laboratory for Hydrocarbon Accumulation, Ministry of Education, China University of Petroleum,
Beijing 100029, China;
2. School of Geoscience, Yangtze University, Jingzhou 434023, China;
3. Jidong Oil Fields Company of CNPC, Tangshan 063004, China;
4. Research Institute of Petroleum Exploration & Production, Northwest Oilfield Company,
SINOPEC, Urumqi 830011, China)
Abstract: In order to study how the fracture affects the hydrocarbon migration and accumulation in Tahe Oil Field, fractal method was employed to study the fractal features of fracture system on the top surface of middle-lower Ordovician succession in Tahe Oil Field. The results show that the value of fractal dimension can be used to some degree quantitatively to describe the hydrocarbon accumulation abundance, that is, the higher the fractal dimension, the more complex the distribution of the fracture. The successful application of the fractal methods to Tahe Oilfield has significance not only in predicting the hydrocarbon accumulation in practice, but also in discovering new methods to describe fracture system in theory.
Key words: Tahe Oil Field; Ordovician; fractal; fracture; hydrocarbon migration and accumulation
大量研究已经证实[1-4]：断裂体系是油气运移的有效通道，对油气运聚有着重要影响。因此，对塔河油田的构造和断裂体系特征进行研究，是塔河油田油气运聚研究的重要内容。
1 塔河油田地质概况
塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起(又称为塔北隆起)上的阿克库勒凸起南坡。该凸起东邻草湖凹陷，东南侧面临满加尔坳陷，南侧连接顺托果勒(低)隆起，西侧为哈拉哈塘凹陷，北界为雅克拉断凸，面积约为6 113 km2。阿克库勒凸起的奥陶系碳酸盐岩的顶面，构成一个总体上呈NE向延伸、向SW倾伏的古潜山地貌，长期的古岩溶作用与发育的构造裂隙，为塔河油田油藏的形成提供了良好的油气储集空间。
阿克库勒凸起油气资源丰富，具备形成大型油气田的基本地质条件。实践证明：塔河地区是一个以奥陶系为主，包括石炭系、三叠系在内的3套含油层叠合连片含油的大型油气田。塔河地区下奥陶统风化面以下250 m内是整体含油的，油气分布和富集程度主要受阿克库勒凸起、下奥陶统碳酸盐岩孔洞缝储集体发育程度和石炭系巴楚组泥岩分布等多种因素综合控制。塔河油田的油气成藏过程异常复杂，经过多年研究和勘探实践，发现塔河油田具有“多期成盆、多期改造、多套烃源岩、多次生排烃、多期运聚散”的成藏特点[5]。
2 塔河油田断裂特征
位于沙雅隆起之上的阿克库勒凸起先后经历了加里东期、海西期、印支—燕山期及喜马拉雅期等多次构造运动，因此，塔河及邻区中下奥陶统顶面构造格局是多期次构造形变综合的产物。目前，其总体特征表现为具有自北东向西南方向倾没的复式鼻凸，其上叠加了近EW向、NW—SE向和NNE向的3组褶皱构造及多组方向不一的断裂。
塔里木盆地长期经历构造演化，因此，断裂非常发育。对奥陶系内各反射界面中138条断层的断距和延伸长度进行分析和统计，结果见图1和图2。从图1和图2可以看出：断层的断距大多为10~30 m，最大为80 m；延伸长度最大为35 km，一般为2~10 km。从塔河油田奥陶系断层断距和延伸距离散点图(图3)可以看出：工区内断层发育的规模较小。
造成断层这种分布特点的主要原因是塔河油田频繁的构造活动。在塔河油田主体区，由于岩溶和断裂的关联作用，发育了大量密集的溶塌小断层。此外，由于海西早期北东向构造和海西晚期近东西向构造叠加，阿克库勒凸起NE向构造轴线也出现了断层发育的密集带(图4)。此外，塔河地区也发育具有延伸距离较长和断距较大的断层。
从塔河及邻区奥陶系T74反射层的断裂分布图(图4)可以看出断层的平面分布具有以下特点：
(1) 阿克库勒凸起NE向构造轴线，海西早期北东向构造和海西晚期近东西向构造叠加，是断层发育的密集带。其中，在塔河油田主体区即3，4和6区块，由于岩溶和断裂的关联作用产生的密集溶塌小断层，在构造图上表现为断裂分布的最密集区。其主干断层主要呈NE向、EW向或NEE向，少量的呈NW向或NNW向或近NS向。
(2) 阿克库勒鼻凸倾没端附近，是较大规模NNW或近NS向断层的主要发育区。
(3) 阿克库勒鼻凸的东南翼缓坡带上，以NE向或NEE向的断裂最发育。
(4) 规模较大的近EW向断层和近NS向的断层 发育。
图1 塔河油田奥陶系断层断距分布图
Fig.1 Distribution of fracture throw of Ordovician in
Tahe Oil Field
图2 塔河油田奥陶系断层延伸长度分布图
Fig.2 Distribution of fracture length of Ordovician fracture in Tahe Oil Field
图3 塔河油田奥陶系断层断距和延伸距离散点图
Fig.3 Scatter diagram of fracture length and fracture throw of Ordovician fracture in Tahe Oil Field
3 塔河油田分维值计算
前面对断裂体系的研究只能定性说明断裂体系的发育规模和特征，为了定量研究断裂体系对油气运聚的影响，本文作者借助分形研究方法研究断裂发育程度与油气分布的关系。
分形研究方法利用了分形几何学的原理[6]。分形几何学(Fractal geometry)认为自然界中有众多客体具有极不规则的时空形态，它们无法在欧氏空间中进行客观描述。Mandelbrot[6]系统地研究了这些复杂现象后，发现这些众多不规则客体具有自相似，即在所有标定尺度上，局部包含整体且彼此相似，Mandelbrot把这一类不规则现象称为分形。分形几何学定量描述分形所具有的自相似性的参数是分维(Fractal dimension)。分形的定义式可表示为：
式中：C为常数；L为标度；N(L)为该标度下测得网格数；幂指数D为分维数。
目前，分形学已被应用于地质学领域[7-14]。分形学在地质领域的研究与运用不仅为地学研究提供了新的研究手段，而且为地质现象研究向半定量化、定量化发展提供了理论依据。分形几何学在断裂体系中的应用，为断裂构造空间分布和几何结构特征的定量表征提供了新的手段，同时，也为断裂构造及其与油气空间分布关系研究提供了新的思路[15-16]。分维研究主要包括容量维(相似维)和信息维2种方法[17]。本文运用容量维的分析方法计算塔河油田奥陶系断裂体系的分维值，计算步骤是：以边长为L的正方形网格覆盖研究区，不断改变L，分别计算有断裂穿过的网格数N(L)。对式(1)两边取对数得：
这说明研究对象具有自相似性，即具有分形。显然，在双对数坐标系中，N(L)—L关系图形应为1条直线，该直线的斜率的绝对值即为容量维D。为了研究塔河油田断裂体系的分维特征及其与油气藏分布的关系，首先，根据选择的中下奥陶统顶面T74界面地震反射层的构造图绘制相应反射层断裂体系平面分布图(见图4)；然后，根据研究区面积，把研究区划分为若干个边长为2 km的正方形区域；最后，计算每个正方形网格块的分维值。根据获得的分维值，得出中下奥陶统顶面T74界面的断裂体系分维值分布，见图5。
4 断裂体系分维值对于油气运移聚集的指示作用
断裂体系分维值能够定量描述构造的复杂程度以及空间分布的均匀性，同时，也能反映断裂在时空上的不平衡性和非均匀性，而这种不平衡性和非均匀性与油气分布有着密切的内在联系。由图4和图5可知：断裂体系发育、断裂密集且延伸长之处，断裂分维值高，断裂不发育的地方，分维值低；在研究区的北部S75至S73井，断裂发育密集，而这里的分维值也最高，达到1.6以上；在南部S112至S56井之间，断裂不发育，分维值大多小于0.8。结合塔河油田奥陶系油气运聚模拟结果(见图6)，可以发现：在研究区的北部，断裂分维值高之处，油气分布相对集中。这表明塔河油田北部主体区域与其他区域相比，其油田的规模和产能都占优势。可见：分维值大的区域，常是应力集中或释放、断裂发育的地段，从而为油气的运移、聚集提供了有利的运移通道和汇聚场所。断裂体系分维值越高，说明断裂体系空间分布复杂程度越大，油气运移的通道条件良好。以上分析结果表明：在本区，油气的运移与断裂构造存在一定的内在规律，断裂体系的分维值在一定程度上定量地反映了油气运移聚集作用。
图4 塔河油田中下奥陶统顶面断裂分布图(T74波阻反射界面)
Fig.4 Distribution of fracture of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field
图5 塔河油田T74反射界面断裂体系分维等值线图
Fig.5 Fractal dimension isoline of fracture of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field
图6 塔河油田奥陶系油气运聚模拟结果
Fig.6 Simulation result of hydrocarbon migration and accumulation of middle-lower Ordovician fracture in Tahe Oil Field
但需注意的是：油气分布受控于断裂体系并不意味着油气的分布由断裂体系的空间分布所决定。因为油气的运移和聚集是受特定的地质演化过程所制约，是一个多种因素互相作用在一定时空上的状态过程。对于本区情况，断裂体系作为输导体系的一部分，在该过程中起了相当重要的作用，断裂体系的分维值是这一状态过程相关的状态参数。
5 结论
(1) 塔河油田奥陶系油气分布受断裂体系控制，在断裂发育的地区，是油气分布的有利地区。
(2) 断裂体系分形研究能够定量描述断裂空间分布特征以及与油、气运移、聚集条件的关系。一般地，断裂体系分维值高，则断裂体系空间分布复杂程度大，深源油、气向上运移的通道条件好；而断层体系分维值低，说明断裂体系空间分布复杂性小，断层为深源油、气运移没有提供良好的通道条件，因此，断层体系分维值低的区域不利于油气的运聚。
(3) 构造特征有深远的地质意义和丰富的内涵。下一步的研究是要赋予不同类型的分维值特定的地质含义，同时要对断裂的形成、分布进行多重分维研究，以便了解有关断裂形成、分布、断裂结构面及断裂填充物特征，预测油气的分布。
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收稿日期：2009-01-10；修回日期：2009-03-15
基金项目：国家重大基础研究发展规划(“973”计划)项目(2005CB422108)
通信作者：江山(1980-)，男，湖北松滋人，博士研究生，从事油气成藏机理研究；电话：13593851325；E-mail: jiangshan0712@sohu.com
(编辑 陈灿华)
