走滑断层带碳酸盐岩孔隙结构差异对流体饱和弹性特性的控制机制

针对走滑断层控制下碳酸盐岩储层弹性参数预测难题，中国石油大学（北京）团队通过微观观测-超声波测试-理论模型（DKT）联用，揭示断层核与损伤带样品在饱和水后呈现剪切软化（shear softening）与剪切硬化（shear stiffening）的相反响应规律，发现Gassmann方程在此类非均质储层中的局限性，为断层控储型油气藏地震勘探提供关键理论支撑。

　　

碳酸盐岩储层作为全球50%以上石油资源的赋存载体，其复杂的孔隙结构与流体响应特性一直是油气勘探的"卡脖子"难题。尤其在走滑断层控制区域，强烈的构造变形导致储层呈现断层核（fault core）与损伤带（damage zone）的极端非均质性——前者发育溶蚀孔洞（vugs）和连通裂缝（fractures），后者则以微裂缝（microcracks）为主。传统理论认为流体饱和会普遍提高岩石剪切模量（shear modulus），但中国石油大学（北京）能源学院Gong Fei团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的最新研究，颠覆性地发现走滑断层带碳酸盐岩存在"剪切软化"与"剪切硬化"的悖反现象。

研究人员选取塔里木盆地羊吉坎剖面典型样品，采用"四步法"技术路线：①薄片分析量化孔隙几何特征（aspect ratio）；②变围压（10-50 MPa）超声波测试获取V_P/V_S；③DKT模型（Dual Kuster-Toks?z）等效孔隙建模；④Gassmann流体替换理论验证。通过对比断层核（Lime-0/0.1）与损伤带（Lime-2/5）样品，揭示出三大颠覆性发现。

【微观结构差异】断层核样品平面孔隙度（3.8%）是损伤带（1.2%）的3倍，裂缝开度（48 μm）达后者的6倍，且发育大量高连通性溶蚀孔洞（vug-to-fracture connectivity）。这导致其干燥状态下纵波速度（V_P）比损伤带低23%，渗透率高出2-3个数量级。

【流体响应悖论】饱和水后断层核样品剪切模量（μ）下降7.2%（剪切软化），而损伤带样品μ增加4.5%（剪切 stiffening）。研究首次提出"等效孔隙刚度调控"机制：溶蚀孔洞主导的断层核在饱和水后产生附加剪切形变（shear coupling effect），而微裂缝为主的损伤带则因流体"支撑效应"增强刚性。

【理论模型突破】DKT模型通过三种等效孔隙（penny-shaped cracks, tubular pores, spherical vugs）成功模拟弹性参数变化，识别出断层核的球形孔洞（aspect ratio>0.1）贡献率达61%。该研究证实传统Gassmann方程在走滑断层碳酸盐岩中预测误差达18%，需引入孔隙几何因子修正。

这项研究为走滑断层控储型油气藏开发提供三大指导：①地震反演中需区分断层核（低V_S异常）与损伤带（高V_S）；②水力压裂设计应规避剪切软化区；③为深层-超深层碳酸盐岩"甜点区"预测建立新的弹性参数判识标准。正如审稿专家指出，该成果"重新定义了断层带岩石物理建模的基本范式"。