大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫發(fā)育特征及主控因素

陳迎賓，鄭 冰，袁東山，胡 燁，王彥青

(1.同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092;2.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫 214126;3.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，成都 610081)

大邑構(gòu)造是川西龍門山前緣隱伏構(gòu)造帶中一個重要的三級構(gòu)造，須二段、須三段已經(jīng)被證實(shí)為裂縫性氣藏。由于裂縫性儲層分布規(guī)律復(fù)雜，致使后續(xù)勘探效果不理想。因此，在目前資料較為完善的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展裂縫發(fā)育特征及主控因素研究對于大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫預(yù)測及勘探潛力評價具有重要意義。

1 基本地質(zhì)特征

大邑構(gòu)造須二段、須三段整體為一個被F1、F2斷裂所夾持的南西揚(yáng)起、北東傾覆，北西翼陡、南東翼緩的大型不對稱鼻狀構(gòu)造(圖1)。構(gòu)造形成于早白堊世晚期的燕山Ⅱ幕構(gòu)造運(yùn)動，經(jīng)歷了早喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動的進(jìn)一步加強(qiáng)和改造，于晚喜馬拉雅期最終定型。

圖1 川西大邑構(gòu)造須三段底面構(gòu)造Fig.1 Structural map of 3rd member of Xujiahe Formation，Dayi Structure，western Sichuan

大邑地區(qū)須二段、須三段為辮狀河—三角洲沉積體系，發(fā)育三角洲前緣和三角洲平原2大沉積亞相類型[1－2］。

三角洲前緣發(fā)育于須二段中下部及須三段下部，儲層主要以水下分流河道砂體為主，砂體厚度小，橫向變化快。三角洲平原發(fā)育于須二段及須三段上部，儲層以多期分支河道砂體為主，砂體縱向上疊置，橫向上連片，厚度較大，是須家河組氣藏的主要儲集層段。

須二段、須三段砂巖類型主要為巖屑石英砂巖、長石巖屑石英砂巖及巖屑砂巖。須二段砂巖平均孔隙度 2.86%，平均滲透率 0.107×10－3μm2;須三段砂巖平均孔隙度3.14%，平均滲透率0.119×10－3μm2，均為低孔—低滲致密砂巖儲層。砂巖原生孔隙已破壞殆盡，以粒間溶孔和裂縫為主，屬裂縫—孔隙型和孔隙—裂縫型儲層[3］。

2 裂縫發(fā)育特征

2.1 裂縫成因類型

根據(jù)巖心裂縫觀測及成像測井解釋，大邑構(gòu)造須二—須三段主要發(fā)育構(gòu)造縫、層理縫及異常高壓泄壓縫3種成因類型的裂縫(圖2)。

構(gòu)造縫主要以斷層附近派生羽狀張扭、剪切裂縫為主。該類裂縫成組出現(xiàn)，切割深度大，有效性好，能夠很大程度地改善儲層物性，是最為重要的裂縫類型。受不同沉積微相和水動力條件控制，大邑構(gòu)造須二—須三段砂巖中廣泛發(fā)育層理構(gòu)造。由于層理面是巖石中先存薄弱面，受力后易在層理面附近造成應(yīng)力集中而沿著層理面發(fā)生破裂形成裂縫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，層理縫占裂縫總數(shù)的45%左右，是大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫中最為發(fā)育的一類。與異常高壓有關(guān)的泄壓縫在大邑構(gòu)造須二—須三段也十分發(fā)育，可占裂縫總數(shù)的31%。該類裂縫表現(xiàn)為寬而短，無規(guī)律性，可能與斷層帶活動或頻繁的地震活動有關(guān)。這類裂縫大多被脈體充填，對改善儲層性能的貢獻(xiàn)小，且分布規(guī)律復(fù)雜，不易于預(yù)測。因此，以下重點(diǎn)對構(gòu)造縫及層理縫發(fā)育特征及其主控因素進(jìn)行論述。

圖2 川西大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫成因類型Fig.2 Genetic types of fractures in gas reservoirs of Xujiahe Formation，Dayi Structure，western Sichuan

2.2 裂縫發(fā)育特征

2.2.1 裂縫密度

須三段10口鉆井巖心共統(tǒng)計(jì)裂縫1 090條，裂縫線密度平均為2.36條/m。須二段6口鉆井巖心共統(tǒng)計(jì)裂縫626條，裂縫線密度平均1.83條/m。須三段裂縫發(fā)育程度高于須二段，但總體低于川西地區(qū)須家河組裂縫線密度平均值2.59條/m。同時，各井間及同一井中不同層段裂縫線密度變化很大，如大邑102井須三段裂縫平均線密度達(dá)4.8條/m，大邑101井須三段平均線密度只有0.33條/m;大邑1井須三段2個砂層組11個小層中，裂縫主要發(fā)育于Ⅰ砂組的4小層、5小層(垂深井段:4 440～4 541 m)和Ⅱ砂組 7小層(垂深井段:4 746～4 800 m)中，其他小層則基本無裂縫發(fā)育。顯示出裂縫非均質(zhì)性很強(qiáng)，主要集中發(fā)育在局部地區(qū)的局部層段。

2.2.2 裂縫長度及寬度

根據(jù)巖心及成像測井裂縫統(tǒng)計(jì)，須二段、須三段裂縫長度及寬度特征基本一致，整體具有延伸短、寬度窄的特征。裂縫延伸主要密集分布在5～10 cm范圍，只有少數(shù)構(gòu)造縫在20 cm以上或貫穿巖心。裂縫寬度主要以小于等于0.5 mm和0.5～1 mm為主，僅有少數(shù)貫穿巖心的構(gòu)造裂縫寬度在10 mm或以上。

2.2.3 裂縫產(chǎn)狀

須二段、須三段裂縫主要以水平縫、低角度縫(傾角0°～30°)及斜縫(傾角30°～60°)為主，高角度裂縫(傾角60°～90°)較少。在須三段10口鉆井巖心統(tǒng)計(jì)的1 090條裂縫當(dāng)中，水平縫746條，斜縫280條，高角度縫64條，分別為總數(shù)的68.44%，25.69%，5.87%。須二段6口鉆井巖心統(tǒng)計(jì)的626條裂縫中，水平縫439條，斜縫149條，高角度縫38 條，分別為總數(shù)的 70.13%，23.8%，6.07%。水平縫及部分斜縫主要為層理縫，高角度縫為構(gòu)造裂縫。

綜合大邑構(gòu)造14口鉆井裂縫走向，須二段和須三段裂縫走向基本一致，主要有4個優(yōu)勢方位:近東西向、北西向、北東向和近南北向。構(gòu)造縫走向主要受晚期派生羽狀斷裂產(chǎn)狀控制，層理縫走向則與古水流方向有關(guān)。

2.2.4 裂縫充填特征

須二段、須三段裂縫充填程度整體較高。須二段裂縫的充填程度比須三段稍弱，構(gòu)造縫充填程度弱于層理縫。須三段全充填裂縫約占40%，半充填裂縫約占50%，未充填裂縫約占10%;須二段全充填裂縫約占30%，半充填裂縫約占50%，未充填裂縫約占20%。

裂縫內(nèi)充填物主要為泥質(zhì)、碳質(zhì)、煤屑、方解石、次生石英及少量有機(jī)質(zhì)。其中，泥質(zhì)、碳質(zhì)及煤屑充填約占70%以上，以全充填—半充填形式出現(xiàn);方解石及次生石英充填約占20%左右，以全充填形式出現(xiàn)。

3 裂縫發(fā)育主控因素

3.1 應(yīng)力大小和變形強(qiáng)弱

應(yīng)力大小、變形強(qiáng)弱是控制構(gòu)造縫發(fā)育程度的主要因素。通常認(rèn)為，大邑構(gòu)造位處川西龍門山前緣隱伏構(gòu)造帶，所受應(yīng)力大、變形強(qiáng)，構(gòu)造縫應(yīng)十分發(fā)育。但從鉆探結(jié)果及上述裂縫發(fā)育特征總結(jié)來看，大邑構(gòu)造須家河組氣藏構(gòu)造縫發(fā)育程度并不高。

大邑鉆井及周邊露頭定向樣品聲發(fā)射測試及巖石力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表明(表1，2)，須二段平均地應(yīng)力范圍為112.44～185.89 MPa，巖石抗壓強(qiáng)度范圍為82.29 ～202.33 MPa;須三段平均地應(yīng)力范圍為38.5 ～83.85 MPa，巖石抗壓強(qiáng)度為32.52 ～126.82 MPa。

表1 川西大邑周邊地區(qū)野外露頭須二—須三段定向樣品聲發(fā)射測試平均地應(yīng)力Table 1 Average ground stress of acoustic emission test of directional samples from 2nd－3rd members of Xujiahe Formation in areas surrounding Dayi Structure，western Sichuan

表2 川西大邑鉆井巖心及周邊露頭須二—須三段巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanics parameters of 2nd－3rd members of Xujiahe Formation of Dayi drilling cores and surrounding outcrops in western Sichuan

根據(jù)實(shí)測參數(shù)進(jìn)行的有限元數(shù)值模擬結(jié)果也反映出須二段—須三段以擠壓應(yīng)力為主，最大主應(yīng)力分布均一，僅在斷層周緣局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力在10～40 MPa左右(圖3);地層變形量及變形率計(jì)算結(jié)果表明(表3)，大邑構(gòu)造須二—須三段變形量很小，地層變形程度很弱，變形率只有0.2% ～0.6%。

可見，大邑構(gòu)造雖處于川西龍門山前緣隱伏構(gòu)造帶，但應(yīng)力場分布均一，地層所受應(yīng)力小，整體變形弱。這也是導(dǎo)致大邑構(gòu)造須家河組氣藏構(gòu)造縫發(fā)育程度差的根本原因。

3.2 構(gòu)造演化及力學(xué)性質(zhì)

構(gòu)造演化及力學(xué)性質(zhì)控制了構(gòu)造縫的發(fā)育。大邑構(gòu)造形成之前雖然經(jīng)歷了安縣運(yùn)動、早燕山期運(yùn)動，但在大邑地區(qū)表現(xiàn)為整體的抬升和沉降，巖層基本未發(fā)生變形和位移[4－6］，不足以形成大規(guī)模區(qū)域性構(gòu)造裂縫。鉆探結(jié)果也表明，大邑地區(qū)構(gòu)造縫不具有區(qū)域分布的特征，構(gòu)造縫發(fā)育程度、產(chǎn)狀受局部斷層控制明顯。如穿越羽狀斷層的大邑1井、大邑3井構(gòu)造縫最發(fā)育;而離斷層較遠(yuǎn)的大邑2井和大邑101井構(gòu)造縫則欠發(fā)育。

圖3 川西大邑構(gòu)造須二—須三段最大主應(yīng)力Fig.3 Maximum principal stress of 2nd－3rd members of Xujiahe Formation，Dayi Structure，western Sichuan

表3 川西大邑構(gòu)造各層段變形量及變形率Table 3 Deformation amount and rate of each layer of Dayi Structure，western Sichuan

大邑構(gòu)造早期是由F2、F1斷裂共同控制形成的一個沖起構(gòu)造，以水平擠壓變形為主。前已述及，大邑構(gòu)造所受應(yīng)力小，整個地層變形程度弱，而且早期地層變形一方面被斷層的位移所吸收，另一方面被褶皺變形所吸收。因此，構(gòu)造變形早、中期不會有大量褶皺和斷層伴生裂縫產(chǎn)生。

早喜馬拉雅期，大邑地區(qū)經(jīng)歷了近東西向的擠壓應(yīng)力，使大邑構(gòu)造順時針扭動變形，造成了早期形成的北東向的F2、F1等斷裂受局部構(gòu)造應(yīng)力差異影響進(jìn)一步活動，并派生出一系列與之斜交的羽狀派生斷層和裂縫[7］。晚喜馬拉雅期，隨著壓扭應(yīng)力的進(jìn)一步增強(qiáng)，早喜馬拉雅期形成的羽狀派生斷層和裂縫被進(jìn)一步加強(qiáng)和改造，并最終形成了目前的斷裂派生羽狀裂縫系統(tǒng)。這種成因類型也決定了構(gòu)造縫總體具有規(guī)模小、延伸短，以小角度與斷面相交的一組較發(fā)育的總體特征[8］。

3.3 沉積微相類型及水流方向

沉積微相類型及水流方向控制了層理縫的形成和發(fā)育。大邑構(gòu)造須家河組氣藏大規(guī)模發(fā)育的層理縫對于改善儲層物性、提供油氣運(yùn)移通道具有重要作用。碎屑巖中的層理構(gòu)造是層理縫形成的主要因素。通過巖心觀察，大邑構(gòu)造須二—須三段發(fā)育有水平層理、平行層理、斜層理(交錯層理)、波狀層理、粒序?qū)永砑绊嵚蓪永淼榷喾N層理構(gòu)造。而發(fā)育于三角洲平原分支河道、三角洲前緣分流河道的平行層理、斜層理是大邑構(gòu)造須家河組氣藏層理縫形成的主要層理構(gòu)造。

平行層理本身就具有沿層理面易于剝開的特點(diǎn)，在一定應(yīng)力條件下或流體泄壓過程中，均可造成巖石沿層理面開裂形成裂縫。大邑構(gòu)造須二段Ⅰ砂組、須三段Ⅰ砂組發(fā)育多期疊置的三角洲平原分支河道，平行層理十分發(fā)育，且河道砂體本身即具有較好的孔滲條件，加之層理縫的發(fā)育，可形成良好儲集層段。如大邑3，4，6，7井等鉆井巖心中沿平行層理面形成的層理縫使巖石呈“酥餅狀”，具有良好的物性條件。

大邑構(gòu)造須二段Ⅰ砂組、須三段Ⅰ砂組三角洲平原分支河道沉積中單向斜層理、板狀交錯層理及楔狀交錯層理也較發(fā)育。與平行層理類似，斜層理主要發(fā)育于中、細(xì)砂巖中，在構(gòu)造應(yīng)力作用下易造成巖石沿層理面開裂形成裂縫。許多劃分為構(gòu)造縫的低角度縫、斜縫均是在斜層理的層理縫基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展形成的。

其他如水平層理、波狀層理、韻律層理等雖然也有一定程度的發(fā)育，但由于這些層理構(gòu)造主要發(fā)育于三角洲前緣、平原的分流河道間、河漫灘或岸后沼澤的粉細(xì)砂巖或頁巖中，巖性相對較細(xì)，且整體致密，造縫能力差，對于形成裂縫性儲層貢獻(xiàn)不大[9－10］。

平行層理、斜層理分布范圍取決于河道的空間展布，延伸方向則與古水流方向一致。因此，與之相關(guān)的層理縫也受控于分流河道的平面展布及古水流方向。如大邑1，3，4井等須三段Ⅰ砂組4小層、5小層層理縫走向與古水流方向均具有較好的一致性(圖4)。

3.4 砂體厚度

砂體厚度一定程度上控制了裂縫的發(fā)育程度。根據(jù)對各井須二—須三段砂體厚度統(tǒng)計(jì)與裂縫發(fā)育程度對比發(fā)現(xiàn)，裂縫垂向上具有在厚砂體中發(fā)育程度好、薄砂體中發(fā)育程度相對較差的特點(diǎn)。如，須二段Ⅰ砂組裂縫主要發(fā)育于砂體厚度較大的1、3小層，須三段Ⅰ砂組裂縫主要發(fā)育于砂體厚度較大的4～6小層(圖5)。主要有2個原因:(1)厚砂體主要發(fā)育于三角洲平原分支河道或三角洲前緣分流河道的主河道或心灘等沉積微相當(dāng)中，這些砂體所處微相水動力條件相對較強(qiáng)，平行層理、斜層理等層理構(gòu)造發(fā)育，從而層理縫也相對發(fā)育;(2)薄層的砂體往往位于較厚的泥巖夾持中，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力作用于巖層時，應(yīng)力作用大部分消失在上下兩層泥巖層的塑性變形過程中，所以這些夾在厚層泥巖中的薄砂層受到應(yīng)力作用小，裂縫就欠發(fā)育。

3.5 裂縫有效性的控制因素

圖4 川西大邑構(gòu)造須三段Ⅰ砂組部分鉆井層理縫走向與古水流方向關(guān)系Fig.4 Relationship between stratification fractures and paleocurrent directions in sand groupⅠ，3rd member of Xujiahe Formation，Dayi Structure，western Sichuan

圖5 川西大邑構(gòu)造須二段、須三段Ⅰ砂組各小層裂縫發(fā)育程度Fig.5 Fracture development degrees in each small layer of sand groupⅠof 2nd－3rd members of Xujiahe Formation，Dayi Structure，western Sichuan

裂縫成因類型、充填特征、后期溶蝕作用及現(xiàn)今地應(yīng)力場共同控制了裂縫的有效性。裂縫對儲層的貢獻(xiàn)取決于裂縫的滲濾能力，即裂縫的有效性。根據(jù)目前鉆探揭示及測試情況來看，大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫有效性總體較差。

裂縫的成因類型是控制大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫有效性的最主要因素。層理縫開度小，且地層條件下大多是閉合狀態(tài)，本身有效性就差。構(gòu)造縫主要為斷層壓扭變形過程中的派生羽狀張裂縫和剪切裂縫。這類裂縫延伸短、寬度窄的發(fā)育特征也影響了裂縫的有效性。

大邑地區(qū)裂縫充填程度普遍較高，是控制大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫有效性的另一個主要因素。早期裂縫形成以后，如果裂縫開啟，必然成為地下流體運(yùn)移的輸導(dǎo)通道，流體在通過其運(yùn)移過程中，由于溫度壓力條件的改變，使其攜帶的大量成巖物質(zhì)發(fā)生過飽和沉淀。最明顯的SiO2遷移至淺處導(dǎo)致石英的沉淀。再者是CaCO3遷移至深處形成的嵌晶狀的方解石沉淀膠結(jié)。這些石英和方解石沉淀膠結(jié)堵塞了裂縫內(nèi)的滲濾空間，使裂縫的有效性降低。另外，由于須家河組屬于煤系地層，在上層圍巖的壓力下，煤質(zhì)和泥質(zhì)易被壓入張開的裂縫中，堵塞了裂縫，降低了裂縫的有效性。如大邑3井所觀察巖心中裂縫較發(fā)育，但多被方解石、泥質(zhì)充填、半充填，使裂縫的有效性變差。

溶蝕作用是改善裂縫有效性的一種建設(shè)性成巖作用。早期裂縫由于后期的充填，有效性變差，但一旦裂縫充填物被溶蝕，裂縫的連通性增強(qiáng)，裂縫的有效性又會變好。大邑地區(qū)裂縫有一定的溶蝕作用，但分布范圍局限，規(guī)模較小。在各鉆井巖心中，只在大邑102井、大邑7井見到了溶蝕縫和溶蝕孔洞，其余鉆井巖心中未見到溶蝕現(xiàn)象。這主要是因?yàn)楣^(qū)南西端斷裂發(fā)育、地層破碎，有利于后期地下流體流動而發(fā)生溶蝕作用。

現(xiàn)今地應(yīng)力場會影響目前天然裂縫在地下的賦存狀態(tài)及有效性[11］。當(dāng)裂縫走向與現(xiàn)今地應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力方向平行時，裂縫在地下的開度增大，連通性最好，裂縫對流體的導(dǎo)流能力也最強(qiáng)。當(dāng)裂縫走向與最大主應(yīng)力方向垂直時，裂縫開度最小，連通性最差，對流體的導(dǎo)流能力也最弱。天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向有一定夾角時，裂縫開度、連通性及對流體的導(dǎo)流能力居中，且夾角越大，對流體的導(dǎo)流能力也越弱。

大邑構(gòu)造須家河組氣藏裂縫主要有近東西向、北西向、北東向和近南北向4個優(yōu)勢走向，而現(xiàn)今地應(yīng)力場主要為北西及近東西向[12］。因此，近東西向、北西向裂縫與現(xiàn)今地應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力方向平行或小角度相交，有利于裂縫有效性的增強(qiáng)，如大邑1井北西向裂縫、大邑3井近東西向裂縫有效性相對較好。南北向及北東向裂縫與現(xiàn)今地應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力大角度相交或垂直，不利于裂縫張開，有效性較差，如大邑2井須三段Ⅰ砂組4、6小層北東向裂縫，大邑103井須二段近南北向裂縫，有效性均相對較差。

4 結(jié)論

1)大邑構(gòu)造須二—須三段發(fā)育構(gòu)造縫、層理縫及異常高壓泄壓縫3種成因類型裂縫。構(gòu)造縫及層理縫有效性相對較好，是天然氣勘探尋找的主要裂縫類型。裂縫發(fā)育總體具有數(shù)量相對較少、延伸短、寬度窄、充填程度相對較高、非均質(zhì)性較強(qiáng)的特征。

2)地層所受應(yīng)力小、變形弱是大邑構(gòu)造須家河組氣藏構(gòu)造縫發(fā)育程度相對較差的根本原因。構(gòu)造縫發(fā)育程度、產(chǎn)狀受喜馬拉雅期羽狀派生斷層控制，斷層附近、斷層交叉部位及斷層末梢是構(gòu)造縫發(fā)育的有利位置。發(fā)育于三角洲平原分支河道、三角洲前緣分流河道的平行層理、斜層理是層理縫形成的主要層理構(gòu)造。層理縫的分布及走向受分流河道空間展布及古水流方向控制。須二段Ⅰ砂組、須三段Ⅰ砂組三角洲平原分支河道厚大砂體中層理縫發(fā)育，且河道砂體本身具有較好的孔滲條件，是尋找優(yōu)質(zhì)儲層的有利方向。

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