川東北元壩中部須家河組構造裂縫形成期次分析

李玉璽，范存輝，李虎，2, 韓雨恬，秦啟榮

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

裂縫不僅能增強油氣的滲流能力，還能為油氣儲存提供附加的儲集空間，構造作用所形成的裂縫是致密砂巖儲層主要的滲濾通道和儲集空間(周文，1998)。四川盆地元壩中部須家河組儲層裂縫主要以構造裂縫為主，經歷了多期次的構造改造，構造裂縫較為發(fā)育，不同期次的裂縫對油氣運移聚集成藏起到至關重要的控制和調節(jié)作用。筆者通過巖心觀測以及成像測井解釋，結合裂縫充填物包裹體和巖石聲發(fā)射實驗技術對裂縫特征和裂縫發(fā)育期次進行系統(tǒng)了研究。

1 研究區(qū)地質概況

元壩地區(qū)區(qū)域構造位于四川盆地東北部，北鄰米倉-大巴前陸沖斷帶，東接川東高陡構造帶，西為龍門山前陸盆地，受多期構造運動復合疊加、改造而形成(圖1)。

1.地名；2.盆地邊界；3.斷層；4.一級構造單元；5.二級構造單元；6.研究區(qū)圖1 研究區(qū)構造位置圖Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)主要構造單元可以劃分為低緩斷褶帶及構造向斜帶。通過研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)褶皺程度發(fā)育弱，斷裂以中淺層斷裂為主，多為中、小型斷裂，斷層規(guī)模不大，延伸范圍小，大部分斷層僅斷穿須家河組,主要發(fā)育近南北向逆沖斷層和北西、北東向壓扭性斷層。研究區(qū)儲層巖性主要是石英砂巖、中-細粒巖屑砂巖、粉砂巖，以湖泊-三角洲沉積環(huán)境為主，為典型的低孔-低滲致密砂巖儲集層。裂縫和斷層的發(fā)育為油氣運移提供了良好的疏導條件，有效的裂縫成為該區(qū)儲層的有利儲集場所和滲濾通道。其研究對儲層裂縫發(fā)育特征、發(fā)育規(guī)律開展研究、評價以及儲層的勘探、開發(fā)具有十分重大的意義。

2 裂縫特征

2.1 裂縫類型

根據巖心觀測結果，元壩地區(qū)中部須家河組低滲透砂巖儲層裂縫可分為構造裂縫、成巖裂縫及鉆井誘導縫等3種類型。對構造裂縫傾角進行統(tǒng)計，主要為0°～15°的水平縫、15°～45°的低角度縫、45°～75°的高角度縫以及75°～90°的直立縫。其中，低角度縫占裂縫總量的45%，高角度縫占裂縫總量的35%(圖2)，其次是水平縫和直立縫。根據工區(qū)地表野外露頭區(qū)裂縫調查表明，由于特征各異的裂縫之間相互穿插，形成了互相連通的滲流系統(tǒng)，這些裂縫體系則有效的控制了元壩中部須家河組砂巖天然氣藏的發(fā)育與分布(盤昌林等，2011；戴朝成等，2011)。

2.2 裂縫發(fā)育程度

根據巖心觀測和統(tǒng)計分析，該區(qū)裂縫長度變化范圍較大，寬度較窄，長度范圍介于10～20cm者占60%以上，寬度范圍主要介于0.1～1mm，局部存在大于1mm的張開縫，最大切深可達30cm，縫間距范圍介于0.75～1.2m，平均間距0.9m，主要在巖層內發(fā)育。裂縫密度普遍偏小，主要集中在0.2～0.4條/m和0.4～0.6條/m。研究區(qū)裂縫約40%全充填，未充填縫和半充填縫占60%左右，充填裂縫充填物主要以碳質或泥質方解石為主，充填程度不高，反映大多數(shù)裂縫都是有效的(圖3)。

研究區(qū)水平縫充填程度高，多被泥質充填；低角度縫和高角度縫多為構造剪切作用形成，其中高角度縫多見方解石半充填或未充填，低角度縫多被方解石全充填或半充填，而方解石充填現(xiàn)象主要具有縫面平直規(guī)則、產狀穩(wěn)定的特征(圖4)。

(a) (b)a.元陸4，高角度剪切縫；b.元陸1，低角度剪切縫圖2 須家河組巖心裂縫類型圖Fig.2 Fracture types of Xujiahe Formation

a.巖心裂縫寬度頻率圖; b.巖心裂縫長度頻率圖;c.巖心裂縫密度頻率圖; d.巖心裂縫充填物類型及頻率分布圖3 須家河組巖心裂縫發(fā)育程度圖Fig.3 Fracture developments of Xujiahe Formation

圖4 巖心裂縫充填特征圖Fig.4 Core fracture filling characteristics

3 裂縫形成期次研究

通過巖心觀察,結合成像測井資料、井下裂縫特征分析、裂縫充填物包裹體分析和巖石聲發(fā)射等方法,進行構造裂縫發(fā)育期次研究。

3.1 巖心觀察結合成像測井資料劃分裂縫期次

對研究區(qū)巖心裂縫充填礦物成分、裂縫切割關系、成像測井資料分析表明，元壩中部斷褶帶須家河組出儲層主要存在4期的裂縫(許同海，2005)。

第一期裂縫：為須家河組沉積后成巖階段的產物, 主要是成巖縫，為碳質或泥質充填；第二期裂縫：北東(30°±5°)、北西向(315°±5°)向裂縫為第二期“X”型共軛剪切縫，充填物為方解石充填，多為全充填或半充填；第三期裂縫：南北(0°±5°)、北東東(75°±10°)向裂縫形成第三期“X”型共軛剪切縫，充填物為顆粒較粗的方解石，多半充填或未充填；第四期裂縫: 北西西(290°±10°)向裂縫形成第四期剪切縫，多數(shù)未充填，縫面光滑，少量縫見瀝青及油氣侵染(圖5)(周文等，2008；賴生華等，2004；童亨茂，2006)。

3.2 井下斷裂構造分析裂縫期次

構造解析表明(圖6)，研究區(qū)須家河組主要以近南北向、北西向斷裂體系為主，其次是北東向斷裂，多數(shù)斷層傾角在80°以上，在地震剖面上表現(xiàn)為高角度逆斷層。

3.3 裂縫充填物包裹體分析裂縫期次

根據不同期次裂縫充填物溫度分布及其形態(tài)特征，筆者選取研究區(qū)不同切割期次的裂縫充填物樣品進行均一溫度測試(楊巍然等，1996)。按均一溫度分布，可以劃分2個流體充注時期：第一期溫度為75～85℃；第二期溫度150～175℃?？紤]未充填的構造裂縫，即研究區(qū)至少存在3期裂縫。

充填物主要為次生方解石，包裹體為氣液兩相，均一溫度主要為75～85℃左右的第二期構造縫；充填為粗粒方解石，其包裹體主要為群體分布無色橢圓液態(tài)與無色氣態(tài)烴類包裹體，均一溫度主要為150～175°左右的第三期構造縫；無充填物的第三期構造縫。

3.4 聲發(fā)射研究裂縫期次

通過對巖石加載的應力達到古應力場大小強度時，形成的微裂紋會開啟形成Kaiser效應點，不斷的加載應力，通Kaiser效應點出現(xiàn)的個數(shù)即可反演出巖石所經受的應力破裂期次和古構造應力場強度(鄭榮才，1998；丁原辰等，1991)。

圖5 構造裂縫產狀圖Fig.5 Attitude of structural fractures

1.近南北向斷層；2.北東向斷層；3.北西向斷層；4.在鉆井；5.工業(yè)氣流井；6.油氣顯示井圖6 元壩中部須家河組頂面構造綱要圖Fig.6 Faults system diagram of Xujiahe Formation in fault-fold belt of central Yuanba area

通過對巖石樣品聲發(fā)射實驗結果分析，3期Kaise效應點表明元壩中部須家河組形成至今至少遭受了3期構造破裂作用(圖7)，將實驗測試獲得的3期Kaise效應點劃分為 3期構造裂縫發(fā)育期(表1、表2)。

表1 研究區(qū)構造期次與裂縫發(fā)育模式Tab.1 Development and formation stages of structural fractures

表2 研究區(qū)構造期次與所對應古構造應力中最大有效主應力值Tab.2 Structural stages and corresponding paleo stress values of the study area

1.第一階段應力；2.第二階段應力；3.第三階段應力圖7 須家河組古構造應力分布直方圖Fig.7 Histogram of the palaeo-structure stress distribution of Xujiahe Formation

4 結論

(1)元壩地區(qū)中部斷褶帶須家河組儲層裂縫主要以構造縫為主，構造縫中又以低角度和高角度構造剪切縫為主，裂縫長度變化范圍較大，寬度較窄，具有間距大、密度小的特征;裂縫充填主要以全充填和半充填為主，充填物主要以碳質或泥質方解石為主，充填程度不高，總體上有效性較好。

(2)研究區(qū)裂縫發(fā)育方位主要為北東(30°±5°)、北西(315°±5°)向裂縫(第二期“X”型共軛剪切縫)，南北(0°±5°)、北東東(75°±10°)向裂縫(第三期“X”型共軛剪切縫)，北西西(290°±10°)向裂縫(第四期剪切縫)。

(3)通過地質分析方法、包裹體實驗方法和聲發(fā)射實驗方法表明區(qū)內裂縫為三期，第一期形成于燕山運動晚期，包裹體均一溫度為75～85℃，對應凱瑟爾點3，古構造應力值為20.5MPa，充填物主要為次生方解石；第二期裂縫形成于為喜馬拉雅早—中期構造運動，包裹體均一溫度為150～175℃，對應凱瑟爾點2，古構造應力值為29.8MPa，充填物主要為半充填或未充填的粗粒方解石；第三期裂縫形成于為喜馬拉雅晚期構造運動，對應凱瑟爾點1，古構造應力值為42.5MPa，基本無充填物。

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