黃仁春,劉若冰,劉 明,曹環(huán)宇,宿 賽,杜紅權(quán)
(中國(guó)石化 勘探分公司 勘探研究院,四川 成都 610041)
四川盆地是典型的多旋回疊加改造型盆地,發(fā)育多期次斷裂構(gòu)造[1-4]??碧綄?shí)踐表明,川東北通江-馬路背地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組致密砂巖經(jīng)多年天然氣勘探,取得顯著成效,多口井在須家河組測(cè)試獲得工業(yè)氣流,顯示出良好的勘探前景[5-9]。天然氣富集區(qū)沿大型斷裂呈“條帶狀”分布[10]。前人研究認(rèn)為,通江-馬路背地區(qū)須家河組致密砂巖氣藏具有“雙源供烴,高效成藏”的特點(diǎn),該套“斷縫體”氣藏的儲(chǔ)集特征及富集規(guī)律與其他致密砂巖氣藏具有明顯的差異性[11-13]。因此,筆者通過(guò)地震、測(cè)井、巖心測(cè)試和掃描電鏡等資料,在精細(xì)刻畫(huà)須家河組多套砂體沉積學(xué)特征的基礎(chǔ)上,以巖相、裂縫與斷裂三者對(duì)“斷縫體”的影響為重點(diǎn),闡釋“斷縫體”儲(chǔ)層的發(fā)育特征及成因機(jī)理。
通江-馬路背地區(qū)處于四川盆地川東北地區(qū)通南巴構(gòu)造帶中部[14],主體位于通南巴背斜及通江凹陷,構(gòu)造位置處于米倉(cāng)山?jīng)_斷構(gòu)造帶和大巴山弧形沖斷構(gòu)造帶的疊合區(qū)(圖1),上三疊統(tǒng)須家河組是研究區(qū)主力含氣層系,縱向上可劃分為須一段—須五段[15-17],研究區(qū)須家河組受川東北地區(qū)東高西低的古地貌影響,須二段直接超覆在雷口坡組碳酸鹽巖之上,缺失須一段,頂部與自流井組珍珠沖段呈不整合接觸,須五段為殘余地層[12]。須家河組內(nèi)部整體上表現(xiàn)為須二段與須四段偏砂,須三段與須五段偏泥,為辮狀河三角洲-湖泊沉積體系,發(fā)育須二下亞段濱湖灘壩砂體、須二上亞段、須四段及須三段中部水下分流河道砂體、須四段辮狀河道砂礫巖體等多套砂體。構(gòu)造上,主要受燕山早期、燕山晚期與喜馬拉雅期3期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加的影響[18],整體表現(xiàn)為NE向構(gòu)造帶疊加了后期NW向背斜和斷裂,發(fā)育北西向展布的對(duì)沖、背沖構(gòu)造,局部構(gòu)造成排成帶展布,整體上具有南北分異、東西成帶的特征。
圖1 四川盆地東北通江-馬路背地區(qū)構(gòu)造位置
通江-馬路背地區(qū)須家河組儲(chǔ)層整體致密,但多期裂縫發(fā)育,局部受沿裂縫的酸性熱流體溶蝕作用強(qiáng)烈。多期熱流體作用造成裂縫半充填多種礦物,保證了裂縫有效開(kāi)啟;晚期疊加無(wú)充填裂縫形成復(fù)雜縫網(wǎng),最終裂縫與溶蝕孔隙疊置形成了致密背景下的局部高孔滲儲(chǔ)層;表現(xiàn)為沿特定斷裂及局部構(gòu)造呈復(fù)雜空間分布“斷縫體”儲(chǔ)層。
2.1.1 多套砂體發(fā)育,儲(chǔ)層整體致密,裂縫多期疊置
通江-馬路背地區(qū)須家河組巖石整體礦物成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度差異較大,巖石類(lèi)型以巖屑砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和石英砂巖為主,縱向上石英含量從上到下有增高趨勢(shì),巖屑含量較高,長(zhǎng)石含量較低。通江-馬路背地區(qū)須家河組砂巖巖心實(shí)測(cè)孔隙度介于0.20%~8.17%,主體分布在1%~3%,儲(chǔ)層整體致密,局部發(fā)育高孔隙;滲透率介于(0.001~1.43)×10-3μm2,主體分布在(0.01~0.1)×10-3μm2間,孔、滲相關(guān)性差,具有明顯的裂縫發(fā)育特征(圖2)。
圖2 川東北通江-馬路背地區(qū)須家河組孔-滲交會(huì)圖
通江-馬路背地區(qū)須家河組高產(chǎn)井段裂縫普遍發(fā)育,裂縫以中-高傾角為主,傾向多樣,主要為北西與北西西走向,裂縫面多切斷沉積層面,具有組系性,表現(xiàn)為構(gòu)造裂縫特征,裂縫垂向及平面分布具有很強(qiáng)非均質(zhì)性。裂縫相互交切形成網(wǎng)狀,部分巖心裂縫內(nèi)半充填自形石英及碳酸鹽巖礦物,成像測(cè)井表現(xiàn)為高導(dǎo)縫內(nèi)部局部具有高阻特征(圖3)。從充填先后順序及相互切割關(guān)系判斷裂縫發(fā)育具有多期性特征,石英充填裂縫發(fā)育最早,之后為碳酸鹽巖充填裂縫,無(wú)充填裂縫最晚。
圖3 川東北通江-馬路背地區(qū)須家河組成像測(cè)井圖像及典型巖心裂縫照片
2.1.2 局部溶蝕高孔,溶蝕孔隙與半充填裂縫具有成因聯(lián)系
通江-馬路背地區(qū)須家河組巖心發(fā)育半充填裂縫,且儲(chǔ)層溶蝕作用較強(qiáng),溶蝕孔隙與半充填裂縫表現(xiàn)出相關(guān)性,具有相對(duì)高孔滲特征(圖4)。依據(jù)薄片及掃描電鏡資料,認(rèn)為溶蝕孔隙是酸性熱流體沿著裂縫作用的結(jié)果,表現(xiàn)為沿裂縫的進(jìn)一步溶擴(kuò)和對(duì)裂縫所切割長(zhǎng)石與巖屑等不穩(wěn)定組分的溶蝕(圖5),改善了儲(chǔ)層物性,形成熱流體溶蝕增孔。溶蝕孔隙及裂縫中充填的石英及碳酸鹽巖礦物是多期熱流體活動(dòng)的產(chǎn)物,石英沿著裂縫壁或溶蝕孔隙向內(nèi)呈棱柱狀充填,碳酸鹽巖礦物在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步充填裂縫及溶蝕孔隙,可見(jiàn)馬鞍狀白云巖。礦物的多期充填減小了裂縫及溶蝕孔隙儲(chǔ)集空間,但充填礦物特別是石英力學(xué)強(qiáng)度大,有效支撐裂縫及溶孔壁,保持孔隙有效的開(kāi)啟性。裂縫相關(guān)的溶蝕作用及多期充填特征是通江-馬路背地區(qū)須家河組區(qū)別于其它儲(chǔ)層的根本因素。
圖4 川東北通江-馬路背地區(qū)須家河組半充填裂縫發(fā)育段(a)與不發(fā)育段(b)孔-滲交會(huì)圖
圖5 川東北通江-馬路背地區(qū)M3井須四段典型溶蝕及充填現(xiàn)象
通江-馬路背地區(qū)須家河組“斷縫體”儲(chǔ)層的形成具有其獨(dú)特的地質(zhì)背景與成因機(jī)制。通江-馬路背地區(qū)以嘉陵江-雷口坡組膏鹽巖和志留系泥頁(yè)巖滑脫面為界,垂向發(fā)育3層構(gòu)造,須家河組處于上構(gòu)造變形層,斷裂向上可斷至中侏羅統(tǒng)沙溪廟組,向下可斷至海相嘉陵江組-雷口坡組膏鹽巖(圖6)。形成3層結(jié)構(gòu)的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與深部海相流體活動(dòng)是“斷縫體”儲(chǔ)層形成的外部力學(xué)背景與內(nèi)部成因機(jī)制。
圖6 川東北通江-馬路背地區(qū)構(gòu)造特征剖面
2.2.1 區(qū)域壓扭應(yīng)力場(chǎng)提供了有利構(gòu)造背景
通江-馬路背地區(qū)須家河組致密砂巖在晚燕山期—喜馬拉雅早期受米倉(cāng)山和大巴山不均衡擠壓作用影響,處于壓扭性應(yīng)力場(chǎng)作用下,表現(xiàn)為所處通南巴構(gòu)造軸線(xiàn)錯(cuò)斷,并形成以一系列北西-南東向雁列式展布的北東傾向壓扭斷裂(圖7),垂向上海相地層與陸相地層整體變形,構(gòu)造基本一致[19-23]。在走滑構(gòu)造與擠壓構(gòu)造的雙重作用下,沿?cái)嗔寻l(fā)育多方向剪切破裂,向下切穿海相塑性膏鹽巖,向上發(fā)散與陸相各種破裂面連接構(gòu)成網(wǎng)狀交織的破裂帶,破裂帶內(nèi)發(fā)育大量杏仁狀?yuàn)A塊,有效支撐斷層面保證其開(kāi)啟性[17]。該時(shí)期走滑擠壓斷層溝通深部海相烴源巖及多期熱流體,成為通源斷裂。但由于斷裂具有走滑分量,垂向斷距小,因此通源斷裂向上大多發(fā)育在須家河組內(nèi)部。該階段局部構(gòu)造幅度相對(duì)小,因而裂縫主要受通源斷裂控制,沿裂縫普遍有活躍的流體活動(dòng),裂縫所切割巖體受流體改造作用強(qiáng)烈,局部溶蝕增孔作用明顯,形成須家河組“斷縫體”儲(chǔ)層的雛形。
圖7 川東北通江-馬路背地區(qū)晚燕山期—早喜馬拉雅期構(gòu)造特征
2.2.2 深部流體溶蝕改造儲(chǔ)層
通江-馬路背地區(qū)須家河組構(gòu)造演化過(guò)程中,受通源斷裂影響,保留下較多海相流體活動(dòng)的痕跡。首先在礦物成分上,須家河組高產(chǎn)井段巖心小斷面上可見(jiàn)局部充填白色石膏,X衍射資料也反映出巖礦成分中含有石膏,而須家河組原生地層中不含石膏,其來(lái)源為海相嘉陵江組-雷口坡組膏鹽巖地層,薄片中可見(jiàn)鞍狀白云石呈波狀消光,交代石英加大邊,與石英顆粒呈鋸齒狀接觸(圖8),其形成與深部流體活動(dòng)有關(guān);其次在包裹體溫度方面,部分巖心裂縫中發(fā)育半充填自形石英及方解石,并且從包裹體測(cè)溫可知,其具有異常高溫,主峰溫度為180~210 ℃,石英略高于方解石,遠(yuǎn)大于該區(qū)陸相地層可能達(dá)到的最大演化溫度,而與海相飛仙關(guān)組包裹體主峰溫度有很好的可比性(圖9)。海相流體沿通源斷裂及相關(guān)裂縫的活動(dòng),對(duì)須家河組砂巖中易溶礦物組分產(chǎn)生強(qiáng)烈的溶蝕作用,形成溶蝕增孔帶,盡管后期通源斷裂失去作用,但構(gòu)造變形更加強(qiáng)烈,多期裂縫與溶蝕增孔帶疊置,形成“斷縫體”儲(chǔ)層最終形態(tài)。
圖8 川東北通江-馬路背地區(qū)M3井須四段X衍射組分含量直方圖(a)與鞍狀白云石波狀消光薄片照片(b)
圖9 川東北通江-馬路背地區(qū)M3井須家河組(a)與JX2井飛仙關(guān)組(b)包裹體均一溫度直方圖
通過(guò)對(duì)“斷縫體”儲(chǔ)層的形成過(guò)程與成因分析可發(fā)現(xiàn),其發(fā)育必須具備3個(gè)要素:通源斷裂、規(guī)模高能砂體及多期裂縫。
前期對(duì)通江-馬路背地區(qū)須家河組通源斷裂的研究中,更多強(qiáng)調(diào)其對(duì)于海相烴源的溝通,認(rèn)為區(qū)內(nèi)須家河組天然氣表現(xiàn)為乙烷碳同位素較輕,且出現(xiàn)甲、乙烷碳同位素倒轉(zhuǎn)的特征,為海相與陸相混合天然氣。通源斷裂不僅起到溝通海相烴源的作用,它更是多期海相酸性熱流體的運(yùn)移通道。
一方面,通源斷裂有效溝通海陸兩相烴源巖與陸相儲(chǔ)集體,為天然氣運(yùn)移提供通道。通江-馬路背地區(qū)構(gòu)造形變強(qiáng),晚侏羅世后,受大巴山壓扭及膏鹽底劈聯(lián)合作用,貫穿二疊系-侏羅系通源斷裂逐漸形成,有效溝通了海陸相多套烴源巖,二疊系與須家河組天然氣一起運(yùn)移至儲(chǔ)層,在部分地區(qū)富集成藏。
另一方面,通源斷裂溝通深部酸性熱流體,對(duì)須家河組裂縫附近長(zhǎng)石和巖屑溶蝕形成大量粒內(nèi)、粒間溶孔,有效提高孔滲性。以M3井為例(圖10),酸性熱流體對(duì)M3井須四段上部長(zhǎng)石、巖屑等不穩(wěn)定組分溶蝕作用明顯,溶蝕孔縫發(fā)育,一定程度上改善儲(chǔ)層物性,形成熱流體溶蝕增孔帶。
通江-馬路背地區(qū)須家河組發(fā)育多套高能砂體,不同類(lèi)型沉積相帶砂體整體致密物性差異不大,但砂體對(duì)于裂縫的發(fā)育與溶蝕作用有顯著影響。通江-馬路背地區(qū)須家河組發(fā)育須二段、須三段和須四段多套三角洲前緣水下分流河道砂體。由于水下分流河道有利于大套細(xì)砂巖與中砂巖發(fā)育,水動(dòng)力條件較強(qiáng),分選與磨圓一般較好,雜基含量較低,原始物性、孔隙結(jié)構(gòu)較好,即使經(jīng)歷了后期的成巖改造作用,也具有相對(duì)較高的孔滲性,如M4井在須二上亞段取心段中水下分流河道中-細(xì)砂巖,裂縫中可見(jiàn)溶蝕孔洞發(fā)育。另外水下分流河道沉積的中細(xì)砂巖脆性較大,更容易形成微裂縫,有效增加儲(chǔ)集空間(圖11)。
圖11 川東北通江-馬路背地區(qū)須家河組孔隙度與沉積微相關(guān)系
3.3.1 裂縫發(fā)育特征
運(yùn)用巖心及野外觀察、薄片鑒定、成像測(cè)井及常規(guī)測(cè)井解釋等裂縫識(shí)別方法,對(duì)通江-馬路背地區(qū)須家河組儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行了識(shí)別與描述。發(fā)現(xiàn)研究區(qū)裂縫類(lèi)型具有多樣性,根據(jù)成因可劃分為斷層相關(guān)裂縫、褶皺相關(guān)裂縫、順層滑脫裂縫和礫石相關(guān)裂縫4種類(lèi)型(表1)。研究區(qū)斷層相關(guān)裂縫形成于斷層破碎帶內(nèi),產(chǎn)狀多為中—高角度,裂縫多期發(fā)育,充填物多樣,以石英與方解石為主,局部充填石膏。裂縫以張性-剪性為主,寬度大,延伸長(zhǎng)度小,發(fā)育揉皺、擦痕與階步構(gòu)造。研究區(qū)褶皺相關(guān)裂縫多發(fā)育于砂巖中,產(chǎn)狀以高角度為主,裂縫面平直,開(kāi)度小,充填物一般較少,延伸長(zhǎng)度大,裂縫呈組系;順層滑脫裂縫多發(fā)育在泥巖和粉砂質(zhì)泥巖中,多為沿層滑脫或低幅度剪切形成,產(chǎn)狀以低角度-水平為主,多被石英、方解石半-全充填,裂縫面可見(jiàn)擦痕;礫石相關(guān)裂縫主要發(fā)育于研究區(qū)北部的須四段礫巖內(nèi),并可細(xì)分為礫內(nèi)縫、礫緣縫與穿礫縫。裂縫密度較低,延伸長(zhǎng)度一般較短,產(chǎn)狀多樣,受礫石控制,常被石英與方解石半-全充填,裂縫多呈孤立狀,不呈組系且多不連通。
表1 川東北通江-馬路背地區(qū)須家河組不同成因類(lèi)型裂縫發(fā)育特征及有效性
微觀裂縫在研究區(qū)須家河組中同樣廣泛發(fā)育,其形成與區(qū)域構(gòu)造作用、沉積作用和后期成巖作用相關(guān)[24-27]。其中以構(gòu)造微裂縫為主,裂縫可切穿礦物顆粒,連通孔隙空間,鄰近斷裂帶還可以觀察到酸性流體流經(jīng)裂縫發(fā)生的溶蝕現(xiàn)象,表現(xiàn)出裂縫對(duì)于儲(chǔ)層物性的改善作用。掃描電鏡下同樣可以觀察到開(kāi)啟的微裂縫,其開(kāi)度一般在1~5 μm,其形態(tài)受顆粒形態(tài)和磨圓等特征的影響,延伸或終止于顆粒接觸點(diǎn),長(zhǎng)度可達(dá)1~2 mm。
3.3.2 巖相及構(gòu)造變形強(qiáng)度對(duì)裂縫發(fā)育的影響
對(duì)成像測(cè)井解釋的裂縫線(xiàn)密度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),通江-馬路背地區(qū)須家河組不同巖性中裂縫發(fā)育程度差異性明顯。絕大多數(shù)中-高角度構(gòu)造裂縫發(fā)育在砂巖中(圖12),細(xì)砂巖中裂縫最為發(fā)育,其次為粉砂巖和粗砂巖。其原因與巖石脆性有關(guān),當(dāng)巖石中的脆性礦物含量低于巖石發(fā)生破裂的界限時(shí),巖層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生塑性彎曲而非破裂。而低角度裂縫在各類(lèi)巖性中均有發(fā)育,且在泥巖中所占比例較大,多數(shù)與成巖作用及超壓破裂作用有關(guān)。另外,不同的巖性組合對(duì)裂縫的發(fā)育也具有一定的影響,大套砂巖具有統(tǒng)一或相似的力學(xué)性質(zhì),在強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力作用下可整體破碎,形成裂縫體系;而砂、泥互層中砂和泥力學(xué)性質(zhì)差異較大,雖然砂巖層內(nèi)易形成高密度裂縫,但整體難以形成大型裂縫系統(tǒng)。
圖12 川東北通江-馬路背地區(qū)巖心開(kāi)啟裂縫數(shù)量與巖性關(guān)系
研究區(qū)成像測(cè)井解釋出的高導(dǎo)裂縫與臨近的高角度逆斷層在走向上具有一致性,均以北西向或北西西向?yàn)橹?,可?jiàn)構(gòu)造裂縫與斷層之間存在密切的關(guān)系。同時(shí),斷層拖拽作用導(dǎo)致局部地層轉(zhuǎn)折,應(yīng)力相對(duì)集中,促進(jìn)了裂縫的進(jìn)一步發(fā)育,位于局部構(gòu)造高部位的M101井、M103井與M3井裂縫異常發(fā)育,說(shuō)明強(qiáng)烈的地層轉(zhuǎn)折進(jìn)一步促進(jìn)了構(gòu)造裂縫的發(fā)育。前人研究表明,受控于不同規(guī)模的斷層,裂縫發(fā)育密集程度也應(yīng)有所不同[28-36]。在對(duì)通江-馬路背地區(qū)須家河組鉆井裂縫統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,建立了單井裂縫發(fā)育數(shù)量與所處局部構(gòu)造斷裂和褶皺的擬合關(guān)系。結(jié)果表明,裂縫發(fā)育數(shù)量與兩參數(shù)之間具有很好的相關(guān)性,通過(guò)鉆井裂縫發(fā)育數(shù)量與構(gòu)造變形強(qiáng)度的擬合關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),通江-馬路背地區(qū)裂縫發(fā)育程度與褶皺程度呈線(xiàn)性關(guān)系,與斷裂發(fā)育程度呈對(duì)數(shù)關(guān)系(圖13)。當(dāng)井到斷層距離大于4倍斷距時(shí),砂巖中裂縫發(fā)育程度迅速降低,當(dāng)局部褶皺幅度小于0.1時(shí),砂巖裂縫發(fā)育程度低。整體來(lái)看,通江-馬路背地區(qū)裂縫與褶皺、斷層關(guān)系密切,斷層帶附近及強(qiáng)烈構(gòu)造轉(zhuǎn)折區(qū)是裂縫發(fā)育的優(yōu)勢(shì)區(qū)帶。局部構(gòu)造所控制裂縫主要為晚期構(gòu)造縫,當(dāng)晚期構(gòu)造裂縫發(fā)育程度好且與早期初始狀態(tài)“斷縫體”儲(chǔ)層疊置時(shí),便形成了“斷縫體”儲(chǔ)層發(fā)育的最有利情況。
圖13 川東北通江-馬路背地區(qū)成像測(cè)井裂縫發(fā)育程度與褶皺(a)、斷層(b)的關(guān)系
在上述主控因素分析的基礎(chǔ)上,總結(jié)了通江-馬路背地區(qū)須家河組“斷縫體”儲(chǔ)層發(fā)育模式(圖14)。通源斷裂溝通海相烴源巖,同時(shí)也為多期流體向上運(yùn)移提供了通道,從而控制了溶蝕流體、早期半充填裂縫及溶蝕增孔帶的發(fā)育;規(guī)模高能砂體為“斷縫體”儲(chǔ)層提供裂縫發(fā)育及溶蝕孔隙形成的基質(zhì)條件,構(gòu)成了“斷縫體”儲(chǔ)層的主體;局部構(gòu)造控制下的晚期裂縫進(jìn)一步改善“斷縫體”儲(chǔ)層的聯(lián)通性與儲(chǔ)集性能。微觀尺度上“斷縫體”儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要是多期構(gòu)造裂縫及沿裂縫的溶蝕孔隙。北部馬路背地區(qū)須二上亞段、南部通江地區(qū)須四段、須三段中部都處于辮狀河三角洲前緣水下分流河道微相主體部位,發(fā)育厚層狀中-細(xì)砂巖,富含易溶礦物顆粒,為裂縫及溶蝕作用發(fā)育的有利巖相帶。通江-馬路背地區(qū)須家河組局部構(gòu)造近通源斷裂一側(cè),更易于發(fā)育早期裂縫及溶蝕增孔帶,近反向斷裂一側(cè),更易于發(fā)育晚期復(fù)雜縫網(wǎng),兩者有效疊合為“斷縫體”儲(chǔ)層發(fā)育提供有利的局部構(gòu)造條件。
圖14 川東北通江-馬路背地區(qū)須家河組斷縫體發(fā)育模式
1)通江-馬路背地區(qū)須家河組儲(chǔ)層整體致密,但多期裂縫發(fā)育,局部具有相對(duì)高孔特征,裂縫相關(guān)的溶蝕作用及多期充填是通江-馬路背地區(qū)須家河組區(qū)別于其他儲(chǔ)層的根本因素。
2)區(qū)域壓扭應(yīng)力場(chǎng)為“斷縫體”儲(chǔ)層的形成提供有利構(gòu)造背景,晚期擠壓改造使“斷縫體”儲(chǔ)層分布進(jìn)一步復(fù)雜化;深部流體活動(dòng)為“斷縫體”儲(chǔ)層的形成提供改造溶蝕流體。
3)多套大面積分布的規(guī)模高能砂體,在晚燕山期—喜馬拉雅期米倉(cāng)山-大巴山擠壓改造作用下,斷層伴生縫、褶皺伴生縫與基質(zhì)孔隙耦合疊加形成規(guī)模網(wǎng)狀縫孔儲(chǔ)滲體,即“斷縫體”儲(chǔ)層,其分布受通源斷裂、規(guī)模高能砂體與局部構(gòu)造共同控制。