川西新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部風(fēng)化殼裂縫分布特征及預(yù)測(cè)

朱 蘭，李素華，余 洋，李 蓉，石國(guó)山，許國(guó)明

中國(guó)石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041

近期，在川西新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部風(fēng)化殼巖溶儲(chǔ)層風(fēng)險(xiǎn)勘探中取得油氣突破，油氣富集程度明顯受巖溶和裂縫發(fā)育的控制[1]。印支早期運(yùn)動(dòng)使上揚(yáng)子地區(qū)整體隆升，海平面下降，雷口坡組暴露出地表，并遭受不同程度的剝蝕，成巖環(huán)境轉(zhuǎn)為以風(fēng)化、大氣淡水作用為主的表生成巖作用環(huán)境，在雷口坡組頂部形成古風(fēng)化殼[2]。川西地區(qū)印支早期抬升幅度相對(duì)較小，暴露時(shí)間較短，整體處于巖溶斜坡帶。前期野外露頭、鉆井及地震剖面揭示，該區(qū)雷口坡組頂部古風(fēng)化殼主要形成于雷四段上部，疊加風(fēng)化巖溶作用，發(fā)育大量溶蝕孔、洞、縫，可作為有效的儲(chǔ)集空間。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)川西新場(chǎng)地區(qū)雷口坡組頂部巖溶儲(chǔ)層裂縫發(fā)育帶，對(duì)該區(qū)雷口坡組油氣勘探開發(fā)具有重要指導(dǎo)作用，但前期該區(qū)針對(duì)裂縫發(fā)育特征及分布預(yù)測(cè)研究成果相對(duì)較少，制約著下一步勘探評(píng)價(jià)部署工作。

目前，裂縫表征方法有基于巖心觀察、測(cè)井統(tǒng)計(jì)、野外露頭測(cè)量或基于地震資料的裂縫預(yù)測(cè)等多種方法[3-6]。巖心觀察和測(cè)井統(tǒng)計(jì)方法只針對(duì)單井眼進(jìn)行裂縫描述，可識(shí)別小尺度(小于1/100波長(zhǎng))裂縫發(fā)育特征，但存在嚴(yán)重局限性：(1)本區(qū)鉆遇雷口坡組鉆井少、取心少，且只局限在某一點(diǎn)，區(qū)域代表性不足；(2)裂縫空間分布復(fù)雜、規(guī)律性差，單井描述存在極大的偶然性；(3)鉆井取心過(guò)程中裂縫發(fā)育段巖心常常破碎，給裂縫描述帶來(lái)困難。而基于地震資料的裂縫預(yù)測(cè)是對(duì)空間范圍內(nèi)的裂縫發(fā)育帶進(jìn)行識(shí)別，是宏觀尺度的反映，主要集中在裂縫密度和走向的表征上，可有效識(shí)別中尺度(1/4波長(zhǎng)～1/100波長(zhǎng))和大尺度(大于1/4波長(zhǎng))裂縫和斷層，與單井小尺度裂縫描述結(jié)果相結(jié)合，裂縫預(yù)測(cè)精度會(huì)明顯提高。近年來(lái)，疊前縱波方位各向異性裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)在火山巖、碳酸鹽巖、碎屑巖及頁(yè)巖等儲(chǔ)層中取得了較好的預(yù)測(cè)效果[7-9]，主要利用相對(duì)波阻抗、振幅、頻率、衰減或振幅隨方位角變化等手段預(yù)測(cè)裂縫發(fā)育的密度和方向。川西海相勘探主要為縱波勘探，但受埋深(大于5 500 m)、目標(biāo)層地震資料采集品質(zhì)和鉆井?dāng)?shù)量限制，尚未建立疊前地震波各向異性參數(shù)與裂縫系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，因此，研究區(qū)主要利用單井裂縫描述和疊后相關(guān)地震屬性進(jìn)行裂縫識(shí)別與檢測(cè)。常規(guī)地震裂縫預(yù)測(cè)技術(shù)有相干、方位角、傾角、曲率屬性等[10-11]，相干屬性疊合地震剖面可直接識(shí)別大于1/4波長(zhǎng)的大斷層，但小斷層和微裂縫識(shí)別需進(jìn)一步結(jié)合方位角、傾角和曲率屬性，方位角和傾角可識(shí)別裂縫的傾向和產(chǎn)狀，而曲率不依賴于地震波形的橫向變化，只與巖層彎曲程度有關(guān)，可識(shí)別微小裂縫。綜合運(yùn)用地質(zhì)、地震、鉆井和測(cè)井等資料可準(zhǔn)確識(shí)別該區(qū)不同尺度的斷層和裂縫的展布。

結(jié)合前期的研究成果，從區(qū)域構(gòu)造背景和單井裂縫發(fā)育特征入手，利用巖心薄片、測(cè)井統(tǒng)計(jì)及成像測(cè)井等實(shí)物資料，分析了裂縫的形成背景，并基于高精度的分頻疊合地震屬性體等，預(yù)測(cè)了裂縫空間分布規(guī)律，最后評(píng)價(jià)了雷口坡組頂部裂縫發(fā)育的有利區(qū)呈北東向分布在研究區(qū)中部，以期能夠?yàn)榇ㄎ餍聢?chǎng)地區(qū)雷口坡組頂部風(fēng)化殼儲(chǔ)層高效勘探開發(fā)提供可靠依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

川西坳陷位于四川盆地西部，西鄰龍門山推覆沖斷構(gòu)造帶，東側(cè)為川中隆起區(qū)。川西坳陷中段可劃分為三隆兩凹5個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元(圖1a)。3個(gè)隆起帶為新場(chǎng)構(gòu)造帶、知新場(chǎng)構(gòu)造帶和龍門山前構(gòu)造帶，兩凹為成都凹陷和梓潼凹陷，其中，3個(gè)隆起帶是川西坳陷中段油氣運(yùn)移的有利指向區(qū)。川西地區(qū)雷口坡組產(chǎn)氣層段位于雷口坡組頂部雷四段，雷四段根據(jù)巖性組合特征劃分為上、中、下3個(gè)亞段，上覆地層依次為馬鞍塘組、小塘子組，實(shí)鉆井揭示雷口坡組與馬鞍塘組為角度不整合接觸(圖1b)。研究區(qū)位于新場(chǎng)構(gòu)造帶上，為一復(fù)式背斜，構(gòu)造主體呈北東東向，構(gòu)造形態(tài)西低東高，南陡北緩，在復(fù)式背斜上發(fā)育若干次一級(jí)呈北東東、北北東向的局部構(gòu)造，斷層呈北東、北西向展布。

圖1 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)構(gòu)造位置(a)及其三疊系巖性剖面(b)

2 裂縫發(fā)育特征

2.1 宏觀特征

經(jīng)鉆井統(tǒng)計(jì)分析，雷口坡組頂部風(fēng)化殼儲(chǔ)層主要發(fā)育有天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫。誘導(dǎo)裂縫是由于鉆開地層，破壞原有的地層應(yīng)力平衡狀態(tài)，在新的應(yīng)力平衡過(guò)程中形成的裂縫，裂縫面平整且無(wú)溶蝕等現(xiàn)象，這是與天然裂縫最主要的區(qū)別，誘導(dǎo)裂縫走向代表現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向。天然裂縫一般局部充填：當(dāng)裂縫中有流體充填，在常規(guī)電阻率測(cè)井曲線上表現(xiàn)為低阻，在電成像圖上表現(xiàn)為深色條紋或條帶(圖2a)；當(dāng)有方解石或鈣質(zhì)充填時(shí)表現(xiàn)為高電阻率異常；當(dāng)與溶蝕孔洞串在一起時(shí)，溶蝕孔洞在電成像圖上表現(xiàn)為圓斑狀，溶解擴(kuò)大后呈不規(guī)則斑狀，較大、較深的孔洞在電成像圖上呈深黑色斑塊狀，易于識(shí)別；較小、較淺的孔洞呈淺黑色斑塊狀，不易識(shí)別；當(dāng)溶解作用強(qiáng)烈，孔洞為數(shù)眾多，同溶解擴(kuò)大后的裂縫連成片時(shí)，電成像圖中看不到斑狀，主要表現(xiàn)為雜亂或暗塊狀(圖2b)。X1鉆進(jìn)過(guò)程中多次漏失，取心段溶蝕孔、洞發(fā)育，洞密度195.7～314.3個(gè)/m，均為小洞，形狀近圓形，大小2 mm×2 mm～3 mm×4 mm，部分被方解石充填；溶孔普遍可見，孔徑0.1～1.0 mm，最大1.8 mm，部分溶孔被方解石充填(圖2c)。

圖2 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部電成像圖及巖心照片

2.2 微觀特征

將鉆井巖心進(jìn)行每1 m取1件樣，制片鏡下觀察，見多期裂縫發(fā)育(圖3a)，縫密度17～26條/m，縱向上分布較均勻，裂縫多為粒間縫(圖3b)，縫寬0.03～0.05 mm，縫長(zhǎng)40～160 mm，多數(shù)未充填，少量被方解石半充填，為保存至今有效的運(yùn)移通道和儲(chǔ)集空間。裂縫受溶蝕改造作用明顯(圖3c-d)，多見溶蝕擴(kuò)大現(xiàn)象，縫寬寬窄不一，可見裂縫切割殘余生屑、切割顆粒(圖3e-f)。

圖3 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂裂縫微觀特征

2.3 裂縫統(tǒng)計(jì)

利用成像測(cè)井資料對(duì)C1、X1、X2井雷口坡組天然裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，雷口坡組頂部風(fēng)化殼儲(chǔ)層裂縫相對(duì)發(fā)育，以高導(dǎo)裂縫為主，3口井總體以低角度(裂縫傾角不大于30°)為主，其次是斜交縫(裂縫傾角為30°～60°)，而高角度縫(裂縫傾角大于60°)相對(duì)較少(圖4a)。低角度或斜交裂縫走向多為北東—南西向、北西—南東向(圖4b)，少量高角度裂縫走向近東西向，誘導(dǎo)裂縫走向近東西向(圖4c)，表明現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，與區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征相吻合；理論上講，高導(dǎo)裂縫走向與水平最大主應(yīng)力方向平行，裂縫更容易呈開啟狀態(tài)，由圖4b與圖4c對(duì)比可知，高導(dǎo)裂縫走向與水平最大主應(yīng)力方向平行或有一銳夾角，C1、X1井經(jīng)測(cè)試后獲高產(chǎn)油氣流。

圖4 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部裂縫產(chǎn)狀

3 裂縫形成機(jī)理

裂縫按地質(zhì)成因可分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫。構(gòu)造裂縫是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力作用形成的裂縫，主要包括與斷層、褶皺、隆升上拱等有關(guān)的裂縫系統(tǒng)。非構(gòu)造裂縫(包括孔洞)是在非構(gòu)造因素作用下，由巖石體積力、重力或成巖作用等因素誘發(fā)形成的一種與構(gòu)造應(yīng)力無(wú)關(guān)或間接有關(guān)的裂縫類型，主要有成巖縫、溶蝕縫、壓實(shí)縫、風(fēng)化縫、沉積裂縫、層間縫、縫合線等[12]。儲(chǔ)層裂縫可在沉積、壓實(shí)固結(jié)、構(gòu)造變形、剝蝕抬升、油氣運(yùn)移等沉積盆地演化的各個(gè)環(huán)節(jié)中形成，具有復(fù)雜多樣的形成機(jī)理[13]。

川西地區(qū)雷口坡組頂部風(fēng)化殼儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫并存。構(gòu)造裂縫主要因龍門山推覆構(gòu)造帶自印支晚期開始由北西向南東方向擠壓、抬升和剝蝕，逆沖推覆構(gòu)造運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到燕山—喜馬拉雅期。喜馬拉雅晚期—現(xiàn)今[14-15]，形成與斷層、褶皺和隆升上拱等有關(guān)的構(gòu)造裂縫。非構(gòu)造裂縫主要因地層埋深、巖性、巖層厚度[16]及成巖作用等多種非構(gòu)造因素形成。川西地區(qū)雷口坡組四段風(fēng)化殼經(jīng)過(guò)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造后，夾持于馬鞍塘組二段泥頁(yè)巖層和雷四中亞段膏鹽層2個(gè)軟弱層間的灰?guī)r、白云巖剛性層發(fā)生脆性斷裂，形成層間裂縫，向上延伸至小塘子組，向下消失于雷四中亞段膏巖層內(nèi)部(圖5)，裂縫形成與馬鞍塘組—雷口坡組塑性層與剛性層的巖性、厚度有關(guān)，與現(xiàn)今局部構(gòu)造無(wú)成因上的聯(lián)系；與裂縫并存的溶蝕孔洞主要因建設(shè)性成巖作用中表生溶蝕或埋藏溶蝕作用形成[17]。構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫縫洞形成油氣運(yùn)移的通道，對(duì)雷口坡組頂部風(fēng)化殼儲(chǔ)層起到了建設(shè)性作用。

圖5 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組裂縫分布模式

4 裂縫分布預(yù)測(cè)

川西新場(chǎng)地區(qū)實(shí)鉆雷口坡組厚大膏巖層發(fā)育，在地震剖面中難以發(fā)現(xiàn)延伸長(zhǎng)度很長(zhǎng)的大斷層，肉眼可見的層間小斷層主要發(fā)育在雷口坡組頂部附近(圖6)，因此，雷口坡組頂部裂縫預(yù)測(cè)主要以中、小尺度為主。確定單井裂縫發(fā)育特征后，利用高精度三維縱波分頻地震數(shù)據(jù)體開展斷層、裂縫空間分布規(guī)律預(yù)測(cè)，結(jié)合地震剖面反射特征和平面組合特征可識(shí)別大于1/4波長(zhǎng)大尺度斷層，而中、小尺度斷層和裂縫需結(jié)合相干、方位角、傾角、曲率等屬性進(jìn)行識(shí)別。不同方法在復(fù)雜斷裂、小斷層及裂縫連續(xù)性刻畫等方面略有不同，相干、傾角、方位角屬性三者疊合可識(shí)別裂縫發(fā)育帶，而曲率屬性可識(shí)別尺度更小的微裂縫，幾種方法結(jié)合相互驗(yàn)證可有效識(shí)別雷口坡組頂部裂縫分布特征。

圖6 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組層間斷層地震剖面

4.1 裂縫發(fā)育帶預(yù)測(cè)

相干屬性利用地震波形橫向不連續(xù)性來(lái)檢測(cè)斷層，其可識(shí)別大于1/4波長(zhǎng)大尺度斷層，但很難識(shí)別微小斷層和裂縫，可結(jié)合方位角和傾角屬性來(lái)識(shí)別中、小尺度斷層和裂縫發(fā)育帶的傾向和產(chǎn)狀，相干、方位角和傾角屬性三者疊合可清晰刻畫裂縫發(fā)育帶地層傾角、方位角的細(xì)微變化[18]。

雷口坡組頂部相干、方位角、傾角屬性三者疊合顯示(圖7)，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北東、北西向兩組斷層，X1與C2井間發(fā)育“X”剪切斷裂，其中北西向斷層切割北東向斷層，而研究區(qū)中東部斷層規(guī)模較大，低相干特征明顯(黑色低相干條帶)，與區(qū)域構(gòu)造變形特征一致，主要受來(lái)自于龍門山擠壓推覆構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響；結(jié)合鉆井及地震剖面可知，研究區(qū)西南部主要發(fā)育北東、北西向“網(wǎng)狀”層間斷層、裂縫，通過(guò)低相干異?？纱_定北東向裂縫規(guī)模較大，裂縫發(fā)育位置地層傾角、方位角細(xì)節(jié)清晰，變化特征明顯，三者疊合裂縫預(yù)測(cè)精度明顯比單一相干屬性高。但因巖性突變或異常體發(fā)育時(shí)引起的地震同相軸錯(cuò)斷[19]，常規(guī)裂縫檢測(cè)結(jié)果必然存在假象，因此有必要借助曲率屬性來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證微裂縫的展布。

圖7 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部相干、方位角、傾角屬性三者疊合裂縫預(yù)測(cè)平面分布

4.2 微裂縫預(yù)測(cè)

曲率屬性兼具數(shù)學(xué)上的嚴(yán)密性和地質(zhì)上的實(shí)際意義，巖層受力變形，在彎曲部位會(huì)產(chǎn)生張裂縫，其曲率值與裂縫發(fā)育程度存在密切的相關(guān)性[20-21]。曲面曲率的幾何意義是反映曲面一點(diǎn)鄰近區(qū)域的具體形態(tài)和變形特征，消除局部?jī)A角影響，可反映與沉積特征或中、小尺度斷層相關(guān)的變形特征。

雷口坡組頂部最大正曲率屬性裂縫預(yù)測(cè)平面分布(圖8)顯示，曲率屬性對(duì)微小斷層和裂縫的識(shí)別精度明顯提高，研究區(qū)中東部大斷層附近裂縫細(xì)節(jié)刻畫清晰，但X1與C2井間的“X”剪切斷裂發(fā)育特征不明顯；研究區(qū)西南部發(fā)育的北東—南西、北西—南東向“網(wǎng)狀”層間裂縫，呈北東向條帶展布(紅色條帶)，一直延伸至研究區(qū)北部邊界，裂縫發(fā)育特征明顯較圖7清楚；在圖7中X2至X1井上方發(fā)育一條近東西向的低相干異常帶，而圖8曲率屬性預(yù)測(cè)裂縫規(guī)模不大，證實(shí)此處低相干異常非斷層的真實(shí)響應(yīng)；位于北東—南西、北西—南東向“網(wǎng)狀”層間裂縫條帶內(nèi)的C1和X1井試氣獲工業(yè)氣流，而X1井所處位置裂縫最發(fā)育，鉆井取心證實(shí)巖心破碎且溶蝕孔洞發(fā)育；C2井為1980年代油氣普查井，鉆遇雷口坡組頂部為裂縫型含氣層，實(shí)鉆與預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

圖8 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部最大正曲率屬性裂縫預(yù)測(cè)平面分布

4.3 預(yù)測(cè)效果

相干、方位角、傾角屬性對(duì)微裂縫的識(shí)別沒有曲率屬性有效，但刻畫斷層邊界及切割關(guān)系比曲率屬性清晰；曲率屬性不依賴地震同相軸的橫向變化，可精確預(yù)測(cè)微小斷層和裂縫展布，裂縫預(yù)測(cè)精度明顯比常規(guī)屬性高，但在多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)裂縫預(yù)測(cè)效果不佳。

綜合分析研究區(qū)西南部的北東—南西、北西—南東向“網(wǎng)狀”層間裂縫，有利區(qū)面積531 km2(圖9 黃色區(qū)域)，向上延伸至小塘子組，向下延伸至雷四段中亞段，為天然氣運(yùn)移、聚集成藏及改善雷口坡組頂風(fēng)化殼儲(chǔ)層起到十分重要的作用，近日在X1井“網(wǎng)狀”裂縫發(fā)育區(qū)開展評(píng)價(jià)井部署，試氣獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，證實(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果可靠，可進(jìn)一步擴(kuò)大油氣評(píng)價(jià)范圍；而研究區(qū)中東部斷層規(guī)模較大、延伸較深(圖9橙色區(qū)域)，且雷四段上亞段地層剝蝕厚度較研究區(qū)西部大，因此，研究區(qū)中東部的斷裂、裂縫對(duì)雷口坡組頂部風(fēng)化殼儲(chǔ)層的改造作用有待于鉆井進(jìn)一步證實(shí)。

圖9 四川盆地新場(chǎng)地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組頂部裂縫預(yù)測(cè)有利區(qū)分布示意

5 結(jié)論

(1)川西新場(chǎng)地區(qū)雷口坡組頂部發(fā)育構(gòu)造型和非構(gòu)造型兩種類型的裂縫，且主要以中低角度為主，走向多為北東—南西、北西—南東和近東西向，其中大尺度裂縫多為構(gòu)造裂縫，受斷裂、褶皺及隆升上拱等因素控制，而小尺度裂縫多為非構(gòu)造裂縫，受地層埋深、巖性、巖層厚度及成巖作用等因素控制。

(2)不同尺度、不同類型的裂縫需采用不同的預(yù)測(cè)方法，相干、傾角、方位角屬性三者疊合可識(shí)別構(gòu)造成因的斷層和裂縫，且切割關(guān)系明顯，而曲率屬性可識(shí)別非構(gòu)造成因的微小裂縫，預(yù)測(cè)精度明顯提高，其中構(gòu)造裂縫主要發(fā)育在研究區(qū)中東部大斷層附近，而非構(gòu)造成因的“網(wǎng)狀”層間裂縫呈北東向條帶分布在研究區(qū)西南部，是下步勘探開發(fā)評(píng)價(jià)有利目標(biāo)區(qū)。

(3)多種裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果與單井巖心薄片、成像測(cè)井等實(shí)物資料分析結(jié)果相互驗(yàn)證，有效識(shí)別了研究區(qū)雷口坡組頂部風(fēng)化殼裂縫發(fā)育情況，可利于下步勘探開發(fā)評(píng)價(jià)部署工作。