曹环宇，王威，刘明

（中国石化 勘探分公司，成都 610041）

目前非常规油气资源勘探方兴未艾，致密气是其中倍受关注的焦点[1-5]。致密气是指赋存于低孔（孔隙度小于10%）低渗（渗透率小于0.1 mD）储集层中，含气饱和度低（小于60%），一般要经过特殊作业才有开采价值的天然气。中国致密气分布范围广，有利区面积达32×104km2，已成为重要的增储上产领域。四川盆地上三叠统须家河组（T3x）是中国目前已开采的两大致密气区之一[6-7]。

川东北通南巴构造带须家河组致密砂岩经过多年勘探，取得显著成效，多口井获得高产稳产，但同时也面临着巨大挑战。研究区须家河组埋深大，通江凹陷可达5 000 m以上，储集层物性差，与国内外典型致密砂岩相比，研究区砂岩的孔隙度和渗透率明显更低[8-11]。裂缝对研究区须家河组致密气藏的形成至关重要，进行裂缝发育特征与成因类型的研究具有重要的理论和实际意义。本文利用岩心、薄片及成像测井等资料，对裂缝进行精细观察与分类，并结合区域构造演化特征，对裂缝成因进行分析，有效支撑下一步勘探。

1 地质背景

川东北地区位于米仓山冲断构造带和大巴山弧形冲断构造带的叠合区，其构造格局既受四川盆地基底控制，又在一定程度上受米仓山、大巴山逆冲断裂构造变形的影响，经历了多期构造运动，整体可划分为九龙山背斜带、通南巴构造带、中部低缓构造带、通江凹陷、池溪凹陷及南江单斜带6个构造带。研究区位于通南巴构造带中部，为一被断层切割而复杂化的大型断鼻（图1）。

图1 研究区构造位置

研究区须家河组整体沉积于三角洲—湖泊环境，缺失须一段，自下而上发育须二—须五段，其中须三段与须五段以泥岩为主，须二段与须四段以砂岩、砾岩为主。须二段广泛发育辫状河三角洲前缘亚相，以细砂岩—粗砂岩为主，由通南巴构造带至通江凹陷，碎屑颗粒粒度变小，泥质含量增加；须四段以辫状河三角洲平原沉积为主，发育砾状砂岩，而通江凹陷须四段以辫状河三角洲前缘沉积为主，发育中—细砂岩。

研究区须二段与须四段基质物性均较差，孔隙度主要集中在2%～4%，渗透率主要集中在0.01～0.10 mD，属于超低孔超低渗储集层[12]。在燕山—喜马拉雅运动早期的北西—南东向构造运动和喜马拉雅运动晚期的北东—南西向构造运动的影响下，岩层变形、破裂严重，形成了北东—南西向和北西—南东向构造及裂缝系统[13]，储集层物性和储集性能有所改善。目前，研究区有多口井钻至须家河组并获工业气流，其中M101井累计产气2.94×108m3，M103井累计产气1.97×108m3中，展现了该区须家河组良好的勘探前景。

2 裂缝产状与分布特征

裂缝对致密砂岩储集层的改造是致密岩性气藏获得产能或高产的重要因素[14-15]。通南巴构造带整体上表现为一个近北东—南西向的背斜，且背斜之上还叠加了北西—南东向的断层，其构造变形程度大。因此，裂缝也较发育。

本文主要通过成像测井资料对裂缝产状进行分析，并以有效裂缝的高导缝为主要分析对象。M2井高导缝走向为以北东—南西向为主，倾角以50°～80°为主（图2a）；M201井高导缝走向以北东东—南西西向为主，部分走向北北西—南南东向，倾角以60°～90°（图2b）为主；M103井高导缝以近南北向为主，部分走向为北西—南东向，倾角以60°～90°为主（图2c）。通江凹陷M3井高导缝走向以北北西—南南东向为主，裂缝倾角以30°～80°为主（图2d）。

整体而言，研究区须家河组裂缝较发育，高导缝倾角多为中—高角度，而裂缝走向差异明显，因此认为研究区的裂缝在成因上具有多期性和多样性（图2）。

研究区须家河组不同层段裂缝发育程度在平面上存在差异。对于须四段，通江凹陷M3井砂岩段内裂缝发育程度高，成像测井解释高导缝9条，岩心上发育石英半充填开启裂缝，缝宽最大可达1 cm；而通南巴构造带须四段砾岩裂缝发育程度低，M2井须四段内仅解释1条高导缝，M201井须四段内仅解释出3条高导缝。对于须二段，通南巴构造带裂缝发育程度高，M201井须二段成像测井解释高导缝14条，M2井须二段成像测井解释高导缝6条，M103井须二段成像测井解释高导缝16条，岩心上发育石英半充填裂缝；而通江凹陷M3井须二段成像测井未解释裂缝，岩心整体呈块状，裂缝发育程度差。

图2 研究区须家河组成像测井高导缝走向与倾角

3 裂缝成因类型

根据成因，研究区须家河组裂缝可划分为断层相关裂缝、褶皱相关裂缝、顺层滑脱裂缝和砾石相关裂缝4种类型（图3）。

图3 研究区须家河组岩心裂缝照片a—断层相关裂缝，M103井，须二段；b—褶皱相关裂缝，M201井，须二段；c—顺层滑脱裂缝，M3井，须三段；d—砾石相关裂缝，M3井，须四段

研究区断层相关裂缝形成于断层破碎带内，产状多为中—高角度，裂缝多期发育，充填物多样，以石英与方解石为主，局部充填石膏。裂缝以张性为主，宽度大，延伸长度小，发育揉皱、擦痕与阶步。M3井须四段断层相关裂缝充填物内包裹体均一温度集中在180～210℃，具有异常高温的特征，反映了存在深部热液沿断层的活动。结合区域构造演化特征，推测断层相关裂缝主要形成于晚白垩世。这一时期，研究区经历强烈褶皱运动，遭受挤压形成断层，并在断层两侧形成裂缝带。同时，断层作为热液活动的有利通道，为自生石英与石膏等充填物的形成提供充足的化学物质（图4a）。

研究区褶皱相关裂缝多发育于砂岩中，产状以高角度为主，裂缝面平直，开度小，充填物一般较少，延伸长度大，裂缝呈组系。结合区域构造演化特征，研究区经历多期挤压构造运动，形成了北东—南西走向的通南巴大背斜与一系列以北西—南东走向为主的局部褶皱。处于张剪性应力背景下的背斜脊部，是裂缝发育的有利部位（图4b）。

研究区顺层滑脱裂缝多发育在泥岩和粉砂质泥岩中，多为沿层滑脱或低幅度剪切形成，产状以低角度—水平为主，多被石英、方解石半—全充填，裂缝面可见擦痕。按照典型的应力场模式，在褶皱发育区，其最大主应力与中间主应力为水平方向，最小主应力为垂直方向。在这种局部应力状态下，容易发育剪切缝。在不同岩性层的界面上，因为岩层能干性差异，导致在构造变形过程中发生层间滑脱形成裂缝（图4c）。

砾石相关裂缝主要发育于研究区北部的须四段砾岩内，并可细分为砾内缝、砾缘缝与穿砾缝。裂缝密度较低，延伸长度一般较短，产状多样，受砾石控制，常被石英与方解石半—全充填，裂缝多呈孤立状，不呈组系且多不连通。砾石相关裂缝形成条件复杂，部分砾内缝形成于母岩破碎之前或搬动过程之中，穿砾缝形成于研究区多次挤压构造运动中，砾缘缝形成于成岩作用晚期，在应力相对集中的砾石与基质接触部位发生破裂（图4d）。

图4 研究区须家河组裂缝成因类型示意

4 有效裂缝发育主控因素及其意义

裂缝的充填、张开程度与相互连通程度反映了裂缝的有效性[16-17]。研究区须家河组4种成因类型的裂缝中，顺层滑脱裂缝多发育于泥岩中，以低角度—水平为主，延伸长度小，难以构成缝-洞体系，受上覆地层压力影响，裂缝易处于闭合状态，且充填严重。砾石相关裂缝产状多样，受砾石控制，多被石英、方解石全充填，裂缝孤立，难以形成裂缝系统。褶皱相关裂缝充填度低，延伸长度大，产出呈组系，形成期次多。断层相关裂缝开度大，裂缝密度高，不同产状裂缝相互交切，且形成时间与研究区油气成藏期匹配关系好，可为油气提供可容空间。因此，研究区须家河组4种类型裂缝中，断层相关裂缝与褶皱相关裂缝是主要有效裂缝，且以断层相关裂缝为主，顺层滑脱裂缝与砾石相关裂缝多为低效或无效裂缝，对天然气成藏贡献较小（表1）。

通过岩心、薄片与测井资料综合分析，研究区须家河组储集层有效裂缝的形成和分布主要受岩性与构造两大因素的控制。

表1 研究区须家河组不同成因类型裂缝发育特征及有效性

岩性是裂缝发育的内因，是形成裂缝的物质基础。根据Hertz接触理论，在理想状态下，粒径越小，接触点的应力越大，越有利于裂缝发育。通过分析研究区有效裂缝与岩性的关系，发现在一定粒度范围内，随着岩石组成颗粒变细，裂缝发育程度具有升高的趋势，中—细砂岩中裂缝发育程度最高，而随着岩石碎屑颗粒进一步变细，裂缝发育程度呈降低趋势。分析认为，造成这一现象的原因是，在砾岩和砂岩中，岩石颗粒以刚性为主，其受力关系符合Hertz接触理论，而粉砂岩、泥质粉砂岩等岩性中黏土矿物的含量升高，岩石塑性增加，不再符合Hertz接触理论。此外，不同粒级岩性中发育的裂缝特征也存在差异，细粒岩类（泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩）裂缝发育密度低，且裂缝多集中发育于局部层段，裂缝类型以顺层剪切缝为主，多被石英、方解石与碳质全充填—半充填，裂缝有效性差；砾岩与含砾砂岩中裂缝发育密度较高，但裂缝长度短，充填度高，多围绕砾石发育，相互不连通，难以形成裂缝网络，裂缝有效性较差；砂岩（细砂岩、中砂岩和粗砂岩）中裂缝发育广泛，裂缝产状多样，类型多样，不同期、不同性质裂缝相互交切，其中以细砂岩和中砂岩最有利于裂缝发育（图5，图6）。

图5 研究区成像测井高导缝与岩性关系

图6 研究区M3井岩心裂缝密度与岩性关系

构造活动是裂缝发育的外因，高曲率背斜与大规模断层是裂缝发育的有利条件。本文利用褶皱的闭合高度与褶皱宽度的比值来表征褶皱程度，通南巴构造带M101井区褶皱程度0.179，发育双断对称逆断层组合，断层规模达11.9 km，断距240 m，M101井与断层距离580 m，须二段下亚段常规测试获日产气60.11×104m3；M103井区褶皱程度0.206，发育双断逆断层组合，断层规模11.9 km，断距240 m，M103井与断层距离730 m，须二段上亚段射孔测试获日产气13.50×104m3；通江凹陷M3井区褶皱程度0.116，发育多断非对称逆断层组合，断层规模7.7 km，断距70 m，M3井与断层距离410 m，须四段射孔测试获日产气10.11×104m3.而M1井、M102井、MS1井、M2井和M201井区局部构造平缓，褶皱程度低，且与断层距离较远（多大于1 km）或断层规模小，测试均为低产工业气流井（表2）。

在此基础上，总结了研究区须家河组的裂缝发育

表2 研究区断层特征与单井产量分析

模式（图7）：岩性是裂缝发育的基础，决定了裂缝发育的难易程度与可能形成的裂缝类型；断层是裂缝发育的核心，在断层两侧形成的伴生裂缝改善储集层物性与储集性能，是最有效的裂缝类型，沟通海相烃源岩的断层同时也为海相天然气在须家河组富集成藏提供了通道[18-19]；褶皱是裂缝发育的补充，在褶皱轴部发育高角度裂缝，与断层相关裂缝形成裂缝网络，进一步改善储集层的储集性能。

图7 研究区须家河组裂缝发育模式

控制研究区裂缝发育的因素也存在一定的差异。通南巴构造带在背斜与断层双重控制下，须家河组发育北西—南东向与北东—南西向两组走向的裂缝。须二段与须四段裂缝发育特征的差异主要受岩性的控制，须四段以砾岩、砂砾岩为主，不利于裂缝发育，须二段以砂岩为主，裂缝发育程度高。通江凹陷缺乏大背斜构造背景，局部小背斜多为断层伴生皱褶，与断层走向一致，因此，通江凹陷以与断层相关裂缝为主，仅发育北西—南东向裂缝，但通江凹陷须二段与须四段均位于三角洲前缘相带内，中—细砂岩广泛发育，有利于裂缝的形成。通江凹陷内局部断背斜须二段与须四段裂缝发育程度高，相对平缓部位裂缝发育程度低。

通南巴构造带须家河组整体为致密砂岩储集层，孔隙度基本都在5%以下，成岩作用形成的溶蚀孔隙大多孤立，连通性差。加之填隙物多为黏土杂基和方解石，阻塞了孔隙喉道，使成岩作用形成的孔隙基本是无效孔隙。而构造破裂作用产生的裂缝不仅是主要的油气储集空间和渗流通道，而且能提高致密储集层的渗流能力，为酸性流体提供运移通道，为溶蚀作用提供物质保障。

晚侏罗世以来，受盆缘造山活动的影响，通南巴构造带局部构造、断裂逐渐形成，与之相关的须家河组储集层裂缝也随之发育。在勘探中获得的较高产能，证明了裂缝的存在提高了致密砂岩中流体输导体系性能，对于晚期气藏发生调整改造、局部富集高产具有重要意义。

在上述研究的基础上，初步刻画了通南巴构造带裂缝发育有利区。通过对地质与地球物理资料综合分析，认为断距在300 m左右的断层，其断层相关裂缝分布范围可达700 m以上，而断距在100 m以内的小断层，其相关裂缝分布范围则在400 m左右。通过对多个大型构造带的褶皱程度进行统计发现，褶皱程度与断层垂直断距呈较明显的正相关关系，断距越大，褶皱程度越高，且褶皱程度一般在背斜中部较大，向两端逐渐减小。通过对比，将通南巴构造带褶皱程度大于0.100的区域定为纵张裂缝发育有利区。利用断层相关裂缝和褶皱相关裂缝的综合预测，在研究区优选出4个北西—南东向断层规模较大、褶皱程度较高的大型有利构造区带，面积总计109.64 km2.

5 结论

（1）通南巴构造带须家河组裂缝发育程度高，有效裂缝以中、高角度为主，但不同段、不同区的裂缝发育特征存在差异，须四段裂缝发育程度低，须二段裂缝发育程度高。

（2）通南巴构造带须家河组裂缝从成因机制上可以划分为4种类型，包括断层相关裂缝、褶皱相关裂缝、砾石相关裂缝和顺层滑脱裂缝。其中断层相关裂缝与褶皱相关裂缝为主要的有效裂缝类型。

（3）通南巴构造带须家河组裂缝发育主要受岩性与构造背景两大方面因素的控制。中—细砂岩是有效裂缝最为发育的岩性类型，紧闭背斜与大断层是裂缝发育的有利构造条件。裂缝不仅是主要的油气储集空间和渗流通道，而且能提高致密储集层的渗流能力，为酸性流体提供运移通道，为溶蚀作用提供物质保障。在研究区利用断层相关裂缝和褶皱相关裂缝的综合预测，优选出4个断层规模较大、褶皱程度较高的大型有利构造区带，面积总计109.64 km2.