苗凤彬,曾联波,祖克威,巩　磊

四川盆地梓潼地区须家河组储集层裂缝特征及控制因素

苗凤彬1,曾联波2,祖克威3,巩磊4

(1.中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉430223；2.中国石油大学 (北京)地球科学学院,北京102249；3.中国石化中原油田分公司勘探开发科学研究院,河南濮阳457001；4.东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆163318)

基于野外露头、岩心、薄片及样品实验测试等资料,对四川盆地梓潼地区须家河组储集层裂缝特征与控制因素进行了精细分析与解释。须家河组致密砂岩储集层主要发育3种类型的裂缝,分别为构造裂缝、成岩裂缝以及与异常流体高压有关的裂缝,并以构造裂缝为主。裂缝走向主要为近东西向、近南北向和北西向,平均密度0.56条/m,多为层内发育。平面上,沿老关庙—文兴场—柘坝场构造,裂缝密度依次减小;纵向上,以须四段裂缝最为发育。有效裂缝比例在老关庙地区最低,向北东至柘坝场构造呈带状递增趋势。该区储集层裂缝的分布主要受岩性、岩层厚度、构造部位及异常流体压力等因素控制,其中断层对裂缝分布的控制作用最为显著。细粒级、薄层砂岩更容易产生裂缝,断裂带附近与构造高部位也是该区裂缝发育的有利区域,且断层对裂缝的控制作用远大于构造高部位的影响作用。此外,异常流体高压的存在也有利于该区裂缝的发育,尤其是张裂缝,其密度在高压区明显增大;异常高压也能导致早期闭合缝重新开启,并且对裂缝中矿物的充填程度与溶蚀强度有重要的控制作用。

储集层裂缝;控制因素;致密砂岩;须家河组;梓潼地区;四川盆地

裂缝是低渗透致密油气储集层主要的渗流通道与重要的储集空间,不仅控制了优质储集层的展布,而且对油气的富集规律和单井产量也有重要贡献。四川盆地梓潼地区主要包括老关庙、文兴场、柘坝场、魏城等含气构造,是川西北地区典型的低孔致密砂岩油气藏分布区,该区上三叠统须家河组的主要产层为须二、须三和须四段[1～2]。梓潼地区褶皱强度较弱,大断裂不发育,储集层致密化后,渗透性变差。前人对该区须家河组储集层做过大量研究,认为该区主要以低孔低渗的裂缝-孔隙型储集层为主,其有效性取决于裂缝发育程度和岩石喉道大小及二者匹配关系[3～6]。梓潼地区须家河组砂岩储集层致密,脆性较大,在构造应力作用下天然裂缝发育程度高,对于改善致密储集层储集性能起着重要作用,并且控制着该区有利储集层的展布。因此,研究梓潼地区须家河组储集层裂缝特征及控制因素可以更好地指导该区天然气藏的勘探与开发。

1　研究区地质背景

研究区位于四川盆地西北部,龙门山山前隆起与川中古隆起挟持的梓潼凹陷东侧,西临龙门山推覆体,与中坝构造紧邻 (见图1),多个时期的层位具异常流体高压。研究区内断裂走向方位呈现多组,以北西、北东向为主,褶皱走向以近东西向为主。区内柘坝场—老关庙地区构造平缓,两翼倾角只有1°—2°；断层少且规模小,已发现的文兴场断层延伸3～10 km,落差小于80 m,说明研究区构造具有褶皱不强烈且大断裂不发育的特征。该区须家河组埋深一般大于3000 m,厚度主要分布在1000～2300 m,主要为海陆过渡相沉积,以三角洲沉积体系为主。梓潼地区须家河组纵向上分为须一段至须五段,其中须一段、须三段和须五段是泥页岩为主的砂、泥岩互层,是主要的烃源岩层,须二段、须四段是以砂岩为主的储集层,并且在砂、泥岩互层的须三段也有工业性气流发现。该区须家河组储集层岩性以中、细粒长石岩屑砂岩、长石石英砂岩和岩屑石英砂岩为主,有利沉积微相为三角洲前缘河口砂坝、三角洲平原河道砂体。梓潼地区须家河组储集层孔隙类型主要为粒内溶孔、粒间溶孔和裂缝,岩心实测孔隙度为2% ～5%,平均渗透率主要分布在0.001×10-3～1× 10-3μm2。该区储集层裂缝十分发育,对天然气在该区强非均质裂缝-孔隙型储层中聚集及天然气产量都有重要贡献。

图1　梓潼地区构造纲要图Fig.1　Structure outline map of Zitong area

2　裂缝特征

2.1裂缝类型

对5条野外剖面,12口取心井1280 m岩心与1100块微观薄片上裂缝进行统计与分析得出,梓潼地区须家河组致密砂岩储集层主要发育构造应力作用形成的构造裂缝、成岩过程中形成的成岩裂缝以及与异常流体高压有关的裂缝。

2.1.1构造裂缝

构造裂缝是梓潼地区须家河组致密砂岩储集层的主要裂缝类型,尤其是以砂岩为主的须二、须四段储集层。根据裂缝倾角大小,可将构造裂缝分为高角度裂缝 (裂缝倾角大于70°)、倾斜裂缝 (裂缝倾角30°—70°)和低角度裂缝 (裂缝倾角小于30°),它们在各种岩性中分布广泛。梓潼地区须家河组储集层构造裂缝以高角度剪切裂缝 (见图2a)与倾斜剪切裂缝为主,两者常成组出现,缝面平直光滑,开度较小,切穿深度较大,一般呈雁列式分布,并伴随有矿物充填现象,具有分布规则、方向性明显及擦痕、阶步等相应的裂缝面特征。此外,在局部位置还发育一些低角度甚至近水平的构造剪切裂缝,它们产状与层理面相近,发育范围较广,一般具有较好的等间距性 (见图2b),这类低角度裂缝常沿逆冲断层或滑脱层分布,其形成主要与构造挤压背景下断层的逆冲作用或层间滑动造成的近水平剪切作用有关,它们水平方向上的连通性较好,对提高储集层的水平渗透率有重要作用。

图2　不同类型裂缝Fig.2　Different types of fractures

该区构造作用形成的张裂缝主要分布在背斜轴部及转折端等构造高部位,多为岩层弯曲形成的纵张裂缝,缝面粗糙,延伸较短,开度较大,常见矿物充填及强烈的溶蚀现象,其尾端多呈不规则形状。

2.1.2成岩裂缝

成岩过程中形成的成岩裂缝也是梓潼地区致密储集层中常见的裂缝类型。该区的成岩裂缝主要包括层理缝、粒缘缝和粒内缝3种类型。层理缝一般顺层面或微层面分布,多为低角度缝,尤其在砂泥岩界面处较为发育 (见图2c),裂缝的分布方向与塑性矿物的定向排列相一致,且沿层理面具有断续、弯曲、分枝等特征,反映出此类裂缝形成于长期地质演化过程之中。层理缝广泛分布于砂泥岩中,并在某些部位集中发育,是沟通粒内溶孔与基质粒间孔的通道,但其发育程度有限,加之埋藏较深,在上覆地层的静岩压力作用下常处于闭合状态,与构造裂缝相比,其对储集层渗透率的贡献较小。

粒内缝主要分布在矿物颗粒内部或终止于矿物颗粒的边界,规模小,密度大,主要为方解石或长石的解理缝与石英的裂纹缝等。粒缘缝常与粒内缝相伴出现,顺矿物颗粒的边缘分布。粒缘缝与粒内缝的形成与成岩过程中的压实压溶作用导致的矿物颗粒相互挤压相关[7]。

2.1.3异常流体高压相关的裂缝

根据地层内压力的实测结果,四川盆地西北部地区须家河组存在着明显的异常高压现象,平面上,高压中心位于梓潼地区附近,该区须家河组压力甚至达到超高压异常[8～11]。异常流体高压的存在对低渗透砂岩储集层裂缝形成与分布具有重要影响,不仅可以降低岩石抗剪强度使其发生剪切破裂,且当孔隙流体压力到达一定值时,还会使岩石中的挤压应力状态通过流体介质转变为拉张应力状态,形成与异常高压有关的张裂缝[7]。这类张裂缝通常被方解石、碳质或沥青质充填,且低角度缝、倾斜缝与高角度缝均有发育,以低角度缝为主,多表现为短而宽的透镜状。这类裂缝形成的张应力主要是由流体异常高压导致,异常高压的存在也使流体更容易进入早期充填或未充填的裂缝中,形成矿物的多期充填 (见图2d)与矿物溶蚀现象。

2.2裂缝分布特征

野外剖面上裂缝实测与成像测井资料上构造裂缝方位分析显示,梓潼地区须家河组主要发育近东西走向、近南北走向和北西走向3组裂缝,北东向裂缝发育较弱。

统计野外露头与岩心上裂缝的切割深度,结合测井资料分析,梓潼地区裂缝高度一般小于1.0 m,岩心裂缝高度主要集中在0～30 cm范围内,反映该区裂缝主要在层内发育。根据构造剪切裂缝延伸长度与高度、间距的相关性[7,12],推测该区裂缝的延伸长度主要为2.0～10.0 m,使得裂缝发育区不同组系裂缝能够相互连通形成良好的裂缝渗流网络系统。

据梓潼地区须家河组各取心井资料,裂缝密度主要为0.5～2.0条/m,致密储集层的平均裂缝线密度为0.56条/m。平面上,不同取心井岩心裂缝密度不同,不同构造区域裂缝密度相差较大,以老关庙构造区裂缝最为发育,沿北东方向向文兴场、柘坝场构造区,裂缝密度呈减小的趋势,反映了裂缝在平面上发育的强非均质性。纵向上裂缝发育程度差异也很大,须二、须三和须四段裂缝密度明显大于须一段,总体上以须四段裂缝最为发育,须二、须三段次之,且须三段裂缝中低角度裂缝的比例相对较高。这种平面及纵向上裂缝密度的差异性主要与层厚、岩性及断层构造等因素有关。

裂缝的张开度与充填程度反映了裂缝的有效性。梓潼地区裂缝的张开度主要受构造挤压应力与上覆静岩压力的控制。本文基于岩心上裂缝开度的统计并乘以一个与其所处深度相关的拟合系数以恢复到地下状态的开度,分析后得出,梓潼地区裂缝地下开度多在40～90 μm,且平面上不同构造区裂缝地下开度无明显差异。因此,该区主要根据裂缝中矿物的充填程度评价裂缝的有效性,裂缝中充填矿物时,其孔隙减小,有效性变差。被矿物全充填的裂缝对天然气的运移贡献不大,成为无效裂缝,而对于未被完全充填的裂缝,在评价有效裂缝比例时,根据缝中矿物的充填程度,乘以一个有效系数 (一般0.5～0.8)作为有效裂缝。根据岩心裂缝的统计,梓潼地区岩心宏观裂缝未充填者可达84.2%,以有效裂缝为主,充填矿物主要为方解石、石英、沥青和碳质等。从有效缝与无效缝的比例发现,平面上不同构造区有效裂缝比例分布有所不同,其中,老关庙构造区裂缝矿物充填程度最高,有效裂缝比例由老关庙构造区沿北东方向呈递增趋势,柘坝场构造区有效裂缝比例最高；纵向上,须二段、须三段与须四段裂缝被矿物充填程度相当,其有效裂缝比例无明显差别。

3　裂缝发育的控制因素

四川盆地梓潼地区须家河组致密砂岩储集层裂缝的发育程度及分布规律除受构造应力场控制外,还与岩性、岩层厚度、构造部位及异常流体压力等因素有关。

3.1岩性

影响梓潼地区须家河组裂缝发育的岩性因素主要包括岩石成分、粒级等,岩性的不同使得岩石力学性质及抗压、抗张强度存在较大差异,在同一构造应力作用下,裂缝的发育程度有所不同[13～14]。

研究区不同岩性中裂缝密度统计结果显示,致密砂岩中裂缝的总体发育程度比泥岩中要好,尤其是高角度裂缝。梓潼地区须三段主要为三角洲平原分流河道微相与沼泽微相,平面上,柘坝场—文兴场—老关庙构造区处于一条北东—南西向延伸的主分流河道上,其静砂层厚度与砂地比均明显高于两侧的沼泽带。对该区裂缝分布的实测发现,裂缝发育区总体上沿柘坝场—文兴场—老关庙构造呈北东—南西向带状展布,且构造带上取心井的岩心裂缝密度也大于两侧沼泽带上的井。这是因为砂岩的脆性高于泥岩,在破裂变形前经受不住更多的应变。而低角度裂缝在含泥质砂岩与泥岩中更为发育,主要与泥岩中近水平成岩裂缝和滑脱缝发育有关。该区须家河组微观薄片观察结果显示,粉砂岩与细砂岩中裂缝最为发育,而中砂岩与粗砂岩中裂缝面密度远小于前者,反映出相同岩性的岩石,随着颗粒的减小,岩石变得致密,强度增大,在较小应变时就发生破裂变形,因此较小粒级的岩石裂缝更发育。

3.2岩层厚度

裂缝的发育程度受岩石力学层厚度控制,裂缝通常在一个岩石力学层内发育,并终止于岩性界面,很少穿越岩层界面[7]。对梓潼地区地表露头与岩心不同层厚段裂缝密度进行统计后发现,薄层砂岩中裂缝的密度大于厚层砂岩,且岩层厚度越大,裂缝越不发育。在一定层厚范围 (该区为3 m)内,裂缝的平均间距与裂缝所在的岩层平均厚度有较好的线性正相关性,即随岩层厚度的增大,裂缝平均间距相应增大,密度减小。

3.3构造

构造是影响梓潼地区低渗透储集层裂缝形成和发育的最重要因素,它通过控制不同构造部位的局部应力分布控制裂缝发育程度[7]。

褶皱对裂缝的发育具有一定的控制作用,在褶皱的轴部与转折端等大曲率的构造部位裂缝最为发育,而翼部裂缝的发育程度明显要低,其中陡翼的裂缝发育强于缓翼[7,15]。该区野外露头及不同构造位置的取心井岩心裂缝密度统计结果表明,在背斜轴部与转折端等构造高部位,应力相对集中,裂缝相对发育。

断层对裂缝发育的控制作用最为显著。断层活动造成的应力扰动作用使沿断裂带至断层端部具有明显的应力集中现象,因此在断层端部与断裂带附近裂缝明显发育[7,16]。梓潼地区主要受构造挤压作用,因此该区裂缝的形成与分布主要取决于逆断层的控制[17]。根据野外露头实测与岩心裂缝统计结果,断层上盘裂缝较下盘更发育,且无论在断层上盘还是下盘,靠近断层面的区域裂缝最为发育。梓潼地区老关庙构造的取心井岩心裂缝统计结果显示,位于断裂带上的关8井与断面附近的关9井裂缝密度远大于距离断层面较远的关6井,且随着与断面距离的增大,3口井裂缝发育程度呈依次减弱的趋势。此外,关6井位于背斜核部,处于构造高部位,但因其距断层面较远,岩心上裂缝发育程度明显低于断层带附近的井,可见该区断层对裂缝发育的控制作用远大于构造高部位的影响作用 (见图3)。

图3　老关庙地区裂缝发育程度与断层、构造高部位关系Fig.3　Relationship between intensity of fracture development and fault and high position of structure

基于梓潼地区测井资料、岩心观察及试气资料进行的平面裂缝综合评价显示,该区裂缝在断层带附近最为发育。尤其是在断裂带附近的构造高部位区,断层和岩层弯曲变形双重控制作用使得剪切缝和张裂缝相互连通构成有效裂缝网络系统,成为天然气富集的优势区域。

3.4异常流体压力

梓潼地区须家河组中的流体高压甚至超高压异常对储集层裂缝发育与分布有重要的控制作用,其控制作用主要表现在以下3个方面:

①异常流体高压的存在使岩石抗剪强度降低,容易发生剪切破裂形成剪裂缝。相比于梓潼地区的构造挤压环境背景与断层活动对剪切裂缝发育的强控制作用,异常流体高压对该区剪切裂缝的影响作用相对较小。

②异常流体高压的存在不仅可以使岩石发生剪切破裂,还能促使其发生拉张变形产生张裂缝,这也是处于挤压逆冲构造环境的梓潼地区不仅广泛发育剪切裂缝,而且还发育拉张裂缝的重要原因。位于梓潼地区附近的老关庙、文兴场、柘坝场、剑门等含气构造区,其须家河组须二段、须四段压力系数明显高于远离梓潼地区的中坝构造区 (见表1)。对以上不同构造区取心井须二、须四段岩心上张裂缝密度进行统计后发现,高压的梓潼地区张裂缝发育程度明显强于低压的中坝构造区 (见表1),表明异常高压对该区张裂缝的形成具有重要的控制作用,且压力系数越大的地区,其张裂缝发育越强烈。由于该区须家河组非均质性较强,流体系统具有强烈的分隔性和封闭性,导致同一构造区同一层位地层压力变化也较大,如老关庙地区关2井须四段压力系数约为1.75,岩心张裂缝密度为0.19条/m,关3井压力系数约为2.08,其岩心张裂缝密度为0.35条/m,因此同一构造区处于不同压力范围内的岩石张裂缝发育程度也有所差异,高压区张裂缝密度明显高于低压区。

③异常流体高压能导致早期闭合缝重新开启,提高裂缝的渗透率。并且地下流体在较高的地层压力下更容易进入裂缝,形成矿物充填或者在早期充填的裂缝中发生矿物的再次充填,这是梓潼地区普遍发育多期矿物充填裂缝的重要的原因。梓潼地区须家河组流体压力值对裂缝的充填程度起重要的控制作用,由表1可知,沿老关庙—文兴场—柘坝场方向,地层压力整体上呈依次递减的趋势,由前文基于裂缝中矿物充填程度得到的裂缝有效性比例可知,从老关庙至柘坝场构造方向,裂缝的矿物充填程度依次减弱,且该区矿物充填程度远高于低压的中坝区,表明该区地层流体压力值越大,裂缝的矿物充填程度越高。此外,异常高压的存在还能导致早期裂缝中充填的矿物发生溶蚀作用形成溶蚀孔洞。岩心资料统计发现,高压的梓潼地区裂缝矿物溶蚀现象明显强于中坝地区,这种溶蚀作用对天然气的储集与运移具有积极的意义。

表1 不同含气构造须家河组地层压力系数与张裂缝密度统计Table 1 Statistical table of formation pressure coefficient and the density of tension fissure in Xujiahe Formation of different gas bearing structure

4　结论

梓潼地区须家河组致密砂岩储集层主要发育构造裂缝、成岩裂缝以及与异常高压有关的裂缝,其中,以高角度与倾斜构造缝为主。

该区主要发育近东西向、近南北向和北西向3组裂缝。裂缝高度多小于1.0 m,反映其主要为层内发育。须家河组裂缝的平均密度为0.56条/m,平面上,沿老关庙—文兴场—柘坝场构造,裂缝密度依次减小,纵向上,以须四段裂缝最为发育,须二、须三段次之,且须三段低角度裂缝的比例相对较高。有效裂缝的比例在老关庙构造最高,向北东至柘坝场构造呈递减趋势。

该区致密储集层裂缝的发育与分布主要受岩性、岩层厚度、构造部位及异常流体压力等因素控制。细粒级、薄层砂岩更容易产生裂缝,断裂带附近与构造高部位也是该区裂缝发育的有利区域,且断层对裂缝的控制作用远大于构造高部位的影响作用。此外,异常流体高压的存在也有利于储集层裂缝的发育,尤其是张裂缝,其密度在高压区明显增大；异常高压也能导致早期的闭合缝重新开启,并且加强裂缝中矿物的充填与溶蚀程度。

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CHARACTERISTICS AND CONTROLLING FACTORS OF FRACTURES IN RESERVOIRS OF XUJIAHE FORMATION IN ZITONG AREA,SICHUAN BASIN

MIAO Feng-bin1,ZENG Lian-bo1,ZU Ke-wei3,GONG Lei1
(1.Wuhan Center of Chinese Geological Survey,Wuhan,Hubei 430223,China；2.College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China；3.Research Institute of Petroleum Exploration and Production,SINOPEC Zhouyuan Olifield Company,Puyang 456001,China；4.College of Geosciences,Northeast Petroleum University,Daqing,Heilongjiang 163318,China)

Based on the data of outcrops,cores,thin sections and experimental analysis,the development characteristics and controlling factors of fractures in tight sandstone reservoirs of Xujiahe Formation in Zitong Area,Sichuan Basin were analysed and interpreted.There are three types of fractures,i.e.tectonic fractures,diagenetic fractures and fractures related to abnormal high pressure of fluid in the tight sandstone reservoirs.Among them,the tectonic fractures are the main part.There are main three sets fractures of nearly EW,nearly SN and NW-SE orientations. The fractures in study area have an average density of 0.56/m and are mostly confined within the single layer.In the plane,fractures density decreases along the Lao Guanmiao-Wen Xingchang-Zhe Bachang area.While,the fractures of T3x4are most developed.The proportion of effective fracture is the lowest around the Lao Guanmiao area and increases along the direction of NW to Zhe Bachang area.The distribution of these fractures in study area were controlled by such factors as the lithology,layer thickness,structures and abnormal high pressure of fluid.Sandstone with fine particle and thin layer are favorable for fractures development.Where near the faults and the high part of the structure also are the favorable areas for tectonic fractures development.The control action of faults on the forming and distribution of fractures plays a dominant role.Moreover,the abnormal high pressure of fluid is beneficial to the development of fractures,especially for the extension fractures,the fractures density in abnormal high pressure belts increases significantly.The abnormal high pressure also causes some fractures which were closed in early stage to open and plays important roles in increasing the extent of mineral filling and corrosion increases of fractures.

reservoir fractures；controlling factor；tight sandstone；Xujiahe Formation；Zitong area；Sichuan basin

TE122.2

A

1006-6616(2016)01-0076-09

2015-09-26

苗凤彬 (1986-),男,硕士,主要从事地应力分析与储层裂缝预测评价。E-mail:mfb.52163@163.com