白 斌，鄒才能，朱如凱，張 健，張本健，畢麗娜，蘇 玲

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083; 2.西北大學，陜西西安， 710069;3.中國石油西南油氣田勘探處，四川成都 610051; 4.中國石油 西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621700）

四川盆地九龍山構造須二段致密砂巖儲層裂縫特征、形成時期與主控因素

白 斌1，2，鄒才能1，朱如凱1，張 健3，張本健4，畢麗娜1，蘇 玲1

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院提高石油采收率國家重點實驗室，北京 100083; 2.西北大學，陜西西安， 710069;3.中國石油西南油氣田勘探處，四川成都 610051; 4.中國石油 西南油氣田公司川西北氣礦，四川江油 621700）

四川盆地西北部須家河組二段致密砂巖儲集性能受到不同期次構造裂縫控制，研究構造裂縫特征、期次以及控制因素將為有效評價與預測有利儲層提供依據(jù)。根據(jù)露頭、鉆井巖心及薄片構造裂縫觀察，劃分構造裂縫切割關系，認為構造裂縫走向主要為北東向、北北西向、近東西向和南東東向，其中優(yōu)勢方位為北西－南東方向。利用不同切割關系裂縫充填物包裹體均一溫度、ESR測年數(shù)據(jù)，結合巖石古應力值將研究區(qū)構造裂縫至少劃分為4期:第一期構造裂縫形成于晚印支期，方解石呈緊挨裂縫壁充填，包裹體均一溫度為84～120℃;第二期為晚燕山期，裂縫主要充填石英，均一溫度為72～137℃;喜馬拉雅早－中期是第三次破裂期，其裂縫充填石英，明顯切割前兩期裂縫，均一溫度為153～179℃;喜馬拉雅晚期是第四次破裂期，其形成的裂縫充填物為較粗大的方解石，少量白云石，均一溫度高達165～190℃。其中印支晚期與喜馬拉雅晚期構造活動最為強烈，裂縫發(fā)育。同時，研究區(qū)構造裂縫的發(fā)育和分布受構造應力和巖石自身物理參數(shù)共同控制，高孔隙度、細粒級、薄層的巖屑砂巖是形成構造裂縫的有利條件。

裂縫期次;致密砂巖;須家河組;九龍山構造;四川盆地

四川盆地西部地區(qū)自晚三疊世以來，處于龍門山前陸沖斷帶的前緣地區(qū)，整體處于龍門山逆沖推覆構造帶與米倉山隆起擠壓的雙重應力場之中，自晚印支期以來受到多期構造運動的復合疊加和改造［1－3］，致使研究區(qū)大量發(fā)育不同期次的構造裂縫。研究區(qū)主要勘探生產(chǎn)目的層為晚三疊世須家河組二段（須二段）沖積扇三角洲沉積體系，儲層平均孔隙度為4%，地面空氣滲透率一般小于0.1 ×10－3μm2，屬于致密砂巖儲層［4－5］。不同期次構造裂縫的發(fā)育對于改善致密砂巖儲層儲集性能起著重要作用，控制著有利儲層分布。因此，開展研究區(qū)目的層段構造裂縫特征、期次及主控因素研究將為有效評價與預測有利儲層提供依據(jù)。

1 構造裂縫基本特征

1.1 構造裂縫優(yōu)勢方位

根據(jù)四川盆地西北部地區(qū)及鄰區(qū)目的層露頭區(qū)上三疊統(tǒng)砂巖構造裂縫定向觀測和統(tǒng)計結果表明（表1），須二段儲層構造裂縫走向共有4組，分別為:北東向（40 ～60°）、北北西向（350 ～360°）、近東西向（80 ～90°）和南東東向（108 ～130°），其中優(yōu)勢方位為北西－南東方向。

表1 川西地區(qū)野外構造裂縫特征統(tǒng)計Table 1 Features of structural fractures on outcrops in western Sichuan Basin

同時對四川盆地西北部九龍山構造帶須二段砂巖巖心裂縫走向經(jīng)古地磁剩余粘滯磁與磁組構參數(shù)校正后，也表明研究區(qū)構造裂縫優(yōu)勢方位為北西－南東方向（表2）。

1.2 構造裂縫類型

構造裂縫根據(jù)裂縫傾角可劃分為:水平裂縫（0 ～5°）、低角度裂縫（5 ～45°）、高角度裂縫（45 ～85°）及垂直裂縫（85～90°）。研究區(qū)裂縫在數(shù)量上以水平裂縫和高角度構造縫為主，分別占裂縫總量的52%和27%，垂直構造裂縫為14%。但近水平縫延伸厚度小，發(fā)育密集，屬于局部范圍水平構造擠壓作用形成，而高角度裂縫和垂直裂縫延伸厚度較大，充填石英或方解石脈（圖1），屬于本區(qū)主要裂縫類型。

1.3 裂縫寬度與間距

川西北地區(qū)在強烈擠壓構造應力作用下，地表露頭中高角度張性裂縫較為發(fā)育，產(chǎn)狀近于垂直，縫寬2～5 cm不等（表1;圖2）。其中須二段儲層構造裂縫不同走向?qū)芽p寬度與間距不同:裂縫走向北東向（40～60°），裂縫寬度為0.5～1 mm，密度為5～21條/m，裂縫間距為0.4～2 m，縫面平直;裂縫走向北北西向（350～360°），寬度為1～2 mm，密度為5～188條/m，裂縫間距為0.5～2 m，多發(fā)育于中－薄層粉砂巖;裂縫走向近東西向（80～90°），裂縫密度3～8條/m;裂縫走向南東東向（108～130°），寬度為2～4 mm。就裂縫寬度而言，川西北地區(qū)裂縫寬度最大，最寬可達4 cm，是川中地區(qū)裂縫平均寬度（僅為0.05 cm）的80倍。

鉆井巖心裂縫統(tǒng)計表明（表3），川西北九龍山地區(qū)鉆井巖心裂縫線密度平均為0.93條/m，最高為龍17井（4.69條/m），最低為龍9井（0.01條/m）。裂縫發(fā)育程度整體表現(xiàn)自西向東依次減弱，受控于周緣龍門山與米倉山構造帶演化控制。

1.4 裂縫顯微特征

構造應力不僅產(chǎn)生了宏觀構造裂縫，而且在巖石顆粒上產(chǎn)生一系列微觀裂縫［6］。研究區(qū)微裂縫，寬度一般小于0.1 cm，以長石、石英顆粒中的晶間縫、節(jié)理縫為主，寬度多小于0.03 mm，但多數(shù)連通性較好，呈網(wǎng)狀、平行密集狀分布，沿微裂縫及裂縫溶蝕形成的不規(guī)則狀溶蝕孔（圖2）。

1.5 裂縫充填特征

從巖心和露頭裂縫面形態(tài)實際觀察結果表明，研究區(qū)多數(shù)充填縫為高角度與低角度構造裂縫，充填礦物為方解石、石英等（圖1，圖2），充填形式為全充填或不完全充填。

表2 川西北地區(qū)鉆井巖心構造裂縫古地磁分析數(shù)據(jù)Table 2 Palaeomagnetism analysis of structural fractures in cores in northwestern Sichuan Basin

圖1 研究區(qū)不同類型構造裂縫Fig.1 Different types of structural fractures in the study area

圖2 九龍山構造鉆井巖心宏觀與微觀裂縫充填物特征及期次Fig.2 Characteristics and stages of fillings in micro-and macro-fractures in the cores from Jiulong Mountain structure

表3 研究區(qū)鉆井巖心裂縫分布特征統(tǒng)計Table 3 Statistics of core fracture distribution in the study area

水平構造縫在研究區(qū)一般無充填，少量具有方解石充填，多呈密集層狀分布，厚度較小，俗稱“餅狀”構造裂縫［7］。龍17井（3 298 m）均表現(xiàn)為明顯的水平構造縫（圖1）。高角度構造裂縫主要由于構造剪切應力作用形成，在川西北九龍山地區(qū)較為常見，多見方解石充填，部分為石英充填。在龍5井（3 468 m）和龍12井（3 578.4～3 580 m）均見方解石充填，縫壁平直規(guī)則，具明顯擦痕，縫長最長達3～5 m，縫寬0.2～0.5 cm（圖1）。

2 裂縫發(fā)育期次分析

確定油氣儲層構造裂縫形成時期，對于油氣運聚和成藏分析十分重要。目前，確定裂縫形成期的主要方法有:①地質(zhì)構造方法，包括構造變形特征分析，裂縫的切割關系和分期配套等;②實驗室方法，主要測定裂縫充填物中的礦物和包裹體的年齡［8－10］。

本次研究以大量構造裂縫觀察為基礎，明確劃分不同切割關系構造裂縫，結合裂縫充填物中礦物結晶順序與特征，對劃分不同切割關系裂縫充填物進行包裹體測溫和石英ESR測年分析，并輔助分析巖石聲發(fā)射實驗資料，綜合反演研究區(qū)構造裂縫發(fā)育期次。

2.1 構造裂縫切割關系

對研究區(qū)構造裂縫充填礦物成分及裂縫切割關系分析表明，構造裂縫主要有3期礦物充填。第一期充填物主要為方解石。第二期充填物為石英。川西北部地區(qū)龍12井（3 565 m）巖心構造裂縫（縫寬2.5～3.5 mm，縫長0.63 m）中前期方解石礦物緊挨裂縫壁生長，后期石英進一步充填高角度構造縫（圖 2a，d）。龍 7井（3 384.58～3 393.00 m）巖心垂直裂縫中（縫寬4 mm，縫長0.21 m）也可看到方解石早期充填高角度構造縫，石英脈體晚期充填構造裂縫（圖2b，e，f）。第三期主要為較粗大的方解石，少量白云石充填張裂縫，多見切穿或沿前期充填裂縫發(fā)育，改造前期裂縫。

2.2 石英ESR測年

裂縫中方解石充填具有兩期特征，而兩期方解石充填期之間的石英樣品在不同期次溶蝕和充填的作用具有ESR年齡差值的原理，通過石英顆粒電子自旋共振法來劃分裂縫期次［8－9］。

根據(jù)川西鉆井巖心石英顆粒ESR實測結果與石英成因特征，可劃分出燕山晚期與喜馬拉雅早－中期兩期裂縫期次。其中，龍12井石英ESR信號強烈，順磁中心濃度0.141×10－15Sp/g，鈾當量含量為0.869 μg/g，測年數(shù)據(jù)顯示屬于燕山晚期（66 Ma±3.4 Ma），石英呈淺棕色自形晶為主;龍5井順磁中心濃度0.07×10－15Sp/g，鈾當量含量為0.573 μg/g，ESR 實測年齡為 24.5 Ma ± 2.4 Ma，屬于喜馬拉雅中期。

2.3 裂縫充填物包裹體

不同期次的裂縫充填物中含有不同均一溫度的包裹體，因此可以通過測定裂縫充填物中包裹體均一溫度來推測裂縫形成最晚時期［9－10］。

本次對川西北九龍山地區(qū)不同切割期次構造裂縫充填物包裹體分別進行均一溫度測試，根據(jù)實測包裹體均一溫度分布及其形態(tài)、大小，綜合前人古地溫曲線和埋藏史恢復資料，至少劃分出3期構造破裂期次（表 4）［11－14］，即晚印支期第一次破裂期，常見方解石充填，其裂縫充填物的包裹體為氣液兩相，氣液比20%，包裹體以零星分布的矩形、不規(guī)則形黑色氣、液烴類包裹體為主，大小1.5 μm ×2.5 μm，均一溫度主要為84 ～120 ℃;燕山晚期為第二次破裂期，其形成的裂縫常見有石英充填，裂縫充填物中的包裹體多為群體分布橢圓水質(zhì)與烴類包裹體，氣液比5% ～20%，大小為2 μm ×2.4 μm，均一溫度為72 ～137 ℃，石英ESR測年為66 Ma±3.4 Ma;喜馬拉雅期是第三次破裂期，其形成的裂縫充填物為石英，明顯切割前兩期充填裂縫，該期包裹體主要為群體分布無色橢圓液態(tài)與無色氣態(tài)烴類包裹體為主，包裹體個體較大，最大為5 μm ×4.1 μm，均一溫度主要為153～179℃，ESR實測年齡為24.5 Ma±2.4 Ma;另存在切割喜馬拉雅期構造裂縫，充填物為方解石，少量白云石。其中方解石中包裹體為零星分布不規(guī)則黑色氣態(tài)烴類包裹體與無色液態(tài)烴類包裹體，氣液比為5% ～20%，均一溫度高達165～190℃。根據(jù)構造裂縫切割關系，結合古構造應力期次（圖3），推測該類裂縫可能形成不晚于24.5 Ma，屬于喜馬拉雅構造中－晚期。

2.4 巖石聲發(fā)射試驗反映裂縫形成期次

將巖石處于古應力場加載環(huán)境時，當巖石在承受應力值大于或等于巖石微裂紋形成時所受應力強度時，微裂紋就會形成凱瑟效應點［15－16］。如果不斷施加載荷力，不同期次的微裂縫就會相繼擴展而產(chǎn)生不同凱瑟效應點。

故本次研究對川西地區(qū)六組62塊樣品進行聲發(fā)射Kaise效應測試與巖石物理參數(shù)實驗，通過聲發(fā)射實驗AE曲線上出現(xiàn)的凱瑟效應點的個數(shù)反演巖石所受的最小應力期次（只統(tǒng)計凱瑟效應出現(xiàn)率大于60%的所有樣品）。

根據(jù)研究區(qū)62塊須二段砂巖巖石樣品凱瑟實驗結果分析，75%的樣品具有5期凱瑟效應點，剔除現(xiàn)今構造運動以外，其余4次表明研究區(qū)須二段儲層至少遭受了晚三疊世至今的4期構造破裂作用（圖3）。結合上述裂縫充填物次生石英、包裹體均一溫度、裂縫切割關系以及區(qū)域構造演化史分析，可以將巖石4期凱瑟效應點劃分為4期裂縫發(fā)育期。其中，第一期裂縫發(fā)育期相當于凱瑟效應點4，為晚印支期構造運動的產(chǎn)物，古構造應力值為14.6 MPa;第二期裂縫發(fā)育期相當于凱瑟效應點3，為燕山晚期構造運動的產(chǎn)物，古構造應力值為27.4 MPa;第三期裂縫發(fā)育期相當于凱瑟效應點2，為喜馬拉雅早－中期構造運動的產(chǎn)物，古構造應力值為37.7 MPa;第四期裂縫發(fā)育期相當于凱瑟效應點1，為喜馬拉雅晚期構造運動的產(chǎn)物，古構造應力值46.9 MPa。

表4 九龍山構造裂縫充填物中包裹體特征Table 4 Characteristics of fluid inclusions in structural fractures in Jiulong Mountain structure

圖3 九龍山構造巖石古構造應力分布直方圖（凱瑟效應見遇率大于60%的有效凱瑟點）Fig.3 Histogram of the palaeo-structure stress distribution in Jiulong Mountain structure

3 裂縫發(fā)育的主控因素

前人對于構造應力的大小決定裂縫的發(fā)育程度的結論已經(jīng)有很多［16－19］，構造應力強度大容易導致巖層彎曲率較大，容易形成裂縫的結論在本次研究中也得到驗證。川西北地區(qū)晚三疊世以來，不同構造期次的裂縫具有明顯的不均一性，其分布規(guī)律主要受到古構造應力大小和儲層巖石力學特征的影響，同時也跟裂縫發(fā)育段的巖性特征和巖層厚度有關。

3.1 巖石力學性質(zhì)

研究區(qū)巖石力學物理參數(shù)與孔滲實測數(shù)據(jù)表明，巖石孔隙度與巖石抗壓強度、風干密度、彈性模量具有明顯的負相關性（圖4）。巖石孔隙度越小，風干密度越高，巖石抗壓強度越高，彈性模量越高，說明研究區(qū)上三疊統(tǒng)砂巖孔隙度越小，巖石越堅硬時，巖石抗壓強度越高，越不易形成裂縫。因此，假設外界條件相同的情況下，高孔隙度砂巖更易形成裂縫。

圖4 九龍山構造巖石力學參數(shù)與孔隙度關系Fig.4 Relation between petrophysical parameters and porosity in Jiulong Mountain structure

圖5 不同巖性中的裂縫密度Fig.5 Fracture density in different lithologies

3.2 巖性

研究區(qū)須二段巖層巖性包括有細－中粒長石石英砂巖、巖屑長石砂巖、巖屑砂巖以及少量礫巖與云巖。不同巖性與不同粒級的巖石樣品抗壓強度存在明顯差異，導致裂縫的發(fā)育程度［20－21］。廣元須家河組剖面構造裂縫統(tǒng)計統(tǒng)計結果顯示長石石英砂巖裂縫密度為22條/m，其次為巖屑長石砂巖16條/m，巖屑砂巖裂縫密度最低為8條/m，表明由于不同礦物成分具有不同的抗壓強度，造成巖石礦物成分影響裂縫發(fā)育的程度（圖5）。同樣巖石粒級也影響裂縫的形成，根據(jù)巖石力學物理實驗結果顯示，隨著巖石粒級的增加，巖石抗壓強度總體呈現(xiàn)增加的趨勢，表明巖石粒級較低，越容易形成裂縫。

3.3 巖層厚度

前人對裂縫間距與巖層厚度之間存在線性關系做過一些研究［22－27］。本次研究通過露頭區(qū)和巖心裂縫統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)構造裂縫多發(fā)育于薄層砂巖，厚層塊狀砂巖裂縫相對發(fā)育較差，砂巖越厚，裂縫（井下）和節(jié)理（野外）越不發(fā)育。裂縫的發(fā)育分布在巖層內(nèi)，與巖層相交，截止于單套巖性界面上。在一定層厚范圍內(nèi)，裂縫的平均間距與具有裂隙的巖層厚度呈現(xiàn)較好正相關性（圖6），即隨著巖層厚度增大，裂縫間距相應增大，裂縫密度減小。

4 結論

圖6 川西北地區(qū)巖層厚度與裂縫間距關系Fig.6 Relation between the fracture spacing and layer thickness in northwestern Sichuan Basin

1）研究區(qū)構造裂縫發(fā)育程度整體表現(xiàn)為自西向東依次減弱，明顯受控于周緣龍門山與米倉山構造帶擠壓控制。構造裂縫以高角度、垂直構造裂縫延伸厚度較大，發(fā)育較好。裂縫方向主要為北東向、北北西向、近東西向和南東東向，其中北西－南東方向為優(yōu)勢方向。

2）將研究區(qū)構造裂縫至少劃分為4期，第一期構造裂縫形成于晚印支期，方解石呈緊挨裂縫壁充填裂縫，包裹體均一溫度為84～120℃;第二期為晚燕山期，石英為主要充填物，均一溫度為72～137℃;喜馬拉雅早－中期是第三次破裂期，其裂縫充填石英，明顯切割前兩期充填裂縫，均一溫度為153～179℃;喜馬拉雅晚期是第四次破裂期，其形成的裂縫充填物主要為較粗大的方解石，少量白云石充填張裂縫，多見切穿或沿前期充填裂縫發(fā)育，改造前期裂縫，均一溫度高達165～190℃。

3）研究區(qū)構造裂縫發(fā)育程度不僅與構造應力大小、巖石自身力學性質(zhì)有關，而且還受到巖性特征、巖層厚度的影響。其中高孔隙度、細粒級、薄層的巖屑砂巖是形成構造裂縫有利條件。

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Characteristics，timing and controlling factors of structural fractures in tight sandstones of the 2ndmember of Xujiahe Formation in Jiulong Mountain structure，Sichuan Basin

Bai Bin1，2，Zou Caineng1，Zhu Rukai1，Zhang Jian3，Zhang Benjian4，Bi Lina1and Su Ling1

（1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing100083，China;2.Northwest University，Xian，Shaanxi710069，China;3.PetroChina Exploration Department of Southwest Oilfield，Chengdu，Sichuan610051，China;4.Northwest Sichuan Gas Mine of Southwest Oilfield，PetroChina，Jiangyou，Sichuan621700，China）

Physical properties of tight sands in the 2ndmember of Xujiahe Formation in northwestern Sichuan Basin are controlled by structural fractures（SF）formed at different stages.The study on characteristics，timing and controlling factors of the structural fractures can provide useful information for reservoir evaluation and prediction.Identification of cutting relations of the SF on the basis of fracture observation on outcrops，cores and thin sections reveals that the SF can be grouped into NW-SE-trending，NE-trending，NNW-trending，near EW-trending and SEE-trending，of them NW-SE-trending is predominant.At least four stages of SF were identified based on the analysis of the fluid inclusion homogenization temperature of fillings in fractures with different cutting relation and ESR，as well as palaeo-stress data.The first stage is the Late Indosinian，and the SF formed at this stage feature in calcite filling and fluid inclusion homogenization temperature（FIHT）of 84－120℃.The secondstage is the Late Yanshanian，and the SF formed at this stage are characterized by quartz filling and FIHT of 72－137℃.The third stage is the Early-middle Himalayan Period and the SF formed at this stage feature in quartz filling，cutting relations with the SF of previous two stags，and FIHT of 153 －179 ℃.The fourth stage is the Late Himalayan Period，and the SF formed in this stage are characterized by coarser calcite fillings with some dolomites and FIHT of 165－190℃.Because of the active tectonic movement during the Indosinian and Himalayan Period，the SF are well developed.The formation and distribution of SF are jointly controlled by tectonic stress and the mechanical property of rocks.Lithic sandstone with high porosity，fine particle and thin layer are favorable for SF development.

formation timing of structural fracture，tight sandstone，Xujiahe Formation，Jiulong Mountain area，Sichuan Basin

TE122.2

A

0253－9985（2012）04－0526－10

2012－06－12;

2012－07－11。

白斌（1981—），男，工程師，礦產(chǎn)普查與勘探。

國家自然科學青年基金項目（41002034）;國家科技重大專項（2011ZX05001－002）;中國石油勘探開發(fā)研究院青年基金項目（2010－A－26－08）。

（編輯 張亞雄）