尚墨翰，趙向原，胡向陽，肖開華，劉國萍

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院博士后工作站，北京 100083）

儲層裂縫具有增加儲集空間和提供滲流優(yōu)勢通道的作用[1]。明確儲層天然裂縫發(fā)育規(guī)律、控制機(jī)制，以及對儲層的改造作用，對油氣田高效開發(fā)具有重要意義[2]。近年來，我國四川東北部元壩地區(qū)中淺層陸相油氣勘探取得了重大突破[3-5]。鉆井證實，元壩地區(qū)發(fā)育須家河組二段、三段、四段，自流井組珍珠沖段，以及大安寨段等5套陸相儲層，但目的儲層受構(gòu)造運動改造明顯，斷裂和地層褶皺變形極為發(fā)育，伴生多期次的復(fù)雜裂縫系統(tǒng)。研究認(rèn)為，元壩地區(qū)獲得良好油氣顯示的陸相井區(qū)表現(xiàn)出構(gòu)造-巖性-裂縫復(fù)合型氣藏特征[6]，但目前對裂縫發(fā)育特征和發(fā)育機(jī)理的認(rèn)識仍不夠清楚。為更好地推動中淺層陸相天然氣開發(fā)，通過巖心、成像測井等資料對元壩地區(qū)中淺層陸相儲層天然裂縫成因類型與參數(shù)特征進(jìn)行描述，研究裂縫發(fā)育主控因素，分析裂縫發(fā)育機(jī)理和演化過程，以期為相關(guān)氣藏建模、數(shù)值模擬及開發(fā)方案的制定提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

元壩地區(qū)北依米倉山?jīng)_斷構(gòu)造帶前緣，東鄰大巴山前緣弧形推覆構(gòu)造帶，南靠川中低緩構(gòu)造帶北部斜坡，西北為龍門山斷褶帶（見圖1）。研究區(qū)由四川盆地內(nèi)4個三級構(gòu)造單元的一部分組合構(gòu)成，即北部的大型NE向鼻狀隆起通南巴背斜構(gòu)造帶、東南部的通江凹陷、西南部的蒼溪—巴中低緩構(gòu)造帶，以及西北部的池溪凹陷，所屬二級構(gòu)造單元皆為川北低緩構(gòu)造帶[7]（見圖1）。

圖1 元壩地區(qū)地理位置及構(gòu)造略圖

該區(qū)整體表現(xiàn)為低緩構(gòu)造的特點，大背景呈現(xiàn)“兩凹一帶”的樣式，褶皺作用強(qiáng)烈且整體上斷裂較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)最主要的滑脫層為嘉陵江組上部至雷口坡組下部的膏鹽巖，以此為界，深層海相沉積與淺層陸相沉積被劃隔開來，形成了天然的油氣運移屏障。本次陸相碎屑巖研究目標(biāo)儲層為上三疊統(tǒng)須家河組四段，兼顧侏羅系自流井組珍珠沖段及大安寨段。

元壩地區(qū)受印支中幕安縣運動的影響，須四段以辮狀河三角洲沉積體系為主，發(fā)育辮狀河三角洲平原辮狀河道、前緣水下分流河道、席狀砂、河口壩等微相，沉積了較厚層的塊狀中—粗粒砂礫巖。珍珠沖段沉積時期構(gòu)造沉降幅度大，并存在沉積中心東移的過程。珍珠沖段沉積早期，元壩中部發(fā)育以扇三角洲平原—扇三角洲前緣分流河道為主體的沉積構(gòu)造，巖性以礫巖、砂礫巖、含礫粗砂巖為主，元壩東部則發(fā)育扇三角洲前緣細(xì)砂巖；珍珠沖段沉積后期，沉積中心東移，元壩中部發(fā)育河道間泥質(zhì)沉積，常見煤層，元壩東部沉積砂礫巖、中粗砂巖。大安寨段主要為濱湖—淺湖—半深湖相沉積體系，發(fā)育濱淺湖微相深灰色、灰黑色泥巖與介殼灘微相介殼灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r交替的不等厚互層，指示了湖平面周期性的升降過程。總體上，研究區(qū)陸相儲層經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程，天然裂縫類型多樣，致使氣井產(chǎn)能存在較大差異。

2 天然裂縫發(fā)育特征

2.1 裂縫成因

對元壩地區(qū)巖心及成像測井資料進(jìn)行天然裂縫識別與統(tǒng)計后認(rèn)為，研究區(qū)主要發(fā)育構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫2種天然裂縫。構(gòu)造縫的形成和發(fā)育受到巖性及構(gòu)造等因素的控制，而非構(gòu)造縫的形成則與巖石體積力、重力，或是成巖作用等因素有關(guān)。構(gòu)造縫可進(jìn)一步分為剪切縫、張剪性縫和張性縫，非構(gòu)造縫可進(jìn)一步分為成巖縫和風(fēng)化縫。構(gòu)造縫以剪切縫為主，張性縫及張剪性縫相對較少，主要分布在斷裂和褶皺轉(zhuǎn)折端附近。剪切縫由剪切應(yīng)力作用形成，產(chǎn)狀穩(wěn)定，沿走向和傾向延伸較遠(yuǎn)，縫面平直光滑，常因滑動而留下擦痕、階步等，存在切穿礫石和砂礫等現(xiàn)象；張性縫由張應(yīng)力作用形成，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，延伸范圍短，縫面粗糙不平，無擦痕，常繞過礫石或粗砂礫；張剪性縫是剪應(yīng)力和張應(yīng)力綜合作用形成的，一般表現(xiàn)為2種應(yīng)力先后作用，或先“剪”后“張”，或先“張”后“剪”。非構(gòu)造縫發(fā)育規(guī)模普遍較構(gòu)造縫小。成巖縫一般單個產(chǎn)出并成層分布，一般在薄層中較發(fā)育，張開度較小，在厚層中弱發(fā)育，但張開度相對較大；風(fēng)化縫一般具有受巖石釋重、生物作用等影響的痕跡。

2.2 裂縫特征

對研究區(qū)10口井的巖心裂縫發(fā)育情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析，其中須四段6口井675條裂縫、珍珠沖段4口井166條裂縫、大安寨段3口井113條裂縫。分析內(nèi)容包括裂縫的傾角、開度、充填物及充填程度等，為進(jìn)一步分析裂縫主控因素、成因機(jī)制等奠定基礎(chǔ)。

2.2.1 裂縫傾角

根據(jù)裂縫傾角α的大小，將裂縫分為4種類型——平縫（α≤5°）、低角度縫（5°＜α≤45°）、高角度縫（45°＜α≤85°）與垂直縫（α＞85°）。統(tǒng)計顯示，研究區(qū)裂縫存在傾角越大、發(fā)育程度越低的特征，平縫和低角度縫最為發(fā)育，其中平縫有649條，低角度縫有191條；須四段巖心高角度縫和垂直縫相對珍珠沖段和大安寨段發(fā)育程度更好，而大安寨段則未見高角度縫和垂直縫（見圖2）。各儲層段對流體滲流有重要作用的高角度縫及垂直縫較少，其原因可能與不同傾角裂縫的鉆遇率差異有關(guān)，需要開展進(jìn)一步的研究。

圖2 元壩地區(qū)按傾角分類的裂縫類型分布頻率

2.2.2 裂縫的有效性

儲層天然裂縫的有效性主要通過開度及充填程度來反映[8-10]。裂縫開度能夠間接反映裂縫對儲層孔隙度和滲透率的影響程度，根據(jù)裂縫描述結(jié)果可將有效裂縫開度劃分為[0.1 mm，0.5 mm），[0.5 mm，5.0 mm）和大于5.0 mm這3個區(qū)間。開度在[0.5 mm，5.0 mm）的裂縫約占裂縫總數(shù)的89.7%，折算成地下裂縫開度，范圍主要分布在45～125 μm。整體來看，巖心有效裂縫能夠起到儲集空間和滲流通道的作用。

裂縫充填的程度直接影響裂縫后期的水動力寬度，進(jìn)而影響儲層總體的孔隙度和滲透率[10-11]。統(tǒng)計表明：須四段、大安寨段裂縫充填程度較高，充填縫和半充填縫居多；相對而言，珍珠沖段裂縫充填程度較低，以半充填為主。裂縫充填物是判斷流經(jīng)裂縫流體的重要依據(jù)，能夠為裂縫分期配套提供重要參考。須四段裂縫充填物主要是有機(jī)質(zhì)，其次為方解石，其他充填物少見；珍珠沖段裂縫充填物主要是有機(jī)質(zhì)和方解石，其他充填物少見；大安寨段裂縫充填物以方解石為主，其次為有機(jī)質(zhì)，其他充填物少見。裂縫充填物類型多樣，說明裂縫是在多期構(gòu)造應(yīng)力場背景下形成的，其中被有機(jī)質(zhì)充填的裂縫數(shù)量占比很高，說明裂縫形成以后，在后期的油氣運移及流體充注過程中起到了運移通道的作用。

2.2.3 裂縫密度

裂縫密度反映了裂縫的發(fā)育程度，是十分重要的裂縫參數(shù)。統(tǒng)計顯示：須四段裂縫密度最高，為4.60條/m；珍珠沖段裂縫密度為4.40條/m；大安寨段裂縫密度相對較低，為1.93條/m。須四段與珍珠沖段裂縫密度相對較高，而大安寨段裂縫密度相對較低的原因，主要與不同層段沉積體系及巖性有關(guān)。其中：須四段和珍珠沖段分別為辮狀河三角洲和扇三角洲沉積，巖性以不等厚層狀砂巖、礫巖等碎屑巖為主；大安寨段則以濱淺湖相泥巖、石灰?guī)r為主，與須四段及珍珠沖段存在較大差異。

3 天然裂縫發(fā)育主控因素

元壩地區(qū)陸相儲層巖心裂縫觀察、成像測井解釋及地震屬性分析研究表明，研究區(qū)天然裂縫的發(fā)育主要受巖性、層厚、構(gòu)造及斷裂影響，因此不同層段、不同類型裂縫的發(fā)育特征存在差別。

3.1 巖性

儲層巖性對裂縫發(fā)育程度的影響主要表現(xiàn)為巖石成分、顆粒大小、顆粒排列方式等與巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的因素對構(gòu)造應(yīng)力的控制作用差異[12-14]。巖心觀察統(tǒng)計顯示，元壩地區(qū)陸相儲層巖性對裂縫發(fā)育的控制作用十分明顯。研究區(qū)須四段巖性主要為礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，儲層裂縫主要集中在中砂巖，其次為粗砂巖和細(xì)砂巖，3種巖性貢獻(xiàn)了裂縫發(fā)育總數(shù)的94.2%；珍珠沖段巖性主要為礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖，儲層裂縫大部分集中在細(xì)砂巖，其次為礫巖，2種巖性貢獻(xiàn)了裂縫發(fā)育總數(shù)的90.4%；大安寨段巖性主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖和介殼灰?guī)r，裂縫多發(fā)巖性為介殼灰?guī)r、泥巖和粉砂巖，而中砂巖及細(xì)砂巖中未發(fā)現(xiàn)裂縫（見圖3）。不同巖性的巖石由于成分及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不同，其巖石力學(xué)性質(zhì)也存在差別，即使受到相同構(gòu)造應(yīng)力作用，裂縫發(fā)育程度也會不一致。脆性礦物組分（如石英、方解石及白云石）含量高的巖石，在構(gòu)造應(yīng)力作用下往往發(fā)生較小的變形后即可產(chǎn)生破裂，如大安寨段介殼灰?guī)r裂縫較為發(fā)育（見圖3）。

圖3 元壩地區(qū)不同巖性中的裂縫分布頻率

隨著巖石顆粒和孔隙體積減小，巖層變得致密，巖石強(qiáng)度相應(yīng)增大，在受力過程中發(fā)生較小形變也會產(chǎn)生破裂，使得低孔隙度和較細(xì)顆粒巖石內(nèi)的裂縫更為發(fā)育。如須四段和珍珠沖段中、細(xì)砂巖顆粒小且孔隙度低，巖層更加致密，就有利于裂縫發(fā)育；相反，粗砂巖及礫巖顆粒大，不利于裂縫發(fā)育（見圖3）。

3.2 層厚

國內(nèi)外學(xué)者們普遍認(rèn)為裂縫的發(fā)育程度和規(guī)模受巖石力學(xué)層的厚度控制[15-19]。巖石力學(xué)層是指巖石力學(xué)性質(zhì)相似的地層單元[19]。在砂泥巖地層中，巖石力學(xué)層一般與單砂體或單一巖性相對應(yīng)，它控制著裂縫的規(guī)模和發(fā)育程度等特征。通常巖石力學(xué)層厚度越大，裂縫規(guī)模及間距越大，但計算得到的裂縫線密度越小。統(tǒng)計表明，元壩地區(qū)陸相儲層中，天然裂縫密度與砂體厚度表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖4）。當(dāng)砂體厚度小于1.5 m時，裂縫密度相對較大；當(dāng)砂體厚度大于1.5 m時，裂縫密度明顯減??；當(dāng)砂體厚度大于5.0 m時，裂縫發(fā)育程度較弱或不發(fā)育。同時，分析表明單砂體厚度對裂縫發(fā)育的控制作用在砂巖中比在泥巖中更為明顯。

圖4 元壩地區(qū)須四段裂縫密度與砂體厚度的關(guān)系

3.3 構(gòu)造及斷裂

構(gòu)造對裂縫發(fā)育的影響較大。不同構(gòu)造部位局部應(yīng)力場分布的差異是裂縫發(fā)育非均質(zhì)性的主要原因。應(yīng)力場在褶皺構(gòu)造的軸部和傾伏端較為集中，構(gòu)造主曲率大，裂縫發(fā)育程度通常較高，而褶皺構(gòu)造的翼部則表現(xiàn)為相反的特征。研究區(qū)東南部位于通江凹陷內(nèi)，成組出現(xiàn)的高角度逆斷層形成的NW向條形隆起帶在區(qū)內(nèi)普遍分布（見圖1）。在這些條形隆起帶內(nèi)，局部發(fā)育一些與斷層、褶皺相關(guān)的次級構(gòu)造高點，如A20，A23，A24，A25井。在這些構(gòu)造高點處，各種共生或次生的張剪性裂縫也十分發(fā)育。研究區(qū)局部也發(fā)育有斷層相關(guān)構(gòu)造高點，如 A19，A18，A4，A16井均位于斷鼻構(gòu)造高點處（見圖1），其中 A19，A18，A16井巖心照片及成像測井圖像均顯示須四段裂縫較為發(fā)育，說明該部位有利于裂縫發(fā)育。

鉆井顯示，裂縫發(fā)育密度與斷層形態(tài)部位及距斷層距離存在緊密的關(guān)系。彎曲斷層的外凸區(qū)、多組斷層的交會區(qū)和轉(zhuǎn)換區(qū)，以及斷層的末端是構(gòu)造應(yīng)力的相對集中區(qū)域，裂縫較發(fā)育，并以裂縫作為斷層消失的漸變系統(tǒng)。裂縫密度和距斷層距離的相關(guān)性主要表現(xiàn)在，隨著距斷層的距離增大，派生裂縫發(fā)育密度減小。工區(qū)內(nèi)裂縫發(fā)育且有油氣顯示的鉆井距斷層的距離小于400 m（見圖5）。隨著距斷層距離的增大，裂縫發(fā)育密度的遞減速度還與斷層規(guī)模有關(guān)。斷裂規(guī)模越大，其附近的裂縫越發(fā)育，且斷層上升盤地層的裂縫密集程度明顯高于下降盤，如A16井與A12井。斷層彎曲程度對裂縫發(fā)育也有一定影響，裂縫密度一般也有隨彎曲凸面增大而增大的趨勢。斷層末端是應(yīng)力集中區(qū)，也常常是裂縫的相對發(fā)育帶。

圖5 元壩地區(qū)斷層要素與試氣效果

4 天然裂縫發(fā)育模式

4.1 裂縫演化模式

元壩地區(qū)主要經(jīng)歷2期構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用，分別為NW—SE向的燕山運動和NE向的喜山運動。在靠近斷層的區(qū)域，裂縫產(chǎn)狀主要受斷層產(chǎn)狀控制，三軸最大主應(yīng)力σ1與斷層面平行，裂縫產(chǎn)狀與斷層走向近平行；在遠(yuǎn)離斷層的區(qū)域，裂縫產(chǎn)狀受區(qū)域主應(yīng)力或褶皺作用控制，σ1與區(qū)域主應(yīng)力方向一致，產(chǎn)生與區(qū)域主應(yīng)力方向小角度相交的剪切裂縫；二者之間的過渡區(qū)域同時受到斷層產(chǎn)狀與區(qū)域主應(yīng)力的影響，產(chǎn)生的裂縫走向介于前兩者之間。褶皺變形過程中，層間滑動造成的近水平剪切作用使低角度剪切縫充分發(fā)育（見圖6）。

圖6 元壩地區(qū)裂縫演化模式

在燕山早中期（J），局部構(gòu)造尚未完全成型，裂縫發(fā)育受區(qū)域應(yīng)力場控制，主要形成早期平面X形共軛剪切縫系統(tǒng)，同時在厚層地層中形成平行層面的橫張縫，在局部構(gòu)造雛形區(qū)發(fā)育少量斷層和褶皺相關(guān)裂縫；燕山晚期（K），NW向擠壓作用持續(xù)，NE向構(gòu)造初起，早期剖面X形共軛剪切縫開始發(fā)育，同時一系列與斷層相關(guān)的派生縫也開始形成；喜山早期（K2—E），NW—SE向擠壓作用下，構(gòu)造幅度進(jìn)一步增強(qiáng)，在背斜軸部早期，剖面X形共軛剪切縫擴(kuò)展連通成縱張縫，而在背斜兩翼，相鄰層位產(chǎn)生相對滑動形成層間剪切縫，同時區(qū)域整體的裂縫密度明顯增高（見圖6，藍(lán)色X形共軛剪切縫代表早期，橙色代表晚期）；而在喜山早期末（E3—N1），擠壓方向轉(zhuǎn)換為NE向，在前期NE向構(gòu)造背景上又疊加了NW向構(gòu)造的雛形，與此相關(guān)的裂縫系統(tǒng)亦開始發(fā)育；至喜山晚期（N—Q），表現(xiàn)為侏羅山式緊閉背斜的NW向Ⅰ型三角帶已經(jīng)在通江凹陷內(nèi)成型，包括前述燕山期和喜山期形成的2期褶皺伴生、斷層派生和晚期剖面X形共軛剪切裂縫系統(tǒng)發(fā)育成熟。

4.2 裂縫分布模式

綜合裂縫充填物特征、裂縫組系、交切關(guān)系、地表相似露頭及井下裂縫產(chǎn)狀，在總結(jié)工區(qū)裂縫系統(tǒng)演化特征和期次特征基礎(chǔ)上，建立了裂縫分布和發(fā)育模式（見圖7、圖8）。

圖7 通南巴背斜構(gòu)造帶裂縫分布及發(fā)育樣式

圖8 通江凹陷構(gòu)造帶裂縫分布及發(fā)育樣式

研究結(jié)果顯示：自通南巴背斜至NW向的工區(qū)范圍內(nèi)，發(fā)育了完整的多套裂縫系統(tǒng)（見圖7）；而在通南巴背斜SE向的通江凹陷內(nèi)，由于早期龍門山—米倉山斷褶帶活動影響有限，NE向構(gòu)造、斷裂及其伴生的早期裂縫系統(tǒng)不甚發(fā)育，故僅以喜山晚期的NE向構(gòu)造、斷裂及其伴生的晚期裂縫系統(tǒng)發(fā)育為主（見圖8）。研究區(qū)廣泛發(fā)育剖面X形剪切伴生裂縫系統(tǒng)，形成時期為燕山中晚期和喜山晚期。伴隨褶皺的形成，在構(gòu)造兩翼可派生一組共軛剪切縫和層間滑動形成的低角度（或水平）剪切破裂。隨著喜山晚期NE—SW向擠壓作用的加強(qiáng)，在NW向次級構(gòu)造高點處亦發(fā)育晚期的縱、橫張裂縫系統(tǒng)，部分橫張縫追蹤早期的縱張縫發(fā)育，而部分縱張縫追蹤早期的橫張縫發(fā)育，使得早期張性縫加寬、加長。

5 結(jié)論

1）元壩地區(qū)主要發(fā)育構(gòu)造縫和成巖縫2種類型裂縫，構(gòu)造縫以剪切裂縫為主，發(fā)育少量張性縫和張剪性縫，主要分布在斷裂和褶皺轉(zhuǎn)折端附近。縱向上看，須四段裂縫最為發(fā)育，其次是珍珠沖段，大安寨段裂縫最不發(fā)育。

2）天然裂縫的發(fā)育受巖性、層厚影響，并受構(gòu)造及斷裂綜合控制。中砂巖、細(xì)砂巖及介殼灰?guī)r儲層中裂縫相對較發(fā)育；巖層厚度越小，發(fā)育裂縫密度越大；靠近斷層及構(gòu)造主曲率大的位置，以及與褶皺、斷層相關(guān)的應(yīng)力集中區(qū)，裂縫多密集發(fā)育。

3）元壩地區(qū)裂縫主要形成期為燕山中晚期和喜山晚期。印支晚期—燕山早中期構(gòu)造應(yīng)力不強(qiáng)，發(fā)育一些早期平面X形共軛剪切裂縫系統(tǒng)；燕山中晚期—喜山晚期構(gòu)造擠壓作用變強(qiáng)，擠壓方向由NW向最終轉(zhuǎn)為NE向，依次形成早期剖面X形共軛剪切縫、縱張縫、走滑型裂縫，以及與褶皺、斷層相關(guān)的裂縫、晚期剖面X形共軛剪切縫等復(fù)雜疊加裂縫系統(tǒng)。