塔河油田奥陶系碳酸盐岩裂缝成因研究

艾合买提江·阿不都热和曼　钟建华　Ｋｕｒｔ　Ｂｕｃｈｅｒ　Ｉｎｇｒｉｄ　Ｓｔｏｂｅｒ

摘要：塔河油田碳酸盐岩储集层主要为岩溶作用、多期构造叠加及构造变形作用形成的缝洞型储集层，裂缝具有连通有效储存空间的桥梁作用。区分构造裂缝与非构造裂缝，结合塔河油田构造特征，并对碳酸盐岩储层裂缝特征、分类及其成因进行了分析。研究表明：构造裂缝为塔河油田岩溶储层发育提供了流体运移通道，为油气的运移，特别是垂向运移提供了条件：非构造裂缝的存在改善了储层储渗性能，扩大了储层泄油面积。构造裂缝和非构造裂缝的存在作为储层的有利影响因素，对其进行深入研究可以为碳酸盐岩储层开发提供有益参考，并可增加储层预测产量。

关键词：碳酸盐岩；岩溶；构造裂缝；非构造裂缝；塔河油田

中图分类号：TEl22.2

文献标识码：A

引言

塔里木盆地油气勘探前景广阔，位于塔里木盆地中央隆起区阿克库勒凸起的塔河油田是塔里木油田的重要勘探区块。勘探实践和研究表明，裂缝是塔河油田奥陶系碳酸盐岩油气富集成藏的主控因素之一，也是油气高产稳产的先决条件，储集层类型以缝洞型储集层为主，裂缝在储层中起连通有效储存空间作用。通过塔里木盆地北缘奥陶系碳酸盐岩露头区的野外观察和对塔河油田试验区岩心精细观察描述，结合录井、测井、储集物性分析、生产测试等资料的综合研究，对塔河油田奥陶系碳酸盐岩裂缝的成因进行了深入研究，亦为碳酸盐岩储层裂缝模拟提供理论参考。

1碳酸盐岩裂缝特征及分类

裂缝形成与发育的控制因素较多，包括岩性、岩层厚度、断裂作用、构造应力场特征、局部构造、地层负荷变化及岩溶作用等。

碳酸盐岩构造裂缝指岩石受超过其弹性限度的构造应力作用而破裂形成的裂缝，其形成和发育受岩性结构、构造运动等因素控制。塔河油田奥陶系构造裂缝具有边缘平直、延伸较远的特征，并具有一定方向性和组系特征，可进一步按构造力学性质分为压性裂缝、张性裂缝、压扭性裂缝和张扭性裂缝。

碳酸盐岩非构造裂缝是由岩石体积力、重力或成岩作用等因素诱发形成的一种与构造应力无关或间接有关的裂缝类型。可以将碳酸盐岩中的成岩裂缝、压溶裂缝和溶蚀裂缝等称为非构造裂缝，以更有利于碳酸盐岩裂缝分类及成因研究。

碳酸盐岩复杂的裂缝网络系统常由构造裂缝与非构造裂缝共同构成，由于非构造裂缝的发育特征、形成环境和分布特征等并不像构造裂缝那样有规律可循，且非构造裂缝往往包含于构造裂缝中，因此，对构造裂缝和非构造裂缝进行系统的认识，对于碳酸盐岩储层油气运移研究具有很好的理论和实用价值(表1)。

2构造裂缝

奥陶系碳酸盐岩裂缝性储集层为塔河油田主要目的层，位于阿克库勒凸起斜坡带的灰岩储层为首要勘探目标。不同构造级别和不同构造运动期次所产生的裂缝叠加，使裂缝构造特点十分复杂。野外考察发现，应力集中部位通常为裂缝发育有利区域，裂缝由应力小部位向应力相对集中的部位收敛，应力集中部位易于产生构造裂缝。巴楚县吐木休克附近一间房组露头发育近东西向和近南北向共轭剪切断裂，该层段岩心中也普遍发育共轭剪切断裂。该共扼剪切断裂的发育在一定程度上影响了与塔里木盆地加里东期有关的岩溶作用的发生。

2.1裂缝与断层伴生

构造断裂与断层的关系主要表现为裂缝的力学性质和相邻断层的力学性质相似，应形成于同一应力场。其他条件相同时，薄层碳酸盐岩较厚层碳酸盐岩具有更高的裂缝密度，裂缝间隔与碳酸盐岩层厚存在正比关系，对于相同构造位置的碳酸盐岩，当地表和地下碳酸盐岩岩石力学性质相同时，可由地表裂缝资料预测由层厚引起的裂缝密度的变化。

对塔河油田奥陶系碳酸盐岩野外考察发现，在邻近断层发育的裂缝中，总有一组或几组裂缝的走向与断层走向平行或接近平行，岩石破碎程度和裂缝发育程度均由断裂向断裂一侧或两侧不断降低，充分反映断层对裂缝的控制作用；当其他条件相同时，高脆性岩石裂缝密度通常远高于脆性较低的岩石的裂缝密度。对断裂方向与裂缝分布特征的研究发现：断裂越发育的区域，裂缝组系越发育，裂缝数量越多；裂缝延伸性和裂缝力学性质密切相关，剪切裂缝延伸性较好，张性裂缝延伸性较差。

2.2残丘和残丘斜坡裂缝发育

断裂控制的残丘高点通常为构造应力集中部位，易形成与断裂属于同一麻力场的构造裂缝，因此，多条断裂控制的残丘高点通常为裂缝发育的有利区域。塔河油田奥陶系早期构造裂缝发育，但后期充填非常严重，古地貌也在一定程度上影响了岩溶的发育。阿克库勒凸起在早海西期为向西南方向倾没的鼻状背斜，呈向南东、北西方向下倾的两翼斜坡，同一岩溶斜坡内，岩溶发育程度受占地貌控制，占地貌高部位(即被埋藏的岩溶残丘)往往风化剥蚀作用强烈，易形成缝洞发育的岩溶地貌，使斜坡带上的岩溶残丘群储集性能优于岩溶洼地。

2.3地层褶曲部位裂缝发育

裂缝的发育与构造运动所形成的断裂及褶皱密切相关，宏观上表现为轴部强、翼部弱，高部位强、低部位弱的特征。即断裂发育位置及构造曲率大的位置构造裂缝最为发育，而断裂不发育及构造曲率小的位置构造裂缝发育差或不发育。地层褶曲：部位常发育断层，因此，裂缝带也常发育于地层褶曲部位。

2.4花状构造分枝断裂可诱发裂缝

海西晚期塔河地区经历逆冲一走滑构造运动，产生背冲断块、雁行式断裂和正花状等构造。止花状构造位于多条断裂的交汇处，易产牛构造裂缝，其小型分枝断裂还能改善储层储集条件。综合分析认为，花状构造分枝断裂部位为裂缝发育有利区域，有利于油气富集成藏。

2.5裂缝发育多期性和充填性

根据裂缝充填关系、充填情况及充填物性质，塔河油田裂缝发育明显具有多期性：第一期裂缝为形成于加里东期的构造张裂缝，裂缝近于直立，少数水平和斜交，已被方解石完全充填，裂缝宽度一般为几毫米到1厘米，裂缝面较为平直，但当裂缝局部被溶蚀形成溶洞时，则会使裂缝壁不规则，开启宽度增加，可达0.5～3.0cm；第二期形成的泥质充填裂缝切开方解石全充填裂缝，说明方解石全充填张裂缝的形成早于泥质充填的压裂缝；第三期裂缝发育于海西晚期至印支期，可分为微裂缝和方解石半充填裂缝2种，2种裂缝可能为同期发育，也可能为2期发育，许多井中亦可见到微裂缝切割方解石全充填裂缝和泥质充填缝现象。

3非构造裂缝

根据形成主控因素可以将碳酸盐岩非构造裂缝分为成岩裂缝、地层负荷裂缝、表生裂缝和溶蚀裂缝等。各型碳酸盐岩非构造裂缝可自成体系，成为储层中重要的储集和渗流空间。

3.1成岩裂缝

碳酸盐岩中的成岩裂缝是受成岩作用形成的裂缝，是沉积物在成岩过程中，由于压实作用和失水作用形成的裂缝。成岩裂缝一般单个产出并成层分布，在最小厚度层内较发育，但张开度较小；在厚层中发育较少，但张开度大。因此，在厚度较小

的碳酸盐岩层中，成岩裂缝虽然密度较高，但由于开度较小，不利于流体在裂缝中的运移；而厚层碳酸盐岩中，虽然成岩裂缝密度小，但由于裂缝开度较大，可以为流体运移提供较好的通道。

成岩过程中，由于沉积物脱水、岩石矿物相变、热梯度等因素造成的岩石体积缩小也可能形成裂缝，统称为收缩裂缝。研究区内成岩收缩网状缝主要形成于成岩早期，呈不规则网状，裂缝宽度一般为几微米，常被方解石充填，主要分布于泥晶灰岩和泥质条带中，是含水饱和度较高的以灰泥基质为主的沉积物颗粒成岩过程中脱水收缩而形成的。当地层遭遇冰冻时也可形成裂缝，冰冻裂缝在形貌、内部结构、成因及分布等方面与干燥裂缝相似，但研究区内暂时未发现。

3.2地层负荷裂缝

3.2.1表层负荷裂缝

深埋地层中，由于岩石处于体积压缩状态，往往阻碍了成岩裂缝和构造裂缝的张开，但上覆地层被剥蚀后，由于负荷减轻，成岩裂缝和构造裂缝可以张开，并可能形成新的裂缝。塔河油田表层负荷裂缝是地层负荷改变的结果，为岩石膨胀性诱发，地下水循环对裂缝的形成和演化也有一定的影响。

3.2.2差异压实裂缝

差异压实裂缝是地层整体抬升，并遭受后期风化、剥蚀作用产生的裂缝，地形上表现为地貌的高低起伏。如斜坡、残丘等在接受碳酸盐岩沉积，沉积物从开始沉积到固结成岩的连续压实过程中，当上覆沉积物厚度不均或地形起伏时，沉积物将会因差异压实作用在起伏的地形周围产生相对位移，形成披覆构造，继而产生裂缝。由于存在持续补偿沉积作用，差异压实裂缝发育程度往往由下向上逐渐减弱。

3.2.3缝合线

缝合线是一种特殊的裂缝构造，是岩石被深埋时在上覆沉积物负荷作用下，由于压力和孔隙流体作用，在应力点上岩石矿物颗粒产生选择性溶解，溶解的物质或沉淀于应力较小的颗粒表面或迁移到系统之外而形成港湾状或齿状镶嵌穿插的构造。缝合线是压实与压溶作用共同作用的产物，其指状尖端指示受力方向，幅度的高低则反映压实、压溶的程度。由于溶解后被带走的组分以碳酸钙为主，因此，缝合线表面常残存泥质、炭质等不溶杂质，并富集固体有机质。

3.3表生裂缝

表生裂缝是淋滤溶解改造裂缝形成的一类非构造裂缝。风化淋滤溶解往往不仅发生在风化表面，也可以渗透到碳酸盐岩深部。对碳酸盐岩具有溶蚀作用的流体主要沿已有的空隙和裂缝流动，通过淋滤溶解作用使原有空隙扩大，甚至可以将彼此孤立的空隙联系起来，形成裂缝高度连通的层段，当风化作用非常强烈时将可能形成喀斯特地貌。淋滤溶解作用在不整合面附近往往比较强烈，裂缝非常发育，当不整合面附近岩溶地层被后起沉积低渗透性地层覆盖时就可以形成良好的圈闭，国内外部分高产油田即为该类储层。

3.4溶蚀裂缝

溶蚀裂缝由溶蚀作用形成，多与压实无关，常见于碳酸盐岩中，是在早期构造缝或地层薄弱部位发育起来的溶蚀扩大缝和溶沟，形态不规则，裂缝壁不平整，溶蚀现象明显。碳酸盐矿物和硅酸盐矿物是常见的易溶物质，石英和长石颗粒也可被碳酸盐交代，当碳酸盐岩中存在可溶性颗粒或胶结物时，易溶蚀形成次生缝洞。溶蚀裂缝多出现在表生期和埋藏期，表生期形成的岩溶裂缝多为泥质或细、粉屑充填；埋藏期岩形成的溶裂缝多被中一粗晶方解石、石膏充填。但由于溶蚀作用是由不饱和孔隙流体引起，只要孔隙流体性质发生变化成为不饱流体和且保持流动，溶蚀作用就可以持续进行，因此，溶蚀作用可发生于沉积后的各个阶段。

4结论

(1)塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层构造裂缝的发育为岩溶发育提供了物质通道，非构造裂缝则加速了溶蚀作用的进行，促进岩溶的发育；岩溶的发育又可将小裂缝扩展为大裂缝；逐渐加强的溶蚀作用使早期发育的系列孤立小裂缝发育成大断裂或大溶洞，从而极大地改善了碳酸盐岩层的储集物性。

(2)非构造裂缝的存在，改善了塔河油田奥陶系碳酸盐岩储渗性能，扩大了储层泄油面积，与构造裂缝连通的非构造裂缝为油气运移(特别是垂向运移)提供良好条件，成为油气重要的运移通道。而溶蚀裂缝、缝合线等极大地增加了储层油气容量，起到了扩容作用，成为了油气重要的运聚空间。

(3)构造裂缝和非构造裂缝的存在有利于塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层储集性能的提高，对裂缝进行深入研究可为碳酸盐岩储层开发提供有益参考，并可增加储层预测产量。

致谢：在累计近3个月的野外考察期间，得到中国科学院岩溶所夏日元研究员、邹胜章研究员及Kurt Bucher和Ingrid Stober的支持与帮助，在很大程度上推进了研究工作的进展；中石化领导对研究工作给与了很大的关注，并在经费上给予支持；新疆塔里木沙漠服务有限公司为项目开展提供了野外用车，在此表示感谢。