普光气田碳酸盐岩储层裂缝的成因及其控制因素

2014-11-29何胡军曾大乾毕建霞王秋语

海相油气地质 2014年4期

何胡军，曾大乾，毕建霞，王秋语

（1 中国石油冀东油田分公司；2 中国石化中原油田分公司）

四川盆地普光气田为一边水、高含硫的碳酸盐岩气藏，储层内孔隙发育，局部发育裂缝。气田自2009年10月正式投产以来，截至2013年5月，离边水较近的普光105-1H井、普光103-1井和普光105-2井已见水，液气比达1.5 m3∶10 000 m3以上，其中普光105-1H井日产水91.4 m3。关于出水的原因，初步认为是裂缝沟通了水层，造成水体锥进。目前，对于普光气田裂缝的研究工作主要基于常规的测井法识别裂缝［1-4］。关于裂缝的控制因素，唐永等［5］利用岩心裂缝资料对裂缝发育密度与褶皱、沉积相、孔隙流体之间的关系进行了定性探讨；关于裂缝的成因，唐海等［6］主要从裂缝形成与褶皱和断层之间的关系进行了讨论；但前人均未从构造演化的角度对裂缝的成因进行过研究，而众所周知，裂缝的发育与构造演化密不可分。

近年来，一些研究者主要是采用地质力学法对裂缝成因和控制因素进行系统研究［7-9］，这也是进行裂缝预测的基础和关键。本文以普光气田4 口取心井(普光102-1井、普光104-1井、普光302-1井和普光304-1侧前井）的1515块岩心薄片和19口成像测井等资料为基础，从构造演化的角度出发，对普光气田上二叠统长兴组和下三叠统飞仙关组碳酸盐岩产层的裂缝成因及其控制因素进行研究，同时也为采用地质力学方法预测裂缝奠定基础。

1 地质背景及构造特征

普光气田位于四川盆地东北部宣汉—达县断褶带上（图1），该区中生代—新生代经历了长期的、性质多变的构造演化，表现为十分复杂的构造格局，燕山晚期形成大量的北东向构造，喜马拉雅期被北西向构造改造［10-14］。普光构造为一西南高、东北低的大型长轴断背斜型构造。平面上，普光构造整体表现为南宽北窄、西南高东北低、西翼陡东翼缓、与逆冲断层有关的北北东走向的断背斜特征，各层系构造继承性发育，构造高点基本重合。普光构造发育北东向和北西向两组逆冲断裂体系、4 条断层（图1），形成时间为燕山晚期和喜马拉雅期，断层落实程度高。

图1 普光气田飞仙关组一—二段底面构造图

普光气田主产层为上二叠统长兴组和下三叠统飞仙关组，其中长兴组的岩性为生物灰岩和溶孔白云岩，飞仙关组为鲕粒白云岩与灰岩。自长兴组和飞仙关组沉积以来，普光气田经历了印支、燕山和喜马拉雅三大复杂构造运动［15-19］（图2）。

燕山末期以前构造活动弱，主要表现为整体抬升（图2a）。

燕山末期由于江南雪峰山的隆起造山活动剧烈，在宣汉—达州地区形成了由SE 向NW 的挤压应力，在普光褶皱隆起部位的挤压前缘，东岳寨—普光断层和普光7 断层发育（图1，图2b）。

喜马拉雅早期由于龙门山造山活动剧烈，宣汉—达州地区构造在NW 向SE 的挤压应力作用下，次级的普光3 断层发育（图1），褶皱进一步加强，隆起幅度增大。

喜马拉雅末期南大巴山造山活动加强，宣汉—达州地区在NE 向SW 的挤压应力作用下，普光构造的西南形成NW 走向的老君庙南断层，NE向构造被NW 向构造改造，局部形成NW 向褶皱（图2c）。

2 礁滩相储层裂缝成因

2.1 裂缝特征

对普光气田4 口取心井中长兴组和飞仙关组储层的147 条裂缝进行了统计。结果表明，这些裂缝具有以下特征：

（1）以低角度斜交缝（5°～45°）为主（图3），水平缝（0°～5°）和垂直缝（85°～90°）不发育，其中低角度斜交缝占51.7%，高角度斜交缝（45°～85°）占31.3%。

图2 四川盆地东部宣汉—达州地区构造演化剖面图

图3 普光气田岩心裂缝倾角统计直方图

（2）裂缝有效程度高，以未充填缝为主（占51.1%），其次为方解石半充填缝和碳质沥青充填缝，方解石全充填缝最少（图4）。未充填缝常发育擦痕和阶步。

（3）以近东西走向的裂缝为主。

（4）裂缝宽度以小于1 mm 的为主。

2.2 裂缝成因

对岩心裂缝的观察以及对构造演化史的研究表明，普光气田在漫长的地质历史时期主要形成了与褶皱和断层相关的两类裂缝系统，其成因分析如下。

2.2.1 与褶皱相关的裂缝系统成因

普光的NE向褶皱构造主要形成于燕山晚期，至喜马拉雅早期进一步加强，促进了构造内的裂缝进一步发育。

燕山运动晚期的初始阶段，在来自SE方向雪峰山的挤压应力作用下，近水平产状岩层受到与岩层面平行的侧向水平挤压应力作用，当压力强度达到能使岩层发生破裂而又未弯曲时，就形成了一组产状直立的平面“X”共轭剪切裂缝和扩张缝（图5a）。平面“X”共轭剪切裂缝又称为变形前“X”共轭剪切裂缝，该类裂缝走向与最大主应力之间呈内摩擦角相交，其产状随岩层的弯曲而变缓；变形前扩张缝的走向平行于最大主应力，呈NW—SE向，产状直立，呈锯齿状延伸。随着SE向挤压应力的加强，地层弯曲变形，形成NNE走向的褶皱，平面“X”剪切裂缝进一步发育；同时，由于局部应力场发生变化，形成剖面“X”共轭剪切裂缝（图5b），其轴向与褶皱轴向一致，走向近EW向，倾角较平缓。褶皱形成过程中，褶皱两翼会产生层间滑动，诱导产生局部剪应力，形成层间剪切裂缝，走向平行褶皱走向，裂缝倾角较缓（图5c）。

喜马拉雅早期，由于龙门山造山活动，力源来自NW 向。在NW 向挤压应力作用下，与褶皱相关的裂缝系统进一步发育，裂缝走向以近EW向为主（图5d）。

喜马拉雅晚期，由于南大巴山活动的加强，其力源主要来自NE 向。在NE 向的挤压应力下，早期形成的NE 向构造被NW 向的应力所改造，在普光8井附近形成NW 向的褶皱，因此与褶皱相关的裂缝系统主要发育在普光8井附近，裂缝走向以近SN向为主（图5e），它们与早期裂缝形成了叠加。

2.2.2 与断层相关的裂缝系统成因

燕山晚期，东岳寨—普光断层开始断裂，与断层相关的裂缝（包括断层派生的和与断层伴生的裂缝系统）主要沿东岳寨—普光断层和普光7 断层发育（图1，图5c）。形成与断层相伴生的裂缝系统与形成东岳寨—普光断层和普光7 断层的构造应力场是一致的，它们主要来自SE 方向雪峰山的挤压应力。裂缝与断层走向存在两种关系，一种是与断层平行，另一种是与断层共轭，主要分布在距断层一定的范围内（图5c）。断层派生裂缝是在断层活动时的应力扰动所产生的局部应力场下形成的裂缝系统，主要发育在断层的应力扰动带附近，裂缝发育的宽度与断层的性质、规模和断层作用的强度有关。

喜马拉雅早期，由于龙门山造山活动，主应力主要来自NW 向。在NW 向挤压应力作用下，次级逆冲断层（普光3 断层）发育，与断层相关的裂缝系统也进一步发育（图5d）。喜马拉雅晚期，由于南大巴山活动的加强，发育了老君庙南断层，因而与断层相关的裂缝系统主要围绕该断层发育（图5e）。

图5 普光气田碳酸盐岩储层裂缝成因机理

3 裂缝发育的控制因素

构造裂缝的形成是构造活动中由构造应力作用造成的地层破裂，因此，构造裂缝发育程度主要受控于构造运动。一般来说，构造部位不同，遭受的应变强度就不同，裂缝的密集程度也就不等；应变能越大，裂缝的密度就越大。影响研究区裂缝发育的构造因素主要有断层和地层变形程度两方面。另外，裂缝的发育程度还受到岩性、岩石结构组分、岩层厚度和物性的影响。

断层是裂缝发育的主控因素。对研究区内的成像测井，分层段统计裂缝发育密度与裂缝到就近断层垂直距离的关系，同时为了减小因地层变形而产生的裂缝对断层相关裂缝发育密度的影响，在此采用裂缝发育密度与地层曲率之间的比值来表示断层相关的裂缝发育程度（单位为条）（图6），结果表明：断层相关裂缝的发育程度和井点与断层之间的距离呈负相关关系，断层距离越远，裂缝越不发育；此外，这种负相关的影响范围也有限，当离断层的垂直距离超过1 200 m 时，断层对裂缝发育的影响将减弱（图6）。也就是说，与断层相关的裂缝系统主要发育在距断层1 200 m 的范围之内。

图6 普光气田断层对裂缝发育密度的影响

地层变形程度对研究区内的成像测井分层段进行裂缝发育密度与地层曲率之间关系的统计，同时为了减小断层相关裂缝对地层变形裂缝发育密度的影响，在此采用裂缝的发育密度和它与断层垂直距离的乘积来表示与地层变形相关裂缝的发育程度（单位为条）（图7）。结果表明：地层变形相关裂缝发育程度与地层曲率之间呈正相关关系，即随着地层曲率的增大，裂缝发育的数量也增多（图7）。

图7 普光气田飞仙关组一—二段地层变形对裂缝发育密度的影响

岩性是影响裂缝发育的最基本的因素［20-21］。对4口取心井中白云岩和石灰岩两类岩石分别进行了裂缝的发育密度统计，结果表明：白云岩裂缝的密度为0.35 条/m，石灰岩裂缝密度为0.23 条/m，白云岩较石灰岩裂缝发育（图8a）；白云岩中，细晶白云岩裂缝较不发育，裂缝密度仅为0.05 条/m，泥晶砂屑白云岩裂缝最发育，裂缝密度为1.29 条/m（图8b）。

图8 普光气田长兴组—飞仙关组裂缝发育密度在不同岩性中的分布

岩石结构组分碳酸盐岩的结构和组分与岩石的成因密切相关［22］。碳酸盐岩结构组分的不同，尤其是脆性组分含量的不同，当它们处于相同的应力环境条件下，脆性组分含量高的岩石比脆性组分含量低的更易破裂和产生裂缝。对普光气田1515块岩心薄片中微裂缝发育所在岩石的粒屑、填隙物、亮晶和基质以及微裂缝发育密度等进行的统计表明，粒屑和填隙物的含量不同，微裂缝的发育密度也不同：微裂缝发育密度随粒屑含量的增加而减小（图9a），随填隙物的含量增加而增大(图9b)，同时也随填隙物中的基质含量增加而增大（图9c），但微裂缝发育密度与亮晶含量之间没有明显的相关性（图9d）。

图9 普光气田长兴组—飞仙关组微裂缝发育密度与岩石结构组分之间的关系

岩层厚度是控制裂缝发育的重要因素［23-24］。对普光气田长兴组—飞仙关组裂缝密度与层厚之间的关系所进行的统计表明：岩层厚度越小，裂缝越发育（图10）。当层厚小于2 m时，平均裂缝密度为1.63 条/m；层厚在2～4 m时，平均裂缝密度迅速减至0.65 条/m；当层厚大于4 m时，平均裂缝密度为0.37 条/m。

图10 普光气田长兴组—飞仙关组裂缝发育密度与岩层厚度之间的关系

储集物性对研究区内4口取心井岩心观察后所做的裂缝与孔隙度之间关系的统计表明，73.15%的裂缝主要发育于孔隙度小于9%的岩石中（图11a）。从裂缝发育密度与孔隙度之间的关系分析，孔隙度在1%～2%时，裂缝发育密度最大，裂缝发育密度与孔隙度之间存在随孔隙度增大、裂缝发育密度减小的趋势，但该趋势不明显（图11b）。

对研究区内1515块薄片观察的微裂缝与面孔率之间的关系进行统计，其结果表明：98.06%的微裂缝主要发育于面孔率小于9%的岩石薄片中（图11c）；从微裂缝发育密度与面孔率之间的关系分析，面孔率在0～1%时，微裂缝发育密度最大，微裂缝发育密度与面孔率之间存在随面孔率增大、微裂缝发育密度减小的趋势，该趋势相对宏观裂缝与孔隙度之间的关系更密切（图11d）。

4 结论

普光气田上二叠统长兴组和下三叠统飞仙关组自沉积以来经历了印支、燕山和喜马拉雅三大构造运动，这些构造运动在不同地质历史时期使盆地的构造边界向盆内推进，形成了普光气田复杂的叠加和复合的关系，在构造运动过程中主要形成了与地层变形相关和与断层相关的两类裂缝系统。与地层变形相关的裂缝系统包括变形前扩张缝、变形前平面“X”型剪切缝、纵张缝、剖面“X”型剪切缝和层间剪切缝，与断层相关的裂缝系统主要为断层伴生缝和断层派生缝两种。