义东地区碳酸盐岩储层裂缝特征、期次及成因机制

2018-11-08邱隆伟张营革刘魁元单宝杰高秋菊

东北石油大学学报 2018年5期

邱隆伟，畅通，张营革，刘魁元，单宝杰，高秋菊

( 1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东青岛 266580； 2. 中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营 257022； 3. 中国石化胜利油田分公司河口采油厂，山东东营 257022 )

0 引言

全球近50%的油气资源储存在碳酸盐岩中，产量约占60%[1-2]。碳酸盐岩作为一种重要的储层类型，其储集空间类型复杂多样，可大致划分为溶洞、孔隙和裂缝三大类[3-6]。裂缝为重要的储集空间类型，对改善碳酸盐岩储层物性具有积极意义。碳酸盐岩储层一般形成时代早、埋藏深度大，且经历多期、多类成岩作用的改造，导致储层中孔洞之间的连通性较差；裂缝发育改变储层的孔隙结构，使原本孤立的孔洞连通起来，为多种来源的流体活动提供良好的渗流通道，在石油天然气的运移、成藏过程中发挥重要作用[7-9]。高产、稳产井钻遇的储层一般对应裂缝发育段，该认识在塔里木、四川、鄂尔多斯等含油气盆地碳酸盐岩油气的勘探开发过程中发挥重要作用[10-12]。

对于中国的勘探现状，不论哪种成因的盆地类型，古生界海相碳酸盐岩都是目前较为现实且具有较大勘探潜力的目标领域[13-15]，其中裂缝型储层研究占据重要地位[16]。开展碳酸盐岩储层裂缝的发育特征、成因机理及其与优质储层、油气成藏的关系研究，对碳酸盐岩油气藏的高效勘探开发具有重要意义[17-20]。

义东地区位于沾化、车镇两凹陷之间的义东断裂带，构造运动频繁，地质结构异常复杂。研究区碳酸盐沉积较为发育，受构造、沉积、成岩等因素的影响，储层裂缝较为发育且具有极强的非均质性[21-22]。笔者选择4口典型井的岩心、薄片等资料，分析义东地区下古生界碳酸盐储层裂缝的类型、特征、期次及其与油气成藏的关系，为研究裂缝的分布演化规律、控储机制及油气勘探开发提供指导。

1 地质概况

义和庄凸起位于渤海湾盆地济阳坳陷中北部，构造上处于沾化、车镇凹陷之间，主体走向为北东向。研究区位于义和庄凸起以北地区，北部、东部分别与郭局子、四扣洼陷相邻(见图1)，油气成藏条件优越。目前，已有多口钻井在寒武系馒头组、徐庄组及奥陶系马家沟组获得工业油气显示，发现多种不同类型的碳酸盐油气藏，展现较大的勘探潜力[20,23-24]。

研究区地层发育较为齐全，从下至上依次发育太古界、下古生界、上古生界、中生界、古近系和新近系地层[25]。碳酸盐地层发育较为完整(见图2)，平面上主要分布于义和庄凸起及其东北部地区，大致呈北北东向倾斜；受凸起北部两条近北西向断层的切割控制，研究区奥陶系地层遭受不同程度的剥蚀，整体表现为断层内部薄、两边厚的发育特点。作为渤海湾盆地济阳坳陷的一部分，义东地区经历泰山运动而形成统一的结晶基底，之后又经历下降、抬升、断陷等多期次构造运动，最终形成现今复杂的地质结构。受构造演化过程和地质结构的控制，研究区裂缝较为发育。

图1 义东地区区域构造与井位(图(a)据文献[20]修改)Fig.1 The regional structure and wells location in Yidong area(fig.(a) modified from refrence[20])

图2 义东地区碳酸盐地层综合柱状图(据文献[22]修改)

2 裂缝成因类型及特征

基于一定的研究目的和不同的分类标准，提出多种不同的裂缝分类方案。成因分类方案中，裂缝可划分为构造裂缝和非构造裂缝两大类，其中构造裂缝按产状可划分为直立裂缝、斜交裂缝等，非构造裂缝可划分为成岩裂缝、扩溶裂缝和网状裂缝等。根据力学性质，裂缝可划分为张裂缝和剪裂缝等。根据充填程度，裂缝可划分为全充填、半充填、弱充填等裂缝类型。在遵循裂缝分类的科学性和实用性原则的基础上，结合义古70、义古80等4口典型井的岩心观察与描述，根据成因及充填程度，将研究区的裂缝分为两大类、五小类。两大类分别为构造裂缝和成岩裂缝：构造裂缝划分为全充填或半充填直立裂缝和半充填或无充填斜交裂缝2种类型；成岩裂缝划分为全充填水平裂缝、构造扩溶裂缝和缝合线扩溶裂缝3种类型。

2.1 构造裂缝

2.1.1 全充填或半充填直立裂缝

该类裂缝在研究区较为常见，是碳酸盐岩储层的主要裂缝类型。以张裂缝为主，通常成簇成组出现，产状相对稳定且平直，倾角大多在80°～90°之间，可大致分为两种基本类型：一类是未充填或弱充填直立裂缝，产状直立，裂缝开度为0.5～2.0 cm，充填程度较低，发育规模较大但数量有限；另一类是全充填高角度裂缝，倾角多集中在85°左右，裂缝开度较小，为0.5～3.0 mm，且完全被方解石充填(见图3(a))，发育规模及数量较大。

2.1.2 半充填或无充填斜交裂缝

斜交裂缝是研究区最为常见的裂缝类型，裂缝常成对出现，产状稳定且平直，表现为张扭特征。此类裂缝倾角大多集中在65°～80°之间，65°以下的裂缝相对少见，裂缝开度相对较小，多分布在1.0～5.0 mm之间，充填程度相对较小，表现为无充填或被亮晶方解石半充填(见图3(b-c))。

2.2 成岩裂缝

2.2.1 全充填水平裂缝

水平裂缝在岩心上相对少见，通常表现为沿层理面或顺层分布，裂缝倾角水平或呈小角度。根据形态及充填物，该裂缝可分为两种基本类型：一类是锯齿状裂缝，开度为0.5～1.0 mm，通常被泥质充填，发育数量极少；另一类是平直状裂缝，开度为1.0～3.0 mm，为亮晶方解石充填(见图3(d))，裂缝相对发育。

2.2.2 构造扩溶裂缝

在早期构造裂缝的基础上，该类裂缝是由后期酸性成岩流体的溶蚀改造而形成的常成簇出现，缝壁受成岩流体的改造而呈现凹凸状，凹凸程度主要取决于岩石类型及溶蚀程度。受早期构造裂缝发育程度及规模的控制，研究区以斜交扩溶裂缝为主，直立扩溶裂缝为辅，但成岩流体对两者的溶蚀改造存在差异。直立裂缝的溶蚀改造相对较强，斜交裂缝的溶蚀改造相对较弱(见图3(e))，与成岩流体的优势运移方向有关。

2.2.3 缝合线扩溶裂缝

缝合线是一种典型的成岩裂缝，是在压实作用下不稳定组分局部溶解形成的，多表现为锯齿状，通常发育于较致密的泥质灰岩或泥灰岩。缝合线扩溶裂缝进一步溶解而使锯齿状扩大化，以水平状为主，裂缝开度集中在1.0～2.0 mm之间，多被泥质沉积物或有机质充填(见图3(f))。缝合线扩溶裂缝通常表现为延伸相对较远但多为孤立单一分布，很少成群成簇出现。

3 裂缝发育期次

在漫长的地质演化过程中，义东地区经历不同期次构造运动的叠加，最终形成现今的构造格局。不同的地质演化阶段的应力方向及大小、地层结构、流体性质及规模不同，导致裂缝的成因、产状及充填程度存在一定差异。根据研究区基础资料，结合裂缝期次划分，明确义东地区碳酸盐岩心裂缝发育期次的2个划分依据：一是裂缝之间的相互切割关系；二是区域构造演化阶段与裂缝成因类型之间的匹配关系。根据义东地区4口典型井裂缝观察及裂缝期次划分依据，研究区主要发育3期裂缝。

图3 义东地区下古生界碳酸盐储层岩心裂缝发育特征Fig.3 The feature of fractures in cores of lower Paleozoic carbonates in Yidong area

3.1 裂缝之间的相互关系

裂缝之间的相互切割关系是判断裂缝发育顺序最直观、最有效的方法之一[26]。义东地区4口井的岩心观察发现，研究区碳酸盐岩心存在3类较为明显的裂缝相互切割关系：一是近直立裂缝切割斜交裂缝；二是近直立裂缝切割水平裂缝；三是斜交裂缝切割水平裂缝(见图4)。裂缝发育顺序为水平裂缝—斜交裂缝—近直立裂缝。

3.2 裂缝成因类型与构造期次的匹配关系

受区域构造应力的控制，不同的构造演化阶段控制不同成因裂缝的发育，根据裂缝类型与构造期次之间的匹配关系可判断裂缝发育顺序。综合区域地质资料和岩心观察，义东地区碳酸盐岩主要经历3期构造运动的叠合，与所观察不同成因类型的裂缝较为吻合。

加里东—海西期，可以划分为2个阶段。加里东期，济阳坳陷整体沉降，沉积一套以碳酸盐为主的地层序列，义东地区碳酸盐沉积物持续埋藏，受压实、压溶成岩作用的改造而形成水平裂缝和缝合线。海西期，研究区整体抬升，裂缝不同程度地发生开度增大、扩溶等现象，且几乎全部被方解石充填(见图5)。

图4 义东地区下古生界碳酸盐岩心裂缝相互关系Fig.4 The interaction relation of fractures in cores of lower Paleozoic carbonates in Yidong area

图5 义东地区下古生界碳酸盐裂缝发育演化示意Fig.5 Schematic of fracture development based on the fractures in cores of lower Paleozoic carbonates in Yidong area

印支—燕山期，济阳坳陷以北东向挤压应力为主，伴随郯庐断裂的左旋走滑运动，研究区发生强烈的抬升作用，发育一组共轭斜交裂缝。该类裂缝产状稳定、延伸较远且规模较大，多呈无充填或半充填状态。

喜山期，郯庐断裂发生强烈右旋运动并伴随近南北向拉张[27]，形成近直立裂缝并伴随早期形成的斜交裂缝部分活化，直立裂缝几乎全部被充填，斜交裂缝部分被亮晶方解石充填。

4 裂缝控制因素

4.1 断裂构造

断裂构造对裂缝的发育程度及规模具有明显的控制作用，裂缝线密度的大小是最直观的体现[22,28]。通过岩心观察，对相同岩石类型发育的裂缝线密度进行统计(见图6)。为了便于操作，对研究区隐晶灰岩段的裂缝线密度进行统计。在裂缝总数上，裂缝在3条断层的夹持地带最为发育，越靠近义东边界断层裂缝线密度越大，局部地区存在一定的差异，距离边界断层相对较远而小断层发育的地区裂缝线密度也较大；在裂缝成因类型上，直立裂缝的线密度最大，斜交裂缝的次之，水平裂缝的最小。

图6 义东地区碳酸盐储层裂缝密度平面分布Fig.6 The horizontal distribution of fracture density of carbonate reservoir in Yidong area

4.2 地层结构

裂缝的发育受控于多种地质因素，断层、不整合面及地层厚度对裂缝有重要影响。在满足地质因素的基础上，分析岩心、测井及录井资料，义东地区存在5种地层叠置样式(见图7)。5种地层叠置样式的裂缝发育规模及有效性存在差异：样式一为灰岩与泥灰岩的不等厚互层，整体以斜交裂缝和直立裂缝为主，裂缝无充填或半充填，储层有效性最优(见图7(a))；样式二为灰岩与泥页岩的不等厚互层，整体以直立裂缝和水平裂缝为主，裂缝半充填或全充填，储层有效性次之(见图7(b))；样式三为灰岩、泥灰岩和泥页岩的不等厚互层，斜交裂缝、直立裂缝和水平裂缝发育，以水平裂缝为主，裂缝多为全充填，储层有效性最差(见图7(c))，白云岩的地层结构具有类似的裂缝发育特征；样式四为灰岩与白云岩的不等厚互层，以斜交裂缝为主，裂缝多为半充填，储层有效性较好(见图7(d))；样式五为颗粒灰岩较厚层夹于灰岩之间，以斜交裂缝为主，裂缝多为半充填，储层有效性较好(见图7(e))。

总之，灰岩或白云岩与泥灰岩的互层，以及白云岩或颗粒灰岩与灰岩的互层主要发育斜交裂缝，对储层的有效性最为有利，但白云岩或颗粒灰岩与灰岩互层的地层结构在局部地区发育。

4.3 岩石类型

碳酸盐岩矿物成分相对单一，主要为方解石或白云石，还含有一定量的泥质和硅质成分，钙质和硅质矿物表现为脆性，泥质矿物表现为塑性。碳酸盐岩成分及其含量的差异对其自身的结构、构造及后期成岩改造具有重要影响[29-30]，造成脆性矿物相对含量的差异，进而控制裂缝的发育程度与规模。研究区岩石类型多样，灰岩、白云岩、泥灰岩、颗粒灰岩、灰质白云岩和白云质灰岩发育，但以致密灰岩、泥灰岩和灰质白云岩为主。选取距离断层和不整合面相对较远、沉积序列较为完整且地层厚度大致相等的井，结合裂缝发育的有效性，统计不同岩性的斜交裂缝和直立裂缝密度之和。白云岩和灰质白云岩的密度最大，颗粒灰岩的次之，灰岩、泥灰岩的相对较小(见图8)。受区域沉积背景控制，研究区广泛发育泥灰岩与灰岩、白云岩的互层，灰岩、白云岩中含有一定的泥质。该类灰岩、白云岩中裂缝具有数量多、规模相对较大、连通性好且后期成岩改造强的特点，对流体运移和油气储集最为有利。

图7 义东地区碳酸盐储层5种组合样式Fig.7 Five combined models of carbonate reservoir in Yidong area

5 裂缝与油气成藏的关系

义东地区下古生界碳酸盐岩储层粒度偏细，孔隙度平均为5%，渗透率平均为2×10-3μm2，属低孔低渗储层。研究区储集空间以溶蚀孔洞和裂缝为主，受储层岩性影响，酸性流体选择性溶蚀导致孔洞连通性较差，裂缝的发育改善储层的孔隙结构，成为影响油气成藏的关键因素。白云岩、颗粒灰岩、灰岩与泥灰岩的互层中裂缝的发育规模及有效性较优，其中以白云岩的最优，颗粒灰岩的次之，灰岩的再次之。根据层位相同、厚度相当的不同成因裂缝发育段的含油性统计，斜交裂缝和直立裂缝的含油性较好(见图9)。结合研究区的勘探现状，颗粒灰岩局部发育，已基本完成勘探；白云岩和灰岩连片发育，寻找白云岩、灰岩与泥灰岩的互层是实现油气突破的关键。