四川盆地龙门山前构造带中三叠统雷口坡组四段碳酸盐岩储层裂缝形成机理

胡向阳 赵向原 宿亚仙 肖开华 邓美洲 王琼仙 刘汝敏

1.中国石化石油勘探开发研究院 2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院3.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院 4. 中海油田服务股份有限公司油田生产事业部

四川盆地龙门山前构造带金马—鸭子河构造中三叠统雷口坡组气藏是四川盆地继中坝、磨溪等气田之后被发现的又一雷口坡组碳酸盐岩气藏，该构造部署探井在雷口坡组四段（以下简称雷四段）钻获高产工业气流，显示该领域具有良好的勘探前景[1-4]。勘探实践表明，雷四段为一套台缘障壁—（蒸发）潟湖—潮坪相沉积体系，储层岩相极其复杂，受多期构造及成岩作用综合影响，储层中发育多类型、多尺度天然裂缝，裂缝的存在影响着储层性质、油气富集及气藏开发效果[5-8]。因此，阐明雷口坡组天然裂缝特征，弄清裂缝形成机理，对进一步开展裂缝预测、优选开发有利区和井位部署等具有重要意义。为此，笔者综合利用地质及各类分析测试等资料，在阐明雷四段储层天然裂缝发育特征的基础上，结合该区成岩及构造演化特征，对不同类型裂缝的形成机理展开研究。

图1 研究区构造位置及综合柱状地质简图

1 地质概况

龙门山前构造带位于四川盆地西部关口断裂与彭县断裂两条逆断层之间[9-10]，研究区位于龙门山前构造带中南部，即成都凹陷西部（图1），发育金马—鸭子河、石羊场两个完整的次级构造[11-12]。其中，金马—鸭子河构造为一北东向展布的断背斜，石羊场构造为一北东向展布的短轴背斜；主要含气层位为雷四段，可划分为上、中、下3个亚段。雷四段发育一套台缘障壁—（蒸发）潟湖—潮坪相碳酸盐沉积体系，沉积亚相包括潮上带、潮间带和潮下带等类型。潮上带发育潮上云膏坪、膏云坪、泥云坪/云坪等，潮间带发育含膏云坪、（藻）云坪、灰云坪、云灰坪等，潮下带发育灰云坪、云灰坪、灰坪、（藻）砂屑滩等[13-15]（图1）。该区优势储层主要发育在潮间带的云坪、含灰云坪、藻云坪微相中，岩性主要为微晶云岩、（微）粉晶云岩、（细）粉晶云岩、藻叠层构造云岩、藻黏结构造云岩、（藻）砂屑云岩及纹层状构造云岩等，储集空间类型包括晶间孔、不规则溶孔及裂缝[16]，储层平均孔隙度为3.57%，平均渗透率为6.88 mD，天然裂缝类型多样，分布规律较为复杂，对气井产能影响较大。

2 天然裂缝特征

2.1 裂缝成因类型

根据研究区目的层97.5 m岩心裂缝观察、2 000余张薄片观察、3口井成像测井裂缝解释以及川西北马鞍塘火车站剖面、绵竹玉皇观剖面等雷口坡组野外露头观测点（图1）裂缝观察表明，雷四段储层天然裂缝可分为构造裂缝和成岩裂缝两种成因类型，其中构造裂缝包括张性裂缝和剪切裂缝（以剪切裂缝为主），按照裂缝的倾角分布还可将构造裂缝进一步分为低角度缝（倾角小于等于30°）、斜交缝（倾角介于30°～60°）和高角度缝（倾角大于60°）；成岩裂缝包括溶蚀缝、构造—溶蚀缝以及缝合线等（图2～4）。

图2 岩心观察雷口坡组储层天然裂缝照片

图3 薄片观察雷口坡组储层天然裂缝照片

根据岩心及薄片观察，构造剪切缝形态较为规则，缝面平直光滑、产状分布稳定且多呈组出现，缝宽分布较为均匀（图2-a～c、3-a），偶见裂缝呈雁列式排列或共轭剪切分布，岩心观察可见缝面上发育擦痕和微小陡坎（图2-d）。张性裂缝形态一般呈不规则弯曲状，缝面粗糙，缝宽分布不均匀，延伸范围相对较短（图3-b）。溶蚀缝在岩心上观察数量较少（图2-f），薄片上较常见且多以有机质充填的溶蚀缝为主（图3-c），部分顺层发生选择性溶蚀而形成的多个窗格孔相互连通也可构成溶蚀缝（图3-d），溶蚀缝规模一般较小，形态多样，多呈蛇曲状、港湾状、蠕虫状等形态，缝面极不规则。构造—溶蚀缝是指已有的构造裂缝在后期酸性水介质的作用下继续发生溶蚀，改造了构造裂缝的原有形态，使其加长、加宽或加深[17]（图3-e）。该类裂缝较发育，低角度缝和部分斜交缝在后期发生溶蚀，进而形成了构造—溶蚀缝。缝合线在该区发育程度一般，其形态呈不规则波状或锯齿状，展布方向多与岩心层面（近）平行或呈小角度斜交（图2-g、3-f）。露头观察雷口坡组裂缝较为发育，以构造剪切缝为主，受层控明显，部分规模较大的裂缝穿层发育，具有多个级次，裂缝面平直规则，成组分布，同组裂缝相互平行且近等间距分布（图4），不同组裂缝之间表现出相互切割和限制的关系，可见裂缝呈共轭剪切或雁列式排列分布。

图4 川西北马鞍塘火车站剖面雷口坡组构造裂缝照片

2.2 裂缝发育特征

根据成像测井裂缝参数解释结果可知，雷四上亚段储层构造裂缝的产状分布较为复杂，走向主要为NE—SW向、 NW—SE向、近S—N向及近E—W向，发育程度依次减弱；绝大多数裂缝为低角度缝（裂缝倾角小于等于30°）和斜交缝（裂缝倾角介于30°～60°），高角度缝（裂缝倾角大于60°）数量相对较少；构造裂缝中大部分为有效裂缝（高导缝），无效裂缝（高阻缝）比例较低，无效裂缝为低角度缝和斜交缝，高角度缝为有效裂缝。岩心测量构造裂缝地表开度一般小于0.5 mm（占68%），不同类型裂缝的开度分布存在一定差异，其中低角度缝开度分布范围值略大于斜交缝和高角度缝，这可能与低角度缝岩心取至地面后发生较强的重力应力卸载作用有关；薄片测量构造裂缝开度介于20～500 μm。岩心观察斜交缝和高角度缝纵向高度一般小于40 cm（占89%），少量裂缝规模较大，高度超过2 m；野外露头观察裂缝纵向一般小于5 m，少量超过10 m。通过测量并统计野外露头出露完整的裂缝平面延伸长度可知，高角度缝的平面延伸长度一般不超过70 m（占90%左右），少量规模较大的裂缝长度超过100 m（少于10%），完全切穿出露地表的地层。裂缝分布特征及发育程度上，岩心观察裂缝线密度介于3～50条/m，低角度缝、斜交缝和高角度缝在纵向上不同层段内的发育具有较强的非均质性；绝大多数构造裂缝主要发育在Ⅱ、Ⅲ类储层中（孔隙度小于12%）。总体上看，低角度缝最为发育，低角度缝缝面与岩心轴向垂直展布并将岩心切割成千层饼状，斜交缝线密度相对较小，一般不超过15条/m，而高角度缝线密度相对最小，一般不超过5条/m；当岩层同时发育3种产状的裂缝时，便构成了网状裂缝（图2-e），部分网状裂缝发育的岩心段破碎较为严重，统计表明岩心观察段中网状裂缝发育段累计厚度占观察段总厚度的30%左右。

岩心观察溶蚀裂缝长度多为数厘米级，少量超过10 cm，一般开度较大，可达几毫米，缝内无充填（图2-f）。构造—溶蚀缝的规模相对较大，基本与被改造之前的裂缝规模一致。岩心观察到的缝合线规模均较小，几乎被有机质全充填，平面上一般贯穿整个岩心，但纵向起伏较小，多小于10 cm（图2-g）；薄片上观察到的缝合线一般超出视域范围，延伸长度为厘米级（图 3-f）。

3 裂缝形成机理

3.1 裂缝形成期次

雷四段储层构造裂缝和成岩裂缝均具有多期形成的特点，可以从裂缝交切关系及充填差异性、不同类型构造裂缝产状特征及与断层产状之间的关系、不同类型构造裂缝的有效性分布情况、裂缝分布与储层物性之间的关系等方面进行分析得到。

3.1.1 裂缝交切关系及充填差异性

通过薄片观察可以总结出雷四段储层中不同组（或不同类型）裂缝之间存在多种交切关系及充填差异现象（图5）。从图5可观察到：①切割及错开关系。多表现为晚期无充填裂缝切割早期被矿物充填的裂缝，甚至造成了早期裂缝发生错动（图5-a～d），部分早期（或晚期）裂缝之间也同时存在相互切割及错开现象，说明早期或晚期裂缝各自还可以进一步划分为多期（图5-c）。②追踪、利用和改造关系。早期形成的裂缝被晚期裂缝追踪、利用和改造，使得不同期裂缝在充填特征及形态特征上表现出极大的差异性（图5-e、f）。③限制关系。早期裂缝形成以后，限制了晚期裂缝的进一步延伸和扩展，使晚期裂缝终止在早期裂缝缝面处（图5-g、h）。早期形成的裂缝多被泥质或矿物充填，充填矿物既有白云石也有方解石；中期裂缝多被有机质充填，且存在一定的溶蚀现象；晚期裂缝多为无充填缝，且大多数为构造裂缝。此外，薄片还可观察到一类早期（准同生期）形成的没有被（完全）充填的溶蚀孔（图5-i），即窗格孔，其主要特点是顺藻纹层等发生选择性溶蚀，当溶蚀作用较强时，多个溶蚀孔相互连接形成溶蚀缝，部分溶蚀缝被有序度低的白云石充填。该类溶蚀孔也是潮坪沉积环境的典型标志之一[18-19]。

3.1.2 不同类型构造裂缝产状特征及有效性

受彭县断裂影响，该区高角度缝与斜交缝的发育特征与断层展布特征关系密切，多为断层相关裂缝，包括断层伴生裂缝和断层派生裂缝[8]。在挤压应力环境下，一般可形成与逆断层同期共生的两组断层伴生剪切裂缝，形成裂缝的构造应力场环境与形成断层的构造应力场相一致，其中一组裂缝走向、倾向均与断层面相同，而另一组裂缝则与断层呈共轭剪切关系，其走向与断层一致而倾向不同，在剖面上表现出与断层面呈φ角（其中φ/2为内摩擦角）斜交，一般情况下前一组裂缝相对发育。断层形成以后，在后续构造演化过程中由于两盘的相对运动导致断层附近应力场重新分布，产生新的构造裂缝，即断层派生裂缝，但裂缝发育特征随断层两盘相对运动情况不同而呈现不同特征。对于同一断层而言，断层伴生裂缝形成时间相对早于断层派生裂缝，在这种情况下，形成时间较早的断层伴生裂缝在埋藏过程中可能更易被充填进而形成无效裂缝，而形成时间较晚的断层派生裂缝的有效性则相对更好。

依据成像测井裂缝解释成果，统计分析各井高角度缝与斜交缝的产状分布特征发现，两类裂缝在走向和倾向上分别表现出了各自不同的特征，其中P1、Y1井斜交缝走向以NE—SW向为主，其次为近S—N向，裂缝倾向主要为NW向，YS1井斜交缝的走向主要为近S—N向，其次为NW—SE向，倾向为近W倾和NE倾为主；高角度缝仅在P1井较为发育，Y1井发育程度较差，YS1井基本不发育，统计高角度缝走向主要为近E—W向、NE—SW向和NW—SE向，倾向主要以N倾、NNW倾为主（图6）。对比斜交缝和高角度缝的有效性来看，高角度缝有效性总体上要好于斜交缝。综合上述不同类型裂缝产状分布特征与彭县断裂带的展布特征之间的关系及裂缝的有效性差异，并结合裂缝形成的应力机制，可判断斜交缝主要为形成相对较早的断层伴生裂缝，高角度缝主要为形成相对较晚的断层派生裂缝，两类裂缝的形成存在先后顺序。3.1.3 构造裂缝的分布与储层物性之间的关系

该区构造裂缝主要发育在孔隙度小于12%的Ⅱ、Ⅲ类储层中，孔隙度大于12%的Ⅰ类储层中基本不发育构造缝。为减小岩性差异导致的统计学误差，对白云岩类储层岩心样品实测孔隙度与取样岩心段裂缝线密度进行交会分析，发现高角度缝与斜交缝的发育程度与储层孔隙度之间存在一定的相关性，表现出储层孔隙度越大，裂缝密度随之呈幂函数（指数为负数）减小的特征（图7-a、b），表明随着储层物性变好，高角度缝与斜交缝发育程度越差；低角度缝发育程度与储层孔隙度之间不具有明显的相关性（图7-c）。

上述特征说明了裂缝的主要形成时期与储层溶蚀作用的主要阶段之间存在先后顺序。若溶蚀作用发生时间较早，储层孔隙发育，岩层变得疏松，脆性指数降低，在构造应力场作用下不易发生破裂[20]，对后期构造裂缝的发育程度产生制约作用，导致孔隙越发育的储层中构造裂缝的发育程度变差；若构造裂缝的形成时间较早，而储层溶蚀作用发生较晚，先期形成的裂缝为溶蚀流体提供渗流通道，对后期溶蚀的发生起到促进作用，造成裂缝越发育的储层其物性可能越好。由此可以判断，雷四段储层高角度缝和斜交缝的产生时间在主要溶蚀期之后，低角度缝在溶蚀期前后均有形成，反映不同类型裂缝具有多期成因的特点。

综合上述分析，雷四段储层裂缝的形成具有多期性，可识别出4期构造裂缝和3期溶蚀孔缝。利用白云石有序度及包裹体分析等测试资料以及薄片观察资料（构造裂缝与溶蚀孔缝之间的交切关系），结合该区埋藏史、成岩演化阶段分析、油气充注史，对溶蚀孔缝的成因机制和构造裂缝的形成机理进行分析。

3.2 溶蚀孔缝成因机制

根据铸体薄片、阴极发光、扫描电镜等分析化验资料，结合地层埋藏史及构造演化史等研究成果，按照碳酸盐岩储层成岩阶段划分标准[21]，可将溶蚀孔缝的形成主要划分为3期。

3.2.1 第1期：准同生期溶蚀作用形成的溶蚀孔缝

该期形成的孔缝多具有组构选择性，如铸模孔、粒间孔和晶间溶孔等。如图3-d所示，顺藻纹层等发生选择性溶蚀而形成的窗格孔缝被低有序度白云石部分充填，微晶云岩中白云石有序度介于0.51～0.68，平均值为0.59，粉晶云岩中白云石有序度介于0.52～0.73，平均值为0.66，说明溶蚀缝的形成时间较早，为准同生期溶蚀作用的结果。该类溶蚀孔缝保存至今，是该区Ⅰ类优质储层的主要储集空间类型之一。

图6 雷口坡组储层不同构造部位裂缝产状特征图（据赵向原等[8]修改）

图7 雷口坡组白云岩类储层裂缝线密度与储层孔隙度关系图

3.2.2 第2期：古表生期溶蚀作用形成的溶蚀孔缝

中三叠世末，在印支早期运动的影响下，四川盆地整体发生构造抬升，雷口坡组暴露于海平面之上，存在一定古表生溶蚀作用。此时雷口坡组因构造抬升而形成的裂缝系统为地表大气淡水下渗提供了通道，形成了具有多类型特征的溶孔、溶洞及溶缝。可见晶粒云岩遭受溶蚀，表现出对已有晶间孔、晶缘缝进行溶蚀，扩大原有的孔缝，还可表现出沿白云石节理发生溶蚀，形成微孔缝，甚至被解体成碎粒及粉末，该类孔缝大部分也被保存至今成为储层中的有效孔隙。此外，可见部分溶蚀缝被粗晶方解石充填、溶蚀垮塌充填及溶缝被渗流砂充填等（图8-a、b），该类裂缝由于被充填有效性变差。实际上，古表生期溶蚀作用形成的孔洞缝在后续的演化过程中虽有部分被充填、胶结而遭到破坏，却为晚期埋藏溶蚀的发生以及进一步对储层进行改造提供了有利条件，使得晚期溶蚀性流体沿孔缝边缘再次发生溶蚀扩大，为优质储层的形成提供了有利条件。

3.2.3 第3期：埋藏期溶蚀作用形成的溶蚀孔缝

据包裹体均一温度测试结果，埋藏期溶蚀可进一步分为3期，第Ⅰ期为中成岩早期，为有机酸和CO2流体溶蚀，温度为90～130 ℃；第Ⅱ期为中成岩晚期，为含H2S流体溶蚀，温度为135～170 ℃；第Ⅲ期为晚成岩阶段，为深部热液溶蚀，温度为180～210 ℃。镜下观察可见埋藏期鞍形白云石及其溶蚀（图8-c）、白云石被沥青充填且发生溶蚀（图8-d）、溶蚀孔缝边缘可见高温石英矿物（图8-e）、表生期形成的渗流砂被溶蚀（图8-f）等多类埋藏期溶蚀现象。

图8 镜下观察雷口坡组储层古表生期及埋藏期溶蚀照片

3.3 构造裂缝成因机制

川西地区海相层系主要经历了3大构造发展阶段：扬子地台基底形成阶段（吕梁—晋宁运动）、扬子地台及其周缘盆地形成演化阶段（加里东—印支早期）和前陆盆地形成演化和盆山耦合阶段（印支晚期—喜马拉雅期）[22-23]，雷口坡组沉积以后主要经历了第3阶段。综合构造演化史、埋藏史、裂缝交切关系及充填差异性等认识，可将雷四段储层构造裂缝的形成期次划分为4期。

3.3.1 第1期：印支晚期第二幕（诺利期）

该期特提斯洋封闭，松藩—甘孜海槽、龙门山台缘凹陷回返，构造反转、造山成盆，此时川西进入前陆盆地形成和演化阶段[24]。研究区形成宽缓背斜，形成数量不多的构造裂缝（包括张性裂缝和剪切裂缝），裂缝形成后在后续成岩演化过程中多被白云石及方解石充填，部分裂缝被后期成岩裂缝切割。该期所形成的构造裂缝数量相对较少，非研究区裂缝的主要形成时期。

3.3.2 第2期：印支晚期第三幕（瑞替期）—燕山早中期

松藩—甘孜褶皱带、龙门山推覆构造带断块隆生向东南推覆、左行走滑、遭受剥蚀，川西前陆盆地转化为陆内浅坳盆地[25]。该时期研究区宽缓背斜持续演化，在北西向挤压应力作用下，彭县断裂等烃源岩断裂形成，受断裂影响，在研究区形成了一系列走向和倾向与彭县断裂近一致的构造裂缝和顺层滑脱作用产生的低角度剪切裂缝，其中高角度缝和斜交缝的走向与断层基本一致（以NE—SW向为主）。该期间形成较早的裂缝在成岩演化过程中被方解石等矿物充填，形成较晚的裂缝由于与海相烃源岩生烃高峰期匹配较好，断裂和裂缝的形成为油气运移提供通道，使得裂缝再次被有机质充填或被有机酸溶蚀，薄片可见本期裂缝被后期无充填裂缝切割（图5-b）。

3.3.3 第3期：燕山中期—燕山晚期

在持续的北西向挤压应力作用下，古龙门山崛起，川西再生前陆盆地继承性发展；龙门山推覆构造带断块继续隆生向东南推覆，彭县断裂不断向西南延伸扩展[26]。该时期研究区继续发育一系列顺层的低角度剪切裂缝和主要受彭县断裂影响的构造裂缝，裂缝走向包括NE—SW向、近E—W向及NW—SE向。低角度裂缝缝面两侧存在剪切滑动，缝面上见到的微小陡坎和划痕的形成与构造挤压作用下断层的逆冲作用或层间滑动造成的近水平剪切作用有关（图2-d）。该期裂缝缝面有溶蚀现象，裂缝多被有机质充填或无充填，有效性较好，裂缝被后期无充填裂缝切割或限制后期裂缝发展。

3.3.4 第4期：喜马拉雅期

进入喜马拉雅期，受南北大陆的持续汇聚作用及印度大陆向北碰撞和向东的推挤，龙门山强烈隆升，冲断推覆与右行走滑，川西坳陷区强烈上隆褶皱，进入以剥蚀为主的发展阶段；喜马拉雅晚期，龙门山区继续强烈抬升，逆冲推覆、滑覆，遭受剥蚀[26]。在该构造作用下，形成了以NE—NEE向及近E—W向为主的高角度构造裂缝及低角度剪切裂缝（岩心可见高角度构造缝限制低角度缝现象），绝大多数裂缝为有效裂缝，薄片可见存在两期无充填构造裂缝相互切割或限制（图5-c）。

图9 雷四段储层溶蚀作用期次及构造裂缝形成期次序列图

综上所述，根据确定的成岩裂缝和构造裂缝形成期次，结合该区埋藏史及成岩演化等研究成果，绘制了雷四段储层裂缝形成期次序列图（图9）。从图9中可以看出，多期构造裂缝与溶蚀孔缝的主要形成时期相互穿插，不同期次、不同类型的裂缝在储层中总体上表现出相互切割、限制及各期裂缝有效性存在差异性的特征，形成了储层中较为复杂的裂缝系统。其中第1期和第2期构造裂缝在形成以后，经历了第3期埋藏溶蚀作用，使部分构造裂缝发生溶蚀改造，形成构造—溶蚀缝，提高了裂缝渗流能力，对改善储层物性具有积极影响。

4 结论

1）四川盆地龙门山前构造带雷四段碳酸盐岩储层主要发育构造裂缝和成岩裂缝两种成因类型，其中构造裂缝包括张性裂缝和剪切裂缝，以低角度剪切缝为主，高角度缝的有效性明显好于低角度缝和斜交缝；成岩裂缝包括溶蚀缝、构造—溶蚀缝以及缝合线。构造裂缝规模大、延伸范围广，对气藏开发具有重要影响；成岩裂缝规模相对较小，对改善储层局部物性具有积极意义。

2）溶蚀裂缝主要在准同生期溶蚀作用、古表生期溶蚀作用及埋藏期溶蚀作用下形成，可识别出3期；构造裂缝主要在印支晚期第二幕川西构造反转挤压条件下，印支晚期第三幕—燕山早中期、燕山中期—燕山晚期龙门山和喜马拉雅期龙门山构造带持续演化下北西向推覆挤压应力作用下形成，可识别出4期。

3）构造裂缝与成岩裂缝在各主要形成时期相互穿插、相互切割、限制，形成了储层中复杂的裂缝系统。