滨里海盆地东缘构造缝形成期次及低角度构造缝成因

2019-07-26李长海李建新王淑琴李伟强

特种油气藏 2019年3期

李长海，赵伦，李建新，王淑琴，李伟强

(中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

0 引言

裂缝是碳酸盐岩储集层重要的渗流通道，对碳酸盐岩油藏开发至关重要[1]。与非构造缝相比，构造缝渗流能力强且连通性好，对油气产能影响更大。因此，构造缝的研究一直是诸多学者关注的热点问题。但同一研究区受构造运动的影响往往发育多期构造缝，不同期次的构造缝在产状、充填等方面通常具有不同的特征，对油田开发的影响差异巨大。前人对构造缝期次做了诸多的研究和探索[2-8]，其研究方法可概括为2种：一种是基于对岩心、露头等的观察确定裂缝期次；一种是利用裂缝充填物包裹体分析和声发射实验等实验方法确定裂缝的期次。

中亚地区滨里海盆地东缘的北特鲁瓦油田是中国石油重要的海外作业区块之一，自2013年注水开发以来受构造缝的影响水窜问题突出，而研究区低角度构造缝较发育，使得裂缝预测极其困难，难以进行有效注水开发。目前发现的大部分油田主要发育高角度构造缝，前人对构造缝问题的研究多集中在对高角度构造缝的识别、表征、成因和预测等方面[9-13]，对低角度裂缝关注较少。前人对北特鲁瓦油田的报道主要集中于沉积和储层方面[14-17]，未见对研究区裂缝问题的相关研究，研究区低角度构造缝成因目前尚不清楚。由于地层等信息的干扰，低角度缝在地震资料上难以识别，而岩心和成像资料只能提供小尺度低角度构造缝单井上的信息，缺乏有效预测研究区低角度构造缝分布的手段。因而，揭示低角度构造缝的成因机理，对预测低角度构造缝分布及注水开发方案的制订具有重要意义。基于阴极发光薄片、岩心和成像测井等资料，综合运用观察法和声发射实验等实验分析方法，明确了构造缝发育的期次，并结合研究区构造演化史，揭示了研究区低角度构造缝的成因，为下一步裂缝预测及油田开发措施方案调整提供了依据。

1 地质背景

北特鲁瓦油田位于哈萨克斯坦西部，构造上属于滨里海盆地东缘延别克—扎尔卡梅斯古隆起与乌拉尔褶皱带之间的东南部坳陷带，属于背斜油藏(图1)。二叠系孔谷阶的盐岩层将研究区的油气组合分为盐上和盐下2套地层，此次研究目的层KT-Ⅰ层位于盐下。研究区在石炭纪时期位于东欧地台东缘，为低纬度的热带或亚热带潮湿气候条件下的正常海水沉积环境，海相生物丰富，以台地碳酸盐岩沉积为主，沉积相复杂，发育了蒸发台地、局限台地和开阔台地相的沉积[18]。岩性较复杂，灰岩、白云岩和过渡岩性均比较发育，其中灰岩约占53%，白云岩约占47%。研究区断层极其发育，KT-Ⅰ层共发育断层13条，以北东—南西走向为主。与断层伴生的裂缝较发育，以裂缝-孔隙型储层为主。

2 构造缝特征

根据岩心观测结果，北特鲁瓦油田石炭系KT-Ⅰ层构造缝以剪切缝为主，具有缝壁平直光滑，延伸较远，产状稳定的特征。将研究区构造缝按倾角分为低角度缝(0～30 °)、斜交缝(30～60 °)和高角度缝(60～90 °)3种类型分别进行统计。结果显示，3种类型的构造缝在研究区均比较发育，其发育比例依次为39.64%、23.27%和37.08%(表1)。按充填程度可以将裂缝分为未充填缝、部分充填缝和全充填缝，北特鲁瓦油田构造缝充填程度较弱，以未充填缝为主，比例高达77.55%，部分充填缝和全充填缝发育比例分别为17.86%和4.59%(表1)。充填物90%以上为泥质充填，存在部分方解石、沥青质、白云质和硅质充填。岩心构造缝以中等规模为主，裂缝开度范围主要为0.1～1.0 mm，裂缝长度范围以0.0～20.0 cm为主(表1)。研究区构造缝较发育，取心段平均构造缝线密度高达1.12条/m。

图1 滨里海盆地东缘北特鲁瓦油田构造位置

表1 北特鲁瓦油田KT-Ⅰ层裂缝发育特征统计

3 构造缝形成期次

不同期次裂缝具有不同的发育特征，裂缝期次的研究对于油田的开发具有重要意义。综合使用观察法和实验法确定裂缝期次，为下一步明确裂缝分布规律，制订和调整开发方案提供基础。

3.1 观察法确定构造缝期次

观察法是裂缝期次研究最直接的方法,该方法是通过对阴极发光薄片上裂缝充填物期次的分析以及岩心和成像测井资料上不同裂缝相互切割关系的观察，从而确定裂缝发育的期次。阴极发光薄片资料可以确定裂缝充填物的充填时期，从而间接推断裂缝形成的期次[19]。一般而言，裂缝形成时间越早充填作用也越早。阴极发光薄片观察结果显示，充填的方解石可以分为3期:一期不发光(图2a)，一期昏暗发光(图2b)，一期明亮发光(图2c)。不发光是在氧化环境下形成的，反映埋深较浅的特征；明亮发光是埋藏成岩的早期至中期阶段还原条件下形成的；昏暗发光通常为埋藏成岩作用中期至晚期阶段形成的胶结物或交代物[20-23]。3种不同的发光特征反映了充填作用发生时埋深逐渐加深的特征。从岩心和成像测井上，可以观察到裂缝的切割关系，可以简单概括为以下特征：①高角度缝切割斜交缝和低角度缝，反映了高角度缝形成时期最晚的特征(图2d—g)；②斜交缝切割低角度缝，反映了斜交缝形成时期晚于低角度缝的特征(图2d—g)。

3.2 裂缝充填物包裹体研究裂缝期次

裂缝中与充填物一起形成的原生包裹体的温度可以有效推断裂缝形成的期次。选取研究区CT-22井石炭系KT-Ⅰ层中7块样品(裂缝充填物均为方解石)的19个测试点进行均一温度测试。测试结果显示，研究区构造缝形成期次可分为3期：第1期形成的包裹体均一温度为70～76 ℃，第2期形成的包裹体均一温度为90～100 ℃，第3期形成的包裹体均一温度为110～115 ℃(表2)。研究区古沉积环境为热带或亚热带的正常海水环境，取古地表温度为30 ℃，古地温梯度为0.03 ℃/m进行计算，3期流体包裹体对应的深度分别为1 333.33～1 533.33 m、2 000.00～2 333.33 m、2 666.67～2 833.33 m。由于流体充注时间晚于裂缝形成时间，因而裂缝形成深度均略小于3期流体包裹体的计算深度。CT-22井KT-Ⅰ层当前顶、底埋深分别为2 298.00、2 714.50 m，与使用流体包裹体计算的深度吻合较好，说明了流体包裹体计算深度的可靠性。

图2 北特鲁瓦油田KT-Ⅰ层薄片、岩心及成像测井上构造缝发育特征

表2 北特鲁瓦油田石炭系KT-Ⅰ

3.3 声发射研究裂缝期次

岩石的应力达到过去已施加的最大应力时，声发射明显增加的现象称为岩石的Kaiser效应。利用Kaiser效应就可推知岩石在地下受到的古构造应力场的强度及裂缝形成的期次[24-25]。Kaiser效应点的个数一般反应岩石形成至现今所经历的最少的应力作用次数。通过对北特鲁瓦油田KT-Ⅰ层13块样品进行声发射实验，利用Kaiser效应点个数判断岩石经历的最少应力作用次数，结果显示，13块样品均存在4个明显的效应点(图3)。除去现今构造运动的影响，研究区共经历了3期的构造破裂作用：第1期裂缝相当于Kaiser效应点3，古地应力的最大有效主应力为34.4 MPa；第2期相当于Kaiser效应点2，古地应力的最大有效主应力为42.4 MPa。第3期当于Kaiser效应点1，最大有效古地应力为52.2 MPa。

4 低角度构造缝成因

通过观察法和实验法的分析，可以确定研究区发育了3期的构造缝：第1期以低角度缝为主，形成时埋深较浅，充填较早，阴极发光特征以不发光为主，古地应力的最大有效主应力为34.4 MPa；第2期以斜交缝为主，存在部分充填缝，阴极发光以昏暗发光和明亮发光为主，古地应力的最大有效主应力为42.4 MPa；第3期以高角度缝为主，几乎未充填，古地应力的最大有效主应力为52.2 MPa。上述研究表明，不同期次的构造缝倾角特征不同，基于成像测井资料统计了不同倾角裂缝的走向，统计结果显示研究区3期构造缝均以北东—南西方向为主(图4)。

裂缝的发育程度均受到构造运动的控制，每期裂缝均能反映构造运动的情况。前人对研究区的研究表明，研究区共有3次大的构造运动：①早二叠纪构造运动导致地层西高东低的构造格局，并产生了断层(图4b)；②晚二叠纪构造运动加剧西高东低的规模(图4c)；③三叠纪构造反转运动导致东高西低的地层构造格局(图4d)。裂缝发育的期次与构造运动吻合较好，证实了裂缝期次研究结果的可靠性。

北特鲁瓦油田低角度构造缝较发育，结合裂缝期次特征和构造运动背景，明确了低角度构造缝的成因，可建立研究区低角度构造缝的发育模式：早二叠纪的构造运动产生了早期高角度构造缝，随后晚二叠纪使早期高角度构造缝发育程度得到加强，而三叠纪的构造运动产生地层反转，从而使早二叠纪的高角度构造缝和晚二叠纪构造运动改造的高角度构造缝随地层发生了整体变化，从而形成了研究区低角度构造缝(图4b—d)。