窄河道致密砂岩气藏的断层有效性评价<br/>——以中江气田沙溪庙组为例

窄河道致密砂岩气藏的断层有效性评价
——以中江气田沙溪庙组为例

2020-05-07顾战宇彭先锋邓虎成

科学技术与工程 2020年8期

顾战宇, 彭先锋, 邓虎成

(1.中国石化股份有限公司西南油气分公司，成都 610041；2.成都理工大学能源学院，成都 610059)

中国致密砂岩气藏资源丰富，川西探区陆相致密砂岩天然气地质资源量为1.83×104亿m3，累计探明天然气地质储量为5 572.3亿m3，川西探区陆相致密砂岩具有较大的勘探和开发潜力[1]。同时由于致密砂岩储层的物性差、非均质性强、含水饱和度高、单井产能低、产量递减快，该类气藏的勘探开发同样面临着巨大的挑战[2]。川西探区中江气田沙溪庙组气藏勘探始于1995年[3]，川泉181探井在沙溪庙组钻遇油气层，天然气日无阻流量为1.5万m3，从而拉开了中江气田致密砂岩气藏开发的序幕。截至2018年底，累计提交探明储量为323.23亿m3，该气藏共计投产91口井，产能为203×104m3/d。中江气田沙溪庙组气藏为复杂的致密砂岩气藏，勘探开发难度比常规致密砂岩气藏大，且中外尚无可借鉴的开发经验[4-6]。

中江气田沙溪庙组气藏是以断层为主要运移通道的远源次生气藏，断层既是气藏成藏的基础，又是油气散失的通道[5,7]。中江气田沙溪庙组气藏远离烃源岩，深部烃源岩演化生成的天然气要进入中浅层的河道砂(主要的储层砂体)中聚集成藏需要经过纵向上长距离的运移才能形成[8-9]。因此天然气需要经运移通道才能聚集成藏，断层的发育恰恰成为了天然气运移的通道[10]。同时，气藏内的断层导致储层的地球物理特征隐蔽性强、预测难度大[11]。目前中外专家们越来越重视断层在油气成藏中的双重作用，尤其是断层的有效性，从两盘岩性是否对接来判断断层的有效性已经不能满足要求。已有国外学者从断层带内部结构角度利用断层岩封闭能力来研究断层的有效性，并初步建立一套断层侧向封闭性的评价方法[8-12]。然而，这种方法是基于国外断层野外剖面和油田测试资料建立的，由于国内外在断层活动时间、规模和地层岩性等客观差异的存在，该评价方法并不一定适用于中国的断层有效性评价，目前也缺乏在国内油田的实际应用实例。因此，基于中国地质构造研究断层有效性(即“断-砂”的配置关系)，不仅对精细描述及定量评价中江气田沙溪庙组气藏有重大意义，而且对开展适合于中国断层有效性评价方法研究具有重要意义。

1 区域地质特征

中江气田位于四川省德阳市中江县西侧(东经104°21′～104°52′，北纬30°35′～31°35′)；西南面与成都市相接，相距45 km；西面与德阳市相连，相距7 km；北面与绵阳市相连，相距7 km。中江气田平均孔隙度为8.6 %，平均渗透率为0.19 mD，沉积河道窄，仅有0.5～1.0 km，储层厚度薄(5～30 m)，相比中外的常规致密砂岩气藏，具有储层非均质性强的特征，勘探开发难度大。

1.1 构造特征

中江气田的区域构造位置处于四川盆地川西坳陷中段东部斜坡与川中古隆起的过渡带内[12]。构造的西方为石泉场构造、东为金华镇鼻状构造，北为黄鹿向斜、南为中兴场向斜[13]。由于研究区受南部龙泉山大断裂影响，研究区内发育多条小断距断层[14]。

中江气田的面积为2 350 km2，主要有高庙子、丰谷、永太、中江及回龙4个区块，涉及合兴场—丰谷北东东向构造带和中江斜坡带2个构造区带[15-17]。研究区主体受燕山期、喜山期构造运动影响，主要的断层主要分布在合兴场和知新场构造区域内，F1-1、F1-2、F2、F3、F4、F6、F9共计7条断层，断层走向均为南—北向(图1)。

1.2 储层特征

1.2.1 岩石学特征

中江气田沙溪庙组砂岩的颜色以浅灰色、灰色、浅绿灰色以及绿灰色为主，岩性主要为细-中粒岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩(图2)。其中沙溪庙组的岩屑砂岩含量较少，岩屑石英砂岩及长石砂岩更少，只有极少量的长石石英砂岩(只有一个样品)，无石英砂岩。中江气田沙溪庙组砂岩整体表现出富长石、贫岩屑、低石英的“一高两低”特点，其中长石含量F高(平均28.9%)，岩屑含量R低(平均21.6%)，石英含量Q低(平均48.9%)，Q/(F+R)平均为1.08，F/R平均为1.51，成分成熟度偏低(表1)。

1.2.2 物性特征

如表2所示，中江气田沙溪庙组气藏砂岩孔隙度介于0.9%～15.33%，主峰位分布在7%～13%，平均8.66 %；渗透率为0.000 8～1 910 mD，平均2.15 mD；砂岩基质渗透率为0.000 8～1.75 mD，呈双峰分布，主峰位分别为(0.04～0.08)×10-3μm2(占20.4 %)和(0.1～0.3)×10-3μm2(占34.4 %)，平均0.21 mD。沙溪庙组储层的孔渗具有正相关性，为低孔低渗的孔隙性储层。

图1 中江气田沙溪庙组顶面构造图(F6和F9未出露沙溪庙组)Fig.1 Top structure of Shaximiao formation in Zhongjiang gas field (F6 and F9 did not appear in Shaximiao Formation)

Ⅰ为石英砂岩；Ⅱ为长石石英砂岩；Ⅲ为岩屑石英砂岩；Ⅳ为长石砂岩；Ⅴ为岩屑长石砂岩；Ⅵ为长石岩屑砂岩；Ⅶ为岩屑砂岩；沙溪庙组气藏(JS)按沉积旋回分为沙一气藏(JS1)、沙二气藏(JS2)和沙三气藏(JS3)图2 中江气田沙溪庙组岩石类型三角分类图Fig.2 Triangular classification of rock types of Shaximiao Formation in Zhongjiang gas field

2 断层的特征和识别

中江气田沙溪庙组气藏的构造复杂，断层发育[18]。结合中江气田构造演化特点和已知的断裂发育情况，采用三维地震构造解释方法研究断层。同时，基于断裂在地震上的响应现象，综合应用相干体、三维地震切片和断层分期组合技术识别工区内7条主要断层的特征。其中，断层走向为近南-北向、东倾的逆断层为F1-1，该断层延伸长度达21.02 km，断距为50～80 m，断层形成于燕山早中期，定型于喜山期。断层F1-2形成于燕山末期。断层受喜山期北西向应力作用形成南北向断层，断层方向和知新场构造方向平行[19]，东倾逆断层，断层断距相对较小，仅有30～50 m。延伸长度较长，达到25.26 km。F2断层位于知新场长轴断背构造的东边，形成于燕山期，定型于喜山期。该断层最大断距为200 m，延伸长度为34.75 km，是知新场构造圈闭的主控断层。F3断层形成于燕山中晚期，定型于喜山期。该断层的深层断距较大，而浅层断距较小(20～280 m)，区内延伸长度为4～34.2 km，断层上部被F2断层所切割。F4断层走向为北东向，断层倾角较缓，平面延伸长度达25.06 km。该断层形成于燕山期，受到喜山期构造运动改造。F6断层的走向为北北东向，倾向北西向，断距最大达到700 m，最小200 m，工区范围内延伸长度达到10.36 km。F9断层是原F6断层的浅层部分，F9断层平面上延伸距离延伸最长，达到了42.32 km，走向近南北向，西倾逆断层，断距为20～200 m。

2.1 断层的断点

表1 中江气田沙溪庙组砂岩骨架颗粒成分统计Table 1 Particle composition of sandstone skeleton of Shaximiao Formation in Zhongjiang gas field

表2 中江气田沙溪庙组致密砂岩气藏与国内外同类气藏的对比Table 2 Comparison of tight sandstone gas reservoirs of Shaximiao Formation in Zhongjiang gas field with similar gas reservoirs

注：φ为孔隙度；K为渗透率。

在江沙9井岩芯观察中，在2 384.17～2 387.62 m的取芯段中，见到了证明断层存在的明显标志——阶步与擦痕，其中阶步中有方解石充填，同时高角度裂缝发育，多处呈网状结构(图4)，可以说明在取芯段钻遇断层。

GR为自然伽马测井；AC为声波时差测井；RD为深双侧向电阻率测井；RS为浅双侧向电阻率测井图3 川江186井-江沙9井-川泉181井的地层对比Fig.3 Stratigraphic comparison of wells in Chuanjiang 186 well Jiangsha 9 well Chuanquan 181 well

图4 岩心的阶步、擦痕、裂缝、破碎带等现象Fig.4 Steps, scratches, cracks, broken belts, etc. on the core

2.2 断层破碎带

由于地质构造运动的特点，岩层通常沿相同的方向挤压或剪切，进而岩层之间产生断层破碎带。因此，断层破碎带是单位岩石体积内具有组系特征、交叉分布的断层滑动面以及相对应的两侧地质体的集合[20]。断层角砾岩和断层泥可作为识别断裂破碎带的标志。其中，断层角砾岩一般出现在破裂带中间，角砾岩的发育使得断裂带内孔渗性变好，断层连通性增强。断层泥主要是应力集中部位的岩石磨碎而成。断层泥的出现，一方面增加了断裂带的孔隙度和渗透率，另一方面降低了断层的连通性。

岩心观察可知：研究区内断层角砾岩、断层泥和滑动面等断层地质特征发育。如江沙9井2 385.27～2 385.57 m，岩芯中见破碎带中的泥质粉砂岩角砾和断层泥，断层滑动面阶步和擦痕发育，可见次生方解石晶体充填，同时有良好含气显示。川合118井2 681.27 m位置见光滑、平整的镜面特征，为典型的滑动摩擦面(图5)。

图5 岩芯上的断层角砾岩、断层泥和断层摩擦镜面等现象Fig.5 Phenomena of fault breccia, fault mud and fault friction mirror on the core

2.3 诱导裂缝带

诱导裂缝带位于断裂滑动破碎带和正常围岩之间的过渡地带，主要分布在断层两侧有限区域或断层末端应力释放区，诱导裂缝带的分布范围较大，为1～1 000 m。诱导裂缝带未出现完全破碎现象，仅在局部发生破裂，其岩石仍然具有原始岩石特征。诱导裂缝带以发育多种类型的裂缝为主要特征。

在江沙9井岩芯观察中共统计出高角度裂缝27条，低角度裂缝19条，高角度缝多为构造缝，低角度缝多为沉积缝，其中张开缝12条，半填充缝20条，填充缝14条，填充物多为钙质和泥质，江沙9井岩芯观察到一组水平缝、两组高角度缝以及网状缝，且往往是高角度缝切割早期发育的水平缝或高角度共轭剪切缝相互切割呈网状结构。由断层核部向边部，裂缝发育强度逐渐减弱，裂缝产状逐渐由网状/高角度缝+水平缝发育变为水平缝发育，预示断层输导体的运移通道有可能以构造剪切形成和改造后的裂缝系统为主。高角度构造缝的发育为天然气垂向运移提供了有利的通道，低角度沉积缝则是天然气侧向运移的有利通道(图6)。

SP为自然电位测井;GR为自然伽马测井；AC为声波时差测井；RT为地层真电阻率图6 江沙9井诱导裂缝带岩芯观察综合柱状图Fig.6 Core observation comprehensive histogram of the fracture zone of Jiangsha 9 well

2.4 断面的形态

断层面形态差异对断层内部流体运移的方向起到重要控制作用，对断层面形态特征的研究具有重要意义。断层面形态空间上的不一致性主要通过其走向上断层面形态的起伏差异来体现的。走向上，根据断层面埋深程度的不同，断面的形态可划分为3类(图7)。①平整型的断层面。该类是理想化的断层面，油气在其内部运移方式简单。油气从断层的底部开始沿着断层面平行方向向断层的顶部运移，不存在优势运移路径问题。②凸起型的断层面。凸面断层形成了垂向上的油气优势运移通道，③下凹型的断层面。该种类型不适合油气的运移，凹面断层使油气在沿着断层面向上运聚时呈分散的发散状运移[21]。另一方面，凹面断层的上方与砂体的接触体积较大，有利于油气往侧向的有效砂体运移；凸向断层的上方与砂体的接触体积较小，不利于油气往侧向的快速砂体运移[22]。

图8 中江气田沙溪庙组断层断面正压力形态图Fig.8 The normal pressure pattern of the fault section of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

基于三维地震解释的断层数据，利用速度场进行“时深转换”，将时间域的地震解释成果转化为深度域的断面形态图。应用井震结合地层构造图对比和校正断面形态图，确保断面形态图和地层构造图的深度耦合。应用上述方法完成了F1-1、F1-2、F2、F3、F4、F6、F16等7条断层的断面形态图。下面以F1-1、F3和F4这3个重要的断层为例进行说明。如图8所示，F1-1断层的断面近似于平整型，在测线L3200至测线L3600段，断面形态表现为明显的上凸型，断层在这段能形成良好的垂向运移通道，在测线L3600以北段，断面形态又表现为平整型。F1-1断层从南至北油气都以垂向运移为主，形成了垂向优势运移途径。纵向上，位于中江构造带内的F3断层由南到北坡度变化不大，近似于平直型。走向上，在L3400以南段，断面形态主要表现为平整型，油气由下往上推进，断层两侧遇到良好储层可形成油气藏。L3400至L3800段，断面形态表现为上凸型，形成垂向的优势运移通道。L3800以北段，断面形态又以平整型为主。F4断层位于工区南侧，在合兴场-丰谷构造带中，是高庙子-丰谷地区天然气的重要运输通道。纵向上，断层随着深度的变化坡度基本不变，表现为平直型。走向上，整个断层也近似于平整型，局部出现一些小凹型或者上凸型，整体上油气由断层底部往上平行推进，在断层两侧与砂体匹配较好处，油气聚集成藏。

3 断层有效性评价

3.1 断面与砂体匹配关系

中江气田沙溪庙组为一套在三叠系盆地之上沉积的陆相碎屑岩，气藏为远源气藏，天然气主要来源于其下部的须五段、小塘子组和马鞍塘组的烃源岩层，通过烃源断层向上运移到达储集层[24]。沙溪庙组烃源断层与两侧砂体匹配关系的研究，能够更好地认识已发现的气藏与烃源断层两侧砂体的关系，指导该区的天然气勘探开发。

3.2 断层封闭/连通性

开启的断裂是油气藏中油气垂向运移的重要途径[25]。中江气田断层较为发育，断层断开层位较深，同时多数深大断裂为通天断层，在断裂相对发育的构造区发现天然气藏较多，断层不发育的构造区天然气藏发现很少或者基本没发现天然气藏。本次研究采用计算断面正压力法分析研究区内几条重要断层进行封闭/连通性。

3.2.1 断面正压力法的理论依据

断面压力是评价断层在垂向上封闭或者连通的重要因素，断面压力越大，断层的垂向封闭性越好，反之越差[26]。断面埋深、断面倾角是断面压力大小的主要控制因素。埋深越大，断面压力越大，断面的紧闭性越高；倾角越缓，断层面所受到的正压力就越大，断面的紧闭性越高，断层的垂向封闭性越好；反之越差[27]。区域性的主压应力会对断层的连通性有影响，区域性的主压应力越大，与断层的交角越接近90°，对断层面的压力越大，断层紧闭程度越高，垂向封闭性越好，反之则越差[28]。

3.2.2 断面正压力计算原理及数据来源

由于地层孔隙水的静水压力对断层不产生有效作用(断层上部位的地层孔隙水产生的静水压力被断层下部位的地层孔隙水产生的静水压所抵消)，因此，断层只受上覆地层岩石的骨架重力作用。基于以上假设，可以用断层面所受到的正压力值来度量断层面的封闭程度。据文献[29]可知计算公式为

P=H(ρr-ρw)×0.009 876cosθ

(1)

式(1)中：P为断面正压力，MPa；H为断层断面的埋藏深度，m；ρr为上覆地层的平均密度，g/cm3；ρw为地层水密度，g/cm3；θ为断面倾角，(°)。

由式(1)可知，断面承受正压力强度主要与深度和断层倾角相关。在构造应力一定的情况下，断面正应力的大小主要取决于断面埋深和断面倾角，埋深越大，倾角越小，正压力就越大，反之亦然。基于前人研究成果[30]以及四川盆地其他层位或地区正应力评价成果，结合研究区的实际地质背景，制定中江气田沙溪庙组断层断面正压力划分评价标准，如表3所示。

表3 中江气田沙溪庙组断层断面正压力划分标准Table 3 Evaluation criteria for positive pressure of fault,Shaximiao Formation, Zhongjiang gas field

3.2.3 研究区内断面正压力计算结果

工区内断层一般埋深都比较深，断层相对平缓，断层倾角较小，断面正压力一般比较大[31]。其中F1-1断层南北两端较陡，中部较平缓，断面正压力随着深度变化从下到上减小，最大为五十多兆帕，最小为十几兆帕(图8)。断层整体封闭性较差，断层中部有利于天然气侧向运移成藏，由试井数据可知，合兴场-知新场构造带在沙溪庙组CX623井、XC27井有含气层。F3断层南端埋深大，断面正压力大，达到了六十多兆帕，北段埋深浅，断面正压力相对较小，为四十多兆帕(图8)。断层中部为中江-回龙构造带，断层在中部最为平缓，断层在沙溪庙组与砂体能够构成很好的匹配关系，有利于油气侧向运移成藏，由试井数据可知，中江地区在沙溪庙组江沙9、ZJ12、JS2等井都有含气层，F3断层在北端封闭性较好，中部和南侧封闭性较差，中部砂体与断层匹配较好处天然气聚集成藏。F4断层断面形态为平整，断面正压力随着深度的变化从下到上逐渐减小，最大值达到了五十多兆帕，最小值为二十多兆帕(图8)。断层整体封闭性相对较差，天然气由须家河组烃源岩通过F4断层垂向运移到沙溪庙组成藏，由试井数据可知，高庙子-丰谷构造带在沙溪庙组GM31、GS304等井都有含气层。

3.3 断-砂-源匹配样式及控气作用

基于地理信息系统(gecoraphic inpormation system, GIS)软件的叠合显示、坐标统一两项功能，首先，精确标定“断层面与砂体平面图”中含油气砂体的空间位置；然后，组合天然气优势运移路径图、气水分布图和标定后的砂体分布图；最后，根据“断-砂-源”匹配程度划分“断-砂-源”的匹配类型，共计3大类。其中，断面优势通道类型为汇聚型，并且源岩的厚度大、生烃强度大于20划分为①类；断面优势通道类型为汇聚型，但是源岩的厚度较小，生烃强度小于20划分为②类；断面优势通道类型为发散型划分为③类。统计研究区内“断-砂-源”匹配类型和对应的含气类型可知：从①类直到③类，含工业气流的砂体数量和规模逐渐减少，甚至有不含气砂体出现；从匹配类型角度来说，①类为最好的匹配类型，②类匹配效果次之，③类为匹配效果最差的类型。通过以上分析可知，良好的“断-砂-源”匹配方式对该地区油气成藏具有重要意义(图9)。