准噶尔盆地南缘侏罗系深层致密砂岩储层裂缝及其有效性

毛 哲，曾联波，刘国平，高志勇，田 鹤，廖 青，张云钊

[1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.中国石油 勘探开发研究院 实验研究中心，北京 100083]

准噶尔盆地南缘是中国最早开始油气勘探的地区之一[1]，在近60年的勘探历程中先后发现了独山子油田、齐古油田、呼图壁气田、卡因迪克油田和玛纳斯气田等，油气储量丰富，具有良好的勘探前景。大量的野外勘查、地震解释和成藏分析等结果表明，准噶尔盆地南缘以侏罗系为主体的下成藏组合具备大型油气田形成的条件[2-3]。该区侏罗系的埋藏深度大多数超过4 500 m，属于深层范畴[4]。深层储层多伴随有强烈的压实作用和胶结作用，其物性通常较差，基质孔隙度和渗透率低。近年来，学者们对川西坳陷、库车坳陷等前陆盆地的深层致密砂岩储层裂缝进行了大量研究，其结果显示有效裂缝的渗透率是基质渗透率的10～1 000倍，控制着优质储层的分布和油气富集[5-14]。

侏罗系是准噶尔盆地南缘目前油气勘探的重要目标，其储层平均孔隙度为6.7%，空气渗透率大部分小于1×10-3μm2，为典型的致密储层。强烈的构造作用使得准噶尔盆地南缘天然裂缝发育，而针对研究区侏罗系储层中天然裂缝发育特征、主控因素及有效性的研究尚处于空白，严重阻碍了该区油气勘探进程。本文在分析准噶尔盆地南缘不同构造单元侏罗系深层致密砂岩储层裂缝特征的基础上，对裂缝形成的控制因素进行了深入的探讨，并结合实验对深层致密砂岩储层裂缝的有效性进行了研究，可为准噶尔盆地南缘侏罗系深层致密砂岩储层勘探开发提供有利依据。

1 地质概况

准噶尔盆地南缘位于天山以北，北接中央坳陷，西邻车排子凸起，东至阜康断裂带，东西约500 km，南北约100 km，整个研究区占地3.66×104km2(图1)。准噶尔盆地是一个陆相沉积的前陆盆地，其基底是在前寒武纪结晶基底基础上叠加晚海西期的褶皱基底，具有“二元”结构特征[15-18]。三叠纪以来准噶尔盆地南缘共经历了3期构造运动，在侏罗纪的早燕山运动中属于伸展断陷-压扭盆地，在白垩纪—古近纪的晚燕山运动中属于陆内拗陷盆地，在新近纪—第四纪的喜马拉雅运动中属于陆内前陆盆地[19]，并最终形成了 “东西分段、南北分带”的构造格局。侏罗系从下到上依次发育八道湾组、三工河组、西山窑组、头屯河组、齐古组和喀拉扎组，其中八道湾组、三工河组和西山窑组组成的水西沟群为一套河流-沼泽相沉积，岩性以砂岩、砂砾岩与灰绿色泥岩、煤层互层为主，地层厚度在770～3 830 m；而头屯河组、齐古组和喀拉扎组组成的艾维尔沟群为一套辫状河-冲积扇相沉积，下部岩性为灰绿色砂泥岩互层，上部岩性为紫红色砂岩和砾岩，整体厚度为780～2 465 m[20-21]。

图1 准噶尔盆地南缘构造单元划分Fig.1 Diagram showing the division of the tectonic units at the south margin of the Junggar Basina.准噶尔盆地构造；b.准噶尔盆地南缘构造

准噶尔盆地南缘是准噶尔盆地的重要含油气区，侏罗系致密砂岩储层是其油气勘探的重要目标。薄片镜下观察结果显示，侏罗系致密砂岩主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩(图2a,b)，部分地层中岩屑含量占30%以上(图2d)，且塑性岩屑含量高，颗粒分选中等(图2c,e)，磨圆较差，成分和结构成熟度低。砂岩储层的储集空间主要为粒内溶孔、粒间溶孔、裂缝以及原生孔隙。由于较低的结构和成分成熟度以及塑性岩屑含量较高导致储层抗压能力差，在持续深埋和强烈的构造挤压条件下，原生孔隙迅速减少、储层变得致密，裂缝成为改善储层的重要因素[22]。

2 裂缝特征

2.1 裂缝类型

根据野外露头、岩心和薄片资料，按照地质成因分类，准噶尔盆地南缘侏罗系深层致密砂岩储层发育构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝3种类型，其中构造裂缝是主要的裂缝类型。构造裂缝的产状较稳定，其延伸具有明显的方向性，多以单条或成组出现，其尾端通常表现出折尾、菱形结环或树枝状等特点。成岩裂缝通常顺层面分布，缝面不规则，表现为弯曲、断续或尖灭，易被有机质充填，在层理发育的岩层中相对发育(图3a)。异常高压裂缝产状不稳定，易被方解石等充填，单条裂缝表现为中间宽两端窄，裂缝发育规律性较差。

构造裂缝包括高角度剪切裂缝、高角度张裂缝和低角度剪切裂缝3种类型。高角度剪切裂缝(60°<倾角<80°)延伸远，缝面光滑有明显擦痕或阶步(图3b)，常以雁列式排列，多表现为贯穿岩石和矿物颗粒(图2b)。高角度张裂缝多与层面近垂直相交，裂缝延伸较短、开度较大、易被充填，缝面粗糙无明显擦痕(图3c)，多表现为绕过岩石和矿物颗粒(图2f)。低角度剪切裂缝(10°<倾角<30°)主要发育于泥岩和粉砂质泥岩中，裂缝延伸较远，缝面光滑，具有明显擦痕(图3d)。

图2 准噶尔盆地南缘侏罗系不同剖面致密砂岩显微特征Fig.2 Microphotos showing the characteristics of differnet Jurassic tight sandstones at the south margin of the Junggar Basina.八道湾组，长石岩屑砂岩，正交光，安集海河剖面；b.三工河组，岩屑长石砂岩，正交光，玛纳斯河剖面，红色箭头指示裂缝所在位置；c.西山窑组，长石岩屑砂岩，正交光，四棵树剖面；d.头屯河组，岩屑砂岩，正交光，头屯河剖面；e.齐古组，长石岩屑砂岩，正交光，安集海河剖面；f .喀拉扎组，岩屑长石砂岩，单偏光，呼图壁河剖面,红色箭头指示裂缝所在位置

2.2 裂缝组系

在准噶尔盆地南缘侏罗系致密砂岩储层中主要发育NNE-SSW，NNW-SSE，NEE-SWW和NW-SE向4组裂缝，而在准噶尔盆地南缘中段主要发育NNE-SSW，NEE-SWW和NW-SE向3组裂缝，NNW-SSE向裂缝不发育(表1)。在准噶尔盆地南缘中段这3组裂缝表现出明显分期特征(图4 )：A组裂缝有矿物充填，裂缝延伸远，裂缝走向为80°；B组裂缝未被矿物充填，其走向为325°；C组裂缝无矿物充填，裂缝走向为35°，裂缝延伸短且明显被限制在A和B组裂缝之间。因此，根据裂缝之间的切割限制关系及裂缝充填性可以判断，NEE-SWW向裂缝(A组)最早形成，其次形成的是NW-SE(B组)向裂缝，NNE-SSW(C组)向裂缝最晚形成。

图4 准噶尔盆地南缘头屯河剖面三工河组裂缝Fig.4 Photo showing the fractures in the Sangonghe Formation on the Toutunhe section at the south margin of the Junggar BasinA.裂缝被充填，走向为80°；B.裂缝未充填，走向为325°；C.裂缝未充填，走向为35°

表1 准噶尔盆地南缘不同构造段侏罗系裂缝发育特征Table 1 Fracture characteristics of the Jurassic in different structural units at the south margin of the Junggar Basin

2.3 裂缝发育程度

裂缝线密度是指裂缝面法线方向单位长度上的裂缝条数，是衡量裂缝发育程度的重要参数[23-24]。由于钻井取心时井轨迹并不一定与裂缝面垂直，导致岩心上统计的裂缝线密度为视密度，与真实线密度有较大差别，因而需结合井斜资料和裂缝倾角等参数对岩心上裂缝进行校正。具体校正方法如公式(1)所示：

(1)

式中：ρ为裂缝的线密度，条/m；n为裂缝的条数，条；L为累积岩心长度，m；α为井筒倾角，(°)；β为裂缝倾角，(°)。

按照公式(1)对准噶尔盆地南缘岩心实测裂缝线密度进行了校正，其结果显示准噶尔盆地南缘地区不同构造单元裂缝发育程度存在明显的差异。在准噶尔盆地南缘东段岩心裂缝平均线密度为2.35 条/m，中段岩心裂缝线平均密度为2.20条/m，西段岩心裂缝平均线密度为0.96 条/m，表现为由东向西裂缝发育程度逐渐减弱(表1)。此外，通过统计准噶尔盆地南缘侏罗系地表露头不同组裂缝线密度发现不同组中的裂缝发育程度具有较大差异，其中八道湾组裂缝平均线密度为3.90条/m，发育程度最高；头屯河组裂缝平均线密度为2.80条/m，发育程度较高；喀拉扎组裂缝平均线密度为0.60条/m，发育程度最低(图5)。

图5 准噶尔盆地南缘侏罗系露头裂缝线密度分布Fig.5 Histogram showing the fracture density in the Jurassic outcrops at the south margin of the Junggar Basin

3 裂缝主控因素

裂缝的形成和分布受古构造应力场、储层岩性、储层厚度、储层非均质性和构造变形强度的控制，此外沉积微相、构造抬升、储层构型和岩石微结构面等也对其有重要影响[25-31]。准噶尔盆地南缘主要经历了早燕山运动、晚燕山运动和喜马拉雅运动3期造缝运动[26,32]，古构造应力场控制了裂缝的组系及产状，储层内部因素和构造变形强度则控制着不同组系裂缝的发育程度和规模。

3.1 岩性对裂缝的影响

影响裂缝发育的岩性因素主要包括矿物成分、颗粒大小、结构及构造等[33-34]，岩性的差异往往会导致岩石力学性质的不同，因而在相同的构造应力场中，裂缝的发育程度和类型会有差异。取心井不同岩性层中裂缝线密度的统计结果显示：粉砂岩、细砂岩、中砂岩和粗砂岩中裂缝平均线密度分别为3.83，3.42，1.71和1.17条/m，裂缝的发育程度与砂岩粒径呈明显的负相关性；泥岩和砾岩中裂缝平均线密度分别为0.25和0.46条/m，其裂缝发育程度低于砂岩(图6)。细砂岩和粉砂岩通常经过较长距离搬运后沉积形成，其分选磨圆较好，内部颗粒分布均匀，石英等稳定脆性矿物含量高，在构造挤压中易形成裂缝；研究区砾岩多为近源堆积产物，其分选磨圆较差，杂基和塑性岩屑含量高，在构造挤压中不易产生裂缝。此外，岩石力学实验结果也证明砂岩的抗张强度和抗剪强度随粒径的减小而降低[35-36]。在地层变形过程中，岩体内基本颗粒的变形方式为晶间滑动[37]，砂岩等脆性地层受力后颗粒发生较小位移即可引起结构失衡，产生裂缝。在泥岩等塑性地层中，颗粒经过大位移滑动后仍可保持结构稳定，裂缝不易产生。此外，泥岩水平成岩缝较发育，有利于低角度剪切裂缝的形成(图3d)。

图6 准噶尔盆地南缘侏罗系岩心不同岩性中裂缝线密度分布Fig.6 Histogram of fracture density in various lithologies in the Jurassic cores at the south margin of the Junggar Basin

3.2 层厚对裂缝的影响

裂缝的发育程度与岩石力学层密切相关[38-40]，不同岩性层的岩石力学性质差异较大，岩性层与岩石力学层通常具有较好的一致性。在构造挤压过程中，应变能会在岩石力学层中积聚，而泥岩等塑性岩石力学层的存在会降低相邻砂岩等脆性岩石力学层在岩石力学层界面附近积聚的应变能[41]。当岩石变形达到极限时，岩石发生破裂，应变能转换成裂缝表面能和摩擦耗能，并在岩石力学层内形成终止于层面且与层面垂直或斜交的裂缝。岩石力学层厚度与裂缝间距的统计结果显示，当岩层厚度小于3 m时，裂缝间距与层厚具有明显的正相关性；当层厚大于3 m时，裂缝间距与岩石力学层厚度相关性不明显(图7)。同一应力场中，岩石力学性质相同的岩层中单位体积内积聚的应变能是一致的，且裂缝表面能与裂缝面积成正比[42-43]，因而在厚层岩石力学层中形成裂缝需要聚集更高的应变能，故在薄层岩石力学层中裂缝更容易形成且发育程度更高。此外，随着泥岩层厚度的增加砂岩中积聚的应变能会进一步降低[41]，使得层厚小于3 m的岩石力学层中出现裂缝发育程度较低的异常点；而在褶皱发育区域，由于岩层间的相对滑动以及与层面平行裂缝的产生[44]，降低了岩石力学层的实际厚度，最终在厚层的岩石力学层中形成裂缝发育程度高的异常点。

图7 准噶尔盆地南缘侏罗系厚度与裂缝间距关系Fig.7 Strata thickness vs.fracture spacing of the Jurassic at the south margin of the Junggar Basin

3.3 构造对裂缝的影响

研究区位于北天山山前的强烈构造变形带上，构造是该区构造裂缝形成和分布的重要影响因素。在同一构造中，不同构造部位的应力会形成差异性的聚集，导致不同构造部位裂缝发育程度具有明显差异。在逆断层附近,同一岩层中断层上盘的裂缝发育程度更高(图8a)，断层上盘裂缝线密度为断层下盘的1.5倍，构造应力在逆断层上盘更加集中。此外，同一岩层中裂缝线密度随着与断面距离的增加而减小，且断层上盘裂缝线密度下降幅度明显比断层下盘大(图8b)，表明逆断层形成的应力集中在不同构造部位具有显著差异，而这也导致了逆断层附近裂缝分布的非均质性。

图8 准噶尔盆地南缘八道湾组逆断层对裂缝的影响Fig.8 Impact of thrust faults in the Badaowan Formation at the south margin of the Junggar Basina.准噶尔盆地南缘安集海河剖面八道湾组逆断层;b.裂缝线密度与断面距离之间的关系

在不同类型的构造中，应力的分布和聚集程度具有较大的差异，因而不同类型的构造中裂缝的发育程度也不一样。在由逆断层组成的构造中，冲起构造中裂缝的发育成度最大，其次是叠瓦状构造，楔入构造中裂缝的发育程度最低，而紧闭褶皱中裂缝的发育程度比宽缓褶皱高。准噶尔盆地南缘东段主要发育叠瓦状构造和紧闭褶皱，中段和西段则主要发育隔槽式褶皱，地层缩短率由东向西依次降低，裂缝发育程度依次降低(图1)。强烈的构造变形降低了岩石力学层对裂缝的限制作用，裂缝穿过岩性界面延伸更远，岩心上表现为裂缝高度大于30 cm的裂缝占比由东向西依次降低(表1)。

3.4 应力场和储层非均质对裂缝的影响

准噶尔盆地南缘侏罗系沉积以后主要经历了早燕山期、晚燕山期和喜马拉雅期3期构造运动，其中早燕山期构造应力场的水平最大主应力方向为NE-SW向，晚燕山期构造应力场的水平最大主应力方向为NNW-SSE向，喜马拉雅期构造应力场在乌鲁木齐以西为近S-W向、在乌鲁木齐以东为NNE-SSW向[25-26,30]。这3期构造运动理论上可以形成6组共轭剪切裂缝，但在准噶尔盆地南缘西段和东段主要发育NNE-SSW,NNW-SSE,NEE-SWW和NW-SE向4组裂缝，在南缘中段主要发育NNE-SSW,NEE-SWW和NW-SE向3组裂缝。构造运动形成的水平挤压是形成构造裂缝的主要原因，而沉积和成岩作用造成的储层的非均质性也是影响不同组系裂缝发育程度的重要因素[45]。

4 裂缝有效性

裂缝的充填程度和开度是研究裂缝有效性的重要参数[46]，其大小与裂缝形成时间、流体活动、现今应力场和异常高压等因素密切相关。根据充填物在裂缝中的充填程度，可将裂缝分为全充填型、半充填型和未充填型，这3种类型裂缝的有效性依次增加。研究区取心井岩心裂缝充填情况统计结果显示，侏罗系储层中全充填型裂缝的占比为14.5%，半充填型裂缝占比19.9%，未充填型裂缝占比65.6%，有效裂缝占比达到85.5%，裂缝有效性较好。准噶尔盆地南缘侏罗系砂岩储层中裂缝充填物主要为方解石，其次是石英和粘土等。流体的性质决定了裂缝中充填物的类型，八道湾组和西山窑组是准噶尔盆地重要的产煤层系，成岩初期煤系地层会排放大量的有机酸，使得地层处于酸性成岩环境[25]，形成石英的自生加大和沉淀；而随着埋深的增加，流体性质逐渐向中性、偏碱性过度[47]，并形成方解石沉淀。裂缝充填程度与裂缝形成时间密切相关，早期形成的裂缝通常经历了多期流体活动，裂缝被充填的几率较高，而晚期形成裂缝经历的流体活动少，裂缝被充填的几率相对较低。未充填和局部充填的裂缝在后期的构造挤压活动中容易再次张开，成为油气的运移通道。

薄片资料显示，校正以后的未充填裂缝开度一般小于100 μm，主要分布在10～60 μm，反映裂缝的有效性较好。未充填裂缝的开度受现今应力场的影响明显，当裂缝走向与现今水平最大主应力方向一致时，裂缝面受到的有效应力最小、裂缝开度最大，反之，当裂缝走向与水平最大主应力方向垂直时有效应力最大、裂缝开度最小[48-49]。研究表明，准噶尔盆地南缘西段现今水平最大应力方向为NNE向，准噶尔盆地南缘中段现今水平最大应力方向为近N-S向，准噶尔盆地南缘东段现今水平最大应力方向为近NW向[50]，对应裂缝开度的优势方位分别为NNE-SSW向、N-S向和近NW-SE向。由于第四纪巨厚沉积物的迅速堆积以及强烈的构造挤压作用，准噶尔盆地南缘齐古组和西山窑组的地层平均压力系数大于1.7[51]，异常高压普遍发育，异常高压流体可有效降低裂缝面受到的有效应力，有利于裂缝保持张开，为储层裂缝保持有效提供了重要的环境基础。

为了进一步研究在埋藏深度超过4 500 m以下天然裂缝的有效性，本次研究还采用高压渗流实验对深层致密砂岩储层裂缝渗透率随埋深的变化进行了研究。实验在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室GPP-1 型高压孔渗测试系统上完成，试验样品选自独山1井6 400 m处粉砂岩柱样，其基质空气渗透率为0.5×10-3μm2，并通过劈裂制作与层面近垂直的人造裂缝。研究区侏罗系水平最大主应力分布在70～110 MPa、水平最小主应力在40～60 MPa[50-52]，考虑实验仪器抗压极限，设定实验最终稳定围压为65 MPa，最大轴压为115 MPa。实验结果显示，随着压力增加裂缝渗透率呈负指数递减，当围压小于15 MPa(埋深>1 000 m)时，裂缝渗透率迅速减小，而当围压超过15 MPa以后裂缝渗透率缓慢降低，并缓慢接近22×10-3μm2。当压力在70～115 MPa时，裂缝渗透率范围为(23 ～22)×10-3μm2(图9)。这说明达到最大实验轴压115 MPa(埋深>8 000 m)时，天然裂缝的渗透率仍然比致密砂岩储层基质渗透率高400倍以上。因此，在深层致密砂岩储层中，天然裂缝仍然可以成为致密储层的重要储集空间和主要渗流通道，是致密储层甜点评价和油气富集高产的重要因素。

图9 准噶尔盆地南缘独1井埋深6 400 m岩样中高角度裂缝渗透率随与有效围压关系Fig.9 High-angle fracture permeability vs.effective confining pressure in samples taken at a burial depth of 6 400 m from Well Dushan1 at the south margin of the Junggar Basin

5 结论

1) 准噶尔盆地南缘侏罗系深层致密砂岩储层主要发育高角度构造缝，其次是成岩缝和异常高压缝，其中高角度构造缝在改善储层渗流能力中起主要作用。目的层经历了3期构造运动，主要形成NNE-SSW，NNW-SSE，NEE-SWW和NW-SE向4组裂缝，而在准噶尔盆地南缘中段主要发育NNE-SSW，NEE-SWW和NW-SE向3组裂缝。

2) 准噶尔盆地南缘属于强构造变形区，其裂缝的形成和分布受古构造应力场、储层内部因素和构造变形强度等因素的影响。其中古构造应力场控制着不同构造单元裂缝的组系，储层岩性、层厚、构造变形强度和储层内部非均质性则控制着裂缝的规模和发育程度。

3) 准噶尔盆地南缘侏罗系储层中裂缝充填程度较低、开度较大，异常高压普遍发育，有利于裂缝保持有效。侏罗系储层埋深大多分布在4 500～7 500 m，其高角度天然裂缝的渗透率比致密砂岩储层基质渗透率高2个数量级以上，天然裂缝是改善深部致密砂岩储层储渗性能和油气高产的重要因素。