川东北元坝地区陆相储层天然裂缝发育特征及分布模式

尚墨翰，赵向原，胡向阳，肖开华，刘国萍

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化石油勘探开发研究院博士后工作站，北京 100083）

储层裂缝具有增加储集空间和提供渗流优势通道的作用[1]。明确储层天然裂缝发育规律、控制机制，以及对储层的改造作用，对油气田高效开发具有重要意义[2]。近年来，我国四川东北部元坝地区中浅层陆相油气勘探取得了重大突破[3-5]。钻井证实，元坝地区发育须家河组二段、三段、四段，自流井组珍珠冲段，以及大安寨段等5套陆相储层，但目的储层受构造运动改造明显，断裂和地层褶皱变形极为发育，伴生多期次的复杂裂缝系统。研究认为，元坝地区获得良好油气显示的陆相井区表现出构造-岩性-裂缝复合型气藏特征[6]，但目前对裂缝发育特征和发育机理的认识仍不够清楚。为更好地推动中浅层陆相天然气开发，通过岩心、成像测井等资料对元坝地区中浅层陆相储层天然裂缝成因类型与参数特征进行描述，研究裂缝发育主控因素，分析裂缝发育机理和演化过程，以期为相关气藏建模、数值模拟及开发方案的制定提供地质依据。

1 地质概况

元坝地区北依米仓山冲断构造带前缘，东邻大巴山前缘弧形推覆构造带，南靠川中低缓构造带北部斜坡，西北为龙门山断褶带（见图1）。研究区由四川盆地内4个三级构造单元的一部分组合构成，即北部的大型NE向鼻状隆起通南巴背斜构造带、东南部的通江凹陷、西南部的苍溪—巴中低缓构造带，以及西北部的池溪凹陷，所属二级构造单元皆为川北低缓构造带[7]（见图1）。

图1 元坝地区地理位置及构造略图

该区整体表现为低缓构造的特点，大背景呈现“两凹一带”的样式，褶皱作用强烈且整体上断裂较为发育。区内最主要的滑脱层为嘉陵江组上部至雷口坡组下部的膏盐岩，以此为界，深层海相沉积与浅层陆相沉积被划隔开来，形成了天然的油气运移屏障。本次陆相碎屑岩研究目标储层为上三叠统须家河组四段，兼顾侏罗系自流井组珍珠冲段及大安寨段。

元坝地区受印支中幕安县运动的影响，须四段以辫状河三角洲沉积体系为主，发育辫状河三角洲平原辫状河道、前缘水下分流河道、席状砂、河口坝等微相，沉积了较厚层的块状中—粗粒砂砾岩。珍珠冲段沉积时期构造沉降幅度大，并存在沉积中心东移的过程。珍珠冲段沉积早期，元坝中部发育以扇三角洲平原—扇三角洲前缘分流河道为主体的沉积构造，岩性以砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩为主，元坝东部则发育扇三角洲前缘细砂岩；珍珠冲段沉积后期，沉积中心东移，元坝中部发育河道间泥质沉积，常见煤层，元坝东部沉积砂砾岩、中粗砂岩。大安寨段主要为滨湖—浅湖—半深湖相沉积体系，发育滨浅湖微相深灰色、灰黑色泥岩与介壳滩微相介壳灰岩、泥质灰岩交替的不等厚互层，指示了湖平面周期性的升降过程。总体上，研究区陆相储层经历了复杂的构造演化过程，天然裂缝类型多样，致使气井产能存在较大差异。

2 天然裂缝发育特征

2.1 裂缝成因

对元坝地区岩心及成像测井资料进行天然裂缝识别与统计后认为，研究区主要发育构造缝和非构造缝2种天然裂缝。构造缝的形成和发育受到岩性及构造等因素的控制，而非构造缝的形成则与岩石体积力、重力，或是成岩作用等因素有关。构造缝可进一步分为剪切缝、张剪性缝和张性缝，非构造缝可进一步分为成岩缝和风化缝。构造缝以剪切缝为主，张性缝及张剪性缝相对较少，主要分布在断裂和褶皱转折端附近。剪切缝由剪切应力作用形成，产状稳定，沿走向和倾向延伸较远，缝面平直光滑，常因滑动而留下擦痕、阶步等，存在切穿砾石和砂砾等现象；张性缝由张应力作用形成，产状不稳定，延伸范围短，缝面粗糙不平，无擦痕，常绕过砾石或粗砂砾；张剪性缝是剪应力和张应力综合作用形成的，一般表现为2种应力先后作用，或先“剪”后“张”，或先“张”后“剪”。非构造缝发育规模普遍较构造缝小。成岩缝一般单个产出并成层分布，一般在薄层中较发育，张开度较小，在厚层中弱发育，但张开度相对较大；风化缝一般具有受岩石释重、生物作用等影响的痕迹。

2.2 裂缝特征

对研究区10口井的岩心裂缝发育情况进行了统计分析，其中须四段6口井675条裂缝、珍珠冲段4口井166条裂缝、大安寨段3口井113条裂缝。分析内容包括裂缝的倾角、开度、充填物及充填程度等，为进一步分析裂缝主控因素、成因机制等奠定基础。

2.2.1 裂缝倾角

根据裂缝倾角α的大小，将裂缝分为4种类型——平缝（α≤5°）、低角度缝（5°＜α≤45°）、高角度缝（45°＜α≤85°）与垂直缝（α＞85°）。统计显示，研究区裂缝存在倾角越大、发育程度越低的特征，平缝和低角度缝最为发育，其中平缝有649条，低角度缝有191条；须四段岩心高角度缝和垂直缝相对珍珠冲段和大安寨段发育程度更好，而大安寨段则未见高角度缝和垂直缝（见图2）。各储层段对流体渗流有重要作用的高角度缝及垂直缝较少，其原因可能与不同倾角裂缝的钻遇率差异有关，需要开展进一步的研究。

图2 元坝地区按倾角分类的裂缝类型分布频率

2.2.2 裂缝的有效性

储层天然裂缝的有效性主要通过开度及充填程度来反映[8-10]。裂缝开度能够间接反映裂缝对储层孔隙度和渗透率的影响程度，根据裂缝描述结果可将有效裂缝开度划分为[0.1 mm，0.5 mm），[0.5 mm，5.0 mm）和大于5.0 mm这3个区间。开度在[0.5 mm，5.0 mm）的裂缝约占裂缝总数的89.7%，折算成地下裂缝开度，范围主要分布在45～125 μm。整体来看，岩心有效裂缝能够起到储集空间和渗流通道的作用。

裂缝充填的程度直接影响裂缝后期的水动力宽度，进而影响储层总体的孔隙度和渗透率[10-11]。统计表明：须四段、大安寨段裂缝充填程度较高，充填缝和半充填缝居多；相对而言，珍珠冲段裂缝充填程度较低，以半充填为主。裂缝充填物是判断流经裂缝流体的重要依据，能够为裂缝分期配套提供重要参考。须四段裂缝充填物主要是有机质，其次为方解石，其他充填物少见；珍珠冲段裂缝充填物主要是有机质和方解石，其他充填物少见；大安寨段裂缝充填物以方解石为主，其次为有机质，其他充填物少见。裂缝充填物类型多样，说明裂缝是在多期构造应力场背景下形成的，其中被有机质充填的裂缝数量占比很高，说明裂缝形成以后，在后期的油气运移及流体充注过程中起到了运移通道的作用。

2.2.3 裂缝密度

裂缝密度反映了裂缝的发育程度，是十分重要的裂缝参数。统计显示：须四段裂缝密度最高，为4.60条/m；珍珠冲段裂缝密度为4.40条/m；大安寨段裂缝密度相对较低，为1.93条/m。须四段与珍珠冲段裂缝密度相对较高，而大安寨段裂缝密度相对较低的原因，主要与不同层段沉积体系及岩性有关。其中：须四段和珍珠冲段分别为辫状河三角洲和扇三角洲沉积，岩性以不等厚层状砂岩、砾岩等碎屑岩为主；大安寨段则以滨浅湖相泥岩、石灰岩为主，与须四段及珍珠冲段存在较大差异。

3 天然裂缝发育主控因素

元坝地区陆相储层岩心裂缝观察、成像测井解释及地震属性分析研究表明，研究区天然裂缝的发育主要受岩性、层厚、构造及断裂影响，因此不同层段、不同类型裂缝的发育特征存在差别。

3.1 岩性

储层岩性对裂缝发育程度的影响主要表现为岩石成分、颗粒大小、颗粒排列方式等与岩石力学性质有关的因素对构造应力的控制作用差异[12-14]。岩心观察统计显示，元坝地区陆相储层岩性对裂缝发育的控制作用十分明显。研究区须四段岩性主要为砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩，储层裂缝主要集中在中砂岩，其次为粗砂岩和细砂岩，3种岩性贡献了裂缝发育总数的94.2%；珍珠冲段岩性主要为砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩，储层裂缝大部分集中在细砂岩，其次为砾岩，2种岩性贡献了裂缝发育总数的90.4%；大安寨段岩性主要为细砂岩、粉砂岩、泥岩和介壳灰岩，裂缝多发岩性为介壳灰岩、泥岩和粉砂岩，而中砂岩及细砂岩中未发现裂缝（见图3）。不同岩性的岩石由于成分及结构、构造不同，其岩石力学性质也存在差别，即使受到相同构造应力作用，裂缝发育程度也会不一致。脆性矿物组分（如石英、方解石及白云石）含量高的岩石，在构造应力作用下往往发生较小的变形后即可产生破裂，如大安寨段介壳灰岩裂缝较为发育（见图3）。

图3 元坝地区不同岩性中的裂缝分布频率

随着岩石颗粒和孔隙体积减小，岩层变得致密，岩石强度相应增大，在受力过程中发生较小形变也会产生破裂，使得低孔隙度和较细颗粒岩石内的裂缝更为发育。如须四段和珍珠冲段中、细砂岩颗粒小且孔隙度低，岩层更加致密，就有利于裂缝发育；相反，粗砂岩及砾岩颗粒大，不利于裂缝发育（见图3）。

3.2 层厚

国内外学者们普遍认为裂缝的发育程度和规模受岩石力学层的厚度控制[15-19]。岩石力学层是指岩石力学性质相似的地层单元[19]。在砂泥岩地层中，岩石力学层一般与单砂体或单一岩性相对应，它控制着裂缝的规模和发育程度等特征。通常岩石力学层厚度越大，裂缝规模及间距越大，但计算得到的裂缝线密度越小。统计表明，元坝地区陆相储层中，天然裂缝密度与砂体厚度表现为负相关关系（见图4）。当砂体厚度小于1.5 m时，裂缝密度相对较大；当砂体厚度大于1.5 m时，裂缝密度明显减小；当砂体厚度大于5.0 m时，裂缝发育程度较弱或不发育。同时，分析表明单砂体厚度对裂缝发育的控制作用在砂岩中比在泥岩中更为明显。

图4 元坝地区须四段裂缝密度与砂体厚度的关系

3.3 构造及断裂

构造对裂缝发育的影响较大。不同构造部位局部应力场分布的差异是裂缝发育非均质性的主要原因。应力场在褶皱构造的轴部和倾伏端较为集中，构造主曲率大，裂缝发育程度通常较高，而褶皱构造的翼部则表现为相反的特征。研究区东南部位于通江凹陷内，成组出现的高角度逆断层形成的NW向条形隆起带在区内普遍分布（见图1）。在这些条形隆起带内，局部发育一些与断层、褶皱相关的次级构造高点，如A20，A23，A24，A25井。在这些构造高点处，各种共生或次生的张剪性裂缝也十分发育。研究区局部也发育有断层相关构造高点，如 A19，A18，A4，A16井均位于断鼻构造高点处（见图1），其中 A19，A18，A16井岩心照片及成像测井图像均显示须四段裂缝较为发育，说明该部位有利于裂缝发育。

钻井显示，裂缝发育密度与断层形态部位及距断层距离存在紧密的关系。弯曲断层的外凸区、多组断层的交会区和转换区，以及断层的末端是构造应力的相对集中区域，裂缝较发育，并以裂缝作为断层消失的渐变系统。裂缝密度和距断层距离的相关性主要表现在，随着距断层的距离增大，派生裂缝发育密度减小。工区内裂缝发育且有油气显示的钻井距断层的距离小于400 m（见图5）。随着距断层距离的增大，裂缝发育密度的递减速度还与断层规模有关。断裂规模越大，其附近的裂缝越发育，且断层上升盘地层的裂缝密集程度明显高于下降盘，如A16井与A12井。断层弯曲程度对裂缝发育也有一定影响，裂缝密度一般也有随弯曲凸面增大而增大的趋势。断层末端是应力集中区，也常常是裂缝的相对发育带。

图5 元坝地区断层要素与试气效果

4 天然裂缝发育模式

4.1 裂缝演化模式

元坝地区主要经历2期构造挤压应力作用，分别为NW—SE向的燕山运动和NE向的喜山运动。在靠近断层的区域，裂缝产状主要受断层产状控制，三轴最大主应力σ1与断层面平行，裂缝产状与断层走向近平行；在远离断层的区域，裂缝产状受区域主应力或褶皱作用控制，σ1与区域主应力方向一致，产生与区域主应力方向小角度相交的剪切裂缝；二者之间的过渡区域同时受到断层产状与区域主应力的影响，产生的裂缝走向介于前两者之间。褶皱变形过程中，层间滑动造成的近水平剪切作用使低角度剪切缝充分发育（见图6）。

图6 元坝地区裂缝演化模式

在燕山早中期（J），局部构造尚未完全成型，裂缝发育受区域应力场控制，主要形成早期平面X形共轭剪切缝系统，同时在厚层地层中形成平行层面的横张缝，在局部构造雏形区发育少量断层和褶皱相关裂缝；燕山晚期（K），NW向挤压作用持续，NE向构造初起，早期剖面X形共轭剪切缝开始发育，同时一系列与断层相关的派生缝也开始形成；喜山早期（K2—E），NW—SE向挤压作用下，构造幅度进一步增强，在背斜轴部早期，剖面X形共轭剪切缝扩展连通成纵张缝，而在背斜两翼，相邻层位产生相对滑动形成层间剪切缝，同时区域整体的裂缝密度明显增高（见图6，蓝色X形共轭剪切缝代表早期，橙色代表晚期）；而在喜山早期末（E3—N1），挤压方向转换为NE向，在前期NE向构造背景上又叠加了NW向构造的雏形，与此相关的裂缝系统亦开始发育；至喜山晚期（N—Q），表现为侏罗山式紧闭背斜的NW向Ⅰ型三角带已经在通江凹陷内成型，包括前述燕山期和喜山期形成的2期褶皱伴生、断层派生和晚期剖面X形共轭剪切裂缝系统发育成熟。

4.2 裂缝分布模式

综合裂缝充填物特征、裂缝组系、交切关系、地表相似露头及井下裂缝产状，在总结工区裂缝系统演化特征和期次特征基础上，建立了裂缝分布和发育模式（见图7、图8）。

图7 通南巴背斜构造带裂缝分布及发育样式

图8 通江凹陷构造带裂缝分布及发育样式

研究结果显示：自通南巴背斜至NW向的工区范围内，发育了完整的多套裂缝系统（见图7）；而在通南巴背斜SE向的通江凹陷内，由于早期龙门山—米仓山断褶带活动影响有限，NE向构造、断裂及其伴生的早期裂缝系统不甚发育，故仅以喜山晚期的NE向构造、断裂及其伴生的晚期裂缝系统发育为主（见图8）。研究区广泛发育剖面X形剪切伴生裂缝系统，形成时期为燕山中晚期和喜山晚期。伴随褶皱的形成，在构造两翼可派生一组共轭剪切缝和层间滑动形成的低角度（或水平）剪切破裂。随着喜山晚期NE—SW向挤压作用的加强，在NW向次级构造高点处亦发育晚期的纵、横张裂缝系统，部分横张缝追踪早期的纵张缝发育，而部分纵张缝追踪早期的横张缝发育，使得早期张性缝加宽、加长。

5 结论

1）元坝地区主要发育构造缝和成岩缝2种类型裂缝，构造缝以剪切裂缝为主，发育少量张性缝和张剪性缝，主要分布在断裂和褶皱转折端附近。纵向上看，须四段裂缝最为发育，其次是珍珠冲段，大安寨段裂缝最不发育。

2）天然裂缝的发育受岩性、层厚影响，并受构造及断裂综合控制。中砂岩、细砂岩及介壳灰岩储层中裂缝相对较发育；岩层厚度越小，发育裂缝密度越大；靠近断层及构造主曲率大的位置，以及与褶皱、断层相关的应力集中区，裂缝多密集发育。

3）元坝地区裂缝主要形成期为燕山中晚期和喜山晚期。印支晚期—燕山早中期构造应力不强，发育一些早期平面X形共轭剪切裂缝系统；燕山中晚期—喜山晚期构造挤压作用变强，挤压方向由NW向最终转为NE向，依次形成早期剖面X形共轭剪切缝、纵张缝、走滑型裂缝，以及与褶皱、断层相关的裂缝、晚期剖面X形共轭剪切缝等复杂叠加裂缝系统。