普光氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫的成因及其控制因素

何胡軍，曾大乾，畢建霞，王秋語(yǔ)

（1 中國(guó)石油冀東油田分公司；2 中國(guó)石化中原油田分公司）

四川盆地普光氣田為一邊水、高含硫的碳酸鹽巖氣藏，儲(chǔ)層內(nèi)孔隙發(fā)育，局部發(fā)育裂縫。氣田自2009年10月正式投產(chǎn)以來(lái)，截至2013年5月，離邊水較近的普光105-1H井、普光103-1井和普光105-2井已見(jiàn)水，液氣比達(dá)1.5 m3∶10 000 m3以上，其中普光105-1H井日產(chǎn)水91.4 m3。關(guān)于出水的原因，初步認(rèn)為是裂縫溝通了水層，造成水體錐進(jìn)。目前，對(duì)于普光氣田裂縫的研究工作主要基于常規(guī)的測(cè)井法識(shí)別裂縫［1-4］。關(guān)于裂縫的控制因素，唐永等［5］利用巖心裂縫資料對(duì)裂縫發(fā)育密度與褶皺、沉積相、孔隙流體之間的關(guān)系進(jìn)行了定性探討；關(guān)于裂縫的成因，唐海等［6］主要從裂縫形成與褶皺和斷層之間的關(guān)系進(jìn)行了討論；但前人均未從構(gòu)造演化的角度對(duì)裂縫的成因進(jìn)行過(guò)研究，而眾所周知，裂縫的發(fā)育與構(gòu)造演化密不可分。

近年來(lái)，一些研究者主要是采用地質(zhì)力學(xué)法對(duì)裂縫成因和控制因素進(jìn)行系統(tǒng)研究［7-9］，這也是進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。本文以普光氣田4 口取心井(普光102-1井、普光104-1井、普光302-1井和普光304-1側(cè)前井）的1515塊巖心薄片和19口成像測(cè)井等資料為基礎(chǔ)，從構(gòu)造演化的角度出發(fā)，對(duì)普光氣田上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組碳酸鹽巖產(chǎn)層的裂縫成因及其控制因素進(jìn)行研究，同時(shí)也為采用地質(zhì)力學(xué)方法預(yù)測(cè)裂縫奠定基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景及構(gòu)造特征

普光氣田位于四川盆地東北部宣漢—達(dá)縣斷褶帶上（圖1），該區(qū)中生代—新生代經(jīng)歷了長(zhǎng)期的、性質(zhì)多變的構(gòu)造演化，表現(xiàn)為十分復(fù)雜的構(gòu)造格局，燕山晚期形成大量的北東向構(gòu)造，喜馬拉雅期被北西向構(gòu)造改造［10-14］。普光構(gòu)造為一西南高、東北低的大型長(zhǎng)軸斷背斜型構(gòu)造。平面上，普光構(gòu)造整體表現(xiàn)為南寬北窄、西南高東北低、西翼陡東翼緩、與逆沖斷層有關(guān)的北北東走向的斷背斜特征，各層系構(gòu)造繼承性發(fā)育，構(gòu)造高點(diǎn)基本重合。普光構(gòu)造發(fā)育北東向和北西向兩組逆沖斷裂體系、4 條斷層（圖1），形成時(shí)間為燕山晚期和喜馬拉雅期，斷層落實(shí)程度高。

圖1 普光氣田飛仙關(guān)組一—二段底面構(gòu)造圖

普光氣田主產(chǎn)層為上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組，其中長(zhǎng)興組的巖性為生物灰?guī)r和溶孔白云巖，飛仙關(guān)組為鮞粒白云巖與灰?guī)r。自長(zhǎng)興組和飛仙關(guān)組沉積以來(lái)，普光氣田經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅三大復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［15-19］（圖2）。

燕山末期以前構(gòu)造活動(dòng)弱，主要表現(xiàn)為整體抬升（圖2a）。

燕山末期 由于江南雪峰山的隆起造山活動(dòng)劇烈，在宣漢—達(dá)州地區(qū)形成了由SE 向NW 的擠壓應(yīng)力，在普光褶皺隆起部位的擠壓前緣，東岳寨—普光斷層和普光7 斷層發(fā)育（圖1，圖2b）。

喜馬拉雅早期 由于龍門(mén)山造山活動(dòng)劇烈，宣漢—達(dá)州地區(qū)構(gòu)造在NW 向SE 的擠壓應(yīng)力作用下，次級(jí)的普光3 斷層發(fā)育（圖1），褶皺進(jìn)一步加強(qiáng)，隆起幅度增大。

喜馬拉雅末期 南大巴山造山活動(dòng)加強(qiáng)，宣漢—達(dá)州地區(qū)在NE 向SW 的擠壓應(yīng)力作用下，普光構(gòu)造的西南形成NW 走向的老君廟南斷層，NE向構(gòu)造被NW 向構(gòu)造改造，局部形成NW 向褶皺（圖2c）。

2 礁灘相儲(chǔ)層裂縫成因

2.1 裂縫特征

對(duì)普光氣田4 口取心井中長(zhǎng)興組和飛仙關(guān)組儲(chǔ)層的147 條裂縫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，這些裂縫具有以下特征：

（1）以低角度斜交縫（5°～45°）為主（圖3），水平縫（0°～5°）和垂直縫（85°～90°）不發(fā)育，其中低角度斜交縫占51.7%，高角度斜交縫（45°～85°）占31.3%。

圖2 四川盆地東部宣漢—達(dá)州地區(qū)構(gòu)造演化剖面圖

圖3 普光氣田巖心裂縫傾角統(tǒng)計(jì)直方圖

（2）裂縫有效程度高，以未充填縫為主（占51.1%），其次為方解石半充填縫和碳質(zhì)瀝青充填縫，方解石全充填縫最少（圖4）。未充填縫常發(fā)育擦痕和階步。

（3）以近東西走向的裂縫為主。

（4）裂縫寬度以小于1 mm 的為主。

2.2 裂縫成因

對(duì)巖心裂縫的觀察以及對(duì)構(gòu)造演化史的研究表明，普光氣田在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期主要形成了與褶皺和斷層相關(guān)的兩類(lèi)裂縫系統(tǒng)，其成因分析如下。

2.2.1 與褶皺相關(guān)的裂縫系統(tǒng)成因

普光的NE向褶皺構(gòu)造主要形成于燕山晚期，至喜馬拉雅早期進(jìn)一步加強(qiáng)，促進(jìn)了構(gòu)造內(nèi)的裂縫進(jìn)一步發(fā)育。

燕山運(yùn)動(dòng)晚期的初始階段，在來(lái)自SE方向雪峰山的擠壓應(yīng)力作用下，近水平產(chǎn)狀巖層受到與巖層面平行的側(cè)向水平擠壓應(yīng)力作用，當(dāng)壓力強(qiáng)度達(dá)到能使巖層發(fā)生破裂而又未彎曲時(shí)，就形成了一組產(chǎn)狀直立的平面“X”共軛剪切裂縫和擴(kuò)張縫（圖5a）。平面“X”共軛剪切裂縫又稱(chēng)為變形前“X”共軛剪切裂縫，該類(lèi)裂縫走向與最大主應(yīng)力之間呈內(nèi)摩擦角相交，其產(chǎn)狀隨巖層的彎曲而變緩；變形前擴(kuò)張縫的走向平行于最大主應(yīng)力，呈NW—SE向，產(chǎn)狀直立，呈鋸齒狀延伸。隨著SE向擠壓應(yīng)力的加強(qiáng)，地層彎曲變形，形成NNE走向的褶皺，平面“X”剪切裂縫進(jìn)一步發(fā)育；同時(shí)，由于局部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，形成剖面“X”共軛剪切裂縫（圖5b），其軸向與褶皺軸向一致，走向近EW向，傾角較平緩。褶皺形成過(guò)程中，褶皺兩翼會(huì)產(chǎn)生層間滑動(dòng)，誘導(dǎo)產(chǎn)生局部剪應(yīng)力，形成層間剪切裂縫，走向平行褶皺走向，裂縫傾角較緩（圖5c）。

喜馬拉雅早期，由于龍門(mén)山造山活動(dòng)，力源來(lái)自NW 向。在NW 向擠壓應(yīng)力作用下，與褶皺相關(guān)的裂縫系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)育，裂縫走向以近EW向?yàn)橹鳎▓D5d）。

喜馬拉雅晚期，由于南大巴山活動(dòng)的加強(qiáng)，其力源主要來(lái)自NE 向。在NE 向的擠壓應(yīng)力下，早期形成的NE 向構(gòu)造被NW 向的應(yīng)力所改造，在普光8井附近形成NW 向的褶皺，因此與褶皺相關(guān)的裂縫系統(tǒng)主要發(fā)育在普光8井附近，裂縫走向以近SN向?yàn)橹鳎▓D5e），它們與早期裂縫形成了疊加。

2.2.2 與斷層相關(guān)的裂縫系統(tǒng)成因

燕山晚期，東岳寨—普光斷層開(kāi)始斷裂，與斷層相關(guān)的裂縫（包括斷層派生的和與斷層伴生的裂縫系統(tǒng)） 主要沿東岳寨—普光斷層和普光7 斷層發(fā)育（圖1，圖5c）。形成與斷層相伴生的裂縫系統(tǒng)與形成東岳寨—普光斷層和普光7 斷層的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是一致的，它們主要來(lái)自SE 方向雪峰山的擠壓應(yīng)力。裂縫與斷層走向存在兩種關(guān)系，一種是與斷層平行，另一種是與斷層共軛，主要分布在距斷層一定的范圍內(nèi)（圖5c）。斷層派生裂縫是在斷層活動(dòng)時(shí)的應(yīng)力擾動(dòng)所產(chǎn)生的局部應(yīng)力場(chǎng)下形成的裂縫系統(tǒng)，主要發(fā)育在斷層的應(yīng)力擾動(dòng)帶附近，裂縫發(fā)育的寬度與斷層的性質(zhì)、規(guī)模和斷層作用的強(qiáng)度有關(guān)。

喜馬拉雅早期，由于龍門(mén)山造山活動(dòng)，主應(yīng)力主要來(lái)自NW 向。在NW 向擠壓應(yīng)力作用下，次級(jí)逆沖斷層（普光3 斷層）發(fā)育，與斷層相關(guān)的裂縫系統(tǒng)也進(jìn)一步發(fā)育（圖5d）。喜馬拉雅晚期，由于南大巴山活動(dòng)的加強(qiáng)，發(fā)育了老君廟南斷層，因而與斷層相關(guān)的裂縫系統(tǒng)主要圍繞該斷層發(fā)育（圖5e）。

圖5 普光氣田碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫成因機(jī)理

3 裂縫發(fā)育的控制因素

構(gòu)造裂縫的形成是構(gòu)造活動(dòng)中由構(gòu)造應(yīng)力作用造成的地層破裂，因此，構(gòu)造裂縫發(fā)育程度主要受控于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)造部位不同，遭受的應(yīng)變強(qiáng)度就不同，裂縫的密集程度也就不等；應(yīng)變能越大，裂縫的密度就越大。影響研究區(qū)裂縫發(fā)育的構(gòu)造因素主要有斷層和地層變形程度兩方面。另外，裂縫的發(fā)育程度還受到巖性、巖石結(jié)構(gòu)組分、巖層厚度和物性的影響。

斷層 是裂縫發(fā)育的主控因素。對(duì)研究區(qū)內(nèi)的成像測(cè)井，分層段統(tǒng)計(jì)裂縫發(fā)育密度與裂縫到就近斷層垂直距離的關(guān)系，同時(shí)為了減小因地層變形而產(chǎn)生的裂縫對(duì)斷層相關(guān)裂縫發(fā)育密度的影響，在此采用裂縫發(fā)育密度與地層曲率之間的比值來(lái)表示斷層相關(guān)的裂縫發(fā)育程度（單位為條）（圖6），結(jié)果表明：斷層相關(guān)裂縫的發(fā)育程度和井點(diǎn)與斷層之間的距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，斷層距離越遠(yuǎn)，裂縫越不發(fā)育；此外，這種負(fù)相關(guān)的影響范圍也有限，當(dāng)離斷層的垂直距離超過(guò)1 200 m 時(shí)，斷層對(duì)裂縫發(fā)育的影響將減弱（圖6）。也就是說(shuō)，與斷層相關(guān)的裂縫系統(tǒng)主要發(fā)育在距斷層1 200 m 的范圍之內(nèi)。

圖6 普光氣田斷層對(duì)裂縫發(fā)育密度的影響

地層變形程度 對(duì)研究區(qū)內(nèi)的成像測(cè)井分層段進(jìn)行裂縫發(fā)育密度與地層曲率之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)為了減小斷層相關(guān)裂縫對(duì)地層變形裂縫發(fā)育密度的影響，在此采用裂縫的發(fā)育密度和它與斷層垂直距離的乘積來(lái)表示與地層變形相關(guān)裂縫的發(fā)育程度（單位為條）（圖7）。結(jié)果表明：地層變形相關(guān)裂縫發(fā)育程度與地層曲率之間呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著地層曲率的增大，裂縫發(fā)育的數(shù)量也增多（圖7）。

圖7 普光氣田飛仙關(guān)組一—二段地層變形對(duì)裂縫發(fā)育密度的影響

巖性 是影響裂縫發(fā)育的最基本的因素［20-21］。對(duì)4口取心井中白云巖和石灰?guī)r兩類(lèi)巖石分別進(jìn)行了裂縫的發(fā)育密度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：白云巖裂縫的密度為0.35 條/m，石灰?guī)r裂縫密度為0.23 條/m，白云巖較石灰?guī)r裂縫發(fā)育（圖8a）；白云巖中，細(xì)晶白云巖裂縫較不發(fā)育，裂縫密度僅為0.05 條/m，泥晶砂屑白云巖裂縫最發(fā)育，裂縫密度為1.29 條/m（圖8b）。

圖8 普光氣田長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組裂縫發(fā)育密度在不同巖性中的分布

巖石結(jié)構(gòu)組分 碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)和組分與巖石的成因密切相關(guān)［22］。碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)組分的不同，尤其是脆性組分含量的不同，當(dāng)它們處于相同的應(yīng)力環(huán)境條件下，脆性組分含量高的巖石比脆性組分含量低的更易破裂和產(chǎn)生裂縫。對(duì)普光氣田1515塊巖心薄片中微裂縫發(fā)育所在巖石的粒屑、填隙物、亮晶和基質(zhì)以及微裂縫發(fā)育密度等進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)表明，粒屑和填隙物的含量不同，微裂縫的發(fā)育密度也不同：微裂縫發(fā)育密度隨粒屑含量的增加而減小（圖9a），隨填隙物的含量增加而增大(圖9b)，同時(shí)也隨填隙物中的基質(zhì)含量增加而增大（圖9c），但微裂縫發(fā)育密度與亮晶含量之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性（圖9d）。

圖9 普光氣田長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組微裂縫發(fā)育密度與巖石結(jié)構(gòu)組分之間的關(guān)系

巖層厚度 是控制裂縫發(fā)育的重要因素［23-24］。對(duì)普光氣田長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組裂縫密度與層厚之間的關(guān)系所進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)表明：巖層厚度越小，裂縫越發(fā)育（圖10）。當(dāng)層厚小于2 m時(shí)，平均裂縫密度為1.63 條/m；層厚在2～4 m時(shí)，平均裂縫密度迅速減至0.65 條/m；當(dāng)層厚大于4 m時(shí)，平均裂縫密度為0.37 條/m。

圖10 普光氣田長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組裂縫發(fā)育密度與巖層厚度之間的關(guān)系

儲(chǔ)集物性 對(duì)研究區(qū)內(nèi)4口取心井巖心觀察后所做的裂縫與孔隙度之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)表明，73.15%的裂縫主要發(fā)育于孔隙度小于9%的巖石中（圖11a）。從裂縫發(fā)育密度與孔隙度之間的關(guān)系分析，孔隙度在1%～2%時(shí)，裂縫發(fā)育密度最大，裂縫發(fā)育密度與孔隙度之間存在隨孔隙度增大、裂縫發(fā)育密度減小的趨勢(shì)，但該趨勢(shì)不明顯（圖11b）。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)1515塊薄片觀察的微裂縫與面孔率之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果表明：98.06%的微裂縫主要發(fā)育于面孔率小于9%的巖石薄片中（圖11c）；從微裂縫發(fā)育密度與面孔率之間的關(guān)系分析，面孔率在0～1%時(shí)，微裂縫發(fā)育密度最大，微裂縫發(fā)育密度與面孔率之間存在隨面孔率增大、微裂縫發(fā)育密度減小的趨勢(shì)，該趨勢(shì)相對(duì)宏觀裂縫與孔隙度之間的關(guān)系更密切（圖11d）。

4 結(jié) 論

普光氣田上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組和下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組自沉積以來(lái)經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅三大構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這些構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在不同地質(zhì)歷史時(shí)期使盆地的構(gòu)造邊界向盆內(nèi)推進(jìn)，形成了普光氣田復(fù)雜的疊加和復(fù)合的關(guān)系，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中主要形成了與地層變形相關(guān)和與斷層相關(guān)的兩類(lèi)裂縫系統(tǒng)。與地層變形相關(guān)的裂縫系統(tǒng)包括變形前擴(kuò)張縫、變形前平面“X”型剪切縫、縱張縫、剖面“X”型剪切縫和層間剪切縫，與斷層相關(guān)的裂縫系統(tǒng)主要為斷層伴生縫和斷層派生縫兩種。

圖11 普光氣田長(zhǎng)興組—飛仙關(guān)組裂縫與孔隙度（或面孔率）之間的關(guān)系

裂縫發(fā)育程度主要受地層變形和斷層的雙重作用控制。與地層變形相關(guān)的裂縫系統(tǒng)主要發(fā)育于地層變形強(qiáng)的地區(qū)，地層變形越強(qiáng)，裂縫越發(fā)育；與斷層相關(guān)的裂縫系統(tǒng)主要發(fā)育在距斷層1 200 m的范圍內(nèi)，離斷層越近，裂縫系統(tǒng)越發(fā)育。

裂縫發(fā)育程度還受巖性、巖層厚度、巖石結(jié)構(gòu)組分和儲(chǔ)集物性的影響。巖性不同，裂縫的發(fā)育程度會(huì)不同，白云巖的裂縫發(fā)育密度高于石灰?guī)r；裂縫的發(fā)育密度隨巖層厚度、粒屑含量增加而減小，隨填隙物、基質(zhì)含量增加而增大；裂縫主要發(fā)育在孔隙度較差的儲(chǔ)層中，而儲(chǔ)層孔隙度較好的，裂縫則相對(duì)不發(fā)育。

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