東濮凹陷泥頁(yè)巖油氣藏裂縫發(fā)育主控因素分析

楊東興

（中國(guó)石化中原油田分公司物探研究院，河南鄭州 450000）

東濮凹陷存在豐富的非常規(guī)油氣藏，主要為深層致密砂巖油氣和泥頁(yè)巖油氣。泥頁(yè)巖裂縫油氣藏作為一種特殊隱蔽油氣藏類型[1–4]，在東濮凹陷的勘探歷程上屢有發(fā)現(xiàn)[5–8]。前人對(duì)東濮凹陷泥頁(yè)巖油氣藏的研究較籠統(tǒng)，主要偏向于裂縫特征觀察描述，而泥頁(yè)巖成藏的關(guān)鍵是裂縫成因，但泥頁(yè)巖裂縫的發(fā)育受到多種因素控制，預(yù)測(cè)難度很大。本文深入剖析了影響泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的因素及特征，對(duì)泥頁(yè)巖油氣藏地質(zhì)特征認(rèn)識(shí)進(jìn)行了補(bǔ)充。東濮凹陷泥頁(yè)巖油氣藏裂縫發(fā)育控制因素主要有構(gòu)造因素和非構(gòu)造因素。

1 構(gòu)造因素分析

構(gòu)造因素形成的裂縫為構(gòu)造縫，是由構(gòu)造應(yīng)力引起的。東濮凹陷是一個(gè)張性斷裂發(fā)育的鹽湖盆地，古近系時(shí)期：區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為右旋構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，最大主應(yīng)力為北東–南西向，最小主應(yīng)力為北西–南東向，中間應(yīng)力為垂直方向；沙三中–沙二時(shí)期：受北東向擠壓應(yīng)力場(chǎng)的作用，沙三下鹽巖上隆，沙三中在PS18–1井區(qū)附近形成鼻狀構(gòu)造；東營(yíng)末期：區(qū)域構(gòu)造反轉(zhuǎn)期，產(chǎn)生近東西向擠壓應(yīng)力場(chǎng)，地層形成強(qiáng)超壓。裂縫的走向分布，與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布基本一致，主要為北東、北西向裂縫（圖1）。

東濮凹陷構(gòu)造應(yīng)力存在兩種類型，即水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，這兩種應(yīng)力影響著裂縫的發(fā)育。水平應(yīng)力形成的構(gòu)造縫相對(duì)較早，主要表現(xiàn)為開(kāi)啟裂縫，多見(jiàn)油氣浸染，或見(jiàn)方解石、瀝青充填，以橫張垂直裂縫和高角度剪裂縫發(fā)育為主。水平構(gòu)造應(yīng)力裂縫在PS18–1井附近發(fā)育，而PS18–8井附近欠發(fā)育，這與 PS18–1井較靠近斷層有關(guān)，靠近斷層構(gòu)造應(yīng)力大，裂縫相對(duì)發(fā)育（圖1）。

垂向構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的形成主要與膏鹽上隆有關(guān)，形成時(shí)間稍晚于水平構(gòu)造應(yīng)力縫。主要形成縱張垂直縫，極少數(shù)垂向“X形”剪裂縫?？v張垂直縫呈延伸短、V字形垂向形態(tài)，且多為方解石或石膏充填，少見(jiàn)油氣顯示。PS18–1井縱張裂縫發(fā)育，而PS18–8井相對(duì)欠發(fā)育這類裂縫，與該井偏離鼻狀構(gòu)造軸部有關(guān)（圖1）。

圖1 東濮凹陷構(gòu)造應(yīng)力縫走向玫瑰圖

對(duì)目前已知的主要泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育井層段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，構(gòu)造位置相對(duì)較高、構(gòu)造曲率相對(duì)較大的地方（最大主曲率一般大于 0.2）構(gòu)造縫較發(fā)育。

2 非構(gòu)造因素

2.1 巖性和礦物成分

不同巖性的巖石強(qiáng)度和力學(xué)性質(zhì)不同，在相同構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下裂縫的發(fā)育程度不一致。巖石脆性組分含量高，則巖石的脆性強(qiáng)，裂縫就更可能發(fā)育。泥頁(yè)巖中脆性礦物成分含量是控制裂縫發(fā)育的重要因素。

沉積巖脆性組分多為石英、方解石和白云石等。根據(jù)PS18–1井的X衍射礦物分析，沙三上段鹽間泥頁(yè)巖脆性礦物主要為石英、方解石和白云石，脆性礦物的平均含量為 42.05%（表 1），與美國(guó)Appalachia 盆地泥盆系泥頁(yè)巖中確定的脆性指數(shù)臨界值相當(dāng)，遠(yuǎn)高于東營(yíng)凹陷脆性礦物平均含量（18%～20%）。同時(shí)鉆井過(guò)程中發(fā)現(xiàn)泥頁(yè)巖容易破碎，巖心很難鉆取巖心柱，說(shuō)明東濮凹陷沙三上段鹽間段泥頁(yè)巖的脆性很大，有利于天然裂縫的發(fā)育。

表1 PS18–1井鹽間泥巖段X衍射資料數(shù)據(jù)

PS18–1和PS18–8井沙三上段鹽間泥頁(yè)巖段共38條裂縫發(fā)育的巖性資料表明，裂縫發(fā)育主要巖性為含鈣（云）泥巖、含膏泥巖或含泥膏巖、含泥灰（云）巖三類。這三類巖性代表著碎屑巖、硫酸鹽巖和碳酸鹽巖。含鈣（云）泥巖中裂縫最為發(fā)育，62.5%的裂縫主要發(fā)育在該類巖性之中；其次為含膏泥巖或含泥膏巖，28.1%的裂縫發(fā)育在該類巖性之中；含泥灰（云）巖中的裂縫發(fā)育程度最低，只有9.4%的裂縫發(fā)育在該類巖性之中（圖2）。這說(shuō)明泥頁(yè)巖裂縫的發(fā)育程度與灰質(zhì)成分的含量有很大關(guān)系，即泥頁(yè)巖中方解石和白云石越多，越有利于裂縫的發(fā)育。

巖心資料分析表明，東濮凹陷膏鹽或含泥膏鹽、含膏泥巖較為發(fā)育，沙三上鹽間泥頁(yè)巖段構(gòu)造縫的發(fā)育受內(nèi)部石膏紋層的控制，構(gòu)造縫通常垂直或者高角度相交巖層，并終止于石膏紋層界面上。當(dāng)石膏紋層較薄，構(gòu)造縫也有可能切穿石膏紋層；紋層較厚，構(gòu)造縫通常終止于石膏紋層。因此，石膏紋層的發(fā)育程度也決定了泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的程度，即硫酸鹽巖礦物會(huì)抑制裂縫發(fā)育。

圖2 不同巖性裂縫發(fā)育頻率分布

2.2 有機(jī)質(zhì)富集程度

東濮凹陷鹽間泥頁(yè)巖通常為鈣質(zhì)及含膏泥頁(yè)巖，其有機(jī)質(zhì)富集程度與碳酸鹽巖、硫酸鹽巖礦物含量有一定關(guān)系[9–10]。有機(jī)質(zhì)富集程度與泥頁(yè)巖中的鈣質(zhì)含量關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，當(dāng)碳酸鹽巖含量小于45%時(shí)，泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)富集程度與碳酸鹽巖含量呈正相關(guān)關(guān)系；而碳酸鹽巖含量大于45%時(shí)，泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)富集程度與碳酸鹽巖含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3a）。泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)富集程度與泥頁(yè)巖中的石膏、硬石膏含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)石膏、硬石膏含量增大時(shí)，泥頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)含量降低（圖3a）。由于泥頁(yè)巖裂縫的發(fā)育與碳酸鹽巖、硫酸鹽巖有重要關(guān)系，所以泥頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)富集程度與裂縫發(fā)育程度也有關(guān)。有機(jī)碳含量隨裂縫密度增加而增加，但裂縫密度超過(guò)4條/m時(shí)，有機(jī)碳含量下降（圖3b）。

圖3 泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)富集程度與裂縫發(fā)育程度和礦物含量關(guān)系

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋寒?dāng)碳酸鹽巖含量低于45%時(shí)，隨著碳酸鹽巖礦物含量增加，即泥頁(yè)巖的脆性礦物含量增加，泥頁(yè)巖發(fā)育裂縫的可能性增大，因而裂縫密度變大。泥頁(yè)巖中碳酸鹽巖礦物含量增加，表明鹽湖湖水鹽度增加，底部水體近于停滯, 造成各種生物大量死亡，鈣質(zhì)泥頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)含量增加。而裂縫密度超過(guò)一定值時(shí)，碳酸鹽巖礦物含量過(guò)高，則黏土含量變低，不利于有機(jī)質(zhì)吸附，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)變小。

2.3 異常高壓

異常高壓形成的裂縫[11–12]主要指巖石在一定埋深處于封閉條件下, 由于烴類生成、黏土礦物脫水、水熱增加、自生礦物充填孔隙、膠結(jié)作用等產(chǎn)生異常高壓，當(dāng)其達(dá)到巖石臨界破裂壓力時(shí)產(chǎn)生的裂縫。超壓導(dǎo)致地層破裂可在沒(méi)有構(gòu)造作用的情況下完全由超壓引起，亦可在構(gòu)造作用的誘導(dǎo)下發(fā)生。在伸展構(gòu)造應(yīng)力背景下，超壓產(chǎn)生破裂垂直縫，這些裂縫在平面上無(wú)明顯方向性，呈蠕蟲(chóng)狀，隨機(jī)分布。東濮凹陷多年勘探證實(shí)， 由于鹽巖發(fā)育、生烴作用等多種原因，高壓油氣藏分布廣泛，尤其是沙三段地層超壓帶分布更為廣泛。這些超壓帶分布區(qū)往往是良好烴源巖分布區(qū)，若出現(xiàn)厚層泥頁(yè)巖, 很容易形成一定規(guī)模的泥頁(yè)巖裂縫性油氣藏。

3 結(jié)論

（1）形成泥頁(yè)巖油氣藏的關(guān)鍵因素是裂縫的發(fā)育，東濮凹陷泥頁(yè)巖油氣藏裂縫發(fā)育主控因素為構(gòu)造因素和非構(gòu)造因素。

（2）導(dǎo)致東濮凹陷泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的構(gòu)造因素為構(gòu)造應(yīng)力，包括水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力兩種類型，構(gòu)造應(yīng)力主要形成橫張垂直縫、高角度剪切縫和縱張垂直縫，構(gòu)造位置相對(duì)較高和構(gòu)造曲率相對(duì)較大部位是裂縫容易發(fā)育區(qū)。

（3）導(dǎo)致東濮凹陷泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育的非構(gòu)造因素有巖性和礦物成分、有機(jī)質(zhì)富集程度、異常高壓。石英、碳酸鹽巖礦物含量高，容易形成裂縫，而硫酸鹽巖礦物會(huì)抑制裂縫發(fā)育；有機(jī)質(zhì)含量較大，裂縫也越容易發(fā)育，當(dāng)裂縫發(fā)育到一定程度，隨著裂縫發(fā)育程度的增大，有機(jī)質(zhì)含量變??；異常高壓帶也是裂縫常發(fā)育區(qū)。

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