濱里海盆地東緣構造縫形成期次及低角度構造縫成因

李長海，趙 倫，李建新，王淑琴，李偉強

(中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

裂縫是碳酸鹽巖儲集層重要的滲流通道，對碳酸鹽巖油藏開發(fā)至關重要[1]。與非構造縫相比，構造縫滲流能力強且連通性好，對油氣產(chǎn)能影響更大。因此，構造縫的研究一直是諸多學者關注的熱點問題。但同一研究區(qū)受構造運動的影響往往發(fā)育多期構造縫，不同期次的構造縫在產(chǎn)狀、充填等方面通常具有不同的特征，對油田開發(fā)的影響差異巨大。前人對構造縫期次做了諸多的研究和探索[2-8]，其研究方法可概括為2種：一種是基于對巖心、露頭等的觀察確定裂縫期次；一種是利用裂縫充填物包裹體分析和聲發(fā)射實驗等實驗方法確定裂縫的期次。

中亞地區(qū)濱里海盆地東緣的北特魯瓦油田是中國石油重要的海外作業(yè)區(qū)塊之一，自2013年注水開發(fā)以來受構造縫的影響水竄問題突出，而研究區(qū)低角度構造縫較發(fā)育，使得裂縫預測極其困難，難以進行有效注水開發(fā)。目前發(fā)現(xiàn)的大部分油田主要發(fā)育高角度構造縫，前人對構造縫問題的研究多集中在對高角度構造縫的識別、表征、成因和預測等方面[9-13]，對低角度裂縫關注較少。前人對北特魯瓦油田的報道主要集中于沉積和儲層方面[14-17]，未見對研究區(qū)裂縫問題的相關研究，研究區(qū)低角度構造縫成因目前尚不清楚。由于地層等信息的干擾，低角度縫在地震資料上難以識別，而巖心和成像資料只能提供小尺度低角度構造縫單井上的信息，缺乏有效預測研究區(qū)低角度構造縫分布的手段。因而，揭示低角度構造縫的成因機理，對預測低角度構造縫分布及注水開發(fā)方案的制訂具有重要意義?；陉帢O發(fā)光薄片、巖心和成像測井等資料，綜合運用觀察法和聲發(fā)射實驗等實驗分析方法，明確了構造縫發(fā)育的期次，并結合研究區(qū)構造演化史，揭示了研究區(qū)低角度構造縫的成因，為下一步裂縫預測及油田開發(fā)措施方案調整提供了依據(jù)。

1 地質背景

北特魯瓦油田位于哈薩克斯坦西部，構造上屬于濱里海盆地東緣延別克—扎爾卡梅斯古隆起與烏拉爾褶皺帶之間的東南部坳陷帶，屬于背斜油藏(圖1)。二疊系孔谷階的鹽巖層將研究區(qū)的油氣組合分為鹽上和鹽下2套地層，此次研究目的層KT-Ⅰ層位于鹽下。研究區(qū)在石炭紀時期位于東歐地臺東緣，為低緯度的熱帶或亞熱帶潮濕氣候條件下的正常海水沉積環(huán)境，海相生物豐富，以臺地碳酸鹽巖沉積為主，沉積相復雜，發(fā)育了蒸發(fā)臺地、局限臺地和開闊臺地相的沉積[18]。巖性較復雜，灰?guī)r、白云巖和過渡巖性均比較發(fā)育，其中灰?guī)r約占53%，白云巖約占47%。研究區(qū)斷層極其發(fā)育，KT-Ⅰ層共發(fā)育斷層13條，以北東—南西走向為主。與斷層伴生的裂縫較發(fā)育，以裂縫-孔隙型儲層為主。

2 構造縫特征

根據(jù)巖心觀測結果，北特魯瓦油田石炭系KT-Ⅰ層構造縫以剪切縫為主，具有縫壁平直光滑，延伸較遠，產(chǎn)狀穩(wěn)定的特征。將研究區(qū)構造縫按傾角分為低角度縫(0～30 °)、斜交縫(30～60 °)和高角度縫(60～90 °)3種類型分別進行統(tǒng)計。結果顯示，3種類型的構造縫在研究區(qū)均比較發(fā)育，其發(fā)育比例依次為39.64%、23.27%和37.08%(表1)。按充填程度可以將裂縫分為未充填縫、部分充填縫和全充填縫，北特魯瓦油田構造縫充填程度較弱，以未充填縫為主，比例高達77.55%，部分充填縫和全充填縫發(fā)育比例分別為17.86%和4.59%(表1)。充填物90%以上為泥質充填，存在部分方解石、瀝青質、白云質和硅質充填。巖心構造縫以中等規(guī)模為主，裂縫開度范圍主要為0.1～1.0 mm，裂縫長度范圍以0.0～20.0 cm為主(表1)。研究區(qū)構造縫較發(fā)育，取心段平均構造縫線密度高達1.12條/m。

圖1 濱里海盆地東緣北特魯瓦油田構造位置

表1 北特魯瓦油田KT-Ⅰ層裂縫發(fā)育特征統(tǒng)計

3 構造縫形成期次

不同期次裂縫具有不同的發(fā)育特征，裂縫期次的研究對于油田的開發(fā)具有重要意義。綜合使用觀察法和實驗法確定裂縫期次，為下一步明確裂縫分布規(guī)律，制訂和調整開發(fā)方案提供基礎。

3.1 觀察法確定構造縫期次

觀察法是裂縫期次研究最直接的方法,該方法是通過對陰極發(fā)光薄片上裂縫充填物期次的分析以及巖心和成像測井資料上不同裂縫相互切割關系的觀察，從而確定裂縫發(fā)育的期次。陰極發(fā)光薄片資料可以確定裂縫充填物的充填時期，從而間接推斷裂縫形成的期次[19]。一般而言，裂縫形成時間越早充填作用也越早。陰極發(fā)光薄片觀察結果顯示，充填的方解石可以分為3期:一期不發(fā)光(圖2a)，一期昏暗發(fā)光(圖2b)，一期明亮發(fā)光(圖2c)。不發(fā)光是在氧化環(huán)境下形成的，反映埋深較淺的特征；明亮發(fā)光是埋藏成巖的早期至中期階段還原條件下形成的；昏暗發(fā)光通常為埋藏成巖作用中期至晚期階段形成的膠結物或交代物[20-23]。3種不同的發(fā)光特征反映了充填作用發(fā)生時埋深逐漸加深的特征。從巖心和成像測井上，可以觀察到裂縫的切割關系，可以簡單概括為以下特征：①高角度縫切割斜交縫和低角度縫，反映了高角度縫形成時期最晚的特征(圖2d—g)；②斜交縫切割低角度縫，反映了斜交縫形成時期晚于低角度縫的特征(圖2d—g)。

3.2 裂縫充填物包裹體研究裂縫期次

裂縫中與充填物一起形成的原生包裹體的溫度可以有效推斷裂縫形成的期次。選取研究區(qū)CT-22井石炭系KT-Ⅰ層中7塊樣品(裂縫充填物均為方解石)的19個測試點進行均一溫度測試。測試結果顯示，研究區(qū)構造縫形成期次可分為3期：第1期形成的包裹體均一溫度為70～76 ℃，第2期形成的包裹體均一溫度為90～100 ℃，第3期形成的包裹體均一溫度為110～115 ℃(表2)。研究區(qū)古沉積環(huán)境為熱帶或亞熱帶的正常海水環(huán)境，取古地表溫度為30 ℃，古地溫梯度為0.03 ℃/m進行計算，3期流體包裹體對應的深度分別為1 333.33～1 533.33 m、2 000.00～2 333.33 m、2 666.67～2 833.33 m。由于流體充注時間晚于裂縫形成時間，因而裂縫形成深度均略小于3期流體包裹體的計算深度。CT-22井KT-Ⅰ層當前頂、底埋深分別為2 298.00、2 714.50 m，與使用流體包裹體計算的深度吻合較好，說明了流體包裹體計算深度的可靠性。

圖2 北特魯瓦油田KT-Ⅰ層薄片、巖心及成像測井上構造縫發(fā)育特征

表2 北特魯瓦油田石炭系KT-Ⅰ

3.3 聲發(fā)射研究裂縫期次

巖石的應力達到過去已施加的最大應力時，聲發(fā)射明顯增加的現(xiàn)象稱為巖石的Kaiser效應。利用Kaiser效應就可推知巖石在地下受到的古構造應力場的強度及裂縫形成的期次[24-25]。Kaiser效應點的個數(shù)一般反應巖石形成至現(xiàn)今所經(jīng)歷的最少的應力作用次數(shù)。通過對北特魯瓦油田KT-Ⅰ層13塊樣品進行聲發(fā)射實驗，利用Kaiser效應點個數(shù)判斷巖石經(jīng)歷的最少應力作用次數(shù)，結果顯示，13塊樣品均存在4個明顯的效應點(圖3)。除去現(xiàn)今構造運動的影響，研究區(qū)共經(jīng)歷了3期的構造破裂作用：第1期裂縫相當于Kaiser效應點3，古地應力的最大有效主應力為34.4 MPa；第2期相當于Kaiser效應點2，古地應力的最大有效主應力為42.4 MPa。第3期當于Kaiser效應點1，最大有效古地應力為52.2 MPa。

4 低角度構造縫成因

通過觀察法和實驗法的分析，可以確定研究區(qū)發(fā)育了3期的構造縫：第1期以低角度縫為主，形成時埋深較淺，充填較早，陰極發(fā)光特征以不發(fā)光為主，古地應力的最大有效主應力為34.4 MPa；第2期以斜交縫為主，存在部分充填縫，陰極發(fā)光以昏暗發(fā)光和明亮發(fā)光為主，古地應力的最大有效主應力為42.4 MPa；第3期以高角度縫為主，幾乎未充填，古地應力的最大有效主應力為52.2 MPa。上述研究表明，不同期次的構造縫傾角特征不同，基于成像測井資料統(tǒng)計了不同傾角裂縫的走向，統(tǒng)計結果顯示研究區(qū)3期構造縫均以北東—南西方向為主(圖4)。

裂縫的發(fā)育程度均受到構造運動的控制，每期裂縫均能反映構造運動的情況。前人對研究區(qū)的研究表明，研究區(qū)共有3次大的構造運動：①早二疊紀構造運動導致地層西高東低的構造格局，并產(chǎn)生了斷層(圖4b)；②晚二疊紀構造運動加劇西高東低的規(guī)模(圖4c)；③三疊紀構造反轉運動導致東高西低的地層構造格局(圖4d)。裂縫發(fā)育的期次與構造運動吻合較好，證實了裂縫期次研究結果的可靠性。

北特魯瓦油田低角度構造縫較發(fā)育，結合裂縫期次特征和構造運動背景，明確了低角度構造縫的成因，可建立研究區(qū)低角度構造縫的發(fā)育模式：早二疊紀的構造運動產(chǎn)生了早期高角度構造縫，隨后晚二疊紀使早期高角度構造縫發(fā)育程度得到加強，而三疊紀的構造運動產(chǎn)生地層反轉，從而使早二疊紀的高角度構造縫和晚二疊紀構造運動改造的高角度構造縫隨地層發(fā)生了整體變化，從而形成了研究區(qū)低角度構造縫(圖4b—d)。

圖3 北特魯瓦油田石炭系KT-Ⅰ層聲發(fā)射實驗

圖4 北特魯瓦油田石炭系KT-Ⅰ層低角度構造縫成因模式

5 結 論

(1) 北特魯瓦油田高角度構造縫、斜交構造縫和低角度構造縫均較發(fā)育，充填較弱，以中等規(guī)?？p為主。

(2) 通過對陰極發(fā)光薄片、巖心和成像測井資料的觀察，并使用流體包裹體測試和聲發(fā)射實驗等實驗方法可知，北特魯瓦油田共發(fā)育3期構造縫，早期構造縫以低角度縫為主，中期構造縫以斜交縫為主，晚期構造縫以高角度縫為主。

(3) 構造運動是北特魯瓦油田低角度構造縫形成的主要原因。早二疊紀形成的早期高角度構造縫在經(jīng)歷晚二疊紀構造運動的改造后，因三疊紀構造運動產(chǎn)生的地層反轉而變成了低角度構造縫。