瓊東南盆地深水區(qū)中生界潛山裂縫發(fā)育特征及形成機(jī)理*
——以松南低凸起Y8區(qū)為例

周 杰 楊希冰 楊金海 吳 昊 何小胡 宋愛學(xué)

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057)

開展裂縫發(fā)育特征及主控因素研究，對(duì)于低滲碎屑巖、碳酸鹽巖、火成巖、變質(zhì)巖等儲(chǔ)層油氣藏勘探具有重要意義[1-5]?？碧綄?shí)踐表明，裂縫發(fā)育能夠改善潛山儲(chǔ)層的儲(chǔ)集物性及產(chǎn)能，并成為油氣有利的聚集空間，因此，近年來有關(guān)潛山裂縫發(fā)育特征及形成機(jī)理的研究受到了廣泛關(guān)注[5-10]。2019年，瓊東南盆地深水區(qū)松南低凸起中生界花崗巖潛山領(lǐng)域勘探獲得重大突破[11]，揭示了該盆地深水區(qū)基巖潛山領(lǐng)域具有較大的勘探前景。鉆井揭示該地區(qū)基巖潛山主要發(fā)育風(fēng)化殼和花崗巖裂縫帶兩種儲(chǔ)集體，在總厚度上風(fēng)化殼儲(chǔ)層占11.3%，裂縫帶儲(chǔ)層占88.7%，表明裂縫帶是該地區(qū)潛山主要儲(chǔ)層類型，但有關(guān)潛山裂縫特征及發(fā)育機(jī)理的研究尚不深入，制約了下一步勘探進(jìn)程。本文通過最新的成像測(cè)井、井壁取心、薄片分析等資料，分析了松南低凸起Y8區(qū)中生界花崗巖潛山裂縫發(fā)育特征與垂向分帶規(guī)律，討論了裂縫形成機(jī)理及主控因素，在此基礎(chǔ)上探討了裂縫發(fā)育對(duì)油氣成藏的影響，為該盆地潛山領(lǐng)域下一步勘探?jīng)Q策提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

瓊東南盆地是在南海北部準(zhǔn)被動(dòng)大陸邊緣伸展構(gòu)造背景上發(fā)育的新生代大型含油氣盆地[12-13]，具有“多坳多隆”的構(gòu)造格局，其中深水區(qū)(水深大于300 m)面積約為5.3×104km2，主要包括樂東凹陷、陵水凹陷、北礁凹陷、松南-寶島凹陷、長(zhǎng)昌凹陷、陵南低凸起及松南低凸起(圖1)。中生代以來，受歐亞板塊、印支板塊和太平洋板塊等周緣板塊運(yùn)動(dòng)的影響，盆內(nèi)形成廣泛分布的火成巖[14-16]，盆地基底主要由前新生代的火成巖、變質(zhì)巖及沉積巖組成，屬于華南地塊的組成部分；進(jìn)入新生代后，經(jīng)歷了始新世斷陷(T100—T80)、漸新世拗?jǐn)?T80—T60)、早中新世斷拗(T60—T50)和中中新世-現(xiàn)今拗陷(T50-現(xiàn)今)等4幕構(gòu)造演化階段[17]，發(fā)育了湖相—海陸過渡相—海相地層,自下而上可劃分為始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)(包括崖城組、陵水組)、中新統(tǒng)(包括三亞組、梅山組、黃流組)、上新統(tǒng)鶯歌海組和更新統(tǒng)樂東組。研究表明，瓊東南盆地以生氣為主，崖城組為主要的氣源巖[18-20]。Y8區(qū)位于松南低凸起(圖1)，該低凸起被“多凹環(huán)抱”，潛山圈閉成群成帶發(fā)育，是發(fā)育大中型氣田的有利區(qū)帶之一[21]。

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造區(qū)劃及地層綜合柱狀圖Fig .1 Tectonic framework and comprehensive stratigraphic column of Qiongdongnan basin

2 潛山裂縫發(fā)育特征

對(duì)裂縫的識(shí)別、評(píng)價(jià)及描述是研究潛山裂縫發(fā)育特征的主要內(nèi)容[22-23]，其目的是識(shí)別出裂縫類型，指出裂縫發(fā)育層段，明確優(yōu)質(zhì)裂縫儲(chǔ)層發(fā)育層段。

2.1 裂縫類型識(shí)別

利用成像測(cè)井資料，并結(jié)合井壁取心、薄片等資料分析，發(fā)現(xiàn)松南低凸起Y8區(qū)中生界花崗巖潛山裂縫非常發(fā)育，根據(jù)成因可劃分為3種類型，即構(gòu)造縫、溶蝕縫、成巖縫(圖2)。

圖2 松南低凸起Y8區(qū)成像測(cè)井裂縫類型Fig .2 Fracture types of FMI in Y8 area,Songnan low uplift

2.1.1 構(gòu)造縫

構(gòu)造縫為多期構(gòu)造作用形成，成像測(cè)井上顯示為完整的正弦或余弦線。如圖3所示，Y8區(qū)成像測(cè)井及薄片上可見三組裂縫相互切割或限制，且呈網(wǎng)狀(圖3d、e)；裂縫在薄片上表現(xiàn)為平直延伸裂縫，縫寬均勻(圖3f)；井壁取心上可見構(gòu)造裂縫將井壁心劈裂為2個(gè)或多個(gè)部分，以未充填縫為主，局部見少量裂縫被方解石或泥質(zhì)充填(圖3a、b、c)。以Y8-3-A井為例，成像測(cè)井上共識(shí)別出構(gòu)造縫204條，裂縫傾角9.5°～75.8°，平均28.3°，多為中等角度；裂縫走向以NNW—SSE向?yàn)橹鳎浯螢镹NE—SSW與NE—SW走向(表1)。

2.1.2 溶蝕縫

溶蝕縫為早期形成的構(gòu)造縫發(fā)生溶蝕改造而形成，成像測(cè)井上一般表現(xiàn)為較寬的低電阻黑色縫。根據(jù)成因不同，Y8區(qū)溶蝕縫可分為2種：一種為大氣水溶蝕裂縫，主要是花崗巖巖體經(jīng)過長(zhǎng)期暴露風(fēng)化淋濾，儲(chǔ)層中的顆?；虿环€(wěn)定礦物進(jìn)行選擇性溶蝕，造成裂縫面不規(guī)則加大、變寬而形成；薄片鑒定顯示溶蝕縫多呈不規(guī)則線狀延伸，裂縫寬度不均勻，表現(xiàn)為局部加寬、加大，多為半充填、未充填裂縫(圖3g)。另一種為深部熱液溶蝕裂縫，主要是多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中來源于地殼深部的熱流體通過深大斷裂上涌出大量酸性物質(zhì)，在原有構(gòu)造裂縫的基礎(chǔ)上進(jìn)一步溶蝕擴(kuò)大而形成；薄片上可見晚期白云石、黃鐵礦，指示有深部熱流體的活動(dòng)(圖3h)。以Y8-3-A井為例，成像測(cè)井上共識(shí)別出溶蝕縫51條，裂縫傾角21.3°～75.7°，平均57.6°，多為高角度；裂縫走向以近S—N向?yàn)橹鳎瑑A向多為W傾(表1)。

2.1.3 成巖縫

成巖縫是由于侵入巖體中的流體混入造成冷凝收縮而形成，主要為收縮縫，成像測(cè)井上表現(xiàn)為不完整的弧形。Y8區(qū)成巖縫發(fā)育相對(duì)較少，以Y8-3-A井為例，成像測(cè)井上共識(shí)別出成巖縫36條，裂縫傾角13.5°～68°，平均26°，多為中等角度；裂縫走向以NW-SE和近S-N向?yàn)橹?表1)。

(a)Y8-1-A井，2 970 m，中生界花崗巖，構(gòu)造裂縫，泥質(zhì)充填；(b)Y8-3-A井，2 976 m，中生界花崗巖，構(gòu)造裂縫，未充填；(c) Y8-3-A井，2 964.5 m，中生界花崗巖，溶蝕-構(gòu)造裂縫，方解石及泥質(zhì)充填；(d)Y8-3-A井，2 841～2 845 m，聲波成像測(cè)井，構(gòu)造裂縫和溶蝕裂縫；(e)Y8-1-A,3 061.2 m,三期構(gòu)造裂縫，網(wǎng)狀裂縫；(f)Y8-3-A井，2 864.5 m,構(gòu)造裂縫；(g)Y8-3-A井，2 860 m，溶蝕裂縫；(h)YL8-3-A井，2 964.5 m，溶蝕裂縫，見白云石、黃鐵礦

圖3 松南低凸起Y8區(qū)井典型壁心、薄片照片及聲成像特征

Fig .3 Typical photographs,microphotographs of sidewell core and acoustic imaging in Y8 area,Songnan low uplift

表1 Y8-3-A井裂縫產(chǎn)狀要素

Table 1 Fracture occurrence elements in Well Y8-3-A

上述3種裂縫具有一個(gè)共同點(diǎn)，即裂縫多為開啟的有效裂縫。根據(jù)井壁取心、薄片及成像測(cè)井等資料分析，Y8區(qū)花崗巖天然裂縫大部分是未充填的有效裂縫，只有少數(shù)裂縫被泥質(zhì)、方解石等礦物充填。通過聲成像可以看出，Y8-3-A井90%裂縫均為開啟狀態(tài)(圖3d)。當(dāng)然，上述3種裂縫的形成也存在一定聯(lián)系，巖漿的侵入冷凝形成成巖縫，多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下產(chǎn)生構(gòu)造縫；流體沿構(gòu)造裂縫面溶蝕改造形成溶蝕縫。因此，多種類型裂縫在空間上交叉分布，形成了潛山內(nèi)部廣泛分布的網(wǎng)狀裂縫帶，有效地改善了儲(chǔ)層物性條件。

2.2 裂縫參數(shù)定量評(píng)價(jià)及垂向分帶特征

Y8區(qū)潛山儲(chǔ)集體縱向由淺至深，遭受風(fēng)化作用的程度不同，具有明顯的分帶性，但各層帶之間界線不清晰(為逐漸過渡)，局部非均質(zhì)性較強(qiáng)，且發(fā)育相對(duì)致密帶。以Y8-3-A井為例說明(該井中生界花崗巖潛山未鉆完)。該井潛山頂部風(fēng)化作用較強(qiáng)，主要發(fā)育砂礫質(zhì)風(fēng)化帶，成像測(cè)井上可見大的花崗巖礫石及角礫，裂縫相對(duì)不發(fā)育；砂礫質(zhì)風(fēng)化帶以下主要發(fā)育裂縫帶，儲(chǔ)集空間以孔隙-裂縫型和裂縫型儲(chǔ)層為主，垂向上可劃分為風(fēng)化裂縫帶及內(nèi)幕裂縫帶(圖4)。

1) 風(fēng)化裂縫帶受風(fēng)化淋濾作用影響較大，井壁穩(wěn)定性較差，電性上表現(xiàn)為較高電阻率與較低密度的特征；部分井段因井壁垮塌而造成密度減小，電成像測(cè)井質(zhì)量變差，發(fā)育大量溶蝕孔縫，形成良好儲(chǔ)集空間，未見熱液活動(dòng)。成像測(cè)井顯示，自上而下風(fēng)化強(qiáng)度減弱，裂縫發(fā)育強(qiáng)度減弱；裂縫密度0.1～3.3條/m，裂縫寬度分布范圍廣，為0.03～0.8 mm，連續(xù)構(gòu)造縫最多，溶蝕縫居中，成巖縫最少；視面孔率在10%左右，最高為19%。

2) 內(nèi)幕裂縫帶受風(fēng)化淋濾作用相對(duì)減弱，電性上表現(xiàn)為比風(fēng)化裂縫帶更高的電阻率特征；井壁穩(wěn)定性相對(duì)較好，發(fā)育多套致密夾層(表現(xiàn)為高電阻、高密度、低中子)，裂縫帶和致密帶相互交叉，沒有明顯的分帶界限，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，發(fā)育熱液溶蝕作用形成的溶蝕孔縫。成像測(cè)井顯示，裂縫發(fā)育段裂縫密度1.0～5.7條/m，較風(fēng)化裂縫帶密度有所增大，裂縫寬度分布范圍窄，多為0.1～0.4 mm，構(gòu)造縫最多；視面孔率相對(duì)較大，最高達(dá)40%，高于風(fēng)化裂縫帶。

圖4 Y8-3-A井測(cè)井響應(yīng)特征及裂縫分布特征Fig .4 Logging response characteristics and fracture distribution characteristics of Well Y8-3-A

3 潛山裂縫形成機(jī)理

3.1 富脆性長(zhǎng)英質(zhì)巖性是潛山裂縫發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)

基巖潛山內(nèi)幕裂縫的規(guī)模和開啟程度均與母巖性質(zhì)有密切的關(guān)系[24-25]。區(qū)域研究認(rèn)為，瓊東南盆地基巖潛山以花崗巖巖性為主，松南低凸起及周緣潛山巖性為花崗巖。根據(jù)巖石類型分析三角圖，Y8-1-A井花崗巖主要為二長(zhǎng)花崗巖，其主要礦物成分由石英、長(zhǎng)石等礦物組成，長(zhǎng)石+石英含量超過80%(圖5)。石英和長(zhǎng)石屬于脆性礦物，前人在進(jìn)行巖石壓縮變形實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖石中的長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量達(dá)到70%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度會(huì)發(fā)生階梯式減小，這種富長(zhǎng)英質(zhì)的巖石在外力作用下極易發(fā)生機(jī)械破碎，產(chǎn)生構(gòu)造裂縫；同時(shí)，由于礦物混合化程度高，不同礦物的比熱及膨脹系數(shù)不同，在巖漿冷凝的過程中也易產(chǎn)生成巖縫，而長(zhǎng)石的抗風(fēng)化能力差、易被溶蝕，并且在地下水及地表水作用下經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的溶解作用，原有的構(gòu)造縫及成巖縫進(jìn)一步被溶蝕改造，從而形成大量溶蝕縫。因此，長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量大于80%的致密而性脆的二長(zhǎng)花崗巖是松南低凸起潛山裂縫發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 Y8-1-A井花崗巖巖石類型分析三角圖Fig .5 Triangulation of granite type analysis in Well Y8-1-A

3.2 多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是網(wǎng)狀裂縫發(fā)育的關(guān)鍵動(dòng)力

利用鋯石定年技術(shù)，測(cè)得松南低凸起潛山花崗巖地質(zhì)年齡距今約250 Ma，為中生代三疊紀(jì)花崗巖潛山。對(duì)于致密的花崗巖地質(zhì)體，潛山暴露期的風(fēng)化淋濾作用只能改造淺部地層，很難影響到潛山深部。潛山內(nèi)幕裂縫帶的發(fā)育首先需要遭受強(qiáng)烈的構(gòu)造作用而形成構(gòu)造裂縫，構(gòu)造裂縫能夠成為風(fēng)化淋濾作用往基巖拓展的通道，進(jìn)而形成溶蝕裂縫。構(gòu)造活動(dòng)是潛山裂縫發(fā)育最關(guān)鍵的因素，通過應(yīng)力作用控制潛山儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育規(guī)模、性質(zhì)及展布?；紫喔汕衅?T100向下10 ms)顯示，松南低凸起主要經(jīng)歷了印支期擠壓成山、燕山期走滑改造、喜山期伸展翹傾抬升等3期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，形成3組斷裂，并伴生網(wǎng)狀裂縫(圖6)。其中，印支運(yùn)動(dòng)末期是裂縫形成的“優(yōu)勢(shì)發(fā)育期”，其后的燕山期走滑運(yùn)動(dòng)和喜山期拉張活動(dòng)對(duì)早期裂縫進(jìn)行了網(wǎng)格化改造，形成了現(xiàn)今以NNW—SSE走向?yàn)橹?，疊合NNE—SSW走向與NE—SW走向的網(wǎng)格化裂縫系統(tǒng)。

圖6 松南低凸起基底斷裂展布與應(yīng)力場(chǎng)特征Fig .6 Fault distribution and stress field characteristics of basement in Songnan low uplift

印支運(yùn)動(dòng)中—末期，強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓導(dǎo)致華夏板塊和揚(yáng)子板塊在中三疊世末期率先完成碰撞、拼合，形成華南板塊；印支運(yùn)動(dòng)末期，受到印支板塊與華南板塊強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力回撤作用，形成了沿NNW—SSE方向延伸，傾向?yàn)镾WW的一組斷裂，這組斷裂對(duì)松南低凸起潛山裂縫的影響較大，如Y8-3-A井成像測(cè)井資料顯示裂縫主要走向?yàn)镹NW—SSE向，與印支期斷裂走向一致。燕山運(yùn)動(dòng)初期，太平洋板塊向華南大陸低角度俯沖擠壓，造成松南低凸起區(qū)域隆升而遭受風(fēng)化剝蝕，形成燕山早期至漸新世長(zhǎng)期的暴露溶蝕；燕山期，伴隨著區(qū)域隆升，基底受到左旋走滑應(yīng)力作用，形成了沿NNE—SSW向展布的走滑斷裂系統(tǒng)，同時(shí)形成NNE—SSW走向裂縫。喜山期，裂縫主要與瓊東南盆地的形成相伴生，始新世—漸新世早期受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖作用的影響，盆地總體處于NW—SE向的伸展應(yīng)力場(chǎng)，盆地內(nèi)部形成了以半地塹為主的NE—NNE向斷陷群；古近紀(jì)斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，凹陷發(fā)生沉降，凸起區(qū)相對(duì)翹傾隆升[26]，形成了一組NE—SW走向斷裂，而潛山繼承性隆起，繼續(xù)遭受風(fēng)化剝蝕，以發(fā)育NE—SW走向延伸裂縫為主；新近紀(jì)控盆斷裂活動(dòng)減弱，松南低凸起整體進(jìn)入拗陷階段，潛山受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響微弱，裂縫發(fā)育較少。

3.3 大氣淡水及深部熱液溶蝕改造擴(kuò)大了裂縫發(fā)育的深度及規(guī)模

松南低凸起花崗巖主要形成于三疊紀(jì)，遭受風(fēng)化剝蝕的時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致該地區(qū)普遍缺失中生界、新生界地層。古潛山在長(zhǎng)期的暴露過程中，遭受大氣淡水的淋濾作用，在表層形成了厚層的風(fēng)化殼儲(chǔ)層，同時(shí)風(fēng)化殼下部構(gòu)造裂縫也被溶蝕作用加大、加寬。另外，潛山底部由于斷裂的溝通作用，深部熱液流體順著斷裂向上侵入，使長(zhǎng)石等不穩(wěn)定鋁硅酸鹽礦物溶蝕，對(duì)潛山內(nèi)幕裂縫的發(fā)育也起到了明顯的改造作用，擴(kuò)大了裂縫發(fā)育的深度及規(guī)模(圖7)。

圖7 松南低凸起花崗巖潛山裂縫發(fā)育模式Fig .7 Fracture development pattern of buried hill in Songnan low uplift

綜上所述，松南低凸起潛山裂縫發(fā)育主要受巖性、構(gòu)造、溶蝕改造的共同控制，該地區(qū)中生界花崗巖本身并不是儲(chǔ)層發(fā)育的有利巖體，但潛山裂縫發(fā)育極大地改善了儲(chǔ)層物性，擴(kuò)大了儲(chǔ)層規(guī)模，形成了中生界潛山優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層。松南低凸起鉆井揭示，風(fēng)化作用形成的砂礫質(zhì)風(fēng)化帶規(guī)模有限，通常厚度在50 m以內(nèi)，而目前已鉆遇的裂縫帶分布厚度達(dá)350 m，且未鉆穿，裂縫發(fā)育層段測(cè)井孔隙度在7%～12%左右，致密層段測(cè)井解釋孔隙度多為2%以內(nèi)，如Y8區(qū)Y8-3-A井僅發(fā)育厚度7m的砂礫質(zhì)風(fēng)化帶，其儲(chǔ)層主要為裂縫性儲(chǔ)層，裂縫發(fā)育段測(cè)井解釋主要為氣層，平均孔隙度9.3%，致密層平均孔隙度1.8%。另外，潛山裂縫的發(fā)育有效地促進(jìn)了油氣運(yùn)移及聚集，并提高了油氣產(chǎn)能?？碧綄?shí)踐證實(shí)裂縫越發(fā)育產(chǎn)能越高[27-29]，目前松南低凸起Y8-3-A井測(cè)試產(chǎn)能日產(chǎn)天然氣超百萬立方米，計(jì)算無阻流量超千萬立方米，創(chuàng)造了中國(guó)海域潛山領(lǐng)域測(cè)試產(chǎn)能的最高紀(jì)錄，表明瓊東南盆地深水區(qū)基巖潛山領(lǐng)域具有較大的勘探前景。

4 結(jié)論

1) 松南低凸起中生界花崗巖潛山裂縫根據(jù)成因可劃分為構(gòu)造縫、溶蝕縫、成巖縫等3種類型，其中構(gòu)造裂縫廣泛發(fā)育，是主要的裂縫類型，裂縫走向以NNW—SSE向?yàn)橹鳎?NNE—SSW與NE—SW向次之，主要為三期形成，且不同期次裂縫相互切割，多為開啟的有效裂縫。裂縫參數(shù)定量評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)潛山儲(chǔ)集體在垂向上受到不同程度的風(fēng)化淋濾作用，自上而下裂縫發(fā)育程度逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的分帶特征，可劃分為風(fēng)化裂縫帶和內(nèi)幕裂縫帶，形成了孔隙-裂縫型和裂縫型儲(chǔ)層。

2) 松南低凸起主要發(fā)育富脆性長(zhǎng)英質(zhì)花崗巖體，經(jīng)歷了印支期擠壓、燕山期走滑、喜山期拉張翹傾等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受到長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化剝蝕、大氣水淋濾、深部熱流體溶蝕改造等作用，在潛山內(nèi)部形成了規(guī)模巨大的網(wǎng)狀裂縫體系，且裂縫多與斷裂相伴生，與印支期以來應(yīng)力的變化具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此裂縫發(fā)育主要受到巖性、構(gòu)造、溶蝕改造的共同控制。

3) 裂縫發(fā)育對(duì)于松南低凸起基巖潛山領(lǐng)域形成規(guī)模性儲(chǔ)層產(chǎn)生了重要影響，繼而促進(jìn)了油氣運(yùn)移及聚集，現(xiàn)有鉆井證實(shí)裂縫發(fā)育區(qū)往往天然氣產(chǎn)能較高，因此裂縫較發(fā)育的構(gòu)造帶及構(gòu)造部位是下一步繼續(xù)勘探的重點(diǎn)區(qū)域。