川西坳陷彭州地區(qū)雷口坡組天然裂縫發(fā)育特征與形成期次

夏 宇，鄧虎成,2，王園園，何建華，解馨慧，滕 娟

1成都理工大學能源學院；2成都理工大學產(chǎn)業(yè)技術(shù)學院

0 前 言

經(jīng)過近50年的勘探，在四川盆地中三疊統(tǒng)雷口坡組先后發(fā)現(xiàn)了川中磨溪、川西中壩等大中型氣藏和含氣構(gòu)造?！肮怕∑?古巖溶”作用控制下的雷口坡組具有形成大型油氣聚集帶的優(yōu)越條件［1-3］。近年來，在川西坳陷中段的彭州地區(qū)實施的CK1 井、XS1井、PZ1井測試分別獲氣86.8×104m3/d、68×104m3/d、121×104m3/d，顯示出川西地區(qū)雷口坡組良好的油氣勘探潛力［4-5］。雷口坡組天然氣富集條件復雜、儲層類型多樣，儲層中天然裂縫發(fā)育，但裂縫對儲層的貢獻及有效性比較復雜，裂縫特征、形成期次和有效性已成為勘探研究亟需解決的問題之一。例如，CK1井風化殼氣藏位于裂縫發(fā)育帶內(nèi)，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在10.5×104m3左右；但裂縫較發(fā)育的DS1井測試時產(chǎn)氣量較低，巖心觀察發(fā)現(xiàn)DS1 井的低角度裂縫和風化裂縫較多，裂縫有效性較差。趙向原等［6］認為彭州氣田雷口坡組儲層裂縫以構(gòu)造縫為主，剪性縫居多，裂縫有效性較高；高角度縫與構(gòu)造應力有關，與孔隙度相關性較好。羅嘯泉等［7］認為川西地區(qū)裂縫對油氣運聚的影響較大，改善了儲集物性，可作為良好的油氣運移通道。楊長清等［8］、李耀華等［9］認為中生代以來川西坳陷印支期、燕山期和喜馬拉雅期的構(gòu)造演化控制了油氣藏的發(fā)育與分布。

筆者利用彭州地區(qū)雷口坡組9口取心井的巖心（462 m）、薄片（73 片）、碳氧同位素組成數(shù)據(jù)（54 項）和聲發(fā)射測試數(shù)據(jù)（8項）等資料，對天然裂縫特征和形成期次進行研究，認為雷口坡組裂縫以剪性裂縫和張性裂縫為主，發(fā)育4期構(gòu)造成因裂縫和1期風化成因裂縫，其中燕山中晚期—喜馬拉雅期的垂直裂縫和高角度裂縫有效性較高。這項研究可為雷口坡組儲層綜合評價、天然氣富集規(guī)律研究提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

川西坳陷處于四川盆地西部，呈北東向展布（圖1a）。受西側(cè)龍門山推覆構(gòu)造帶影響，川西坳陷發(fā)育一系列NE 走向的構(gòu)造和斷裂；三疊紀后經(jīng)歷了印支運動、燕山運動和喜馬拉雅運動等大規(guī)模構(gòu)造運動，形成了多期次、多成因疊加的斷裂體系［7］。彭州地區(qū)位于川西坳陷中部，雷口坡組發(fā)育石羊鎮(zhèn)—金馬—鴨子河構(gòu)造，其主體為夾于關口斷裂帶與彭縣斷裂帶之間、呈北東向展布的大型正向構(gòu)造［6］。

研究區(qū)雷口坡組海相地層具有良好的天然氣資源潛力［10-11］。雷口坡組上覆馬鞍塘組、下伏嘉陵江組，自下而上分為4 個巖性段［12-13］。因地層抬升剝蝕，川西北部地層缺失較多，局部地區(qū)雷口坡組四段（簡稱雷四段）削蝕殆盡。彭州地區(qū)雷口坡組發(fā)育碳酸鹽臺地沉積體系，沉積相帶變化頻繁。雷四段主要為蒸發(fā)臺地相［14-16］，以潮間帶的云坪、藻云坪及灰云坪為優(yōu)勢儲層相帶；巖性主要為微晶白云巖、細粉晶白云巖、藻屑白云巖、藻紋層白云巖，其次為石灰?guī)r，局部夾薄層膏巖；儲集空間以次生孔隙為主，主要為晶間溶孔、藻間溶孔、晶間孔及裂縫等，儲層非均質(zhì)性強，易受后期成巖改造影響；儲層具有中低孔、中低滲特征［14-17］。雷四段是彭州氣田主要含氣層段，由上到下可分為3個亞段（圖1b），上亞段為有利儲層段。

圖1 彭州地區(qū)中三疊統(tǒng)雷口坡組四段頂界構(gòu)造及中三疊統(tǒng)巖性柱狀圖Fig.1 Structural map of the Leikoupo Member 4 of Middle Triassic and lithologic column of Middle Triassic in Pengzhou area

2 天然裂縫發(fā)育特征

筆者按照研究尺度將巖心可見的裂縫稱為宏觀裂縫，將僅在顯微鏡下觀察到的裂縫稱為微裂縫。根據(jù)雷口坡組巖心、薄片觀察結(jié)果，以成因為依據(jù)將宏觀裂縫劃分為構(gòu)造裂縫（包括張性裂縫、剪性裂縫和破碎狀裂縫）和非構(gòu)造裂縫（包括風化網(wǎng)狀裂縫等）。需要說明的是，破碎狀裂縫在應力機制上歸屬剪切裂縫，只是此類裂縫多呈組系、相互平行及雁列式分布，主要是在強烈剪切作用下形成的。在此基礎上，探討構(gòu)造裂縫的產(chǎn)狀、有效性及發(fā)育規(guī)模等特征。

2.1 宏觀裂縫特征

2.1.1 不同成因裂縫特征

本次研究觀察巖心裂縫403 條，對這些裂縫進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：剪性裂縫、張性裂縫均發(fā)育，剪性裂縫有173 條，張性裂縫有145 條，分別占43%、36%；部分巖心呈破碎狀，共有53條裂縫，占13%；風化網(wǎng)狀縫共計32組，占8%?？梢姡瑯?gòu)造裂縫是彭州地區(qū)雷口坡組最主要的裂縫類型。

張性裂縫常見于巖層褶皺變形處，具有縫面粗糙不平整（圖2a，2b）、形態(tài)彎曲不規(guī)則、延伸較短、呈組系發(fā)育的特點；縫面常見方解石充填，富含黑色泥質(zhì)。剪性裂縫在巖心中通常具有縫面平直、光滑、分布規(guī)則的特點（圖2c），常切穿顆粒，延伸長度大，穿層發(fā)育，縫面上可見擦痕、階步等；在露頭中常以共軛方式出現(xiàn)，縫面平直光滑（圖2d），具有大致等距離發(fā)育的特征。破碎狀裂縫常表現(xiàn)為多組平行分布的、近垂直層面的構(gòu)造縫切割巖石，呈片狀（圖2e）；PZ1 井微晶灰?guī)r巖心被多條構(gòu)造裂縫切割而呈破碎狀發(fā)育（圖2f），縫面干凈，可能是裂縫網(wǎng)格化切割巖石形成的破碎帶。

非構(gòu)造裂縫主要為風化網(wǎng)狀裂縫，局部可見溶蝕縫、縫合線。受印支早期構(gòu)造運動影響，地層整體抬升，雷口坡組暴露地表，主要在雷四段和雷三段形成古風化殼。風化網(wǎng)狀裂縫常見于不整合面附近［18-20］。巖心多處可見風化網(wǎng)狀裂縫（圖2g—2i），裂縫延伸長度較短、組系散亂、呈網(wǎng)格狀系統(tǒng)，常見暗色物質(zhì)充填。

圖2 彭州地區(qū)雷口坡組巖心宏觀裂縫特征Fig.2 Characteristics of macro fracture in cores of Leikoupo Formation in Pengzhou area

2.1.2 構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀及有效性

將研究區(qū)構(gòu)造裂縫按產(chǎn)狀分為4 種類型，即垂直裂縫（傾角在75°～90°之間）、高角度裂縫（傾角在45°～75°之間）、低角度裂縫（傾角在15°～45°之間）、水平裂縫（傾角小于15°）。對318條構(gòu)造裂縫（張性裂縫和剪性裂縫）進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)以垂直裂縫和高角度裂縫為主，低角度裂縫和水平裂縫較少（圖3a）?？紤]到破碎狀裂縫總體占比較低，但個別層段發(fā)育密度較高，為較真實地反映整體特征，未把破碎狀裂縫納入統(tǒng)計。

根據(jù)裂縫被其他物質(zhì)充填的情況可劃分有效裂縫和無效裂縫：完全充填的裂縫為無效裂縫，未充填和半充填的裂縫為有效裂縫。統(tǒng)計不同產(chǎn)狀裂縫的有效性（圖3b）發(fā)現(xiàn)：有效裂縫以高角度裂縫和垂直裂縫為主；無效裂縫以低角度裂縫和水平裂縫為主，少部分為垂直裂縫。研究區(qū)垂直裂縫和高角度裂縫絕對數(shù)量大，巖心上垂直裂縫和高角度裂縫延伸長，最長可達1.5 m，而且開啟程度良好，部分裂縫縫寬可達0.1～0.5 cm，這兩類裂縫值得重點關注。低角度裂縫和水平裂縫總體發(fā)育較少，低角度裂縫多為未充填裂縫，但受到上覆地層的重力作用，往往呈閉合狀態(tài)，并不能成為油氣運移的有效通道。

圖3 彭州地區(qū)不同產(chǎn)狀構(gòu)造裂縫及其有效性分布圖Fig.3 Distribution of structural fractures with different occurrence and their effectiveness for transporting hydrocarbon in Pengzhou area

2.1.3 裂縫發(fā)育規(guī)模

對研究區(qū)雷口坡組9 口取心井共403 條裂縫的統(tǒng)計（表1）表明：裂縫密度介于0.16～3.05 條/米，平均為0.87 條/米，其中PZ1 井、XS1 井和X1 井的裂縫密度較高，反映出井間裂縫密度差異大的特點。對不同成因類型的裂縫密度的統(tǒng)計（圖4a）表明：張性裂縫和剪性裂縫的密度相差不大，兩者均明顯高于破碎狀裂縫和風化裂縫。對于不同產(chǎn)狀的張性裂縫和剪性裂縫（合計318條），高角度裂縫密度最高，低角度裂縫密度最低（圖4b）。整體上看，研究區(qū)垂直裂縫和高角度裂縫發(fā)育密度大。

表1 彭州地區(qū)雷口坡組巖心裂縫密度統(tǒng)計表Table 1 Statistics of fracture density of cores in Pengzhou area

圖4 彭州地區(qū)裂縫密度分布圖Fig.4 Histograms of fracture density in Pengzhou area

2.2 微裂縫特征

薄片觀察（73 片）發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)雷口坡組微裂縫的張開度與孔隙、孔喉直徑處于同一量級，通常小于50 μm，多在10～40 μm 之間，少數(shù)可達數(shù)百微米。一般切穿顆粒的微裂縫規(guī)模較大，延伸較長，其張開度往往大于10 μm，主要為10～50 μm；而繞顆粒的微裂縫規(guī)模較小，延伸較短，張開度通常小于10 μm，很少能夠達到20 μm。微裂縫面密度相差不大，大多為1～5條/面，平均面密度為2.5條/面。

微裂縫主要類型有單一型微裂縫、共軛型微裂縫、平行組系微裂縫、網(wǎng)狀微裂縫和縫合線（圖5）。對939 條微裂縫的統(tǒng)計表明：單一型微裂縫普遍發(fā)育，占微裂縫總數(shù)的43%；其次為網(wǎng)狀微裂縫和平行組系微裂縫，分別占28%和17%；縫合線和共軛型微裂縫少量發(fā)育，分別占7%和5%。單一型微裂縫中，構(gòu)造縫縫面平直光滑（圖5a）；溶蝕縫形態(tài)多樣，呈彎曲狀，縫面不平整（圖5b）。微裂縫常切穿顆粒、骨架，共軛型和網(wǎng)狀微裂縫相互切割現(xiàn)象明顯（圖5c—5f），反映出裂縫形成的先后。平行裂縫常呈組系發(fā)育，縫寬較為均勻（圖5g，5h）。此外，在YS1 井雷口坡組有部分層段受到強烈溶蝕作用，縫合線大量發(fā)育（圖5i），呈鋸齒狀，繞顆粒發(fā)育，有壓溶現(xiàn)象。

圖5 彭州地區(qū)雷口坡組微裂縫特征（鑄體薄片，單偏光）Fig.5 Characteristics of micro fracture of Leikoupo Formation in Pengzhou area(casting thin section,plane-polarized light)

微裂縫大多處于充填、半充填狀態(tài)，只有少數(shù)未充填，總體有效性較差。對不同類型微裂縫的充填程度進行對比發(fā)現(xiàn)，在單一型微裂縫中充填微裂縫占比遠高于未充填、半充填微裂縫，網(wǎng)狀微裂縫和平行組系微裂縫的半充填比例明顯升高。微裂縫在一定程度上有助于改善儲層孔隙結(jié)構(gòu)和整體性能。

3 裂縫形成期次

3.1 露頭、巖心及薄片分析

基于野外露頭、鉆井巖心及薄片裂縫之間的切割、組合關系判斷裂縫形成的先后順序，認為研究區(qū)至少存在3～4期天然裂縫。大飛水露頭雷口坡組巖性為白云巖，地層產(chǎn)狀為130°∠56°，見3期構(gòu)造裂縫相互切割（圖6a），裂縫中均有方解石充填現(xiàn)象，反映出自雷口坡組沉積以來至少經(jīng)歷了3 期構(gòu)造運動。第1 期裂縫產(chǎn)狀為130°∠85°，為高角度裂縫或垂直裂縫，縱向貫穿程度高；第2 期裂縫產(chǎn)狀為130°∠47°；第3期裂縫產(chǎn)狀為310°∠55°，貫穿程度高。

巖心中可見3期裂縫（圖6b），均被方解石充填：第1 期、第3 期為構(gòu)造縫，第2 期為非構(gòu)造縫，第1 期被第2 期切割的關系明顯，反映出至少經(jīng)歷了3 期構(gòu)造運動。

圖6 彭州地區(qū)雷口坡組構(gòu)造裂縫發(fā)育期次特征Fig.6 Characteristics showing developing stages of the structural fracture of Leikoupo Formation in Pengzhou area

薄片中見4 期裂縫（圖6c）：第1 期為早期的風化裂縫，形態(tài)不規(guī)則；第2 期和第3 期見方解石充填；第4期裂縫為瀝青半充填。由圖6c可見，早期裂縫多被方解石充填，中晚期有效裂縫數(shù)量增多，受排烴影響有機質(zhì)充填物增加。

3.2 碳氧同位素分析

埋藏條件下裂縫形成會使地下飽和地層水第一時間進入裂縫并沿縫面流動，析出的礦物晶體會附著于縫面之上。地質(zhì)演化過程中不同的成巖環(huán)境和成巖流體性質(zhì)使得析出晶體的碳氧穩(wěn)定同位素值也具有明顯差異［21］。在對巖心發(fā)育的裂縫進行分期配套并劃定裂縫的期次后，提取對應不同期次的裂縫充填物進行碳氧同位素實驗，圈定不同期次裂縫充填物碳氧同位素值的分布范圍，再結(jié)合氧同位素測溫和埋藏史分析判斷裂縫期次。對研究區(qū)露頭和巖心孔洞、裂隙的方解石充填物進行碳氧同位素分析，由圖7 可見，孔洞縫中的方解石充填物碳氧同位素分布可分為3 個區(qū)域，反映了裂縫形成的3個期次：第1期裂縫充填物δ18O值介于-2.73‰～-1.97‰，平均為-2.35‰，δ13C 值介于1.74‰～2.69‰，平均為2.22‰；第2 期裂縫充填物δ18O 值介于-7.44‰～-3.91‰，平均為-5.40‰，δ13C 值分布為0.34‰～1.67‰，平均為1.16‰；第3期裂縫充填物δ18O 值介于-8.96‰～-6.41‰，平均為-7.49‰，δ13C 值介 于-0.72‰～0.85‰，平均為0.01‰。充填物形成時間越晚，δ18O 值越低，第3 期充填物δ13C 值明顯降低，可能是受燕山中期開始大規(guī)模排烴的影響，有機質(zhì)生成大量烴類物質(zhì)，這會使碳同位素變輕［22］。

圖7 彭州地區(qū)裂縫、孔洞充填物碳氧穩(wěn)定同位素交會圖Fig.7 Crossplot of carbon and oxygen isotopes of the cements of fractures and vugs in Pengzhou area

采用Fritz 等［23］提出的氧同位素測溫方程，對各樣品裂縫形成時的溫度進行計算：

式中：T為方解石形成時的溫度，℃；δ18O為方解石氧同位素值；δ18Ow為形成礦物時的水介質(zhì)氧同位素值，取-0.5‰。在此基礎上，按研究區(qū)常年平均地面溫度20 ℃、地溫梯度2.65 ℃/100 m，可計算得到裂縫形成時的埋深，再結(jié)合研究區(qū)埋藏史分析［24］可大致推斷相應的地質(zhì)時期：第1 期裂縫充填物δ18O 值介于-2.73‰～-1.97‰，折算埋深為800～1 050 m，對應印支早期；第2 期裂縫充填物δ18O 值介于-7.44‰～-3.91‰，折算埋深為1 500～3 150 m，對應印支中—晚期；第3期裂縫充填物δ18O值介于-8.96‰～-6.41‰，折算埋深為2 600～4 100 m，對應燕山早—中期。

3.3 聲發(fā)射測試分析

當巖石所受應力大于最大先期應力時，會出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射信號。在聲發(fā)射曲線圖中，累積能量曲線上的Kaiser 效應點（簡稱為K 點），可用于反映巖石受力而損傷變形的情況［25］。對采自于龍門山山前漢旺、卸軍門、雎水等地的樣品（雷口坡組及上覆馬鞍塘組），在單軸加載條件下測定樣品受壓時的聲發(fā)射信號。在圖8 所示的聲發(fā)射曲線圖中，累積能量采用以10 為底的對數(shù)，累積能量曲線上的4個K 點表明雷口坡組沉積以來至少經(jīng)歷了4 期構(gòu)造運動。綜合區(qū)域埋藏史、沉積記錄和古構(gòu)造等分析［26-28］，川西坳陷上三疊統(tǒng)至第四系經(jīng)歷了印支期、燕山期和喜馬拉雅期等3 個構(gòu)造旋回，雷口坡組主要經(jīng)歷了4 期構(gòu)造運動。根據(jù)水壓致裂資料，現(xiàn)今露頭條件下的地應力平均值為60 MPa，與第4 個K點的應力值比較接近，故認為第4 個K 點的軸向應力對應喜馬拉雅期的應力。這4個期次的古應力具有逐步增加的特點，結(jié)合區(qū)域應力演化特征分析［29-30］，前3個K點分別與印支中—晚期、燕山早—中期、燕山晚期構(gòu)造運動對應。通過巖石聲發(fā)射曲線可確定印支中—晚期平均主應力為27.5 MPa，燕山早—中期平均主應力為35.2 MPa，燕山晚期平均主應力為45.8 MPa，喜馬拉雅期平均主應力為55.4 MPa。

圖8 川西中三疊統(tǒng)露頭樣品巖石聲發(fā)射曲線Fig.8 Acoustic emission curve of outcrop samples of Middle Triassic in Western Sichuan Basin

聲發(fā)射實驗結(jié)果可反映構(gòu)造成因裂縫的期次［31］。川西地區(qū)雷口坡組沉積以來形成了4期構(gòu)造裂縫，分別對應印支中—晚期、燕山早—中期、燕山晚期和喜馬拉雅期構(gòu)造運動。

3.4 裂縫形成期次及有效性綜合評價

綜合露頭、巖心、薄片觀察以及裂縫充填物碳氧同位素、聲發(fā)射實驗結(jié)果，認為彭州地區(qū)雷口坡組主要發(fā)育4 期構(gòu)造裂縫和1 期風化裂縫，構(gòu)造裂縫分別發(fā)育于印支中—晚期、燕山早—中期、燕山晚期和喜馬拉雅期，風化裂縫發(fā)育于印支早期。

印支早期研究區(qū)雷口坡組頂部風化殼形成，產(chǎn)生風化裂縫；印支中期研究區(qū)成為山前坳陷，印支晚期龍門山?jīng)_斷帶持續(xù)發(fā)生構(gòu)造變形，研究區(qū)形成大量構(gòu)造裂縫。印支早期風化裂縫和印支中—晚期構(gòu)造裂縫在燕山早期前多被方解石、石膏等充填，并且早于燕山中—晚期的烴源巖大規(guī)模排烴期，因此該時期形成的裂縫對油氣儲集、運移的作用較?。?2-34］。燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造裂縫均是對已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫進行調(diào)整改造，在原來裂縫的基礎上延伸并且產(chǎn)生新的裂縫。

綜合研究區(qū)雷口坡組裂縫特征、期次分析，應重點關注燕山期—喜馬拉雅期的垂直裂縫和高角度裂縫，它們與斷裂一起連通烴源巖，對油氣富集以及后續(xù)的開發(fā)高產(chǎn)意義較大。微裂縫由于充填程度高，有效性較差。

4 結(jié) 論

（1）川西彭州地區(qū)宏觀裂縫（巖心可見）按成因可分為構(gòu)造裂縫和和非構(gòu)造裂縫，構(gòu)造裂縫包括張性裂縫、剪性裂縫和破碎狀裂縫，非構(gòu)造裂縫主要為風化網(wǎng)狀裂縫。宏觀裂縫以構(gòu)造裂縫為主，主要為剪性裂縫和張性裂縫，其中的垂直裂縫、高角度裂縫的發(fā)育密度和有效性較高。微裂縫（鏡下可見）有效性較差，對儲層的影響程度低。

（2）通過野外露頭、巖心、薄片觀察和孔洞縫方解石充填物碳氧同位素以及聲發(fā)射實驗分析，確定研究區(qū)雷口坡組主要發(fā)育4 期構(gòu)造裂縫和1 期風化裂縫，構(gòu)造裂縫形成于印支中—晚期、燕山早—中期、燕山晚期和喜馬拉雅期，風化裂縫發(fā)育在印支早期。

（3）印支早期的風化裂縫和印支中—晚期的構(gòu)造裂縫，其形成均早于燕山中—晚期烴源巖的大規(guī)模排烴期，且多被方解石和石膏等充填，故對研究區(qū)油氣運移儲集的作用較小。燕山中晚期—喜馬拉雅期的垂直裂縫和高角度裂縫絕對數(shù)量大且有效性高，對研究區(qū)天然氣成藏及氣藏開發(fā)具有重要意義。