李敏同,孫崇波,周洪兵,孫 忠,王壯生,鄭宇超,柳遠(yuǎn)松

(1.四川省金屬地質(zhì)調(diào)查研究所,四川 成都 611730; 2.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院,四川 成都 610059)

川西地區(qū)須家河組煤系地層中,發(fā)育致密砂巖儲(chǔ)層,其中須家河組二段普遍發(fā)育裂縫,是形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的關(guān)鍵因素。裂縫性儲(chǔ)層油氣產(chǎn)量占整個(gè)石油天然氣產(chǎn)量的50%以上[1],是21世紀(jì)石油增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域之一。而裂縫性油氣藏勘探、開發(fā)的最大難點(diǎn),便是對(duì)儲(chǔ)層巖體中裂縫發(fā)育程度和分布范圍的預(yù)測(cè)[2]。儲(chǔ)層中的裂縫按其成因可分為構(gòu)造縫和非構(gòu)造縫(如成巖收縮縫、溶蝕縫、異常高壓縫等),但以構(gòu)造縫為主,且多數(shù)構(gòu)造縫為未被充填或具一定張開度的有效縫,并在局部構(gòu)造和斷裂帶中構(gòu)造裂縫的分布具有明顯的規(guī)律性,理論上具可預(yù)測(cè)性。從20世紀(jì)60年代起,在美國西部白堊系儲(chǔ)層和中東油氣層中發(fā)現(xiàn)天然裂縫后,國內(nèi)外學(xué)者如Price[3]、王仁等[4]發(fā)表了許多儲(chǔ)層裂縫研究成果,并提出了具體的研究方法。歸納起來主要有:地下天然裂縫儲(chǔ)層地質(zhì)分析;巖心裂縫發(fā)育密度估算;構(gòu)造主曲率法;古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬;分形理論的應(yīng)用;應(yīng)用測(cè)井、地震資料進(jìn)行裂縫識(shí)別和預(yù)測(cè)技術(shù)等。

然而,從理論到實(shí)際應(yīng)用,各種方法都有其優(yōu)勢(shì)與不足,采用多手段相結(jié)合的研究方法是致密儲(chǔ)層裂縫研究和預(yù)測(cè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此,從裂縫與構(gòu)造的關(guān)系入手建立裂縫成因模式,為測(cè)井、地震、古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬等裂縫預(yù)測(cè)方法提供地質(zhì)模型,對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性具有指導(dǎo)意義。本文以構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)理論為指導(dǎo),運(yùn)用構(gòu)造解析手段,從構(gòu)造形跡入手并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景對(duì)川西大邑構(gòu)造成因機(jī)制進(jìn)行分析,進(jìn)而建立該構(gòu)造須家河組二段(以下簡稱須二段)儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)成因模式,并在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上為該層的裂縫預(yù)測(cè)指明方向。

1 大邑構(gòu)造區(qū)域構(gòu)造背景

大邑構(gòu)造在區(qū)域構(gòu)造位置上位于龍門山南段沖斷推覆帶前緣,屬于川西凹陷區(qū)的鴨子河—平落壩隱伏斷褶帶,西北與金馬—鴨子河、神仙橋—霧中山構(gòu)造斜列相接,南與邛西構(gòu)造相接,東鄰成都凹陷(圖1)。

圖1 川西地區(qū)南部構(gòu)造分區(qū)Fig.1 Structural zoning in the southern part of the western Sichuan region

據(jù)前人研究成果[5],川西坳陷的形成、發(fā)展主要經(jīng)歷3個(gè)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期,即印支、燕山和喜山運(yùn)動(dòng)期。印支—燕山期形成的構(gòu)造幅度較低,且受后期改造,大多數(shù)構(gòu)造是在喜山期加強(qiáng)或定型。

喜山運(yùn)動(dòng)早期,印度板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞,引起康滇地區(qū)早期南北向構(gòu)造的復(fù)合,由此而傳導(dǎo)入四川盆地,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力均為東西向的擠壓,形成南北向構(gòu)造。喜山運(yùn)動(dòng)中晚期,受印度板塊北移而產(chǎn)生的東西向強(qiáng)烈擠壓,龍門山地區(qū)受早期北東向構(gòu)造的影響,而將東西向的區(qū)域應(yīng)力分解為北西—南東向的局部應(yīng)力以及順時(shí)針剪切活動(dòng)的聯(lián)合作用,以致于川西坳陷地層中由深到淺大量北東向低緩構(gòu)造的形成,并且斷層表現(xiàn)出壓扭性特征。彭縣、大邑、平落壩等幾條大斷裂及其上盤相伴的褶皺皆有向北東傾伏或消失的表現(xiàn),在平面展布上呈左型斜列,推測(cè)便是受喜山晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響。

2 大邑構(gòu)造須二段儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)成因

2.1 須二段頂面構(gòu)造特征

裂縫的發(fā)生和發(fā)展與褶皺或斷層等較大地質(zhì)構(gòu)造有密切的成因聯(lián)系,主要作為褶皺或斷層的伴生構(gòu)造出現(xiàn)[6]。

據(jù)三維地震解釋資料,大邑須二段頂面構(gòu)造(圖2)表現(xiàn)為一個(gè)被斷層夾持的短軸背斜,軸向北東NE47°;斷層發(fā)育,走向分別為北東向45°～60°、近南北向10°±8°、近東西向91°左右。整個(gè)斷裂系統(tǒng)具“多”字形特征,且近南北向斷層具壓扭性,在平面上呈現(xiàn)“S”形左行羽狀排列;近東西向斷層平面上具反“S”形特征,這些都反映大邑構(gòu)造是受到擠壓、剪切聯(lián)合作用而形成的[7]。

圖2 大邑構(gòu)造須家河組二段頂面構(gòu)造Fig.2 The top structure of the second section of the Xujiahe Formation in Dayi Structure

2.2 大邑構(gòu)造成因分析

大邑須二段構(gòu)造的褶皺形跡簡單,構(gòu)造主跡線為北東向,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景分析,認(rèn)為大邑構(gòu)造主要受到一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用的結(jié)果,即喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中晚期東西向的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)所派生出的北西—南東向的局部構(gòu)造擠壓力及順時(shí)針方向剪切聯(lián)合作用而形成。最大主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽鳌蠔|向(NW—SE317°)。

喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期,受印度板塊北移及青藏高原隆起的影響而產(chǎn)生東西向的強(qiáng)烈擠壓,首先作用在龍門山逆沖推覆帶上,受早期北東向構(gòu)造形跡的影響,使得構(gòu)造作用力方向發(fā)生變化,而產(chǎn)生北西—南東向的局部應(yīng)力場(chǎng)[8]。南東向構(gòu)造擠壓力不斷地由西向東傳播,且在傳播的過程中不斷減小,當(dāng)經(jīng)過構(gòu)造裸露帶到達(dá)大邑地區(qū)時(shí),構(gòu)造擠壓力的強(qiáng)度有所減小,便形成了構(gòu)造幅度不大的大邑構(gòu)造。

隨著北西—南東向的構(gòu)造擠壓力的繼續(xù)作用,產(chǎn)生該方向的一對(duì)力偶,同時(shí)還受到順時(shí)針構(gòu)造旋扭力的改造。在大邑構(gòu)造須二段頂面構(gòu)造圖中,可見近南北向斷層具壓扭性、呈“S”形左行羽狀排列;近東西向斷層呈反“S”形特征;有的近南北向斷層還與北東向斷層連通,如圖2中的F2斷層。這些現(xiàn)象都體現(xiàn)了早期形成的近南北向、近東西向的平面“X”剪切縫在中晚期北西—南東向力偶及順時(shí)針旋扭力作用下,發(fā)生重張、追蹤張、折尾、扭動(dòng)等逐漸延伸、連通而形成宏觀可見的斷層[9]。

2.3 裂縫系統(tǒng)成因模式

綜上所述,大邑構(gòu)造的形成主要受到北西—南東向構(gòu)造擠壓及順時(shí)針旋扭力的聯(lián)合作用。但是同一期次構(gòu)造力的作用又可以分為不同階段,每個(gè)階段又以某一個(gè)方位、性質(zhì)的構(gòu)造力作用為主,對(duì)于大邑構(gòu)造的形成可以分為2個(gè)階段:第一階段北西—南東向構(gòu)造擠壓力作用和第二階段順時(shí)針構(gòu)造旋扭力作用。

然而,兩階段構(gòu)造力的強(qiáng)度以及對(duì)大邑構(gòu)造的影響程度明顯不同。在早期南東向構(gòu)造擠壓力作用時(shí),大邑構(gòu)造主體已經(jīng)形成;晚期旋扭作用對(duì)該區(qū)影響不大,僅對(duì)早期形成的構(gòu)造進(jìn)行小規(guī)模的改造[10]。與此同時(shí),將形成不同類型和不同方位組合的裂縫系統(tǒng)。具體而言,大邑構(gòu)造須二段儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)的形成同樣經(jīng)歷了以下2個(gè)階段[11](圖3)。

(1)北西—南東向構(gòu)造擠壓力作用階段。即構(gòu)造形成階段,由于北西—南東向構(gòu)造力的作用,在原始水平的巖層中形成高角度縫,為區(qū)域性的 “X”剪切縫系,2組方向分別為近南北向(10°±8°)和近東西向(98°±8°),縫與巖層面近于垂直(圖3(a))。

隨著南東向構(gòu)造擠壓力繼續(xù)作用,地層開始褶皺。在垂直于主壓應(yīng)力的方向即北東向,形成了剖面“X”剪切縫,該裂縫面與巖層面斜交,分布于褶皺的兩翼。由于2組裂縫傾向不同,在剖面上相交呈剖面“X”形,延伸方向?yàn)楸睎|向(NE45°～60°)。該類裂縫在北西向構(gòu)造力的持續(xù)作用下,不斷延伸、擴(kuò)大,最后沿一組貫通裂縫產(chǎn)生垂向位移,形成大規(guī)模的逆斷層,F2、f1、f11、f1-1、f6斷層便是這類裂縫發(fā)展而來的(圖3(b))。

(2)中、晚期旋扭構(gòu)造力作用階段。即構(gòu)造改造階段,隨著北西—南東向構(gòu)造力的繼續(xù)作用,將產(chǎn)生一對(duì)該方向的力偶,同時(shí)受還受區(qū)域順時(shí)針方向剪切力的作用,對(duì)已經(jīng)形成的構(gòu)造進(jìn)行改造,主要體現(xiàn)在對(duì)早期形成的平面“X”形共軛剪切裂縫的改造。

早期形成的近南北向、近東西向的平面“X”剪切縫,在中晚期北西—南東向力偶作用下,發(fā)生重張、追蹤張、折尾等,使得裂縫性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,由剪切縫變?yōu)榫哂幸欢◤堥_度的北東向和北西向延伸的追蹤張裂縫(圖3(c)、(d)),有些規(guī)模大的裂縫甚至逐漸延伸、連通而形成宏觀可見的斷層。

同時(shí),受順時(shí)針旋扭力作用,將早期近南北向高角度剪切縫改造為具壓扭性的復(fù)合裂縫,有的規(guī)模不斷擴(kuò)大最終貫通,形成規(guī)模較大的具壓扭性質(zhì)的逆斷層,如圖2中F1、f12斷層。早期近東西向裂縫則被改造成具張扭性的復(fù)合裂縫。

早期區(qū)域平面“X”形剪切縫被改造形成的追蹤張裂縫,延伸方向北西向、北東向以及近南北向具壓扭性復(fù)合縫,近東西向具張扭性復(fù)合縫。在褶皺形成的中后期,于褶皺轉(zhuǎn)折端、傾覆端將分別發(fā)育北東向縱張裂縫和北西向橫張裂縫。與褶皺相關(guān)的裂縫類型及其延伸方向?yàn)?北東向低角度剖面“X”形共軛剪切縫;北東向高角度縱張縫;北西向高角度橫張縫;在褶皺核部主要發(fā)育重張、追蹤張裂縫、縱張縫,傾伏端發(fā)育橫張裂縫,翼部低角度剪切縫、高角度復(fù)合縫都有發(fā)育。

可見,儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育程度與構(gòu)造部位密切相關(guān)。大邑須二段儲(chǔ)層主要發(fā)育斷層伴生縫、褶皺伴生縫。其中斷層伴生縫發(fā)育于斷層附近,特別是斷層末端、多條斷層的交接部位為應(yīng)力釋放區(qū),裂縫最為發(fā)育,延伸方向眾多,在空間上構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),有利于儲(chǔ)層的改造。

3 裂縫有效性分析

裂縫成因模式僅是理論上對(duì)大邑構(gòu)造須二段儲(chǔ)層可能發(fā)育的裂縫類型及其延伸方向的分析,但對(duì)于一個(gè)地區(qū)并不是所有類型的裂縫都同等程度發(fā)育,需要配合野外裂縫地質(zhì)調(diào)查具體分析,即使發(fā)育也有可能被充填或閉合,為無效縫。因此,結(jié)合巖心、野外露頭觀察資料、測(cè)井實(shí)測(cè)資料,在以上裂縫成因模式基礎(chǔ)上,對(duì)裂縫的有效性進(jìn)行分析,得到的有效裂縫才能為裂縫預(yù)測(cè)提供更準(zhǔn)確的地質(zhì)模型。

大邑構(gòu)造鉆井巖心觀察資料如圖4所示。低角度裂縫多被石英、方解石晶體、炭質(zhì)(瀝青)和泥質(zhì)全充填(圖4(a)),為無效裂縫;而直立縫無充填(圖4(b)),為有效縫?？梢?北東向的低角度剖面“X”形共軛剪切縫,可能被充填,為無效縫。北東向縱張裂縫、北西向橫張裂縫,北西向追蹤張裂縫均為高角度或近直立,無充填,為有效縫(圖4(c)、(d))。

另外,裂縫走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向一致或夾角很小時(shí),裂縫能最大限度地發(fā)揮滲流作用;反之,裂縫走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向垂直或斜交角度較大時(shí),裂縫的滲透作用大大降低,從而削弱裂縫有效性[12]。因此,判斷裂縫是否有效,除了看有無充填,還應(yīng)考慮裂縫走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力的關(guān)系。川西坳陷現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽飨?因此北西向的追蹤張裂縫、橫張裂縫,其次為近東西向具張扭性的復(fù)合縫(圖5(a)),是對(duì)油氣運(yùn)移、聚集最有效的裂縫,是大邑構(gòu)造儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)的主要目標(biāo)(圖5(b))。

斷層伴生縫延伸方向多,常形成交錯(cuò)的裂縫網(wǎng)絡(luò),斷層附近,特別是斷層末端、轉(zhuǎn)折端以及多條斷層的交匯區(qū)域,裂縫最為發(fā)育,在這些區(qū)域再配合有利沉積相帶部署井位,將有望獲得高產(chǎn)。但是這類裂縫的發(fā)育程度完全依賴于與斷層的距離,經(jīng)實(shí)鉆證實(shí),距一條大斷層約1 800 m產(chǎn)能為0,如果僅考慮此類裂縫,將不利于氣藏規(guī)模的擴(kuò)大。

目前在大邑構(gòu)造的鉆井部署主要考慮的還有斷層伴生縫,其勘探范圍受到斷層制約,下一步應(yīng)加強(qiáng)對(duì)褶皺伴生縫即北西向的追蹤張裂縫、橫張裂縫以及近東西向高角度剪切縫的預(yù)測(cè),以求擴(kuò)大勘探成果。然而,雖然多學(xué)科、多方法相結(jié)合進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)已成為裂縫預(yù)測(cè)的必然趨勢(shì),但要達(dá)到準(zhǔn)確的對(duì)上述有效裂縫的預(yù)測(cè),仍是一個(gè)巨大難題。

圖5 有效裂縫走向與油氣顯示Fig.5 Effective fracture strike and gas and oil display

4 結(jié)論

(1)大邑構(gòu)造是被斷層夾持的短軸背斜,須二段斷層發(fā)育,整個(gè)斷裂系統(tǒng)具“多”字形特征,且近南北向斷層具壓扭性,在平面上呈現(xiàn)“S”形左行羽狀排列;近東西向斷層平面上具反“S”形特征。

(2)大邑構(gòu)造須二段儲(chǔ)層裂縫系統(tǒng)的形成可以簡單概括為2個(gè)階段:早期北東—南東向構(gòu)造擠壓力作用階段(構(gòu)造形成階段)和中、晚期旋扭構(gòu)造力作用階段(構(gòu)造改造階段)。

(3)斷層伴生縫、橫張裂縫、北西向的追蹤張裂縫、近東西向復(fù)合縫是對(duì)油氣運(yùn)移、聚集最有效的裂縫,是大邑構(gòu)造儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)的主要目標(biāo)。