碳酸鹽巖構(gòu)造裂縫特征與形成期次分析:以阿姆河盆地右岸東部為例

侯筱曉, 劉成林*, 陳茜, 梁叢叢, 彭博, 張莉莉, 孫利國

(1. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249; 2. 中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249; 3. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081; 4. 中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司國際事業(yè)部, 北京 102200)

阿姆河盆地右岸東部區(qū)塊位于土庫曼斯坦北部的別什肯特凹陷和西南基薩爾山前沖斷帶,天然氣資源豐富,勘探前景廣闊,是中亞天然氣管道的重要?dú)庠吹豙1-4]。侏羅系卡洛夫-牛津階是阿姆河盆地重要的天然氣儲(chǔ)層,受到多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,裂縫廣泛發(fā)育,極大地改善了儲(chǔ)層的物性[4-7]。目前,對(duì)阿姆河盆地右岸東部碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫的形成期次和發(fā)育特征的研究并不深入,影響了東部地區(qū)的高效勘探和氣田評(píng)價(jià)[1-6]。因此研究侏羅系卡洛夫-牛津階碳酸鹽巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫的特征、形成與影響因素,對(duì)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)天然氣的勘探與開發(fā)具有重要意義。

目前對(duì)于裂縫研究,許多學(xué)者做了針對(duì)性研究工作,劉春等[8]通過野外露頭觀測(cè),直觀呈現(xiàn)出不同構(gòu)造樣式裂縫發(fā)育分布特征;彭先鋒等[9]通過巖心觀察能直觀反映井下裂縫發(fā)育情況;謝強(qiáng)等[10]統(tǒng)計(jì)巖心薄片尺度范圍內(nèi)的裂縫特征,分析裂縫發(fā)育特征、形成期次及影響因素等;高霞等[11]、賴錦等[12]、蘇可嘉等[13]研究認(rèn)為常規(guī)測(cè)井一般只能做到裂縫發(fā)育特征的精細(xì)判別,無法對(duì)裂縫進(jìn)行劃分并精細(xì)描述,而成像測(cè)井能夠直觀地展現(xiàn)裂縫的形態(tài)、劃分裂縫類型,明確裂縫分布情況。任杰[14]、楊永航等[15]在不同類型儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征研究基礎(chǔ)上,利用測(cè)井、巖石和試氣等資料對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行裂縫識(shí)別及參數(shù)定量評(píng)價(jià)。

阿姆河右岸地區(qū)侏羅系碳酸鹽巖氣藏局部儲(chǔ)層段物性差、非均質(zhì)性強(qiáng),裂縫發(fā)育狀況是制約氣井產(chǎn)能的關(guān)鍵因素[16-20]。隨著阿姆河盆地右岸地區(qū)的勘探與開發(fā),對(duì)東部地區(qū)的勘探需求不斷提高,亟需深入開展對(duì)東部儲(chǔ)層內(nèi)裂縫發(fā)育特征及對(duì)天然氣成藏影響的研究。但前人研究多針對(duì)阿姆河盆地右岸中西部地區(qū),且研究內(nèi)容多側(cè)重于采用常規(guī)測(cè)井方法進(jìn)行裂縫識(shí)別與特征分析,關(guān)于裂縫期次對(duì)天然氣聚集的影響研究較少。因此,現(xiàn)以阿姆河盆地右岸東部地區(qū)的巖心資料為基礎(chǔ),利用常規(guī)測(cè)井和成像測(cè)井等方法識(shí)別碳酸鹽巖儲(chǔ)層內(nèi)裂縫,進(jìn)一步明確裂縫類型和特征;分析影響碳酸鹽巖儲(chǔ)層內(nèi)裂縫發(fā)育的因素,劃分裂縫形成期次并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)探討多期裂縫對(duì)天然氣聚集成藏的影響,旨在為阿姆河盆地右岸東部地區(qū)和類似碳酸鹽巖儲(chǔ)層油氣的勘探開發(fā)提供參考性建議。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

阿姆河盆地位于歐亞板塊的南部,是中亞地區(qū)內(nèi)面積最大的含油氣盆地[5-7]。阿姆河盆地整體呈北西-南東向展布,西南翼窄而陡、東南翼寬且緩[21-25]。阿姆河右岸區(qū)塊位于阿姆河盆地東北部的土庫曼斯坦,橫跨查爾朱凸起、堅(jiān)基茲庫爾凸起、桑迪克雷凸起、卡拉別克凹陷、別什肯特凹陷和基薩爾逆沖帶6個(gè)構(gòu)造單元(圖1)。阿姆河盆地先后經(jīng)歷了二疊紀(jì)-三疊紀(jì)裂谷期、侏羅紀(jì)-古近紀(jì)始新世坳陷期和漸新世-新近紀(jì)擠壓抬升改造期。侏羅系卡洛夫-牛津階碳酸鹽巖為阿姆河右岸東部重要的目的層,主要發(fā)育緩坡臺(tái)地相沉積,自上而下可以進(jìn)一步細(xì)分為GAP層、XVhp層、XVa1層、Z層、XVa2層和XVI層;位于侏羅系卡洛夫-牛津階上部的基末利-提塘階沉積了大套膏鹽巖作為區(qū)域性蓋層,提供有利的遮擋條件,卡洛夫-牛津階下部的巴特階為含煤碎屑巖系,與卡洛夫-牛津階共同形成了有利的生儲(chǔ)蓋組合[1-3, 23-25]。

2 裂縫發(fā)育特征

2.1 裂縫的成因類型

根據(jù)阿姆河盆地右岸東部3口井巖心描述和7口井成像測(cè)井裂縫解釋結(jié)果可知,按照裂縫成因,阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階中發(fā)育非構(gòu)造裂縫與構(gòu)造裂縫兩大類,其中構(gòu)造裂縫是侏羅系卡洛夫-牛津階中最主要的裂縫,縫面平直、延伸穩(wěn)定,上下斷面可見擦痕[圖2(a)],構(gòu)造裂縫的發(fā)育和分布受到多種因素影響,對(duì)儲(chǔ)層具有顯著的改善作用。

2.2 裂縫的產(chǎn)狀與發(fā)育程度

通過對(duì)阿姆河盆地右岸東部的巖心觀察和成像測(cè)井資料分析發(fā)現(xiàn)(圖2、圖3),結(jié)合前人分類標(biāo)準(zhǔn)[14,26-29],侏羅系卡洛夫-牛津階裂縫按產(chǎn)狀可以分為4類:水平縫(小于10°)、低角度縫(10°～45°)、高角度縫(45°～70°)和垂直縫(大于70°)。侏羅系卡洛夫-牛津階中裂縫總體上走向以NW-SE向?yàn)橹?表1),但不同裂縫的走向差異性較大,反映了裂縫具有多期形成的特點(diǎn)。低角度縫走向主要為NE-SW、NW-SE、近W-E,可能在2～3期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成;高角度縫和垂直縫走向主要為NW-SE、NE-SW、近W-E向,至少在2期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)下形成。通過對(duì)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)7口井的成像測(cè)井資料進(jìn)行分析,侏羅系卡洛夫-牛津階中裂縫雖在各層均有分布,但分布密度和規(guī)模存在差異,其中在中下侏羅統(tǒng)的XVa1層中最發(fā)育,平均裂縫密度為1.48 條/m;裂縫的規(guī)模普遍較大,構(gòu)造裂縫的高度多大于10 cm,在上侏羅統(tǒng)的XVhp層裂縫寬度和裂縫高度最大,平均裂縫寬度約0.08 mm、平均裂縫高度67.1 cm,構(gòu)造裂縫的傾角多介于40°～70°,為高角度縫(表1)。

表1 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of structural fracture parameters of Jurassic Callovian-Oxfordian stage reservoirs in the eastern right bank of Amu Darya Basin

圖3 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)不同類型構(gòu)造裂縫特征圖Fig.3 Characteristics of different types of structural fractures in the eastern part of the right bank of the Amu Darya Basin

2.3 裂縫的充填程度

阿姆河盆地右岸東部地區(qū)C-1井累計(jì)取心37.7 m、收獲率94%,通過對(duì)巖心觀察和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),該井段侏羅系卡洛夫-牛津階中發(fā)育139條裂縫,且多為有效縫,充填程度存在差異(圖2),主要可以分為3類:全充填裂縫(為無效裂縫)、半充填裂縫(為有效裂縫,有效性中等)和半充填裂縫(為有效裂縫,有效性好)。在該井段中半充填裂縫居多,占巖心裂縫總數(shù)(N=139條)的50.38%,全充填縫次之,占巖心裂縫總數(shù)的38.57%,未充填裂縫占巖心裂縫總數(shù)的10.65%,說明阿姆河右岸東部地區(qū)裂縫充填程度中等,多數(shù)裂縫為有效裂縫[圖4(a)]。裂縫的充填礦物主要包括方解石、泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì),其中方解石含量最多,占58.12%,有機(jī)質(zhì)含量占比24.78%,泥質(zhì)含量占比17.01%[圖4(b)]。

圖4 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)巖心裂縫充填程度及充填礦物Fig.4 The filling degree and filling minerals of core fractures in the eastern part of the right bank of the Amu Darya Basin

3 影響裂縫發(fā)育的因素

3.1 巖性

不同巖性在礦物成分、粒度、結(jié)構(gòu)等方面存在差異,影響巖石力學(xué)性質(zhì),經(jīng)歷相同的構(gòu)造應(yīng)力作用,裂縫的發(fā)育程度會(huì)存在差異[28-31]。以阿蓋雷井區(qū)為例,選取A-1、A-2和A-3的巖心描述、錄井及測(cè)井資料,通過統(tǒng)計(jì)不同巖性中構(gòu)造裂縫的線密度,分析不同巖性背景下裂縫的發(fā)育程度。侏羅系卡洛夫-牛津階主要為含泥灰?guī)r、灰泥石灰?guī)r、含生屑灰泥石灰?guī)r、生屑灰?guī)r、亮晶砂屑灰?guī)r和生物礁灰?guī)r。不同巖性的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度具有明顯差異,總體上在亮晶砂屑灰?guī)r和生物礁灰?guī)r中構(gòu)造裂縫線密度最大,在含泥灰?guī)r中構(gòu)造裂縫線密度最小。高角度縫主要發(fā)育在生物礁灰?guī)r和亮晶砂屑灰?guī)r中,低角度縫主要發(fā)育在含泥灰?guī)r中(圖5)。

圖5 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階不同巖性構(gòu)造裂縫線密度直方圖Fig.5 The frequency distribution histogram of linear density of structural fractures with different lithology in Jurassic Callovian-Oxfordian in the eastern right bank of Amu Darya Basin

3.2 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了阿姆河盆地右岸東部地區(qū)的裂縫的形成時(shí)間、構(gòu)造裂縫性質(zhì)及產(chǎn)狀。在中新世晚期受阿拉伯板塊與歐亞板塊南緣碰撞的影響,中亞地區(qū)的古構(gòu)造重新活動(dòng)(圖6),伴隨著印度板塊的碰撞和帕米爾突刺楔入,阿姆河盆地的構(gòu)造活動(dòng)加強(qiáng)[6,21]。通過巖心觀察發(fā)現(xiàn)侏羅系卡洛夫-牛津階中不同裂縫之間呈現(xiàn)出高角度縫和垂直縫相互交錯(cuò)的現(xiàn)象,在巖心的上下斷面形成類似于“棋盤狀”的網(wǎng)狀縫[圖2(b)和圖2(c)],說明受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,裂縫具有多期形成的特點(diǎn)。

4 裂縫期次分析

4.1 裂縫期次劃分

阿姆河盆地右岸經(jīng)歷了基底形成、穩(wěn)定沉降和碰撞改造等三個(gè)地質(zhì)演化階段。徐文禮等[16]采用次生石英電子自旋共振法測(cè)年、聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)定碳、氧同位素分析和流體包裹體測(cè)定等實(shí)驗(yàn)分析手段,指出卡洛夫-牛津階儲(chǔ)層中構(gòu)造裂縫有3個(gè)形成期次,最早構(gòu)造裂縫形成于燕山晚期,其次為喜山早期,最后為喜山中期;鄭榮才等[32]將陰極發(fā)光實(shí)驗(yàn)和聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)相結(jié)合分析,認(rèn)為卡洛夫-牛津階儲(chǔ)層中發(fā)育2期構(gòu)造裂縫,分別對(duì)應(yīng)燕山晚期和喜山早期。結(jié)合前人成果認(rèn)識(shí)[17,32-34],認(rèn)為侏羅系卡洛夫-牛津階儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫主要是在燕山期和喜山期的擠壓應(yīng)力作用下形成。

根據(jù)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)巖心裂縫切割關(guān)系,確定存在3期構(gòu)造裂縫(圖7),第Ⅰ期構(gòu)造裂縫傾角分布在9°～89°,寬度0.001～0.8 mm,多被方解石等礦物充填,為無效縫;第Ⅱ期構(gòu)造裂縫傾角分布在10°～88°,寬度約0.001～0.6 mm,部分被泥質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等充填,為有效縫,可見切穿第Ⅰ期被方解石充填的構(gòu)造裂縫;第Ⅲ期構(gòu)造裂縫傾角分布在6°～76°,寬度0.001～0.3 mm,巖心上未被充填,為有效縫,可見該期裂縫切穿有泥質(zhì)充填的裂縫的同時(shí),也切穿了被方解石充填的構(gòu)造裂縫,且有泥質(zhì)充填的構(gòu)造裂縫又切穿了被方解石充填的構(gòu)造裂縫,說明方解石充填的構(gòu)造裂縫形成最早,其次為有泥質(zhì)充填的構(gòu)造裂縫,最后為未充填的裂縫。根據(jù)構(gòu)造裂縫相互切割關(guān)系、充填差異性及不同類型構(gòu)造裂縫產(chǎn)狀,結(jié)合前人研究與區(qū)域構(gòu)造演化史,確定構(gòu)造裂縫的形成分為3期:第Ⅰ期構(gòu)造裂縫形成于燕山晚期,第Ⅱ期構(gòu)造裂縫形成于燕山晚期至喜山早期,第Ⅲ期構(gòu)造裂縫形成于喜山中期。

圖7 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階構(gòu)造裂縫期次劃分Fig.7 The division of Jurassic Callovian-Oxfordian tectonic fracture stages in the eastern part of the right bank of the Amu Darya Basin

4.2 多期裂縫對(duì)天然氣的影響

結(jié)合構(gòu)造埋藏史、斷裂活動(dòng)期次及流體包裹體測(cè)溫結(jié)果,分析了阿姆河盆地右岸東部地區(qū)裂縫形成期次與天然氣成藏的關(guān)系(圖8)。阿姆河盆地右岸東部地區(qū)的生排烴時(shí)間主要發(fā)生在晚白堊世和古近紀(jì),但此時(shí)還未形成大規(guī)模的圈閉,天然氣主要在古隆起背景下的圈閉中聚集[1-4, 24, 34-36]。古近紀(jì)-第四紀(jì),受強(qiáng)烈擠壓作用的影響,阿姆河盆地右岸地區(qū)形成大規(guī)模的構(gòu)造圈閉,天然氣重新調(diào)整聚集,此時(shí)也是第Ⅱ期和第Ⅲ期裂縫大量形成的時(shí)間。晚期裂縫不僅改善了侏羅系卡洛夫-牛津階儲(chǔ)層的物性,也是重要的天然氣運(yùn)移通道,對(duì)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)天然氣聚集成藏具有重要作用。

圖中數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[3,7,34]圖8 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階構(gòu)造裂縫期次與天然氣運(yùn)聚關(guān)系圖Fig.8 The relationship between the period of structural fractures and natural gas migration and accumulation in the Jurassic Callovian-Oxfordian Stage in the eastern part of the right bank of the Amu Darya Basin

5 結(jié)論

(1)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階儲(chǔ)層裂縫按成因分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫,以構(gòu)造裂縫為主,按產(chǎn)狀分為水平縫、低角度縫、高角度縫和垂直縫,構(gòu)造裂縫總體上走向以NW-SE向?yàn)橹?但不同裂縫的走向差異性較大,反映了裂縫的多期形成;不同產(chǎn)狀構(gòu)造裂縫的密度和規(guī)模存在差異,在中下侏羅統(tǒng)的XVa1層中最發(fā)育、在上侏羅統(tǒng)的XVhp層裂縫規(guī)模最大;構(gòu)造裂縫的充填程度存在差異,以半充填裂縫為主,其次為全充填縫和未充填縫,總體上有效縫居多,說明阿姆河右岸東部地區(qū)構(gòu)造裂縫的有效性中等。

(2)侏羅系卡洛夫-牛津階中構(gòu)造裂縫的發(fā)育不僅受到巖性的影響,還受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制;亮晶砂屑灰?guī)r和生物礁灰?guī)r為構(gòu)造裂縫發(fā)育的優(yōu)勢(shì)巖性;受新近紀(jì)擠壓作用的影響,巖心中不同裂縫之間形成相互交錯(cuò)的網(wǎng)狀裂縫,說明裂縫具有多期形成的特點(diǎn)。

(3)侏羅系卡洛夫-牛津階中存在3期構(gòu)造裂縫:第Ⅰ期構(gòu)造裂縫形成于燕山晚期,第Ⅱ期構(gòu)造裂縫形成于燕山晚期至喜山早期,第Ⅲ期構(gòu)造裂縫形成于喜山中期;其中第Ⅱ期和第Ⅲ期構(gòu)造裂縫的形成與油氣重新調(diào)整聚集時(shí)期相對(duì)應(yīng),促進(jìn)天然氣運(yùn)移和成藏。