鞏 磊, 曾聯(lián)波, 陳樹民, 高 帥, 張本健, 祖克威, 苗鳳彬

(1.東北石油大學 黑龍江省普通高?？萍紕?chuàng)新團隊斷裂變形、封閉性及流體運移, 黑龍江 大慶 163318; 2.大慶石油管理局博士后科研工作站, 黑龍江 大慶 163453; 3.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 4.中國石油 西南油氣田分公司 川西北氣礦, 四川 江油 621709)

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致密礫巖儲層微觀裂縫特征及對儲層的貢獻

鞏 磊1, 2, 曾聯(lián)波3, 陳樹民2, 高 帥1, 張本健4, 祖克威3, 苗鳳彬3

(1.東北石油大學 黑龍江省普通高?？萍紕?chuàng)新團隊斷裂變形、封閉性及流體運移, 黑龍江 大慶 163318; 2.大慶石油管理局博士后科研工作站, 黑龍江 大慶 163453; 3.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 4.中國石油 西南油氣田分公司 川西北氣礦, 四川 江油 621709)

摘 要:根據微觀薄片分析, 結合巖芯資料、地表露頭以及實驗分析, 對川西前陸盆地北部九龍山地區(qū)致密礫巖儲層微觀裂縫的成因類型與特征、形成序列、有效裂縫的控制因素以及微觀裂縫對儲層的貢獻進行了探討。研究結果表明, 珍珠沖組致密礫巖儲層微觀裂縫可以分為穿礫縫、礫緣縫和礫內縫3種類型。微觀裂縫以構造成因為主, 還有成巖成因微裂縫和原生微裂縫。微觀裂縫的充填程度較弱, 絕大多數微觀裂縫都屬于有效裂縫。微觀裂縫的有效性主要受裂縫的形成時間、后期溶蝕作用以及異常高壓流體等因素的影響。微觀裂縫的平均開度為11.0 μm, 平均面密度為0.85 cm/cm2, 反映研究區(qū)微觀裂縫十分發(fā)育。微觀裂縫的平均孔隙度為0.78%, 占儲層總孔隙度的22.9%, 平均滲透率為3.18 mD, 說明微觀裂縫是該區(qū)致密礫巖儲層重要的儲集空間。

關鍵詞:微觀裂縫; 成因類型; 有效性; 致密礫巖儲層

項目資助: 國家自然科學青年基金(41502124)、中國博士后科學基金(2015M581424)和國家科技重大專項(2011ZX05003-002)聯(lián)合資助。

0　引 言

裂縫不但是地下流體流動的重要通道, 而且是油氣的重要儲集空間(Nelson, 1985; 周文, 1998; 李茹等, 2006; 張義楷等, 2006; 曾聯(lián)波等, 2007a; Zeng, 2010)。按裂縫的規(guī)模, 可以將裂縫分為宏觀裂縫和微觀裂縫兩種類型。宏觀裂縫是指可以在野外露頭、鉆井巖芯以及測井響應特征上直接觀察和描述的裂縫, 其張開度一般大于50 μm(侯貴廷, 1994; Ortega et al., 2006; 南珺祥等, 2007; 曾聯(lián)波等, 2007b; Zeng, 2010)。而微觀裂縫須借助顯微鏡、掃描電鏡等技術手段才能進行觀察和描述, 其張開度通常小于50 μm, 主要在20 μm以內。微觀裂縫的開度與孔喉直徑處于同一量級, 雖然其滲流作用不如宏觀裂縫, 但它卻極大地改善了儲層的孔隙結構和整體性能, 對致密儲層的儲滲具有重要意義(Nelson, 1985; 周文, 1998; Ortega et al., 2006; 曾聯(lián)波等, 2007b)。與宏觀裂縫相比, 在巖石中的微觀裂縫一般更為發(fā)育, 并且它們是宏觀裂縫的微觀表現(xiàn), 能夠提供一些與之相關的宏觀裂縫的信息, 可以利用這些信息來預測宏觀裂縫參數(Dezayes et al., 2000; Ortega and Marrett, 2000; Ortega et al., 2006; Zeng, 2010)。微觀裂縫還可以用作古應力指示計、應變計算以及變形時間的標記等(Ortega et al., 2006; Zeng, 2010)。因此, 微觀裂縫的分布特征及其發(fā)育規(guī)律研究, 對致密儲層評價及宏觀裂縫發(fā)育規(guī)律的認識具有重要指導作用。

前人對致密砂巖儲層、碳酸鹽巖儲層中宏觀和微觀裂縫的分布特征、控制因素以及滲流規(guī)律做了大量研究(周文等, 2008; 周新桂等, 2008; Zeng, 2010; 戴俊生等, 2011; Zeng et al., 2012; 董有浦等,2013; 鞠瑋等, 2013; 趙文韜等, 2013), 但由于致密塊狀礫巖油氣儲集層比較少見, 僅在近年來對該類儲層的宏觀裂縫系統(tǒng)進行了探討性的研究(鞏磊等, 2012; 李躍剛等, 2012), 而對于微觀裂縫的分布特征、有效裂縫的控制因素及其對致密礫巖儲層的貢獻尚不清楚。為此, 筆者以川西前陸盆地北部九龍山地區(qū)珍珠沖組致密礫巖儲層為例, 對其微觀裂縫的類型、有效性及其對儲層的貢獻進行了研究。

1　地質背景

九龍山構造位于川西前陸盆地北部, 北為米倉山臺緣隆起, 西為龍門山逆沖推覆構造帶, 南及東南邊與蒼溪–興馬向斜緊鄰(圖1)。研究區(qū)內斷層不發(fā)育, 以北北東向逆斷層為主, 斷層規(guī)模不大, 斷距一般為10～100 m, 在平面上呈雁行式排列(裴森奇等, 2008; 李躍剛等, 2012)。該區(qū)下侏羅統(tǒng)珍珠沖組為致密礫巖天然氣儲層, 地層厚度為130～210 m,埋深大于3000 m。沉積環(huán)境為沖積扇和扇三角洲前緣沉積(李躍剛等, 2012)。儲層巖性以塊狀致密礫巖為主, 其次為巖屑砂巖。儲層物性極差, 平均孔隙度為3.4%, 平均滲透率則小于0.1 mD。其儲集空間以溶孔、晶間微孔和微裂縫為主, 偶見少量粒間孔和鑄?？?。微裂縫是該區(qū)致密礫巖儲層有效儲集空間的重要組成部分, 微裂縫的發(fā)育程度對產能具有重要的控制作用。

2　微觀裂縫類型與特征

根據巖芯鑄體薄片和常規(guī)薄片上微觀裂縫的分布特征, 可將致密礫巖儲層的微觀裂縫分為穿礫縫、礫緣縫和礫內縫3種類型(表1、圖2)。按照微觀裂縫的力學性質, 又可分為剪切縫、壓扭縫和張性縫等類型,其中以剪切縫為主, 比例達85%, 其次為壓扭縫, 張性縫數量較少, 主要和異常高壓流體的存在有關。

2.1礫內縫

礫內縫主要分布在礫石內部, 它們的延伸長度較小, 沒有切穿礫石的邊緣(圖2)。這類裂縫的規(guī)模小,但是密度大, 其開度一般小于10 μm。在成因上包括構造成因、成巖成因和原生裂縫。原生裂縫是指儲層沉積以前的母巖中已形成的裂縫(圖2a), 它們絕大部分已經被礦物全充填, 對儲層的貢獻小, 屬于無效裂縫,只有在后期發(fā)生溶蝕作用以后, 才有可能形成有效的儲集空間。構造裂縫是指受局部構造事件或區(qū)域構造應力場控制的裂縫(圖2b、e)。成巖裂縫是成巖壓實過程中礫石之間相互擠壓形成的破碎縫(圖2f)。構造成因礫內縫和成巖成因礫內縫的主要區(qū)別是: 成巖成因的礫內縫主要發(fā)育在相互接觸擠壓的礫石中, 而且裂縫面往往與礫石之間的接觸面垂直; 而構造形成的礫內縫的規(guī)律性好, 方向性明顯, 通常與構造成因的穿礫縫平行。由于受龍門山推覆構造帶強烈的構造擠壓作用的影響, 研究區(qū)大量的礫內縫主要是構造擠壓形成的, 成巖成因的礫內縫數量比較少。

圖1　九龍山構造珍珠沖組頂面構造圖Fig.1 Top structure map of the Zhenzhuchong Formation in the Jiulongshan structure

表1　致密礫巖儲層不同類型微觀裂縫特征Table 1 Characteristics of different microfracture types in the compact conglomerate reservoirs

圖2　微觀裂縫類型及特征Fig.2 Types and characteristics of the micro-fractures

2.2 礫緣縫

礫緣縫主要沿著礫石的邊緣分布, 通常稱之為貼礫縫。礫緣縫的縫面為球面或近球面, 在薄片上顯示為弧形(圖2a、c), 這類裂縫規(guī)模小, 延伸短, 其開度一般小于10 μm, 少數被溶蝕以后可達20 μm。礫緣縫的成因與機械壓實作用和后期強烈的構造擠壓作用有關。此外, 由于研究區(qū)存在明顯的異常流體高壓, 可以使盆地出現(xiàn)拉張應力狀態(tài), 并形成拉張裂縫, 這些張性裂縫并未切割礫石, 而是沿礫石邊緣分布, 形成礫緣縫。

2.3穿礫縫

穿礫縫是該區(qū)發(fā)育的最主要微觀裂縫類型, 主要表現(xiàn)為構造成因的剪切裂縫, 它們廣泛分布在各種巖性中, 方向性明顯(圖2a、d、e), 并常有礦物充填。此外, 還有一類成巖成因的穿礫縫, 它們主要發(fā)育在巖性界面上, 通常順層面發(fā)育, 并具斷續(xù)、彎曲、尖滅、分枝等分布特征。與礫內縫和礫緣縫相比, 其規(guī)模相對較大, 延伸較長, 不受礫石限制, 通常穿越兩個礫石以上。其開度也比礫內縫和礫緣縫大, 一般小于50 μm, 主要為10～30 μm。此類裂縫溶蝕現(xiàn)象普遍, 溶蝕以后的開度可達50 μm以上。

3　微觀裂縫的期次

裂縫既是有效的儲集空間, 又是主要的滲流通道, 同時, 充填裂縫也為裂縫形成期次和形成時間的分析提供了地質依據(周文, 1998; 曾聯(lián)波, 2008)。根據微觀裂縫的充填序列和交切關系, 鑄體薄片上可見相交的兩組裂縫中, 一組被石英全充填, 而另一組未被充填的現(xiàn)象(圖3a), 一組裂縫限制另一組裂縫(圖3a)以及一組裂縫切割另一組裂縫(圖3b)的現(xiàn)象, 說明研究區(qū)微觀裂縫是分多期形成的。該區(qū)微觀裂縫充填物的切割關系復雜, 主要有方解石切割石英、石英切割方解石以及方解石和石英切割瀝青或碳質等現(xiàn)象。根據微觀薄片分析, 并結合巖芯裂縫充填物的切割關系, 可以篩分出4次微觀裂縫充填序列: 第一期主要為石英或碳質充填在原生裂縫中; 第二期主要為泥質或瀝青充填在成巖裂縫中;第三期和和第四期主要為石英或方解石充填在構造裂縫中, 其充填程度依次變弱。

礦物流體包裹體保留了大量的成礦流體成分和性質, 對確定巖石的受熱史, 推斷油氣運移及古地熱場具有重要的作用(朱炎銘等, 2005)。根據裂縫充填物中包裹體的特征分析及均一溫度測定, 可以得到充填物形成時的古溫度, 幫助確定裂縫的形成期次及礦物充填期次(周文, 1998)。根據研究區(qū)珍珠沖組14個裂縫充填物(石英或方解石)樣品的包裹體分析, 包裹體均一溫度主要在90～105 ℃和120～ 135 ℃區(qū)間, 反映了兩期主要的構造破裂與充填事件。綜合地表露頭、巖芯和薄片裂縫分析、構造及應力場演化分析(劉和甫等, 1994; 操成杰, 2005; 李躍剛等, 2012; 張小瓊等, 2013)、埋藏史分析(陳楊等, 2011)(圖4), 自珍珠沖組沉積以來, 研究區(qū)主要經歷了兩次較強的構造運動: 白堊紀末期和新近紀末期-早更新世末期(鞏磊等, 2013), 并形成了兩期構造裂縫, 兩期礦物充填分別發(fā)生于這兩期破裂事件之后。

圖3　微觀裂縫交切關系Fig.3 Crosscutting relationship of the micro-fractures

圖4　九龍山構造珍珠沖組巖石破裂序列圖Fig.4 Sequence of the fractures in the Zhenzhuchong Formation in the Jiulongshan structure

綜上所述, 該區(qū)珍珠沖組儲層微觀裂縫主要分四期形成(圖4): (1)原生裂縫是早期母巖中已形成的裂縫, 形成于侏羅紀以前; (2)在成巖過程中形成的成巖裂縫(礫內縫和礫緣縫)是第二期裂縫, 它們主要是在成巖壓實過程中由于壓實和壓溶作用形成的礫緣縫以及礫內擠壓破碎縫, 其形成時間從侏羅紀至古近紀早期; (3)早期構造裂縫, 主要形成于白堊紀末期的燕山晚期; (4)晚期構造裂縫, 主要形成于新近紀晚期的喜馬拉雅期, 該時期構造應力明顯增強, 強烈的構造擠壓作用形成大量的構造裂縫, 系構造裂縫的主要形成時期。其中, 在燕山晚期和喜馬拉雅期形成的構造裂縫是該區(qū)珍珠沖組的主要裂縫類型, 其發(fā)育程度控制了該區(qū)天然氣的富集分布。

4　微觀裂縫的有效性及其控制因素

裂縫形成以后, 在后期的成巖過程中往往被礦物充填, 從而使裂縫的體積變小, 有效性變差。根據裂縫中礦物的充填程度, 一般可分為未充填、半充填和全充填3種類型(Zeng, 2010; 曾聯(lián)波等, 2012),其中半充填和未充填裂縫可以作為油氣的儲集空間和滲流通道, 為有效裂縫。根據薄片微觀裂縫統(tǒng)計,該區(qū)微觀裂縫未充填者占67.35%, 半充填者占11.60%, 全充填者占21.05%(圖5), 反映該區(qū)微觀裂縫的充填程度較弱, 絕大多數裂縫(78.95%)都屬于有效裂縫。

根據巖芯、薄片、露頭以及成像測井等資料, 研究區(qū)微觀裂縫的發(fā)育程度主要受古構造應力場、礫石成分、礫石之間的接觸關系、礫徑、構造部位以及填隙物成分等因素控制(鞏磊等, 2012), 而裂縫的有效性則主要受裂縫的形成時間、后期溶蝕作用強度以及異常高壓流體等因素的影響。

圖5　微觀裂縫充填程度Fig.5 Filling degrees of the micro-fractures

根據微觀薄片分析, 研究區(qū)致密礫巖儲層微觀裂縫具有相互切割和明顯的多期形成的特點。早期形成的裂縫經歷了更長時間的膠結作用, 容易被礦物全充填而成為無效裂縫(圖6a), 而形成時間越晚的裂縫, 被充填的機率就越小, 更容易成為有效裂縫, 對致密儲層的貢獻大, 比如在母巖中早已形成的原巖裂縫(圖2a中的礫內縫)已經幾乎被全充填,為無效裂縫, 而后期形成的構造裂縫則多為有效裂縫。裂縫形成甚至是被充填以后, 還常會發(fā)生溶蝕作用, 形成沿裂縫分布的溶蝕孔洞, 后期的溶蝕作用越強烈, 裂縫的有效性就越好(圖6b)。另外, 九龍山地區(qū)珍珠沖組存在明顯的異常高壓系統(tǒng), 地層壓力系數在1.7以上, 最大可達2.1(李躍剛等, 2012)。異常高壓的存在, 不僅可以在擠壓構造環(huán)境下形成透鏡狀分布的拉張裂縫(曾聯(lián)波, 2008), 還可以使早期閉合的裂縫再次張開, 從而使裂縫的有效性變好(圖6c、d)。

圖6　九龍山構造珍珠沖組有效微觀裂縫照片F(xiàn)ig.6 Effective micro-fractures in thin sections of the Zhenzhuchong Formation in the Jiulongshan structure

5　微觀裂縫對儲層的貢獻

根據研究區(qū)7口井582塊薄片的統(tǒng)計分析, 90%以上的薄片發(fā)育有微觀裂縫, 反映微觀裂縫在該區(qū)致密礫巖儲層中普遍發(fā)育。統(tǒng)計結果表明(表2、圖7), 含礫內縫和礫緣縫薄片數分別占裂縫薄片總數的85.1%和63.2%, 平均開度分別為6.2 μm和8.4 μm,平均面密度分別為0.23 cm/cm2和0.11 cm/cm2, 平均孔隙度分別為0.13%和0.10%, 平均滲透率分別為0.12 mD和0.20 mD。而含穿礫縫薄片數占總薄片數的35.1%(圖7、8), 平均每塊薄片見3.4條穿礫縫, 穿礫縫的開度主要分布在10～30 μm之間, 占75%, 峰值為10～20 μm, 占48%, 只有極少數溶蝕以后可以大于50 μm, 其比例小于5%。穿礫縫的面密度主要分布在0.30～0.70 cm/cm2之間, 峰值為0.50～0.60 cm/cm2,平均為0.51 cm/cm2, 說明該區(qū)儲層微觀裂縫十分發(fā)育。穿礫縫的孔隙度為0.1%～1.0%, 平均為0.55%;滲透率為0.1～10.5 mD, 平均為3.18 mD。微觀裂縫總孔隙度平均為0.78%, 占儲層總孔隙度的22.9%;總滲透率平均為3.50 mD。

圖7　含裂縫薄片所占比例Fig.7 Proportion of thin sections containing microfractures

以上統(tǒng)計結果說明, 雖然礫內縫和礫緣縫的數量比較多, 分布也比較廣泛, 但是由于它們主要發(fā)育于礫石內部或邊緣, 規(guī)模和開度均較小, 而且這兩類裂縫的連通性較差, 對儲層的滲流作用小, 主要起儲集空間的作用, 相當于基質孔隙系統(tǒng)。而穿礫縫的規(guī)模、開度和延伸長度較大, 除了可以作為重要的儲集空間, 它們還溝通了礫內溶孔和礫間溶孔, 起到了滲流通道的作用。

表2　不同類型微觀裂縫參數統(tǒng)計表Table 2 Parameters of different micro-fracture types in the compact conglomerate reservoirs

圖8　珍珠沖組不同類型微觀裂縫參數分布特征Fig.8 Characteristics of different types of micro-fractures in the Zhenzhuchong Formation

李躍剛等(2012)利用全直徑巖芯分析和成像測井資料計算了研究區(qū)宏觀裂縫的物性參數, 認為珍珠沖組宏觀裂縫的孔隙度主要分布在0.40%～0.80%,平均為0.62%, 占儲層總孔隙度的18.2%; 與裂縫伴生的溶蝕孔洞的平均孔隙度為1.64%; 宏觀裂縫的滲透率主要分布在20.0～160.0 mD。作者的統(tǒng)計結果表明, 與宏觀裂縫相比, 微觀裂縫孔隙度略高于宏觀裂縫孔隙度, 均占儲層總孔隙度的20%左右, 說明宏觀裂縫和微觀裂縫均是致密礫巖儲層的重要儲集空間。而微觀裂縫的滲透率雖然比基質孔隙的滲透率高2～3個數量級, 卻遠遠小于宏觀裂縫的滲透率, 反映微觀裂縫主要是起儲集空間和溝通粒間孔的作用, 宏觀裂縫系統(tǒng)是致密礫巖儲層滲透率的主要貢獻者。

6　結 論

(1) 致密礫巖儲層發(fā)育有穿礫縫、礫緣縫和礫內縫3種微觀裂縫, 根據其成因, 又可分為原生裂縫、成巖裂縫和構造裂縫, 其中構造成因剪切穿礫縫為主要裂縫類型。原生裂縫形成于侏羅紀以前, 成巖裂縫的形成時間從侏羅紀至古近紀早期, 構造裂縫分兩期形成, 形成時間分別為白堊紀末期和新近紀末期。

(2) 九龍山構造致密礫巖儲層微觀裂縫的充填程度較弱, 絕大多數裂縫(78.95%)屬于有效裂縫。其有效性主要受裂縫的形成時期、后期溶蝕作用以及異常高壓流體等因素的影響。晚期形成的裂縫被礦物充填的機率小, 有效性更好; 溶蝕作用可明顯地增加裂縫的有效性; 異常流體高壓作用可使裂縫重新裂開, 使裂縫的有效性變好。

(3) 九龍山構造致密礫巖儲層微觀裂縫平均孔隙度為0.78%, 占儲層總孔隙度的22.9%左右, 說明微觀裂縫是致密礫巖儲層重要的儲集空間。微觀裂縫的滲透率雖然比基質孔隙的滲透率高2～3個數量級, 卻遠遠小于宏觀裂縫的滲透率, 反映微觀裂縫主要是起儲集空間和溝通礫間孔隙的作用, 宏觀裂縫系統(tǒng)是致密礫巖儲層滲透率的主要貢獻者。

致謝： 川西北氣礦張豫高工為微觀薄片裂縫觀察提出了很多寶貴意見。感謝北京大學侯貴廷教授和中國地質調查局周新桂研究員提出的寶貴修改意見。

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Characteristics of Micro-fractures and Contribution to the Compact Conglomerate Reservoirs

GONG Lei1, 2, ZENG Lianbo3, CHEN Shumin2, GAO Shuai1, ZHANG Benjian4, ZU Kewei3and MIAO Fengbin3
(1. Science and Technology Innovation Team on Fault Deformation, Sealing and Fluid Migration, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, Heilongjiang, China; 2. Postdoctoral Research Station of Daqing Petroleum Administration Bureau, Daqing 163453, Heilongjiang, China; 3. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 4. Northwest Sichuan Gas Field, Southwest Oil and Gas Field Branch, PCL, Jiangyou 621709, Sichuan, China)

Abstract:Based on microscopic thin section analysis and in combination with filed observation, core logging, and experimental results, we investigated the genetic types and validity of micro-fractures in the compact conglomerate of the Zhenzhuchong Formation in the Jiulongshan structure in the north of western Sichuan foreland basin, and discussed their contribution to reservoirs. Three types of micro-fractures, i.e. intragranular, gravel edge, and transgranular fractures, are developed in the compact conglomerate reservoirs of the Zhenzhuchong Formation, and their genetic types are dominated by structural micro-fractures, followed by diagenetic micro-factures and pre-existing micro-fractures. Few of these micro-fractures are filled with minerals, so most of the micro-fractures are effective. The validity of micro-fractures is affected by the age of fractures, dissolution and abnormal pressure. The average aperture of micro-fractures is 11.0 μm and the mean areal density is 0.85 cm/cm2, which illustrate that micro-fractures are well developed in the study area. The average porosity of micro-fractures is 0.78%, which accounts for 22.9% of the reservoir total porosity; and the average permeability is 3.18 mD, which reflects that the micro-fractures are the major storage space in the study area.

Keywords:micro-fractures; original types; validity; tight conglomerate reservoirs

中圖分類號:P542; TE121.2

文獻標志碼:A

文章編號:1001-1552(2016)01-0038-009

收稿日期:2013-12-19; 改回日期: 2014-04-28

第一作者簡介:鞏磊(1985–), 男, 博士, 副教授, 從事亞地震斷層和裂縫形成、分布及預測方面教學和科研工作。Email: kcgonglei@foxmail.com