曹環(huán)宇，王威，劉明

（中國石化 勘探分公司，成都 610041）

目前非常規(guī)油氣資源勘探方興未艾，致密氣是其中倍受關(guān)注的焦點[1-5]。致密氣是指賦存于低孔（孔隙度小于10%）低滲（滲透率小于0.1 mD）儲集層中，含氣飽和度低（小于60%），一般要經(jīng)過特殊作業(yè)才有開采價值的天然氣。中國致密氣分布范圍廣，有利區(qū)面積達32×104km2，已成為重要的增儲上產(chǎn)領(lǐng)域。四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組（T3x）是中國目前已開采的兩大致密氣區(qū)之一[6-7]。

川東北通南巴構(gòu)造帶須家河組致密砂巖經(jīng)過多年勘探，取得顯著成效，多口井獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，但同時也面臨著巨大挑戰(zhàn)。研究區(qū)須家河組埋深大，通江凹陷可達5 000 m以上，儲集層物性差，與國內(nèi)外典型致密砂巖相比，研究區(qū)砂巖的孔隙度和滲透率明顯更低[8-11]。裂縫對研究區(qū)須家河組致密氣藏的形成至關(guān)重要，進行裂縫發(fā)育特征與成因類型的研究具有重要的理論和實際意義。本文利用巖心、薄片及成像測井等資料，對裂縫進行精細觀察與分類，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化特征，對裂縫成因進行分析，有效支撐下一步勘探。

1 地質(zhì)背景

川東北地區(qū)位于米倉山?jīng)_斷構(gòu)造帶和大巴山弧形沖斷構(gòu)造帶的疊合區(qū)，其構(gòu)造格局既受四川盆地基底控制，又在一定程度上受米倉山、大巴山逆沖斷裂構(gòu)造變形的影響，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，整體可劃分為九龍山背斜帶、通南巴構(gòu)造帶、中部低緩構(gòu)造帶、通江凹陷、池溪凹陷及南江單斜帶6個構(gòu)造帶。研究區(qū)位于通南巴構(gòu)造帶中部，為一被斷層切割而復雜化的大型斷鼻（圖1）。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

研究區(qū)須家河組整體沉積于三角洲—湖泊環(huán)境，缺失須一段，自下而上發(fā)育須二—須五段，其中須三段與須五段以泥巖為主，須二段與須四段以砂巖、礫巖為主。須二段廣泛發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相，以細砂巖—粗砂巖為主，由通南巴構(gòu)造帶至通江凹陷，碎屑顆粒粒度變小，泥質(zhì)含量增加；須四段以辮狀河三角洲平原沉積為主，發(fā)育礫狀砂巖，而通江凹陷須四段以辮狀河三角洲前緣沉積為主，發(fā)育中—細砂巖。

研究區(qū)須二段與須四段基質(zhì)物性均較差，孔隙度主要集中在2%～4%，滲透率主要集中在0.01～0.10 mD，屬于超低孔超低滲儲集層[12]。在燕山—喜馬拉雅運動早期的北西—南東向構(gòu)造運動和喜馬拉雅運動晚期的北東—南西向構(gòu)造運動的影響下，巖層變形、破裂嚴重，形成了北東—南西向和北西—南東向構(gòu)造及裂縫系統(tǒng)[13]，儲集層物性和儲集性能有所改善。目前，研究區(qū)有多口井鉆至須家河組并獲工業(yè)氣流，其中M101井累計產(chǎn)氣2.94×108m3，M103井累計產(chǎn)氣1.97×108m3中，展現(xiàn)了該區(qū)須家河組良好的勘探前景。

2 裂縫產(chǎn)狀與分布特征

裂縫對致密砂巖儲集層的改造是致密巖性氣藏獲得產(chǎn)能或高產(chǎn)的重要因素[14-15]。通南巴構(gòu)造帶整體上表現(xiàn)為一個近北東—南西向的背斜，且背斜之上還疊加了北西—南東向的斷層，其構(gòu)造變形程度大。因此，裂縫也較發(fā)育。

本文主要通過成像測井資料對裂縫產(chǎn)狀進行分析，并以有效裂縫的高導縫為主要分析對象。M2井高導縫走向為以北東—南西向為主，傾角以50°～80°為主（圖2a）；M201井高導縫走向以北東東—南西西向為主，部分走向北北西—南南東向，傾角以60°～90°（圖2b）為主；M103井高導縫以近南北向為主，部分走向為北西—南東向，傾角以60°～90°為主（圖2c）。通江凹陷M3井高導縫走向以北北西—南南東向為主，裂縫傾角以30°～80°為主（圖2d）。

整體而言，研究區(qū)須家河組裂縫較發(fā)育，高導縫傾角多為中—高角度，而裂縫走向差異明顯，因此認為研究區(qū)的裂縫在成因上具有多期性和多樣性（圖2）。

研究區(qū)須家河組不同層段裂縫發(fā)育程度在平面上存在差異。對于須四段，通江凹陷M3井砂巖段內(nèi)裂縫發(fā)育程度高，成像測井解釋高導縫9條，巖心上發(fā)育石英半充填開啟裂縫，縫寬最大可達1 cm；而通南巴構(gòu)造帶須四段礫巖裂縫發(fā)育程度低，M2井須四段內(nèi)僅解釋1條高導縫，M201井須四段內(nèi)僅解釋出3條高導縫。對于須二段，通南巴構(gòu)造帶裂縫發(fā)育程度高，M201井須二段成像測井解釋高導縫14條，M2井須二段成像測井解釋高導縫6條，M103井須二段成像測井解釋高導縫16條，巖心上發(fā)育石英半充填裂縫；而通江凹陷M3井須二段成像測井未解釋裂縫，巖心整體呈塊狀，裂縫發(fā)育程度差。

圖2 研究區(qū)須家河組成像測井高導縫走向與傾角

3 裂縫成因類型

根據(jù)成因，研究區(qū)須家河組裂縫可劃分為斷層相關(guān)裂縫、褶皺相關(guān)裂縫、順層滑脫裂縫和礫石相關(guān)裂縫4種類型（圖3）。

圖3 研究區(qū)須家河組巖心裂縫照片a—斷層相關(guān)裂縫，M103井，須二段；b—褶皺相關(guān)裂縫，M201井，須二段；c—順層滑脫裂縫，M3井，須三段；d—礫石相關(guān)裂縫，M3井，須四段

研究區(qū)斷層相關(guān)裂縫形成于斷層破碎帶內(nèi)，產(chǎn)狀多為中—高角度，裂縫多期發(fā)育，充填物多樣，以石英與方解石為主，局部充填石膏。裂縫以張性為主，寬度大，延伸長度小，發(fā)育揉皺、擦痕與階步。M3井須四段斷層相關(guān)裂縫充填物內(nèi)包裹體均一溫度集中在180～210℃，具有異常高溫的特征，反映了存在深部熱液沿斷層的活動。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化特征，推測斷層相關(guān)裂縫主要形成于晚白堊世。這一時期，研究區(qū)經(jīng)歷強烈褶皺運動，遭受擠壓形成斷層，并在斷層兩側(cè)形成裂縫帶。同時，斷層作為熱液活動的有利通道，為自生石英與石膏等充填物的形成提供充足的化學物質(zhì)（圖4a）。

研究區(qū)褶皺相關(guān)裂縫多發(fā)育于砂巖中，產(chǎn)狀以高角度為主，裂縫面平直，開度小，充填物一般較少，延伸長度大，裂縫呈組系。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化特征，研究區(qū)經(jīng)歷多期擠壓構(gòu)造運動，形成了北東—南西走向的通南巴大背斜與一系列以北西—南東走向為主的局部褶皺。處于張剪性應力背景下的背斜脊部，是裂縫發(fā)育的有利部位（圖4b）。

研究區(qū)順層滑脫裂縫多發(fā)育在泥巖和粉砂質(zhì)泥巖中，多為沿層滑脫或低幅度剪切形成，產(chǎn)狀以低角度—水平為主，多被石英、方解石半—全充填，裂縫面可見擦痕。按照典型的應力場模式，在褶皺發(fā)育區(qū)，其最大主應力與中間主應力為水平方向，最小主應力為垂直方向。在這種局部應力狀態(tài)下，容易發(fā)育剪切縫。在不同巖性層的界面上，因為巖層能干性差異，導致在構(gòu)造變形過程中發(fā)生層間滑脫形成裂縫（圖4c）。

礫石相關(guān)裂縫主要發(fā)育于研究區(qū)北部的須四段礫巖內(nèi)，并可細分為礫內(nèi)縫、礫緣縫與穿礫縫。裂縫密度較低，延伸長度一般較短，產(chǎn)狀多樣，受礫石控制，常被石英與方解石半—全充填，裂縫多呈孤立狀，不呈組系且多不連通。礫石相關(guān)裂縫形成條件復雜，部分礫內(nèi)縫形成于母巖破碎之前或搬動過程之中，穿礫縫形成于研究區(qū)多次擠壓構(gòu)造運動中，礫緣縫形成于成巖作用晚期，在應力相對集中的礫石與基質(zhì)接觸部位發(fā)生破裂（圖4d）。

圖4 研究區(qū)須家河組裂縫成因類型示意

4 有效裂縫發(fā)育主控因素及其意義

裂縫的充填、張開程度與相互連通程度反映了裂縫的有效性[16-17]。研究區(qū)須家河組4種成因類型的裂縫中，順層滑脫裂縫多發(fā)育于泥巖中，以低角度—水平為主，延伸長度小，難以構(gòu)成縫-洞體系，受上覆地層壓力影響，裂縫易處于閉合狀態(tài)，且充填嚴重。礫石相關(guān)裂縫產(chǎn)狀多樣，受礫石控制，多被石英、方解石全充填，裂縫孤立，難以形成裂縫系統(tǒng)。褶皺相關(guān)裂縫充填度低，延伸長度大，產(chǎn)出呈組系，形成期次多。斷層相關(guān)裂縫開度大，裂縫密度高，不同產(chǎn)狀裂縫相互交切，且形成時間與研究區(qū)油氣成藏期匹配關(guān)系好，可為油氣提供可容空間。因此，研究區(qū)須家河組4種類型裂縫中，斷層相關(guān)裂縫與褶皺相關(guān)裂縫是主要有效裂縫，且以斷層相關(guān)裂縫為主，順層滑脫裂縫與礫石相關(guān)裂縫多為低效或無效裂縫，對天然氣成藏貢獻較?。ū?）。

通過巖心、薄片與測井資料綜合分析，研究區(qū)須家河組儲集層有效裂縫的形成和分布主要受巖性與構(gòu)造兩大因素的控制。

表1 研究區(qū)須家河組不同成因類型裂縫發(fā)育特征及有效性

巖性是裂縫發(fā)育的內(nèi)因，是形成裂縫的物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)Hertz接觸理論，在理想狀態(tài)下，粒徑越小，接觸點的應力越大，越有利于裂縫發(fā)育。通過分析研究區(qū)有效裂縫與巖性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在一定粒度范圍內(nèi)，隨著巖石組成顆粒變細，裂縫發(fā)育程度具有升高的趨勢，中—細砂巖中裂縫發(fā)育程度最高，而隨著巖石碎屑顆粒進一步變細，裂縫發(fā)育程度呈降低趨勢。分析認為，造成這一現(xiàn)象的原因是，在礫巖和砂巖中，巖石顆粒以剛性為主，其受力關(guān)系符合Hertz接觸理論，而粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等巖性中黏土礦物的含量升高，巖石塑性增加，不再符合Hertz接觸理論。此外，不同粒級巖性中發(fā)育的裂縫特征也存在差異，細粒巖類（泥巖、粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖）裂縫發(fā)育密度低，且裂縫多集中發(fā)育于局部層段，裂縫類型以順層剪切縫為主，多被石英、方解石與碳質(zhì)全充填—半充填，裂縫有效性差；礫巖與含礫砂巖中裂縫發(fā)育密度較高，但裂縫長度短，充填度高，多圍繞礫石發(fā)育，相互不連通，難以形成裂縫網(wǎng)絡，裂縫有效性較差；砂巖（細砂巖、中砂巖和粗砂巖）中裂縫發(fā)育廣泛，裂縫產(chǎn)狀多樣，類型多樣，不同期、不同性質(zhì)裂縫相互交切，其中以細砂巖和中砂巖最有利于裂縫發(fā)育（圖5，圖6）。

圖5 研究區(qū)成像測井高導縫與巖性關(guān)系

圖6 研究區(qū)M3井巖心裂縫密度與巖性關(guān)系

構(gòu)造活動是裂縫發(fā)育的外因，高曲率背斜與大規(guī)模斷層是裂縫發(fā)育的有利條件。本文利用褶皺的閉合高度與褶皺寬度的比值來表征褶皺程度，通南巴構(gòu)造帶M101井區(qū)褶皺程度0.179，發(fā)育雙斷對稱逆斷層組合，斷層規(guī)模達11.9 km，斷距240 m，M101井與斷層距離580 m，須二段下亞段常規(guī)測試獲日產(chǎn)氣60.11×104m3；M103井區(qū)褶皺程度0.206，發(fā)育雙斷逆斷層組合，斷層規(guī)模11.9 km，斷距240 m，M103井與斷層距離730 m，須二段上亞段射孔測試獲日產(chǎn)氣13.50×104m3；通江凹陷M3井區(qū)褶皺程度0.116，發(fā)育多斷非對稱逆斷層組合，斷層規(guī)模7.7 km，斷距70 m，M3井與斷層距離410 m，須四段射孔測試獲日產(chǎn)氣10.11×104m3.而M1井、M102井、MS1井、M2井和M201井區(qū)局部構(gòu)造平緩，褶皺程度低，且與斷層距離較遠（多大于1 km）或斷層規(guī)模小，測試均為低產(chǎn)工業(yè)氣流井（表2）。

在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了研究區(qū)須家河組的裂縫發(fā)育

表2 研究區(qū)斷層特征與單井產(chǎn)量分析

模式（圖7）：巖性是裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)，決定了裂縫發(fā)育的難易程度與可能形成的裂縫類型；斷層是裂縫發(fā)育的核心，在斷層兩側(cè)形成的伴生裂縫改善儲集層物性與儲集性能，是最有效的裂縫類型，溝通海相烴源巖的斷層同時也為海相天然氣在須家河組富集成藏提供了通道[18-19]；褶皺是裂縫發(fā)育的補充，在褶皺軸部發(fā)育高角度裂縫，與斷層相關(guān)裂縫形成裂縫網(wǎng)絡，進一步改善儲集層的儲集性能。

圖7 研究區(qū)須家河組裂縫發(fā)育模式

控制研究區(qū)裂縫發(fā)育的因素也存在一定的差異。通南巴構(gòu)造帶在背斜與斷層雙重控制下，須家河組發(fā)育北西—南東向與北東—南西向兩組走向的裂縫。須二段與須四段裂縫發(fā)育特征的差異主要受巖性的控制，須四段以礫巖、砂礫巖為主，不利于裂縫發(fā)育，須二段以砂巖為主，裂縫發(fā)育程度高。通江凹陷缺乏大背斜構(gòu)造背景，局部小背斜多為斷層伴生皺褶，與斷層走向一致，因此，通江凹陷以與斷層相關(guān)裂縫為主，僅發(fā)育北西—南東向裂縫，但通江凹陷須二段與須四段均位于三角洲前緣相帶內(nèi)，中—細砂巖廣泛發(fā)育，有利于裂縫的形成。通江凹陷內(nèi)局部斷背斜須二段與須四段裂縫發(fā)育程度高，相對平緩部位裂縫發(fā)育程度低。

通南巴構(gòu)造帶須家河組整體為致密砂巖儲集層，孔隙度基本都在5%以下，成巖作用形成的溶蝕孔隙大多孤立，連通性差。加之填隙物多為黏土雜基和方解石，阻塞了孔隙喉道，使成巖作用形成的孔隙基本是無效孔隙。而構(gòu)造破裂作用產(chǎn)生的裂縫不僅是主要的油氣儲集空間和滲流通道，而且能提高致密儲集層的滲流能力，為酸性流體提供運移通道，為溶蝕作用提供物質(zhì)保障。

晚侏羅世以來，受盆緣造山活動的影響，通南巴構(gòu)造帶局部構(gòu)造、斷裂逐漸形成，與之相關(guān)的須家河組儲集層裂縫也隨之發(fā)育。在勘探中獲得的較高產(chǎn)能，證明了裂縫的存在提高了致密砂巖中流體輸導體系性能，對于晚期氣藏發(fā)生調(diào)整改造、局部富集高產(chǎn)具有重要意義。

在上述研究的基礎(chǔ)上，初步刻畫了通南巴構(gòu)造帶裂縫發(fā)育有利區(qū)。通過對地質(zhì)與地球物理資料綜合分析，認為斷距在300 m左右的斷層，其斷層相關(guān)裂縫分布范圍可達700 m以上，而斷距在100 m以內(nèi)的小斷層，其相關(guān)裂縫分布范圍則在400 m左右。通過對多個大型構(gòu)造帶的褶皺程度進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，褶皺程度與斷層垂直斷距呈較明顯的正相關(guān)關(guān)系，斷距越大，褶皺程度越高，且褶皺程度一般在背斜中部較大，向兩端逐漸減小。通過對比，將通南巴構(gòu)造帶褶皺程度大于0.100的區(qū)域定為縱張裂縫發(fā)育有利區(qū)。利用斷層相關(guān)裂縫和褶皺相關(guān)裂縫的綜合預測，在研究區(qū)優(yōu)選出4個北西—南東向斷層規(guī)模較大、褶皺程度較高的大型有利構(gòu)造區(qū)帶，面積總計109.64 km2.

5 結(jié)論

（1）通南巴構(gòu)造帶須家河組裂縫發(fā)育程度高，有效裂縫以中、高角度為主，但不同段、不同區(qū)的裂縫發(fā)育特征存在差異，須四段裂縫發(fā)育程度低，須二段裂縫發(fā)育程度高。

（2）通南巴構(gòu)造帶須家河組裂縫從成因機制上可以劃分為4種類型，包括斷層相關(guān)裂縫、褶皺相關(guān)裂縫、礫石相關(guān)裂縫和順層滑脫裂縫。其中斷層相關(guān)裂縫與褶皺相關(guān)裂縫為主要的有效裂縫類型。

（3）通南巴構(gòu)造帶須家河組裂縫發(fā)育主要受巖性與構(gòu)造背景兩大方面因素的控制。中—細砂巖是有效裂縫最為發(fā)育的巖性類型，緊閉背斜與大斷層是裂縫發(fā)育的有利構(gòu)造條件。裂縫不僅是主要的油氣儲集空間和滲流通道，而且能提高致密儲集層的滲流能力，為酸性流體提供運移通道，為溶蝕作用提供物質(zhì)保障。在研究區(qū)利用斷層相關(guān)裂縫和褶皺相關(guān)裂縫的綜合預測，優(yōu)選出4個斷層規(guī)模較大、褶皺程度較高的大型有利構(gòu)造區(qū)帶，面積總計109.64 km2.