劉國平 ，董少群,3 ，李洪楠 ，彭仕宓 ，管 聰，毛 哲

[1.油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 3.中國石油大學(北京) 理學院，北京 102249；4.中國石油 遼河油田勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦 124010]

古潛山油氣藏是一類特殊類型的重要油氣藏，其儲層多與盆地上覆地層不整合接觸，并經(jīng)歷了長時間的風化和剝蝕，主要特征表現(xiàn)為儲層巖石厚度大，孔隙度和滲透率非均質(zhì)性強，儲集空間類型復雜多樣[1-3]。古潛山儲層巖性不僅包括變質(zhì)巖和火山巖，還包括了碳酸鹽巖和砂巖，油氣藏的烴源巖大部分發(fā)育于不整合面上較新的沉積物中。古潛山油氣藏不僅可以形成于潛山頂部的風化殼中，也可以分布在潛山內(nèi)幕中。由于古潛山儲層經(jīng)歷了多期構(gòu)造和成巖作用的疊加，儲層中次生孔隙和天然裂縫較發(fā)育，屬于典型的裂縫性油氣藏[4-6]。

遼河盆地古潛山儲層勘探開發(fā)較早，古潛山油氣藏占有遼河油田相當比例的儲量和產(chǎn)量，是主要的油氣勘探領(lǐng)域[1,7]。西部凹陷古潛山儲層作為遼河盆地重要的油氣勘探區(qū)帶，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了興隆臺、齊家、曙光、杜家臺等重要的潛山油氣藏。西部凹陷古潛山油氣藏呈塊狀分布，潛山巖性以變質(zhì)巖為主，同時包含了碳酸鹽巖和火山巖。古潛山儲層中天然裂縫發(fā)育，是其主要的油氣儲集空間和滲流通道。由于經(jīng)歷了長期復雜的地質(zhì)演變，古潛山儲層中天然裂縫類型多樣，規(guī)模相差懸殊，空間分布變化大，非均質(zhì)性強[8-11]?？碧介_發(fā)實踐表明古潛山儲層不同層段油氣顯示受天然裂縫類型和發(fā)育程度的控制明顯[8,12-14]。因此，針對遼河盆地西部凹陷古潛山儲層天然裂縫類型、發(fā)育特征和影響因素的研究顯得尤為重要。

本次研究利用該地區(qū)的野外露頭剖面、巖心、薄片、掃描電鏡和成像測井等資料，并結(jié)合前人的研究成果剖析了遼河盆地西部凹陷古潛山儲層天然裂縫的類型和發(fā)育特征，并從構(gòu)造運動、巖性和成巖作用三方面討論了影響古潛山儲層天然裂縫發(fā)育的主要因素。以期該研究成果為遼河盆地西部凹陷古潛山儲層油氣藏的勘探開發(fā)提供科學的地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

遼河盆地位于中國東北部，呈NS-SW向展布，是中生代以來在拉伸應力場作用下形成的裂陷盆地(圖1)。遼河盆地根據(jù)其典型的構(gòu)造特征可以劃分為6個一級構(gòu)造單元，分別為大民屯凹陷、西部凹陷、東部凹陷、西部凸起、中央凸起和東部凸起，面積約12 400 km2。盆地自中生代以來經(jīng)歷了多期強烈的構(gòu)造運動，發(fā)育北北東到北東向和北西到近東西向兩組基底斷裂系統(tǒng)[15-16]。這些斷裂不僅控制了盆地的構(gòu)造形態(tài)，同時控制了盆地的構(gòu)造演化和沉積充填歷史，將盆地基巖切割成多個壘塹相間的斷塊。

盆地的構(gòu)造演化為基底隆起形成古潛山創(chuàng)造了良好的地質(zhì)條件，形成了多種類型、廣泛發(fā)育的基底潛山，主要包括太古宙及古元古代變質(zhì)巖潛山、中-新元古代和早古生代碳酸鹽巖潛山、以及中生代火山巖潛山。由于經(jīng)歷了多期構(gòu)造抬升和變形，大面積古潛山地層遭受了復雜的剝蝕、風化和淋濾等作用，形成了孔、縫、洞以及原生孔隙在內(nèi)的多種類型共同發(fā)育的儲集空間網(wǎng)絡[7,13,17]。遼河盆地西部凹陷地層結(jié)構(gòu)特征復雜，不同構(gòu)造層可以出現(xiàn)相互接觸。同時新生代地層不整合覆蓋在下伏基巖隆起構(gòu)造之上，巨厚的暗色泥巖和油頁巖為油氣藏的形成提供了有力的物質(zhì)基礎(chǔ)，而新生代斷裂的長期活動為油氣的運移提供了良好的通道，有利于基巖古潛山油氣藏的形成[16,18]。遼河盆地西部凹陷古潛山儲層孔隙度在1%～20%變化，基質(zhì)滲透率一般較低，小于0.1×10-3μm2，表明儲層物性非均質(zhì)性較強[19-22]。

2 天然裂縫類型及特征

遼河盆地西部凹陷古潛山儲層在漫長的地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷了構(gòu)造破碎、風化剝蝕、溶蝕淋濾和變質(zhì)重結(jié)晶等復雜多樣的地質(zhì)作用，儲集空間發(fā)育程度較高且類型多樣，可以劃分為天然裂縫和溶蝕孔洞兩大類。天然裂縫是遼河盆地西部凹陷古潛山儲層的主要儲集空間類型，占整個儲集空間的40%～50%[23-26]。按照地質(zhì)成因，古潛山儲層中的天然裂縫可以分為構(gòu)造裂縫、風化裂縫和溶蝕裂縫，其中構(gòu)造裂縫是主要的類型[16,26-39]。

構(gòu)造裂縫在遼河盆地西部凹陷古潛山中分布廣泛，本次研究通過相似露頭區(qū)野外調(diào)查、巖心觀察、成像測井解釋、薄片及掃描電鏡分析對研究區(qū)構(gòu)造裂縫進行了研究。野外調(diào)查選取了位于遼河盆地西部凹陷，與古潛山儲層具有相似巖性和相同構(gòu)造演化史的石山作為露頭觀測區(qū)。野外露頭中構(gòu)造裂縫的規(guī)模從幾十厘米到幾米不等，不同期次的構(gòu)造裂縫相互切割限制(圖2a)。露頭和成像測井觀測統(tǒng)計表明古潛山儲層構(gòu)造裂縫主要發(fā)育有3個組系，分別為NNE-SSW向、NW-SE向和近E-W向，其中NNE-SSW向，是研究區(qū)目的層構(gòu)造裂縫的優(yōu)勢發(fā)育方位(圖3)。巖心觀察統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)遼河盆地西部凹陷古潛山構(gòu)造裂縫傾角多分布在50°～90°，其中80°～90°的高角度裂縫最為發(fā)育，55°～65°的斜交裂縫次之(圖4)。巖心上構(gòu)造裂縫密度分布范圍較廣，1～15條/m不等，一些網(wǎng)狀縫密度可達每米幾十條(圖2b)。構(gòu)造裂縫開度差別較大，一般分布在0.1～1.5 mm。巖心和成像測井資料統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)構(gòu)造裂縫的規(guī)模多小于25 cm，規(guī)模較大的裂縫發(fā)育較少。

巖心和成像測井資料顯示構(gòu)造裂縫多為沒有被礦物充填的有效裂縫，只有小于25%的構(gòu)造裂縫被石英、方解石和綠泥石等礦物半充填或全充填。成像測井顯示沒有被礦物充填的高導縫呈深色(低電阻)正弦曲線，這是充填泥漿濾液或低阻礦物造成的，為有效裂縫。而高阻縫為淺色或白色(相對高阻)正弦曲線，是由裂縫中充填的如方解石、石英等高阻礦物引起，為無效裂縫(圖5)。通過對比不同井巖心及成像測井資料的裂縫解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度和潛山構(gòu)造部位有一定的關(guān)系，不同構(gòu)造部位裂縫發(fā)育程度存在一定差異[31]。例如，構(gòu)造裂縫發(fā)育程度與距斷層面距離成反比，斷層帶附近裂縫發(fā)育程度較遠離斷層區(qū)域明顯高。此外，構(gòu)造裂縫發(fā)育段除了沿斷層分布外，潛山構(gòu)造高部位轉(zhuǎn)折端也是構(gòu)造裂縫的有利發(fā)育區(qū)[32]。

圖1 遼河盆地構(gòu)造位置(a)及古潛山油氣藏分布(b)(據(jù)單俊峰[30]修改)Fig.1 The structural location(a) and distribution(b) of paleo-buried-hill reservoirs in the Liaohe Basin (modified after Shan Junfeng[30])

圖2 遼河盆地西部凹陷古潛山中的天然裂縫Fig.2 Natural fractures in the paleo-buried-hill of the Western Sag in the Liaohe Basina.不同期次構(gòu)造裂縫相互切割限制；b.馬古3井，埋深4 186.79 m，構(gòu)造裂縫相互交織成網(wǎng)狀

圖3 遼河盆地西部凹陷古潛山中天然裂縫走向Fig.3 The strike of natural fractures in the paleo-buried-hill of the Western Sag in the Liaohe Basina.露頭中構(gòu)造裂縫走向玫瑰花圖(n=261)；b.成像測井中構(gòu)造裂縫走向玫瑰花圖(n=610)

圖4 遼河盆地西部凹陷古潛山儲層巖心構(gòu)造裂縫傾角分布頻率直方圖Fig.4 Frequency histogram of tectonic fracture dip angle in cores of paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basin

通過鑄體薄片和掃描電鏡等資料的分析發(fā)現(xiàn)，遼河盆地西部凹陷古潛山儲層主要發(fā)育有礦物晶間縫、礦物解理縫、礦物裂紋縫和礦物破碎縫。主要特征如下：①礦物晶間縫：發(fā)育在組成巖石的礦物晶體之間或邊緣，并有可能穿過礦物晶體的裂縫(圖6a)。②礦物解理縫：由于受到構(gòu)造擠壓和成巖壓實的應力作用，沿礦物晶體的解理張開形成的裂縫。研究區(qū)古潛山儲層中最常見的是長石解理縫，其次為角閃石、黑云母等礦物的解理縫(圖6b)。③礦物裂紋縫：在剛性礦物顆粒內(nèi)部無規(guī)則發(fā)育的裂縫。古潛山儲層中這類裂縫主要發(fā)育在石英、長石等礦物顆粒中(圖6c)。④礦物破碎縫：穿過一個或多個礦物顆?；蜓刂溥吘壈l(fā)育的裂縫(圖6d)。不同種類的天然裂縫開度具有明顯的差異。礦物晶間縫開度最小，通常小于5 μm。礦物解理縫與礦物裂紋縫開度次之，一般小于10 μm。礦物破碎縫開度較大，通常分布在20～40 μm。顯微鏡下裂縫面密度差異較大，分布范圍介于0.3～7.6 mm/mm2。礦物解理縫和礦物裂紋縫受礦物顆粒大小的限制，規(guī)模較小。而礦物破碎縫發(fā)育在顆粒間或顆粒邊緣，不受礦物顆粒的限制，規(guī)模較大。顯微鏡下的裂縫多是沒有被礦物充填的有效裂縫，充填裂縫的比例小于30%，充填礦物主要是碳酸鹽和粘土礦物。

圖5 遼河盆地西部凹陷興古7井成像測井資料中的構(gòu)造裂縫Fig.5 Tectonic fractures detected by image logging in Well Xinggu 7 in the Western Sag of Liaohe Basina.紅色曲線代表沒有被礦物充填的有效裂縫；b.黃色曲線代表被礦物充填的無效裂縫

圖6 遼河盆地西部凹陷古潛山儲層中的天然裂縫Fig.6 Natural fractures in the paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basina.礦物晶間縫，齊古2井，埋深1 931.60 m；b.礦物解理縫，齊古6井，埋深2 621.6 m；c.礦物裂紋縫，安130井，埋深2 781.54 m；d.礦物破碎縫，勝11-7井，埋深2 814.88 m

由于遼河盆地西部凹陷古潛山構(gòu)造和巖性的特殊性，風化裂縫和溶蝕裂縫的發(fā)育也具有明顯的特征。風化裂縫主要是指古潛山地層在地表或接近地表的風化剝蝕階段，巖石在受到物理、化學和生物風化作用等風化營力的作用下形成的裂縫。這類與表生作用和風化作用有關(guān)的風化裂縫主要發(fā)育在的風化殼中，與溶蝕孔隙共生。遼河盆地西部凹陷潛山頂部普遍發(fā)育風化殼。鉆井資料表明潛山風化裂縫發(fā)育厚度一般可達幾十米，發(fā)育程度從風化殼頂部向下逐漸降低。風化裂縫的形成無明顯的方向性，常密集均勻的分布，規(guī)模較小，互相連通形成良好的裂縫網(wǎng)絡。溶蝕裂縫主要是指受早期構(gòu)造應力作用形成的構(gòu)造裂縫在后生成巖階段，受地下水作用的溶蝕改造形成的一種成巖裂縫。早期裂縫受到溶蝕改造后開度變大，裂縫壁形態(tài)不規(guī)則，具有明顯的溶蝕特征，這類裂縫多發(fā)育在碳酸鹽巖潛山儲層中。在遼河盆地西部凹陷古潛山中，溶蝕裂縫縱向上主要發(fā)育在古潛水面附近的潛流帶中，總體發(fā)育程度較低。

3 天然裂縫影響因素

遼河盆地西部凹陷古潛山儲層形成時間較早，后期經(jīng)歷了多期、復雜的地質(zhì)作用，天然裂縫的分布具有很強的非均質(zhì)性。依據(jù)巖心標定測井、測井解釋裂縫發(fā)育段特征，并結(jié)合多種資料分析，認為遼河盆地西部凹陷古潛山儲層天然裂縫發(fā)育主要受構(gòu)造運動、巖性和成巖作用的控制[33-36]。

3.1 構(gòu)造運動

遼河盆地西部凹陷古潛山儲層經(jīng)歷了由構(gòu)造運動控制的一個長期而復雜的地質(zhì)演化過程。如前所述，古潛山儲層巖性為太古宙變質(zhì)巖、元古宙碳酸鹽巖和中生代中-基性火山巖，儲層巖石經(jīng)歷了多次大的構(gòu)造運動和長期的、多期次的地表風化、淋濾作用，形成了以天然裂縫、溶洞和溶孔為主的復雜多樣的儲集空間體系[37-43]。以太古宙變質(zhì)巖為例，其儲集空間的形成和演化經(jīng)歷了6個主要時期：即太古宙變質(zhì)巖形成期、第一風化剝蝕期、前埋藏期、第二風化剝蝕期、表生風化剝蝕期和后埋藏期(圖7)。自太古宙至白堊紀末期，儲集空間中裂縫的演化整體呈增大的趨勢，其中震旦紀(第二風化剝蝕期)經(jīng)歷的加里東運動和印支運動，以及侏羅紀至白堊紀(表生風化剝蝕期)經(jīng)歷的燕山運動，為天然裂縫形成的主要時期。其次為前震旦紀(第一風化剝蝕期)經(jīng)歷的呂梁運動，也是天然裂縫形成的重要時期。多期次發(fā)育的裂縫形成了明顯的次生孔隙發(fā)育帶，是遼河盆地西部凹陷古潛山儲層的主要儲集空間。

3.2 巖性

巖性對遼河盆地西部凹陷古潛山儲層天然裂縫的影響主要是指不同類型的巖性以及同一種巖性中不同種類的巖石，其物理性質(zhì)包括密度、構(gòu)造、成分、硬度等差別較大，導致巖石的力學性質(zhì)、破裂方式和破裂程度具有明顯的差異，因此不同巖性天然裂縫的發(fā)育程度也有較大差異[33]。變質(zhì)巖潛山中花崗巖類石英和長石含量高，巖石脆性較大，在相同應力作用下易發(fā)生破碎，天然裂縫發(fā)育。如花崗糜棱巖巖心中構(gòu)造裂縫的平均線密度可達到80條/m，而在角閃巖中天然裂縫發(fā)育程度較低，巖心中構(gòu)造裂縫的平均線密度只有5條/m。碳酸鹽巖潛山儲層中，白云巖構(gòu)造裂縫發(fā)育程度最大，巖心中構(gòu)造裂縫平均線密度為10.8條/m，其次是石灰?guī)r為4.6條/m，泥巖中構(gòu)造裂縫發(fā)育程度較差，平均線密度小于2條/m。主要是因為白云巖中白云石等脆性礦物含量較高，在相同的應力條件下要比脆性礦物含量低的石灰?guī)r和泥巖更容易發(fā)育構(gòu)造裂縫?；鹕綆r潛山儲層中，中酸性火山巖由于脆性礦物(比如石英)含量高，天然裂縫較發(fā)育。如安山巖和粗安巖中石英晶屑較干凈明亮，蝕變、破碎強烈，巖心中構(gòu)造裂縫平均線密度達到4.2條/m?；院统曰鹕綆r中由于脆性礦物含量較低，天然裂縫發(fā)育程度較低，巖心中的平均線密度小于0.6條/m。同時，對比不同的潛山類型發(fā)現(xiàn)變質(zhì)巖潛山天然裂縫最為發(fā)育，其次是碳酸鹽巖潛山，火山巖潛山天然裂縫發(fā)育程度相對較差。

圖7 遼河盆地西部凹陷構(gòu)造運動對古潛山主要儲集空間演化的影響Fig.7 The impact of tectonic movements on the reservoir space evolution of paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basin

3.3 成巖作用

成巖作用是影響遼河盆地西部凹陷古潛山儲層天然裂縫發(fā)育的重要因素。研究區(qū)目的層經(jīng)歷的主要成巖作用包括表生風化作用、溶蝕作用、變質(zhì)作用、充填作用以及交代蝕變作用。表生風化作用是指古潛山儲層大部分曾長期暴露在陸表，經(jīng)受了巨大的外營力地質(zhì)改造，形成了區(qū)域性的古風化殼。在這種古風化殼中風化裂縫和孔洞極其發(fā)育，是古潛山中良好的油氣儲層。古潛山儲層成巖后的溶蝕作用主要包括地表淋濾、埋藏溶解和蝕變作用。活潑的水化學條件不但使巖石中的可溶性礦物溶解，而且也使不溶性礦物蝕變后發(fā)生溶解。礦物溶解、蝕變可以形成典型的溶解裂縫，對古潛山儲層儲集空間的改善具有積極的意義。此外，薄片鑒定中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)溶解裂縫均具有二世代特征，如沿著早期構(gòu)造裂縫形成的溶蝕孔隙或溶解裂縫。變質(zhì)作用對天然裂縫的形成具有明顯的促進作用，如區(qū)域混合化作用形成的變質(zhì)巖更易于在后期構(gòu)造運動中發(fā)育構(gòu)造裂縫，動力變質(zhì)作用有利于形成礦物破碎縫。充填作用是指古潛山儲層中早期形成的裂縫在后期成巖演化過程中被不同程度的膠結(jié)充填，對于基巖儲層天然裂縫的保存具有很強的破壞性作用。交代蝕變作用是指礦物受到熱液作用等使原巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及成分相應地發(fā)生改變生成新的礦物組合的過程。古潛山儲層暗色礦物等在成巖過程中的交代蝕變會堵塞先期形成的裂縫。

不同類型的成巖作用對遼河盆地西部凹陷古潛山儲層天然裂縫的影響作用差別較大，按照對天然裂縫形成的貢獻可以將古潛山儲層的成巖作用分為建設性作用和破壞性作用兩種。其中，表生風化作用和溶蝕作用為建設性成巖作用，如表生風化剝蝕期及第二風化剝蝕期的風化作用在風化殼生成大量的風化裂縫，溶蝕作用有利于形成溶解裂縫，對裂縫的溶蝕更增加了其連通和滲透能力。其次是變質(zhì)作用，雖然不利于原生孔隙的保存，但對于次生天然裂縫的形成也是有利的，因此變質(zhì)作用也是建設性成巖作用。而充填作用和交代蝕變作用會使得早期形成的天然裂縫被充填或堵塞，使天然裂縫損失或有效性變差，屬于破壞性成巖作用(表1)。

表1 遼河盆地西部凹陷古潛山儲層成巖作用及其對天然裂縫的影響Table 1 The diagenesis and its effect on natural fractures in the paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basin

4 結(jié)論

1) 天然裂縫在遼河盆地西部凹陷古潛山儲層廣泛發(fā)育，按照天然裂縫的地質(zhì)成因可以將其劃分為構(gòu)造裂縫、風化裂縫和溶蝕裂縫，其中構(gòu)造裂縫是古潛山儲層天然裂縫的主要類型。構(gòu)造裂縫優(yōu)勢方位為NNE-SSW向，以高角度縫和斜交縫為主，裂縫規(guī)模和密度變化較大，裂縫多為沒有被礦物充填的有效裂縫。

2) 鑄體薄片和掃描電鏡等資料表明遼河盆地西部凹陷古潛山儲層中發(fā)育有礦物晶間縫、解理縫、裂紋縫和破碎縫。其中礦物晶間縫開度最小，礦物解理縫與礦物裂紋縫開度次之，礦物破碎縫開度較大，分布在20～40 μm。礦物解理縫和礦物裂紋縫受顆粒限制，規(guī)模較小，而礦物破碎縫規(guī)模相對較大。

3) 古潛山儲層天然裂縫發(fā)育的非均質(zhì)性主要受構(gòu)造運動、巖性和成巖作用的控制。加里東運動、印支運動和燕山運動是天然裂縫形成的主要時期；古潛山儲層變質(zhì)巖中的花崗巖類、碳酸鹽巖中的白云巖以及火山巖中的中-酸性巖石為天然裂縫發(fā)育的優(yōu)勢巖性，是古潛山的主要儲集層；成巖作用中表生風化作用、溶蝕作用以及變質(zhì)作用是天然裂縫發(fā)育的建設性作用，而充填作用和交代蝕變作用屬于破壞性作用。