何 順，秦啟榮，王家樹，李 飛，段 瑋

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.四川省頁巖氣資源與環(huán)境協(xié)同創(chuàng)新中心，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田分公司，四川 遂寧 629000)

0 引 言

隨著全球油氣需求量增加及中淺層油氣藏發(fā)現(xiàn)難度的日益加大，油氣勘探工作開始聚焦于深層—超深層油氣藏，目前已發(fā)現(xiàn)多個油氣儲量巨大的深層油氣藏[1]。而碳酸鹽巖是深層油氣藏勘探的重點巖性之一，前人研究認(rèn)為：后期溶蝕孔隙及裂縫是深層—超深層碳酸鹽巖儲層的主要儲集空間，天然裂縫不僅為重要的儲集空間，同時可為流體的滲流提供必要的通道，并可以促進巖溶作用的發(fā)生，亦可以連接孤立的孔、洞，但由于埋藏深度大，地質(zhì)特征復(fù)雜，對于儲層裂縫的識別和分布預(yù)測的難度也較大。燈影組四段是四川盆地深層天然氣勘探的重點層位，前期勘探證實了燈影組四段碳酸鹽巖儲層具有較大的勘探潛力[2-4]，但在隨后的研究過程中發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)儲層分布具有較強的非均質(zhì)性，單井產(chǎn)能較高的井儲層裂縫較為發(fā)育，表明裂縫對儲層的發(fā)育及分布具有一定控制作用。因此，對儲層裂縫發(fā)育特征及形成機理的研究具有必要性及經(jīng)濟價值。此次研究以巖心、成像測井、地震資料為基礎(chǔ)，結(jié)合包裹體均一溫度測試及巖石力學(xué)實驗，探討裂縫發(fā)育特征及成因機理，以期為研究區(qū)震旦系的勘探開發(fā)提供一定的地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地是中國重要的天然氣產(chǎn)區(qū)之一，是一個發(fā)育于揚子克拉通之上的含油氣疊合盆地。盆地可分為川西低陡褶皺帶、川西南低陡構(gòu)造帶、川北低陡構(gòu)造帶、川中平緩構(gòu)造帶、川東高陡斷褶帶和川南低陡褶皺帶等6個構(gòu)造帶。磨溪地區(qū)位于川中古隆起中斜平緩帶的中部區(qū)域，為樂山-龍女寺古隆起東翼中部的一個潛高(圖1)。自古生代以來，川中地區(qū)共經(jīng)歷桐灣運動、加里東運動、印支運動、燕山運動和喜山運動等5次大規(guī)模的構(gòu)造運動[5]，磨溪地區(qū)古生界地層發(fā)育相對完整。燈四段地層與下伏燈影組三段藍灰色泥巖呈整合接觸，與上覆筇竹寺組炭質(zhì)頁巖呈平行不整合接觸。震旦系地層沉積環(huán)境以局限臺地相為主，燈四段地層以藻云巖、砂屑云巖及溶孔云巖發(fā)育為主[6]，局部地區(qū)見溶巖角礫，藻云巖中發(fā)育葡萄花邊結(jié)構(gòu)。

圖1 川中磨溪地區(qū)地理位置簡圖(據(jù)文獻[2]修改)

2 實驗樣品與方法

2.1 地質(zhì)及地球物理手段分析

裂縫發(fā)育特征的研究主要依賴于地質(zhì)及地球物理手段，通過巖心觀察，對裂縫的發(fā)育類型、開度、延伸長度、充填物特征及裂縫交切關(guān)系進行研究。天然裂縫在成像測井圖上表現(xiàn)為明暗程度不同的正弦曲線，根據(jù)曲線形態(tài)特征的差異，對裂縫走向、傾向及傾角等產(chǎn)狀信息進行觀察統(tǒng)計。通過對地震資料的處理，制作燈四段頂面構(gòu)造圖，分析燈四段頂面斷裂及裂縫平面展布特征。

2.2 實驗測試手段

將取自研究區(qū)巖心裂縫充填物制作成巖石薄片，在室溫條件下將薄片置于THMSG600地質(zhì)冷熱臺，以2 ℃/min的加溫速度進行加熱升溫，觀察氣液形態(tài)變化，直至氣液包裹體均一化，并記錄均一化溫度。統(tǒng)計全部流體包裹體均一溫度，利用包裹體特征及均一溫度區(qū)間劃分流體沖注期次。

對巖心樣品從0、45、90 °等3個方向取樣，將巖心樣品制作成50 mm×25 mm的圓柱形樣品，利用RTR-1000型高溫高壓三軸巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)測定頁巖力學(xué)參數(shù)。利用實驗過程中巖樣破裂產(chǎn)生的Kaser效應(yīng)點及其對應(yīng)的振鈴計數(shù)與能量之間的相對關(guān)系確定巖樣所經(jīng)歷的微破裂階段。

3 巖心觀察及實驗結(jié)果分析

3.1 裂縫發(fā)育特征

3.1.1 裂縫發(fā)育類型

巖心觀察結(jié)果顯示，燈四段主要發(fā)育構(gòu)造縫、溶蝕縫及壓溶縫，其中，構(gòu)造縫最為發(fā)育。根據(jù)動力機制的差異，構(gòu)造縫又可分為張性縫和剪切縫，張性縫較為發(fā)育，具有縫體寬度差異大、縫面彎曲、形狀不規(guī)則，充填程度高的特點，在裂縫延伸的尾端常具有分叉現(xiàn)象；剪切縫寬度小、縫面平直、產(chǎn)狀穩(wěn)定，常見剪切縫與其他類型的裂縫交織形成密集的網(wǎng)狀縫。此外，巖心中多見受后期溶蝕作用形成的溶蝕擴大縫，縫壁粗糙不平整，裂縫形狀不規(guī)則，部分裂縫可見多期溶蝕現(xiàn)象，同時可見呈鋸齒狀分布的壓溶縫。

3.1.2 裂縫發(fā)育特征

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)對巖心觀察的多條裂縫進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：裂縫線密度最大為6.80條/m，最小為0.28條/m，寬度為1～3 mm的裂縫為104條，寬度為3～5 mm的裂縫為32條，寬度大于5 mm的裂縫為12條；巖心裂縫充填程度高，其中，全充填裂縫占裂縫總數(shù)的53.0%，半充填裂縫占32.0%，未充填裂縫占15.0%；裂縫充填物主要為白云石、瀝青、泥質(zhì)及少量方解石，部分張性縫可見多期礦物充填的特點，最常見的為早期裂縫被白云石充填后又被瀝青二次充填。

成像測井裂縫信息提取及統(tǒng)計分析結(jié)果顯示(圖2)：燈四段儲層裂縫包括NW、NE、近WE向和NS向等4個方位，其中，NW向和NE向最為發(fā)育，近WE向和NS向發(fā)育相對較少；裂縫以高角度縫和直立縫為主，分別占55.2%和16.3%，低角度和水平縫發(fā)育相對較少，分別占24.8%和3.7%；沿裂縫延伸方向發(fā)育呈“串珠狀”分布的溶蝕孔洞。

3.2 實驗測試結(jié)果

3.2.1 包裹體均一溫度測試結(jié)果

燈四段不同深度的124個裂縫充填物包裹體觀察及均一溫度測試結(jié)果顯示(表1)：包裹體類型主要為原生氣液包裹體，氣液比為5%～15%，多以成群及成帶分布，包裹體顏色為無色，宿主礦物主要為脈狀白云石；包裹體形狀包括方形、長條形和圓形等，直徑為2～8 μm；包裹體均一溫度范圍較大，主要分布在116.6～146.3 ℃、147.0～176.0 ℃和177.0～208.2 ℃ 3個溫度區(qū)間。

3.2.2 巖石聲發(fā)射實驗測試結(jié)果

在聲發(fā)射實驗過程中，振鈴和能量參數(shù)由計算機直接記錄，通過對巖石聲發(fā)射實驗數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計及篩選，得到振鈴計數(shù)以及聲發(fā)射能量累計百分比隨時間的變化曲線(圖3)，隨著加載荷載的逐漸增大，在79.828 s處振鈴計數(shù)出現(xiàn)第1次明顯的陡增事件，隨后出現(xiàn)4次大的陡增，共出現(xiàn)5個大的振鈴計數(shù)高點，對比能量累計百分比曲線上出現(xiàn)的5個較為明顯的拐點，二者出現(xiàn)時間相吻合，即在時間-能量累計百分比曲線上出現(xiàn)5個明顯的Kaser效應(yīng)點，在不考慮巖樣初始微裂縫閉合及現(xiàn)今構(gòu)造運動產(chǎn)生的效應(yīng)點外，另存在3個有效的Kaser效應(yīng)點，表明地質(zhì)歷史時期燈四段地層受3期不同構(gòu)造應(yīng)力的影響產(chǎn)生3次明顯的破裂過程。

圖2 磨溪地區(qū)燈四段單井裂縫響應(yīng)特征

表1 磨溪地區(qū)燈四段流體包裹體均一溫度Table 1 Uniform temperature of inclusions in the Dengying-4 Member of Moxi

圖3 樣品聲發(fā)射關(guān)系曲線

4 討 論

4.1 裂縫形成期次探討

4.1.1 地質(zhì)及地球物理方法

巖心及成像測井是記錄裂縫發(fā)育特征最直觀的證據(jù)，通過巖心裂縫交切關(guān)系判斷裂縫較為直觀，但對于規(guī)模較小，交切關(guān)系不明顯的微裂縫會給裂縫形成期次的判斷帶來干擾。因此，對裂縫發(fā)育期次的研究須結(jié)合成像測井及巖心觀測綜合判斷來實現(xiàn)。

巖心觀察可見大量裂縫交切組合，受裂縫規(guī)模、巖心規(guī)格及溶蝕作用的影響，斷面常見2期及3期裂縫交切情況。裂縫多為后期礦物所充填，根據(jù)充填物的不同，可分為油氣充填前裂縫及油氣運聚期裂縫，油氣運移聚集前形成的裂縫被白云石大量充填，裂縫充填情況的差異顯示研究區(qū)巖心裂縫形成至少經(jīng)歷3期不同的構(gòu)造時期。結(jié)合成像測井裂縫產(chǎn)狀識別，研究區(qū)燈四段發(fā)育4個優(yōu)勢方位，包括NW向(310 °±5 °)、NE向(45 °±5 °)、近WE向(275 °±5 °)和近NS向(350 °±5 °)，其中，NW向(310 °±5 °)和NE向(45 °±5 °)最為發(fā)育。

研究區(qū)燈四段裂縫是在多期構(gòu)造應(yīng)力場疊加改造下形成的，地層條件下斷裂的展布特征具有繼承性，地震資料是研究地層條件下斷裂展布特征最重要的手段，分析燈四段斷裂分布特征對研究斷裂形成期次具有重要意義。地震資料結(jié)果顯示：燈四段頂面以NW向斷裂展布為主，NE向和近WE向次之，NW向斷層發(fā)育規(guī)模大，切穿層位多，延伸較長；NE向斷層規(guī)模則相對較小，延伸長度短，斷層向上多消失于寒武系筇竹寺組頁巖及膏鹽層，地震剖面上斷層表現(xiàn)為高角度正斷層，斷層傾角多在45 °以上；近WE向斷層為早期繼承性斷層，形成時間最早，NW向斷層形成時間早于NE向斷層。

4.1.2 包裹體均一溫度及巖石聲發(fā)射實驗

通過對取自研究區(qū)不同井同一層位的裂縫充填物流體包裹體形態(tài)特征及均一溫度分布刻畫，對燈四段裂縫的形成期次進行分析。燈四段包裹體均一溫度分布曲線顯示，研究區(qū)燈四段裂縫充填物中至少存在3期不同的流體沖注過程，結(jié)合研究區(qū)地層埋藏史，研究區(qū)燈四段共經(jīng)歷4期不同程度的構(gòu)造抬升：第1期為燈四段地層沉積后的第1次構(gòu)造運動——桐灣運動，第2期對應(yīng)加里東構(gòu)造運動，第3期為印支運動期，地層埋藏深，抬升幅度小，第4期對應(yīng)喜山運動地層的大幅度抬升。

巖石聲發(fā)射實驗分析表明，川中磨溪地區(qū)燈四段樣品存在3個有效Kaiser效應(yīng)點(圖3)，反映出研究區(qū)燈四段儲層共記錄3次巖石微型破裂過程，分析前期已有研究成果及研究區(qū)埋藏史認(rèn)為，巖石聲發(fā)射實驗過程中的3個Kaiser效應(yīng)點由早到晚分別對應(yīng)桐灣運動、加里東運動和喜山運動等3個構(gòu)造期應(yīng)力。在利用不同手段對裂縫發(fā)育期次分析后，綜合地質(zhì)及實驗手段分析結(jié)果，可將川中磨溪地區(qū)燈四段裂縫形成期劃分為3個階段：分別為桐灣運動期張性縫、加里東運動期張性縫和喜山運動時期微剪切縫。

4.2 斷裂形成演化模式

磨溪地區(qū)燈四段裂縫是在繼承早期裂縫下，經(jīng)過多期構(gòu)造運動疊加改造及溶蝕作用的結(jié)果，受地層埋深和構(gòu)造強度的影響，不同階段的構(gòu)造運動對儲層裂縫發(fā)育的影響各不相同。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史、巖石力學(xué)實驗結(jié)果及地球物理解釋成果分析裂縫的形成時期及演化階段，最終確定該地區(qū)裂縫形成及演化過程(表2)。

表2 磨溪地區(qū)燈四段斷裂演化模式

燈二段地層沉積后，地層埋藏較淺。在桐灣運動Ⅰ幕影響下，磨溪地區(qū)發(fā)育NS向及近WE向大型正斷層，同時地層整體大幅度抬升，使得燈二段地層暴露于地表，造成沉積間斷，形成燈二段碳酸鹽巖與燈三段藍色泥巖之間的平行不整合面。斷裂主要表現(xiàn)為大型張性斷裂，并一直處于活躍狀態(tài)，為研究區(qū)重要的大型繼承性斷層，直至燈四段地層沉積，受早期繼承性大斷裂的影響，燈四段地層中沿斷層一定范圍內(nèi)，發(fā)育一定量張性裂縫。

桐灣運動Ⅱ幕時期，受印度板塊向北俯沖和歐亞板塊向東碰撞的影響，青藏板塊向東逆覆在揚子地臺板塊之上，揚子板塊整體處于抬升狀態(tài)[7-10]。磨溪地區(qū)主體為拉張作用背景，受基底斷裂的控制，發(fā)育NS向的裂陷槽，研究區(qū)發(fā)育繼承性斷裂。桐灣Ⅱ幕時期，構(gòu)造運動強烈[11-12]，在持續(xù)應(yīng)力作用下，燈四段地層整體抬升遭受剝蝕，并形成以NW向展布為主的斷裂系統(tǒng)，少量近SN向斷裂發(fā)育，磨溪地區(qū)儲層主要以NW向裂縫發(fā)育為主(圖4)，燈四段大面積暴露于地表，遭受風(fēng)化剝蝕及地表水下滲淋濾作用的影響，儲層發(fā)育溶蝕作用。

志留紀(jì)加里東—海西構(gòu)造運動時期，印度板塊和歐亞板塊再次分別向北和向東作大規(guī)模的俯沖和漂移，在龍門山大斷裂薄弱地帶，青藏板塊斷覆于揚子地臺板塊之上[13]，揚子板塊與華夏板塊相互碰撞，樂山-龍女寺古隆起開始形成，磨溪地區(qū)位于古隆起的東翼相對高部位區(qū)域，該時期，背斜核部隆升，而兩翼地層相對下降，發(fā)育壓應(yīng)力作用下的張性斷層，在該期構(gòu)造運動的影響下，燈四段地層形成多條北東向斷裂。

海西運動中晚期—印支運動時期，四川盆地周緣構(gòu)造活動明顯強烈，構(gòu)造格局發(fā)生轉(zhuǎn)變[14-15]，盆地周邊的康滇-龍門山-大巴山以及江南隆起帶上活動頗為強烈，且剝蝕程度很大，盆地松潘-甘孜地區(qū)整體抬升，盆地內(nèi)部此幕運動表現(xiàn)在華瑩山、七暇山斷裂之間的川南、川東地區(qū)為明顯的抬升，形成以滬州-開江為代表的印支期剝蝕古隆起帶，印支運動持續(xù)時間較短，而對于盆地中部的川中地區(qū)而言，地層以垂直抬升為主，同時燈影組地層埋藏較深，構(gòu)造運動對燈四段儲層的影響微弱，燈四段地層中未產(chǎn)生斷裂。

燕山—喜山運動作用時期，受盆地周緣山系褶皺、沖斷作用影響，四川盆地構(gòu)造變形強烈[16]，華鎣山斷裂以東形成川東高陡構(gòu)造，龍門山及米倉山-大巴山山前帶形成褶皺沖斷帶，對川東南地區(qū)構(gòu)造影響明顯，而對于川中穩(wěn)定陸塊的構(gòu)造變形較弱，但受到深層斷裂“復(fù)活”影響，形成高角度壓扭斷層，燈四段地層由于埋藏深度較大，最深為6 000 m，且受上覆多套膏鹽滑脫層影響，未具有明顯位移的斷裂，但在巖心上可見大量微細(xì)剪切縫發(fā)育。

5 結(jié) 論

(1) 磨溪地區(qū)燈四段發(fā)育大量張性縫、少量剪切縫及壓溶縫，具有充填程度高、寬度小、延伸短及高充填的特點，裂縫發(fā)育方位包括NW、NE、近WE向及近NS向等4個優(yōu)勢方位，張性縫主要為白云石、泥質(zhì)及瀝青高程度充填，微細(xì)剪切縫多為未充填狀態(tài)。

(2) 磨溪地區(qū)燈四段裂縫形成期次為3期：第1期張性縫形成于桐灣運動時期(522.0～508.0 Ma)，包裹體均一溫度為116.6～146.3 ℃；第2期張性縫形成于加里東構(gòu)造運動時期(425.0～420.0 Ma)，包裹體均一溫度為138.0～176.0 ℃；第3期剪切縫形成于燕山中晚期—喜山期(75.2～75.0 Ma)，包裹體均一溫度為177.0～208.0 ℃。

(3) 桐灣Ⅱ幕運動時期，受印度板塊向北俯沖和歐亞板塊向東碰撞作用的影響，揚子板塊整體處于抬升狀態(tài)，同時受早期陡坎的影響，燈四段發(fā)育大量以NW向為主的正斷層；加里東運動時期，受揚子板塊與華夏板塊碰撞的影響，樂山-龍女寺古隆起開始形成發(fā)展，研究區(qū)主要形成NE向斷裂；喜山運動時期，在盆地周緣山系褶皺、沖斷作用影響下，盆地褶皺作用明顯，斷層發(fā)育，川中地區(qū)整體抬升，燈四段儲層埋藏較深，發(fā)育大量微剪切縫。