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(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 2. 中國石油大學(北京) 地球科學學院, 北京 102249; 3. 中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081; 4. 中國石油集團測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氣源地[1-4]。侏羅系卡洛夫-牛津階是阿姆河盆地重要的天然氣儲層,受到多期構造運動的影響,裂縫廣泛發(fā)育,極大地改善了儲層的物性[4-7]。目前,對阿姆河盆地右岸東部碳酸鹽巖儲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價[1-6]。因此研究侏羅系卡洛夫-牛津階碳酸鹽巖儲層構造裂縫的特征、形成與影響因素,對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。

目前對于裂縫研究,許多學者做了針對性研究工作,劉春等[8]通過野外露頭觀測,直觀呈現(xiàn)出不同構造樣式裂縫發(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;謝強等[10]統(tǒng)計巖心薄片尺度范圍內的裂縫特征,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]研究認為常規(guī)測井一般只能做到裂縫發(fā)育特征的精細判別,無法對裂縫進行劃分并精細描述,而成像測井能夠直觀地展現(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]在不同類型儲層的測井響應特征研究基礎上,利用測井、巖石和試氣等資料對儲層進行裂縫識別及參數(shù)定量評價。

阿姆河右岸地區(qū)侏羅系碳酸鹽巖氣藏局部儲層段物性差、非均質性強,裂縫發(fā)育狀況是制約氣井產能的關鍵因素[16-20]。隨著阿姆河盆地右岸地區(qū)的勘探與開發(fā),對東部地區(qū)的勘探需求不斷提高,亟需深入開展對東部儲層內裂縫發(fā)育特征及對天然氣成藏影響的研究。但前人研究多針對阿姆河盆地右岸中西部地區(qū),且研究內容多側重于采用常規(guī)測井方法進行裂縫識別與特征分析,關于裂縫期次對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,利用常規(guī)測井和成像測井等方法識別碳酸鹽巖儲層內裂縫,進一步明確裂縫類型和特征;分析影響碳酸鹽巖儲層內裂縫發(fā)育的因素,劃分裂縫形成期次并結合區(qū)域構造運動探討多期裂縫對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)和類似碳酸鹽巖儲層油氣的勘探開發(fā)提供參考性建議。

1 區(qū)域地質背景

阿姆河盆地位于歐亞板塊的南部,是中亞地區(qū)內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個構造單元(圖1)。阿姆河盆地先后經(jīng)歷了二疊紀-三疊紀裂谷期、侏羅紀-古近紀始新世坳陷期和漸新世-新近紀擠壓抬升改造期。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)育緩坡臺地相沉積,自上而下可以進一步細分為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口井成像測井裂縫解釋結果可知,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)育非構造裂縫與構造裂縫兩大類,其中構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)],構造裂縫的發(fā)育和分布受到多種因素影響,對儲層具有顯著的改善作用。

2.2 裂縫的產狀與發(fā)育程度

通過對阿姆河盆地右岸東部的巖心觀察和成像測井資料分析發(fā)現(xiàn)(圖2、圖3),結合前人分類標準[14,26-29],侏羅系卡洛夫-牛津階裂縫按產狀可以分為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向為主(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。低角度縫走向主要為NE-SW、NW-SE、近W-E,可能在2～3期構造應力場下形成;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期構造應力場下形成。通過對阿姆河盆地右岸東部地區(qū)7口井的成像測井資料進行分析,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-牛津階儲層構造裂縫參數(shù)統(tǒng)計表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井累計取心37.7 m、收獲率94%,通過對巖心觀察和統(tǒng)計發(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、泥質和有機質,其中方解石含量最多,占58.12%,有機質含量占比24.78%,泥質含量占比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、結構等方面存在差異,影響巖石力學性質,經(jīng)歷相同的構造應力作用,裂縫的發(fā)育程度會存在差異[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、錄井及測井資料,通過統(tǒng)計不同巖性中構造裂縫的線密度,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中構造裂縫線密度最大,在含泥灰?guī)r中構造裂縫線密度最小。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 構造運動

構造運動控制了阿姆河盆地右岸東部地區(qū)的裂縫的形成時間、構造裂縫性質及產狀。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)的古構造重新活動(圖6),伴隨著印度板塊的碰撞和帕米爾突刺楔入,阿姆河盆地的構造活動加強[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)],說明受構造運動的影響,裂縫具有多期形成的特點。

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地質演化階段。徐文禮等[16]采用次生石英電子自旋共振法測年、聲發(fā)射實驗、穩(wěn)定碳、氧同位素分析和流體包裹體測定等實驗分析手段,指出卡洛夫-牛津階儲層中構造裂縫有3個形成期次,最早構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)光實驗和聲發(fā)射實驗相結合分析,認為卡洛夫-牛津階儲層中發(fā)育2期構造裂縫,分別對應燕山晚期和喜山早期。結合前人成果認識[17,32-34],認為侏羅系卡洛夫-牛津階儲層構造裂縫主要是在燕山期和喜山期的擠壓應力作用下形成。

根據(jù)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)巖心裂縫切割關系,確定存在3期構造裂縫(圖7),第Ⅰ期構造裂縫傾角分布在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期構造裂縫傾角分布在10°～88°,寬度約0.001～0.6 mm,部分被泥質、有機質等充填,為有效縫,可見切穿第Ⅰ期被方解石充填的構造裂縫;第Ⅲ期構造裂縫傾角分布在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充填的裂縫的同時,也切穿了被方解石充填的構造裂縫,且有泥質充填的構造裂縫又切穿了被方解石充填的構造裂縫,說明方解石充填的構造裂縫形成最早,其次為有泥質充填的構造裂縫,最后為未充填的裂縫。根據(jù)構造裂縫相互切割關系、充填差異性及不同類型構造裂縫產狀,結合前人研究與區(qū)域構造演化史,確定構造裂縫的形成分為3期:第Ⅰ期構造裂縫形成于燕山晚期,第Ⅱ期構造裂縫形成于燕山晚期至喜山早期,第Ⅲ期構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 多期裂縫對天然氣的影響

結合構造埋藏史、斷裂活動期次及流體包裹體測溫結果,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系(圖8)。阿姆河盆地右岸東部地區(qū)的生排烴時間主要發(fā)生在晚白堊世和古近紀,但此時還未形成大規(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-第四紀,受強烈擠壓作用的影響,阿姆河盆地右岸地區(qū)形成大規(guī)模的構造圈閉,天然氣重新調整聚集,此時也是第Ⅱ期和第Ⅲ期裂縫大量形成的時間。晚期裂縫不僅改善了侏羅系卡洛夫-牛津階儲層的物性,也是重要的天然氣運移通道,對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[3,7,34]圖8 阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階構造裂縫期次與天然氣運聚關系圖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 結論

(1)阿姆河盆地右岸東部地區(qū)侏羅系卡洛夫-牛津階儲層裂縫按成因分為構造裂縫和非構造裂縫,以構造裂縫為主,按產狀分為水平縫、低角度縫、高角度縫和垂直縫,構造裂縫總體上走向以NW-SE向為主,但不同裂縫的走向差異性較大,反映了裂縫的多期形成;不同產狀構造裂縫的密度和規(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)構造裂縫的有效性中等。

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

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