川西地區大邑構造煤系地層致密砂巖儲層裂縫成因及意義

李敏同,孫崇波,周洪兵,孫 忠,王壯生,鄭宇超,柳遠松

(1.四川省金屬地質調查研究所,四川 成都 611730; 2.成都理工大學 沉積地質研究院,四川 成都 610059)

川西地區須家河組煤系地層中,發育致密砂巖儲層,其中須家河組二段普遍發育裂縫,是形成優質儲層的關鍵因素。裂縫性儲層油氣產量占整個石油天然氣產量的50%以上[1],是21世紀石油增儲上產的重要領域之一。而裂縫性油氣藏勘探、開發的最大難點,便是對儲層巖體中裂縫發育程度和分布范圍的預測[2]。儲層中的裂縫按其成因可分為構造縫和非構造縫(如成巖收縮縫、溶蝕縫、異常高壓縫等),但以構造縫為主,且多數構造縫為未被充填或具一定張開度的有效縫,并在局部構造和斷裂帶中構造裂縫的分布具有明顯的規律性,理論上具可預測性。從20世紀60年代起,在美國西部白堊系儲層和中東油氣層中發現天然裂縫后,國內外學者如Price[3]、王仁等[4]發表了許多儲層裂縫研究成果,并提出了具體的研究方法。歸納起來主要有:地下天然裂縫儲層地質分析;巖心裂縫發育密度估算;構造主曲率法;古構造應力場數值模擬;分形理論的應用;應用測井、地震資料進行裂縫識別和預測技術等。

然而,從理論到實際應用,各種方法都有其優勢與不足,采用多手段相結合的研究方法是致密儲層裂縫研究和預測發展的必然趨勢。因此,從裂縫與構造的關系入手建立裂縫成因模式,為測井、地震、古構造應力場數值模擬等裂縫預測方法提供地質模型,對預測結果的合理性具有指導意義。本文以構造地質學、地質力學理論為指導,運用構造解析手段,從構造形跡入手并結合區域構造背景對川西大邑構造成因機制進行分析,進而建立該構造須家河組二段(以下簡稱須二段)儲層裂縫系統成因模式,并在現有成果的基礎上為該層的裂縫預測指明方向。

1 大邑構造區域構造背景

大邑構造在區域構造位置上位于龍門山南段沖斷推覆帶前緣,屬于川西凹陷區的鴨子河—平落壩隱伏斷褶帶,西北與金馬—鴨子河、神仙橋—霧中山構造斜列相接,南與邛西構造相接,東鄰成都凹陷(圖1)。

圖1 川西地區南部構造分區Fig.1 Structural zoning in the southern part of the western Sichuan region

據前人研究成果[5],川西坳陷的形成、發展主要經歷3個構造運動期,即印支、燕山和喜山運動期。印支—燕山期形成的構造幅度較低,且受后期改造,大多數構造是在喜山期加強或定型。

喜山運動早期,印度板塊與歐亞板塊發生碰撞,引起康滇地區早期南北向構造的復合,由此而傳導入四川盆地,區域構造應力均為東西向的擠壓,形成南北向構造。喜山運動中晚期,受印度板塊北移而產生的東西向強烈擠壓,龍門山地區受早期北東向構造的影響,而將東西向的區域應力分解為北西—南東向的局部應力以及順時針剪切活動的聯合作用,以致于川西坳陷地層中由深到淺大量北東向低緩構造的形成,并且斷層表現出壓扭性特征。彭縣、大邑、平落壩等幾條大斷裂及其上盤相伴的褶皺皆有向北東傾伏或消失的表現,在平面展布上呈左型斜列,推測便是受喜山晚期構造運動的影響。

2 大邑構造須二段儲層裂縫系統成因

2.1 須二段頂面構造特征

裂縫的發生和發展與褶皺或斷層等較大地質構造有密切的成因聯系,主要作為褶皺或斷層的伴生構造出現[6]。

據三維地震解釋資料,大邑須二段頂面構造(圖2)表現為一個被斷層夾持的短軸背斜,軸向北東NE47°;斷層發育,走向分別為北東向45°～60°、近南北向10°±8°、近東西向91°左右。整個斷裂系統具“多”字形特征,且近南北向斷層具壓扭性,在平面上呈現“S”形左行羽狀排列;近東西向斷層平面上具反“S”形特征,這些都反映大邑構造是受到擠壓、剪切聯合作用而形成的[7]。

圖2 大邑構造須家河組二段頂面構造Fig.2 The top structure of the second section of the Xujiahe Formation in Dayi Structure

2.2 大邑構造成因分析

大邑須二段構造的褶皺形跡簡單,構造主跡線為北東向,結合區域構造背景分析,認為大邑構造主要受到一期構造運動作用的結果,即喜山構造運動中晚期東西向的區域構造應力場所派生出的北西—南東向的局部構造擠壓力及順時針方向剪切聯合作用而形成。最大主應力方向為北西—南東向(NW—SE317°)。

喜山構造運動期,受印度板塊北移及青藏高原隆起的影響而產生東西向的強烈擠壓,首先作用在龍門山逆沖推覆帶上,受早期北東向構造形跡的影響,使得構造作用力方向發生變化,而產生北西—南東向的局部應力場[8]。南東向構造擠壓力不斷地由西向東傳播,且在傳播的過程中不斷減小,當經過構造裸露帶到達大邑地區時,構造擠壓力的強度有所減小,便形成了構造幅度不大的大邑構造。

隨著北西—南東向的構造擠壓力的繼續作用,產生該方向的一對力偶,同時還受到順時針構造旋扭力的改造。在大邑構造須二段頂面構造圖中,可見近南北向斷層具壓扭性、呈“S”形左行羽狀排列;近東西向斷層呈反“S”形特征;有的近南北向斷層還與北東向斷層連通,如圖2中的F2斷層。這些現象都體現了早期形成的近南北向、近東西向的平面“X”剪切縫在中晚期北西—南東向力偶及順時針旋扭力作用下,發生重張、追蹤張、折尾、扭動等逐漸延伸、連通而形成宏觀可見的斷層[9]。

2.3 裂縫系統成因模式

綜上所述,大邑構造的形成主要受到北西—南東向構造擠壓及順時針旋扭力的聯合作用。但是同一期次構造力的作用又可以分為不同階段,每個階段又以某一個方位、性質的構造力作用為主,對于大邑構造的形成可以分為2個階段:第一階段北西—南東向構造擠壓力作用和第二階段順時針構造旋扭力作用。

然而,兩階段構造力的強度以及對大邑構造的影響程度明顯不同。在早期南東向構造擠壓力作用時,大邑構造主體已經形成;晚期旋扭作用對該區影響不大,僅對早期形成的構造進行小規模的改造[10]。與此同時,將形成不同類型和不同方位組合的裂縫系統。具體而言,大邑構造須二段儲層裂縫系統的形成同樣經歷了以下2個階段[11](圖3)。

(1)北西—南東向構造擠壓力作用階段。即構造形成階段,由于北西—南東向構造力的作用,在原始水平的巖層中形成高角度縫,為區域性的 “X”剪切縫系,2組方向分別為近南北向(10°±8°)和近東西向(98°±8°),縫與巖層面近于垂直(圖3(a))。

隨著南東向構造擠壓力繼續作用,地層開始褶皺。在垂直于主壓應力的方向即北東向,形成了剖面“X”剪切縫,該裂縫面與巖層面斜交,分布于褶皺的兩翼。由于2組裂縫傾向不同,在剖面上相交呈剖面“X”形,延伸方向為北東向(NE45°～60°)。該類裂縫在北西向構造力的持續作用下,不斷延伸、擴大,最后沿一組貫通裂縫產生垂向位移,形成大規模的逆斷層,F2、f1、f11、f1-1、f6斷層便是這類裂縫發展而來的(圖3(b))。

(2)中、晚期旋扭構造力作用階段。即構造改造階段,隨著北西—南東向構造力的繼續作用,將產生一對該方向的力偶,同時受還受區域順時針方向剪切力的作用,對已經形成的構造進行改造,主要體現在對早期形成的平面“X”形共軛剪切裂縫的改造。

早期形成的近南北向、近東西向的平面“X”剪切縫,在中晚期北西—南東向力偶作用下,發生重張、追蹤張、折尾等,使得裂縫性質發生轉變,由剪切縫變為具有一定張開度的北東向和北西向延伸的追蹤張裂縫(圖3(c)、(d)),有些規模大的裂縫甚至逐漸延伸、連通而形成宏觀可見的斷層。

同時,受順時針旋扭力作用,將早期近南北向高角度剪切縫改造為具壓扭性的復合裂縫,有的規模不斷擴大最終貫通,形成規模較大的具壓扭性質的逆斷層,如圖2中F1、f12斷層。早期近東西向裂縫則被改造成具張扭性的復合裂縫。

早期區域平面“X”形剪切縫被改造形成的追蹤張裂縫,延伸方向北西向、北東向以及近南北向具壓扭性復合縫,近東西向具張扭性復合縫。在褶皺形成的中后期,于褶皺轉折端、傾覆端將分別發育北東向縱張裂縫和北西向橫張裂縫。與褶皺相關的裂縫類型及其延伸方向為:北東向低角度剖面“X”形共軛剪切縫;北東向高角度縱張縫;北西向高角度橫張縫;在褶皺核部主要發育重張、追蹤張裂縫、縱張縫,傾伏端發育橫張裂縫,翼部低角度剪切縫、高角度復合縫都有發育。

可見,儲層裂縫的發育程度與構造部位密切相關。大邑須二段儲層主要發育斷層伴生縫、褶皺伴生縫。其中斷層伴生縫發育于斷層附近,特別是斷層末端、多條斷層的交接部位為應力釋放區,裂縫最為發育,延伸方向眾多,在空間上構成裂縫網絡系統,有利于儲層的改造。

3 裂縫有效性分析

裂縫成因模式僅是理論上對大邑構造須二段儲層可能發育的裂縫類型及其延伸方向的分析,但對于一個地區并不是所有類型的裂縫都同等程度發育,需要配合野外裂縫地質調查具體分析,即使發育也有可能被充填或閉合,為無效縫。因此,結合巖心、野外露頭觀察資料、測井實測資料,在以上裂縫成因模式基礎上,對裂縫的有效性進行分析,得到的有效裂縫才能為裂縫預測提供更準確的地質模型。

大邑構造鉆井巖心觀察資料如圖4所示。低角度裂縫多被石英、方解石晶體、炭質(瀝青)和泥質全充填(圖4(a)),為無效裂縫;而直立縫無充填(圖4(b)),為有效縫?？梢?北東向的低角度剖面“X”形共軛剪切縫,可能被充填,為無效縫。北東向縱張裂縫、北西向橫張裂縫,北西向追蹤張裂縫均為高角度或近直立,無充填,為有效縫(圖4(c)、(d))。

另外,裂縫走向與現今最大水平主應力方向一致或夾角很小時,裂縫能最大限度地發揮滲流作用;反之,裂縫走向與現今最大水平主應力方向垂直或斜交角度較大時,裂縫的滲透作用大大降低,從而削弱裂縫有效性[12]。因此,判斷裂縫是否有效,除了看有無充填,還應考慮裂縫走向與現今最大水平主應力的關系。川西坳陷現今最大水平主應力方向為北西向,因此北西向的追蹤張裂縫、橫張裂縫,其次為近東西向具張扭性的復合縫(圖5(a)),是對油氣運移、聚集最有效的裂縫,是大邑構造儲層裂縫預測的主要目標(圖5(b))。

斷層伴生縫延伸方向多,常形成交錯的裂縫網絡,斷層附近,特別是斷層末端、轉折端以及多條斷層的交匯區域,裂縫最為發育,在這些區域再配合有利沉積相帶部署井位,將有望獲得高產。但是這類裂縫的發育程度完全依賴于與斷層的距離,經實鉆證實,距一條大斷層約1 800 m產能為0,如果僅考慮此類裂縫,將不利于氣藏規模的擴大。

目前在大邑構造的鉆井部署主要考慮的還有斷層伴生縫,其勘探范圍受到斷層制約,下一步應加強對褶皺伴生縫即北西向的追蹤張裂縫、橫張裂縫以及近東西向高角度剪切縫的預測,以求擴大勘探成果。然而,雖然多學科、多方法相結合進行裂縫預測已成為裂縫預測的必然趨勢,但要達到準確的對上述有效裂縫的預測,仍是一個巨大難題。

圖5 有效裂縫走向與油氣顯示Fig.5 Effective fracture strike and gas and oil display

4 結論

(1)大邑構造是被斷層夾持的短軸背斜,須二段斷層發育,整個斷裂系統具“多”字形特征,且近南北向斷層具壓扭性,在平面上呈現“S”形左行羽狀排列;近東西向斷層平面上具反“S”形特征。

(2)大邑構造須二段儲層裂縫系統的形成可以簡單概括為2個階段:早期北東—南東向構造擠壓力作用階段(構造形成階段)和中、晚期旋扭構造力作用階段(構造改造階段)。

(3)斷層伴生縫、橫張裂縫、北西向的追蹤張裂縫、近東西向復合縫是對油氣運移、聚集最有效的裂縫,是大邑構造儲層裂縫預測的主要目標。