川东北元坝地区上三叠统须家河组天然裂缝发育特征与主控因素

潘磊 ,  杜红权 ,  李雷涛 ,  龙涛 ,  殷雪峰

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5) : 156 -165.

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地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5) : 156 -165. DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.12
致密砂岩储层裂缝研究

川东北元坝地区上三叠统须家河组天然裂缝发育特征与主控因素

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Fracture development characteristics and main controlling factors of natural fracture in the Upper Triassic Xujiahe Formation in Yuanba area, northeastern Sichuan Basin

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摘要

川东北元坝地区上三叠统须家河组致密砂岩储层物性较差,天然裂缝的发育改善了储层物性。天然裂缝是主要的储集空间和渗流通道,对天然气的运移、成藏和高产有着重要的影响。本文根据地表露头、岩心、薄片和成像测井等资料,对元坝地区须家河组天然裂缝成因类型及发育特征进行研究,并分析控制天然裂缝发育的主控因素。结果表明,研究区主要发育构造成因的低角度和高角度剪切裂缝,主要方位为NW-SE(300°±10°)和NEE-SWW(70°±5°)向,有效性好;裂缝充填程度较低,有效性好。构造部位、岩性和岩层厚度为影响裂缝发育的主要因素。鼻状构造部位及断层上升盘距离断层面400 m以内、垂直断距在60~120 m之间、北西向断层延伸线拐点附近为裂缝发育的有利部位,有利于天然气高产;中-细粒石英砂岩和细粒长石岩屑砂岩中裂缝最为发育;高能量环境规模砂体(高石英含量,低泥质含量)更有利于裂缝发育;裂缝发育程度与岩层厚度呈明显的负相关关系,当岩层厚度小于1 m时,裂缝密度大,发育程度高。

关键词

致密储层 / 天然裂缝 / 发育特征 / 主控因素 / 须家河组 / 川东北

Key words

tight reservoir / natural fractures / development characteristics / main controlling factors / Xujiahe Formation / northeastern Sichuan Basin

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潘磊,杜红权,李雷涛,龙涛,殷雪峰. 川东北元坝地区上三叠统须家河组天然裂缝发育特征与主控因素[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 156-165 DOI:10.13745/j.esf.sf.2024.6.12

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0 引言

我国非常规油气资源量约为常规油气资源量的3倍,致密气更是全球非常规石油勘探开发的重点领域[1]。川东北元坝地区上三叠统须家河组致密砂岩储层是中国石化重要的勘探开发区块之一[2],其非常规天然气资源含量丰富,地质储量超过7 000×108 m3。而该区须三段仅申报探明储量726×108 m3,探明率较低,未能高效开发[3],主要原因是致密砂岩储层物性差,非均质性强。元坝地区经历了多期构造运动的叠加,这导致其储层内构造形态复杂,天然裂缝发育[4-7],天然裂缝是致密砂岩储层重要的储集空间和渗流通道,其分布影响着油气成藏、富集规律和勘探与开发[8-10]。所以,研究元坝地区须家河组致密砂岩储层天然裂缝的发育特征及主控因素,对该区致密气高效开发具有重要的理论与实践意义。

前人在川东北元坝地区须家河组致密砂岩储层的裂缝发育特征、形成期次和测井识别预测等方面做了一定的研究[11-20]。研究表明,元坝地区须家河组地层主要以构造剪切裂缝为主,具有裂缝延伸中等、宽度较小、密度较小、充填程度较低和多期发育的特征[11-13,15]。构造裂缝形成期次可划分为3期:第一期为NE和NW向“X”型共轭剪切缝;第二期为NS和NEE向“X”型共轭剪切缝[14,16];第三期为NWW向剪切缝。单井裂缝识别方法有判别方程法、R/S分形法和分形理论法等,认为裂缝分维值大于1.45的为裂缝发育区,探井油气显示好[17-20]。总体来说,目前对川东北元坝地区裂缝的研究仅集中在天然裂缝的发育特征、形成期次和分布规律方面,对天然裂缝主控因素未展开系统的研究,对有效裂缝的认识不够,一定程度上会阻碍该地区的勘探开发进程。

本文主要根据地表露头、岩心、薄片和成像测井等资料,在前人研究的基础上,对裂缝发育特征开展系统研究,揭示了该区天然裂缝的主控因素,探讨了什么特征裂缝为有效裂缝以及有效裂缝对产能的影响,为元坝地区须家河组致密气的勘探开发提供地质依据。

1 地质概况

元坝地区位于我国四川盆地东北部(图1a),北邻米仓—大巴前陆冲断带,西接龙门山前陆盆地,东为川东高陡断褶带;与东侧通南巴构造带比较,整体埋藏深,构造变形弱,地层产状平缓,处于川北坳陷与川中隆起的过渡带[21-22]。元坝地区经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期3期构造运动,形成了如今“一隆、一凹、一凸起”的构造格局,以及NE、NW和SN向3组断裂(图1b),根据区域构造带划分可将研究区划分为3个二级构造单元,即九龙山构造南翼斜坡带、中央凹陷带和南部褶皱凸起带[4,23-25]。元坝须家河组为典型的陆相沉积,自下而上可划分为5段,须二段和须四段为主要的储层,为辫状河三角洲沉积体系,其储层储集空间主要以次生孔隙(粒间溶孔、粒内溶孔和粒间微孔)和微裂缝为主,孔隙度平均值为3.8%,渗透率主要分布区间为0.01~0.05 mD,储层物性差,是典型的致密砂岩储层[26-29]

2 天然裂缝发育特征

2.1 裂缝类型

根据天然裂缝的成因分类,元坝地区须家河组致密砂岩主要发育构造作用形成的构造裂缝和非构造裂缝。非构造裂缝主要为成岩过程中形成的成岩裂缝。根据力学性质的不同,构造裂缝可分为剪切裂缝与张性裂缝[30-31]。而根据裂缝倾角的大小,构造裂缝又可分为4种类型:水平裂缝(<15°)、低角度裂缝(15°~45°)、高角度裂缝(>45°~75°)和直立裂缝(>75°)。

由于研究区地表未露出须家河组地层,难以进行野外观察,而旺苍-南江-通江地区须家河组地层出露良好且距离元坝地区较近,所以本文选取川东北旺苍-南江-通江地区地表作为相似露头,对须家河组地表露头裂缝进行研究。

根据地表露头裂缝特征、交切关系和分期配套结果,构造裂缝在地表露头上主要表现为平面剪切裂缝、剖面剪切裂缝和区域性直立剪切裂缝。平面剪切裂缝发育程度较高,形成时间早,大多在岩层变形之前、产状尚处于近水平的状态下形成,主要表现为与地层高角度或垂直相交,其缝面平整,具有擦痕、阶步等现象,往往可切穿砾石,常形成平面“X”型共轭剪切裂缝(图2a,b);剖面剪切裂缝发育程度较低,为地层褶皱变形之后的产物,形成时间晚于平面剪切裂缝,主要表现为与地层低角度相交,其缝面平直,可见擦痕,常形成剖面“X”型共轭剪切裂缝(图2c);区域性直立剪切裂缝分布较为广泛,为区域性剪切作用下的产物,其形成时期最晚,主要表现为垂直于地表,缝面光滑平整,常切穿整个地层,裂缝多闭合(图2d)。

构造缝在岩心上主要表现为高角度剪切裂缝、低角度剪切裂缝和低角度张性裂缝(图3)。高角度剪切裂缝缝面光滑平直,切穿岩心深度较大,部分被方解石、沥青充填(图3a);低角度剪切裂缝主要由剪切滑脱作用形成,也可以称为低角度滑脱裂缝,裂缝面不平直,一般呈现马蹄形[32],并具有擦痕及镜面特征(图3b);低角度张性裂缝一般是扩张裂缝,是岩石在挤压应力作用下垂直于最小主应力方向发生相对扩张而形成的裂缝,通常与剪切裂缝共生,缝面粗糙,产状不稳定,部分被方解石、沥青充填(图3c)。

非构造裂缝在野外发育较少,在岩心上主要表现为成岩裂缝。成岩裂缝为岩石成岩收缩形成的裂缝,主要沿着平行层理或岩性界面发育,呈网状分布,产状变化大,具有弯曲、尖灭等特点,多被沥青、碳质充填(图3d)。

除了岩心直接可观察到的裂缝,元坝地区须家河组储层中还普遍存在发育规模较小的微观裂缝,通常采用铸体薄片及扫描电镜进行观察。镜下观察发现构造裂缝是元坝地区主要的裂缝类型(图4),通常表现为产状较为平直,延伸距离较长,切穿矿物颗粒,可被石英、方解石、沥青质等多种物质充填(图4a),可能存在局部溶蚀现象。在扫描电镜下可观察到沿矿物解理发育的微裂缝,裂缝多发育在颗粒内部,成组系定向分布,延伸长度较短,对提高储层渗透性起一定程度的改善作用(图4b)。构造裂缝在井壁成像测井中主要表现为深色正弦或余弦曲线,若裂缝被方解石等矿物充填,会导致裂缝所在位置的电阻率增加,变为亮色正弦或余弦曲线(图4c)。

2.2 裂缝规模

根据有关裂缝规模划分标准,将研究区裂缝划分为大尺度裂缝(裂缝长度≥20 cm)、中尺度裂缝(裂缝长度10~<20 cm)、小型缝(裂缝长度5~<10 cm)和微裂缝(裂缝长度<5 cm)4类[33]。根据岩心裂缝观测结果统计分析(图5),研究区须家河组岩心裂缝长度在10~<20 cm范围的占比约62%,≥20 cm的占比约20%。就裂缝长度而言,裂缝延伸越长,越容易构成油气的运移通道,研究区中尺度裂缝占比较大,所以对气田的勘探开发有着良好的作用。

2.3 裂缝宽度

裂缝的宽度又可称为裂缝的开度,是表征裂缝发育规模及有效性的一项重要参数。从岩心上测量的裂缝宽度并不能真实地反映地下裂缝开启的情况,需要进行校正[34]。根据岩石力学实验,在地下一定深度,由于围压增加,岩石裂缝宽度会变小。岩心从高围压下取出来时,由于围压减小,岩心裂缝实测宽度会大于地下深处的天然裂缝。校正后的裂缝宽度统计结果(图6)表明,研究区裂缝宽度集中在0.1~<1 mm范围的占比近60%,宽度在1~<1.5 mm范围的占22%,总体来说研究区主要以小宽度裂缝为主,较为闭合。

2.4 裂缝密度

裂缝密度是定量表征裂缝发育程度的一项重要参数。常见的裂缝密度表示法主要有3种:线密度、面密度和体密度[10]。本文主要采用线密度对裂缝进行描述。岩心观测结果和成像测井解释结果分析(图7)表明,研究区密度值普遍偏小,在0.2~0.4条/m范围的占比34%左右,≥1条/m的占比25%左右。总体上说,研究区绝大多数裂缝密度都在1条/m以下,密度普遍较小,其原因有:其一可能与该区高角度裂缝所占比例有关,高角度裂缝的存在使得裂缝的钻遇率降低;其二可能与观测井所在的构造部位有关。

2.5 裂缝充填特征

根据岩心观测和成像测井资料统计分析(图8),研究区须家河组储层裂缝中,未充填裂缝所占比例为33%,半充填缝比例约占27%,全充填缝比例约为40%,半充填缝和未充填缝总共占60%左右说明裂缝的有效性较好。研究区内裂缝的充填物主要为方解石、沥青、碳质和泥质等。从不同类型裂缝的充填程度对比图(图9)可以看出,研究区内直立缝和高角度裂缝充填程度较低,尤其高角度裂缝约有60%几乎未充填,低角度裂缝充填程度较高,约有60%左右的低角度裂缝被全充填,未充填缝仅占不到20%。由此可以看出,直立缝及高角度裂缝是研究区内的有效裂缝,对于油气的储存和渗流具有重要作用。

2.6 裂缝走向

根据地表露头裂缝方位测量和成像测井裂缝解释结果制作的裂缝走向玫瑰花图显示,研究区主要发育4组裂缝,即NW-SE(300°±10°)、近SN(0°±5°)、NE-SW(30°±5°)和NEE-SWW(70°±5°)向裂缝(图10)。其中NW-SE(300°±10°)和NEE-SWW(70°±5°)向裂缝最为发育,而NE-SW(30°±5°)和近SN(0°±5°)向裂缝发育相对较差。

3 天然裂缝主控因素

储层天然裂缝的发育程度,除了与所受构造应力有关外,还与岩性、岩层厚度和所处的构造部位有关。在某一地质历史时期,某一范围内所受的区域构造应力基本是统一的,但不同部位构造、岩性及其结构上的差异(主要表现为岩石力学性质不同),导致裂缝的发育程度也有所不同。因此,可以说构造部位是控制储层天然裂缝形成的外因,而储层岩性和岩层厚度则是控制天然裂缝形成的内因[8,35-37]

3.1 构造部位

元坝地区构造上处于龙门山北段前缘的米苍山—大巴山前陆构造带,须家河组和珍珠冲段受构造活动影响相对较弱,构造起伏小,总体上为低缓构造,主要发育近SN和NNW向断裂体系,构造部位对裂缝的发育具有重要影响。首先,构造部位与裂缝关系密切,元坝地区主要构造为低缓断褶带和构造向斜,总体上构造较为平缓,研究区内局部鼻状构造较为发育。研究区内元陆3井及元陆5井均位于鼻状构造上,裂缝较为发育,油气显示较好,这是由于鼻状构造位于构造高点,变形曲率较大,是研究区内有利的裂缝发育区。其次,断层对裂缝的发育也有重要的影响,断层的性质、规模、断距、延伸长度、产状、不同断盘等差异都与裂缝发育程度有密切关系。研究区内多口井的油气显示与断裂密切相关:元陆3井位于断裂附近部位,在须四段试气,获得良好的天然气流;而元陆2井及元坝2井位于断层相对下降盘,裂缝发育程度较低,试气效果也较差。对气井产量与断裂关系进行统计的结果(图11)表明,裂缝的发育受钻井距断层距离的大小及断层不同部位等因素控制,断裂规模越大,距断层距离越小,裂缝越发育,研究区内裂缝主要发育在断层上升盘距离断层面400 m以内范围。对已有井的试气资料及断层要素的对比(表1)发现:试气效果好的井,其断层延伸方向多为北西向,其垂直断距往往在60~120 m之间,而断距大于120 m的断层附近井油气显示效果较差;北西向断层延伸线拐点附近的井油气显示效果较好,而直线段对天然气具有逸散作用,油气显示较差;延伸长度与油气显示关系不明显。

3.2 岩性

沉积岩中裂缝发育程度与岩性关系密切,岩石类型不同,其变形程度不同,所显现出来的力学性质也不一样,受力后产生破裂的情况也不一样,当岩石处于相似应力和环境条件时,脆性组分含量高的岩石中的裂缝要比含量低的岩石更发育[38]。一般来说,脆性岩石易产生裂缝,塑性岩石不易产生裂缝。元坝地区须家河组沉积环境主要以湖泊-三角洲沉积体系为主,储层岩性主要以中-细粒岩屑砂岩、石英砂岩和粉砂岩为主,局部发育有泥岩夹层。从须家河组裂缝发育程度分布频率图可以看出,研究区中-细粒石英砂岩和细粒长石岩屑砂岩裂缝最为发育,其次为粉砂岩类,泥质岩类中裂缝相对发育较差(图12)。薄片鉴定和岩心观测以及岩石力学实验的结果分析显示:从粒度上来看,中粒砂岩中裂缝最为发育,其次是细砂岩和粉砂岩(图13);从组成岩石的矿物成分来看,高能量环境规模砂体(高石英含量,低泥质含量)更有利于裂缝发育(图14),泥质含量大于20%时,不利于有效裂缝发育。

3.3 岩层厚度

不考虑褶皱、断层因素对裂缝的控制时,岩层厚度对裂缝的影响变得较为重要。岩层中的裂缝发育程度明显受单层厚度的控制,层厚度薄的岩层中岩石的颗粒更加细小,岩石颗粒和单层厚度的双重影响控制着裂缝的发育程度,即岩层越薄,颗粒越细,裂缝就越发育(图15)。在一定厚度范围内,裂缝的平均密度与岩层厚度呈负相关关系,表明当其他条件相同时,薄岩层中的裂缝比厚岩层中的更为发育,根据相似地表露头裂缝调查结果,在须家河组地层中,一定厚度范围内,研究区砂岩裂缝的间距与岩层厚度呈现较明显的负相关关系(图16):当岩层厚度小于1 m时,裂缝密度大,间距小,发育程度高;当岩层厚度大于2.5 m时,裂缝的密度明显变小,间距变大,表明裂缝发育程度低;当岩层厚度为1.0~2.5 m时,裂缝的发育程度中等。

4 结论

(1)元坝地区须家河组储层裂缝类型为构造裂缝和成岩裂缝,主要发育构造成因的低角度剪切裂缝和高角度剪切裂缝;裂缝长度主要在10~20 cm之间,裂缝开度主要集中在0.1~1 mm之间,裂缝发育的主要方位为NW-SE(300°±10°)和NEE-SWW(70°±5°)向;裂缝充填程度低,只有约40%的裂缝为全充填,其中高角度裂缝和直立缝的充填程度最低,有效性最好,充填物主要为方解石、沥青、碳质和泥质等。

(2)影响研究区裂缝发育的因素主要是构造部位、岩性和岩层厚度。鼻状构造部位及断层上升盘距离断层面400 m以内为裂缝发育的有利部位;中-细粒石英砂岩和细粒长石岩屑砂岩中裂缝最为发育;研究区内裂缝发育程度与岩层厚度呈现明显的负相关关系,当岩层厚度小于1 m时,裂缝密度大,发育程度高。

(3)直立缝和高角度裂缝是研究区内的有效裂缝,NW-SE(300°±10°)和NEE-SWW(70°±5°)向的裂缝有效性好;裂缝充填程度较低,有效性较好。断层上升盘距离断层面400 m以内范围、垂直断距在60~120 m之间、北西向断层延伸线拐点附近为裂缝发育的有利部位,有利于天然气高产。

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基金资助

中石化科技部重大项目“四川盆地及周缘资源评价”(P23221)

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