基于FMI测井的火成岩裂缝相发育模式——以准噶尔盆地中拐凸起石炭系火成岩为例

张啸，陈国军，肖华，高明，潘拓

（1.中国石油新疆油田分公司，新疆 乌鲁木齐 836413；2.中国石油测井有限公司，陕西 西安 710077）

火成岩储层作为一类油气资源潜力巨大的非常规储集层，日益引起国内外学者广泛关注[1-4]。火成岩岩性致密，强度及脆性程度较大，受岩性、层厚、构造应力等多方面因素影响，不同程度产生裂缝[5-7]。原生孔隙差的火成岩储集层，产油能力主要取决于储层中裂缝发育程度[8]。裂缝使火成岩储集层中无效孔隙得以连通，发育成有效的储集空间[9]。裂缝的成因机理、分类方法、裂缝的识别与定量表征等是火成岩储层勘探开发的关键[10-11]。目前，火成岩储层裂缝研究主要是对裂缝成因机理与裂缝对储层影响的研究，未建立一种有效表征火成岩裂缝发育的裂缝相模式，缺乏从空间配置上研究不同埋深条件下裂缝的发育规律及不同裂缝发育模式对火成岩储层改造作用的相关研究。本文基于FMI测井资料结合常规测井资料、录井和岩心资料，对中拐凸起石炭系火成岩裂缝发育模式进行系统研究，最终构建了中拐凸起火成岩裂缝相发育模式。

1 区域地质概况

中拐凸起位于准噶尔盆地西北缘克乌断裂带和红车断裂带转换部位[12],是在石炭纪至二叠纪挤压应力场作用下形成的宽缓鼻状古隆起。研究区三面临凹[13]，为油气运聚有力区域。随着JL10井在石炭系火成岩获得高产油气流，中拐凸起石炭系成为准噶尔盆地的重点勘探领域。已有钻探成果显示，研究区石炭系火成岩岩性复杂，不仅发育火成岩，同时还发育有沉积岩。储层以低孔、低渗储层为主，储层物性变化范围大，孔隙度2%～12%，最大孔隙度为16.4%，最小孔隙度为1.3%，平均4.65%。岩心分析渗透率普遍分布在0.1×10-3μm2以下（数据来源：统计本区35口井，235块岩样分析化验数据，新疆油田公司实验检测研究院）。由此认为，本区储层为低孔特低渗储层。裂缝为本区油气渗流提供有利“通道”。

2 裂缝发育特征的FMI测井响应

2.1 受岩性影响的裂缝发育特征

受火成岩岩性和非均质性影响，常规测井无法准确识别火成岩岩性及定性表征火成岩裂缝发育情况，微电阻率扫描成像（FMI）测井主要是通过图像特征和集合形态变化，反映电阻率物理参数差异，揭示地层不同岩性和沉积构造的差异，具很高的分辨率（约5 mm），可清楚反映地层岩性、结构、构造及井壁结构变化[14]。本文利用FMI测井技术，结合常规测井、录井和岩心资料，对中拐凸起石炭系火成岩不同岩性的裂缝发育模式进行研究。

中拐凸起火成岩岩石类型包括凝灰岩、安山岩、火山角砾岩、英安岩等。结合FMI测井资料，发现对裂缝发育起控制作用的岩石类型的FMI测井响应特征为：①凝灰岩。FMI静态图像表现为暗黄色到黄色，动态图像上呈层状（图1-a），或暗色点状半点状及线状（图1-b），渗透性差；②安山岩。FMI静态图像上显示为黄色到亮黄色，动态图像为块状构造（图1-c），有效裂缝较发育；③火山角砾岩。FMI静态图像为黄色到亮黄色，动态图像表现为亮色斑状模式（图1-d），部分层段发发育暗色针孔状溶蚀孔（图1-e）；④英安岩。FMI静态图像上显示为黄色到亮黄色，动态图像表现为块状构造（图1-f），大部分层段裂缝较发育或发育暗色溶蚀孔。对本区主要发育的4种火成岩裂缝统计发现，安山岩、英安岩裂缝最发育，次为火山角砾岩裂缝，凝灰岩裂缝发育较少；安山岩平均裂缝发育为1.2条/m，英安岩平均裂缝发育为1.4条/m，火山角砾岩平均裂缝发育为0.8条/m，凝灰岩平均裂缝发育为0.2条/m。

2.2 构造对裂缝发育的控制作用

构造对本区裂缝的发育程度具重要控制作用。构造裂缝主要包括断层型裂缝及褶皱型裂缝两大类。由于不同构造部位应力分布不同，使得裂缝发育程度差别很大。一般认为构造形变越大裂缝发育程度越高。如构造曲率大的部位是裂缝发育的最佳部位，次为断鼻、褶皱和断块轴交点部位[15]。

断层为裂缝发育的又一重要控制因素，断层控制局部构造应力，影响火成岩裂缝的分布，不同构造位置构造应力分布不同。靠近断层裂缝非常发育，距离断层较远的井，裂缝发育较少。如位于JL10井南断裂附近的3口井，平均裂缝密度为1.6条/m，远离断裂的4口井裂缝密度均在0.5条/m，前者明显好于后者。从钻井所处位置裂缝发育程度与断层关系反应出二者具正相关性（图2）

研究发现，由于地层局部构造应力分布不同，受到主控断层发育控制，从而影响裂缝的发育程度。由此可见，构造位置对火成岩裂缝发育起一定控制作用。

2.3 FMI裂缝相类型

通过分析中拐凸起35口井的FMI测井资料，运用FMI裂缝相的概念，建立表征本研究区裂缝发育模式的4种FMI裂缝相（图3）。

图1 研究区主要岩性的FMI测井响应特征Fig.1 FMI log response character of the main lithology in study area

图2 裂缝发育与构造位置关系分布特征Fig.2 Distribution characteristics between the relationship of fracture development and structural location

2.3.1无效裂缝相

主要是火成岩在裂缝形成初期被方解石、石英等矿物充填，以高电阻率异常出现，在FMI上的图像为亮白色正弦波条纹，连续性不明显（图3-a），这种裂缝渗透性差，不连通，储集性能差。

2.3.2有效裂缝相

一般与层面不平行、不规则，由于泥浆的侵入，以高电导异常出现，在FMI上的图像特征为暗色的正弦线或不规则网状结构，连续性较好，这种裂缝渗透性好。按其发育特征不同，又可将其分为斜交有效缝（图3-b）、高角度有效缝（图3-c）、低角度有效缝和网状有效缝缝（图3-d）。

图3 典型FMI裂缝相类型Fig.3 The type of typical FMI fracture facies

2.3.3直劈扩大缝相

在FMI动态图像上可见，宽度较大的深棕色至黑色垂直的高导缝（3-e），此类裂缝纵向延伸范围较大。研究发现此类FMI裂缝相多与断层相伴生，在构造应力大的区域此类裂缝相最发育。

2.3.4溶蚀孔隙相

溶蚀孔特点是形状不规则，部分继承了被溶蚀颗粒的本来形状但边缘圆滑，为高电导异常体，在FMI上的图像为分散的不规则的暗色斑点（3-f）。当裂缝与溶蚀孔隙混合发育时，使得储集空间相互沟通，易形成优质储集层。

3 裂缝相配置关系

3.1 裂缝发育的垂向分带性

中拐凸起石炭系火成岩裂缝发育有明显分带性，整体上分为上部表生裂缝发育带和下部深埋裂缝发育带，与之对应的FMI裂缝相模式也不相同。

3.1.1表生裂缝带

主要包括风化壳及以下200 m范围。受构造作用和风化淋滤影响，火成岩裂缝发育受溶蚀作用增强，形成良好的孔隙性与渗透性，成为本区火成岩优势储集层。与表生裂缝带对应的FMI裂缝相为有效裂缝相、溶蚀孔隙相与直劈扩大缝相。

3.1.2深埋裂缝带

受上覆地层压力影响，火成岩成岩初期受到构造应力的影响裂缝十分发育，后期多为方解石等充填形成无效裂缝。深埋裂缝带同时受地下流体溶蚀作用多发育有效缝。与深埋裂缝带对应的FMI裂缝相为无效裂缝相或有效裂缝相。

以本区JL11井为例探讨裂缝发育控制因素、裂缝发育位置与FMI裂缝相3者间的关系（图4）:①发育有两套凝灰岩隔层，深度分别为在3 117～3 180 m与3 199～3 205 m，有效裂缝较少发育，主要发育有直劈扩大缝；②在表生裂缝带深度3 181～3 199 m段岩性分为安山岩，该井段裂缝十分发育，发育有有效裂缝相、溶蚀孔隙相及直劈扩大缝相。直劈扩大缝相延伸至上部凝灰岩，使该井段溶蚀作用增强储层物性变好；③本井毗邻JL11井北断层，受构造应力作用裂缝在3 180～3 199 m、3 206～3 243 m、3 279～3 307 m、3 313～3 357 m井段裂缝极发育，利用统计学方法统计该井平均裂缝密度为1.2条/m；④从对比其与表生裂缝带储层物性发现，表生裂缝带由于受溶蚀改造储层物性好于深埋裂缝带的安山岩储层物性。实验室分析数据表明，表生裂缝带平均孔隙度为8.65%，平均渗透率为3.75×10-3μm2。深埋裂缝带平均孔隙度为5.43%，平均渗透率为0.1×10-3μm2（数据来源：JL11井23块岩样分析化验数据，新疆油田公司实验检测研究院）。

综上所述，岩性与断层控制裂缝发育强度，靠近断层裂缝明显发育，且裂缝发育程度在垂向上有明显分带性,上部为表生裂缝带,下部为深埋裂缝带。裂缝发育模式的不同对储层改造作用不尽相同。

3.2 裂缝相发育模式

对中拐凸起裂缝发育的控制因素进行深入研究，明确岩性及构造对裂缝发育的影响，在此基础上，提出中拐地区裂缝发育模式。

图4 研究区JL-11井裂缝发育规律与FMI裂缝相关系Fig.4 The relationship of fracture development law and Well JL-11 FMI fracture facies in the study area

研究表明，裂缝发育具垂向分带性，包括上部表生裂缝带和下部深埋裂缝带；FMI裂缝相组合存在差异性；受风化淋滤影响，表生裂缝带发育有有效裂缝相、直劈扩大缝相、溶蚀孔隙相。其中直劈扩大缝相为表生裂缝带特有的FMI裂缝相，可作为表生裂缝带的特征相。深埋裂缝带主要发育有效裂缝相，无效裂缝相，相比之下，表生裂缝带裂缝更发育，储集层储集性能更好。

断层的发育有利于裂缝发育。构造应力一方面制造了原始断层且伴生裂缝，裂缝连通了原有的无效孔隙，从而改善储层物性；另一方面，产生的裂缝，再次受到地下流体的溶蚀，这种溶蚀对储集层储集性能起到明显的改善作用。岩石脆性程度是控制裂缝发育的另一个重要因素。对中拐凸起FMI测井资料统计得出，安山岩与英安岩为火山熔岩脆性指数高，裂缝最发育；凝灰岩、层状凝灰岩与火山角砾岩脆性指数较低裂缝发育较少。

4 应用效果

图5 中拐凸起石炭系火成岩表生带（左）、深埋带（右）裂缝预测平面图Fig.5 The fracture prediction plan of epigenetic zone(left)and Embedded zone(right)in Carboniferous volcanic rock of Zhongguai uplift

利用FMI测井资料，构建中拐凸起火成岩裂缝相发育模式。石炭系上部为表生裂缝带，下部为深埋裂缝带。结合地震曲率预测中拐凸起石炭系裂缝发育特征发现（图5-a），石炭系距顶200 m深度范围，高曲率，裂缝非常发育。石炭系下部裂缝基本不发育（图5-b），呈零星状分布，说明裂缝在成岩后期被方解石充填程度高。笔者据FMI测井资料构建中拐凸起石炭系裂缝相发育模式，与地震资料预测的裂缝发育程度基本吻合。

5 结论

（1）裂缝发育的控制因素主要为岩性和断层。不同岩性的裂缝发育程度不同，火山熔岩类的安山岩、英安岩裂缝较火山角砾岩、凝灰岩类更发育。断层的发育有利于裂缝发育。

（2）建立有效裂缝相、无效裂缝相、直劈扩大缝相、溶蚀孔隙相4种FMI测井裂缝相，可有效表征中拐凸起石炭系火成岩裂缝发育程度。

（3）研究区石炭系火成岩裂缝发育具垂向上的分带性，上部表生裂缝带比下部深埋裂缝带裂缝更发育。下部深埋裂缝带裂缝多为方解石充填，多为无效裂缝相。

（4）表生裂缝带的直劈扩大缝相、有效裂缝相及溶蚀孔隙相的混合发育对储层物性改造效果好，易形成优质储集层。