辽河盆地西部凹陷古潜山天然裂缝特征及其影响因素

刘国平 ，董少群,3 ，李洪楠 ，彭仕宓 ，管 聪，毛 哲

[1.油气资源与探测国家重点实验室 中国石油大学(北京)，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249； 3.中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249；4.中国石油 辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010]

古潜山油气藏是一类特殊类型的重要油气藏，其储层多与盆地上覆地层不整合接触，并经历了长时间的风化和剥蚀，主要特征表现为储层岩石厚度大，孔隙度和渗透率非均质性强，储集空间类型复杂多样[1-3]。古潜山储层岩性不仅包括变质岩和火山岩，还包括了碳酸盐岩和砂岩，油气藏的烃源岩大部分发育于不整合面上较新的沉积物中。古潜山油气藏不仅可以形成于潜山顶部的风化壳中，也可以分布在潜山内幕中。由于古潜山储层经历了多期构造和成岩作用的叠加，储层中次生孔隙和天然裂缝较发育，属于典型的裂缝性油气藏[4-6]。

辽河盆地古潜山储层勘探开发较早，古潜山油气藏占有辽河油田相当比例的储量和产量，是主要的油气勘探领域[1,7]。西部凹陷古潜山储层作为辽河盆地重要的油气勘探区带，已经发现了兴隆台、齐家、曙光、杜家台等重要的潜山油气藏。西部凹陷古潜山油气藏呈块状分布，潜山岩性以变质岩为主，同时包含了碳酸盐岩和火山岩。古潜山储层中天然裂缝发育，是其主要的油气储集空间和渗流通道。由于经历了长期复杂的地质演变，古潜山储层中天然裂缝类型多样，规模相差悬殊，空间分布变化大，非均质性强[8-11]。勘探开发实践表明古潜山储层不同层段油气显示受天然裂缝类型和发育程度的控制明显[8,12-14]。因此，针对辽河盆地西部凹陷古潜山储层天然裂缝类型、发育特征和影响因素的研究显得尤为重要。

本次研究利用该地区的野外露头剖面、岩心、薄片、扫描电镜和成像测井等资料，并结合前人的研究成果剖析了辽河盆地西部凹陷古潜山储层天然裂缝的类型和发育特征，并从构造运动、岩性和成岩作用三方面讨论了影响古潜山储层天然裂缝发育的主要因素。以期该研究成果为辽河盆地西部凹陷古潜山储层油气藏的勘探开发提供科学的地质依据。

1 地质概况

辽河盆地位于中国东北部，呈NS-SW向展布，是中生代以来在拉伸应力场作用下形成的裂陷盆地(图1)。辽河盆地根据其典型的构造特征可以划分为6个一级构造单元，分别为大民屯凹陷、西部凹陷、东部凹陷、西部凸起、中央凸起和东部凸起，面积约12 400 km2。盆地自中生代以来经历了多期强烈的构造运动，发育北北东到北东向和北西到近东西向两组基底断裂系统[15-16]。这些断裂不仅控制了盆地的构造形态，同时控制了盆地的构造演化和沉积充填历史，将盆地基岩切割成多个垒堑相间的断块。

盆地的构造演化为基底隆起形成古潜山创造了良好的地质条件，形成了多种类型、广泛发育的基底潜山，主要包括太古宙及古元古代变质岩潜山、中-新元古代和早古生代碳酸盐岩潜山、以及中生代火山岩潜山。由于经历了多期构造抬升和变形，大面积古潜山地层遭受了复杂的剥蚀、风化和淋滤等作用，形成了孔、缝、洞以及原生孔隙在内的多种类型共同发育的储集空间网络[7,13,17]。辽河盆地西部凹陷地层结构特征复杂，不同构造层可以出现相互接触。同时新生代地层不整合覆盖在下伏基岩隆起构造之上，巨厚的暗色泥岩和油页岩为油气藏的形成提供了有力的物质基础，而新生代断裂的长期活动为油气的运移提供了良好的通道，有利于基岩古潜山油气藏的形成[16,18]。辽河盆地西部凹陷古潜山储层孔隙度在1%～20%变化，基质渗透率一般较低，小于0.1×10-3μm2，表明储层物性非均质性较强[19-22]。

2 天然裂缝类型及特征

辽河盆地西部凹陷古潜山储层在漫长的地质历史时期经历了构造破碎、风化剥蚀、溶蚀淋滤和变质重结晶等复杂多样的地质作用，储集空间发育程度较高且类型多样，可以划分为天然裂缝和溶蚀孔洞两大类。天然裂缝是辽河盆地西部凹陷古潜山储层的主要储集空间类型，占整个储集空间的40%～50%[23-26]。按照地质成因，古潜山储层中的天然裂缝可以分为构造裂缝、风化裂缝和溶蚀裂缝，其中构造裂缝是主要的类型[16,26-39]。

构造裂缝在辽河盆地西部凹陷古潜山中分布广泛，本次研究通过相似露头区野外调查、岩心观察、成像测井解释、薄片及扫描电镜分析对研究区构造裂缝进行了研究。野外调查选取了位于辽河盆地西部凹陷，与古潜山储层具有相似岩性和相同构造演化史的石山作为露头观测区。野外露头中构造裂缝的规模从几十厘米到几米不等，不同期次的构造裂缝相互切割限制(图2a)。露头和成像测井观测统计表明古潜山储层构造裂缝主要发育有3个组系，分别为NNE-SSW向、NW-SE向和近E-W向，其中NNE-SSW向，是研究区目的层构造裂缝的优势发育方位(图3)。岩心观察统计分析发现辽河盆地西部凹陷古潜山构造裂缝倾角多分布在50°～90°，其中80°～90°的高角度裂缝最为发育，55°～65°的斜交裂缝次之(图4)。岩心上构造裂缝密度分布范围较广，1～15条/m不等，一些网状缝密度可达每米几十条(图2b)。构造裂缝开度差别较大，一般分布在0.1～1.5 mm。岩心和成像测井资料统计分析发现构造裂缝的规模多小于25 cm，规模较大的裂缝发育较少。

岩心和成像测井资料显示构造裂缝多为没有被矿物充填的有效裂缝，只有小于25%的构造裂缝被石英、方解石和绿泥石等矿物半充填或全充填。成像测井显示没有被矿物充填的高导缝呈深色(低电阻)正弦曲线，这是充填泥浆滤液或低阻矿物造成的，为有效裂缝。而高阻缝为浅色或白色(相对高阻)正弦曲线，是由裂缝中充填的如方解石、石英等高阻矿物引起，为无效裂缝(图5)。通过对比不同井岩心及成像测井资料的裂缝解释结果发现，构造裂缝的发育程度和潜山构造部位有一定的关系，不同构造部位裂缝发育程度存在一定差异[31]。例如，构造裂缝发育程度与距断层面距离成反比，断层带附近裂缝发育程度较远离断层区域明显高。此外，构造裂缝发育段除了沿断层分布外，潜山构造高部位转折端也是构造裂缝的有利发育区[32]。

图1 辽河盆地构造位置(a)及古潜山油气藏分布(b)(据单俊峰[30]修改)Fig.1 The structural location(a) and distribution(b) of paleo-buried-hill reservoirs in the Liaohe Basin (modified after Shan Junfeng[30])

图2 辽河盆地西部凹陷古潜山中的天然裂缝Fig.2 Natural fractures in the paleo-buried-hill of the Western Sag in the Liaohe Basina.不同期次构造裂缝相互切割限制；b.马古3井，埋深4 186.79 m，构造裂缝相互交织成网状

图3 辽河盆地西部凹陷古潜山中天然裂缝走向Fig.3 The strike of natural fractures in the paleo-buried-hill of the Western Sag in the Liaohe Basina.露头中构造裂缝走向玫瑰花图(n=261)；b.成像测井中构造裂缝走向玫瑰花图(n=610)

图4 辽河盆地西部凹陷古潜山储层岩心构造裂缝倾角分布频率直方图Fig.4 Frequency histogram of tectonic fracture dip angle in cores of paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basin

通过铸体薄片和扫描电镜等资料的分析发现，辽河盆地西部凹陷古潜山储层主要发育有矿物晶间缝、矿物解理缝、矿物裂纹缝和矿物破碎缝。主要特征如下：①矿物晶间缝：发育在组成岩石的矿物晶体之间或边缘，并有可能穿过矿物晶体的裂缝(图6a)。②矿物解理缝：由于受到构造挤压和成岩压实的应力作用，沿矿物晶体的解理张开形成的裂缝。研究区古潜山储层中最常见的是长石解理缝，其次为角闪石、黑云母等矿物的解理缝(图6b)。③矿物裂纹缝：在刚性矿物颗粒内部无规则发育的裂缝。古潜山储层中这类裂缝主要发育在石英、长石等矿物颗粒中(图6c)。④矿物破碎缝：穿过一个或多个矿物颗粒或沿着其边缘发育的裂缝(图6d)。不同种类的天然裂缝开度具有明显的差异。矿物晶间缝开度最小，通常小于5 μm。矿物解理缝与矿物裂纹缝开度次之，一般小于10 μm。矿物破碎缝开度较大，通常分布在20～40 μm。显微镜下裂缝面密度差异较大，分布范围介于0.3～7.6 mm/mm2。矿物解理缝和矿物裂纹缝受矿物颗粒大小的限制，规模较小。而矿物破碎缝发育在颗粒间或颗粒边缘，不受矿物颗粒的限制，规模较大。显微镜下的裂缝多是没有被矿物充填的有效裂缝，充填裂缝的比例小于30%，充填矿物主要是碳酸盐和粘土矿物。

图5 辽河盆地西部凹陷兴古7井成像测井资料中的构造裂缝Fig.5 Tectonic fractures detected by image logging in Well Xinggu 7 in the Western Sag of Liaohe Basina.红色曲线代表没有被矿物充填的有效裂缝；b.黄色曲线代表被矿物充填的无效裂缝

图6 辽河盆地西部凹陷古潜山储层中的天然裂缝Fig.6 Natural fractures in the paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basina.矿物晶间缝，齐古2井，埋深1 931.60 m；b.矿物解理缝，齐古6井，埋深2 621.6 m；c.矿物裂纹缝，安130井，埋深2 781.54 m；d.矿物破碎缝，胜11-7井，埋深2 814.88 m

由于辽河盆地西部凹陷古潜山构造和岩性的特殊性，风化裂缝和溶蚀裂缝的发育也具有明显的特征。风化裂缝主要是指古潜山地层在地表或接近地表的风化剥蚀阶段，岩石在受到物理、化学和生物风化作用等风化营力的作用下形成的裂缝。这类与表生作用和风化作用有关的风化裂缝主要发育在的风化壳中，与溶蚀孔隙共生。辽河盆地西部凹陷潜山顶部普遍发育风化壳。钻井资料表明潜山风化裂缝发育厚度一般可达几十米，发育程度从风化壳顶部向下逐渐降低。风化裂缝的形成无明显的方向性，常密集均匀的分布，规模较小，互相连通形成良好的裂缝网络。溶蚀裂缝主要是指受早期构造应力作用形成的构造裂缝在后生成岩阶段，受地下水作用的溶蚀改造形成的一种成岩裂缝。早期裂缝受到溶蚀改造后开度变大，裂缝壁形态不规则，具有明显的溶蚀特征，这类裂缝多发育在碳酸盐岩潜山储层中。在辽河盆地西部凹陷古潜山中，溶蚀裂缝纵向上主要发育在古潜水面附近的潜流带中，总体发育程度较低。

3 天然裂缝影响因素

辽河盆地西部凹陷古潜山储层形成时间较早，后期经历了多期、复杂的地质作用，天然裂缝的分布具有很强的非均质性。依据岩心标定测井、测井解释裂缝发育段特征，并结合多种资料分析，认为辽河盆地西部凹陷古潜山储层天然裂缝发育主要受构造运动、岩性和成岩作用的控制[33-36]。

3.1 构造运动

辽河盆地西部凹陷古潜山储层经历了由构造运动控制的一个长期而复杂的地质演化过程。如前所述，古潜山储层岩性为太古宙变质岩、元古宙碳酸盐岩和中生代中-基性火山岩，储层岩石经历了多次大的构造运动和长期的、多期次的地表风化、淋滤作用，形成了以天然裂缝、溶洞和溶孔为主的复杂多样的储集空间体系[37-43]。以太古宙变质岩为例，其储集空间的形成和演化经历了6个主要时期：即太古宙变质岩形成期、第一风化剥蚀期、前埋藏期、第二风化剥蚀期、表生风化剥蚀期和后埋藏期(图7)。自太古宙至白垩纪末期，储集空间中裂缝的演化整体呈增大的趋势，其中震旦纪(第二风化剥蚀期)经历的加里东运动和印支运动，以及侏罗纪至白垩纪(表生风化剥蚀期)经历的燕山运动，为天然裂缝形成的主要时期。其次为前震旦纪(第一风化剥蚀期)经历的吕梁运动，也是天然裂缝形成的重要时期。多期次发育的裂缝形成了明显的次生孔隙发育带，是辽河盆地西部凹陷古潜山储层的主要储集空间。

3.2 岩性

岩性对辽河盆地西部凹陷古潜山储层天然裂缝的影响主要是指不同类型的岩性以及同一种岩性中不同种类的岩石，其物理性质包括密度、构造、成分、硬度等差别较大，导致岩石的力学性质、破裂方式和破裂程度具有明显的差异，因此不同岩性天然裂缝的发育程度也有较大差异[33]。变质岩潜山中花岗岩类石英和长石含量高，岩石脆性较大，在相同应力作用下易发生破碎，天然裂缝发育。如花岗糜棱岩岩心中构造裂缝的平均线密度可达到80条/m，而在角闪岩中天然裂缝发育程度较低，岩心中构造裂缝的平均线密度只有5条/m。碳酸盐岩潜山储层中，白云岩构造裂缝发育程度最大，岩心中构造裂缝平均线密度为10.8条/m，其次是石灰岩为4.6条/m，泥岩中构造裂缝发育程度较差，平均线密度小于2条/m。主要是因为白云岩中白云石等脆性矿物含量较高，在相同的应力条件下要比脆性矿物含量低的石灰岩和泥岩更容易发育构造裂缝。火山岩潜山储层中，中酸性火山岩由于脆性矿物(比如石英)含量高，天然裂缝较发育。如安山岩和粗安岩中石英晶屑较干净明亮，蚀变、破碎强烈，岩心中构造裂缝平均线密度达到4.2条/m。基性和超基性火山岩中由于脆性矿物含量较低，天然裂缝发育程度较低，岩心中的平均线密度小于0.6条/m。同时，对比不同的潜山类型发现变质岩潜山天然裂缝最为发育，其次是碳酸盐岩潜山，火山岩潜山天然裂缝发育程度相对较差。

图7 辽河盆地西部凹陷构造运动对古潜山主要储集空间演化的影响Fig.7 The impact of tectonic movements on the reservoir space evolution of paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basin

3.3 成岩作用

成岩作用是影响辽河盆地西部凹陷古潜山储层天然裂缝发育的重要因素。研究区目的层经历的主要成岩作用包括表生风化作用、溶蚀作用、变质作用、充填作用以及交代蚀变作用。表生风化作用是指古潜山储层大部分曾长期暴露在陆表，经受了巨大的外营力地质改造，形成了区域性的古风化壳。在这种古风化壳中风化裂缝和孔洞极其发育，是古潜山中良好的油气储层。古潜山储层成岩后的溶蚀作用主要包括地表淋滤、埋藏溶解和蚀变作用。活泼的水化学条件不但使岩石中的可溶性矿物溶解，而且也使不溶性矿物蚀变后发生溶解。矿物溶解、蚀变可以形成典型的溶解裂缝，对古潜山储层储集空间的改善具有积极的意义。此外，薄片鉴定中发现研究区溶解裂缝均具有二世代特征，如沿着早期构造裂缝形成的溶蚀孔隙或溶解裂缝。变质作用对天然裂缝的形成具有明显的促进作用，如区域混合化作用形成的变质岩更易于在后期构造运动中发育构造裂缝，动力变质作用有利于形成矿物破碎缝。充填作用是指古潜山储层中早期形成的裂缝在后期成岩演化过程中被不同程度的胶结充填，对于基岩储层天然裂缝的保存具有很强的破坏性作用。交代蚀变作用是指矿物受到热液作用等使原岩的结构、构造以及成分相应地发生改变生成新的矿物组合的过程。古潜山储层暗色矿物等在成岩过程中的交代蚀变会堵塞先期形成的裂缝。

不同类型的成岩作用对辽河盆地西部凹陷古潜山储层天然裂缝的影响作用差别较大，按照对天然裂缝形成的贡献可以将古潜山储层的成岩作用分为建设性作用和破坏性作用两种。其中，表生风化作用和溶蚀作用为建设性成岩作用，如表生风化剥蚀期及第二风化剥蚀期的风化作用在风化壳生成大量的风化裂缝，溶蚀作用有利于形成溶解裂缝，对裂缝的溶蚀更增加了其连通和渗透能力。其次是变质作用，虽然不利于原生孔隙的保存，但对于次生天然裂缝的形成也是有利的，因此变质作用也是建设性成岩作用。而充填作用和交代蚀变作用会使得早期形成的天然裂缝被充填或堵塞，使天然裂缝损失或有效性变差，属于破坏性成岩作用(表1)。

表1 辽河盆地西部凹陷古潜山储层成岩作用及其对天然裂缝的影响Table 1 The diagenesis and its effect on natural fractures in the paleo-buried-hill reservoirs in the Western Sag of Liaohe Basin

4 结论

1) 天然裂缝在辽河盆地西部凹陷古潜山储层广泛发育，按照天然裂缝的地质成因可以将其划分为构造裂缝、风化裂缝和溶蚀裂缝，其中构造裂缝是古潜山储层天然裂缝的主要类型。构造裂缝优势方位为NNE-SSW向，以高角度缝和斜交缝为主，裂缝规模和密度变化较大，裂缝多为没有被矿物充填的有效裂缝。

2) 铸体薄片和扫描电镜等资料表明辽河盆地西部凹陷古潜山储层中发育有矿物晶间缝、解理缝、裂纹缝和破碎缝。其中矿物晶间缝开度最小，矿物解理缝与矿物裂纹缝开度次之，矿物破碎缝开度较大，分布在20～40 μm。矿物解理缝和矿物裂纹缝受颗粒限制，规模较小，而矿物破碎缝规模相对较大。

3) 古潜山储层天然裂缝发育的非均质性主要受构造运动、岩性和成岩作用的控制。加里东运动、印支运动和燕山运动是天然裂缝形成的主要时期；古潜山储层变质岩中的花岗岩类、碳酸盐岩中的白云岩以及火山岩中的中-酸性岩石为天然裂缝发育的优势岩性，是古潜山的主要储集层；成岩作用中表生风化作用、溶蚀作用以及变质作用是天然裂缝发育的建设性作用，而充填作用和交代蚀变作用属于破坏性作用。