川中地区震旦系灯影组四段裂缝特征及发育机理

何 顺，秦启荣，王家树，李 飞，段 玮

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.四川省页岩气资源与环境协同创新中心，四川 成都 610500；3.中国石油西南油气田分公司，四川 遂宁 629000)

0 引 言

随着全球油气需求量增加及中浅层油气藏发现难度的日益加大，油气勘探工作开始聚焦于深层—超深层油气藏，目前已发现多个油气储量巨大的深层油气藏[1]。而碳酸盐岩是深层油气藏勘探的重点岩性之一，前人研究认为：后期溶蚀孔隙及裂缝是深层—超深层碳酸盐岩储层的主要储集空间，天然裂缝不仅为重要的储集空间，同时可为流体的渗流提供必要的通道，并可以促进岩溶作用的发生，亦可以连接孤立的孔、洞，但由于埋藏深度大，地质特征复杂，对于储层裂缝的识别和分布预测的难度也较大。灯影组四段是四川盆地深层天然气勘探的重点层位，前期勘探证实了灯影组四段碳酸盐岩储层具有较大的勘探潜力[2-4]，但在随后的研究过程中发现优质储层分布具有较强的非均质性，单井产能较高的井储层裂缝较为发育，表明裂缝对储层的发育及分布具有一定控制作用。因此，对储层裂缝发育特征及形成机理的研究具有必要性及经济价值。此次研究以岩心、成像测井、地震资料为基础，结合包裹体均一温度测试及岩石力学实验，探讨裂缝发育特征及成因机理，以期为研究区震旦系的勘探开发提供一定的地质依据。

1 区域地质概况

四川盆地是中国重要的天然气产区之一，是一个发育于扬子克拉通之上的含油气叠合盆地。盆地可分为川西低陡褶皱带、川西南低陡构造带、川北低陡构造带、川中平缓构造带、川东高陡断褶带和川南低陡褶皱带等6个构造带。磨溪地区位于川中古隆起中斜平缓带的中部区域，为乐山-龙女寺古隆起东翼中部的一个潜高(图1)。自古生代以来，川中地区共经历桐湾运动、加里东运动、印支运动、燕山运动和喜山运动等5次大规模的构造运动[5]，磨溪地区古生界地层发育相对完整。灯四段地层与下伏灯影组三段蓝灰色泥岩呈整合接触，与上覆筇竹寺组炭质页岩呈平行不整合接触。震旦系地层沉积环境以局限台地相为主，灯四段地层以藻云岩、砂屑云岩及溶孔云岩发育为主[6]，局部地区见溶岩角砾，藻云岩中发育葡萄花边结构。

图1 川中磨溪地区地理位置简图(据文献[2]修改)

2 实验样品与方法

2.1 地质及地球物理手段分析

裂缝发育特征的研究主要依赖于地质及地球物理手段，通过岩心观察，对裂缝的发育类型、开度、延伸长度、充填物特征及裂缝交切关系进行研究。天然裂缝在成像测井图上表现为明暗程度不同的正弦曲线，根据曲线形态特征的差异，对裂缝走向、倾向及倾角等产状信息进行观察统计。通过对地震资料的处理，制作灯四段顶面构造图，分析灯四段顶面断裂及裂缝平面展布特征。

2.2 实验测试手段

将取自研究区岩心裂缝充填物制作成岩石薄片，在室温条件下将薄片置于THMSG600地质冷热台，以2 ℃/min的加温速度进行加热升温，观察气液形态变化，直至气液包裹体均一化，并记录均一化温度。统计全部流体包裹体均一温度，利用包裹体特征及均一温度区间划分流体冲注期次。

对岩心样品从0、45、90 °等3个方向取样，将岩心样品制作成50 mm×25 mm的圆柱形样品，利用RTR-1000型高温高压三轴岩石力学实验系统测定页岩力学参数。利用实验过程中岩样破裂产生的Kaser效应点及其对应的振铃计数与能量之间的相对关系确定岩样所经历的微破裂阶段。

3 岩心观察及实验结果分析

3.1 裂缝发育特征

3.1.1 裂缝发育类型

岩心观察结果显示，灯四段主要发育构造缝、溶蚀缝及压溶缝，其中，构造缝最为发育。根据动力机制的差异，构造缝又可分为张性缝和剪切缝，张性缝较为发育，具有缝体宽度差异大、缝面弯曲、形状不规则，充填程度高的特点，在裂缝延伸的尾端常具有分叉现象；剪切缝宽度小、缝面平直、产状稳定，常见剪切缝与其他类型的裂缝交织形成密集的网状缝。此外，岩心中多见受后期溶蚀作用形成的溶蚀扩大缝，缝壁粗糙不平整，裂缝形状不规则，部分裂缝可见多期溶蚀现象，同时可见呈锯齿状分布的压溶缝。

3.1.2 裂缝发育特征

根据不同的分类标准对岩心观察的多条裂缝进行统计发现：裂缝线密度最大为6.80条/m，最小为0.28条/m，宽度为1～3 mm的裂缝为104条，宽度为3～5 mm的裂缝为32条，宽度大于5 mm的裂缝为12条；岩心裂缝充填程度高，其中，全充填裂缝占裂缝总数的53.0%，半充填裂缝占32.0%，未充填裂缝占15.0%；裂缝充填物主要为白云石、沥青、泥质及少量方解石，部分张性缝可见多期矿物充填的特点，最常见的为早期裂缝被白云石充填后又被沥青二次充填。

成像测井裂缝信息提取及统计分析结果显示(图2)：灯四段储层裂缝包括NW、NE、近WE向和NS向等4个方位，其中，NW向和NE向最为发育，近WE向和NS向发育相对较少；裂缝以高角度缝和直立缝为主，分别占55.2%和16.3%，低角度和水平缝发育相对较少，分别占24.8%和3.7%；沿裂缝延伸方向发育呈“串珠状”分布的溶蚀孔洞。

3.2 实验测试结果

3.2.1 包裹体均一温度测试结果

灯四段不同深度的124个裂缝充填物包裹体观察及均一温度测试结果显示(表1)：包裹体类型主要为原生气液包裹体，气液比为5%～15%，多以成群及成带分布，包裹体颜色为无色，宿主矿物主要为脉状白云石；包裹体形状包括方形、长条形和圆形等，直径为2～8 μm；包裹体均一温度范围较大，主要分布在116.6～146.3 ℃、147.0～176.0 ℃和177.0～208.2 ℃ 3个温度区间。

3.2.2 岩石声发射实验测试结果

在声发射实验过程中，振铃和能量参数由计算机直接记录，通过对岩石声发射实验数据的整理、统计及筛选，得到振铃计数以及声发射能量累计百分比随时间的变化曲线(图3)，随着加载荷载的逐渐增大，在79.828 s处振铃计数出现第1次明显的陡增事件，随后出现4次大的陡增，共出现5个大的振铃计数高点，对比能量累计百分比曲线上出现的5个较为明显的拐点，二者出现时间相吻合，即在时间-能量累计百分比曲线上出现5个明显的Kaser效应点，在不考虑岩样初始微裂缝闭合及现今构造运动产生的效应点外，另存在3个有效的Kaser效应点，表明地质历史时期灯四段地层受3期不同构造应力的影响产生3次明显的破裂过程。

图2 磨溪地区灯四段单井裂缝响应特征

表1 磨溪地区灯四段流体包裹体均一温度Table 1 Uniform temperature of inclusions in the Dengying-4 Member of Moxi

图3 样品声发射关系曲线

4 讨 论

4.1 裂缝形成期次探讨

4.1.1 地质及地球物理方法

岩心及成像测井是记录裂缝发育特征最直观的证据，通过岩心裂缝交切关系判断裂缝较为直观，但对于规模较小，交切关系不明显的微裂缝会给裂缝形成期次的判断带来干扰。因此，对裂缝发育期次的研究须结合成像测井及岩心观测综合判断来实现。

岩心观察可见大量裂缝交切组合，受裂缝规模、岩心规格及溶蚀作用的影响，断面常见2期及3期裂缝交切情况。裂缝多为后期矿物所充填，根据充填物的不同，可分为油气充填前裂缝及油气运聚期裂缝，油气运移聚集前形成的裂缝被白云石大量充填，裂缝充填情况的差异显示研究区岩心裂缝形成至少经历3期不同的构造时期。结合成像测井裂缝产状识别，研究区灯四段发育4个优势方位，包括NW向(310 °±5 °)、NE向(45 °±5 °)、近WE向(275 °±5 °)和近NS向(350 °±5 °)，其中，NW向(310 °±5 °)和NE向(45 °±5 °)最为发育。

研究区灯四段裂缝是在多期构造应力场叠加改造下形成的，地层条件下断裂的展布特征具有继承性，地震资料是研究地层条件下断裂展布特征最重要的手段，分析灯四段断裂分布特征对研究断裂形成期次具有重要意义。地震资料结果显示：灯四段顶面以NW向断裂展布为主，NE向和近WE向次之，NW向断层发育规模大，切穿层位多，延伸较长；NE向断层规模则相对较小，延伸长度短，断层向上多消失于寒武系筇竹寺组页岩及膏盐层，地震剖面上断层表现为高角度正断层，断层倾角多在45 °以上；近WE向断层为早期继承性断层，形成时间最早，NW向断层形成时间早于NE向断层。

4.1.2 包裹体均一温度及岩石声发射实验

通过对取自研究区不同井同一层位的裂缝充填物流体包裹体形态特征及均一温度分布刻画，对灯四段裂缝的形成期次进行分析。灯四段包裹体均一温度分布曲线显示，研究区灯四段裂缝充填物中至少存在3期不同的流体冲注过程，结合研究区地层埋藏史，研究区灯四段共经历4期不同程度的构造抬升：第1期为灯四段地层沉积后的第1次构造运动——桐湾运动，第2期对应加里东构造运动，第3期为印支运动期，地层埋藏深，抬升幅度小，第4期对应喜山运动地层的大幅度抬升。

岩石声发射实验分析表明，川中磨溪地区灯四段样品存在3个有效Kaiser效应点(图3)，反映出研究区灯四段储层共记录3次岩石微型破裂过程，分析前期已有研究成果及研究区埋藏史认为，岩石声发射实验过程中的3个Kaiser效应点由早到晚分别对应桐湾运动、加里东运动和喜山运动等3个构造期应力。在利用不同手段对裂缝发育期次分析后，综合地质及实验手段分析结果，可将川中磨溪地区灯四段裂缝形成期划分为3个阶段：分别为桐湾运动期张性缝、加里东运动期张性缝和喜山运动时期微剪切缝。

4.2 断裂形成演化模式

磨溪地区灯四段裂缝是在继承早期裂缝下，经过多期构造运动叠加改造及溶蚀作用的结果，受地层埋深和构造强度的影响，不同阶段的构造运动对储层裂缝发育的影响各不相同。结合区域构造演化史、岩石力学实验结果及地球物理解释成果分析裂缝的形成时期及演化阶段，最终确定该地区裂缝形成及演化过程(表2)。

表2 磨溪地区灯四段断裂演化模式

灯二段地层沉积后，地层埋藏较浅。在桐湾运动Ⅰ幕影响下，磨溪地区发育NS向及近WE向大型正断层，同时地层整体大幅度抬升，使得灯二段地层暴露于地表，造成沉积间断，形成灯二段碳酸盐岩与灯三段蓝色泥岩之间的平行不整合面。断裂主要表现为大型张性断裂，并一直处于活跃状态，为研究区重要的大型继承性断层，直至灯四段地层沉积，受早期继承性大断裂的影响，灯四段地层中沿断层一定范围内，发育一定量张性裂缝。

桐湾运动Ⅱ幕时期，受印度板块向北俯冲和欧亚板块向东碰撞的影响，青藏板块向东逆覆在扬子地台板块之上，扬子板块整体处于抬升状态[7-10]。磨溪地区主体为拉张作用背景，受基底断裂的控制，发育NS向的裂陷槽，研究区发育继承性断裂。桐湾Ⅱ幕时期，构造运动强烈[11-12]，在持续应力作用下，灯四段地层整体抬升遭受剥蚀，并形成以NW向展布为主的断裂系统，少量近SN向断裂发育，磨溪地区储层主要以NW向裂缝发育为主(图4)，灯四段大面积暴露于地表，遭受风化剥蚀及地表水下渗淋滤作用的影响，储层发育溶蚀作用。

志留纪加里东—海西构造运动时期，印度板块和欧亚板块再次分别向北和向东作大规模的俯冲和漂移，在龙门山大断裂薄弱地带，青藏板块断覆于扬子地台板块之上[13]，扬子板块与华夏板块相互碰撞，乐山-龙女寺古隆起开始形成，磨溪地区位于古隆起的东翼相对高部位区域，该时期，背斜核部隆升，而两翼地层相对下降，发育压应力作用下的张性断层，在该期构造运动的影响下，灯四段地层形成多条北东向断裂。

海西运动中晚期—印支运动时期，四川盆地周缘构造活动明显强烈，构造格局发生转变[14-15]，盆地周边的康滇-龙门山-大巴山以及江南隆起带上活动颇为强烈，且剥蚀程度很大，盆地松潘-甘孜地区整体抬升，盆地内部此幕运动表现在华莹山、七暇山断裂之间的川南、川东地区为明显的抬升，形成以沪州-开江为代表的印支期剥蚀古隆起带，印支运动持续时间较短，而对于盆地中部的川中地区而言，地层以垂直抬升为主，同时灯影组地层埋藏较深，构造运动对灯四段储层的影响微弱，灯四段地层中未产生断裂。

燕山—喜山运动作用时期，受盆地周缘山系褶皱、冲断作用影响，四川盆地构造变形强烈[16]，华蓥山断裂以东形成川东高陡构造，龙门山及米仓山-大巴山山前带形成褶皱冲断带，对川东南地区构造影响明显，而对于川中稳定陆块的构造变形较弱，但受到深层断裂“复活”影响，形成高角度压扭断层，灯四段地层由于埋藏深度较大，最深为6 000 m，且受上覆多套膏盐滑脱层影响，未具有明显位移的断裂，但在岩心上可见大量微细剪切缝发育。

5 结 论

(1) 磨溪地区灯四段发育大量张性缝、少量剪切缝及压溶缝，具有充填程度高、宽度小、延伸短及高充填的特点，裂缝发育方位包括NW、NE、近WE向及近NS向等4个优势方位，张性缝主要为白云石、泥质及沥青高程度充填，微细剪切缝多为未充填状态。

(2) 磨溪地区灯四段裂缝形成期次为3期：第1期张性缝形成于桐湾运动时期(522.0～508.0 Ma)，包裹体均一温度为116.6～146.3 ℃；第2期张性缝形成于加里东构造运动时期(425.0～420.0 Ma)，包裹体均一温度为138.0～176.0 ℃；第3期剪切缝形成于燕山中晚期—喜山期(75.2～75.0 Ma)，包裹体均一温度为177.0～208.0 ℃。

(3) 桐湾Ⅱ幕运动时期，受印度板块向北俯冲和欧亚板块向东碰撞作用的影响，扬子板块整体处于抬升状态，同时受早期陡坎的影响，灯四段发育大量以NW向为主的正断层；加里东运动时期，受扬子板块与华夏板块碰撞的影响，乐山-龙女寺古隆起开始形成发展，研究区主要形成NE向断裂；喜山运动时期，在盆地周缘山系褶皱、冲断作用影响下，盆地褶皱作用明显，断层发育，川中地区整体抬升，灯四段储层埋藏较深，发育大量微剪切缝。