伊拉克A油田Asmari组碳酸盐岩储层天然裂缝发育特征与主控因素

董少群，孙福文，何娟，孙福亭，曾联波，杜相仪

(1.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249；3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；4.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028)

引 言

碳酸盐岩油气藏在全球分布广泛，储量巨大[1]。裂缝是碳酸盐储层中油气的有效储集空间和主要渗流通道，其发育规律和主控因素的研究对油气勘探开发具有重要意义[2-5]。伊拉克A油田发现至今已有40余年[6]，重点开发了古近系渐新统—新近系中新统的Asmari组碳酸盐岩储层[7]，油田探明含油面积为 74.11 km2，探明原油地质储量为24 016.23×104m3，具有良好的勘探开发前景。储层中的原生孔隙在早期被严重破坏[6]，天然裂缝和次生孔隙由于后期的构造作用和成岩作用影响而较为发育。厘清研究区天然裂缝的成因类型、分布特征、形成期次及其控制因素，对于A油田的碳酸盐岩油气藏勘探开发具有重要的现实意义。

前人已对A油田及附近区块进行了系列研究，如地层分布特征、沉积特征、储层质量、断层形成时期、褶皱及断层演化过程等[7-8]，也有针对裂缝走向、密度、开度等成果[9-11]。目前针对研究区裂缝的研究主要关注构造演化对裂缝的影响，而缺乏裂缝类型系统分类的研究，不同类型裂缝的成因机制、主控因素及分布规律尚不明确，限制着研究区的油气勘探开发和稳产增产。因此，针对上述问题，本文将综合岩心、铸体薄片、常规测井、成像测井、三维地震等资料，分析研究区裂缝的成因类型、不同类型裂缝的分布特征及裂缝发育的主控因素，厘清裂缝在研究区碳酸盐岩储层中的发育规律。

1 地质概况

位于伊拉克东南部的A油田毗邻伊朗[12]，是米桑油田群中三大油田之一，位于该油田群的北部，距巴格达约350 km、距巴士拉175 km[13]。A油田在构造位置上位于波斯湾盆地北部的美索不达米亚盆地与扎格罗斯山前坳陷带的过渡区[7](图1)，主要因非洲-阿拉伯板块与欧亚板块碰撞的扎格罗斯造山运动形成。该地区现今表现为NW-NE向的不对称狭长背斜，西部发育多条走向NW-NE的走滑断层，中部发育NNW-SSE向的正断层，[7-8,14]。

图1 研究区及伊拉克地区构造单元(据孙福亭等，2020，有改动)Fig.1 Location of the study area and the tectonic units of Iraq

渐新统—中新统的Asmari组沉积于陆相到海相过渡时期，属于大型混积型碳酸盐岩储层，岩性主要以灰岩、白云岩为主，同时也有泥岩、砂岩和硬石膏等，储层结构复杂、非均质性强[15-17]。地层厚度在200～600 m，埋深在2 800～3 200 m。Asmari组与上覆Lower Fars组呈不整合接触，Lower Fars组为蒸发台地盐湖沉积的致密膏岩层，为Asmari组的盖层。Asmari组的主力产层为A段和B段。A段沉积于中新世，B段沉积于渐新世。A段发育海相碳酸盐岩台地白云岩沉积[6,18]，受构造运动及水体动荡影响，A段顶部白云岩沉积偶见石膏团块[19]。B段发育白云岩、灰岩和砂岩混合沉积，以海相碳酸盐岩台地灰岩为主，孔隙度高于A段的白云岩[20]。其中，A、B两段为主力产层。A段平均孔隙度为8.7%，平均渗透率为10.6×10-3μm2，属于低孔、中低渗储层，裂缝最为发育；B段平均孔隙度为16.8%，平均渗透率为268.5×10-3μm2，属于中孔、中高渗储层，裂缝发育次之[21]。

2 裂缝成因类型及特征

该地区裂缝按照地质成因可分为构造裂缝和非构造裂缝两大类型。本节将通过岩心、薄片、成像测井等资料对不同类型裂缝的特征进行分析研究。

2.1 构造裂缝及其形成期次

(1)裂缝特征

构造裂缝是由于挤压作用下的岩层断裂和地层褶皱而形成，分为剪切裂缝和张裂缝[22]。

岩心描述显示剪切裂缝以高角度为主，也可见部分低角度剪切裂缝。如图2(a)所示，该类裂缝面平直，可见擦痕，延伸距离远，常呈组系出现，多数未被充填，部分裂缝面可见有机质。薄片观察显示，剪切裂缝的开度范围为5～50 μm，平均开度为38.9 μm，裂缝面平直，方向明显，延伸较长，部分裂缝贯穿薄片(图2(c))，不同裂缝之间可见切割、限制关系。早期形成的裂缝常被硬石膏、石膏、方解石或白云石等充填，晚期形成的裂缝多未被充填，可见切割生物碎屑现象。

岩心描述显示，张裂缝的裂缝面多弯曲不平，延伸距离较短，常被硬石膏、方解石、白云石等矿物胶结充填(图2(b))。薄片观察显示，张裂缝开度在30～100 μm，开度变化大，延伸长度从数百微米到数毫米不等，裂缝面不平直，部分被充填(图2(d))。

图2 构造裂缝类型及特征Fig.2 Types and characteristics of structural fractures

(2)形成期次

剪切裂缝是研究区最为发育的裂缝类型，组系特征明显。岩心、薄片上可见不同走向的剪切裂缝，且裂缝间存在切割、限制关系(图2(c))，不同组系剪切裂缝充填程度不同，形成于不同时期。成像测井解释的裂缝走向统计结果如图3所示，走向多为NNE-SSW和NNW-SSE向，也可以见部分NWW-SEE、NEE-SWW走向裂缝。

图3 剪切裂缝走向玫瑰花图Fig.3 Strike rose diagram of shearing fractures

综合地质背景、构造及应力场演化、岩心、薄片和成像测井分析，认为研究区剪切裂缝是在晚白垩世—渐新世、中新世、上新世—更新世这3期构造应力场作用下形成的，且以中新世的强烈挤压变形阶段为主。选取研究区NE-SW向的一个剖面建立平衡剖面(图4(d))，对研究区构造及应力场演化进行分析。在晚白垩世—渐新世，研究区处于弱挤压阶段(图4(c))，构造变形较小，在NE-SW向的弱构造挤压背景下裂缝发育较少；进入中新世后，研究区处于强烈挤压变形阶段(图4(b))，受近南北剧烈挤压作用，发育以大量NNE-SSW和NNW-SSE走向为主的剪切裂缝(图3)，该时期形成的裂缝少部分被充填；上新世—更新世研究区处于衰减挤压阶段(图4(a))，主要受NE-SW向挤压作用，发育以NWW-SEE、NEE-SWW走向为主的构造裂缝(图3)，该期裂缝形成较晚，较少被充填，部分裂缝被早期形成的裂缝限制。不同期次裂缝发育程度存在一定差异，中新世构造变形强度最大，其形成的裂缝发育程度也最高，上新世—更新世的构造变形减弱，其形成的裂缝发育程度低于中新世形成的构造裂缝。

图4 构造及应力场演化Fig.4 Evolution of structure and stress field

2.2 非构造裂缝

非构造裂缝主要有缝合线、层理缝、溶蚀裂缝和收缩裂缝。

缝合线是在压实作用下岩石由于应力集中被压溶而形成的。缝合线在岩心上呈锯齿状近水平发育，多数被有机质充填(图5(a))，在镜下可以观察到其延伸较长(图5(c))。

层理缝是在沉积和成岩过程中形成的。在岩心上可以观察到，层理缝沿微层理面发育，开度小，部分被方解石、白云石充填(图5(b))。

溶蚀裂缝是在早期孔隙、裂缝的基础上发生地层水溶蚀而形成的。研究区部分岩心可见强烈的溶蚀现象，发育溶蚀裂缝，其形状不规则，常将各类孔、缝连接在一起。薄片上可以观察到，溶蚀裂缝开度较大，有的可以超过100 μm，规模不一，裂缝面粗糙(图5(d))。

收缩裂缝是在成岩过程中，由于脱水收缩产生的张应力形成的。岩心上的收缩裂缝多数规模较小，延伸较短；薄片上该类裂缝开度在5～30 μm(图5(e))，多数被石膏或硬石膏充填。

3 裂缝发育主控因素

研究区储层裂缝发育程度受沉积作用、成岩作用、构造作用的综合影响。本节将从岩性、层厚、压实、压溶作用、胶结作用、断层、地层变形程度等综合分析裂缝发育的主控因素。

3.1 岩性及层厚对裂缝影响

沉积作用是该区储层裂缝发育的基础，通过岩性和储层厚度等影响裂缝的发育程度[23-26]。

(1)岩性与裂缝的关系

岩性是影响A油田Asmari组储层构造裂缝垂向发育程度的主要因素，不同岩性的储层在相同构造应力作用下裂缝的发育程度存在差异。白云岩、灰岩中构造裂缝的发育程度明显高于泥岩、砂岩和膏岩(图6)，白云岩裂缝发育段地层占白云岩层厚度的比例约为53%，灰岩裂缝发育段地层占灰岩层厚度的比例约为43%，而在砂岩、泥岩、膏岩中，该比例均小于15%，明显低于白云岩和灰岩。

图6 构造裂缝发育程度与岩性的关系Fig.6 Relationship between the development degree of structural fractures and lithology

构造裂缝发育程度与岩石脆性呈正相关关系。A段储层岩性以白云岩为主，孔隙度、渗透率低，岩石脆性高，构造裂缝最为发育。B段岩性以灰岩为主，生物孔、溶孔、晶间孔较发育，孔隙度、砂泥岩含量较高，B段塑性比A段强[27]，构造裂缝发育程度低于A段。岩心资料统计结果显示， A段裂缝密度大于2条/m，B段裂缝密度约0.5条/m(图7)。

图7 A-1井裂缝密度Fig.7 Fracture density of well A-1

(2)层厚与裂缝的关系

裂缝平均间距与岩层厚度大致呈递增关系。研究区裂缝发育程度随着岩层厚度的增加呈指数下降(图8)。这是由于相同构造应力条件下，相近岩性组成的薄储层比厚储层抗剪切和抗拉张的能力低，因此，薄岩层更容易破裂，裂缝密度更高，即岩层越薄，裂缝间距越小。

图8 构造裂缝发育程度与岩层厚度的关系Fig.8 Relationship between the development degree of structural fractures and layer thickness

3.2 成岩作用对裂缝的影响

成岩过程中储层受压实、压溶作用的影响会形成部分裂缝，同时裂缝的发育也会受胶结作用、溶蚀作用等的影响。成岩作用对裂缝的影响主要包括两方面，一是控制非构造裂缝的形成，二是通过改变储层岩石力学性质影响构造裂缝的发育。

(1)压实、压溶作用与裂缝的关系

缝合线在研究区碳酸盐岩储层中广泛发育，主要受压实、压溶作用的影响，在上覆地层压力的作用下，碳酸盐岩中接触的沉积物颗粒之间会发生选择性溶解而形成缝合线。此外，压实作用使岩石颗粒和孔隙体积减小而变得致密，增大岩石强度，在经过弹性变形后较小的应变即可使岩石表现出脆性破裂变形而形成裂缝[28-29]。

(2)胶结作用与裂缝的关系

从研究区岩心、薄片中可以观察到裂缝中充填的胶结物多为方解石、 石膏和硬石膏。 胶结作用会使早期形成的部分裂缝被胶结物充填，从而降低裂缝的渗流能力。同时胶结作用也会减小岩石孔隙体积，增大岩石脆性，使岩石更容易发生破裂。

(3)收缩作用与裂缝的关系

碳酸盐岩储层在收缩作用下，会形成张性微裂缝，可在铸体薄片中被观察到，通常发育在易发生收缩的石膏团块附近。

(4)溶蚀作用与裂缝的关系

目的层Asmari组A段顶部、B段中部溶蚀作用较为强烈，溶蚀裂缝发育。其中溶蚀作用强烈的区域，孔隙度有所增加，导致构造裂缝发育程度显著降低[30-31]。

3.3 构造作用对裂缝的影响

构造作用导致的地层变形及产生的断层严重影响着构造裂缝的发育程度。A油田Asmari组岩性在平面上变化小，但构造裂缝在不同区域发育程度差异大，主要受构造作用控制。研究区受北东—南西向挤压作用，整体表现为北西—南东向背斜构造，存在南北两个构造高点，同时形成大量北北西—南南东走向的断层。

(1)断层与裂缝的关系

断层对构造裂缝具有控制作用，且断层走向与裂缝走向具有良好的相关性。构造裂缝走向与附近断层走向多为一致、小角度相交或近垂直。 构造裂缝发育程度受断层影响，在断层附近存在应力集中现象，应力集中会影响裂缝的发育情况[32-33]。不同规模的断层对裂缝的影响程度有所差异。图9中a、b、c这3条断层规模不同，断层a的延伸长度为6 595 m，切割深度2 001 m；断层b的延伸长度为6 844 m，切割深度1 650 m；断层c的延伸长度为3 341 m，切割深度434 m。基于地震融合属性的裂缝发育指数[33]显示，断层a、b、c相关裂缝发育带的宽度分别约为330 m、280 m、175 m。断层相关裂缝的发育程度与断层规模呈正相关关系，断层规模越大，裂缝发育带宽度也越大。

图9 断层与裂缝的关系Fig.9 Relationship between faults and fractures

(2)地层变形程度与裂缝的关系

储层中构造裂缝发育的程度与地层变形程度关系密切，通常地层变形程度较大部位的构造裂缝密度较大，反之亦然。在研究区的构造裂缝在平面上主要受构造因素控制，背斜长轴的构造高点处地层变形程度高，构造裂缝也更为发育，而在远离背斜核部的区域构造裂缝发育程度较低。

4 讨 论

综上得出A油田Asmari组储层裂缝发育受沉积作用、成岩作用、构造作用共同影响。研究区目的层裂缝分布广泛，在垂向上各层位皆有发育，发育程度由A段至B段逐渐降低。构造裂缝受构造作用影响最大，沉积作用次之。地层构造变形越大，距离断层越近，裂缝发育程度越高，例如在背斜核部附近且靠近断层的地区，裂缝发育程度高，一般往往远大于远离断层且构造变形弱的地区。岩性和沉积环境直接决定岩层的力学性质，相同构造应力条件下，其破裂程度会表现出差异，如A段白云岩脆性最高，裂缝发育程度高，薄层更易发生破裂。非构造裂缝主要受沉积作用和成岩作用影响，沉积作用是基础，成岩作用在沉积作用的基础上影响非构造裂缝。A段岩性以白云岩为主，B段以灰岩为主，受矿物脆性的影响，A段裂缝发育程度高于B段。A段顶部沉积作用使得白云岩中夹杂膏岩团块，这是成岩过程中形成收缩裂缝的基础。B段的岩性及高孔渗性使其在晚期的成岩过程中更容易被溶蚀，形成溶蚀裂缝。岩性变化及层理发育情况影响后期成岩作用下层理缝和缝合线的发育程度。对研究区裂缝发育特征与主控因素的研究也可为后期的多尺度裂缝建模提供依据[34-35]。

天然裂缝是岩石中液体渗流的重要通道，裂缝发育程度与采油指数呈较好的正相关关系。开展储层裂缝的发育特征与主控因素研究不仅可以指导新井井位优化和生产开发，还可以指导老井的生产制度优化，充分释放油田产能，延长油田的高产、稳产时间，对研究区碳酸盐岩油藏高效开发至关重要。

5 结 论

(1)研究区Asmari组天然裂缝按地质成因可以分为剪切裂缝、张裂缝、缝合线、层理缝、溶蚀裂缝和收缩裂缝，其中以高角度剪切裂缝为主。

(2)剪切裂缝主要为NNE-SSW、NNW-SSE向，也可见部分NWW-SEE、NEE-SWW向剪切裂缝，形成于晚白垩世—渐新世、中新世、上新世—更新世这3期构造应力时期。

(3)岩性是研究区天然裂缝发育的基础，层厚控制裂缝发育的饱和程度，断层控制相关裂缝的分布。

(4)平面上，构造部位是控制裂缝发育程度差异的关键因素。纵向上，裂缝发育程度差异主要受岩性和层厚的控制。

致谢：文章内容的撰写及修改过程中得到张希晨、鲍明阳、徐辉、韩高松、杨卫东、汪洪强的帮助，在此深表谢意！