松南营城组火山岩储层天然裂缝特征及形成机理*

赵向原 王 丹 游瑜春 郭艳东任宪军 韩娇艳 尚墨翰

（1.中国石化石油勘探开发研究院 北京 100083；2.中国石化东北油气分公司 长春 130062）

火山岩气藏作为一种特殊的气藏类型，广泛分布于我国多个含油气盆地中，其中在松辽盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地、四川盆地等均发现了储量规模较为可观的火山岩天然气资源（邓玉胜等，2003；朱毅秀等，2005；吴群等，2009；何登发等，2010；巩磊等，2017；马新华等，2019）。火山岩气藏与常规沉积岩气藏相比在储层特征方面存在较大差异，火山岩储层成因机制特殊，其形成主要受火山喷发作用控制，具有非层状叠置、多期多级次的储层建筑结构特征，储层储集空间类型多样，同时发育多种类型孔、缝、洞及喉道，储层空间变化快、连续性差、非均质性强（操应长等，1999；曹宝军等，2007；邹才能等，2008；邵红梅等，2013；周翔等，2018；毕晓明，2019；高帅等，2020）。此外，火山岩储层中普遍发育多类多尺度天然裂缝，是进一步加剧储层非均质性的主要地质因素之一，裂缝对火山岩储层性质、储渗流机理、气藏生产动态、气藏水侵等均具有重要影响（汪洋等，2003；杨双玲，2006；袁士义等，2007；张量等，2012；宋文礼等，2018）。因此，研究火山岩储层天然裂缝发育特征及主控因素，对进一步开展裂缝空间分布预测、认识气藏储量动用状况、制定气藏开发及调整政策等方面均具有重要意义。本文以松辽盆地南部营城组火山岩储层为例，综合利用地质及地球物理等资料，对储层天然裂缝的发育特征、主控因素及形成机理进行研究。

1 地质概况

松辽盆地横跨我国黑、吉、辽三省（图1），是典型的陆相沉积盆地（胡望水等，2005；贾承造等，2007）。盆地可划分为7 个一级构造单元，分别为西部斜坡区、北部倾没区、东北隆起区、东南隆起区、中央坳陷区、西南隆起区和开鲁坳陷区（图1）（胡望水等，2005）。中生代以来，松辽盆地发育了多套地层，其中晚侏罗世—早白垩世盆地张裂—断陷期存在较强的岩浆活动，盆地中相继发育了火成岩相、火山碎屑岩相以及以河流相、沼泽相为主的地层，自下而上包括火石岭组、沙河子组、营城组和登楼库组（胡望水等，2005；焦桂浩等，2009）。营城组火山岩地层从下至上分为营一段、营二段、营三段（俞凯等，2015），发育多期次喷发的多个火山机构，该套地层下部主要为灰白色、浅灰色、灰色、紫灰色、深灰色凝灰岩、流纹岩互层，上部以紫灰色、浅灰色、灰色熔结凝灰岩、熔结角砾凝灰岩为主夹薄层紫灰色流纹岩，局部可见砂砾岩、细砂岩夹薄层泥岩等碎屑岩沉积。通过岩心描述及薄片分析并标定测井地震响应特征，识别出营城组发育爆发相、喷溢相、火山通道相以及火山沉积相等岩相类型。营城组储层不同岩性的物性特征差异性较大，其中火山碎屑岩类孔隙度主要分布在3.1%～8.2%之间，渗透率一般小于0.16 mD，火山熔岩类孔渗分布不均匀，孔隙度在1.2%～29.3%之间，渗透率分布在0.01～81.92 mD 之间。储集空间类型主要为原生气孔及溶孔，包括自生石英、长石边缘溶蚀孔、基质选择性溶蚀孔及各类天然裂缝等。

图1 松辽盆地构造单元分布及研究区位置图Fig.1 Distribution graph of tectonic unit of Songliao Basin and the location of study area

2 天然裂缝发育特征

2.1 裂缝成因类型及识别特征

根据12 口井岩心及薄片描述、3 口成像测井裂缝解释结果可知，按照裂缝的成因分类，松南地区营城组储层发育原生裂缝和次生裂缝两大类型，其中原生裂缝为火山喷发岩浆冷凝成岩过程中所形成各类裂缝，主要包括冷凝收缩缝（如基质收缩缝、珍珠状节理、柱状节理）和炸裂缝（如层间炸裂缝、基质炸裂缝、矿物炸裂缝）；次生裂缝为火山岩及其原生裂缝系统受后期改造而形成的裂缝，主要包括构造裂缝、溶蚀裂缝和风化裂缝等。

构造裂缝是营城组储层发育的最主要裂缝类型，包括剪切裂缝和张性裂缝，以剪切裂缝为主，缝面平直光滑，产状分布稳定，缝宽均匀，裂缝呈雁列式排列，缝面上发育擦痕及微小阶步；裂缝多呈组出现，不同组裂缝之间存在相互切割及限制关系，裂缝规模普遍较大，具有多级次（图2）。张性裂缝一般延伸范围相对较小，产状不稳定，缝面粗糙且缝宽不均匀，缝面上无擦痕或陡坎；薄片观察构造裂缝延伸稳定，缝宽较为均匀，多呈组发育，不同期裂缝充填情况具有一定差异性。岩心和薄片上观察非构造裂缝类型多样，不同类型裂缝分布形式差异性较大，多形成裂缝网络，冷凝收缩缝主要为岩浆进入浅层或到达地表后开始降温，因岩浆成分、温度及环境等发生变化而引起岩浆内部温度分布不均匀，导致岩石体积不规则收缩，引发破裂而形成裂缝，多分布在火山熔岩中，表现为放射状、柱状、同心圆状、板状等不规则形态；层间炸裂缝为熔岩流动过程中，上部冷凝或半冷凝岩层受下部未冷凝熔岩流上涌力的作用下发生炸裂而形成的裂缝，裂缝形态一般不规则；基质炸裂缝为火山爆发时强烈的气液爆破作用将熔浆和早期形成的火山岩炸成碎片，一部分保留在原地形成自碎角砾化熔岩或碎裂次火山岩，另一部分被抛到空中落地时进一步发生撞击，两种情形下使基质岩块发生破裂而形成的裂缝，形态不规则，规模相对较小；矿物炸裂缝为石英、长石等斑晶被炸裂沿斑晶内部节理、双晶缝等形成的裂缝，裂缝形态一般不规则，表现为穿晶缝、晶内缝、晶间缝及晶缘缝等（图3）。此外，还可以见到少量的溶蚀裂缝和风化裂缝，其中溶蚀裂缝为在表生、深部热液、有机酸等溶蚀作用下形成，其形态多样，边缘不规则，缝宽不均匀，延伸范围有限；风化裂缝为火山岩暴露地表经受大气淡水淋滤、阳光暴晒、温差变化等风化作用破裂形成的裂缝。

图2 岩心观察松南营城组储层构造裂缝特征a.A1 井，埋深3 651.6 m；b.A1 井，埋深3 870.2 m；c.A1 井，3 704.87 m；d.A12 井，3 800.5 m；e.A6 井，3 722.9 mFig.2 Core observation of structural fracture characteristics of Yingcheng Formation reservoir

图3 营城组火山岩储层薄片观察天然裂缝特征a.A1 井，3 543 m，构造裂缝；b.A1 井，3 561.9 m，构造裂缝；c.A1 井，3 544.5 m，构造裂缝；d.A2 井，4 058.8 m，构造裂缝；e.A3 井，3 829 m，收缩裂缝；f.A4 井，4 410 m，珍珠状裂理；g.A5 井，3 567.6 m，石英淬火裂缝；h.A6 井，3 653.44 m，隐爆裂缝Fig.3 Thin-section observation of natural fracture characteristics of Yingcheng Formation reservoir

松南营城组储层中天然裂缝类型多样，不同类型裂缝在裂缝规模、发育程度、分布形式方面均具有较大差异，其中构造裂缝普遍规模较大且非常发育，构成了营城组储层中最主要的渗流通道；非构造裂缝虽然多样且密度较大，但在裂缝规模及其开度方面均与构造裂缝相差1～2 个数量级以上。因此，对于气藏水侵影响最大的为规模较大的多级次构造裂缝，本文将重点对构造裂缝开展裂缝参数特征、发育主控因素及成因机理进行研究。

2.2 构造裂缝参数特征

根据12 口井岩心裂缝描述和3 口成像测井裂缝解释结果可知，总体上该区构造裂缝走向以NW-SE 向为主，少量近E-W 向、NE-SW 向及近S-N 向（图4）；裂缝倾向以NE倾向、NNW 倾向、SW 倾向为主，少量东倾及其它倾向（图5）；岩心和成像测井裂缝描述构造裂缝倾角分布具有一致性，按照裂缝倾角大小可将裂缝划分为低角度缝（裂缝倾角≤35°）、斜交缝（35°＜裂缝倾角≤55°）、高角度缝（55°＜裂缝倾角≤75°）和直立缝（75°＜裂缝倾角≤90°）4 类，营城组裂缝以高角度缝和直立缝为主，斜交缝和低角度缝发育程度相对较弱（图6）。统计通过成像测井解释的营城组储层裂缝开度和高度参数（图7，图8），总体上构造裂缝开度分布在小于1 000 μm 的范围内，其中开度小于50 μm 的裂缝占近90%，开度分布在50～1 000 μm 的裂缝仅占10.2%；裂缝高度主要分布在1.2 m 以内，其中绝大多数裂缝高度小于3 m，占86%，高度大于3 m 的裂缝仅占14%。值得注意的是，虽然纵向高度大于3 m 的裂缝所占的比例不多，但这部分裂缝规模最大（最大高度可达6 m 以上），其开度也最大，对增强储层纵向上渗流非均质性起决定性作用。

图4 营城组储层构造裂缝走向玫瑰花图（N = 754）Fig.4 Strike rose diagram of structural fractures in reservoir of Yingcheng Formation（N = 754）

图5 营城组储层构造裂缝倾向玫瑰花图（N = 754）Fig.5 Dip rose diagram of structural fractures in reservoir of Yingcheng Formation（N = 754）

图6 营城组储层构造裂缝倾角分布特征（N = 754）Fig.6 Frequency graph of fracture dip-angle distribution characteristics in reservoir of Yingcheng Formation（N = 754）

图7 成像测井解释营城组储层构造裂缝开度分布特征Fig.7 Frequency graph of fracture aperture distribution characteristics in reservoir of Yingcheng Formation by imaging logging interpreting

图8 营城组储层构造裂缝纵向高度分布特征Fig.8 Frequency graph of structural fracture longitudinal height distribution characteristics in reservoir of Yingcheng Formation

裂缝的充填特征反映裂缝的有效性情况，决定其能否起储集空间或渗流通道的作用（赵向原等，2017；Gong et al.，2021）。根据裂缝的充填程度，可将裂缝划分为两类：第一类为全充填（既不起储集空间作用，也不起渗流通道作用，为无效裂缝），第二类为未充填（同时起到较好的储集空间和渗流通道作用，有效性最好）。对于气藏来说，后一类均属于有效裂缝。成像测井动态图像上亮色表示高阻，暗色表示低阻，当井壁裂缝中充填流体或矿物时，会引起局部电阻率发生变化而与骨架电阻率之间产生差别，进而使得颜色发生变化。当裂缝无充填或被流体充填时，动态图像上为深色条纹，为高导缝，是有效裂缝；若裂缝被钙质或方解石等充填，动态图像上为亮色条带，为高阻缝，是无效裂缝（图9）。依据上述方法分析构造裂缝的有效性认为（图10），绝大多数构造裂缝为有效裂缝（占98%），无效裂缝比例较少（占2%）。进一步结合岩心裂缝描述分析裂缝充填物类型包括石英、白云石、方解石、铁质（或泥质）、有机质等，各类裂缝充填程度具有一定的差异性，但绝大多数裂缝以有效性较好的无充填缝为主（图11）。

图9 成像测井识别A6 井营城组储层高导缝（a）和高阻缝（b）特征Fig.9 Characteristics of conductive fractures（a）and resistivity fractures（b）in reservoir of A6 well in Yingcheng Formation discriminated by imaging logging

图10 成像测井解释营城组储层高导缝和高阻缝比例Fig.10 Proportion of highly conductive fractures and high resistivity fractures in reservoir of Yingcheng Formation interpreted by imaging logging

图11 岩心观察统计营城组储层裂缝充填物类型及不同类型充填裂缝所占的比例Fig.11 Types and frequency of fracture fillings in reservoir of Yingcheng Formation by core observating

2.3 裂缝发育的主控因素

通过对营城组储层岩心裂缝观察及成像测井裂缝解释认识到，不同部位裂缝的发育特征存在较大差别，即使是同一口井，不同层位上裂缝的发育程度也存在较大差异性。这是由于裂缝的发育除了受古构造应力场控制外，还受到该区断层及火山岩相等地质因素的影响。

（1）断层对裂缝的控制作用

总体上看，不同构造部位天然裂缝的发育程度明显受断裂控制。综合岩心观察裂缝描述结果、成像测井裂缝解释结果并标定采用常规测井裂缝识别方法（Lyu et al.，2016）得到的各井目的层全井段的天然裂缝识别结果 CFI（Comprehensive Fracture Index Log，即综合裂缝指示曲线），构建单井平均裂缝发育指示参数（AFI）作为衡量单井总体裂缝发育程度的参数，其中：

式中，ai为每口井CFI 曲线上每个点的值，无量纲；n为该井目的层段内CFI曲线上ai值的个数。

通过公式（1）可以看出，AFI值越大，则表示该井目的层内天然裂缝越发育。根据上述方法对研究区内16 口井目的层天然裂缝进行识别和解释，计算了AFI值的大小，进而分析裂缝发育程度与断裂之间的关系（图12）。从图中可以看出，依据AFI值的分布可将16 口井划分为3 类，其中第一类为距离断层较远的井（包括A18、A19、A32、A28 井），这类井与断裂距离一般大于800 m，计算得到的AFI值介于0.28～0.48 之间；第二类井为距离断层相对较近的井（包括A13、A12、A17、A6、A27 等），该类井与断层距离一般在500 m 以内，计算得到AFI值介于0.41～0.63 之间；第三类井为（或几乎）钻穿断层的井（包括A23、A14、A15、A20、A22、A25、A26 等），这类井裂缝发育强度值最高，计算得到AFI值介于0.49～0.72 之间。综合上述分析可以看出，在平面上，钻穿断层或距离断层越近的井，其AFI值越大，说明天然裂缝发育井段较多，目的层总体上裂缝发育程度也越高；离断层越远的井，其AFI值越小，裂缝发育井段相对减少，总体裂缝发育程度相应减弱。

图12 不同构造部位井营城组储层裂缝发育强度图Fig.12 Fracture development degrees of each well in different structural positions in volcanic reservoir of Yingcheng Formation

（2）火山岩相

进一步综合岩心观察、成像测井裂缝识别及常规测井裂缝解释结果，结合各井岩相划分结果，发现不同火山岩相内裂缝发育程度同样具有较大的差异性，可知裂缝的发育受构造断裂控制的同时，还受到火山岩相控制。同样以岩心观察、成像测井裂缝识别结果标定常规测井得到的常规测井裂缝解释结果（CFI）为基础，分别针对各井识别出的不同火山岩相，构建裂缝发育强度参数（RFI，无量纲）来表征不同岩相的裂缝发育程度，其中：

式（2）中，Hm为根据常规测井裂缝解释结果（CFI）得到的各井某类岩相中裂缝发育段的累计厚度/m；H为对应的各井该类岩相的累计厚度/m。

根据分析可知，RFI值越大，表示裂缝越发育。利用上述方法计算不同岩相的RFI值显示，各火山岩相裂缝发育强度均在0.6 以上，说明裂缝普遍较为发育，其中爆发相和喷溢相中裂缝最发育，RFI值分别为0.91 和0.87；火山通道相中裂缝发育程度略弱，RFI值为0.65（图13）。虽然爆发相和喷溢相中裂缝最为发育，但这两类岩相内各亚相裂缝的发育程度依然具有较强的差异性，其中爆发相中的热碎屑流亚相、喷溢相中的下部亚相、中部亚相裂缝最为发育，RFI值最高可达0.93（图14）。

图13 营城组火山岩储层不同相带内裂缝发育强度Fig.13 Fracture development degrees of different facies in volcanic reservoir of Yingcheng Formation

图14 营城组火山岩储层不同亚相带内裂缝发育强度Fig.14 Fracture development degrees of different sub-facies in volcanic reservoir of Yingcheng Formation

3 构造裂缝形成机理分析

开展裂缝形成机理分析，首先要通过岩心和薄片观察、根据裂缝的力学特征、裂缝交切关系、裂缝充填差异性等特征，对裂缝进行分期和配套；在此基础上，结合研究区构造演化史、成岩演化史、埋藏史、油气充注史并结合相关分析测试资料，结合裂缝参数特征对裂缝进行定期，并阐明每期裂缝的成因机制。

由不同组系裂缝交切关系、充填差异性及不同类型构造裂缝产状分布特征等综合反映出营城组火山岩储层构造裂缝具有多期形成的特点。岩心和薄片可观察到营城组储层裂缝之间存在以下多种交切关系及充填差异性现象：1）切割及错开关系，大多表现为晚期裂缝切割早期裂缝，甚至造成早期裂缝错动；2）追踪、利用和改造关系，一般为早期裂缝被晚期裂缝追踪、利用和改造，使得不同期裂缝表现出极大的充填特征及形态特征差异性；3）限制关系，即早期裂缝限制了晚期裂缝的进一步延伸和扩展，使晚期裂缝终止在早期裂缝缝面处。在上述现象的控制下，早期形成的裂缝多被泥质或矿物充填，充填矿物既有白云石也有方解石；中期裂缝多被有机质充填，且存在一定的溶蚀现象；而晚期裂缝多为无充填缝，且以构造裂缝为主（图15）。

图15 薄片观察营城组储层裂缝交切关系及充填差异性特征a.A7 井，4 165.6 m，安山岩，多期构造缝相互切割限制；b.A8 井，4 449 m，安山岩，充填方解石、铁质；c.A9 井，3 840 m，流纹岩，缝内充填方解石后被改造；d.A9 井，3 937 m，流纹岩，缝内充填方解石和铁质；e.A9 井，3 731.2 m，流纹岩，充填自生石英、方解石和沥青；f.A9 井，3 688.5 m，流纹质晶屑凝灰岩，被红色铸体充填的构造裂缝；g.A10 井，3 681 m，流纹质熔结凝灰岩，被蓝色铸体充填的构造裂缝；h.A11 井，3 574.7 m，流纹质熔结晶屑岩屑凝灰岩，两期裂缝分别充填铁白云石和石英Fig.15 Thin section observation of fractural synthetic relations and filling variations in reservoir of Yingcheng Formation

在裂缝产状分布特征方面，如前所述，营城组裂缝总体上走向以NW-SE、近E-W向为主，倾向以近北倾、NE 倾向、SW 倾向为主，但不同倾角裂缝的走向及倾向分布差异性较大，也反映裂缝具有多期形成的特点。其中，低角度缝走向主要为NE-SW、NW-SE、近E-W 为主，倾向主要为NW、SW、SE 向，可能在2～3 期构造应力场下形成；斜交缝走向主要为NW-SE、近E-W 向，倾向主要为SW 向和NE 向、近北倾，主要在2 期构造应力场下形成；高角度缝走向主要为NW-SE、近E-W 向，倾向主要为NE、SW、近北倾，至少在2 期构造应力场下形成；直立缝走向主要为近E-W 向，倾向主要为近北倾和近南倾，主要在1 期构造应力场下形成（图16）。

图16 营城组储层天然裂缝产状分类Fig.16 Occurrence classification of natural fractures in Yingcheng Formation reservoir

松辽盆地的形成和演化大致经历了基底、断陷、坳陷和构造反转4 个阶段（葛荣峰等，2010）：1）基底阶段，盆地的基底是前侏罗时期西伯利亚板块和华北板块间的古亚洲洋在闭合过程中众多微陆块相互复杂拼贴增生的产物。中-晚侏罗世—早白垩世初，随着古亚洲洋关闭，伊泽奈崎板块对欧亚板块进行NNE 向俯冲以及蒙古—鄂霍茨克海板块消亡，松辽盆地基底所属构造域逐渐由古亚洲洋构造域转换为古太平洋构造域，中-晚侏罗世基底构造特征主要表现为微陆块间挤压逆冲、地壳增厚，伴随岩浆活动及大规模左旋走滑。2）断陷阶段，侏罗纪末至白垩纪初，随着深部岩石圈拆沉引发热穹隆，基底受到双向拉伸而发生伸展断裂，早白垩世深部地壳彻底拆离造成岩石圈减薄。该阶段伴随大规模火山活动，其中营城组形成于深部拆离活动的主要时期。3）坳陷阶段，晚白垩世热穹隆消失，岩石圈—软流圈界面开始回落，盆地构造特征在该阶段表现为冷却沉降，整体坳陷。4）构造反转阶段，白垩纪末期随着伊泽奈崎板块俯冲殆尽，古太平洋构造域逐渐转换为太平洋构造域，盆地受到NWW 向脉冲式挤压，发生构造反转，局部抬升剥蚀；至新生代，受控于太平洋板块俯冲及印度板块的远程推挤，盆地发生萎缩，整体抬升，大型坳陷基本上停止，形成与现代构造面貌相似的盆山景观。

根据裂缝分期配套结果，并综合上述松辽盆地构造演化史及成岩演化史、埋藏史、油气充注史等资料可知，松南营城组储层构造裂缝的形成主要受中生代中后期开始的欧亚大陆边缘与环太平洋构造域相互作用下的松辽盆地构造演化发展控制，裂缝的形成可分为5 期，其中主要为3 期，分别为晚侏罗世—早白垩世中期、晚白垩世明水期及古近纪和新近纪以来。其中，晚侏罗世—早白垩世中期，为盆地断陷的发育和发展期，此时伊泽奈崎大洋岩石圈朝NNW 方向快速俯冲，过程持续到早白垩世末才基本停止，期间松辽盆地处于最大主应力为NEE-SWW 向张性应力场中，持续拉伸破裂机制使营城组固结成岩后形成NNW-SSE 向及近南北向主断裂及伴生张性裂缝；多为斜交缝，被泥质、白云石及方解石充填；晚白垩世明水期为盆地最剧烈的构造反转期（快速反转），此时构造作用越来越强烈，逐渐转变为压扭，大型正断层转变为逆冲断层，地层中形成断层派生裂缝，为该区裂缝最主要形成时期；至古近纪、新近纪以来喜马拉雅期，盆地处于萎缩隆褶期，此时太平洋板块向欧亚板块俯冲，盆地多次受弱挤压和伸展交替构造旋回，全面抬升萎缩，在该种应力场作用下主要发育东西向裂缝，局部受断层扰动应力控制。

4 结 论

（1）松南地区营城组储层发育原生裂缝和次生裂缝两大类型，其中原生裂缝为火山喷发岩浆冷凝成岩过程中所形成各类裂缝，主要包括冷凝收缩缝（如基质收缩缝、珍珠状节理、柱状节理）和炸裂缝（如层间炸裂缝、基质炸裂缝、矿物炸裂缝）；次生裂缝为火山岩及其原生裂缝系统受后期构造运动、溶蚀、风化等作用改造而形成的裂缝，主要包括构造裂缝、溶蚀裂缝和风化裂缝。

（2）总体构造裂缝走向以NW-SE 向为主，多为高角度缝和直立缝，裂缝开度分布在小于1 000 μm 的范围内，高度主要分布在1.2 m 以内，绝大多数构造裂缝有效性好。裂缝发育主要受断裂和火山岩相综合控制；裂缝在爆发相中的热碎屑流亚相、喷溢相中的下部、中部亚相中发育程度最高。

（3）构造裂缝的形成受中生代中后期开始的欧亚大陆边缘与环太平洋构造域相互作用下的松辽盆地构造演化发展控制，裂缝的形成具体包括5 期，其中主要为3 期，分别为晚侏罗世—早白垩世中期、晚白垩世明水期及古近纪和新近纪以来。