川西地区大邑构造煤系地层致密砂岩储层裂缝成因及意义

李敏同,孙崇波,周洪兵,孙 忠,王壮生,郑宇超,柳远松

(1.四川省金属地质调查研究所,四川 成都 611730; 2.成都理工大学 沉积地质研究院,四川 成都 610059)

川西地区须家河组煤系地层中,发育致密砂岩储层,其中须家河组二段普遍发育裂缝,是形成优质储层的关键因素。裂缝性储层油气产量占整个石油天然气产量的50%以上[1],是21世纪石油增储上产的重要领域之一。而裂缝性油气藏勘探、开发的最大难点,便是对储层岩体中裂缝发育程度和分布范围的预测[2]。储层中的裂缝按其成因可分为构造缝和非构造缝(如成岩收缩缝、溶蚀缝、异常高压缝等),但以构造缝为主,且多数构造缝为未被充填或具一定张开度的有效缝,并在局部构造和断裂带中构造裂缝的分布具有明显的规律性,理论上具可预测性。从20世纪60年代起,在美国西部白垩系储层和中东油气层中发现天然裂缝后,国内外学者如Price[3]、王仁等[4]发表了许多储层裂缝研究成果,并提出了具体的研究方法。归纳起来主要有:地下天然裂缝储层地质分析;岩心裂缝发育密度估算;构造主曲率法;古构造应力场数值模拟;分形理论的应用;应用测井、地震资料进行裂缝识别和预测技术等。

然而,从理论到实际应用,各种方法都有其优势与不足,采用多手段相结合的研究方法是致密储层裂缝研究和预测发展的必然趋势。因此,从裂缝与构造的关系入手建立裂缝成因模式,为测井、地震、古构造应力场数值模拟等裂缝预测方法提供地质模型,对预测结果的合理性具有指导意义。本文以构造地质学、地质力学理论为指导,运用构造解析手段,从构造形迹入手并结合区域构造背景对川西大邑构造成因机制进行分析,进而建立该构造须家河组二段(以下简称须二段)储层裂缝系统成因模式,并在现有成果的基础上为该层的裂缝预测指明方向。

1 大邑构造区域构造背景

大邑构造在区域构造位置上位于龙门山南段冲断推覆带前缘,属于川西凹陷区的鸭子河—平落坝隐伏断褶带,西北与金马—鸭子河、神仙桥—雾中山构造斜列相接,南与邛西构造相接,东邻成都凹陷(图1)。

图1 川西地区南部构造分区Fig.1 Structural zoning in the southern part of the western Sichuan region

据前人研究成果[5],川西坳陷的形成、发展主要经历3个构造运动期,即印支、燕山和喜山运动期。印支—燕山期形成的构造幅度较低,且受后期改造,大多数构造是在喜山期加强或定型。

喜山运动早期,印度板块与欧亚板块发生碰撞,引起康滇地区早期南北向构造的复合,由此而传导入四川盆地,区域构造应力均为东西向的挤压,形成南北向构造。喜山运动中晚期,受印度板块北移而产生的东西向强烈挤压,龙门山地区受早期北东向构造的影响,而将东西向的区域应力分解为北西—南东向的局部应力以及顺时针剪切活动的联合作用,以致于川西坳陷地层中由深到浅大量北东向低缓构造的形成,并且断层表现出压扭性特征。彭县、大邑、平落坝等几条大断裂及其上盘相伴的褶皱皆有向北东倾伏或消失的表现,在平面展布上呈左型斜列,推测便是受喜山晚期构造运动的影响。

2 大邑构造须二段储层裂缝系统成因

2.1 须二段顶面构造特征

裂缝的发生和发展与褶皱或断层等较大地质构造有密切的成因联系,主要作为褶皱或断层的伴生构造出现[6]。

据三维地震解释资料,大邑须二段顶面构造(图2)表现为一个被断层夹持的短轴背斜,轴向北东NE47°;断层发育,走向分别为北东向45°～60°、近南北向10°±8°、近东西向91°左右。整个断裂系统具“多”字形特征,且近南北向断层具压扭性,在平面上呈现“S”形左行羽状排列;近东西向断层平面上具反“S”形特征,这些都反映大邑构造是受到挤压、剪切联合作用而形成的[7]。

图2 大邑构造须家河组二段顶面构造Fig.2 The top structure of the second section of the Xujiahe Formation in Dayi Structure

2.2 大邑构造成因分析

大邑须二段构造的褶皱形迹简单,构造主迹线为北东向,结合区域构造背景分析,认为大邑构造主要受到一期构造运动作用的结果,即喜山构造运动中晚期东西向的区域构造应力场所派生出的北西—南东向的局部构造挤压力及顺时针方向剪切联合作用而形成。最大主应力方向为北西—南东向(NW—SE317°)。

喜山构造运动期,受印度板块北移及青藏高原隆起的影响而产生东西向的强烈挤压,首先作用在龙门山逆冲推覆带上,受早期北东向构造形迹的影响,使得构造作用力方向发生变化,而产生北西—南东向的局部应力场[8]。南东向构造挤压力不断地由西向东传播,且在传播的过程中不断减小,当经过构造裸露带到达大邑地区时,构造挤压力的强度有所减小,便形成了构造幅度不大的大邑构造。

随着北西—南东向的构造挤压力的继续作用,产生该方向的一对力偶,同时还受到顺时针构造旋扭力的改造。在大邑构造须二段顶面构造图中,可见近南北向断层具压扭性、呈“S”形左行羽状排列;近东西向断层呈反“S”形特征;有的近南北向断层还与北东向断层连通,如图2中的F2断层。这些现象都体现了早期形成的近南北向、近东西向的平面“X”剪切缝在中晚期北西—南东向力偶及顺时针旋扭力作用下,发生重张、追踪张、折尾、扭动等逐渐延伸、连通而形成宏观可见的断层[9]。

2.3 裂缝系统成因模式

综上所述,大邑构造的形成主要受到北西—南东向构造挤压及顺时针旋扭力的联合作用。但是同一期次构造力的作用又可以分为不同阶段,每个阶段又以某一个方位、性质的构造力作用为主,对于大邑构造的形成可以分为2个阶段:第一阶段北西—南东向构造挤压力作用和第二阶段顺时针构造旋扭力作用。

然而,两阶段构造力的强度以及对大邑构造的影响程度明显不同。在早期南东向构造挤压力作用时,大邑构造主体已经形成;晚期旋扭作用对该区影响不大,仅对早期形成的构造进行小规模的改造[10]。与此同时,将形成不同类型和不同方位组合的裂缝系统。具体而言,大邑构造须二段储层裂缝系统的形成同样经历了以下2个阶段[11](图3)。

(1)北西—南东向构造挤压力作用阶段。即构造形成阶段,由于北西—南东向构造力的作用,在原始水平的岩层中形成高角度缝,为区域性的 “X”剪切缝系,2组方向分别为近南北向(10°±8°)和近东西向(98°±8°),缝与岩层面近于垂直(图3(a))。

随着南东向构造挤压力继续作用,地层开始褶皱。在垂直于主压应力的方向即北东向,形成了剖面“X”剪切缝,该裂缝面与岩层面斜交,分布于褶皱的两翼。由于2组裂缝倾向不同,在剖面上相交呈剖面“X”形,延伸方向为北东向(NE45°～60°)。该类裂缝在北西向构造力的持续作用下,不断延伸、扩大,最后沿一组贯通裂缝产生垂向位移,形成大规模的逆断层,F2、f1、f11、f1-1、f6断层便是这类裂缝发展而来的(图3(b))。

(2)中、晚期旋扭构造力作用阶段。即构造改造阶段,随着北西—南东向构造力的继续作用,将产生一对该方向的力偶,同时受还受区域顺时针方向剪切力的作用,对已经形成的构造进行改造,主要体现在对早期形成的平面“X”形共轭剪切裂缝的改造。

早期形成的近南北向、近东西向的平面“X”剪切缝,在中晚期北西—南东向力偶作用下,发生重张、追踪张、折尾等,使得裂缝性质发生转变,由剪切缝变为具有一定张开度的北东向和北西向延伸的追踪张裂缝(图3(c)、(d)),有些规模大的裂缝甚至逐渐延伸、连通而形成宏观可见的断层。

同时,受顺时针旋扭力作用,将早期近南北向高角度剪切缝改造为具压扭性的复合裂缝,有的规模不断扩大最终贯通,形成规模较大的具压扭性质的逆断层,如图2中F1、f12断层。早期近东西向裂缝则被改造成具张扭性的复合裂缝。

早期区域平面“X”形剪切缝被改造形成的追踪张裂缝,延伸方向北西向、北东向以及近南北向具压扭性复合缝,近东西向具张扭性复合缝。在褶皱形成的中后期,于褶皱转折端、倾覆端将分别发育北东向纵张裂缝和北西向横张裂缝。与褶皱相关的裂缝类型及其延伸方向为:北东向低角度剖面“X”形共轭剪切缝;北东向高角度纵张缝;北西向高角度横张缝;在褶皱核部主要发育重张、追踪张裂缝、纵张缝,倾伏端发育横张裂缝,翼部低角度剪切缝、高角度复合缝都有发育。

可见,储层裂缝的发育程度与构造部位密切相关。大邑须二段储层主要发育断层伴生缝、褶皱伴生缝。其中断层伴生缝发育于断层附近,特别是断层末端、多条断层的交接部位为应力释放区,裂缝最为发育,延伸方向众多,在空间上构成裂缝网络系统,有利于储层的改造。

3 裂缝有效性分析

裂缝成因模式仅是理论上对大邑构造须二段储层可能发育的裂缝类型及其延伸方向的分析,但对于一个地区并不是所有类型的裂缝都同等程度发育,需要配合野外裂缝地质调查具体分析,即使发育也有可能被充填或闭合,为无效缝。因此,结合岩心、野外露头观察资料、测井实测资料,在以上裂缝成因模式基础上,对裂缝的有效性进行分析,得到的有效裂缝才能为裂缝预测提供更准确的地质模型。

大邑构造钻井岩心观察资料如图4所示。低角度裂缝多被石英、方解石晶体、炭质(沥青)和泥质全充填(图4(a)),为无效裂缝;而直立缝无充填(图4(b)),为有效缝。可见,北东向的低角度剖面“X”形共轭剪切缝,可能被充填,为无效缝。北东向纵张裂缝、北西向横张裂缝,北西向追踪张裂缝均为高角度或近直立,无充填,为有效缝(图4(c)、(d))。

另外,裂缝走向与现今最大水平主应力方向一致或夹角很小时,裂缝能最大限度地发挥渗流作用;反之,裂缝走向与现今最大水平主应力方向垂直或斜交角度较大时,裂缝的渗透作用大大降低,从而削弱裂缝有效性[12]。因此,判断裂缝是否有效,除了看有无充填,还应考虑裂缝走向与现今最大水平主应力的关系。川西坳陷现今最大水平主应力方向为北西向,因此北西向的追踪张裂缝、横张裂缝,其次为近东西向具张扭性的复合缝(图5(a)),是对油气运移、聚集最有效的裂缝,是大邑构造储层裂缝预测的主要目标(图5(b))。

断层伴生缝延伸方向多,常形成交错的裂缝网络,断层附近,特别是断层末端、转折端以及多条断层的交汇区域,裂缝最为发育,在这些区域再配合有利沉积相带部署井位,将有望获得高产。但是这类裂缝的发育程度完全依赖于与断层的距离,经实钻证实,距一条大断层约1 800 m产能为0,如果仅考虑此类裂缝,将不利于气藏规模的扩大。

目前在大邑构造的钻井部署主要考虑的还有断层伴生缝,其勘探范围受到断层制约,下一步应加强对褶皱伴生缝即北西向的追踪张裂缝、横张裂缝以及近东西向高角度剪切缝的预测,以求扩大勘探成果。然而,虽然多学科、多方法相结合进行裂缝预测已成为裂缝预测的必然趋势,但要达到准确的对上述有效裂缝的预测,仍是一个巨大难题。

图5 有效裂缝走向与油气显示Fig.5 Effective fracture strike and gas and oil display

4 结论

(1)大邑构造是被断层夹持的短轴背斜,须二段断层发育,整个断裂系统具“多”字形特征,且近南北向断层具压扭性,在平面上呈现“S”形左行羽状排列;近东西向断层平面上具反“S”形特征。

(2)大邑构造须二段储层裂缝系统的形成可以简单概括为2个阶段:早期北东—南东向构造挤压力作用阶段(构造形成阶段)和中、晚期旋扭构造力作用阶段(构造改造阶段)。

(3)断层伴生缝、横张裂缝、北西向的追踪张裂缝、近东西向复合缝是对油气运移、聚集最有效的裂缝,是大邑构造储层裂缝预测的主要目标。