四川盆地九龙山构造须二段致密砂岩储层裂缝特征、形成时期与主控因素

2012-01-05 03:58邹才能朱如凯张本健毕丽娜
石油与天然气地质 2012年4期
关键词:凯瑟方解石石英

白 斌,邹才能,朱如凯,张 健,张本健,毕丽娜,苏 玲

(1.中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室,北京 100083; 2.西北大学,陕西西安, 710069;3.中国石油西南油气田勘探处,四川成都 610051; 4.中国石油 西南油气田公司川西北气矿,四川江油 621700)

四川盆地九龙山构造须二段致密砂岩储层裂缝特征、形成时期与主控因素

白 斌1,2,邹才能1,朱如凯1,张 健3,张本健4,毕丽娜1,苏 玲1

(1.中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室,北京 100083; 2.西北大学,陕西西安, 710069;3.中国石油西南油气田勘探处,四川成都 610051; 4.中国石油 西南油气田公司川西北气矿,四川江油 621700)

四川盆地西北部须家河组二段致密砂岩储集性能受到不同期次构造裂缝控制,研究构造裂缝特征、期次以及控制因素将为有效评价与预测有利储层提供依据。根据露头、钻井岩心及薄片构造裂缝观察,划分构造裂缝切割关系,认为构造裂缝走向主要为北东向、北北西向、近东西向和南东东向,其中优势方位为北西-南东方向。利用不同切割关系裂缝充填物包裹体均一温度、ESR测年数据,结合岩石古应力值将研究区构造裂缝至少划分为4期:第一期构造裂缝形成于晚印支期,方解石呈紧挨裂缝壁充填,包裹体均一温度为84~120℃;第二期为晚燕山期,裂缝主要充填石英,均一温度为72~137℃;喜马拉雅早-中期是第三次破裂期,其裂缝充填石英,明显切割前两期裂缝,均一温度为153~179℃;喜马拉雅晚期是第四次破裂期,其形成的裂缝充填物为较粗大的方解石,少量白云石,均一温度高达165~190℃。其中印支晚期与喜马拉雅晚期构造活动最为强烈,裂缝发育。同时,研究区构造裂缝的发育和分布受构造应力和岩石自身物理参数共同控制,高孔隙度、细粒级、薄层的岩屑砂岩是形成构造裂缝的有利条件。

裂缝期次;致密砂岩;须家河组;九龙山构造;四川盆地

四川盆地西部地区自晚三叠世以来,处于龙门山前陆冲断带的前缘地区,整体处于龙门山逆冲推覆构造带与米仓山隆起挤压的双重应力场之中,自晚印支期以来受到多期构造运动的复合叠加和改造[1-3],致使研究区大量发育不同期次的构造裂缝。研究区主要勘探生产目的层为晚三叠世须家河组二段(须二段)冲积扇三角洲沉积体系,储层平均孔隙度为4%,地面空气渗透率一般小于0.1 ×10-3μm2,属于致密砂岩储层[4-5]。不同期次构造裂缝的发育对于改善致密砂岩储层储集性能起着重要作用,控制着有利储层分布。因此,开展研究区目的层段构造裂缝特征、期次及主控因素研究将为有效评价与预测有利储层提供依据。

1 构造裂缝基本特征

1.1 构造裂缝优势方位

根据四川盆地西北部地区及邻区目的层露头区上三叠统砂岩构造裂缝定向观测和统计结果表明(表1),须二段储层构造裂缝走向共有4组,分别为:北东向(40 ~60°)、北北西向(350 ~360°)、近东西向(80 ~90°)和南东东向(108 ~130°),其中优势方位为北西-南东方向。

表1 川西地区野外构造裂缝特征统计Table 1 Features of structural fractures on outcrops in western Sichuan Basin

同时对四川盆地西北部九龙山构造带须二段砂岩岩心裂缝走向经古地磁剩余粘滞磁与磁组构参数校正后,也表明研究区构造裂缝优势方位为北西-南东方向(表2)。

1.2 构造裂缝类型

构造裂缝根据裂缝倾角可划分为:水平裂缝(0 ~5°)、低角度裂缝(5 ~45°)、高角度裂缝(45 ~85°)及垂直裂缝(85~90°)。研究区裂缝在数量上以水平裂缝和高角度构造缝为主,分别占裂缝总量的52%和27%,垂直构造裂缝为14%。但近水平缝延伸厚度小,发育密集,属于局部范围水平构造挤压作用形成,而高角度裂缝和垂直裂缝延伸厚度较大,充填石英或方解石脉(图1),属于本区主要裂缝类型。

1.3 裂缝宽度与间距

川西北地区在强烈挤压构造应力作用下,地表露头中高角度张性裂缝较为发育,产状近于垂直,缝宽2~5 cm不等(表1;图2)。其中须二段储层构造裂缝不同走向对应裂缝宽度与间距不同:裂缝走向北东向(40~60°),裂缝宽度为0.5~1 mm,密度为5~21条/m,裂缝间距为0.4~2 m,缝面平直;裂缝走向北北西向(350~360°),宽度为1~2 mm,密度为5~188条/m,裂缝间距为0.5~2 m,多发育于中-薄层粉砂岩;裂缝走向近东西向(80~90°),裂缝密度3~8条/m;裂缝走向南东东向(108~130°),宽度为2~4 mm。就裂缝宽度而言,川西北地区裂缝宽度最大,最宽可达4 cm,是川中地区裂缝平均宽度(仅为0.05 cm)的80倍。

钻井岩心裂缝统计表明(表3),川西北九龙山地区钻井岩心裂缝线密度平均为0.93条/m,最高为龙17井(4.69条/m),最低为龙9井(0.01条/m)。裂缝发育程度整体表现自西向东依次减弱,受控于周缘龙门山与米仓山构造带演化控制。

1.4 裂缝显微特征

构造应力不仅产生了宏观构造裂缝,而且在岩石颗粒上产生一系列微观裂缝[6]。研究区微裂缝,宽度一般小于0.1 cm,以长石、石英颗粒中的晶间缝、节理缝为主,宽度多小于0.03 mm,但多数连通性较好,呈网状、平行密集状分布,沿微裂缝及裂缝溶蚀形成的不规则状溶蚀孔(图2)。

1.5 裂缝充填特征

从岩心和露头裂缝面形态实际观察结果表明,研究区多数充填缝为高角度与低角度构造裂缝,充填矿物为方解石、石英等(图1,图2),充填形式为全充填或不完全充填。

表2 川西北地区钻井岩心构造裂缝古地磁分析数据Table 2 Palaeomagnetism analysis of structural fractures in cores in northwestern Sichuan Basin

图1 研究区不同类型构造裂缝Fig.1 Different types of structural fractures in the study area

图2 九龙山构造钻井岩心宏观与微观裂缝充填物特征及期次Fig.2 Characteristics and stages of fillings in micro-and macro-fractures in the cores from Jiulong Mountain structure

表3 研究区钻井岩心裂缝分布特征统计Table 3 Statistics of core fracture distribution in the study area

水平构造缝在研究区一般无充填,少量具有方解石充填,多呈密集层状分布,厚度较小,俗称“饼状”构造裂缝[7]。龙17井(3 298 m)均表现为明显的水平构造缝(图1)。高角度构造裂缝主要由于构造剪切应力作用形成,在川西北九龙山地区较为常见,多见方解石充填,部分为石英充填。在龙5井(3 468 m)和龙12井(3 578.4~3 580 m)均见方解石充填,缝壁平直规则,具明显擦痕,缝长最长达3~5 m,缝宽0.2~0.5 cm(图1)。

2 裂缝发育期次分析

确定油气储层构造裂缝形成时期,对于油气运聚和成藏分析十分重要。目前,确定裂缝形成期的主要方法有:①地质构造方法,包括构造变形特征分析,裂缝的切割关系和分期配套等;②实验室方法,主要测定裂缝充填物中的矿物和包裹体的年龄[8-10]。

本次研究以大量构造裂缝观察为基础,明确划分不同切割关系构造裂缝,结合裂缝充填物中矿物结晶顺序与特征,对划分不同切割关系裂缝充填物进行包裹体测温和石英ESR测年分析,并辅助分析岩石声发射实验资料,综合反演研究区构造裂缝发育期次。

2.1 构造裂缝切割关系

对研究区构造裂缝充填矿物成分及裂缝切割关系分析表明,构造裂缝主要有3期矿物充填。第一期充填物主要为方解石。第二期充填物为石英。川西北部地区龙12井(3 565 m)岩心构造裂缝(缝宽2.5~3.5 mm,缝长0.63 m)中前期方解石矿物紧挨裂缝壁生长,后期石英进一步充填高角度构造缝(图 2a,d)。龙 7井(3 384.58~3 393.00 m)岩心垂直裂缝中(缝宽4 mm,缝长0.21 m)也可看到方解石早期充填高角度构造缝,石英脉体晚期充填构造裂缝(图2b,e,f)。第三期主要为较粗大的方解石,少量白云石充填张裂缝,多见切穿或沿前期充填裂缝发育,改造前期裂缝。

2.2 石英ESR测年

裂缝中方解石充填具有两期特征,而两期方解石充填期之间的石英样品在不同期次溶蚀和充填的作用具有ESR年龄差值的原理,通过石英颗粒电子自旋共振法来划分裂缝期次[8-9]。

根据川西钻井岩心石英颗粒ESR实测结果与石英成因特征,可划分出燕山晚期与喜马拉雅早-中期两期裂缝期次。其中,龙12井石英ESR信号强烈,顺磁中心浓度0.141×10-15Sp/g,铀当量含量为0.869 μg/g,测年数据显示属于燕山晚期(66 Ma±3.4 Ma),石英呈浅棕色自形晶为主;龙5井顺磁中心浓度0.07×10-15Sp/g,铀当量含量为0.573 μg/g,ESR 实测年龄为 24.5 Ma ± 2.4 Ma,属于喜马拉雅中期。

2.3 裂缝充填物包裹体

不同期次的裂缝充填物中含有不同均一温度的包裹体,因此可以通过测定裂缝充填物中包裹体均一温度来推测裂缝形成最晚时期[9-10]。

本次对川西北九龙山地区不同切割期次构造裂缝充填物包裹体分别进行均一温度测试,根据实测包裹体均一温度分布及其形态、大小,综合前人古地温曲线和埋藏史恢复资料,至少划分出3期构造破裂期次(表 4)[11-14],即晚印支期第一次破裂期,常见方解石充填,其裂缝充填物的包裹体为气液两相,气液比20%,包裹体以零星分布的矩形、不规则形黑色气、液烃类包裹体为主,大小1.5 μm ×2.5 μm,均一温度主要为84 ~120 ℃;燕山晚期为第二次破裂期,其形成的裂缝常见有石英充填,裂缝充填物中的包裹体多为群体分布椭圆水质与烃类包裹体,气液比5% ~20%,大小为2 μm ×2.4 μm,均一温度为72 ~137 ℃,石英ESR测年为66 Ma±3.4 Ma;喜马拉雅期是第三次破裂期,其形成的裂缝充填物为石英,明显切割前两期充填裂缝,该期包裹体主要为群体分布无色椭圆液态与无色气态烃类包裹体为主,包裹体个体较大,最大为5 μm ×4.1 μm,均一温度主要为153~179℃,ESR实测年龄为24.5 Ma±2.4 Ma;另存在切割喜马拉雅期构造裂缝,充填物为方解石,少量白云石。其中方解石中包裹体为零星分布不规则黑色气态烃类包裹体与无色液态烃类包裹体,气液比为5% ~20%,均一温度高达165~190℃。根据构造裂缝切割关系,结合古构造应力期次(图3),推测该类裂缝可能形成不晚于24.5 Ma,属于喜马拉雅构造中-晚期。

2.4 岩石声发射试验反映裂缝形成期次

将岩石处于古应力场加载环境时,当岩石在承受应力值大于或等于岩石微裂纹形成时所受应力强度时,微裂纹就会形成凯瑟效应点[15-16]。如果不断施加载荷力,不同期次的微裂缝就会相继扩展而产生不同凯瑟效应点。

故本次研究对川西地区六组62块样品进行声发射Kaise效应测试与岩石物理参数实验,通过声发射实验AE曲线上出现的凯瑟效应点的个数反演岩石所受的最小应力期次(只统计凯瑟效应出现率大于60%的所有样品)。

根据研究区62块须二段砂岩岩石样品凯瑟实验结果分析,75%的样品具有5期凯瑟效应点,剔除现今构造运动以外,其余4次表明研究区须二段储层至少遭受了晚三叠世至今的4期构造破裂作用(图3)。结合上述裂缝充填物次生石英、包裹体均一温度、裂缝切割关系以及区域构造演化史分析,可以将岩石4期凯瑟效应点划分为4期裂缝发育期。其中,第一期裂缝发育期相当于凯瑟效应点4,为晚印支期构造运动的产物,古构造应力值为14.6 MPa;第二期裂缝发育期相当于凯瑟效应点3,为燕山晚期构造运动的产物,古构造应力值为27.4 MPa;第三期裂缝发育期相当于凯瑟效应点2,为喜马拉雅早-中期构造运动的产物,古构造应力值为37.7 MPa;第四期裂缝发育期相当于凯瑟效应点1,为喜马拉雅晚期构造运动的产物,古构造应力值46.9 MPa。

表4 九龙山构造裂缝充填物中包裹体特征Table 4 Characteristics of fluid inclusions in structural fractures in Jiulong Mountain structure

图3 九龙山构造岩石古构造应力分布直方图(凯瑟效应见遇率大于60%的有效凯瑟点)Fig.3 Histogram of the palaeo-structure stress distribution in Jiulong Mountain structure

3 裂缝发育的主控因素

前人对于构造应力的大小决定裂缝的发育程度的结论已经有很多[16-19],构造应力强度大容易导致岩层弯曲率较大,容易形成裂缝的结论在本次研究中也得到验证。川西北地区晚三叠世以来,不同构造期次的裂缝具有明显的不均一性,其分布规律主要受到古构造应力大小和储层岩石力学特征的影响,同时也跟裂缝发育段的岩性特征和岩层厚度有关。

3.1 岩石力学性质

研究区岩石力学物理参数与孔渗实测数据表明,岩石孔隙度与岩石抗压强度、风干密度、弹性模量具有明显的负相关性(图4)。岩石孔隙度越小,风干密度越高,岩石抗压强度越高,弹性模量越高,说明研究区上三叠统砂岩孔隙度越小,岩石越坚硬时,岩石抗压强度越高,越不易形成裂缝。因此,假设外界条件相同的情况下,高孔隙度砂岩更易形成裂缝。

图4 九龙山构造岩石力学参数与孔隙度关系Fig.4 Relation between petrophysical parameters and porosity in Jiulong Mountain structure

图5 不同岩性中的裂缝密度Fig.5 Fracture density in different lithologies

3.2 岩性

研究区须二段岩层岩性包括有细-中粒长石石英砂岩、岩屑长石砂岩、岩屑砂岩以及少量砾岩与云岩。不同岩性与不同粒级的岩石样品抗压强度存在明显差异,导致裂缝的发育程度[20-21]。广元须家河组剖面构造裂缝统计统计结果显示长石石英砂岩裂缝密度为22条/m,其次为岩屑长石砂岩16条/m,岩屑砂岩裂缝密度最低为8条/m,表明由于不同矿物成分具有不同的抗压强度,造成岩石矿物成分影响裂缝发育的程度(图5)。同样岩石粒级也影响裂缝的形成,根据岩石力学物理实验结果显示,随着岩石粒级的增加,岩石抗压强度总体呈现增加的趋势,表明岩石粒级较低,越容易形成裂缝。

3.3 岩层厚度

前人对裂缝间距与岩层厚度之间存在线性关系做过一些研究[22-27]。本次研究通过露头区和岩心裂缝统计,发现研究区构造裂缝多发育于薄层砂岩,厚层块状砂岩裂缝相对发育较差,砂岩越厚,裂缝(井下)和节理(野外)越不发育。裂缝的发育分布在岩层内,与岩层相交,截止于单套岩性界面上。在一定层厚范围内,裂缝的平均间距与具有裂隙的岩层厚度呈现较好正相关性(图6),即随着岩层厚度增大,裂缝间距相应增大,裂缝密度减小。

4 结论

图6 川西北地区岩层厚度与裂缝间距关系Fig.6 Relation between the fracture spacing and layer thickness in northwestern Sichuan Basin

1)研究区构造裂缝发育程度整体表现为自西向东依次减弱,明显受控于周缘龙门山与米仓山构造带挤压控制。构造裂缝以高角度、垂直构造裂缝延伸厚度较大,发育较好。裂缝方向主要为北东向、北北西向、近东西向和南东东向,其中北西-南东方向为优势方向。

2)将研究区构造裂缝至少划分为4期,第一期构造裂缝形成于晚印支期,方解石呈紧挨裂缝壁充填裂缝,包裹体均一温度为84~120℃;第二期为晚燕山期,石英为主要充填物,均一温度为72~137℃;喜马拉雅早-中期是第三次破裂期,其裂缝充填石英,明显切割前两期充填裂缝,均一温度为153~179℃;喜马拉雅晚期是第四次破裂期,其形成的裂缝充填物主要为较粗大的方解石,少量白云石充填张裂缝,多见切穿或沿前期充填裂缝发育,改造前期裂缝,均一温度高达165~190℃。

3)研究区构造裂缝发育程度不仅与构造应力大小、岩石自身力学性质有关,而且还受到岩性特征、岩层厚度的影响。其中高孔隙度、细粒级、薄层的岩屑砂岩是形成构造裂缝有利条件。

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Characteristics,timing and controlling factors of structural fractures in tight sandstones of the 2ndmember of Xujiahe Formation in Jiulong Mountain structure,Sichuan Basin

Bai Bin1,2,Zou Caineng1,Zhu Rukai1,Zhang Jian3,Zhang Benjian4,Bi Lina1and Su Ling1

(1.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing100083,China;2.Northwest University,Xian,Shaanxi710069,China;3.PetroChina Exploration Department of Southwest Oilfield,Chengdu,Sichuan610051,China;4.Northwest Sichuan Gas Mine of Southwest Oilfield,PetroChina,Jiangyou,Sichuan621700,China)

Physical properties of tight sands in the 2ndmember of Xujiahe Formation in northwestern Sichuan Basin are controlled by structural fractures(SF)formed at different stages.The study on characteristics,timing and controlling factors of the structural fractures can provide useful information for reservoir evaluation and prediction.Identification of cutting relations of the SF on the basis of fracture observation on outcrops,cores and thin sections reveals that the SF can be grouped into NW-SE-trending,NE-trending,NNW-trending,near EW-trending and SEE-trending,of them NW-SE-trending is predominant.At least four stages of SF were identified based on the analysis of the fluid inclusion homogenization temperature of fillings in fractures with different cutting relation and ESR,as well as palaeo-stress data.The first stage is the Late Indosinian,and the SF formed at this stage feature in calcite filling and fluid inclusion homogenization temperature(FIHT)of 84-120℃.The secondstage is the Late Yanshanian,and the SF formed at this stage are characterized by quartz filling and FIHT of 72-137℃.The third stage is the Early-middle Himalayan Period and the SF formed at this stage feature in quartz filling,cutting relations with the SF of previous two stags,and FIHT of 153 -179 ℃.The fourth stage is the Late Himalayan Period,and the SF formed in this stage are characterized by coarser calcite fillings with some dolomites and FIHT of 165-190℃.Because of the active tectonic movement during the Indosinian and Himalayan Period,the SF are well developed.The formation and distribution of SF are jointly controlled by tectonic stress and the mechanical property of rocks.Lithic sandstone with high porosity,fine particle and thin layer are favorable for SF development.

formation timing of structural fracture,tight sandstone,Xujiahe Formation,Jiulong Mountain area,Sichuan Basin

TE122.2

A

0253-9985(2012)04-0526-10

2012-06-12;

2012-07-11。

白斌(1981—),男,工程师,矿产普查与勘探。

国家自然科学青年基金项目(41002034);国家科技重大专项(2011ZX05001-002);中国石油勘探开发研究院青年基金项目(2010-A-26-08)。

(编辑 张亚雄)

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