准噶尔盆地中拐凸起火山岩裂缝相模式研究

肖华,常浩,高衍武,景超,牟鸿博,黄山松

(1.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院,陕西西安710077;2.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710201)

0 引 言

火山岩储层作为油气资源潜力巨大的非常规储集体,日益引起国内外学者广泛关注[1-4]。但是火山岩储层在漫长的地质历史时期经过强压实作用和构造作用,现今一般表现为岩性致密、孔隙结构复杂、孔隙度渗透率非常低、孔喉连通性差且非均质性强等特征。同时由于火山岩岩性致密,强度及脆性程度较大,受到岩性、层厚、构造应力等多方面因素影响,火山岩会不同程度产生裂缝[5-7]。因此原生孔隙差的火山岩储集层,其产油能力主要取决于储层中裂缝发育的程度[8]。裂缝使火成岩储集层中无效孔隙得以连通,发育成有效的储集空间[9],裂缝的形成机理、分类方法、裂缝的识别与裂缝的定量表征等则是火山岩储层勘探开发的关键[10-11]。

目前,火山岩储层裂缝研究主要考虑对裂缝成因机理与裂缝对储层影响的研究,并没有建立一种有效表征火山岩裂缝发育的裂缝相模式,也缺乏从空间配置上研究不同埋深条件下裂缝的发育规律以及不同的裂缝发育模式对火山岩储层改造作用的相关研究。由此,本文基于电成像测井资料结合常规测井资料、录井和岩心资料,对中拐凸起石炭系火山岩裂缝发育模式进行系统研究,最终构建了中拐凸起火山岩裂缝相发育模式。

1 区域地质概况

中拐凸起位于准噶尔盆地西北缘克—乌断裂带和红车断裂带的转换部位[12],是在石炭纪至二叠世挤压应力场作用下形成的宽缓鼻状古隆起。研究区三面临凹[13],为油气运聚的有力区域随着JL10井在石炭系火山岩获得高产油气流,中拐凸起石炭系成为准噶尔盆地的重点勘探领域。根据已有钻探成果显示,研究区石炭系火山岩岩性复杂,不仅发育火山岩,同时还发育有沉积岩。储层以低孔隙度低渗透率储层为主,且储层物性变化范围大,孔隙度在2%～12%之间,最大孔隙度为16.4%,最小孔隙度为1.3%,平均孔隙度为4.65%。岩心分析渗透率普遍分布在0.1×10-3μm2以下。由此认为,该区储层多为无效孔隙,孔隙间无法连通,若裂缝发育,则能为该区油气渗流提供有利通道。

2 裂缝的测井响应特征及影响因素

2.1 受岩性影响的裂缝发育特征

受火山岩岩性和非均质性的影响,常规测井方法无法准确的识别火山岩的岩性以及定性表征火山岩裂缝发育情况,而微电阻率扫描成像(FMI)测井主要是通过图像特征和集合形态的变化,反映电阻率物理参数的差异,从而揭示地层的不同岩性和沉积构造的差异,具有很高的分辨率(约5 mm),可以清楚地反映地层岩性、结构、构造以及井壁结构的变化[14]。本文利用FMI测井技术结合常规测井、录井和岩心资料,对中拐凸起石炭系火山岩不同岩性的裂缝发育模式进行研究。中拐凸起火山岩岩石类型包括凝灰岩、安山岩、火山角砾岩、英安岩等,通过研究该区30口井的薄片资料进行岩性识别,各岩性常规测井曲线特征见图1。

图1 研究区主要岩性的常规测井响应特征

在岩性识别的基础上,对裂缝发育起到控制作用的岩石类型的FMI测井响应特征进行分析:①凝灰岩。FMI静态图像表现为暗黄色到黄色,动态图像上呈层状[见图2(a)]或暗色点状半点状及线状[见图2(b)];②安山岩。FMI动态图像上显示为黄色到亮黄色,亮色背景上可见深黑色斑点和裂缝(溶蚀孔,裂缝较发育)[见图2(c)];③火山角砾岩。FMI静态图像表现为黄色到亮黄色,动态图像表现为亮色斑状模式[见图2(d)],部分层段发发育暗色针孔状溶蚀孔[见图2(e)];④英安岩。FMI静态图像上显示为黄色到亮黄色,动态图像表现为块状构造[见图2(f)],大部分层段发育高角度裂缝或网状缝。对该区主要发育的4种火山岩进行裂缝统计,其中安山岩、英安岩裂缝最为发育,火山角砾岩裂缝较为发育,凝灰岩裂缝发育较少;安山岩平均裂缝发育为1.2条/m,英安岩平均裂缝发育为1.4条/m,火山角砾岩平均裂缝发育为0.8条/m,凝灰岩平均裂缝发育为0.2条/m。

2.2 构造对裂缝发育的控制作用

构造对于该区裂缝的发育程度也有重要的控制作用。构造裂缝包括2大类,断层型裂缝以及褶皱型裂缝。由于不同构造部位应力分布不同,使得裂缝发育程度差别很大。一般认为构造形变越大裂缝发育程度越高。例如构造曲率大的部位是裂缝发育的最佳部位,其次为断鼻、褶皱和断块轴交点部位[15]。

断层为裂缝发育的又一重要控制因素,断层是控制局部构造应力来影响火山岩裂缝分布。由于不同构造位置,构造应力分布不同。靠近断层裂缝非常发育,而距离断层较远的井,裂缝发育较少。如位于JL10井南断裂附近的3口井,其平均裂缝密度为1.6条/m,而远离断裂的4口井裂缝密度均0.5条/m,前者明显好于后者。从钻井所处位置的裂缝发育程度与断层的关系反映出两者有正相关性。

通过研究发现,由于地层局部构造应力分布不同,且其受到主控断层发育控制。从而影响裂缝的发育程度,由此可见构造位置对于火山岩裂缝发育起到一定的控制作用。

2.3 风化淋滤对裂缝发育的控制作用

中拐凸起位于古构造高部位,因早期暴露地表时间长,石炭系火山岩岩体长期受到风化与淋滤作用的影响,不仅可以形成次生孔隙,还能形成了大量的风化裂缝与溶蚀裂缝,对储集层物性具有一定的改造作用。这些裂缝形态极不规则,由于位于顶部或距顶面较近,裂缝容易被上覆较细的沉积充填形成顶部填积层,裂缝充填程度较高;但离顶部界面稍深的层段,则充填程度较低,充填物以化学物充填为主,其发育的半充填缝更易发生溶蚀,产生溶蚀裂缝,对储层有着改善的作用。因此风化淋滤作用与研究区裂缝发育存在密切关系,风化淋滤程度越强,裂缝越发育。通过研究该区30口井资料发现,在火山岩风化壳0～200 m范围内,裂缝最为发育,主要裂缝类型为风化缝与溶蚀缝。

图2 研究区主要岩性的FMI测井响应特征

2.4 裂缝相类型

通过观察分析中拐凸起30口井的FMI测井资料,运用FMI裂缝相的概念,建立了表征研究区裂缝发育模式的4种FMI裂缝相(见图3)。

(1)无效裂缝相。即为填充缝,主要是火山岩在裂缝形成初期被方解石、石英等矿物充填,以高电阻率异常出现,在FMI上的图像特征为亮白色的正弦波条纹,连续性不明显[见图3(a)],这种裂缝渗透性差、不连通、储集性能差。

(2)有效裂缝相。即为张开缝,一般与层面不平行、不规则,由于泥浆的侵入,以高电导异常出现,在FMI上的图像特征为暗色的正弦线或不规则网状结构,连续性较好,这种裂缝渗透性好。按照其发育特征不同,又可将其分为斜交有效缝[见图3(b)]、高角度有效缝[见图3(c)]、低角度有效缝和网状有效缝缝[见图3(d)]。

(3)直劈扩大缝相。直劈扩大缝相在FMI动态图像上可见宽度较大的深棕色至黑色垂直的高导缝[见图3(e)],此类裂缝纵向延伸范围较大。经研究发现该类FMI裂缝相多与断层相伴生,在构造应力大的区域该类裂缝相最为发育。

(4)溶蚀孔隙相。溶蚀孔的特点是形状不规则,部分继承了被溶蚀颗粒的本来形状但边缘圆滑,为高电导异常体,在FMI上的图像特征为分散的不规则的暗色斑点[见图3(f)]。当裂缝与溶蚀孔隙混合发育时,使得储集空间的相互沟通,易形成优质储集层。

3 裂缝发育规律与配置关系

3.1 不同岩性的裂缝发育强度

研究发现:①凝灰岩发育直劈扩大缝,且部分裂缝被充填。因此不具有连通性,其所对应的裂缝相为无效裂缝相与直劈扩大缝相。由于凝灰岩、沉凝灰岩是火山岩主要隔层,所以在一定程度上起到了汇水的作用。在其发育直劈扩大缝时增加了裂缝所沟通火山岩储层的溶蚀作用。从而改善火山熔岩储层储集性;②安山岩与英安岩大量发育有效裂缝、溶蚀孔与直劈扩大缝,部分裂缝与溶蚀孔受直劈扩大缝影响从而使得溶蚀作用加大,且后期未被方解石充填,连通性好。所以与之对应的为有效裂缝相、直劈扩大缝相以及溶蚀孔隙相;③火山角砾岩多发育网状缝与溶蚀孔,且相互连通,形成了很好的储集空间,火山角砾岩对应的裂缝相为有效裂缝相和溶蚀孔隙相。

3.2 断层周边为裂缝相发育的密集区

整个中拐凸起,被北部598井断层与南部JL10井南断层所夹持。次一级断层包括有G26井北1号断层、JL11井北断层、

G16井东断层、 JL5井南断层以及JL6井北断层。小断裂更是不计其数。这些断裂伴生的裂缝提高了该研究区火山岩储集层的渗流能力,增加了火山岩与地下流体的反应强度,裂缝的发育程度与火山岩溶蚀程度密切相关,与之对应的FMI裂缝相为有效裂缝相、溶蚀孔隙相、直劈扩大缝相。

图3 典型FMI裂缝相类型

3.3 石炭系风化壳顶部为裂缝相发育的密集区

中拐凸起位于古构造高部位,裸露在地表的火山岩长期受到风化淋滤作用,使得该区火山岩发育有大量的风化裂缝以及溶蚀裂缝。这些裂缝在成岩后期部分被方解石充填或者泥质充填,但在后期受到地层中热液改造,使得原先裂缝中原有充填物质被溶蚀,产生溶蚀裂缝。裂缝的发育程度与火山岩风化淋滤程度密切相关,风化淋滤程度越强,裂缝越发育。而随着深度增加,火山岩风化淋滤程度减弱。裂缝发育逐渐减少。石炭系风化壳对应的FMI裂缝相为有效裂缝相、溶蚀孔隙相。

图4 研究区JL11井裂缝发育规律与FMI裂缝相关系

3.4 裂缝发育的垂向分带性

中拐凸起石炭系火山岩裂缝发育有明显的分带性,整体上分为上部表生裂缝发育带和下部深埋裂缝发育带,与之对应的FMI裂缝相模式也不相同。

(1)表生裂缝带。表生裂缝带主要包括风化壳及以下200 m范围内,其受构造控制明显。由于裂缝发育使得火山岩受到溶蚀作用增强,其有良好的孔隙性与渗透性,形成了该区火山岩优势储集层。与表生裂缝带对应的FMI裂缝相为有效裂缝相、溶蚀孔隙相与直劈扩大缝相。

(2)深埋裂缝带。深埋裂缝带受到上覆压力的影响,在火山岩成岩初期受到构造应力的影响裂缝十分发育,但后期多为方解石等充填形成无效裂缝。深埋裂缝带同时受到地下流体的溶蚀作用使得其多发育有有效缝。与深埋裂缝带对应的FMI裂缝相为无效裂缝相或有效裂缝相。

以该区JL11井为例探讨裂缝发育的控制因素、裂缝发育位置与FMI裂缝相三者之间的关系(见图4):①发育有2套凝灰岩隔层,深度分别为在3 117～3 180 m段与3 199～3 205 m段,有效裂缝较少发育,主要发育有直劈扩大缝;②在表生裂缝带深度3 181～3 199 m段岩性分为安山岩,该井段裂缝十分发育,包括有效裂缝相、溶蚀孔隙相以及直劈扩大缝相。且直劈扩大缝相延伸至上部凝灰岩,使得该井段溶蚀作用增强储层物性变好;③该井毗邻JL11井北断层受构造应力作用裂缝在3 180～3 199 m、3 206～3 243 m、3 279～3 307 m、3 313～3 357 m井段裂缝极为发育,利用统计学方法统计该井平均裂缝密度为1.2条/m;④对比其与表生裂缝带储层物性发现,表生裂缝带由于其受到溶蚀改造储层物性好于深埋裂缝带的安山岩储层物性。实验室分析数据表明,表生裂缝带平均孔隙度为8.65%,平均渗透率为3.75×10-3μm2。而深埋裂缝带平均孔隙度为5.43%,平均渗透率为0.1×10-3μm2。

综上所述,岩性、断层及风化作用控制该区的裂缝发育强度,靠近断层裂缝明显发育,而且裂缝发育程度在垂向上有明显分带性分为上部为表生裂缝带与下部的深埋裂缝带,且裂缝发育模式的不同对储层的改造作用也不尽相同。

4 裂缝相发育模式

对中拐凸起裂缝发育的控制因素进行深入研究,明确了岩性对裂缝发育的影响,在此基础上,提出中拐地区裂缝发育模式。

研究表明,裂缝发育具垂向分带性,包括上部表生裂缝带和下部深埋裂缝带;其FMI裂缝相组合存在差异性;表生裂缝带发育有有效裂缝相、直劈扩大缝相、溶蚀孔隙相。其中直劈扩大缝相为表生裂缝带特有的FMI裂缝相,可作为表生裂缝带的特征相。深埋裂缝带主要发育有效裂缝相,无效裂缝相,相比之下,表生裂缝带裂缝更为发育,储集层储集性能更好。

断层的发育有利于裂缝发育。构造应力一方面制造了原始断层并且伴生裂缝,裂缝连通了原有的无效孔隙,从而改善储层物性;另一方面,产生的裂缝,再次受到地下流体的溶蚀,这种溶蚀对储集层储集性能起到明显的改善作用。

岩石脆性程度是控制裂缝发育的另一个重要因素。对中拐凸起FMI测井资料统计得出:安山岩与英安岩为火山熔岩脆性指数高,裂缝最为发育;凝灰岩、层状凝灰岩与火山角砾岩脆性指数较低裂缝发育较少。

风化淋滤作用同样也是控制裂缝发育的重要因素,风化淋滤程度越强,裂缝越发育。而随着深度增加,火山岩风化淋滤程度减弱,裂缝发育逐渐减少。该区裂缝多发育于石炭系上部表生带。

5 应用效果

利用FMI测井资料,构建中拐凸起火山岩裂缝相发育模式。石炭系上部为表生裂缝带,下部为深埋裂缝带。结合地震曲率预测中拐凸起石炭系裂缝发育特征[见图5(a)]发现在石炭系距顶200 m深度范围,表现为高曲率,裂缝非常发育。而在石炭系底部裂缝基本不发育[见图5(b)],呈零星状分布,说明裂缝在成岩后期被方解石充填程度高。由此可见笔者根据FMI测井资料构建的中拐凸起石炭系裂缝相发育模式与地震资料预测的裂缝发育程度基本吻合,为火山岩裂缝型储集层的勘探开发提供了依据。

图5 中拐凸起火山岩表生带、深埋带裂缝预测平面图

6 结 论

(1)裂缝发育的控制因素主要为岩性、断层及风化淋滤作用。不同岩性FMI测井响应不同,其裂缝发育程度也不同,火山熔岩类的安山岩、英安岩裂缝较火山角砾岩、凝灰岩类更为发育;断层的发育有利于裂缝的形成;顶部风化壳为裂缝主要发育带。

(2)建立了有效裂缝相、无效裂缝相、直劈扩大缝相、溶蚀孔隙相4种FMI测井裂缝相,可以有效表征中拐凸起石炭系火山岩裂缝发育程度。

(3)该研究区石炭系火山岩裂缝发育具有垂向上的分带性,上部表生裂缝带比下部深埋裂缝带裂缝更为发育。且下部深埋裂缝带裂缝多为方解石充填,多为无效裂缝相。

(4)表生裂缝带的直劈扩大缝相、有效裂缝相及溶蚀孔隙相的混合发育对储层物性改造效果更好,更易形成优质储集层。