四川盆地龍門山前構造帶中三疊統雷口坡組四段碳酸鹽巖儲層裂縫形成機理

胡向陽 趙向原 宿亞仙 肖開華 鄧美洲 王瓊仙 劉汝敏

1.中國石化石油勘探開發研究院 2.中國石化中原油田分公司勘探開發研究院3.中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院 4. 中海油田服務股份有限公司油田生產事業部

四川盆地龍門山前構造帶金馬—鴨子河構造中三疊統雷口坡組氣藏是四川盆地繼中壩、磨溪等氣田之后被發現的又一雷口坡組碳酸鹽巖氣藏，該構造部署探井在雷口坡組四段（以下簡稱雷四段）鉆獲高產工業氣流，顯示該領域具有良好的勘探前景[1-4]。勘探實踐表明，雷四段為一套臺緣障壁—（蒸發）潟湖—潮坪相沉積體系，儲層巖相極其復雜，受多期構造及成巖作用綜合影響，儲層中發育多類型、多尺度天然裂縫，裂縫的存在影響著儲層性質、油氣富集及氣藏開發效果[5-8]。因此，闡明雷口坡組天然裂縫特征，弄清裂縫形成機理，對進一步開展裂縫預測、優選開發有利區和井位部署等具有重要意義。為此，筆者綜合利用地質及各類分析測試等資料，在闡明雷四段儲層天然裂縫發育特征的基礎上，結合該區成巖及構造演化特征，對不同類型裂縫的形成機理展開研究。

圖1 研究區構造位置及綜合柱狀地質簡圖

1 地質概況

龍門山前構造帶位于四川盆地西部關口斷裂與彭縣斷裂兩條逆斷層之間[9-10]，研究區位于龍門山前構造帶中南部，即成都凹陷西部（圖1），發育金馬—鴨子河、石羊場兩個完整的次級構造[11-12]。其中，金馬—鴨子河構造為一北東向展布的斷背斜，石羊場構造為一北東向展布的短軸背斜；主要含氣層位為雷四段，可劃分為上、中、下3個亞段。雷四段發育一套臺緣障壁—（蒸發）潟湖—潮坪相碳酸鹽沉積體系，沉積亞相包括潮上帶、潮間帶和潮下帶等類型。潮上帶發育潮上云膏坪、膏云坪、泥云坪/云坪等，潮間帶發育含膏云坪、（藻）云坪、灰云坪、云灰坪等，潮下帶發育灰云坪、云灰坪、灰坪、（藻）砂屑灘等[13-15]（圖1）。該區優勢儲層主要發育在潮間帶的云坪、含灰云坪、藻云坪微相中，巖性主要為微晶云巖、（微）粉晶云巖、（細）粉晶云巖、藻疊層構造云巖、藻黏結構造云巖、（藻）砂屑云巖及紋層狀構造云巖等，儲集空間類型包括晶間孔、不規則溶孔及裂縫[16]，儲層平均孔隙度為3.57%，平均滲透率為6.88 mD，天然裂縫類型多樣，分布規律較為復雜，對氣井產能影響較大。

2 天然裂縫特征

2.1 裂縫成因類型

根據研究區目的層97.5 m巖心裂縫觀察、2 000余張薄片觀察、3口井成像測井裂縫解釋以及川西北馬鞍塘火車站剖面、綿竹玉皇觀剖面等雷口坡組野外露頭觀測點（圖1）裂縫觀察表明，雷四段儲層天然裂縫可分為構造裂縫和成巖裂縫兩種成因類型，其中構造裂縫包括張性裂縫和剪切裂縫（以剪切裂縫為主），按照裂縫的傾角分布還可將構造裂縫進一步分為低角度縫（傾角小于等于30°）、斜交縫（傾角介于30°～60°）和高角度縫（傾角大于60°）；成巖裂縫包括溶蝕縫、構造—溶蝕縫以及縫合線等（圖2～4）。

圖2 巖心觀察雷口坡組儲層天然裂縫照片

圖3 薄片觀察雷口坡組儲層天然裂縫照片

根據巖心及薄片觀察，構造剪切縫形態較為規則，縫面平直光滑、產狀分布穩定且多呈組出現，縫寬分布較為均勻（圖2-a～c、3-a），偶見裂縫呈雁列式排列或共軛剪切分布，巖心觀察可見縫面上發育擦痕和微小陡坎（圖2-d）。張性裂縫形態一般呈不規則彎曲狀，縫面粗糙，縫寬分布不均勻，延伸范圍相對較短（圖3-b）。溶蝕縫在巖心上觀察數量較少（圖2-f），薄片上較常見且多以有機質充填的溶蝕縫為主（圖3-c），部分順層發生選擇性溶蝕而形成的多個窗格孔相互連通也可構成溶蝕縫（圖3-d），溶蝕縫規模一般較小，形態多樣，多呈蛇曲狀、港灣狀、蠕蟲狀等形態，縫面極不規則。構造—溶蝕縫是指已有的構造裂縫在后期酸性水介質的作用下繼續發生溶蝕，改造了構造裂縫的原有形態，使其加長、加寬或加深[17]（圖3-e）。該類裂縫較發育，低角度縫和部分斜交縫在后期發生溶蝕，進而形成了構造—溶蝕縫?？p合線在該區發育程度一般，其形態呈不規則波狀或鋸齒狀，展布方向多與巖心層面（近）平行或呈小角度斜交（圖2-g、3-f）。露頭觀察雷口坡組裂縫較為發育，以構造剪切縫為主，受層控明顯，部分規模較大的裂縫穿層發育，具有多個級次，裂縫面平直規則，成組分布，同組裂縫相互平行且近等間距分布（圖4），不同組裂縫之間表現出相互切割和限制的關系，可見裂縫呈共軛剪切或雁列式排列分布。

圖4 川西北馬鞍塘火車站剖面雷口坡組構造裂縫照片

2.2 裂縫發育特征

根據成像測井裂縫參數解釋結果可知，雷四上亞段儲層構造裂縫的產狀分布較為復雜，走向主要為NE—SW向、 NW—SE向、近S—N向及近E—W向，發育程度依次減弱；絕大多數裂縫為低角度縫（裂縫傾角小于等于30°）和斜交縫（裂縫傾角介于30°～60°），高角度縫（裂縫傾角大于60°）數量相對較少；構造裂縫中大部分為有效裂縫（高導縫），無效裂縫（高阻縫）比例較低，無效裂縫為低角度縫和斜交縫，高角度縫為有效裂縫。巖心測量構造裂縫地表開度一般小于0.5 mm（占68%），不同類型裂縫的開度分布存在一定差異，其中低角度縫開度分布范圍值略大于斜交縫和高角度縫，這可能與低角度縫巖心取至地面后發生較強的重力應力卸載作用有關；薄片測量構造裂縫開度介于20～500 μm。巖心觀察斜交縫和高角度縫縱向高度一般小于40 cm（占89%），少量裂縫規模較大，高度超過2 m；野外露頭觀察裂縫縱向一般小于5 m，少量超過10 m。通過測量并統計野外露頭出露完整的裂縫平面延伸長度可知，高角度縫的平面延伸長度一般不超過70 m（占90%左右），少量規模較大的裂縫長度超過100 m（少于10%），完全切穿出露地表的地層。裂縫分布特征及發育程度上，巖心觀察裂縫線密度介于3～50條/m，低角度縫、斜交縫和高角度縫在縱向上不同層段內的發育具有較強的非均質性；絕大多數構造裂縫主要發育在Ⅱ、Ⅲ類儲層中（孔隙度小于12%）?？傮w上看，低角度縫最為發育，低角度縫縫面與巖心軸向垂直展布并將巖心切割成千層餅狀，斜交縫線密度相對較小，一般不超過15條/m，而高角度縫線密度相對最小，一般不超過5條/m；當巖層同時發育3種產狀的裂縫時，便構成了網狀裂縫（圖2-e），部分網狀裂縫發育的巖心段破碎較為嚴重，統計表明巖心觀察段中網狀裂縫發育段累計厚度占觀察段總厚度的30%左右。

巖心觀察溶蝕裂縫長度多為數厘米級，少量超過10 cm，一般開度較大，可達幾毫米，縫內無充填（圖2-f）。構造—溶蝕縫的規模相對較大，基本與被改造之前的裂縫規模一致。巖心觀察到的縫合線規模均較小，幾乎被有機質全充填，平面上一般貫穿整個巖心，但縱向起伏較小，多小于10 cm（圖2-g）；薄片上觀察到的縫合線一般超出視域范圍，延伸長度為厘米級（圖 3-f）。

3 裂縫形成機理

3.1 裂縫形成期次

雷四段儲層構造裂縫和成巖裂縫均具有多期形成的特點，可以從裂縫交切關系及充填差異性、不同類型構造裂縫產狀特征及與斷層產狀之間的關系、不同類型構造裂縫的有效性分布情況、裂縫分布與儲層物性之間的關系等方面進行分析得到。

3.1.1 裂縫交切關系及充填差異性

通過薄片觀察可以總結出雷四段儲層中不同組（或不同類型）裂縫之間存在多種交切關系及充填差異現象（圖5）。從圖5可觀察到：①切割及錯開關系。多表現為晚期無充填裂縫切割早期被礦物充填的裂縫，甚至造成了早期裂縫發生錯動（圖5-a～d），部分早期（或晚期）裂縫之間也同時存在相互切割及錯開現象，說明早期或晚期裂縫各自還可以進一步劃分為多期（圖5-c）。②追蹤、利用和改造關系。早期形成的裂縫被晚期裂縫追蹤、利用和改造，使得不同期裂縫在充填特征及形態特征上表現出極大的差異性（圖5-e、f）。③限制關系。早期裂縫形成以后，限制了晚期裂縫的進一步延伸和擴展，使晚期裂縫終止在早期裂縫縫面處（圖5-g、h）。早期形成的裂縫多被泥質或礦物充填，充填礦物既有白云石也有方解石；中期裂縫多被有機質充填，且存在一定的溶蝕現象；晚期裂縫多為無充填縫，且大多數為構造裂縫。此外，薄片還可觀察到一類早期（準同生期）形成的沒有被（完全）充填的溶蝕孔（圖5-i），即窗格孔，其主要特點是順藻紋層等發生選擇性溶蝕，當溶蝕作用較強時，多個溶蝕孔相互連接形成溶蝕縫，部分溶蝕縫被有序度低的白云石充填。該類溶蝕孔也是潮坪沉積環境的典型標志之一[18-19]。

3.1.2 不同類型構造裂縫產狀特征及有效性

受彭縣斷裂影響，該區高角度縫與斜交縫的發育特征與斷層展布特征關系密切，多為斷層相關裂縫，包括斷層伴生裂縫和斷層派生裂縫[8]。在擠壓應力環境下，一般可形成與逆斷層同期共生的兩組斷層伴生剪切裂縫，形成裂縫的構造應力場環境與形成斷層的構造應力場相一致，其中一組裂縫走向、傾向均與斷層面相同，而另一組裂縫則與斷層呈共軛剪切關系，其走向與斷層一致而傾向不同，在剖面上表現出與斷層面呈φ角（其中φ/2為內摩擦角）斜交，一般情況下前一組裂縫相對發育。斷層形成以后，在后續構造演化過程中由于兩盤的相對運動導致斷層附近應力場重新分布，產生新的構造裂縫，即斷層派生裂縫，但裂縫發育特征隨斷層兩盤相對運動情況不同而呈現不同特征。對于同一斷層而言，斷層伴生裂縫形成時間相對早于斷層派生裂縫，在這種情況下，形成時間較早的斷層伴生裂縫在埋藏過程中可能更易被充填進而形成無效裂縫，而形成時間較晚的斷層派生裂縫的有效性則相對更好。

依據成像測井裂縫解釋成果，統計分析各井高角度縫與斜交縫的產狀分布特征發現，兩類裂縫在走向和傾向上分別表現出了各自不同的特征，其中P1、Y1井斜交縫走向以NE—SW向為主，其次為近S—N向，裂縫傾向主要為NW向，YS1井斜交縫的走向主要為近S—N向，其次為NW—SE向，傾向為近W傾和NE傾為主；高角度縫僅在P1井較為發育，Y1井發育程度較差，YS1井基本不發育，統計高角度縫走向主要為近E—W向、NE—SW向和NW—SE向，傾向主要以N傾、NNW傾為主（圖6）。對比斜交縫和高角度縫的有效性來看，高角度縫有效性總體上要好于斜交縫。綜合上述不同類型裂縫產狀分布特征與彭縣斷裂帶的展布特征之間的關系及裂縫的有效性差異，并結合裂縫形成的應力機制，可判斷斜交縫主要為形成相對較早的斷層伴生裂縫，高角度縫主要為形成相對較晚的斷層派生裂縫，兩類裂縫的形成存在先后順序。3.1.3 構造裂縫的分布與儲層物性之間的關系

該區構造裂縫主要發育在孔隙度小于12%的Ⅱ、Ⅲ類儲層中，孔隙度大于12%的Ⅰ類儲層中基本不發育構造縫。為減小巖性差異導致的統計學誤差，對白云巖類儲層巖心樣品實測孔隙度與取樣巖心段裂縫線密度進行交會分析，發現高角度縫與斜交縫的發育程度與儲層孔隙度之間存在一定的相關性，表現出儲層孔隙度越大，裂縫密度隨之呈冪函數（指數為負數）減小的特征（圖7-a、b），表明隨著儲層物性變好，高角度縫與斜交縫發育程度越差；低角度縫發育程度與儲層孔隙度之間不具有明顯的相關性（圖7-c）。

上述特征說明了裂縫的主要形成時期與儲層溶蝕作用的主要階段之間存在先后順序。若溶蝕作用發生時間較早，儲層孔隙發育，巖層變得疏松，脆性指數降低，在構造應力場作用下不易發生破裂[20]，對后期構造裂縫的發育程度產生制約作用，導致孔隙越發育的儲層中構造裂縫的發育程度變差；若構造裂縫的形成時間較早，而儲層溶蝕作用發生較晚，先期形成的裂縫為溶蝕流體提供滲流通道，對后期溶蝕的發生起到促進作用，造成裂縫越發育的儲層其物性可能越好。由此可以判斷，雷四段儲層高角度縫和斜交縫的產生時間在主要溶蝕期之后，低角度縫在溶蝕期前后均有形成，反映不同類型裂縫具有多期成因的特點。

綜合上述分析，雷四段儲層裂縫的形成具有多期性，可識別出4期構造裂縫和3期溶蝕孔縫。利用白云石有序度及包裹體分析等測試資料以及薄片觀察資料（構造裂縫與溶蝕孔縫之間的交切關系），結合該區埋藏史、成巖演化階段分析、油氣充注史，對溶蝕孔縫的成因機制和構造裂縫的形成機理進行分析。

3.2 溶蝕孔縫成因機制

根據鑄體薄片、陰極發光、掃描電鏡等分析化驗資料，結合地層埋藏史及構造演化史等研究成果，按照碳酸鹽巖儲層成巖階段劃分標準[21]，可將溶蝕孔縫的形成主要劃分為3期。

3.2.1 第1期：準同生期溶蝕作用形成的溶蝕孔縫

該期形成的孔縫多具有組構選擇性，如鑄模孔、粒間孔和晶間溶孔等。如圖3-d所示，順藻紋層等發生選擇性溶蝕而形成的窗格孔縫被低有序度白云石部分充填，微晶云巖中白云石有序度介于0.51～0.68，平均值為0.59，粉晶云巖中白云石有序度介于0.52～0.73，平均值為0.66，說明溶蝕縫的形成時間較早，為準同生期溶蝕作用的結果。該類溶蝕孔縫保存至今，是該區Ⅰ類優質儲層的主要儲集空間類型之一。

圖6 雷口坡組儲層不同構造部位裂縫產狀特征圖（據趙向原等[8]修改）

圖7 雷口坡組白云巖類儲層裂縫線密度與儲層孔隙度關系圖

3.2.2 第2期：古表生期溶蝕作用形成的溶蝕孔縫

中三疊世末，在印支早期運動的影響下，四川盆地整體發生構造抬升，雷口坡組暴露于海平面之上，存在一定古表生溶蝕作用。此時雷口坡組因構造抬升而形成的裂縫系統為地表大氣淡水下滲提供了通道，形成了具有多類型特征的溶孔、溶洞及溶縫?？梢娋ЯＴ茙r遭受溶蝕，表現出對已有晶間孔、晶緣縫進行溶蝕，擴大原有的孔縫，還可表現出沿白云石節理發生溶蝕，形成微孔縫，甚至被解體成碎粒及粉末，該類孔縫大部分也被保存至今成為儲層中的有效孔隙。此外，可見部分溶蝕縫被粗晶方解石充填、溶蝕垮塌充填及溶縫被滲流砂充填等（圖8-a、b），該類裂縫由于被充填有效性變差。實際上，古表生期溶蝕作用形成的孔洞縫在后續的演化過程中雖有部分被充填、膠結而遭到破壞，卻為晚期埋藏溶蝕的發生以及進一步對儲層進行改造提供了有利條件，使得晚期溶蝕性流體沿孔縫邊緣再次發生溶蝕擴大，為優質儲層的形成提供了有利條件。

3.2.3 第3期：埋藏期溶蝕作用形成的溶蝕孔縫

據包裹體均一溫度測試結果，埋藏期溶蝕可進一步分為3期，第Ⅰ期為中成巖早期，為有機酸和CO2流體溶蝕，溫度為90～130 ℃；第Ⅱ期為中成巖晚期，為含H2S流體溶蝕，溫度為135～170 ℃；第Ⅲ期為晚成巖階段，為深部熱液溶蝕，溫度為180～210 ℃。鏡下觀察可見埋藏期鞍形白云石及其溶蝕（圖8-c）、白云石被瀝青充填且發生溶蝕（圖8-d）、溶蝕孔縫邊緣可見高溫石英礦物（圖8-e）、表生期形成的滲流砂被溶蝕（圖8-f）等多類埋藏期溶蝕現象。

圖8 鏡下觀察雷口坡組儲層古表生期及埋藏期溶蝕照片

3.3 構造裂縫成因機制

川西地區海相層系主要經歷了3大構造發展階段：揚子地臺基底形成階段（呂梁—晉寧運動）、揚子地臺及其周緣盆地形成演化階段（加里東—印支早期）和前陸盆地形成演化和盆山耦合階段（印支晚期—喜馬拉雅期）[22-23]，雷口坡組沉積以后主要經歷了第3階段。綜合構造演化史、埋藏史、裂縫交切關系及充填差異性等認識，可將雷四段儲層構造裂縫的形成期次劃分為4期。

3.3.1 第1期：印支晚期第二幕（諾利期）

該期特提斯洋封閉，松藩—甘孜海槽、龍門山臺緣凹陷回返，構造反轉、造山成盆，此時川西進入前陸盆地形成和演化階段[24]。研究區形成寬緩背斜，形成數量不多的構造裂縫（包括張性裂縫和剪切裂縫），裂縫形成后在后續成巖演化過程中多被白云石及方解石充填，部分裂縫被后期成巖裂縫切割。該期所形成的構造裂縫數量相對較少，非研究區裂縫的主要形成時期。

3.3.2 第2期：印支晚期第三幕（瑞替期）—燕山早中期

松藩—甘孜褶皺帶、龍門山推覆構造帶斷塊隆生向東南推覆、左行走滑、遭受剝蝕，川西前陸盆地轉化為陸內淺坳盆地[25]。該時期研究區寬緩背斜持續演化，在北西向擠壓應力作用下，彭縣斷裂等烴源巖斷裂形成，受斷裂影響，在研究區形成了一系列走向和傾向與彭縣斷裂近一致的構造裂縫和順層滑脫作用產生的低角度剪切裂縫，其中高角度縫和斜交縫的走向與斷層基本一致（以NE—SW向為主）。該期間形成較早的裂縫在成巖演化過程中被方解石等礦物充填，形成較晚的裂縫由于與海相烴源巖生烴高峰期匹配較好，斷裂和裂縫的形成為油氣運移提供通道，使得裂縫再次被有機質充填或被有機酸溶蝕，薄片可見本期裂縫被后期無充填裂縫切割（圖5-b）。

3.3.3 第3期：燕山中期—燕山晚期

在持續的北西向擠壓應力作用下，古龍門山崛起，川西再生前陸盆地繼承性發展；龍門山推覆構造帶斷塊繼續隆生向東南推覆，彭縣斷裂不斷向西南延伸擴展[26]。該時期研究區繼續發育一系列順層的低角度剪切裂縫和主要受彭縣斷裂影響的構造裂縫，裂縫走向包括NE—SW向、近E—W向及NW—SE向。低角度裂縫縫面兩側存在剪切滑動，縫面上見到的微小陡坎和劃痕的形成與構造擠壓作用下斷層的逆沖作用或層間滑動造成的近水平剪切作用有關（圖2-d）。該期裂縫縫面有溶蝕現象，裂縫多被有機質充填或無充填，有效性較好，裂縫被后期無充填裂縫切割或限制后期裂縫發展。

3.3.4 第4期：喜馬拉雅期

進入喜馬拉雅期，受南北大陸的持續匯聚作用及印度大陸向北碰撞和向東的推擠，龍門山強烈隆升，沖斷推覆與右行走滑，川西坳陷區強烈上隆褶皺，進入以剝蝕為主的發展階段；喜馬拉雅晚期，龍門山區繼續強烈抬升，逆沖推覆、滑覆，遭受剝蝕[26]。在該構造作用下，形成了以NE—NEE向及近E—W向為主的高角度構造裂縫及低角度剪切裂縫（巖心可見高角度構造縫限制低角度縫現象），絕大多數裂縫為有效裂縫，薄片可見存在兩期無充填構造裂縫相互切割或限制（圖5-c）。

圖9 雷四段儲層溶蝕作用期次及構造裂縫形成期次序列圖

綜上所述，根據確定的成巖裂縫和構造裂縫形成期次，結合該區埋藏史及成巖演化等研究成果，繪制了雷四段儲層裂縫形成期次序列圖（圖9）。從圖9中可以看出，多期構造裂縫與溶蝕孔縫的主要形成時期相互穿插，不同期次、不同類型的裂縫在儲層中總體上表現出相互切割、限制及各期裂縫有效性存在差異性的特征，形成了儲層中較為復雜的裂縫系統。其中第1期和第2期構造裂縫在形成以后，經歷了第3期埋藏溶蝕作用，使部分構造裂縫發生溶蝕改造，形成構造—溶蝕縫，提高了裂縫滲流能力，對改善儲層物性具有積極影響。

4 結論

1）四川盆地龍門山前構造帶雷四段碳酸鹽巖儲層主要發育構造裂縫和成巖裂縫兩種成因類型，其中構造裂縫包括張性裂縫和剪切裂縫，以低角度剪切縫為主，高角度縫的有效性明顯好于低角度縫和斜交縫；成巖裂縫包括溶蝕縫、構造—溶蝕縫以及縫合線。構造裂縫規模大、延伸范圍廣，對氣藏開發具有重要影響；成巖裂縫規模相對較小，對改善儲層局部物性具有積極意義。

2）溶蝕裂縫主要在準同生期溶蝕作用、古表生期溶蝕作用及埋藏期溶蝕作用下形成，可識別出3期；構造裂縫主要在印支晚期第二幕川西構造反轉擠壓條件下，印支晚期第三幕—燕山早中期、燕山中期—燕山晚期龍門山和喜馬拉雅期龍門山構造帶持續演化下北西向推覆擠壓應力作用下形成，可識別出4期。

3）構造裂縫與成巖裂縫在各主要形成時期相互穿插、相互切割、限制，形成了儲層中復雜的裂縫系統。