呂文雅，苗鳳彬，張本鍵，曾 琪，徐 翔,季 敏

[1.油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(北京)，北京 102249； 2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205； 4.中國石油 西南油氣田分公司 川西北氣礦，四川 江油 621709;5.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083]

隨著能源需求日益增長，常規(guī)油氣資源逐漸遞減，砂礫巖儲層等油氣資源逐漸成為油氣勘探的新領(lǐng)域。中國砂礫巖儲層分布廣泛，如新疆準噶爾盆地、克拉瑪依油田、渤海灣盆地、二連盆地、大慶油田徐家圍子斷陷及四川盆地北部等地均有分布[1-2]。通常砂礫巖儲層致密、非均質(zhì)強、分布復雜，裂縫發(fā)育[1-3]。裂縫是致密礫巖儲層重要的儲集空間和滲流通道，影響著致密礫巖儲層的油氣成藏、富集和高產(chǎn)[4-5]。弄清致密礫巖儲層天然裂縫的發(fā)育特征及對產(chǎn)能的貢獻，可以為致密礫巖儲層油氣的探勘開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

前人對致密礫巖儲層的沉積特征、儲層特征、主控因素、致密化成因、有利儲層成因及高產(chǎn)控制因素進行了研究[6-12]，一些學者對致密礫巖儲層裂縫的分布特征、控制因素、預測方法及其貢獻也開展了一些研究工作[3-5,13-14]，相對而言，對致密礫巖儲層的裂縫研究較少。目前，對四川盆地劍閣地區(qū)研究主要集中在古隆起的基本特征、成因及演化和致密砂巖儲層的層序演化、沉積與儲層特征[15-30]，而對須家河組致密礫巖儲層尚未開展系統(tǒng)的裂縫研究。本文綜合利用地表相似露頭、巖心、薄片、測井和生產(chǎn)動態(tài)等資料，在對四川盆地劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層天然裂縫發(fā)育特征研究的基礎(chǔ)上，探討了天然裂縫對天然氣產(chǎn)能的影響，可以為該地區(qū)致密礫巖儲層天然氣的有效勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)，同時為致密礫巖儲層天然裂縫研究提供一個實例。

1 地質(zhì)概況

劍閣地區(qū)位于四川盆地川西地區(qū)北部，北臨米倉山臺緣隆起帶，西接龍門山推覆斷褶構(gòu)造帶，位于秦嶺造山帶與上揚子陸塊北緣接合部的米倉山臺緣隆起斷褶構(gòu)造帶前緣和川北平緩構(gòu)造帶[15-17](圖1)。

圖1 四川盆地劍閣地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 The map of regional tectonic location of Jiang’e area,Sichuan Basin

川西北地區(qū)須家河組三段(須三段)沉積時期在龍門山前發(fā)育沖積扇，劍閣地區(qū)主要為扇三角洲-湖泊的沉積環(huán)境，主要發(fā)育扇三角洲前緣亞相和濱淺湖亞相[19,21]。根據(jù)地表露頭、地震、鉆井和測井資料，上三疊統(tǒng)須家河組自下而上分為須一段至須五段，共5段，因后期抬升剝蝕作用強烈，劍閣地區(qū)大部分地區(qū)發(fā)育須一至須四段，缺少須五段[21]。其中須一段主要為黑色頁巖、泥巖與灰色細砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖及薄層煤層；須二段為一套巨厚的淺灰色塊狀中、細粒砂巖夾薄-中厚層狀頁巖及煤線組成；須三段厚度穩(wěn)定，以薄-中厚層狀巖屑砂巖，礫巖與泥頁巖不等厚互層；須四段頂部為灰云屑砂巖和黑色頁巖互層，中上部灰云屑砂巖夾頁巖，下部夾黑色頁巖與細?；以菩忌皫r互層夾褐灰色礫巖，底部為大套礫巖夾薄層石英砂巖；須五段主要為黑色頁巖和泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖、細砂巖和薄層煤層[21-22]。近期，在劍閣地區(qū)須二段、須三段和須四段測試均獲得工業(yè)氣流，顯示良好的勘探開發(fā)前景[17,21]。

劍閣地區(qū)須家河組礫巖儲層主要分布在須三段和須四段中。根據(jù)巖心和測井資料，須家河組單層礫巖厚度一般較小，砂地比大約為40%，以泥巖層為主夾薄層礫巖。根據(jù)樣品物性分析結(jié)果，致密礫巖儲層孔隙度主要分布在1%～3%，最高可達8%，滲透率主峰值分布在0.001×10-3μm2～0.01×10-3μm2，屬于低孔極致密儲層。

更新世以來的構(gòu)造應力場即現(xiàn)今應力場可用震源機制解、井徑崩落法、誘導裂縫、水力壓裂及聲發(fā)射等方法來測得[23-28]。根據(jù)成像測井資料反映的誘導裂縫方位，劍閣地區(qū)須家河組現(xiàn)今應力場最大主應力為NWW-SEE至近EW方向，優(yōu)勢方向為280°(圖2)。劍閣地區(qū)現(xiàn)今地應力方向主要受龍門山構(gòu)造活動的影響，米倉山構(gòu)造活動對其影響較小[29]。

2 礫巖儲層裂縫類型與發(fā)育特征

通過地表相似露頭、巖心、薄片和成像測井資料分析，四川盆地劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層中發(fā)育的裂縫根據(jù)裂縫與礫巖顆粒之間的關(guān)系，可分為穿礫縫、礫緣縫和礫內(nèi)縫(表1；圖3)；根據(jù)裂縫的地質(zhì)成因，可分為在構(gòu)造應力場作用形成的構(gòu)造裂縫、在構(gòu)造應力場作用下成巖過程中形成的構(gòu)造-成巖裂縫以及在早期母巖中形成的母巖裂縫[4]。

穿礫縫切穿礫石顆粒，縫面平直，延伸較長，可達數(shù)十米，具有方向性明顯、分布規(guī)則的特征，在地質(zhì)成因上為構(gòu)造裂縫(表1)。根據(jù)地表相似露頭和成像測井資料，劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層主要發(fā)育近EW向、近NS向、NW-SE向和NE-SW向4組穿礫縫(圖4)，以高角度和低角度為主。通過對研究區(qū)微觀薄片觀察和統(tǒng)計分析，大部分穿礫縫沒有被充填，少數(shù)穿礫縫被瀝青、方解石、炭質(zhì)和泥質(zhì)等充填；在數(shù)量上，穿礫縫較發(fā)育，占礫巖裂縫總數(shù)的39%(圖5a)；穿礫縫面密度為90 m/m2，反映穿礫縫較發(fā)育(圖5b)；薄片上穿礫縫延長長度一般為數(shù)厘米，穿礫縫開度一般小于50 μm，主要分布在20～30 μm；根據(jù)Monte Carlo方法[30-32]，穿礫縫孔隙度主要分布在1.0%～3.0%，平均為1.43%(圖5c)，穿礫縫滲透率一般小于1×10-3μm3，部分穿礫縫滲透率達數(shù)十毫達西。

圖2 劍閣地區(qū)現(xiàn)今最大水平主應力方向玫瑰花圖Fig.2 The rose diagram showing the present-day maximum horizontal principal stress direction in Jian’ge area

表1 劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層裂縫分類Table 1 Fracture types of the tight conglomerate reservoirs in the Xujiahe Formation in Jian’ge area

礫緣縫一般沿著礫石顆粒邊緣分布，其形態(tài)與礫石顆粒形態(tài)有關(guān)，是強烈的機械壓實、壓溶作用、溶蝕作用和后期構(gòu)造擠壓作用共同作用的結(jié)果，在地質(zhì)成因上為構(gòu)造-成巖裂縫(表1)。通過對劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層的微觀薄片觀察和統(tǒng)計分析，大部分礫緣縫沒有被充填，少數(shù)被方解石、瀝青、炭質(zhì)和泥質(zhì)等充填；在數(shù)量上，礫緣縫數(shù)量最少，占礫巖裂縫總數(shù)的4%(圖5a)；礫緣縫面密度小于10 m/m2，反映礫緣縫相對不發(fā)育(圖5b)；礫緣縫開度一般小于10 μm；根據(jù)Monte Carlo方法[30-32]，礫緣縫孔隙度一般小于0.1%(圖5c)，其滲透率一般小于0.1×10-3μm3。

圖3 劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層裂縫照片F(xiàn)ig.3 Pictures of fractures in the tight conglomerate reservoirs in the Xujiahe Formation in Jian’ge areaa.地表露頭礫巖裂縫，須家河組； b.薄片礫巖裂縫，JM103井，埋深4 455.7 m，紅色為樹膠； c.巖心礫巖裂縫，JM104井，埋深4 232.05～4 232.15 m，箭頭指示裂縫

圖4 劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層裂縫走向玫瑰花圖Fig.4 The rose diagram showing the strike of the tight conglomerate reservoir fractures in the Xujiahe Formation in Jian’ge area

礫內(nèi)縫是指裂縫在礫石顆粒內(nèi)部發(fā)育，終止在礫石顆粒內(nèi)部或礫石邊緣，延伸較短。不同形態(tài)的礫內(nèi)縫其地質(zhì)成因亦存在差異，其中與穿礫縫平行的礫內(nèi)縫，縫面平直，具有明顯的方向性，表現(xiàn)為與穿礫縫同期形成的裂縫，為構(gòu)造作用形成的裂縫，在地質(zhì)成因上為構(gòu)造裂縫(表1；圖3c)；其次，部分礫內(nèi)縫垂直于礫石接觸面，延伸較短，沒有明顯的方向性，為構(gòu)造和成巖作用共同作用形成的裂縫，在地質(zhì)成因上為構(gòu)造-成巖裂縫(圖3b)；此外，少數(shù)礫內(nèi)縫無規(guī)則分布在礫石顆粒內(nèi)部，無明顯的規(guī)律，且被石英完全充填，這類裂縫形成時期早于構(gòu)造裂縫和構(gòu)造-成巖裂縫，為早期母巖中形成的裂縫，在地質(zhì)成因上為母巖裂縫[4]。通過對劍閣地區(qū)須家河組礫巖儲層的微觀薄片觀察和統(tǒng)計分析，大部分礫內(nèi)縫沒有被充填，少數(shù)礫內(nèi)縫被瀝青、石英、方解石、炭質(zhì)和泥質(zhì)等充填；在數(shù)量上，礫內(nèi)縫的數(shù)量最多，占礫巖裂縫總數(shù)的55%(圖5a)；礫內(nèi)縫面密度為40 m/m2，反映礫內(nèi)縫較發(fā)育(圖5b)；薄片上，礫內(nèi)縫延伸長度一般為數(shù)微米至數(shù)百微米；礫內(nèi)縫開度一般小于10 μm；根據(jù)Monte Carlo方法[30-32]，礫內(nèi)縫孔隙度主要分布在0.08%～0.2%，平均為0.12%(圖5c)，其滲透率一般小于0.1×10-3μm3。

圖5 劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層微觀裂縫頻率、面密度和孔隙度分布(n=111)Fig.5 The frequency, areal density and porosity distribution of microfractures of the tight conglomerate reservoirs in the Xujiahe Formation in Jian’ge area(n=111) a.裂縫頻率分布直方圖；b.裂縫面密度分布直方圖；c.裂縫孔隙度分布直方圖

3 裂縫對天然氣產(chǎn)能的影響

生產(chǎn)動態(tài)資料顯示，劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層單井產(chǎn)能差異較大。通過分析劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層主要測試產(chǎn)氣段的電成像測井資料和巖心裂縫資料，在主要的產(chǎn)氣層段天然裂縫普遍發(fā)育，且裂縫有效性好，少數(shù)裂縫被充填；而氣測顯示差的井段，通常裂縫發(fā)育程度差。如JM1井須三段儲層中A段，測井顯示儲層物性好，錄井顯示日產(chǎn)氣9.0×104m3，電成像測井顯示A段裂縫發(fā)育，且裂縫未被礦物充填，為有效裂縫；而B段測井顯示儲層物性差，錄井顯示無氣測異常，成像測井顯示B段裂縫不發(fā)育(圖6)。這表明有效裂縫對致密礫巖儲層的天然氣產(chǎn)能起重要的控制作用。

不同類型天然裂縫的發(fā)育特征存在較大差異，對致密礫巖儲層的貢獻也不相同。礫緣縫數(shù)量最少，規(guī)模和開度較小，其面密度和孔隙度小于穿礫縫和礫內(nèi)縫，其滲透率遠低于穿礫縫；雖然礫內(nèi)縫數(shù)量比穿礫縫數(shù)量多，但是由于礫內(nèi)縫規(guī)模和開度較小，而穿礫縫的規(guī)模和開度較大，礫內(nèi)縫的面密度和孔隙度明顯比穿礫縫低，礫內(nèi)縫的滲透率較穿礫縫低。與致密礫巖儲層基質(zhì)孔隙度和滲透率相比，穿礫縫、礫內(nèi)縫和礫緣縫增加了致密礫巖儲層的儲集空間，提高了致密礫巖儲層的滲透性，尤其是穿礫縫極大提高了致密礫巖儲層的滲透性，同時高角度和低角度穿礫縫交織構(gòu)成了滲流網(wǎng)絡。這說明穿礫縫是致密礫巖儲層的有效滲流通道和重要的儲集空間，礫內(nèi)縫和礫緣縫溝通了基質(zhì)孔隙，提高了致密礫巖儲層的連通性，是致密礫巖儲層重要的儲集空間。相對礫內(nèi)縫和礫緣縫而言，穿礫縫對致密礫巖儲層滲流的貢獻更大，更有利于致密天然氣的富集高產(chǎn)。

天然裂縫發(fā)育程度直接影響天然氣產(chǎn)量，裂縫發(fā)育程度越高，產(chǎn)氣量越高；反之，裂縫發(fā)育程度越低，相應的產(chǎn)氣量越低。當裂縫發(fā)育程度相近時，裂縫開度和裂縫發(fā)育方位的不同，天然氣產(chǎn)能亦存在差異。如JM1井和LG61井產(chǎn)氣層段裂縫密度分別為1.1條/m和1.0條/m，裂縫發(fā)育程度相似，而產(chǎn)氣量存在較大差異，其中JM1井的產(chǎn)氣量為9×104m3/d，LG61井的產(chǎn)氣量為4.9×104m3/d。分析發(fā)現(xiàn)JM1井產(chǎn)氣層段主要發(fā)育近EW向裂縫，其次為NW-SE向裂縫，平均裂縫開度為62 μm，而LG61井產(chǎn)氣層段主要發(fā)育近EW向和NS向裂縫，其次為NW-SE向裂縫，平均裂縫開度為55 μm(圖7)。

JM101井和JM104井產(chǎn)氣層段裂縫密度分別為1.3條/m和1.2條/m，裂縫發(fā)育程度相似，而產(chǎn)氣量存在較大差異，其中JM101井的產(chǎn)氣量為21.27×104m3/d，JM104井的產(chǎn)氣量為3.39×104m3/d。分析發(fā)現(xiàn)JM101井產(chǎn)氣層段主要發(fā)育近EW和NS向裂縫，平均裂縫開度為73 μm，JM104井產(chǎn)氣層段發(fā)育四組裂縫，其中以近EW向為主，其次為NW-SE向、NS向和NE-SW向裂縫，平均裂縫開度為70 μm。這說明當裂縫發(fā)育程度相似，裂縫開度和裂縫發(fā)育的方位存在差異，其對天然氣產(chǎn)能的貢獻存在差異。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，劍閣地區(qū)須家河組主要產(chǎn)氣層裂縫開度與產(chǎn)氣量呈正相關(guān)，裂縫開度越大，產(chǎn)氣量越高。為了進一步綜合反映裂縫發(fā)育程度和開度對天然氣產(chǎn)量的貢獻，本文將裂縫開度和裂縫密度的乘積定義為裂縫有效性指數(shù)。通過統(tǒng)計表明，劍閣地區(qū)須家河組主要目的層的天然氣產(chǎn)量與裂縫有效性指數(shù)之間呈較好的指數(shù)關(guān)系，裂縫有效性指數(shù)越大，產(chǎn)氣量越高(圖8)。

圖6 劍閣地區(qū)JM1井須三段產(chǎn)氣情況與裂縫發(fā)育情況對比Fig.6 The comparison of gas production and fracture development in the 3rd member of Xujiahe Formation in Well JM1 in Jian’ge areaA段裂縫發(fā)育，物性較好，日產(chǎn)氣9.031 6×104 m3；B段裂縫不發(fā)育，無氣測異常

圖7 劍閣地區(qū)各井須三段主要產(chǎn)氣層產(chǎn)氣量與裂縫特征Fig.7 The gas production and fracture characteristics of the major gas pay zones in the 3rd member of Xujiahe Formation in Jian’ge areaa.不同井產(chǎn)氣量分布；b.不同井裂縫密度分布；c.不同井平均裂縫開度分布；d.不同井裂縫走向分布

圖8 劍閣地區(qū)須三段主要產(chǎn)氣層裂縫有效性指數(shù)與產(chǎn)氣量關(guān)系Fig.8 The relationship between the fracture effectiveness index and the gas production of the major gas pay zones in the 3rd member of Xujiahe Formation in Jian’ge area

JM107井產(chǎn)氣層段裂縫密度為1.6條/m，稍大于JM101井產(chǎn)氣層段裂縫密度(1.3條/m)，但JM107井的產(chǎn)氣量(20×104m3/d)略低于JM101井的產(chǎn)氣量(21.27×104m3/d)，分析發(fā)現(xiàn)JM107井主要發(fā)育近EW向裂縫，其次為NW-SE向和近NS向裂縫，平均裂縫開度為72 μm，而JM101井主要發(fā)育近EW向裂縫和NS向裂縫，平均裂縫開度為73 μm(圖7)。這說明雖然裂縫的平均開度相近，但由于發(fā)育裂縫的方位存在差異，而不同方向裂縫的有效性存在差異，其對天然氣產(chǎn)能的貢獻存在差異。這是由于在現(xiàn)今地應力作用下，當化學成巖作用較弱時，不同方向裂縫的有效性存在差異[31,33-35]。受現(xiàn)今應力場(優(yōu)勢方位為280°，圖2)的影響，近EW向裂縫地下開度大，連通性好，有效性好，為主滲流方位，其次為NW-SE向和近NS向裂縫，而NE-SW向裂縫有效性較差，對滲流的影響較小。

通過統(tǒng)計劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層主要產(chǎn)氣層段裂縫方位的分布情況，其中以近EW向裂縫為主，占裂縫總數(shù)的50%；其次為NS向和NW-SE向裂縫，分別占裂縫總數(shù)的29%和18%；NE-SW向裂縫相對較少，占裂縫總數(shù)的3%。通過上述分析表明，研究區(qū)致密礫巖儲層近EW向裂縫有效性最好，發(fā)育程度最高，對天然氣產(chǎn)能的貢獻最大，其次為NS向和NW-SE向裂縫，NE-SW向裂縫有效性較差，發(fā)育程度較差，對產(chǎn)能的貢獻相對較小。研究區(qū)JM102井產(chǎn)氣層段裂縫較發(fā)育，主要發(fā)育近EW向裂縫，其次為近NS向裂縫，NW-SE向和NE-SW向裂縫相對不發(fā)育，平均裂縫開度較大為80 μm，該井為高產(chǎn)井，產(chǎn)氣量達101.79×104m3/d(圖7)。

4 結(jié)論

1) 四川盆地劍閣地區(qū)須家河組致密礫巖儲層裂縫可以分為穿礫縫、礫內(nèi)縫和礫緣縫。主要發(fā)育近EW向、近NS向、NW-SE向和NE-SW向4組裂縫。

2) 不同類型裂縫對儲層及天然氣產(chǎn)能的貢獻存在差異。穿礫縫是致密礫巖儲層的有效滲流通道和重要的儲集空間，礫內(nèi)縫和礫緣縫是致密礫巖儲層重要的儲集空間；較礫內(nèi)縫和礫緣縫，穿礫縫對致密礫巖儲層的貢獻更大，更有利于致密天然氣的富集高產(chǎn)。

3) 裂縫發(fā)育程度、裂縫開度及主滲流裂縫方位控制了致密礫巖儲層的天然氣產(chǎn)能。裂縫發(fā)育程度和裂縫開度與產(chǎn)氣量均呈正相關(guān)，裂縫密度和裂縫開度越大，產(chǎn)氣量越高；在現(xiàn)今地應力作用下，近EW向裂縫地下開度大，連通性好，有效性好，為主滲流方位，發(fā)育程度最高，對天然氣產(chǎn)能的貢獻最大，其次為NW-SE向和近NS向裂縫，NE-SW向裂縫有效性較差，發(fā)育程度較差，對產(chǎn)能的貢獻相對較小。