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黔北地區(qū)龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育特征及地質意義

2021-11-25 06:22谷陽徐晟張煒徐佳佳翟中楊
斷塊油氣田 2021年6期
關鍵詞:龍馬層理褶皺

谷陽 ,徐晟 ,張煒 ,徐佳佳 ,翟中楊

(1.中國地質調查局地學文獻中心,北京 100083;2.中國地質圖書館,北京 100083;3.中國石油華北油田分公司第四采油廠,河北 廊坊 062550)

頁巖儲層具有低孔、低滲、極為致密等特點,儲層中的基質孔隙一般不具備滲流能力,主要滲流通道來自裂縫。國內外頁巖氣成功開采經驗表明,當頁巖中天然裂縫發(fā)育程度較高時,在水力壓裂過程中有利于形成大規(guī)模的縫網(wǎng),有效改善頁巖儲層條件。頁巖儲層中裂縫的發(fā)育有效改善了儲層的滲透性,其發(fā)育程度和含氣量有較好的對應關系,因此頁巖裂縫的發(fā)育程度在某種程度上說是頁巖氣藏高產的關鍵[1-5]。目前,眾多學者在頁巖裂縫的發(fā)育特征、主控因素及分布規(guī)律等方面開展了廣泛研究,并取得了大量成果[6-10]。但中國南方復雜構造區(qū)受多期構造活動的影響,褶皺變形強烈,造成斷裂系統(tǒng)發(fā)育、地應力和天然裂縫分布不清,導致南方復雜構造區(qū)古生界海相頁巖氣開采效果不佳,頁巖氣單井產能相差較大[11-13]。本文以黔北地區(qū)鳳岡區(qū)塊下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖為例,對頁巖裂縫發(fā)育特征、頁巖氣保存條件影響機制進行深入研究,以期對中國南方復雜構造區(qū)古生界海相頁巖氣的勘探開發(fā)具有一定的指導作用。

1 區(qū)域概況

鳳岡區(qū)塊構造主體位于揚子板塊西南緣,是以前震旦系為基底的準克拉通板塊(見圖1)。北部緊鄰四川盆地南緣,東南部為華南造山帶。研究區(qū)內褶皺變形強烈,斷裂系統(tǒng)發(fā)育,斷裂之間相互干擾、聯(lián)合和切割現(xiàn)象明顯,主要發(fā)育北北東向和北東向斷裂。受加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期構造運動影響,先存斷裂被持續(xù)改造,導致多組斷裂之間交切關系十分復雜。經歷印支期和燕山期2次大的抬升剝蝕,累計剝蝕厚度超過5 km,龍馬溪組頁巖受構造抬升剝蝕影響嚴重,僅在務川復向斜內部及研究區(qū)西部零星分布。

圖1 研究區(qū)位置

鳳岡區(qū)塊龍馬溪組頁巖具有良好的生氣潛力??傆袡C碳質量分數(shù)平均為2.65%;礦物組分以石英為主,質量分數(shù)在23%~68%,平均為38.2%;碳酸鹽礦物質量分數(shù)平均為21.5%;黏土礦物質量分數(shù)平均為21.4%,伊/蒙混層和伊利石占80.5%(見圖2)。研究區(qū)龍馬溪組頁巖的礦物組分與Barnett頁巖類似,表明研究區(qū)龍馬溪組頁巖儲層具備良好的可改造條件[14]。

圖2 研究區(qū)永參2井綜合柱狀圖

2 頁巖裂縫發(fā)育特征

2.1 野外露頭裂縫發(fā)育特征

對研究區(qū)內10處下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖露頭觀察發(fā)現(xiàn),野外露頭天然裂縫類型主要為區(qū)域構造縫、褶皺相關裂縫、斷層相關裂縫、風化裂縫及層理縫。

區(qū)域構造縫在區(qū)域上一般具有一定的方向性和規(guī)律性,經常存在縫面較平直、延伸較遠、穿層現(xiàn)象明顯、與巖層面呈高角度相交或垂直層面、裂縫寬度變化較大等特點(見圖3a)。同一層面上區(qū)域構造縫呈多組系出現(xiàn),部分大型裂縫穿層現(xiàn)象明顯,主要為未充填裂縫,可見2組裂縫相互切割,未充填縫切割錯斷方解石充填縫(見圖3b)。

圖3 研究區(qū)野外天然裂縫發(fā)育特征

褶皺與斷層的形成過程中通常存在同期形成的伴生縫和晚期形成的派生縫。研究區(qū)處在南方復雜構造區(qū),受區(qū)域或局部擠壓作用形成不同規(guī)模的褶皺構造,在褶皺的核部及相鄰的翼部主要發(fā)育剪切裂縫(見圖3c),而在褶皺的轉折端由于地層彎曲而產生張應力,因此,在褶皺的轉折端附近張性裂縫較為發(fā)育(見圖3d)。這類裂縫的發(fā)育規(guī)模不同,部分裂縫發(fā)育在層內,而部分裂縫則切穿多個層系。在野外露頭中較大規(guī)模的斷層附近可見與其伴生的裂縫,成組系分布于斷面附近,與斷面呈大角度或垂直相交,延伸不遠,以未充填縫為主,部分見方解石和石英等礦物充填;在局部剪切應力下形成的斷層附近頁巖脆性破裂明顯,周圍裂縫發(fā)育(見圖3e)。此外,可見龍馬溪組頁巖發(fā)育薄層狀層理縫及中層狀層理縫(見圖3f),其抗風化能力較弱,容易在重力卸載、雨水淋濾、風化剝蝕等作用影響下,沿頁巖層理面發(fā)生破碎,形成風化裂縫[15-16]。

對野外露頭剖面中龍馬溪組頁巖構造裂縫的實測統(tǒng)計表明:裂縫走向以北東向為主,其次為近南北向和北西向,多見高角度裂縫和垂直裂縫(見圖4)。利用聲發(fā)射結果,結合區(qū)域應力分析,確定了研究區(qū)現(xiàn)今最大主應力為45 MPa,最小主應力為33 MPa。利用聲波各向異性和FMI成像測井,分析得出現(xiàn)今水平最大主應力的方向為北東東—南西西。對研究區(qū)應力場情況、構造演化史、斷裂體系特征分析表明,北東向裂縫主要形成于燕山運動時期,而近南北向和北西向裂縫分別形成于武陵運動—雪峰運動時期和志留紀末的廣西運動時期[17-20]。

圖4 研究區(qū)龍馬溪組頁巖野外露頭裂縫統(tǒng)計

2.2 巖心裂縫發(fā)育特征

對研究區(qū)內YC-1井、YC-2井、YC-3井龍馬溪組頁巖巖心裂縫特征進行統(tǒng)計表明,研究區(qū)龍馬溪組巖心裂縫以構造縫為主。但是通過對研究區(qū)內巖心觀察發(fā)現(xiàn),受構造部位和局部應力影響,巖心裂縫發(fā)育存在著明顯的差異性,其中YC-3井主要發(fā)育高角度構造縫,而YC-1井、YC-2井以低角度滑脫縫、層理縫及層間縫為主。構造裂縫中的高角度剪性裂縫,一般以高角度和垂直縫為主,縫面平直,延伸較遠,多數(shù)被方解石充填(見圖5a)。研究區(qū)受多期構造運動影響,發(fā)育相互交切的多組裂縫,后期裂縫對早期裂縫進行切割改造(見圖5b),受斷裂改造的影響,斷裂內部結構發(fā)育,包括斷層泥和破碎帶(被方解石充填)(見圖5c)。

圖5 研究區(qū)巖心裂縫發(fā)育特征

高角度扭性縫。按其成因可分為張扭性縫和壓扭性縫,縫面多不平直,形態(tài)類似縫合線,主要為垂直縫或高角度構造縫,多被方解石充填(見圖5d)。

張性縫。張性縫是在拉張伸展背景下形成的構造縫,縫面參差不齊,常成組系出現(xiàn),并在周圍存在多組伴生裂縫,多被礦物充填(見圖5e)。

滑脫縫?;摽p主要是在伸展或擠壓作用下,由低角度滑脫的剪應力形成,一般以水平或低角度縫為主,傾角較小,縫面常見明顯擦痕、階步等特征(見圖5f)。

除了上述構造裂縫,研究區(qū)還發(fā)育一定數(shù)量的非構造裂縫,包括層理縫、層間縫、溶蝕縫和縫合線等(見圖5g—5j)。非構造裂縫不僅是頁巖儲層流體的主要滲流通道,還提供了良好的儲集空間,有效改善了儲層的儲集和滲透性能[21-26]。

3 構造特征對頁巖氣保存條件的影響

關于構造特征對裂縫發(fā)育程度的影響,前人進行了大量統(tǒng)計研究。一般認為,在同一構造應力背景下,距褶皺核部與斷裂越近的區(qū)域,裂縫發(fā)育程度越高,裂縫密度越大[27-38]。研究區(qū)內YC-3井與YC-1井、YC-2井相距3 km左右,通過對比YC-1井、YC-2井與YC-3井裂縫發(fā)育程度,發(fā)現(xiàn)不同井之間裂縫發(fā)育情況稍有不同。YC-3井以高角度、中角度構造裂縫為主,層理縫欠發(fā)育,而YC-1井、YC-2井以低角度滑脫縫和層理縫為主,高角度構造縫欠發(fā)育(見圖5k,5l)。

對3口井裂縫發(fā)育情況與構造部位研究表明:YC-3井和YC-1井、YC-2井都位于研究區(qū)務川復向斜西翼,但是兩者所處構造部位有明顯不同。其中:YC-3井位于向斜翼部“Y”字形斷裂夾持處,在“Y”字形斷裂伴生褶皺頂部受局部應力作用產生垂向變形,裂縫多為高角度縫,少見層間縫;而YC-1井、YC-2井位于向斜樞紐端,地層較平緩,構造應力不強,周圍無明顯斷裂,地層多為順層調節(jié),因此構造裂縫不發(fā)育,以層間縫為主。可見,受不同構造應力狀態(tài)的差異影響,裂縫類型也存在差異性和互補性。

對鳳岡區(qū)塊3口頁巖氣井龍馬溪組的裂縫發(fā)育程度分別進行了統(tǒng)計。按裂縫產狀將巖心裂縫分為高角度裂縫和水平裂縫,高角度縫以傾角大于45°的構造裂縫和垂直裂縫為主,水平裂縫一般與層理面平行或傾角小于15°,主要為低角度滑脫縫、層理縫。YC-1井高角度裂縫平均線密度為1.7條/m,YC-2井高角度裂縫平均線密度為2.2條/m,相比YC-1井、YC-12井,處在褶皺變形頂部的YC-3井高角度裂縫發(fā)育,平均線密度達到了6.3條/m。YC-1井水平縫較發(fā)育,水平縫線密度為12.8條/m,與YC-1井同處于背斜翼部的YC-2水平縫線密度為10.7條/m,而YC-3水平縫欠發(fā)育,水平縫線密度為6.6條/m。通過對比可見:YC-3井高角度縫線密度最大,但其水平縫線密度則相應最低;與之相反,YC-1井、YC-2井高角度縫線密度偏低,其水平縫線密度則相對高,高角度縫主要發(fā)育在研究區(qū)龍馬溪組頁巖上部,而龍馬溪組頁巖中下部水平縫線密度大。垂向上的巖性差異導致裂縫發(fā)育情況不同,而受構造應力狀態(tài)差異的影響,不同類型裂縫的發(fā)育存在著互補性。

研究區(qū)受多期構造活動疊加影響,形成了復雜的復背斜與復向斜相間排列的隔槽式褶皺面貌。根據(jù)構造應力強弱、構造變形樣式及裂縫發(fā)育類型等特征,將研究區(qū)構造保存有利區(qū)進一步劃分為穩(wěn)定區(qū)(YC-1井、YC-2井)和弱變形區(qū)(YC-3井)。

穩(wěn)定區(qū)地層變形較弱,是研究區(qū)構造最穩(wěn)定區(qū)域,構造主體為寬緩背斜和緊閉向斜,斷裂不發(fā)育;通過巖心觀察,總結了穩(wěn)定區(qū)裂縫發(fā)育模式(見圖6a。圖左為巖性剖面,圖右為巖心照片),裂縫發(fā)育程度較低,以層理縫為主,發(fā)育少量高角度構造縫,且多為方解石充填,開啟程度較低。研究區(qū)龍馬溪組頂板巖性為深灰色厚層石灰?guī)r夾數(shù)層瘤狀石灰?guī)r,底板為淺灰色厚層石灰?guī)r,頂?shù)装鍘r性均較致密,裂縫欠發(fā)育,厚度大,對頁巖氣隔擋較好。由于穩(wěn)定區(qū)大型斷裂不發(fā)育,裂縫也多以非構造裂縫為主,因此頁巖氣自封閉性良好,形成局部超壓,受壓實作用影響減弱,有利于氣體富集,是頁巖氣保存的有利區(qū)。弱變形區(qū)相對于穩(wěn)定區(qū)構造略顯復雜,發(fā)育多條不同走向斷層及一系列伴生、調節(jié)斷層,構造裂縫較發(fā)育,以高角度構造縫為主,方解石充填,受多期構造活動影響,晚期裂縫切割錯動早期裂縫現(xiàn)象明顯(見圖6b。圖左為巖性剖面,圖右為巖心照片)。雖然該類構造改造程度稍強,斷裂和裂縫均較發(fā)育,但是“Y”字形斷裂兩盤走向與主應力方向垂直,表明斷層應具有良好的封堵性。

圖6 研究區(qū)龍馬溪組頁巖裂縫發(fā)育模式

此外,擠壓斷層中的泥巖涂抹現(xiàn)象也能反映裂縫的側向封閉性,在YC-3井巖心裂縫觀察中可見鏡面擦痕,表明頁巖中裂縫存在涂抹層,具有良好的封堵性。YC-3井龍馬溪組中上部高角度、垂直縫發(fā)育,表明受擠壓作用影響,YC-3井龍馬溪組頁巖位于褶皺中和面以下,裂縫發(fā)育類型受構造部位控制明顯。由于層間縫和層理縫等非構造縫的活動調節(jié)了部分應力,弱變形區(qū)中的水平應力差降低,有利于后期水力壓裂。弱變形區(qū)中的未充填縫在一定程度上也為頁巖氣提供了儲存空間與運移通道,在周圍無大型斷裂發(fā)育的情況下有利于頁巖氣富集,從研究區(qū)現(xiàn)場解析氣量情況看(見表1),構造弱變形區(qū)對頁巖氣保存也較有利。

表1 研究區(qū)龍馬溪組頁巖氣解析結果

4 地質意義

在良好保存條件下——裂縫發(fā)育數(shù)量與規(guī)模適度且未斷穿頂?shù)装迳w層,裂縫的發(fā)育對頁巖氣聚集具有積極作用;裂縫發(fā)育規(guī)模過大,則會導致頁巖氣的散失及儲層改造時與高滲層或含水層的溝通。對于中國南方復雜構造區(qū)海相富有機質頁巖來說,保存條件至關重要,適度的構造抬升作用能夠產生大量的微裂縫并避免穿層裂縫與斷裂的形成。位于構造穩(wěn)定區(qū)的YC-3井巖心現(xiàn)場含氣量測試資料與裂縫參數(shù)之間的關系表明,頁巖裂縫發(fā)育程度與總含氣量和解吸氣量具有一定的正相關性。對于研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖,雖然巖心裂縫大部分被充填,但未充填裂縫及裂縫充填物中開啟的次級孔、縫提供了一部分儲集空間及大量的滲流通道,因此裂縫的發(fā)育對龍馬溪組頁巖含氣性與滲透性均具有貢獻,而對滲透性的改善是其最主要的貢獻。

5 結論

1)研究區(qū)野外天然裂縫類型主要為區(qū)域構造縫、斷層相關裂縫、褶皺相關裂縫、風化裂縫和層理縫。巖心裂縫以構造裂縫為主,裂縫類型以高角度剪切裂縫、高角度張性裂縫、高角度扭性裂縫和低角度滑脫裂縫為主。非構造裂縫多為充填和未充填的層理縫、溶蝕縫和層間縫。

2)根據(jù)褶皺翼部次級斷裂發(fā)育強度、構造樣式及頂?shù)装宓葪l件,進一步將研究區(qū)褶皺翼部區(qū)域分為穩(wěn)定區(qū)和弱變形區(qū)。穩(wěn)定區(qū)裂縫發(fā)育程度較低,以層理縫為主,發(fā)育少量高角度構造縫,且多為方解石充填,開啟程度較低。弱變形區(qū)構造裂縫較發(fā)育,以高角度構造縫為主,方解石充填,受多期構造活動影響,晚期裂縫切割錯動早期裂縫現(xiàn)象明顯。

3)頁巖儲層中裂縫的發(fā)育有利于游離態(tài)頁巖氣的富集和吸附態(tài)天然氣的解吸,研究區(qū)龍馬溪組頁巖中天然裂縫的發(fā)育,對頁巖儲層含氣性和滲透性的改善影響顯著。

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