土庫曼斯坦阿姆河右岸卡洛夫—牛津階裂縫特征及形成期次

徐文禮 鄭榮才 費懷義 吳 蕾 陳守春 李世臨 劉冬璽 劉 菲

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院3.中國石油（土庫曼斯坦）阿姆河天然氣公司 4.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

土庫曼斯坦阿姆河右岸卡洛夫—牛津階裂縫特征及形成期次

徐文禮1鄭榮才1費懷義2吳 蕾3陳守春4李世臨4劉冬璽4劉 菲4

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學 2.中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院3.中國石油（土庫曼斯坦）阿姆河天然氣公司 4.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦

土庫曼斯坦阿姆河右岸地區侏羅系碳酸鹽巖氣藏局部儲層段物性差、非均質性強，裂縫發育狀況成為制約氣井產能的關鍵因素，研究裂縫特征及形成期次具有重要意義。根據該區卡洛夫—牛津階18口取心井巖心裂縫的觀察描述結果，發現該區儲層主要發育水平裂縫和低角度斜交裂縫，按裂縫之間的切割、限制、組合關系及產狀特征，可識別出成巖裂縫和構造裂縫2種成因類型的裂縫，其中構造裂縫對儲層發育具有重要貢獻。在認識裂縫特征的基礎上，利用次生石英ESR年齡標定、非定向樣品聲發射實驗、裂縫充填物穩定同位素（碳、氧、鍶）測定及流體包裹體分析等技術方法，確定構造裂縫具有3個形成期次，分別對應于燕山晚期、喜山早期和喜山中期。研究認為，喜山早期和中期的2期裂縫（或斷裂）具有極其重要的通源性質，油氣充注成藏始于喜山早期，定位于喜山中期。

土庫曼斯坦 阿姆河右岸 卡洛夫—牛津階 裂縫特征 形成期次 穩定同位素 流體包裹體 聲發射實驗

1 區域地質概況

阿姆河右岸位于阿姆河盆地的東北部。阿姆河盆地是圖蘭臺地東南部的一個大型沉積盆地，根據構造和巖性特征，該盆地被劃分為基底、過渡層和蓋層3個構造層系：基底由古生界的火成巖和變質巖組成，埋深變化大，最淺處的卡拉庫姆隆起不足2 000 m，最深的北卡拉比里坳陷可超過14 000 m；在基底之上廣泛發育了二疊系—三疊系陸源碎屑巖組成的過渡層，厚度變化很大，由北向南變厚，在盆地南緣的科佩特山前坳陷最大厚度可達12 000 m；廣泛發育的地臺蓋層由中生代侏羅系、白堊系和古近系碳酸鹽巖、蒸發巖和砂巖、泥巖、煤層互層組成。盆地內主要發育北西向和北東向的2組斷裂，控制了區域構造、沉積格局和儲層及蓋層的分布。

根據基底形態和斷裂構造特征，阿姆河盆地被劃分為科佩塔特山前坳陷、中央卡拉庫姆隆起、馬里謝拉赫隆起、巴加德任坳陷和查爾朱階地等眾多大型構造單元［1－6］。

阿姆河盆地儲層發育于中—上侏羅統卡洛夫—牛津階，與下伏中侏羅統的海岸平原—澙湖沼澤相含煤碎屑巖系呈超覆不整合接觸關系，與上覆下白堊統基末利階高爾達克組的高伽馬值泥巖層或厚層膏鹽巖層為連續沉積關系。

其本身為一套較深水碳酸鹽巖緩斜坡—淺水臺地生物礁、灘相的碳酸鹽巖沉積組合［6－11］，自上而下劃分為石灰巖石膏層（XVac層）、層狀石灰巖層（XVp層）、塊狀石灰巖層（XVm層）、礁上層（XVhp層）、生物礁層（XVa1層）、致密層（Z層）和礁下層（XVa2）7個巖性段。阿姆河盆地B區塊整體屬于低孔、低滲儲層，裂縫對該區油氣運移聚集成藏起到控制和調節作用。

2 裂縫特征描述

2.1 巖心中宏觀裂縫發育特征

通過對卡洛夫—牛津階18口取心井碳酸鹽巖儲層巖心裂縫的觀察描述結果，按裂縫形態和產狀及充填物特征，可識別出成巖裂縫和構造裂縫2種成因裂縫，前者包括成巖壓裂縫和縫合線縫，后者包括水平、斜交和垂直構造裂縫，并可進一步劃分為3個裂縫發育期次。

2.1.1 成巖裂縫

本次巖心觀察所確定的成巖裂縫主要為差異壓實形成的成巖壓裂縫和壓溶縫合線縫，密度為4.24條／m。

1）成巖壓裂縫［圖1－（a）］，此類裂縫的形成與沉積物從開始沉積到固結成巖過程中經歷的差異壓實作用有關［12－13］，特點為巖心中所觀察到的成巖壓裂縫呈無一定組系和發育方向的網格狀，比較雜亂，縫的寬度有很大變化，小的不到0.01 mm，大的可超過5 mm，部分成巖壓裂縫被方解石充填。

2）壓溶縫合線縫［圖1－（b）中c］，成因與壓溶作用有關，主要以發育水平和低角度縫為主，多數呈鋸齒狀，縫的寬度大多數分布在0.05～2 mm，縫內大部分被壓溶殘余的有機質、泥質和炭化瀝青充填，少部分被方解石充填。

2.1.2 構造裂縫

構造裂縫主要以水平裂縫和低角度斜交裂縫為主，次為高角度或垂直裂縫，特征如下：

1）垂直構造裂縫相［圖1－（b）中a、b］，裂縫傾角介于70°～90°，密度約為1.19條／m，寬度變化較大（介于0.1～3 mm，大部分介于0.1～1.0 mm），縱向延伸規模從數厘米級到米級不等，部分裂縫貫穿了鄰層。據其往往具有粗糙的縫面特征來看，均屬于張性破裂縫，常充填有不定量的次生方解石。此類裂縫有時成組出現，裂縫間距變化大，且與層厚呈正相關性。裂縫產狀穩定，其向上、下延伸受圍巖限制。

2）斜交裂縫［圖1－（c）中d］，主要包括傾角介于10°～40°的低角度斜交裂縫和傾角介于40°～70°的高角度斜交裂縫，其密度約為2.54條／m，寬度變化更大（0.05～8 mm，大部分介于0.05～2 mm），成因上可分為2種情況，其一為張性破裂面，性質與垂直裂縫一致；其二為剪切破裂縫，特征為縫面發育有扭性擦痕和階步。

3）水平裂縫［圖1－（c）中a、b］，傾角小于10°，密度約為3.98條／m，寬度變化也很大（0.05～4 mm，大部分介于0.05～1.0 mm），多數都處于開啟無充填狀態，此類裂縫成因具有爭議，大部分研究者認為是構造成因，可從縫內充填有少量次生方解石和瀝青找到其屬于構造成因的有效裂縫的證據。部分研究者認為是取心時卸載形成的水平裂縫。可以肯定的是，較大的水平裂縫往往是取心時沿已有水平裂縫繼續破裂，使開啟度加大所形成的卸載水平裂縫，其原始狀態的有效性在取心后被擴大了。

2.2 微觀裂縫特征

根據大量鑄體薄片鑒定結果，卡洛夫—牛津階儲層中微裂縫較發育，這些微裂縫是在拉張作用條件下形成的，特點為多數微裂縫切割巖石顆粒和被次生方解石或瀝青不完全充填，少數未充填［圖2－（a）］。微裂縫多呈數條成組出現，很少單獨出現。成組出現的微裂縫呈平行狀或有序的交叉狀［圖2－（b）］，顯示構造成因特征，少量微裂縫呈雜亂狀交織在一起，成因可能與差異壓實作用有關［圖2－（c）］。

圖1 巖心裂縫發育特征圖

圖2 微裂縫發育特征圖

微裂縫開啟度分布范圍為0.002～0.01 mm，裂縫孔隙度介于0.01%～0.10%，平均為0.06%，發育微裂縫的儲層滲透率分布范圍為0.65～19.35 mD，平均為3.25 mD，而不發育微裂縫的巖心滲透率普遍小于0.1 mD，顯而易見，微裂縫對改善儲層的滲透性有積極貢獻。

3 裂縫發育期次

3.1 不同成因類型的裂縫形成序次

描述裂縫產狀、破裂面之間的相互切割和限制關系及充填物特征，是判斷裂縫成因類型和劃分形成序次最簡單、最有效和最有說服力的技術方法［14－16］，如：

1）在Ber－22井3 615.8～3 615.98 m井段的巖心中，可見2條垂直構造裂縫、1條低角度構造裂縫、數條水平裂縫和縫合線縫，其中一條垂直構造裂縫［圖1－（b）中a］、一條低角度構造裂縫［圖1－（b）中d］及水平裂縫充填有瀝青，另一條垂直構造裂縫局部充填白色方解石［圖1－（b）中b］，被垂直構造裂縫b切穿的縫合線縫充填黑色有機質［圖1－（b）中c］，這3種不同的充填物反映了裂縫形成時間不一致，應該是3個不同期次的裂縫。

2）Sam53－1井2 522.36～2 522.54 m井段的巖心中，可見2條水平裂縫、1條垂直裂縫和2條斜交裂縫，其中2條水平裂縫［圖1－（c）中a、b］限制了1條垂直裂縫［圖1－（c）中c］和1條高角度斜交裂縫［圖1－（c）中d］的發育范圍，一條垂直裂縫［圖1－（c）中c］又限制了另外一條低角度斜交裂縫的發育［圖1－（c）中e］，按裂縫的相互限制關系可確定低角度裂縫e形成時間晚于垂直裂縫c，而垂直裂縫c和高角度裂縫d形成時間晚于2條水平裂縫，由此也至少可劃分出3個不同期次的裂縫。

3）在Oja－21井3 811.52～3 811.64 m井段的巖心中，可見一條低角度構造裂縫切穿成巖壓裂縫［圖1－（a）］，反映成巖壓實縫形成時間早于構造裂縫。

4）在Cha－21井3 616.24～3 616.41 m井段的巖心中，見到多組不同產狀和相互切割的裂縫［圖1－（d）］，其中水平裂縫被垂直裂縫錯開，反映水平裂縫形成時間先于垂直裂縫，這兩組裂縫應該是2個期次的巖石破裂所產生；在巖心的底部，壓溶縫合線縫c同時被垂直裂縫a和低角度裂縫b錯位，垂直裂縫a同時又錯斷了低角度裂縫b，顯然縫合線縫形成時間最早，其次為低角度裂縫b和垂直裂縫a。

綜合巖心上裂縫的產狀特征及形成序次的配套關系，可以得出最早期發育的裂縫為成巖壓裂縫，次后發育的是壓溶縫合線縫，最晚期發育的是構造裂縫，其中對儲層發育貢獻最大的裂縫為構造裂縫，按構造裂縫的形成序次可進一步劃分為3個期次。

3.2 構造裂縫發育期次的標定

根據構造裂縫相互切割關系和充填物成分及充填序次，可以對其形成期次進行有效判別。

3.2.1 次生石英ESR年齡測定

利用電子自旋核子共振法測定裂縫次生石英充填物的ESR年齡，是確定裂縫發育年齡的有效新技術方法［17－18］，據采自Pir－22井的1件充填構造裂縫的次生石英ESR年齡為119 Ma的測定結果，以此年齡值作為該期裂縫形成期的時間上限，相當于早白堊世晚期的燕山運動晚幕，對應于阿姆河盆地于晚白堊世開始進入的構造隆升期和K—E之間的構造不整合面。

從阿姆河右岸地層發育情況可知，區域構造活動引起古近系與白堊系和新近系與古近系之間的多個不整合接觸關系。在采取巖心裂縫次生石英樣品時，已經確定所采石英樣品為第一期構造裂縫的充填物，由該石英樣品測定的距今119 Ma ESR年齡，可作為第二期和第三期裂縫的發育應該與晚白堊紀—漸新世這2次區域構造運動有關的證據。因此，推測第二期裂縫可能形成于相當燕山晚期至喜山早期的晚白堊世，推測第三期裂縫可能形成于相當于喜山中期的漸新世之前。

3.2.2 聲發射實驗

本次研究樣品均采自鉆井巖心，垂直巖心軸向但非定向鉆取32件樣品，從樣品聲發射實驗結果（圖3），對卡洛夫—牛津階碳酸鹽巖儲層的微裂縫發育狀況可得出如下幾點認識：

1）樣品一般發育有3個Kaiser效應點，反映樣品所在地層至少發育有3個破裂期次。

圖3 不同類型儲集巖的非定向樣品聲發射實驗AE曲線圖

2）3個Kaiser效應點都有一定的應力場強度變化范圍，表明對應此3個Kaiser效應點的裂縫（或微裂紋）都為構造作用的產物，其中對應ⅢKaiser效應點應力強度介于7.08～22.76 MPa，可能屬于燕山晚期的產物；對應ⅡKaiser效應點應力強度介于3.2～18.54 MPa，可能屬于喜山早期的產物；對應ⅠKaiser效應點應力強度介于1.23～14.44 MPa，可能屬于喜山中期的產物。

3）包括壓溶成因的縫合線在內，成巖破裂縫無明顯的Kaiser效應對應點。

3.2.3 裂縫充填物穩定同位素特征

3.2.3.1 碳、氧同位素特征

表1 不同裂縫期次的方解石碳、氧同位素分析結果表

圖4 裂縫充填方解石碳、氧同位素分布圖

由于同一時期形成的構造裂縫內可以存在多期充填物，因此，在選取用于測定裂縫期次的同位素樣品時，要在巖心裂縫期次定性觀察的基礎上，從不同期次裂縫中采集樣品。實驗表明，采自不同期次的裂縫方解石碳、氧（C、O）同位素組成特征（表1，采用PDB標準）有如下特點：①可以分為3個區（圖4），所代表的3個期次的裂縫分別與燕山晚期、喜山早期、喜山中期的3期構造破裂作用相對應；②各類樣品的δ13C值總體相差不大，且都為與基質巖接近的正值，而δ18O值變化較大，具有隨著構造裂縫期次更迭（或成巖強度加大），δ18O值呈負偏移演化趨勢，顯示了繼承性演化特點；③在3個構造期次的裂縫方解石中，以相當燕山晚期的第一期裂縫方解石δ13C和δ18O與基質巖接近，顯示該期裂縫方解石的流體主要來自圍巖地層，相當喜山早期和中期的二期次裂縫方解石的δ13C值相差不大，而δ18O負偏移趨勢明顯，說明二次期裂縫方解石來源于熱演化強度更高地層水。

3.2.3.2 鍶同位素特征

來自不同期次的裂縫方解石樣品鍶（Sr）同位素分析結果（表2）有如下特點：①87Sr／86Sr比值變化范圍很大，其中相當燕山晚期的樣品87Sr／86Sr比值（0.706 314）與可代表該時期海水鍶同位素組成特征的厚殼蛤殼體87Sr／86Sr比值（0.706 812）接近，而相當喜山早期和中期樣品的87Sr／86Sr比值變化范圍（0.707 219～0.711 870）明顯超出該時期全球海水的變化范圍（0.706 789～0.706 942），從總體上看，3期裂縫方解石的鍶同位素具有逐步增高的繼承性發展演化特點；②由裂縫方解石87Sr／86Sr比值變化范圍大的特點，不僅可證明裂縫發育具有多期次性，而且不同期次的成巖流體來源和性質也有所不同，如相當燕山晚期裂縫方解石87Sr／86Sr比值與厚殼蛤殼體相接近，可證明該期次成巖流體主要來自卡洛夫—牛津階碳酸鹽巖地層本身，與該期裂縫方解石碳、氧同位素分析得出的結論相一致，又如相當喜山早期和中期的裂縫方解石87Sr／86Sr比值的高異常，表明水巖反應過程中有放射性成因的殼源鍶加入，成因與成巖流體主要來自下伏陸相含煤碎屑巖地層（烴源巖）排出的深部載烴地層水有關，亦與此二期裂縫方解石碳、氧同位素分析得出的結論相吻合；③由3個期次的裂縫方解石碳、氧、鍶同位素繼承性發展演化的地球化學特征，表明3個期次的裂縫發育帶也具有繼承性發展演化的特點，其中相當喜山早期和中期裂縫方解石中出現的高87Sr／86Sr比值異常，可進一步證明此二期次的裂縫（或斷裂）具通源性質，是溝通“源—儲”的橋梁。

表2 不同裂縫期次的鍶同位素分析結果表

3.2.4 裂縫充填物包裹體特征

利用包裹體測溫技術是探討油氣運移與裂縫張開的時間關系最簡捷而有效的技術方法［19－22］。據6件次生方解石樣品的包裹體均一溫度和鹽度測定結果（圖5），也可劃分出相對應的3個熱液活動期：①第一期均一溫度介于60～100℃，鹽度（以NaCl質量分數表示，下同）介于6%～10%，以氣、液二相的無機鹽水包裹體為主；②第二期均一溫度介于100～120℃，鹽度介于10%～13%，以氣、液二相有機烴包裹體為主；③第三期均一溫度介于140～180℃，鹽度介于13%～22%，也以氣、液二相有機包裹體為主，局部含固相瀝青包裹體。

由包裹體特征可得到如下3點認識：①由于所測樣品都是井下的巖心樣品，所以由流體包裹體熱演化期次反映的3個破裂期次可依次相對應；②由包裹體多類型的成因特點，證明儲層有多期次破裂和多期熱液充填活動的特點；③在3個期次的破裂活動過程中，有機包裹體主要出現在后2期裂縫方解石中，反映卡洛夫—牛津階油氣充注成藏始于喜山早期，定位于喜山中期，與裂縫方解石碳、氧、鍶同位素分析結果所證明的此2期裂縫（或斷裂）具通源性質的重要認識相擬合。

圖5 充填裂縫的次生方解石流體包裹體均一溫度和鹽度分布直方圖

4 結論

1）通過對研究區巖心裂縫的細致觀察和特征描述，所見裂縫以水平裂縫和斜交裂縫為主；從巖心上裂縫之間的相互切割、限制、組合等關系確定該區裂縫有成巖裂縫和構造裂縫2種成因類型，最早期為成巖壓裂縫，次期是壓溶縫合線縫，最晚期是構造裂縫，對儲層發育有重要貢獻作用的是構造裂縫。

2）利用次生石英ESR年齡標定、非定向樣品聲發射實驗、裂縫充填物碳、氧、鍶穩定同位素測定及流體包裹體分析等技術方法，確定研究區卡洛夫—牛津階地層中構造裂縫有3個形成期次：第一期對應燕山運動晚幕形成的裂縫，第二期對應于喜山運動早幕，第三期對應于喜山運動中幕。

3）認為相當喜山早期和中期的二期裂縫（或斷裂）具有極其重要的通源性質，油氣充注成藏始于喜山早期，定位于喜山中期。

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Characteristics and timing of fractures in the Callovian－Oxfordian boundary of the right bank of the Amu Darya River，Turkmenistan

Xu Wenli1，Zheng Rongcai1，Fei Huaiyi2，Wu Lei3，Chen Shouchun4，Li Shilin4，Liu Dongxi4，Liu Fei4
（1.State Key Laboratory of Oil ＆Gas Reservoir Geology and Exploitation∥Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China；2.Geological Exploration ＆Development Research Institute，Chuangqing Drilling Engineering Co.，Ltd.，CNPC，Chengdu，Sichuan 610051，China；3.CNPC（Turkmenistan）Amu Darya River Gas Company，Beijing 100101，China；4.Chongqing Division of Southwest Oil＆Gasfield Company，PetroChina，Chongqing 400021，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 4，pp.33－38，4／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The Jurassic carbonate gas reservoirs in the Amu Darya Right Bank Block are locally poor in physical properties and strong in heterogeneity.The development of fractures is the key factor controlling gas well productivity.Detailed observation and description of cores from the Callovian－Oxfordian boundary in 18 wells show that horizontal fractures and low－angle oblique crossing fractures are well developed in the study area.According to the cross－cutting and combination relationship and occurrence of the fractures，we recognized two genetic types of fractures，i.e.diagenetic and tectonic fractures，the latter contribute more to the development of reservoirs.Based on the understanding of the genesis of core fractures，various techniques，including quartz spin resonance dating，non－directional acoustic emission testing，experimental measurement of stable isotopes，and the analysis of inclusions from fracture fillings，were used to determine the timing of the fractures.The structural fractures were formed in three stages，probably corresponding to the Late Yanshanian，the Early and Middle Himalayan episodes respectively.The fractures（or faults）formed in the Early and Middle Himalayan episodes are connected with the source rocks.Hydrocarbon charging started in the Early Himalayan and finalized in the Middle Himalayan.

Turkmenistan，Amu Darya Basin，Callovian－Oxfordian，fracture characteristics，fracture timing，stable isotope，fluid inclusion，acoustic emission experiment

徐文禮等.土庫曼斯坦阿姆河右岸卡洛夫—牛津階裂縫特征及形成期次.天然氣工業，2012，32（4）：33－38.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.008

徐文禮，1982年生，博士研究生；從事油氣藏地質研究工作。地址：（610059）四川省成都市十里店成都理工大學沉積地質研究院。電話：15928002838。E－mail：xuwenli5＠163.com

（修改回稿日期 2012－02－19 編輯 羅冬梅）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.04.008

Xu Wenli，born in 1982，is studying for a Ph.D degree with his interest in research of sedimentology.

Add：No.1，Dongsan Rd.，Erxianqiao，Chenghua District，Chengdu，Sichuan 610059，P.R.China

Mobile：＋86－15928002838 E－mail：xuwenli5＠163.com