東濮凹陷泥頁巖油氣藏裂縫發育主控因素分析

楊東興

（中國石化中原油田分公司物探研究院，河南鄭州 450000）

東濮凹陷存在豐富的非常規油氣藏，主要為深層致密砂巖油氣和泥頁巖油氣。泥頁巖裂縫油氣藏作為一種特殊隱蔽油氣藏類型[1–4]，在東濮凹陷的勘探歷程上屢有發現[5–8]。前人對東濮凹陷泥頁巖油氣藏的研究較籠統，主要偏向于裂縫特征觀察描述，而泥頁巖成藏的關鍵是裂縫成因，但泥頁巖裂縫的發育受到多種因素控制，預測難度很大。本文深入剖析了影響泥頁巖裂縫發育的因素及特征，對泥頁巖油氣藏地質特征認識進行了補充。東濮凹陷泥頁巖油氣藏裂縫發育控制因素主要有構造因素和非構造因素。

1 構造因素分析

構造因素形成的裂縫為構造縫，是由構造應力引起的。東濮凹陷是一個張性斷裂發育的鹽湖盆地，古近系時期：區域構造應力場為右旋構造應力場，最大主應力為北東–南西向，最小主應力為北西–南東向，中間應力為垂直方向；沙三中–沙二時期：受北東向擠壓應力場的作用，沙三下鹽巖上隆，沙三中在PS18–1井區附近形成鼻狀構造；東營末期：區域構造反轉期，產生近東西向擠壓應力場，地層形成強超壓。裂縫的走向分布，與構造應力場分布基本一致，主要為北東、北西向裂縫（圖1）。

東濮凹陷構造應力存在兩種類型，即水平應力和垂直應力，這兩種應力影響著裂縫的發育。水平應力形成的構造縫相對較早，主要表現為開啟裂縫，多見油氣浸染，或見方解石、瀝青充填，以橫張垂直裂縫和高角度剪裂縫發育為主。水平構造應力裂縫在PS18–1井附近發育，而PS18–8井附近欠發育，這與 PS18–1井較靠近斷層有關，靠近斷層構造應力大，裂縫相對發育（圖1）。

垂向構造應力場的形成主要與膏鹽上隆有關，形成時間稍晚于水平構造應力縫。主要形成縱張垂直縫，極少數垂向“X形”剪裂縫。縱張垂直縫呈延伸短、V字形垂向形態，且多為方解石或石膏充填，少見油氣顯示。PS18–1井縱張裂縫發育，而PS18–8井相對欠發育這類裂縫，與該井偏離鼻狀構造軸部有關（圖1）。

圖1 東濮凹陷構造應力縫走向玫瑰圖

對目前已知的主要泥頁巖裂縫發育井層段進行統計分析表明，構造位置相對較高、構造曲率相對較大的地方（最大主曲率一般大于 0.2）構造縫較發育。

2 非構造因素

2.1 巖性和礦物成分

不同巖性的巖石強度和力學性質不同，在相同構造應力場作用下裂縫的發育程度不一致。巖石脆性組分含量高，則巖石的脆性強，裂縫就更可能發育。泥頁巖中脆性礦物成分含量是控制裂縫發育的重要因素。

沉積巖脆性組分多為石英、方解石和白云石等。根據PS18–1井的X衍射礦物分析，沙三上段鹽間泥頁巖脆性礦物主要為石英、方解石和白云石，脆性礦物的平均含量為 42.05%（表 1），與美國Appalachia 盆地泥盆系泥頁巖中確定的脆性指數臨界值相當，遠高于東營凹陷脆性礦物平均含量（18%～20%）。同時鉆井過程中發現泥頁巖容易破碎，巖心很難鉆取巖心柱，說明東濮凹陷沙三上段鹽間段泥頁巖的脆性很大，有利于天然裂縫的發育。

表1 PS18–1井鹽間泥巖段X衍射資料數據

PS18–1和PS18–8井沙三上段鹽間泥頁巖段共38條裂縫發育的巖性資料表明，裂縫發育主要巖性為含鈣（云）泥巖、含膏泥巖或含泥膏巖、含泥灰（云）巖三類。這三類巖性代表著碎屑巖、硫酸鹽巖和碳酸鹽巖。含鈣（云）泥巖中裂縫最為發育，62.5%的裂縫主要發育在該類巖性之中；其次為含膏泥巖或含泥膏巖，28.1%的裂縫發育在該類巖性之中；含泥灰（云）巖中的裂縫發育程度最低，只有9.4%的裂縫發育在該類巖性之中（圖2）。這說明泥頁巖裂縫的發育程度與灰質成分的含量有很大關系，即泥頁巖中方解石和白云石越多，越有利于裂縫的發育。

巖心資料分析表明，東濮凹陷膏鹽或含泥膏鹽、含膏泥巖較為發育，沙三上鹽間泥頁巖段構造縫的發育受內部石膏紋層的控制，構造縫通常垂直或者高角度相交巖層，并終止于石膏紋層界面上。當石膏紋層較薄，構造縫也有可能切穿石膏紋層；紋層較厚，構造縫通常終止于石膏紋層。因此，石膏紋層的發育程度也決定了泥頁巖裂縫發育的程度，即硫酸鹽巖礦物會抑制裂縫發育。

圖2 不同巖性裂縫發育頻率分布

2.2 有機質富集程度

東濮凹陷鹽間泥頁巖通常為鈣質及含膏泥頁巖，其有機質富集程度與碳酸鹽巖、硫酸鹽巖礦物含量有一定關系[9–10]。有機質富集程度與泥頁巖中的鈣質含量關系相對復雜，當碳酸鹽巖含量小于45%時，泥頁巖中的有機質富集程度與碳酸鹽巖含量呈正相關關系；而碳酸鹽巖含量大于45%時，泥頁巖中的有機質富集程度與碳酸鹽巖含量呈負相關關系（圖3a）。泥頁巖中的有機質富集程度與泥頁巖中的石膏、硬石膏含量呈負相關關系，當石膏、硬石膏含量增大時，泥頁巖中的有機質含量降低（圖3a）。由于泥頁巖裂縫的發育與碳酸鹽巖、硫酸鹽巖有重要關系，所以泥頁巖中有機質富集程度與裂縫發育程度也有關。有機碳含量隨裂縫密度增加而增加，但裂縫密度超過4條/m時，有機碳含量下降（圖3b）。

圖3 泥頁巖有機質富集程度與裂縫發育程度和礦物含量關系

出現上述現象的原因為：當碳酸鹽巖含量低于45%時，隨著碳酸鹽巖礦物含量增加，即泥頁巖的脆性礦物含量增加，泥頁巖發育裂縫的可能性增大，因而裂縫密度變大。泥頁巖中碳酸鹽巖礦物含量增加，表明鹽湖湖水鹽度增加，底部水體近于停滯, 造成各種生物大量死亡，鈣質泥頁巖有機質含量增加。而裂縫密度超過一定值時，碳酸鹽巖礦物含量過高，則黏土含量變低，不利于有機質吸附，有機質含量相對變小。

2.3 異常高壓

異常高壓形成的裂縫[11–12]主要指巖石在一定埋深處于封閉條件下, 由于烴類生成、黏土礦物脫水、水熱增加、自生礦物充填孔隙、膠結作用等產生異常高壓，當其達到巖石臨界破裂壓力時產生的裂縫。超壓導致地層破裂可在沒有構造作用的情況下完全由超壓引起，亦可在構造作用的誘導下發生。在伸展構造應力背景下，超壓產生破裂垂直縫，這些裂縫在平面上無明顯方向性，呈蠕蟲狀，隨機分布。東濮凹陷多年勘探證實， 由于鹽巖發育、生烴作用等多種原因，高壓油氣藏分布廣泛，尤其是沙三段地層超壓帶分布更為廣泛。這些超壓帶分布區往往是良好烴源巖分布區，若出現厚層泥頁巖, 很容易形成一定規模的泥頁巖裂縫性油氣藏。

3 結論

（1）形成泥頁巖油氣藏的關鍵因素是裂縫的發育，東濮凹陷泥頁巖油氣藏裂縫發育主控因素為構造因素和非構造因素。

（2）導致東濮凹陷泥頁巖裂縫發育的構造因素為構造應力，包括水平應力和垂直應力兩種類型，構造應力主要形成橫張垂直縫、高角度剪切縫和縱張垂直縫，構造位置相對較高和構造曲率相對較大部位是裂縫容易發育區。

（3）導致東濮凹陷泥頁巖裂縫發育的非構造因素有巖性和礦物成分、有機質富集程度、異常高壓。石英、碳酸鹽巖礦物含量高，容易形成裂縫，而硫酸鹽巖礦物會抑制裂縫發育；有機質含量較大，裂縫也越容易發育，當裂縫發育到一定程度，隨著裂縫發育程度的增大，有機質含量變小；異常高壓帶也是裂縫常發育區。

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