義東地區碳酸鹽巖儲層裂縫特征、期次及成因機制

邱隆偉， 暢 通， 張營革， 劉魁元， 單寶杰， 高秋菊

( 1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2. 中國石化勝利油田分公司 物探研究院，山東 東營 257022； 3. 中國石化勝利油田分公司 河口采油廠，山東 東營 257022 )

0 引言

全球近50%的油氣資源儲存在碳酸鹽巖中，產量約占60%[1-2]。碳酸鹽巖作為一種重要的儲層類型，其儲集空間類型復雜多樣，可大致劃分為溶洞、孔隙和裂縫三大類[3-6]。裂縫為重要的儲集空間類型，對改善碳酸鹽巖儲層物性具有積極意義。碳酸鹽巖儲層一般形成時代早、埋藏深度大，且經歷多期、多類成巖作用的改造，導致儲層中孔洞之間的連通性較差；裂縫發育改變儲層的孔隙結構，使原本孤立的孔洞連通起來，為多種來源的流體活動提供良好的滲流通道，在石油天然氣的運移、成藏過程中發揮重要作用[7-9]。高產、穩產井鉆遇的儲層一般對應裂縫發育段，該認識在塔里木、四川、鄂爾多斯等含油氣盆地碳酸鹽巖油氣的勘探開發過程中發揮重要作用[10-12]。

對于中國的勘探現狀，不論哪種成因的盆地類型，古生界海相碳酸鹽巖都是目前較為現實且具有較大勘探潛力的目標領域[13-15]，其中裂縫型儲層研究占據重要地位[16]。開展碳酸鹽巖儲層裂縫的發育特征、成因機理及其與優質儲層、油氣成藏的關系研究，對碳酸鹽巖油氣藏的高效勘探開發具有重要意義[17-20]。

義東地區位于沾化、車鎮兩凹陷之間的義東斷裂帶，構造運動頻繁，地質結構異常復雜。研究區碳酸鹽沉積較為發育，受構造、沉積、成巖等因素的影響，儲層裂縫較為發育且具有極強的非均質性[21-22]。筆者選擇4口典型井的巖心、薄片等資料，分析義東地區下古生界碳酸鹽儲層裂縫的類型、特征、期次及其與油氣成藏的關系，為研究裂縫的分布演化規律、控儲機制及油氣勘探開發提供指導。

1 地質概況

義和莊凸起位于渤海灣盆地濟陽坳陷中北部，構造上處于沾化、車鎮凹陷之間，主體走向為北東向。研究區位于義和莊凸起以北地區，北部、東部分別與郭局子、四扣洼陷相鄰(見圖1)，油氣成藏條件優越。目前，已有多口鉆井在寒武系饅頭組、徐莊組及奧陶系馬家溝組獲得工業油氣顯示，發現多種不同類型的碳酸鹽油氣藏，展現較大的勘探潛力[20,23-24]。

研究區地層發育較為齊全，從下至上依次發育太古界、下古生界、上古生界、中生界、古近系和新近系地層[25]。碳酸鹽地層發育較為完整(見圖2)，平面上主要分布于義和莊凸起及其東北部地區，大致呈北北東向傾斜；受凸起北部兩條近北西向斷層的切割控制，研究區奧陶系地層遭受不同程度的剝蝕，整體表現為斷層內部薄、兩邊厚的發育特點。作為渤海灣盆地濟陽坳陷的一部分，義東地區經歷泰山運動而形成統一的結晶基底，之后又經歷下降、抬升、斷陷等多期次構造運動，最終形成現今復雜的地質結構。受構造演化過程和地質結構的控制，研究區裂縫較為發育。

圖1 義東地區區域構造與井位(圖(a)據文獻[20]修改)Fig.1 The regional structure and wells location in Yidong area(fig.(a) modified from refrence[20])

圖2 義東地區碳酸鹽地層綜合柱狀圖(據文獻[22]修改)

2 裂縫成因類型及特征

基于一定的研究目的和不同的分類標準，提出多種不同的裂縫分類方案。成因分類方案中，裂縫可劃分為構造裂縫和非構造裂縫兩大類，其中構造裂縫按產狀可劃分為直立裂縫、斜交裂縫等，非構造裂縫可劃分為成巖裂縫、擴溶裂縫和網狀裂縫等。根據力學性質，裂縫可劃分為張裂縫和剪裂縫等。根據充填程度，裂縫可劃分為全充填、半充填、弱充填等裂縫類型。在遵循裂縫分類的科學性和實用性原則的基礎上，結合義古70、義古80等4口典型井的巖心觀察與描述，根據成因及充填程度，將研究區的裂縫分為兩大類、五小類。兩大類分別為構造裂縫和成巖裂縫：構造裂縫劃分為全充填或半充填直立裂縫和半充填或無充填斜交裂縫2種類型；成巖裂縫劃分為全充填水平裂縫、構造擴溶裂縫和縫合線擴溶裂縫3種類型。

2.1 構造裂縫

2.1.1 全充填或半充填直立裂縫

該類裂縫在研究區較為常見，是碳酸鹽巖儲層的主要裂縫類型。以張裂縫為主，通常成簇成組出現，產狀相對穩定且平直，傾角大多在80°～90°之間，可大致分為兩種基本類型：一類是未充填或弱充填直立裂縫，產狀直立，裂縫開度為0.5～2.0 cm，充填程度較低，發育規模較大但數量有限；另一類是全充填高角度裂縫，傾角多集中在85°左右，裂縫開度較小，為0.5～3.0 mm，且完全被方解石充填(見圖3(a))，發育規模及數量較大。

2.1.2 半充填或無充填斜交裂縫

斜交裂縫是研究區最為常見的裂縫類型，裂縫常成對出現，產狀穩定且平直，表現為張扭特征。此類裂縫傾角大多集中在65°～80°之間，65°以下的裂縫相對少見，裂縫開度相對較小，多分布在1.0～5.0 mm之間，充填程度相對較小，表現為無充填或被亮晶方解石半充填(見圖3(b-c))。

2.2 成巖裂縫

2.2.1 全充填水平裂縫

水平裂縫在巖心上相對少見，通常表現為沿層理面或順層分布，裂縫傾角水平或呈小角度。根據形態及充填物，該裂縫可分為兩種基本類型：一類是鋸齒狀裂縫，開度為0.5～1.0 mm，通常被泥質充填，發育數量極少；另一類是平直狀裂縫，開度為1.0～3.0 mm，為亮晶方解石充填(見圖3(d))，裂縫相對發育。

2.2.2 構造擴溶裂縫

在早期構造裂縫的基礎上，該類裂縫是由后期酸性成巖流體的溶蝕改造而形成的常成簇出現，縫壁受成巖流體的改造而呈現凹凸狀，凹凸程度主要取決于巖石類型及溶蝕程度。受早期構造裂縫發育程度及規模的控制，研究區以斜交擴溶裂縫為主，直立擴溶裂縫為輔，但成巖流體對兩者的溶蝕改造存在差異。直立裂縫的溶蝕改造相對較強，斜交裂縫的溶蝕改造相對較弱(見圖3(e))，與成巖流體的優勢運移方向有關。

2.2.3 縫合線擴溶裂縫

縫合線是一種典型的成巖裂縫，是在壓實作用下不穩定組分局部溶解形成的，多表現為鋸齒狀，通常發育于較致密的泥質灰巖或泥灰巖。縫合線擴溶裂縫進一步溶解而使鋸齒狀擴大化，以水平狀為主，裂縫開度集中在1.0～2.0 mm之間，多被泥質沉積物或有機質充填(見圖3(f))。縫合線擴溶裂縫通常表現為延伸相對較遠但多為孤立單一分布，很少成群成簇出現。

3 裂縫發育期次

在漫長的地質演化過程中，義東地區經歷不同期次構造運動的疊加，最終形成現今的構造格局。不同的地質演化階段的應力方向及大小、地層結構、流體性質及規模不同，導致裂縫的成因、產狀及充填程度存在一定差異。根據研究區基礎資料，結合裂縫期次劃分，明確義東地區碳酸鹽巖心裂縫發育期次的2個劃分依據：一是裂縫之間的相互切割關系；二是區域構造演化階段與裂縫成因類型之間的匹配關系。根據義東地區4口典型井裂縫觀察及裂縫期次劃分依據，研究區主要發育3期裂縫。

圖3 義東地區下古生界碳酸鹽儲層巖心裂縫發育特征Fig.3 The feature of fractures in cores of lower Paleozoic carbonates in Yidong area

3.1 裂縫之間的相互關系

裂縫之間的相互切割關系是判斷裂縫發育順序最直觀、最有效的方法之一[26]。義東地區4口井的巖心觀察發現，研究區碳酸鹽巖心存在3類較為明顯的裂縫相互切割關系：一是近直立裂縫切割斜交裂縫；二是近直立裂縫切割水平裂縫；三是斜交裂縫切割水平裂縫(見圖4)。裂縫發育順序為水平裂縫—斜交裂縫—近直立裂縫。

3.2 裂縫成因類型與構造期次的匹配關系

受區域構造應力的控制，不同的構造演化階段控制不同成因裂縫的發育，根據裂縫類型與構造期次之間的匹配關系可判斷裂縫發育順序。綜合區域地質資料和巖心觀察，義東地區碳酸鹽巖主要經歷3期構造運動的疊合，與所觀察不同成因類型的裂縫較為吻合。

加里東—海西期，可以劃分為2個階段。加里東期，濟陽坳陷整體沉降，沉積一套以碳酸鹽為主的地層序列，義東地區碳酸鹽沉積物持續埋藏，受壓實、壓溶成巖作用的改造而形成水平裂縫和縫合線。海西期，研究區整體抬升，裂縫不同程度地發生開度增大、擴溶等現象，且幾乎全部被方解石充填(見圖5)。

圖4 義東地區下古生界碳酸鹽巖心裂縫相互關系Fig.4 The interaction relation of fractures in cores of lower Paleozoic carbonates in Yidong area

圖5 義東地區下古生界碳酸鹽裂縫發育演化示意Fig.5 Schematic of fracture development based on the fractures in cores of lower Paleozoic carbonates in Yidong area

印支—燕山期，濟陽坳陷以北東向擠壓應力為主，伴隨郯廬斷裂的左旋走滑運動，研究區發生強烈的抬升作用，發育一組共軛斜交裂縫。該類裂縫產狀穩定、延伸較遠且規模較大，多呈無充填或半充填狀態。

喜山期，郯廬斷裂發生強烈右旋運動并伴隨近南北向拉張[27]，形成近直立裂縫并伴隨早期形成的斜交裂縫部分活化，直立裂縫幾乎全部被充填，斜交裂縫部分被亮晶方解石充填。

4 裂縫控制因素

4.1 斷裂構造

斷裂構造對裂縫的發育程度及規模具有明顯的控制作用，裂縫線密度的大小是最直觀的體現[22,28]。通過巖心觀察，對相同巖石類型發育的裂縫線密度進行統計(見圖6)。為了便于操作，對研究區隱晶灰巖段的裂縫線密度進行統計。在裂縫總數上，裂縫在3條斷層的夾持地帶最為發育，越靠近義東邊界斷層裂縫線密度越大，局部地區存在一定的差異，距離邊界斷層相對較遠而小斷層發育的地區裂縫線密度也較大；在裂縫成因類型上，直立裂縫的線密度最大，斜交裂縫的次之，水平裂縫的最小。

圖6 義東地區碳酸鹽儲層裂縫密度平面分布Fig.6 The horizontal distribution of fracture density of carbonate reservoir in Yidong area

4.2 地層結構

裂縫的發育受控于多種地質因素，斷層、不整合面及地層厚度對裂縫有重要影響。在滿足地質因素的基礎上，分析巖心、測井及錄井資料，義東地區存在5種地層疊置樣式(見圖7)。5種地層疊置樣式的裂縫發育規模及有效性存在差異：樣式一為灰巖與泥灰巖的不等厚互層，整體以斜交裂縫和直立裂縫為主，裂縫無充填或半充填，儲層有效性最優(見圖7(a))；樣式二為灰巖與泥頁巖的不等厚互層，整體以直立裂縫和水平裂縫為主，裂縫半充填或全充填，儲層有效性次之(見圖7(b))；樣式三為灰巖、泥灰巖和泥頁巖的不等厚互層，斜交裂縫、直立裂縫和水平裂縫發育，以水平裂縫為主，裂縫多為全充填，儲層有效性最差(見圖7(c))，白云巖的地層結構具有類似的裂縫發育特征；樣式四為灰巖與白云巖的不等厚互層，以斜交裂縫為主，裂縫多為半充填，儲層有效性較好(見圖7(d))；樣式五為顆粒灰巖較厚層夾于灰巖之間，以斜交裂縫為主，裂縫多為半充填，儲層有效性較好(見圖7(e))。

總之，灰巖或白云巖與泥灰巖的互層，以及白云巖或顆粒灰巖與灰巖的互層主要發育斜交裂縫，對儲層的有效性最為有利，但白云巖或顆粒灰巖與灰巖互層的地層結構在局部地區發育。

4.3 巖石類型

碳酸鹽巖礦物成分相對單一，主要為方解石或白云石，還含有一定量的泥質和硅質成分，鈣質和硅質礦物表現為脆性，泥質礦物表現為塑性。碳酸鹽巖成分及其含量的差異對其自身的結構、構造及后期成巖改造具有重要影響[29-30]，造成脆性礦物相對含量的差異，進而控制裂縫的發育程度與規模。研究區巖石類型多樣，灰巖、白云巖、泥灰巖、顆粒灰巖、灰質白云巖和白云質灰巖發育，但以致密灰巖、泥灰巖和灰質白云巖為主。選取距離斷層和不整合面相對較遠、沉積序列較為完整且地層厚度大致相等的井，結合裂縫發育的有效性，統計不同巖性的斜交裂縫和直立裂縫密度之和。白云巖和灰質白云巖的密度最大，顆粒灰巖的次之，灰巖、泥灰巖的相對較小(見圖8)。受區域沉積背景控制，研究區廣泛發育泥灰巖與灰巖、白云巖的互層，灰巖、白云巖中含有一定的泥質。該類灰巖、白云巖中裂縫具有數量多、規模相對較大、連通性好且后期成巖改造強的特點，對流體運移和油氣儲集最為有利。

圖7 義東地區碳酸鹽儲層5種組合樣式Fig.7 Five combined models of carbonate reservoir in Yidong area

5 裂縫與油氣成藏的關系

義東地區下古生界碳酸鹽巖儲層粒度偏細，孔隙度平均為5%，滲透率平均為2×10-3μm2，屬低孔低滲儲層。研究區儲集空間以溶蝕孔洞和裂縫為主，受儲層巖性影響，酸性流體選擇性溶蝕導致孔洞連通性較差，裂縫的發育改善儲層的孔隙結構，成為影響油氣成藏的關鍵因素。白云巖、顆粒灰巖、灰巖與泥灰巖的互層中裂縫的發育規模及有效性較優，其中以白云巖的最優，顆粒灰巖的次之，灰巖的再次之。根據層位相同、厚度相當的不同成因裂縫發育段的含油性統計，斜交裂縫和直立裂縫的含油性較好(見圖9)。結合研究區的勘探現狀，顆粒灰巖局部發育，已基本完成勘探；白云巖和灰巖連片發育，尋找白云巖、灰巖與泥灰巖的互層是實現油氣突破的關鍵。

圖8 義東地區碳酸鹽儲層不同巖性裂縫密度統計Fig.8 Fracture density from the different lithology of carbonate reservoir in Yidong area

圖9 義東地區碳酸鹽儲層裂縫類型與含油性關系Fig.9 Fracture density from the different lithology of carbonate reservoir in Yidong area

6 結論

(1)義東地區下古生界碳酸鹽儲層裂縫類型多樣，根據裂縫成因及充填特征可劃分為兩大類(構造裂縫和成巖裂縫)、五小類。其中構造裂縫包括全充填或半充填直立裂縫和半充填或無充填斜交裂縫，成巖裂縫包括全充填水平裂縫、構造擴溶裂縫和縫合線擴溶裂縫。不同成因的裂縫發育特征及規模存在差異。

(2)研究區發育3期裂縫，依次為水平裂縫、斜交裂縫和近直立裂縫，不同期次發育的裂縫與構造演化階段具有良好的匹配關系。

(3)研究區的裂縫發育主要受斷裂、地層結構和巖石類型3方面因素控制，斜交裂縫對優質儲層的發育貢獻最大。在斷裂發育區灰巖、白云巖與泥灰巖的不等厚互層的儲層中，斜交裂縫最為發育，具有較大的勘探潛力。