川東北通江-馬路背地區須家河組斷縫體儲層特征及成因

黃仁春，劉若冰，劉 明，曹環宇，宿 賽，杜紅權

(中國石化 勘探分公司 勘探研究院，四川 成都 610041)

四川盆地是典型的多旋回疊加改造型盆地，發育多期次斷裂構造[1-4]。勘探實踐表明，川東北通江-馬路背地區上三疊統須家河組致密砂巖經多年天然氣勘探，取得顯著成效，多口井在須家河組測試獲得工業氣流，顯示出良好的勘探前景[5-9]。天然氣富集區沿大型斷裂呈“條帶狀”分布[10]。前人研究認為，通江-馬路背地區須家河組致密砂巖氣藏具有“雙源供烴，高效成藏”的特點，該套“斷縫體”氣藏的儲集特征及富集規律與其他致密砂巖氣藏具有明顯的差異性[11-13]。因此，筆者通過地震、測井、巖心測試和掃描電鏡等資料，在精細刻畫須家河組多套砂體沉積學特征的基礎上，以巖相、裂縫與斷裂三者對“斷縫體”的影響為重點，闡釋“斷縫體”儲層的發育特征及成因機理。

1 區域地質概況

通江-馬路背地區處于四川盆地川東北地區通南巴構造帶中部[14]，主體位于通南巴背斜及通江凹陷，構造位置處于米倉山沖斷構造帶和大巴山弧形沖斷構造帶的疊合區(圖1)，上三疊統須家河組是研究區主力含氣層系，縱向上可劃分為須一段—須五段[15-17]，研究區須家河組受川東北地區東高西低的古地貌影響，須二段直接超覆在雷口坡組碳酸鹽巖之上，缺失須一段，頂部與自流井組珍珠沖段呈不整合接觸，須五段為殘余地層[12]。須家河組內部整體上表現為須二段與須四段偏砂，須三段與須五段偏泥，為辮狀河三角洲-湖泊沉積體系，發育須二下亞段濱湖灘壩砂體、須二上亞段、須四段及須三段中部水下分流河道砂體、須四段辮狀河道砂礫巖體等多套砂體。構造上，主要受燕山早期、燕山晚期與喜馬拉雅期3期構造運動疊加的影響[18]，整體表現為NE向構造帶疊加了后期NW向背斜和斷裂，發育北西向展布的對沖、背沖構造，局部構造成排成帶展布，整體上具有南北分異、東西成帶的特征。

圖1 四川盆地東北通江-馬路背地區構造位置

2 “斷縫體”儲層特征及成因

2.1 儲層地質特征

通江-馬路背地區須家河組儲層整體致密，但多期裂縫發育，局部受沿裂縫的酸性熱流體溶蝕作用強烈。多期熱流體作用造成裂縫半充填多種礦物，保證了裂縫有效開啟；晚期疊加無充填裂縫形成復雜縫網，最終裂縫與溶蝕孔隙疊置形成了致密背景下的局部高孔滲儲層；表現為沿特定斷裂及局部構造呈復雜空間分布“斷縫體”儲層。

2.1.1 多套砂體發育，儲層整體致密，裂縫多期疊置

通江-馬路背地區須家河組巖石整體礦物成分成熟度和結構成熟度差異較大，巖石類型以巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、巖屑石英砂巖和石英砂巖為主，縱向上石英含量從上到下有增高趨勢，巖屑含量較高，長石含量較低。通江-馬路背地區須家河組砂巖巖心實測孔隙度介于0.20%～8.17%，主體分布在1%～3%，儲層整體致密，局部發育高孔隙；滲透率介于(0.001～1.43)×10-3μm2，主體分布在(0.01～0.1)×10-3μm2間，孔、滲相關性差，具有明顯的裂縫發育特征(圖2)。

圖2 川東北通江-馬路背地區須家河組孔-滲交會圖

通江-馬路背地區須家河組高產井段裂縫普遍發育，裂縫以中-高傾角為主，傾向多樣，主要為北西與北西西走向，裂縫面多切斷沉積層面，具有組系性，表現為構造裂縫特征，裂縫垂向及平面分布具有很強非均質性。裂縫相互交切形成網狀，部分巖心裂縫內半充填自形石英及碳酸鹽巖礦物，成像測井表現為高導縫內部局部具有高阻特征(圖3)。從充填先后順序及相互切割關系判斷裂縫發育具有多期性特征，石英充填裂縫發育最早，之后為碳酸鹽巖充填裂縫，無充填裂縫最晚。

圖3 川東北通江-馬路背地區須家河組成像測井圖像及典型巖心裂縫照片

2.1.2 局部溶蝕高孔，溶蝕孔隙與半充填裂縫具有成因聯系

通江-馬路背地區須家河組巖心發育半充填裂縫，且儲層溶蝕作用較強，溶蝕孔隙與半充填裂縫表現出相關性，具有相對高孔滲特征(圖4)。依據薄片及掃描電鏡資料，認為溶蝕孔隙是酸性熱流體沿著裂縫作用的結果，表現為沿裂縫的進一步溶擴和對裂縫所切割長石與巖屑等不穩定組分的溶蝕(圖5)，改善了儲層物性，形成熱流體溶蝕增孔。溶蝕孔隙及裂縫中充填的石英及碳酸鹽巖礦物是多期熱流體活動的產物，石英沿著裂縫壁或溶蝕孔隙向內呈棱柱狀充填，碳酸鹽巖礦物在此基礎上進一步充填裂縫及溶蝕孔隙，可見馬鞍狀白云巖。礦物的多期充填減小了裂縫及溶蝕孔隙儲集空間，但充填礦物特別是石英力學強度大，有效支撐裂縫及溶孔壁，保持孔隙有效的開啟性。裂縫相關的溶蝕作用及多期充填特征是通江-馬路背地區須家河組區別于其它儲層的根本因素。

圖4 川東北通江-馬路背地區須家河組半充填裂縫發育段(a)與不發育段(b)孔-滲交會圖

圖5 川東北通江-馬路背地區M3井須四段典型溶蝕及充填現象

2.2 儲層成因機制

通江-馬路背地區須家河組“斷縫體”儲層的形成具有其獨特的地質背景與成因機制。通江-馬路背地區以嘉陵江-雷口坡組膏鹽巖和志留系泥頁巖滑脫面為界，垂向發育3層構造，須家河組處于上構造變形層，斷裂向上可斷至中侏羅統沙溪廟組，向下可斷至海相嘉陵江組-雷口坡組膏鹽巖(圖6)。形成3層結構的區域構造應力場與深部海相流體活動是“斷縫體”儲層形成的外部力學背景與內部成因機制。

圖6 川東北通江-馬路背地區構造特征剖面

2.2.1 區域壓扭應力場提供了有利構造背景

通江-馬路背地區須家河組致密砂巖在晚燕山期—喜馬拉雅早期受米倉山和大巴山不均衡擠壓作用影響，處于壓扭性應力場作用下，表現為所處通南巴構造軸線錯斷，并形成以一系列北西-南東向雁列式展布的北東傾向壓扭斷裂(圖7)，垂向上海相地層與陸相地層整體變形，構造基本一致[19-23]。在走滑構造與擠壓構造的雙重作用下，沿斷裂發育多方向剪切破裂，向下切穿海相塑性膏鹽巖，向上發散與陸相各種破裂面連接構成網狀交織的破裂帶，破裂帶內發育大量杏仁狀夾塊，有效支撐斷層面保證其開啟性[17]。該時期走滑擠壓斷層溝通深部海相烴源巖及多期熱流體，成為通源斷裂。但由于斷裂具有走滑分量，垂向斷距小，因此通源斷裂向上大多發育在須家河組內部。該階段局部構造幅度相對小，因而裂縫主要受通源斷裂控制，沿裂縫普遍有活躍的流體活動，裂縫所切割巖體受流體改造作用強烈，局部溶蝕增孔作用明顯，形成須家河組“斷縫體”儲層的雛形。

圖7 川東北通江-馬路背地區晚燕山期—早喜馬拉雅期構造特征

2.2.2 深部流體溶蝕改造儲層

通江-馬路背地區須家河組構造演化過程中，受通源斷裂影響，保留下較多海相流體活動的痕跡。首先在礦物成分上，須家河組高產井段巖心小斷面上可見局部充填白色石膏，X衍射資料也反映出巖礦成分中含有石膏，而須家河組原生地層中不含石膏，其來源為海相嘉陵江組-雷口坡組膏鹽巖地層，薄片中可見鞍狀白云石呈波狀消光，交代石英加大邊，與石英顆粒呈鋸齒狀接觸(圖8)，其形成與深部流體活動有關；其次在包裹體溫度方面，部分巖心裂縫中發育半充填自形石英及方解石，并且從包裹體測溫可知，其具有異常高溫，主峰溫度為180～210 ℃，石英略高于方解石，遠大于該區陸相地層可能達到的最大演化溫度，而與海相飛仙關組包裹體主峰溫度有很好的可比性(圖9)。海相流體沿通源斷裂及相關裂縫的活動，對須家河組砂巖中易溶礦物組分產生強烈的溶蝕作用，形成溶蝕增孔帶，盡管后期通源斷裂失去作用，但構造變形更加強烈，多期裂縫與溶蝕增孔帶疊置，形成“斷縫體”儲層最終形態。

圖8 川東北通江-馬路背地區M3井須四段X衍射組分含量直方圖(a)與鞍狀白云石波狀消光薄片照片(b)

圖9 川東北通江-馬路背地區M3井須家河組(a)與JX2井飛仙關組(b)包裹體均一溫度直方圖

3 “斷縫體”儲層發育主控因素

通過對“斷縫體”儲層的形成過程與成因分析可發現，其發育必須具備3個要素：通源斷裂、規模高能砂體及多期裂縫。

3.1 通源斷裂具有通源與控儲雙重作用

前期對通江-馬路背地區須家河組通源斷裂的研究中，更多強調其對于海相烴源的溝通，認為區內須家河組天然氣表現為乙烷碳同位素較輕，且出現甲、乙烷碳同位素倒轉的特征，為海相與陸相混合天然氣。通源斷裂不僅起到溝通海相烴源的作用，它更是多期海相酸性熱流體的運移通道。

一方面，通源斷裂有效溝通海陸兩相烴源巖與陸相儲集體，為天然氣運移提供通道。通江-馬路背地區構造形變強，晚侏羅世后，受大巴山壓扭及膏鹽底劈聯合作用，貫穿二疊系-侏羅系通源斷裂逐漸形成，有效溝通了海陸相多套烴源巖，二疊系與須家河組天然氣一起運移至儲層，在部分地區富集成藏。

另一方面，通源斷裂溝通深部酸性熱流體，對須家河組裂縫附近長石和巖屑溶蝕形成大量粒內、粒間溶孔，有效提高孔滲性。以M3井為例(圖10)，酸性熱流體對M3井須四段上部長石、巖屑等不穩定組分溶蝕作用明顯，溶蝕孔縫發育，一定程度上改善儲層物性，形成熱流體溶蝕增孔帶。

3.2 規模高能砂體為裂縫發育及溶蝕作用提供基質

通江-馬路背地區須家河組發育多套高能砂體，不同類型沉積相帶砂體整體致密物性差異不大，但砂體對于裂縫的發育與溶蝕作用有顯著影響。通江-馬路背地區須家河組發育須二段、須三段和須四段多套三角洲前緣水下分流河道砂體。由于水下分流河道有利于大套細砂巖與中砂巖發育，水動力條件較強，分選與磨圓一般較好，雜基含量較低，原始物性、孔隙結構較好，即使經歷了后期的成巖改造作用，也具有相對較高的孔滲性,如M4井在須二上亞段取心段中水下分流河道中-細砂巖，裂縫中可見溶蝕孔洞發育。另外水下分流河道沉積的中細砂巖脆性較大，更容易形成微裂縫，有效增加儲集空間(圖11)。

圖11 川東北通江-馬路背地區須家河組孔隙度與沉積微相關系

3.3 局部構造控制復雜縫網的形成

3.3.1 裂縫發育特征

運用巖心及野外觀察、薄片鑒定、成像測井及常規測井解釋等裂縫識別方法，對通江-馬路背地區須家河組儲層裂縫進行了識別與描述。發現研究區裂縫類型具有多樣性，根據成因可劃分為斷層相關裂縫、褶皺相關裂縫、順層滑脫裂縫和礫石相關裂縫4種類型(表1)。研究區斷層相關裂縫形成于斷層破碎帶內，產狀多為中—高角度，裂縫多期發育，充填物多樣，以石英與方解石為主，局部充填石膏。裂縫以張性-剪性為主，寬度大，延伸長度小，發育揉皺、擦痕與階步構造。研究區褶皺相關裂縫多發育于砂巖中，產狀以高角度為主，裂縫面平直，開度小，充填物一般較少，延伸長度大，裂縫呈組系；順層滑脫裂縫多發育在泥巖和粉砂質泥巖中，多為沿層滑脫或低幅度剪切形成，產狀以低角度-水平為主，多被石英、方解石半-全充填，裂縫面可見擦痕；礫石相關裂縫主要發育于研究區北部的須四段礫巖內，并可細分為礫內縫、礫緣縫與穿礫縫。裂縫密度較低，延伸長度一般較短，產狀多樣，受礫石控制，常被石英與方解石半-全充填，裂縫多呈孤立狀，不呈組系且多不連通。

表1 川東北通江-馬路背地區須家河組不同成因類型裂縫發育特征及有效性

微觀裂縫在研究區須家河組中同樣廣泛發育，其形成與區域構造作用、沉積作用和后期成巖作用相關[24-27]。其中以構造微裂縫為主，裂縫可切穿礦物顆粒，連通孔隙空間，鄰近斷裂帶還可以觀察到酸性流體流經裂縫發生的溶蝕現象，表現出裂縫對于儲層物性的改善作用。掃描電鏡下同樣可以觀察到開啟的微裂縫，其開度一般在1～5 μm，其形態受顆粒形態和磨圓等特征的影響，延伸或終止于顆粒接觸點，長度可達1～2 mm。

3.3.2 巖相及構造變形強度對裂縫發育的影響

對成像測井解釋的裂縫線密度統計發現，通江-馬路背地區須家河組不同巖性中裂縫發育程度差異性明顯。絕大多數中-高角度構造裂縫發育在砂巖中(圖12)，細砂巖中裂縫最為發育，其次為粉砂巖和粗砂巖。其原因與巖石脆性有關，當巖石中的脆性礦物含量低于巖石發生破裂的界限時，巖層在構造應力作用下發生塑性彎曲而非破裂。而低角度裂縫在各類巖性中均有發育，且在泥巖中所占比例較大，多數與成巖作用及超壓破裂作用有關。另外，不同的巖性組合對裂縫的發育也具有一定的影響，大套砂巖具有統一或相似的力學性質，在強構造應力作用下可整體破碎，形成裂縫體系；而砂、泥互層中砂和泥力學性質差異較大，雖然砂巖層內易形成高密度裂縫，但整體難以形成大型裂縫系統。

圖12 川東北通江-馬路背地區巖心開啟裂縫數量與巖性關系

研究區成像測井解釋出的高導裂縫與臨近的高角度逆斷層在走向上具有一致性，均以北西向或北西西向為主，可見構造裂縫與斷層之間存在密切的關系。同時，斷層拖拽作用導致局部地層轉折，應力相對集中，促進了裂縫的進一步發育，位于局部構造高部位的M101井、M103井與M3井裂縫異常發育，說明強烈的地層轉折進一步促進了構造裂縫的發育。前人研究表明，受控于不同規模的斷層，裂縫發育密集程度也應有所不同[28-36]。在對通江-馬路背地區須家河組鉆井裂縫統計的基礎上，建立了單井裂縫發育數量與所處局部構造斷裂和褶皺的擬合關系。結果表明，裂縫發育數量與兩參數之間具有很好的相關性，通過鉆井裂縫發育數量與構造變形強度的擬合關系可以發現，通江-馬路背地區裂縫發育程度與褶皺程度呈線性關系，與斷裂發育程度呈對數關系(圖13)。當井到斷層距離大于4倍斷距時，砂巖中裂縫發育程度迅速降低，當局部褶皺幅度小于0.1時，砂巖裂縫發育程度低。整體來看，通江-馬路背地區裂縫與褶皺、斷層關系密切，斷層帶附近及強烈構造轉折區是裂縫發育的優勢區帶。局部構造所控制裂縫主要為晚期構造縫，當晚期構造裂縫發育程度好且與早期初始狀態“斷縫體”儲層疊置時，便形成了“斷縫體”儲層發育的最有利情況。

圖13 川東北通江-馬路背地區成像測井裂縫發育程度與褶皺(a)、斷層(b)的關系

4 “斷縫體”儲層發育模式

在上述主控因素分析的基礎上，總結了通江-馬路背地區須家河組“斷縫體”儲層發育模式(圖14)。通源斷裂溝通海相烴源巖，同時也為多期流體向上運移提供了通道，從而控制了溶蝕流體、早期半充填裂縫及溶蝕增孔帶的發育；規模高能砂體為“斷縫體”儲層提供裂縫發育及溶蝕孔隙形成的基質條件，構成了“斷縫體”儲層的主體；局部構造控制下的晚期裂縫進一步改善“斷縫體”儲層的聯通性與儲集性能。微觀尺度上“斷縫體”儲層的儲集空間主要是多期構造裂縫及沿裂縫的溶蝕孔隙。北部馬路背地區須二上亞段、南部通江地區須四段、須三段中部都處于辮狀河三角洲前緣水下分流河道微相主體部位，發育厚層狀中-細砂巖，富含易溶礦物顆粒，為裂縫及溶蝕作用發育的有利巖相帶。通江-馬路背地區須家河組局部構造近通源斷裂一側，更易于發育早期裂縫及溶蝕增孔帶，近反向斷裂一側，更易于發育晚期復雜縫網，兩者有效疊合為“斷縫體”儲層發育提供有利的局部構造條件。

圖14 川東北通江-馬路背地區須家河組斷縫體發育模式

5 結論

1)通江-馬路背地區須家河組儲層整體致密，但多期裂縫發育，局部具有相對高孔特征，裂縫相關的溶蝕作用及多期充填是通江-馬路背地區須家河組區別于其他儲層的根本因素。

2)區域壓扭應力場為“斷縫體”儲層的形成提供有利構造背景，晚期擠壓改造使“斷縫體”儲層分布進一步復雜化；深部流體活動為“斷縫體”儲層的形成提供改造溶蝕流體。

3)多套大面積分布的規模高能砂體，在晚燕山期—喜馬拉雅期米倉山-大巴山擠壓改造作用下，斷層伴生縫、褶皺伴生縫與基質孔隙耦合疊加形成規模網狀縫孔儲滲體，即“斷縫體”儲層，其分布受通源斷裂、規模高能砂體與局部構造共同控制。