四川盆地西部新场地区上三叠统须家河组二段构造裂缝的分布规律

王 莹，张克银，甘其刚，周 文，熊 亮，魏力民，史洪亮

(1.中石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川 成都 610059;2.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610051)

0 引言

新场地区位于龙门山前缘的四川盆地西部(川西坳陷)(图1)，中三叠世以来，经印支、燕山和喜山等多期次大的构造运动的改造，沉积环境完成了由海—海陆过渡—陆相的变迁(郭正吾等，1996;杨克明等，2012)。该区上三叠统须家河组，自下而上分为须二—须五段，与上覆的侏罗系白田坝组呈整合接触关系，与下伏上三叠统的小塘子组、马鞍塘组呈平行不整合接触关系(李书兵等，1999)。川西新场气田须二段气藏具有超深、超低孔渗、超高压、超致密等特征(张虹等，2008)，其岩性主要为浅灰色、灰白色细—中粒岩屑长石砂岩、长石岩屑石英砂岩，常见有底冲刷(林良彪等，2007)。须二段沉积期，川西坳陷以三角洲前缘沉积环境为主，物源来自3个方向：坳陷西南的古隆起，坳陷东南的川中隆起，坳陷北东方向的隆起区。构造上，须二顶面整体表现为一ENE向展布的背斜构造(熊亮等，2007)，地层近水平(5°左右)。

图1 研究区大地构造位置图(据 Wang et al，2015 修改)Fig.1 Tectonic location map of the study area(modified from Wang et al，2015)

前人研究表明，该区须二段气藏储层致密，孔隙度介于2% ～4%之间，基质渗透率为(0.04～0.16)mD，天然裂缝的发育可以改善渗流条件，往往成为高产的关键因素之一(关文均等，2007;葛祥等，2007;张虹等，2008)。但裂缝分布非均质性强、规律复杂，天然裂缝预测难度大，已有的裂缝研究成果虽然对裂缝的特征和分布有一定的认识(邓模等，2009;Nelson et al，2001)，但对于裂缝成因、裂缝期次、受控因素、分布规律等方面还需要进一步的研究。因此，认识了解新场地区须家河组二段天然裂缝的分布规律非常关键。

1 研究方法与数据

研究区地表为第四系所覆盖，故对须家河组二段裂缝的研究主要依赖于测井资料及岩芯的观察。岩芯观察方法的优势显而易见，可以直接对钻井岩芯进行裂缝描述、测量、统计。测井方法包括常规测井和成像测井。常规测井方法很多，如电阻率测井、地层倾角测井、声波速度测井、井径测井、自然伽马能谱测井、地层密度测井等(王鹏等，2000;吴文圣等，2001;康义逵等，2002;赵青，2003;曾联波等，2010)。它们对裂缝的敏感程度也不同，通常综合各种测井方法对裂缝进行研究。成像测井是目前识别和评价裂缝分布最有效的测井手段(曾联波等，2010)。电成像测井能够提供在实际温度、压力和流体环境下较为准确的裂缝二维空间信息，能够精细地描述岩性、裂缝、构造地应力方向等特性，通过对这些信息及特性的研究，可以更深入地对裂缝成因类型及形成期次进行综合分析、判断(张筠等，2005;李建良等，2006;李阳兵等，2010)。在电成像上，单一的裂缝通常以正弦曲线的方式展布，裂缝面通常与层面、层理面相交成一定的角度(黄继新等，2006)。

利用电成像资料进行裂缝密度计算时，一般用线性密度表示为：

按周文(1998)提出的裂缝类型的划分标准，将裂缝分为水平缝、低角度斜交缝、高角度斜交裂缝、垂直裂缝4类(表1)。

表1 以裂缝产状为标准的裂缝类型划分方案Table 1 Classification of fracture types based on fracture occurences

通过电成像测井手段，对工区内7口重点井须家河组二段发育的天然裂缝资料进行统计分析。

2 裂缝特征

2.1 裂缝横向分布特征

2.1.1 裂缝方向分布 对选取的7口井的裂缝发育方向进行统计分析，结果显示：(1)走向上，区内发育的裂缝主要集中在3个方向：ESE—WNW至ENE—WSW 向，NW—SE向，NE—SW 向(图 2)。其中，Dey1、X209、X201、XC8 井以发育 ESE—WNW至ENE—WSW向裂缝为主，X203、X501井以发育ESE—WNW至 ENE—WSW 向和 NE—SW 向裂缝为主，XC15井以 ESE—WNW 至 ENE—WSW 向、NW—SE向和NE—SW向3组裂缝为主(图2);(2)倾向上，Dey1、XC15、X209井主要表现为北倾，而 X203、X201、XC8、X501 井主要表现为南倾(表2、图2、图 3)。

2.1.2 裂缝线密度 对选取的7口井的裂缝线密度进行统计分析，结果显示：X501井的裂缝线密度最大，并且远高于其他井，达0.922 7条/m;XC8井和XC15井的裂缝线密度也都超过了0.2条/m，分别为0.216 7、0.210 8 条/m;X203、Dey1、X209 井的裂缝线密度相对较低，但也都超过了0.1条/m，依次为0.144 8、0.109 1、0.107 5 条/m(图4)。

2.1.3 裂缝倾角 对选取的7口井的裂缝倾角进行统计分析，结果显示：这7口井主要发育低角度斜交裂缝以及高角度斜交裂缝，水平缝发育较少(仅见于X501)，垂直缝不发育(表 2、图 5)。其中，Dey1、XC15、X209、X203、XC8、X501 井的低角度斜交裂缝所占比例均超过75%，最高为93.7%(XC15井);高角度斜交裂缝仅在X201井广泛发育，所占比例为73.3%，其余各井的高角度斜交裂缝所占比例均小于25%(图5、表2)。

图2 裂缝产状分析图Fig.2 Analysis charts of fracture occurences

图3 裂缝倾向分布图Fig.3 Distribution of fracture dip

图4 裂缝线密度分析图Fig.4 Analysis chart of fracture linear density

图5 裂缝倾角分布图Fig.5 Distribution of fracture dip angle

表2 裂缝产状统计表Table 2 Statistics of fracture occurences

2.2 裂缝纵向分布特征

依据各井所处构造位置的不同，将Dey1、XC15、X209和X203井归为第一类讨论、分析;将X201、XC8和X501井归为第二类讨论、分析。因为前4口井大致分布于新场ENE—WSW向背斜的两翼及轴部，而后3口井则大致分布于区内NS向断层发育区内。可以看到，纵向上，在第一类的4口井中，裂缝线密度都表现出一定程度的不均质性，其中X209井表现的最为突出，而XC15井的均质性则相对较好(图6)。相对于第一类，第二类的3口井的裂缝线密度则表现出更为明显的不均质性，其中，XC8井和X501井具有几个明显的高值段(图7)。

图6 Dey1－XC15－X209－X203裂缝随深度变化分析图Fig.6 Variations of the Dey1-XC15-X209-X203 fractures with depth

图7 XC8－X201－X501裂缝随深度变化分析图ig.7 Variations of the XC8-X201-X501 fractures with depth

裂缝倾向：没有观察到裂缝倾向随深度变化的规律性(图2)。

裂缝倾角：裂缝倾角随深度的变化似乎没有表现出明显的规律性(图2)。X209井可能是个例外，在4 957 m以上，裂缝的倾角大多＜30°;在4 957 m以下，裂缝的倾角多＞30°(图2)。

2.3 裂缝分布与岩性的关系

选取的7口井岩性主要由砂岩和页岩组成(图7)，对这7口井，按照不同的岩性，分别考察裂缝的发育情况。结果显示中砂岩是裂缝的主要载体，中砂岩中发育的裂缝占全部裂缝的比例均超了过50%。其中，Dey1与X209井中的比例更是超过了95%(图8)。除中砂岩之外，裂缝也在粗砂岩、细砂岩、页岩等其他岩性中发育，但所占比例明显低于中砂岩(图8)。

为了进一步考察评价裂缝在不同岩性中的发育特征，引入“Erf指标”：

式(2)中，nr为某岩性中发育的裂缝条数，nt为裂缝的总条数，Hr为某岩性的总厚度，Ht为地层总厚度。Erf指标的意义在于可以表征裂缝在各岩性中的发育情况：正值代表有利于裂缝发育;负值代表不利于裂缝发育，最小值为－100.00%;0则代表没有影响。

图8 各井岩性组成(a)及裂缝在不同岩性中的发育特征(b)Fig.8 Lithological composition of wells(a)and fracture development characteristics in different lithologies(b)

对选取的7口井进行Erf指标分析。结果显示，粗砂岩、中砂岩的Erf值绝大多数是正值，而细砂岩、页岩的Erf值都是负值(表3、图9)。在有粗砂岩数据的5口井中，有 4 口井(XC15、X203、X201、XC8)的Erf值是正值，最高的达到271.18%，Dey1井的Erf值为－100.00%，可能是因为其厚度较小(图9);中砂岩中，只有X203井的Erf值为负(－11.91%)，其他井的Erf值均为正，且最大值为 107.40%(XC8);细砂岩与页岩的Erf值均为负。整体上看，页岩的Erf绝对值要大于细砂岩(表3、图9)。

2.4 裂缝分布与层厚的关系

裂缝主要发育在粗砂岩、中砂岩、细砂岩及页岩中，故仅对7口井中上述4种岩性进行裂缝分布与层厚的关系分析(图10)。大体上可以得出以下规律。

表3 Erf指标统计表Table 3 Statistics of Erf

2.4.1 粗砂岩 粗砂岩中发育裂缝的井均没有表现出明显的裂缝随层厚的增加而增多的趋势。

图9 各井的Erf值对比分析图Fig.9 Comparative analysis of Erffor wells

图10 裂缝分布与层厚的关系图Fig.10 Relationship between fracture distribution and stratum thickness

2.4.2 中砂岩 Dey1、XC15、XC8井的裂缝大体上表现出比较明显的随层厚的增加而增多的趋势，其他井中这种情况并不明显。

2.4.3 细砂岩 X201井的裂缝表现出比较明显的随层厚的增加而增多的趋势，XC15、X203、XC8、X501井的裂缝大体上表现为不随层厚的变化而发生变化的状态。

2.4.4 页岩 页岩中发育裂缝的井并没有表现出裂缝随层厚的增加而增多的趋势。

3 讨论

了解天然裂缝的分布规律不仅对正确认识裂缝成因及形成期次非常关键，也具有非常重要的地质意义。

裂缝发育期次。马旭杰等(2013)采用岩石声发射实验、裂缝充填物稳定碳氧同位素分析、裂缝充填物流体包裹体测定等实验测试分析手段，确定新场地区须二段气藏内天然裂缝形成期次有4期，分别对应印支期、燕山期、喜马拉雅期三幕和喜马拉雅期四幕。罗啸泉等(2010)根据钻井岩芯、野外露头资料显示的裂缝性质、切割关系及与邻区对比分析认为：NE—SW 向裂缝发育于 T3末期，NW—NNW向裂缝发育于K1末期，WNW—ESE向至近EW向裂缝发育于N－Q。现今构造应力场方面，根据汶川地震序列震源机制解沿龙门山断裂带的变化分析(崔效锋等，2011)、断裂面最新擦痕反演计算(刘健等，2012)和水压致裂地应力测量资料(孟文等，2013)，判断出龙门山断裂带中、南段最大主压应力方向为NW—WNW向。罗啸泉等(2010)依据电成像测井图像上分析的井眼崩落及钻井诱导缝的发育方位，判断新场地区地层现今最大水平主应力方向为近WNW—EW向。综合前人的研究成果，认为新场地区须家河组二段3组裂缝与地质时期的对应关系为：NE—SW向裂缝对应于T3末期;NW—SE向裂缝对应于K1末期;ESE—WNW至ENE—WSW向裂缝对应于 N－Q。但需要注意的是，郭正吾等(1996)认为四川盆地的构造是多期次生成的，一个构造的形成往往是多期次、长期作用的结果。裂缝也是一样的道理，各组裂缝也应该是多期次、长期作用的结果，要彻底识别、区分出各个期次的裂缝显然还需要做大量细致的工作。

裂缝与断裂的关系。Peacock(2001)认为：在同一应力环境下，与断层同时形成的裂缝在线密度上会有所体现，也就是说越靠近断层，裂缝的线密度越大。距新场构造最近的大型断裂系统当属龙泉山断裂系统，该断裂系统是川西坳陷的东部边界，总体走向N20°～30°，在孝泉—丰谷地区走向近SN。数据表示，选用的7口井，按照距离龙泉山主断裂系统的远近，依次为 XC15、Dey1、X209、X203、X201、XC8、X501井。从线密度的角度分析，Dey1、X209、X203、X201、XC8、X501这6口井大致表现出距主断裂系统越近，裂缝线密度越大的特点。其中，SN向裂缝相对比较少，广泛发育的是 ESE—WNW至ENE—WSW向裂缝。在形成机制和活动时间上，ESE—WNW至ENE—WSW向裂缝似乎和龙泉山断裂系统统一。虽然Price(1967)认为，裂缝可以垂直于褶皱枢纽发育，但新场构造中，ESE—WNW至ENE—WSW向裂缝与龙泉山断裂系统是否同时期、同构造机制，其形成机理到底如何，显然还需要做进一步的工作才可能确定。

前人对川西及邻区的构造事件及其机制已进行了大量研究(王金琪，1990;罗志立，1991;四川省地质矿产局，1991;童崇光，1992;陈社发等，1994;郭正吾等，1996;刘树根等，2011;Burchfiel et al，1995;Royden et al，2008;Hubbard et al，2009;Jia et al，2010)，比较一致的意见是，印支期、燕山期、喜山期发生的构造事件，对川西及周边地区乃至整个欧亚大陆都有重要而深远的影响。但一些关键问题依然是现在讨论的热点，如龙门山造山带与四川盆地在地形、地貌上的巨大差异是如何产生并且得以维持下来的。就这一问题，目前主要有2种观点：(1)脆性地壳的加厚(Tapponnier et al，2001;Hubbard et al，2009);(2)中、下地壳低速物质的侧向流动(Royden et al，1997;Cook et al，2008)。第一种说法似乎更合理，因为据对油气勘探井、地震剖面和地面露头的调查研究发现，四川盆地的沉积盖层中广泛存在多个滑脱层(郭正吾等，1996;汤良杰等，2008)。这些滑脱层对构造变形样式具有重要的控制作用，其中一些滑脱层至今仍保持着活动(Jia et al，2006)。就新场地区而言，有实验模拟结果表明雷口坡组内的膏岩层是控制区内滑脱断层及其相关的褶皱构造发育的主要因素(于福生等，2011)。已经有研究表明，龙泉山断裂系统的形成与滑脱层的发育有密切关系(Jia et al，2006)。

4 结论

川西坳陷新场地区上三叠统须家河组二段气藏具有储层致密、低孔隙度、低渗透率的特点。因此，裂缝是否发育、裂缝的分布规律到底如何，以及其他与裂缝相关的问题的研究对更好地认识、了解该储层的性质具有非常重要的意义。然而，裂缝的研究是一个非常复杂的系统工程，其涵盖与涉及的内容非常广泛。通过电成像测井的手段，对工区内7口重点井须家河组二段发育的天然裂缝资料进行了统计分析，并结合区域地质背景及前人相关内容的研究成果，侧重于其裂缝分布规律方面的研究及讨论，得出以下规律。

(1)新场地区须家河组二段裂缝主要有3组：T3末期的NE—SW向裂缝;K1末期的NW—SE向裂缝;N－Q时期的 ESE—WNW 至 ENE—WSW 向裂缝。

(2)对选取的7口井的裂缝线密度进行了统计分析，结果显示，X501井的裂缝线密度最大，并且远高于其他井。从线密度横向分布的角度分析，大致表现出距主断裂系统越近，裂缝的线密度越大的特点。

(3)对选取的7口井的裂缝倾角进行统计分析，结果显示，主要发育低角度斜交裂缝以及高角度斜交裂缝、水平缝发育较少，垂直缝不发育。

(4)纵向上，7口井的裂缝线密度都表现出一定程度的不均质性。总体上看，越靠近断裂系统，其不均质性越明显。

(5)为进一步讨论裂缝与岩性的关系，引入“Erf指标”分析，结果显示，粗砂岩、中砂岩的Erf值绝大多数是正值，而细砂岩、页岩的Erf值都是负值，且页岩的Erf绝对值要大于细砂岩，说明裂缝在粗砂岩、中砂岩中发育程度比细砂岩和页岩高，而页岩最不利于裂缝发育。

(6)裂缝分布与层厚的关系方面，中砂岩、细砂岩和页岩中的裂缝具有随层厚的增加而增多的现象，但有些井细砂岩中发育的裂缝和所有粗砂岩中裂缝的分布与层厚变化并无明显相关性。

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