四川盆地川西坳陷新场须家河组二段致密砂岩储层裂缝发育特征及主控因素

李王鹏，刘忠群，胡宗全，金武军，李朋威，刘君龙，徐士林，马安来

(中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083)

裂缝发育程度是致密砂岩储层能否获得高产及稳产的关键因素[1-4]，有效裂缝的存在可以显著提高低渗致密砂岩储层的基质渗透率，为流体运移提供渗流通道[5-7]。近年来，四川盆地川西坳陷新场构造带须家河组二段(须二段)发现了探明储量超千亿立方米的大型气藏，但该气藏储层岩性致密、非均质性强，产能差异大、储量动用率低且规模有效开发难度大[8-10]，天然裂缝的研究显得尤为重要。葛祥等[11-12〗在储层类型划分的基础上，对川西须家河组主要储层的裂缝发育特征及有效性进行了初步评价；邓虎成等[13]认为裂缝有效性表征不能局限于单条裂缝的研究，而应该建立一套基于裂缝网络系统的有效性评价方法和定量指标。通过地表露头调查、测井曲线、成像测井、岩心分析和薄片鉴定等手段，对新场须二段的裂缝发育特征取得了基本认识[14-17]，但裂缝成因和主控因素等尚不明确[13,18-19]，同时缺乏定量或半定量关系认识。裂缝评价的最终目标是对裂缝发育区进行合理预测，进而找出油气“甜点”区[20-21]，多位学者以区域构造演化特征为基础，利用岩体力学特性与古构造应力关系[14]、构造应力场模拟[22]、3D Move构造建模[22]和地震检测[24-27]等方法开展裂缝分布预测工作，然而深层致密砂岩储层中裂缝成因以及受控因素是极其复杂的，在未充分理清其发育特征、模式和主控因素的情况下进行裂缝预测和评价是不妥的。阐明致密砂岩储层裂缝发育的主控因素，是准确预测裂缝分布规律的关键。因此，以新场须二段致密砂岩储层裂缝为研究对象，明确其类型、发育特征及主控因素意义重大，对新场须二段气藏、川西坳陷须家河组致密砂岩储层裂缝预测、气藏的高效勘探和有效开发具有重要作用。

1 区域地质概况

新场须二段气藏位于川西坳陷中段孝泉-新场-合兴场-丰谷NEE向大型隆起带西段的新场构造带(图1)，该构造带为典型的复式背斜，北翼缓，南翼陡，发育多个NE-NNE向局部高点，并在纵向上具有较好的继承性。上三叠统须家河组二段是新场构造带须家河组最主要的致密砂岩储层发育段，平均埋深4 900 m，平均沉积厚度580～600 m，是一套三角洲前缘到前三角洲沉积环境的砂、泥岩不等厚互层沉积，其中砂岩厚度明显占优势，以大套岩屑砂岩和长石岩屑砂岩为主，成分成熟度较低[28-29]。区内须二段自上而下可划分出3个亚段和10套砂组，分别为：上亚段(Tx2(1)—Tx2(3)砂组)、中亚段(Tx2(4)—Tx2(6)砂组)和下亚段(Tx2(7)—Tx2(10)砂组)。其中，须二段中、上亚段砂体非常发育，砂地比大于70%，表现为厚层砂夹薄层泥。

图1 川西坳陷新场地区Tx2(3)砂组顶面构造

2 裂缝特征

2.1 裂缝产状

2.1.1 裂缝倾角及分类

野外露头显示，新场须二段气藏裂缝网络系统复杂(图2)，主缝与伴生缝交替出现(图2a)。区内裂缝按照倾角大小分为5种不同类型的裂缝[30]：立缝(倾角≥80°，图2b)、高角度缝(倾角60°～80°，图2c)、斜缝(倾角30°～60°，图2d)、低角度缝(倾角10°～30°，图2e)和平缝(倾角≤10°，图2f)。此外，还发育由不同倾角、特征各异的裂缝交汇在一起构成的网状缝。

图2 川西坳陷新场须二段裂缝观测照片

2.1.2 裂缝走向

新场须二段气藏15口成像测井资料显示，构造裂缝的产状主要存在NE-SW向、NW-SE向和EW向。其中，EW向裂缝最发育，其次为NE-SW向和NW-SE向裂缝。立缝、高角度缝和斜缝大多数走向为近EW向至NEE-SWW向，低角度缝和平缝走向多变，包含多个方位(图3a—e)。

图3 川西坳陷新场须二段不同类型裂缝走向

2.2 裂缝有效性

2.2.1 裂缝充填特征

天然裂缝的有效性受充填状态影响，按裂缝有无被其他物质充填可分为无充填缝、半充填缝和全充填缝。本次研究共统计分析了新场须二段气藏12口井、304 m岩心(Tx2(2)—Tx2(7)砂组)，以及3 004条岩心裂缝的发育情况(表1)。

新场须二段气藏裂缝主要为未充填缝，占裂缝总数的67%；其次为充填缝和半充填缝，分别占比18%和15%，充填物主要为方解石(图2g，h)或石英。其中，未充填缝以平缝为主，半充填缝主要为平缝和低角度斜缝，全充填缝主要为平缝、低角度缝和斜缝(图4a)。此外，平缝中80%以上为未充填缝，半充填-全充填缝占比不到20%；低角度缝、斜缝和高角度缝中半充填-全充填缝均占裂缝总数60%以上，未充填缝占比24%～40%；立缝中未充填缝占裂缝总数49%(图4b)。

图4 川西坳陷新场须二段裂缝充填特征

2.2.2 裂缝数

由于岩心取心段存在缺失，故基于新场须二段气藏已有的15口成像测井裂缝解释结果，对裂缝条数、裂缝密度和裂缝开度进行统计分析。本次成像测井共识别裂缝1 281条，其中，立缝32条、高角度缝141条、斜缝377条、低角度缝495条和平缝236条。虽然被统计的井位存在差异，但成像测井识别(图5a)与岩心观察(表1)的统计结果皆显示，新场须二段气藏以发育倾角小于30°的平缝和低角度缝为主，其次为30°～60°的斜缝，大于60°的高角度缝和立缝相对欠发育。Tx2(2)和Tx2(4)砂组为主力含气砂组，裂缝最发育，裂缝条数分别为401条和369条；其次为Tx2(5)和Tx2(3)砂组，裂缝条数分别为209条和128条；其他砂组裂缝相对欠发育(图5b)。

表1 川西坳陷新场须二段岩心裂缝统计结果

图5 川西坳陷新场须二段裂缝发育特征

2.2.3 裂缝平均密度

新场须二段气藏15口成像测井Tx2(2)—Tx2(8)砂组的裂缝平均密度整体偏小，一般小于0.35条/m，少数达到1.00条/m，新601井Tx2(2)砂组的裂缝平均密度最大，为2.09条/m。成像测井裂缝解释结果显示，不同类型裂缝的平均密度在不同砂组中存在明显差异(表2)，体现了致密砂岩储层裂缝分布的非均质性及复杂性。其中，低角度缝在各砂组的平均密度总体大于其他类型裂缝，其次为斜缝和平缝；各砂组立缝和高角度缝的平均密度总体小于倾角较小的裂缝，反映新场须二段气藏以发育小倾角裂缝为主。

2.2.4 裂缝平均开度

受地应力的影响，成像测井解释的裂缝平均开度较岩心和野外观测结果会小2～3个数量级。本次岩心观测的裂缝开度分布范围较广，最小的小于0.01 mm，最大的大于10.00 mm，一般分布于0.10～2.00 mm。成像测井裂缝解释结果显示(表2)，各砂组中低角度缝和平缝的平均开度总体最大，其次为斜缝、立缝和高角度缝的平均开度相对较小。

表2 川西坳陷新场须二段成像测井解释裂缝参数

2.3 裂缝分布规律

以研究区31口常规测井解释的不同类型的裂缝段发育厚度为依据，开展空间展布规律分析。为方便对比分析，此处将裂缝分为4类：Ⅰ类——网状缝，Ⅱ类——高角度缝和立缝，Ⅲ类——斜缝，Ⅳ类——平缝和低角度缝。

2.3.1 不同砂组裂缝分布规律

不同砂组裂缝发育情况统计分析表明(图6)，新场地区Tx2(2)和Tx2(4)砂组裂缝总体最发育。Tx2(2)砂组裂缝段发育总厚度最大，为204.9 m，共发育Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类裂缝；其中，以Ⅲ类裂缝最发育，发育厚度为125.9 m，占Tx2(2)砂组裂缝发育总厚度61.44%。Tx2(4)砂组共发育Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类裂缝，发育总厚度为170.0 m；其中，26.1 m厚的网状缝发育厚度在所有发育网状缝的砂组中最大。Tx2(3)和Tx2(5)—Tx2(7)砂组裂缝发育较明显，总厚度皆大于50.0 m；Tx2(1)，Tx2(8)和Tx2(9)砂组裂缝总体欠发育。此外，Tx2(4)，Tx2(5)和Tx2(7)砂组为同时发育Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类裂缝的砂组。

图6 川西坳陷新场须二段不同砂组裂缝发育段总厚度对比

2.3.2 不同类型裂缝分布规律

新场地区不同类型裂缝发育总层厚由大到小为：Ⅲ类裂缝(320.0 m)>Ⅳ类裂缝(234.2 m)>Ⅱ类裂缝(96.3 m)>Ⅰ类裂缝(43.4 m)。Ⅰ类裂缝(图7a)：总体欠发育，仅在Tx2(4)，Tx2(5)和Tx2(7)砂组中发育，同时仅有7口已钻井中发育。其中，Tx2(4)砂组和新851井分别为新场地区网状缝最发育的砂组(26.1 m)和钻井(12.0 m)。Ⅱ类裂缝(图7b)：在Tx2(2)和Tx2(4)—Tx2(9)砂组中发育，其中，Tx2(2)和Tx2(6)砂组最发育，厚度分别为31.7 m和34.5 m；Tx2(4)，Tx2(8)和

Tx2(9)砂组欠发育，层厚皆较小，分别为2.7，1.6和0.5 m。新5井的高角度缝发育厚度为36.5 m，在已钻井中最大。Ⅲ类裂缝(图7c)：在Tx2(1)—Tx2(8)砂组中发育，其中，Tx2(2)砂组中最发育，发育总层厚为125.9 m；其次为Tx2(3)和Tx2(4)砂组，厚度分别为57.9 m和45.0 m；Tx2(1)和Tx2(8)砂组中欠发育。新601井的Ⅲ类裂缝发育总层厚达108.8 m，发育程度远强于其他井位，体现不同井位间同类裂缝发育程度的差异性。Ⅳ类裂缝(图7d)：在Tx2(1)—Tx2(9)砂组中皆发育，其中，Tx2(4)砂组最发育，发育层厚达96.2 m；其次为Tx2(2)砂组，发育层厚为47.3 m。

图7 川西坳陷新场地区须二段不同类型裂缝发育段累计厚度分布

2.3.3 裂缝发育程度连井对比

为对比新场地区须二段裂缝空间展布特征，在新场构造带建立2条覆盖主要井位和区域的连井对比剖面(图8)，剖面中裂缝段发育厚度代表裂缝发育程度。

图8 川西坳陷新场须二段裂缝发育情况连井剖面对比(连井剖面位置见图1)

连井剖面显示新场地区西部裂缝欠发育，须二上亚段不发育裂缝，仅在须二中、下亚段发育少量Ⅳ类和Ⅲ类裂缝。新场地区中东部的钻井裂缝发育程度明显强于西部，裂缝发育程度由西向东呈由弱变强的趋势。其中：①新场地区中东部须二上、中和下亚段皆发育裂缝，以须二中、上亚段为主；②新场地区中东部单井的裂缝段发育厚度大于西部，单层裂缝发育段厚度最大可达26 m(新5井)，裂缝发育段的连续性较好；③裂缝发育类型多样，须二中、上亚段发育厚度可观的Ⅱ类和Ⅰ类裂缝，须二下亚段亦少量发育。

2.4 期次分析

新场须二段气藏经历了复杂的构造作用，裂缝发育具有多期性。张贵生[17]将石英ESR测年与裂缝充填物稳定碳、氧同位素分析和流体包裹体测定相结合分析，认为川西上三叠统储层中，小塘子组储层裂缝形成于燕山早中期；须二段裂缝最早形成于印支晚期，在燕山及喜马拉雅构造运动期均有裂缝形成。根据钻井岩心、野外露头资料显示的裂缝性质和切割关系，罗啸泉等[31]分析认为NE-SW向裂缝发育于晚三叠世末期，NW-NNW向裂缝发育于早白垩世末期，NWW-SEE向至近EW向裂缝发育于晚第三纪—第四纪。马旭杰等[19]采用岩石声发射实验、裂缝充填物稳定碳、氧同位素分析和流体包裹体测定等实验测试分析手段，指出新场地区须二段气藏内天然裂缝形成期次为4期，分别对应印支期、燕山期、喜马拉雅期Ⅲ幕和Ⅳ幕[19]。采用相同分析测试手段，邓虎成等[13]认为新场气田须二段发育3期裂缝，分别对应为印支期、燕山期和喜马拉雅期；杨克明等[32]认为区内须二段裂缝可分为3期，分别形成于晚三叠世末期、晚侏罗世末期和喜马拉雅期。

天然构造裂缝的形成与构造作用密切相关，其形成期次受构造活动影响。新场地区须二段沉积以来，经历了川西地区印支末期运动、燕山期运动和喜马拉雅期运动。其中，印支期运动和燕山期运动是两期持续的褶皱造山运动，而喜马拉雅期运动是龙门山造山带经历的又一次强烈地壳运动，整个龙门山造山带发生强烈隆升、褶皱冲断和逆冲推覆[33]。综合前人研究成果及区域构造演化，印支末期，米仓山由北向南开始向四川盆地内逆冲推覆，NE-NEE走向的新场构造带开始形成，早期裂缝的形成可能与本次构造作用相关，且大部分早期开启的裂缝被方解石或石英充填。燕山中晚期，龙门山造山带向SE逆冲推覆，构造运动作用于新场构造带可形成第二期裂缝。在现今构造应力场方面，汶川地震序列震源机制解沿龙门山断裂带的变化分析[34]、断裂面最新擦痕反演计算[35]和水压致裂地应力测量资料[36]共同显示，龙门山中南段最大主压应力方向为NW-NWW向。电成像测井解释结果[31]和GPS水平速度场反应新场地区和四川盆地现今最大水平主应力方向为NWW-SEE/近EW向[37-38]。区内晚期裂缝大多数未被充填，其走向与现今水平最大主应力方向一致，应属于喜马拉雅期形成。

3 有效裂缝

3.1 有效裂缝类型

一般对天然裂缝有效性判断等相关研究主要集中在裂缝有效性参数的计算和评价[39-41]。本次研究为明确新场须二段气藏有效裂缝类型，在前人研究基础上，增加了裂缝对产能贡献度的因素。在测井评价基础上，选取新场须二段19口典型井(包含有效井、低效井和无效井)，分立缝、高角度缝、斜缝、低角度缝和平缝，在测试段内分别提取裂缝参数(成像测井裂缝密度、倾角和常规测井裂缝孔隙度等)，与产能参数(无阻流量和累产气)开展交会分析，明确不同类型裂缝对产能的贡献度。

气井无阻流量与裂缝参数交会统计结果显示，无阻流量与裂缝线密度呈正相关关系，与构造裂缝条数和视倾角呈指数关系，随着裂缝密度和倾角的增大，无阻流量快速增加(图9a—c)。上述交会关系表明，气井产能主要受控于裂缝类型及发育程度，高角度裂缝越发育，气井初期产能越高。裂缝越发育，储层渗流能力越强；高角度裂缝越发育，沟通气层厚度越大，向试采段供气能力越强。因此，新场须二段气藏发育的有效裂缝为倾角大于30°的构造裂缝(立缝、高角度缝和斜缝)。

图9 川西坳陷新场须二段气藏气井无阻流量、井位距断裂距离与裂缝参数交会图

3.2 有效裂缝特征

新场地区倾角大于30°的构造裂缝(立缝、高角度缝和斜缝)在须二段中、上亚段的Tx2(2)，Tx2(4)和Tx2(5)砂组最发育，走向总体呈近EW向，与新场地区现今水平最大主应力方向一致，属于喜马拉雅期形成的晚期裂缝，具有较好的开启度。区内SN向断裂的形成主要受EW向挤压应力作用，表明有效裂缝走向垂直于SN向断裂。有效裂缝的组成中，斜缝最发育，其次为高角度缝和立缝。

4 主控因素分析

4.1 断裂对裂缝发育的控制

新场地区断裂发育，根据走向可划分为EW向、NE-SW向和SN向断裂，均为逆冲性质。其中，EW向和SN向断裂规模较大，平面延伸长度一般为2～7 km；纵向向上可断至须三或须四段，向下可断至须二段底部或雷口坡组。断裂切割关系及区域构造背景分析显示，3组断裂的形成时间分别大致为印支晚期、燕山中晚期和喜马拉雅期。成像测井资料的钻井产气层段平均裂缝密度与距离SN向断裂距离的统计结果显示，距离SN向断裂越近，构造裂缝越发育。其中，断裂上盘小于400 m的区域内构造裂缝发育，为“断裂控制的裂缝发育区”；单井产能有效的井均位于距离SN向断裂小于200 m的区域，且平均裂缝密度与SN向断裂距离呈对数关系递减(图9d)。因此，井位距SN向断裂的距离，控制有效的构造裂缝发育程度。

4.2 构造变形对裂缝发育的控制

构造应力是控制裂缝形成与发育的重要因素，它主要通过控制不同构造部位的局部应力场分布来控制岩石裂缝发育程度[42]。如在褶皱的轴部和倾伏端等应力相对集中的部位，裂缝发育密度大，而在翼部等构造主曲率小的部位，裂缝发育程度相对较低[43]。三维地震资料解释结果显示，新场地区单井产能有效的井除了位于距离SN向断裂200 m范围内，皆位于断裂上盘的褶皱发育区。区内SN向断裂的构造组合样式可分为4类(图10)：Ⅰ类“Y”字型、Ⅱ类单断式、Ⅲ类层间小断层、Ⅳ类断阶式。其中，Ⅰ类“Y”字型和Ⅱ类单断式褶皱构造变形强烈，Ⅲ类层间小断层和Ⅳ类断阶式的岩层具有一定褶皱弯曲，但相对较弱。区内具有产能的钻井须二段构造组合样式统计发现，有效井的构造组合样式皆属于Ⅰ类“Y”字型和Ⅱ类单断式，部分低效井属于Ⅲ类层间小断层和Ⅳ类断阶式，说明褶皱构造变形和构造组合样式也是新场须二段气藏裂缝发育的控制因素之一。

图10 川西坳陷新场地区须二段SN向断裂构造组合示意图(剖面位置见图1)

4.3 岩石相对裂缝发育的控制

裂缝的形成除受构造应力控制外，在特定的地质应力条件下，岩石组分和结构特征等差异导致的岩石机械强度的不同也可能对裂缝发育产生影响。选取距离SN向断裂小于400 m且有成像测井资料的典型气井，基于成像测井和常规测井的裂缝识别解释成果，分砂组提取裂缝段和非裂缝段岩石相参数与裂缝参数交会分析显示，粗砂岩有效裂缝发育程度最高，其次为中砂岩，细砂岩有效裂缝发育段占比明显减小，粉砂岩几乎不发育(图11)，说明砂岩的粒度越粗，有效裂缝越发育。在裂缝发育段，石英含量与裂缝发育程度及裂缝倾角呈正相关关系(图12a—d)，即石英含量越高，有效裂缝越发育，裂缝倾角越大。岩层厚度同样会制约裂缝的发育，野外露头调查、岩心裂缝描述和测井解释结果显示，新场须二段气藏裂缝穿层性差，裂缝纵向延伸一般不超过岩层厚度，即岩层厚度越大，裂缝纵向发育规模越大，但裂缝发育密度越低，裂缝密度与岩层厚度呈负相关性(图12e，f)。

图11 川西坳陷新场须二段不同砂组裂缝发育频次与粒度关系

图12 川西坳陷新场须二段裂缝段裂缝参数与岩石相参数交会图

综上所述，新场地区须二段天然构造裂缝的发育是受断裂、构造变形、岩石粒度、岩石成分和岩层厚度等多方面因素综合影响和控制的。相对而言，距离晚期SN向断裂的距离是本区须二段天然构造裂缝发育的关键控制因素，其次是构造变形强度及构造组合样式，因此，应该主要考虑这两个因素来指导后续裂缝的综合预测及评价工作。

5 结论

1)新场须二段气藏天然裂缝可分为网状缝、立缝、高角度缝、斜缝、低角度缝和平缝，其形成期次主要为3期，分别对应印支末期、燕山中晚期和喜马拉雅期。早期裂缝以充填裂缝为主，充填物主要为方解石或石英；晚期裂缝以未充填裂缝为主，其走向与区内现今最大主应力方向一致，与晚期SN向断裂垂直。

2)新场须二段气藏天然裂缝在Tx2(2)和Tx2(4)砂组最发育，在Tx2(3)和Tx2(5)—Tx2(7)砂组相对发育，而Tx2(1)，Tx2(8)和Tx2(9)砂组裂缝欠发育。区域上，新场构造带中东部地区裂缝最发育，裂缝发育程度从东向西呈递减趋势。

3)新场须二段气藏有效裂缝类型为倾角大于30°的构造裂缝(立缝、高角度缝和斜缝)，属于喜马拉雅期形成的晚期裂缝。有效裂缝的发育受控于断裂、构造变形、岩石粒度、岩石成分和岩层厚度等多种因素，但关键控制因素为SN向断裂，其次为构造变形及组合样式。

致谢：编辑部老师及审稿专家在文章最终成文过程中提出了宝贵的修改意见，在此一并表示衷心感谢。