松辽盆地北部徐家围子断陷深层发育有多套火山岩地层,目前已经在50多口探井中试气并获得高产[1,2]。近年研究成果表明[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13],研究区徐家围子断陷深层下白垩统营城组和火石岭组为裂缝-孔隙型致密火山岩储层,天然裂缝系统的存在对这种致密储层起到了积极的改造作用,断层和天然裂缝的分布控制了天然气运移、聚集和成藏(图1)[14,15,16,17,18,19,20]。学者们对研究区裂缝分布特征做过一些研究,如任德生[21]、陈树民等[22]对营城组火山岩裂缝形成机理进行过研究,雷茂盛等[23]、白雪峰[24]对营城组宏观裂缝的发育规律和形成时期进行过研究,刘国平等[25]、Gong等[26]和巩磊等[27]探讨了营城组火山岩储层裂缝发育特征及与油气成藏的关系,但是由于研究区天然裂缝方位复杂多变、发育强度非均质性极强,其控制因素仍不明确。近年来,随着勘探程度的不断进行,获得了大量的岩心和成像测井资料,本文通过系统表征裂缝发育特征,明确了研究区深层火山岩天然裂缝复杂分布的主控因素。

图1松辽盆地北部徐家围子地区深层火山岩断层与气藏分布(据Gong等[26]修改)

1、天然裂缝发育特征

1.1裂缝类型及特征

松辽盆地北部深层致密火山岩主要发育有原生裂缝和次生裂缝。原生裂缝包括冷凝收缩裂缝(如柱状节理)和隐爆裂缝。其中,柱状节理主要在野外露头区观察到(图2a),裂缝高度大、连通性好,但是在岩心上很少发现。隐爆裂缝呈网状分布(图2b),多被方解石、绿泥石等矿物充填。次生构造裂缝是研究区致密火山岩储层的主要裂缝类型(图2c,图2e,图3),它们在各种火山岩性和岩相中均有发育,其高度和延伸长度均较大,绝大部分未被充填,裂缝有效性好。早期被矿物充填的原生裂缝或构造裂缝受后期热液作用、溶蚀作用等改造形成溶蚀裂缝,它们是重新开启的有效裂缝(图2g)。风化裂缝主要发育在不同旋回火山岩风化壳的上部,大部分风化裂缝被紫红色铁质或黑色泥质充填或半充填,有效程度差(图2f)。

1.2裂缝的组系与方位

任德生[21]、白雪峰[24]、温博华[28]根据野外露头测量或岩心古地磁定向等方法,认为研究区营城组火山岩储层主要发育有四组裂缝,其中,NE-SW向和NW-SE向裂缝最发育,而近EW向和近SN向裂缝发育程度较差(图4a)。雷茂盛等[16]通过十余口井的成像测井分析,认为ENE-WSW向和WNW-ESE向为研究区优势裂缝方位,其次为NNE-SSW和近NS向(图4b)。而我们通过对研究区营城组89口成像测井资料裂缝解释发现,火山岩储层各层系裂缝方位均十分复杂(图3,图4c—f),尤其是在断层附近,几乎各个方向均有裂缝发育,这种裂缝方位的复杂性是受古构造应力方位、断层和岩石非均质性共同作用的结果(详见2.2和3.3)。

1.3裂缝参数定量表征

松辽盆地北部深层致密火山岩储层宏观裂缝开度主要分布在50～150μm,平均为94.64μm。通过微观薄片裂缝开度测量,微观裂缝开度一般小于100μm,主要分布在10～40μm,平均为29.5μm。根据MonteCarlo逼近法[22,23]计算和统计,松辽盆地北部深层致密火山岩宏观裂缝的孔隙度一般小于0.05%,主要分布在0.002%～0.01%,而微观裂缝孔隙度则明显较大,主要分布在0.2%～0.6%,平均可达0.41%,约占火山岩储层总孔隙度的16.0%左右,由此说明宏观裂缝对研究区致密火山岩储层孔隙度的贡献相对较小,而微观裂缝是松辽盆地北部深层致密火山岩储层的重要储集空间。

图2松辽盆地北部深层致密火山岩储层天然裂缝类型

a.柱状节理;b.隐爆裂缝,XS902井,埋深3754.13m;c.构造裂缝,XS13井,埋深3957.07m;d.风化裂缝,SSG2井,埋深2929.22m;e.构造裂缝,XS1-2井,埋深3565.16m;f.风化裂缝,SS2井,埋深3527.41m;g.溶蚀裂缝,XS15井,埋深3681.14m

图3成像测井上的构造裂缝(XS1-2井)

1.4裂缝发育程度

根据研究区岩心裂缝空间分布特征,对其线密度进行几何校正后发现,松辽盆地北部深层致密火山岩储层天然裂缝十分发育,岩心宏观裂缝线密度为0～12条/m,峰值为2.0～6.0条/m,平均为3.45条/m,不同取心井的裂缝密度差异很大,反映了致密火山岩储层天然裂缝发育程度存在的非均质性强的特点。试井资料解释同样显示,研究区地层系数kh(0.637～320.68mD·m)和有效渗透率(0.08×10-3～26.72×10-3μm)变化很大,各层解释的储能比ω主要分布在0.05～0.30,窜流系数λ主要为0.001～0.03,说明天然裂缝起到主要渗流通道的作用。通过对比单井日产气量和裂缝线密度发现,单井日产气量与裂缝线密度整体呈正相关性,随着裂缝线密度增加,单井日产气量增大(图5),说明构造裂缝主要起到了输导连通的作用。成像测井解释的裂缝面密度主要分布在1.0～5.0m/m2,最大可达29.0m/m2,平均为2.32m/m2。微裂缝面密度较大,主要分布区间为5.0～15.0m/m2,平均为13.0m/m2,反映微观裂缝十分发育。

图4松辽盆地北部裂缝走向和主要断层系统平均走向分布

a.营城组,据野外露头和岩心古地磁定向(数据据任德生[14]、白雪峰[17]、温博华[21]),N=546条;b.营城组,据成像测井(数据据雷茂盛等[16]),N=127条;c.营城组,据成像测井,N=8511条;d.营一段,据成像测井,N=4895条;e.营三段,据成像测井,N=2640条;f.营四段,据成像测井,N=976条

图5单井日产能与裂缝发育强度关系

2、裂缝发育的主控因素

2.1岩石类型及其力学性质

根据不同火山岩岩石类型和岩相裂缝发育强度统计,构造裂缝主要发育在流纹岩和安山岩,平均裂缝线密度为15.6条/m,其次是粗面岩和玄武岩,平均裂缝线密度为11.4条/m,凝灰岩和火山角砾岩中裂缝发育程度较差。从火山岩相来看,溢流相和侵出相最有利于裂缝形成,其裂缝线密度可达17.8条/m,然后是爆发相,平均裂缝线密度为12.7条/m,火山沉积相中裂缝很少发育。不同岩相发育裂缝类型也有所差异,在爆发相中主要发育与爆发作用相关的隐爆裂缝以及与后期风化淋滤和溶蚀作用相关的风化裂缝和溶蚀裂缝。柱状节理主要发育在溢流相和侵出相中。构造裂缝在各类火山岩相中均有发育。

通过对比不同岩性的裂缝发育程度与岩石力学参数发现,裂缝发育程度与抗压强度和泊松比呈镜像关系(反比)(图6a,b),而与岩石的杨氏模量呈正比(图6c),即当应力状态相同时,岩石的弹性模量越大、抗压强度或泊松比越小,岩石越容易发生脆性破裂,即越有利于裂缝形成,裂缝发育程度越高(表1)。岩石力学参数影响着岩石的脆性,可以用岩石脆性指数来表示,其计算方法如下[31]:

B=(E+ν)/2(1)

式中:B为脆性指数,E和ν分别为归一化后的弹性模量和泊松比。

利用上式对研究区9口井的岩石脆性指数进行了计算(表1),并与其岩心裂缝的统计资料进行了匹配对照,结果表明(图6d),裂缝发育强度与计算的脆性指数的相关性,比单独弹性模量或泊松比的相关性更好,说明岩石脆性指数的大小控制着裂缝的发育程度,在对裂缝进行预测时,岩石脆性指数可以作为一项约束条件。

2.2断层

断层是控制松辽盆地北部深层致密火山岩储层天然裂缝发育的重要因素,它主要是通过在断层作用过程中形成的扰动应力场来影响不同构造部位的局部应力分布,进而控制天然裂缝的产状和发育程度[17,32,33,34,35]。

2.2.1断层对裂缝产状的影响

根据不同构造部位天然裂缝产状测量与统计,在断层附近,裂缝发育程度高,虽然具有几组优势裂缝方位,但整体裂缝方位仍十分复杂,几乎在各个方向均有大量裂缝发育。随着远离断层,裂缝发育程度降低,裂缝优势方位却更加明显,说明断层的存在影响了天然裂缝方位的复杂性。这种控制作用在徐中断层系统最为明显。徐中断层系统为控制徐家围子断陷形成的大型右旋走滑断层,根据右旋走滑断层应变椭圆可知[36](图7a),与右旋走滑断层相伴生的裂缝系统主要包括R剪切裂缝、R′剪切裂缝、P剪切裂缝和T裂缝。通过对比单井裂缝走向和徐中走滑断层理论上所伴生裂缝系统走向发现,在徐中断层附近,裂缝走向的优势方位与右旋走滑断层伴生裂缝系统的方位具有很好的一致性(图7b,c),远离徐中断层,这种控制作用减弱,说明徐中断层对裂缝方位具有重要影响。断层不仅控制了裂缝的走向,对裂缝的倾角也有重要影响,远离断层,以中、高角度裂缝为主,断层附近,还发育低角度裂缝。

表1不同岩石类型力学参数及脆性指数

2.2.2断层对裂缝发育程度的影响

根据断层附近裂缝发育强度统计(岩心和成像测井),断层核附近裂缝最发育,随着距断层核距离增大,天然裂缝发育强度迅速降低,并趋于一个平均值,标志着断层破碎带的结束。根据成像测井解释的单井裂缝线密度与距断层距离统计关系还发现,不同类型断层系统对裂缝发育程度的控制程度有所差异(图8),其中徐中断层系统破碎带范围最大,破碎带宽度分布在90～150m,平均为135m左右,其次是徐东断层系统和NNE-SSW向伸展断层系统,它们伴生破碎带平均宽度分别为92和84m,而东西向调节断层控制的破碎带范围不明显。另外,通过对比不同尺度气源断层与非气源断层附近裂缝发育程度发现,在气源断层附近裂缝密度明显大于非气源断层(图9),这与气源断层后期再次活动有关。

图6岩石岩石力学性质与裂缝密度关系

a.裂缝密度与抗压强度关系;b.裂缝密度与泊松比关系;c.裂缝密度与弹性模量关系;d.裂缝密度与脆性指数关系

图7走滑断层对其伴生裂缝方位的控制作用

a.右行走滑断层伴生破裂构造[29];b.XS1-304井裂缝走向与徐中断层伴生构造走向匹配关系;c.XS1-2井裂缝走向与徐中断层伴生构造走向匹配关系PDZ.主位移带,即主走滑断层;R.R剪切裂缝;R′.R′剪切裂缝;P.P剪切裂缝;T.T裂缝

图8不同断层系统附近裂缝分布规律

a.XS1井裂缝垂向分布规律;b.XS9井裂缝垂向分布规律;c.XS21井裂缝垂向分布规律;d.FS10井裂缝垂向分布规律

图9不同尺度断层附近裂缝分布

2.3岩石非均质性对裂缝的影响

岩石非均匀性是指由于岩石成分、结构和构造的不均匀分布而造成其岩石力学性质在各不同方向上具有明显差异的岩石物理力学性质[37,38]。松辽盆地北部深层致密火山岩储层裂缝方位具有十分复杂的特点,一方面是受断层影响造成的,但是,在剔除了断层对裂缝方位的影响之后,裂缝组系仍然不明显,尤其是在流纹岩等非均质性强的岩石中,说明裂缝产状还受其它因素影响。面理构造也是控制徐家围子断陷火山岩储层裂缝方位的主要因素。当岩石中存在面理、劈理或先存裂缝等面状不连续构造时,岩石表现出很强的非均质性特征。在后期构造应力作用下,破裂就可能会沿着这些早期软弱的面状不连续发育,也有可能切穿这些面状不连续,形成新裂缝,这取决于这些面状构造与后期构造主应力之间的空间几何关系。这样,在莫尔空间中就存在两条破裂包络线(图10)[37],上部包络线(即形成新裂缝)和下部包络线(即沿先存面状不连续发生破裂)。

如果面状不连续与最大主应力σ1垂直,那么在面状不连续上就没有剪切应力分量,此时上部包络线适用(图10a,e),就会形成新的切穿面状不连续的剪切裂缝。当面状不连续与最大主应力σ1高角度相交时,面状不连续上的剪切应力分量仍然达不到面理破裂强度,此时仍然是形成切穿面状不连续的剪切裂缝(图10b)。而随着面状不连续与最大主应力σ1夹角逐渐减小,由于沿面状不连续发生破裂所需的剪应力较小(图10c,f),此时,是产生新裂缝还是沿先存面状不连续发生剪切破裂,取决于面状不连续的方位和强度。其最小强度可以从图10d中下部破裂包络线与莫尔圆相切的点所代表的面状不连续方向来获得。

图10面理构造对裂缝产状的影响

a.最大主应力与面理垂直时岩石破裂模式[30];b.最大主应力与面理高角度相交时岩石破裂模式[30];c.最大主应力与面理低角度相交时岩石破裂模式[30];d.沿面理发生破裂时最大主应力与面理角度[30];e.最大主应力与面理垂直或高角度相交,切穿面理形成新裂缝;f.最大主应力与面理低角度相交,沿面理发生破裂

在松辽盆地北部深层致密火山岩中发育有大量流纹岩,受当时地形等因素影响,其流纹构造产状复杂多变,使得发育在其中的天然裂缝方位更加复杂。当流纹构造近水平时(0°～30°),水平最大主应力与流纹构造呈高角度(60°～90°)相交,则形成切穿流纹构造的新的剪切裂缝(图10e)。当流纹构造倾斜时(30°～60°),水平最大主应力与流纹构造呈中角度相交(30°～60°),沿流纹构造发生破裂。当流纹构造近直立时(60°～90°),是否产生新裂缝受流纹构造与水平最大主应力夹角控制,若流纹构造与水平最大主应力呈45°左右,沿流纹构造发生破裂(图10f),若流纹构造与水平最大主应力近垂直或平行,则形成新的切穿流纹构造的剪裂裂缝。

3、有效裂缝与油气关系

根据裂缝切割关系、充填矿物流体包裹体分析及研究区构造演化分析,巩磊等[27]指出,研究区深层火山岩构造裂缝主要是在营城组沉积末期、青山口组沉积早期和嫩江组沉积末期构造应力作用下形成。第一期构造裂缝延伸至地表发育,主要是起到了沟通地表流体的作用,促进了致密火山岩风化淋滤作用的发生,在一定程度上改善了储层质量,但绝大多数被后期矿物充填,成为无效裂缝。第二期构造裂缝形成于青山口组沉积早期,它们很少被矿物充填,而且沟通了原生气孔,有效改善了致密火山岩储层的孔隙连通性,它们带来的CO2和有机酸等酸性物质,促使储层进一步发生溶蚀作用,从而形成大量次生溶蚀孔隙,使储层质量得到进一步改善。此外,该期构造裂缝形成时间与研究区烃源岩生烃高峰期相吻合,是天然气发生侧向运移的重要通道[8]。第三期构造裂缝切割早期裂缝形成连通的裂缝网络,进一步改善储层连通性,此时下伏沙河子组烃源岩进入裂解气生成阶段,裂解气沿断层和裂缝系统向火山岩储层运移聚集。此后,研究区构造活动减弱,火山岩气藏得到保存。

4、结论

1)松辽盆地北部深层致密火山岩储层发育有原生裂缝和次生裂缝两种类型,其中以次生构造裂缝为主。宏观裂缝开度平均为94.64μm,孔隙度一般小于0.05%,主要是起渗流通道作用。微观裂缝开度平均为29.5μm,平均孔隙度为0.41%,约占火山岩储层总孔隙度的16%左右,是火山岩储层的重要储集空间。裂缝线密度平均为2.45条/m,单井天然气日产能与裂缝发育强度正相关。

2)不同岩石类型和岩相的力学性质不同,造成其天然裂缝发育程度差异明显,可以用脆性指数来定量表征不同岩石类型和岩相产生裂缝的难易程度。走滑断层对研究区致密火山岩储层裂缝的控制作用主要体现在对裂缝产状和发育程度的影响。走滑断层性质控制了其伴生裂缝系统的优势方位。断层附近,尤其是在走滑断层的叠覆区和交叉点,裂缝最发育,有效改善储层。岩石非均质性使得裂缝方位与理论值有所差异,造成裂缝方位复杂多变。

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基金:国家自然科学基金项目(41902150);黑龙江省自然科学基金项目(QC2018043);黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划项目(UNPYSCT-2018043);中国博士后基金项目(2018M631908);东北石油大学“国家基金”培育基金项目(2017PYQZL-14);优秀科研人才培育基金项目(SCXHB201705);青年科学基金项目(2018QNL-12).