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2. 油气资源与探测国家重点实验室, 北京 昌平 102249;
3. 大庆油田有限责任公司勘探分公司, 黑龙江 大庆 163712;
4. 长庆油田勘探开发研究院, 陕西 西安 710018
2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China ;
3. Research Institute of Exploration, Daqing Oilfield, Daqing, 163712 Heilongjiang, China ;
4. Research Institute of Exploration and Development, Changqing Oilfield, Xi'an 710018, Shaanxi, China
大量的油气勘探实践表明，火山岩储层是大庆徐家围子断陷重要的储层类型。这类储层原生孔隙不易发育且连通性较差，因此裂缝便成为其重要的储集空间和主要的渗流通道，不仅控制了优质储层的展布，而且控制了油气的富集规律和单井产能[1-2]。近年来，许多学者对渤海湾盆地、黄骅坳陷、塔里木盆地、准噶尔盆地等典型火山岩储层进行了研究，充分证实了裂缝的分布规律对指导火山岩油气勘探和开发具有重要意义。
大庆徐家围子断陷一直是地质工作者们潜心研究的热点地区，目前已发现了升平—汪家屯、升平—兴城、昌德、昌德东等油气藏，而深层的天然气仍具有很好的勘探开发前景。徐家围子断陷为松辽盆地北部深层勘探开发程度最高的断陷，目前已完成深探井160多口，提交天然气探明储量二千多亿方。综合地质研究表明，该地区的储层岩性主要为火山岩，而裂缝是改善火山岩储集性能的关键因素，对于改善储层渗流能力和增加储集空间具有重大作用[3-8]。阐明裂缝的发育特征及主控因素，对深层油气的勘探与开发具有重要的指导作用。
2 地质背景松辽盆地是在前中生代基底之上发育起来的晚中生代裂陷盆地。该盆地很重要的一个地质特征就是具有盆地“二元地层建造”[9]，即火山岩与沉积岩共成于一个盆地，组成盆地完整的“火”、“水”沉积充填序列[10]。徐家围子断陷中生代火山岩是中、晚侏罗世—白垩世期间火山喷发作用形成的，为松辽盆地形成早期裂谷作用的产物。徐家围子断陷是松辽盆地内最大的中生代陆相火山-沉积盆地，并且是其中规模最大的含气断陷之一。在构造位置上，断陷横跨两个深层一级构造单元即中央断隆区和东南断陷区，西邻中央古隆起，东接朝阳沟凸起，北部以鞍部与林甸断陷相沟通，南与王府断陷相连[11]。断陷为近南北向展布，南北长135 km，中部最宽80 km，面积约为5300 km2，是一个南北狭窄、埋深较浅，中间宽、埋深大，由两条断裂控制的复式箕状地堑[12]（图 1）。
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图 1 徐家围子断陷构造单元划分图（据文献[13]修改） Fig.1 Division of tectonic units of Xujiaweizi fault depression (modified after reference[13]) |
徐家围子断陷的构造演化可分为5个阶段，初始断陷期（火石岭期）、强烈断陷期（沙河子期）、挤压反转期（沙河子期末）、断坳转化期（营城期）和坳陷期（登娄库期）。深层由下而上依次发育火石岭组、沙河子组、营城组（营二段发生了区域缺失）、登娄库组、泉头组地层，其中有三套火山岩气藏储集层，即营城组一段、营城组三段和火石岭组。火山岩在断陷时期的地层中发育有溢流相、爆发相、火山通道相等，而断陷内碎屑岩的沉积相类型包括河流相、冲积扇相、三角洲相、湖泊相等。火石岭组的火山岩主要以中性岩和基性岩为主，而营一段和营三段主要为酸性-中酸性火山岩，包括流纹岩、凝灰岩、安山岩、粗面岩等[14]。由于经历了五个阶段的断陷演化，该区火山岩在构造变形过程中裂缝普遍发育，成为主要的储集空间和渗流通道[15-18]。因此开展储层裂缝的研究对该区中生代火山岩储层的有效勘探与开发具有至关重要的意义。
3 裂缝发育特征 3.1 裂缝类型通过相似野外露头实测、岩心和薄片观察及成像测井资料分析，将徐家围子断陷火山岩裂缝按照成因划分为天然裂缝和钻井伴生裂缝两大类（表 1）。其中，构造剪切裂缝广泛发育，一般分布比较规则，产状稳定，常成组出现，裂缝面较平直光滑，缝面上具有擦痕、阶步、羽饰等现象（图 2-a）；裂缝穿切深度较大，但宽度较小，切穿终止情况明显的受到岩性控制，有些构造裂缝被矿物（主要为方解石）完全充填。另外，研究区发育多种成岩裂缝，包括岩石冷却过程中形成的冷凝收缩缝、溶蚀作用形成的溶蚀缝、风化作用形成的风化缝及火山通道中产生的隐爆裂缝，大部分成岩裂缝缝面不规则，如放射状、树枝状等，产状不稳定，交织在一起形成裂缝网络，且充填情况较为普遍（图 2-b、c、d）。此外，岩心观察中发现井壁周围发育一定数量的钻井伴生裂缝，主要包括钻井诱导裂缝和应力释放裂缝两种类型。
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表 1 徐家围子断陷火山岩储层裂缝成因类型 Table 1 Fracture genetic types of volcanic reservoir in Xujiaweizi fault depression |
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图 2 徐家围子断陷火山岩储层主要裂缝类型 Fig.2 Main fracture types of volcanic reservoir in Xujiaweizi fault depression a—构造裂缝，徐深9井，3763.45 m；b—五台大屯收缩裂缝；c—角砾岩，隐爆裂缝，徐深902井，3754.13 m；d—凝灰岩，溶蚀裂缝，肇深15井，4202.86 m a-Structural fractures, Well Xushen 9, 3763.45 m; b-Shrinkage fractures in Wutai Datun; c-Breccia, cryptoexplosive fractures, Well Xushen 902, 3754.13 m; d-Tuff corrosion fractures, Well Zhaoshen 15, 4202.86 m |
根据地表露头、岩心定向和成像测井资料，徐家围子断陷中生代火山岩储层主要发育有近东西向、近南北向、近北东向和近北西向四组裂缝，其中近东西向裂缝数量较多。在不同构造部位不同方向裂缝的发育程度明显不同（图 3），反映了该区主要为构造相关裂缝的发育特征。
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图 3 徐深212井营三段裂缝走向玫瑰花图 Fig.3 Fracture strike rose diagram of the third number of Yingcheng formation of Well Xushen 212 |
通过统计分析，各层位火山岩储层裂缝均以高角度和倾斜裂缝为主，占90%以上，但不同组之间又存在一定的差别，其中营一段和营三段裂缝倾角频率峰值集中在50°~80°，而火石岭组的裂缝倾角频率峰值集中在40°~70°，略小于营城组的裂缝倾角（图 4）。
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图 4 徐家围子断陷火山岩储层裂缝倾角分布直方图 Fig.4 Fracture dip angle distribution histograms of volcanic reservoir in Xujiaweizi fault depression a—营一段裂缝倾角分布直方图；b—营三段裂缝倾角分布直方图；c—火石岭组裂缝倾角分布直方图 a-Fracture dip angle distribution histograms of the first member of Yingcheng Formation; b-Fracture dip angle distribution histograms of the third member of Yingcheng Formation; c-Fracture dip angle distribution histograms of Huoshiling Formation |
统计研究区岩心及成像测井裂缝表明，营一段裂缝长度通常小于2.5 m/m2，研究区中部及东南部裂缝长度较高；营三段裂缝长度分布变化较大，研究区北部及南部裂缝长度较高；火石岭组50%的裂缝长度集中在0.5 m/m2，北部裂缝长度相对较高。计算可得各井不同层位构造裂缝平均线密度（图 5）。由图可知，营一段和营三段单井构造裂缝平均线密度集中分布在1.5条/m；火石岭组单井裂缝线密度较小，主要分布在1.0条/m以下。在裂缝平面分布趋势图上，营城组营一段在研究区东南部、中部某些地区以及北部地区构造裂缝较为发育，营三段在研究区东部及西北部裂缝较为发育；火石岭组仅在研究区北部边缘地区裂缝密度值较大，其他地区裂缝发育程度较弱。
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图 5 徐家围子断陷火山岩储层裂缝密度分布直方图 Fig.5 Fracture density distribution histograms of volcanic reservoir in Xujiaweizi fault depression a—营一段裂缝密度分布直方图；b—营三段裂缝密度分布直方图；c—火石岭组裂缝密度分布直方图 a-Fracture density frequency distribution histograms of the first member of Yingcheng Formation; b-Fracture density frequency distribution histograms of the third member of Yingcheng Formation; c-Fracture density frequency distribution histograms of Huoshiling Formation |
裂缝的充填程度反映了裂缝的有效性，其充填程度可以分为局部充填、半充填和全充填，反映了裂缝有效性依次变差[19-21]。从岩心、露头裂缝面形态实际观察以及成像测井资料分析结果表明，研究区裂缝多为无充填的有效裂缝，只有少量构造缝被方解石、石英等部分充填或全充填，并且充填裂缝主要分布在营一段和营三段，火石岭组裂缝没有发现被充填。全井壁微电阻率成像测井FMI显示：高导缝深色（低电阻）正弦曲线，充填泥浆滤液或低阻矿物造成，为有效裂缝；高阻缝浅色或白色（相对高阻）正弦曲线，裂缝中充填的如方解石、石英等高阻矿物引起，为无效裂缝，发育极不规则；微裂缝对应着成岩裂缝和次生裂缝中的成岩裂缝（包括缝合线、冷凝收缩缝、隐爆裂缝、溶蚀裂缝、风化裂缝等），黑色呈树枝状且极不规则，还会有一些表现为水平层状，一般不具有正弦波状特征（图 6）。统计分析可得，构造充填裂缝的发育特征总体较复杂，但营一段、营三段构造裂缝充填方向主要为北北东向，倾角主要分布在50°~80°。根据充填裂缝的统计结果，计算了单井充填裂缝的平均线密度，分析表明大部分充填裂缝密度小于0.5条/m，其中仅营一段X601井和营三段D3井附近充填裂缝密度较大，可达2条/m。
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图 6 X19井成像测井识别火山岩裂缝充填类型图 Fig.6 Fracture filling type identified by imaging logging in Xujiaweizi fault depression |
综合储层特征分析，徐家围子断陷中生代火山岩储层是中、晚侏罗世—白垩世期间火山喷发作用形成的，为松辽盆地形成早期裂谷作用产物。形成时间较早，后期经历了复杂的地质作用，裂缝类型多样，非均质性强。结合井点裂缝的发育情况以及相关资料分析，认为徐家围子断陷火山岩储层裂缝发育程度主要受古构造应力、岩性、火山机构和断层的控制[22-23]。
4.1 古构造应力对裂缝发育的影响岩石中裂缝的形成与所受到的应力状态密切相关，古构造应力对裂缝发育的影响是指：通常地层中天然裂缝主要在古应力下形成，并且应力值越高，裂缝越发育。而在古构造应力中，最大剪应力的大小是影响构造剪切裂缝发育程度的关键因素。根据对徐家围子断陷营城组火山岩构造演化的分析，认为其裂缝的形成和演化是在晚白垩世早期的青山口组沉积后[24]。为了定量地反映研究区火山岩储层裂缝发育程度与构造应力场的关系，在建立地质模型、力学模型和数学模型的基础上，在北东东向施加水平最大主应力38 MPa，对侧施加南西西向的约束，在北北西向施加最小主应力7 MPa，对侧施加南南东向约束，对研究区营一段晚白垩世古构造应力场进行模拟，并利用最大剪应力大小分布与研究区构造剪切裂缝的发育程度进行比较。模拟结果表明，研究区营一段火山岩在晚白垩世最大剪应力分布特征同构造裂缝的发育强度基本一致，在古应力分布的高值区裂缝密度也较大，并且有良好的对应关系，充分证明研究区火山岩储层裂缝的发育程度受古构造应力的影响。
4.2 岩性对裂缝发育的影响岩性对储层裂缝发育程度的影响主要表现在岩石的性质决定了徐家围子断陷火山岩储层裂缝的类型及发育程度。根据测井资料解释、岩心和薄片资料的统计观察，该区火山岩发育的类型主要包括流纹岩、凝灰岩、火山角砾岩、集块岩、安山岩、英安岩和粗面岩等。岩心观察中发现断陷期地层不同岩性裂缝的发育程度有明显的差异，裂缝发育密度受岩性控制表现在：粗面岩、集块岩和流纹岩中裂缝密度较大，分别为1.28条/m、1.33条/m和0.93条/m，而在安山玄武岩和玄武安山岩裂缝密度较小；统计不同岩性中裂缝频率分布发现，在流纹岩中裂缝发育最多，占到42%以上，在安山岩、粗面岩、火山角砾岩、凝灰岩以及玄武岩中裂缝发育频率都达到10%左右（图 7）。另外，不同岩性中构造裂缝和成岩裂缝发育差异较大，粗面岩和流纹岩中构造裂缝较为发育，而集块岩中成岩裂缝较发育。同时，野外露头观测表明，不同的岩性中，裂缝发育的优势方位也有所不同。
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图 7 徐家围子断陷火山岩储层不同岩性裂缝频率分布直方图 Fig.7 Fracture density distribution histograns with different lithologies of volcanic reservior in Xujiaweizi fault depression |
徐家围子断陷的火山岩具有多期、多旋回、多喷发中心、大面积叠合连片分布的特点，根据火山岩分布及与火山口的相对位置，研究区的火山岩储层岩相大致可以分为三个相组：火山口和近火山口相组（主要为火山通道相和侵出相）、近源相组（喷溢相）和远源相组（爆发相）[25-26]。统计研究区裂缝与火山机构相带之间的关系（图 8），可以发现：断陷期地层总体裂缝发育受火山机构控制，火山口和近火山口相组岩石脆性较强，往往成致密块状，裂缝较为发育，裂缝密度达到0.62条/m；而近源相组和远源相组岩石脆性弱，裂缝发育相对较差，裂缝密度分别为0.29条/m和0.24条/m。此外，不论在哪个相组，构造裂缝都较成岩裂缝发育。
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图 8 徐家围子断陷火山岩储层不同火山机构裂缝密度分布直方图 Fig.8 Fracture density distribution histogram with different volcanic edifices of volcanic reservoir in Xujiaweizi fault depression |
构造是控制断层发育的重要因素，它通过控制不同构造部分的局部应力分布来控制断层周围裂缝的发育程度。在断层附近，由于断层活动造成的应力扰动作用，沿断裂带一般具有明显的应力集中现象，从而使其裂缝明显发育。在断层附近的扰动应力带，通常形成与断层平行的一组张裂缝和与断层斜交的两组剪切裂缝。徐家围子断陷深层主要发育以正断层为主的3组不同走向的断裂，分别为NNW-NW向、NE向和SN向[12]，所以正断层是控制该区裂缝形成与分布的重要构造因素之一。在断层的端部等部位，通常是应力的集中区，它们也是裂缝的发育区。根据统计还发现，虽然在断层的上盘和下盘均具有随着与断层距离的增大，裂缝的线密度明显降低的趋势，但是在断层两侧，裂缝发育程度也有明显差别。整体来说，断层上盘裂缝的发育程度要明显大于下盘，这是因为断层上盘往往是活动盘，应力扰动作用更明显。
5 结论（1）徐家围子断陷中生代火山岩储层主要发育构造剪切裂缝，其次为成岩裂缝，包括冷凝收缩裂缝、溶蚀裂缝、风化裂缝以及隐爆裂缝。此外，岩心观察中发现井壁周围发育一定数量的钻井伴生裂缝，主要包括钻井诱导裂缝和应力释放裂缝。
（2）研究区经历了多期构造演化，主要形成了近东西向、近南北向、近北东向和近北西向4组裂缝，倾角均以高角度和倾斜裂缝为主；裂缝长度分布不均，多小于2.5 m/m2，营一段和营三段裂缝线密度集中分布在1.5条/m，而火石岭组多在1.0条/m以下；研究区裂缝多为无充填的有效裂缝，只有少量构造缝被方解石、石英等部分充填或全充填。
（3）影响研究区裂缝发育程度的主要因素包括古构造应力、岩性、火山机构以及断层。其中，古构造应力的高值区与裂缝较发育部位具有良好的匹配关系；在多种火山岩中，粗面岩、集块岩和流纹岩裂缝较发育；裂缝多发育在火山口和近火山口相组；在应力扰动作用明显的断层上盘裂缝较发育，且随着与断层距离的增大，裂缝发育程度不断降低。
致谢: 感谢审稿专家和编辑部李亚萍老师对本文提出的宝贵修改意见！
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