川东北营山-平昌地区凉高山组页岩天然裂缝发育特征及其形成演化模式研究

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.6.16

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 17-34.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.16

川东北营山-平昌地区凉高山组页岩天然裂缝发育特征及其形成演化模式研究

何建华¹^,²(), 曹红秀¹, 邓虎成¹^,³^,^*(), 印长海⁴, 朱彦平⁴, 李厂¹, 李勇⁴, 尹帅⁵

1.成都理工大学能源学院, 四川成都 610059
2.页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室, 北京 102206
3.油气藏地质及开发工程全国重点实验室(成都理工大学), 四川成都 610059
4.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院, 黑龙江大庆 163000
5.西安石油大学地球科学与工程学院, 陕西西安 710065

收稿日期:2023-11-15 修回日期:2024-05-04 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
通信作者: * 邓虎成(1980—),男,博士,教授,博士生导师,从事天然裂缝形成演化与分布预测评价、地应力扰动机制与分区评价工作。E-mail: denghucheng@cdut.edu.cn
作者简介:何建华(1990—),男,博士,副研究员,硕士生导师,从事非常规油气储层天然裂缝成因机制与定量表征、地应力场精细描述研究工作。E-mail: hejianhuadizhi@163.com
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(42072182);青年基金项目(42402148);四川省科技厅重点苗子项目(2022JDRC0103);四川省杰出青年科技人才项目“页岩气储层天然裂缝评价”(2020JDJQ0058);页岩油气富集机理与高效开发全国重点实验室开放基金项目(P24181)

Nature fractures in shales of the Lianggaoshan Formation in northern Sichuan Basin: Fracture development characteristics and fracture formation and evolution model

HE Jianhua¹^,²(), CAO Hongxiu¹, DENG Hucheng¹^,³^,^*(), YIN Changhai⁴, ZHU Yanping⁴, LI Chang¹, LI Yong⁴, YIN Shuai⁵

1. College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
2. State Key Laboratory of Shale Oil and Gas Enrichment Mechanisms and Efficient Development, Beijing 102206, China
3. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
4. Research Institute of Exploration and Development, Daqing Oilfield Co., Ltd, Daqing 163000, China
5. School of Earth Sciences and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China

Received:2023-11-15 Revised:2024-05-04 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

川东北营山-平昌地区侏罗系凉高山组页岩油气显示活跃且多口井获得工业油气流,其油气资源勘探潜力巨大,而侏罗系页岩油气的富集程度及开发效果受控天然裂缝特征明显。本文综合利用野外、成像、岩心、薄片和CT扫描等多尺度裂缝表征手段,并结合脉体包裹体、碳氧同位素、岩石声发射和脉体U-Pb定年实验测试,重点揭示了研究区不同尺度天然裂缝的发育特征,明确了不同成因天然裂缝的形成期次并构建了其演化力学模式。结果表明:凉高山组页岩主要发育剪切缝、层面滑移缝、层理缝和流体超压缝等力学成因裂缝;构造变形区以发育NW和NE向高角度剖面剪切缝和网状张剪复合缝为主,裂缝密度高,纵向穿层规模大;平稳稳定区主要发育层理缝和流体超压缝及少量近EW和NNE向平面剪切缝,密度低,多充填。侏罗系主要经历了4个天然裂缝形成期:燕山早—中期(170~140 Ma)侏罗系快速埋藏形成以近SN和NE向垂直或水平的水力超压裂缝为主,纤维状方解石全充填;燕山晚期(100~80 Ma)发育NNE与近EW共轭平面剪切裂缝、NE向扩张缝和生烃超压缝;喜马拉雅早—中期(67~32 Ma)持续发育平面剪切缝、NW向剖面剪切缝和张性缝,以及层理缝;喜马拉雅晚期(15~6 Ma)表现为先存裂缝的活化和新生成少量近NNE向张性缝。受喜马拉雅晚期应力调整,早期形成近EW和NW向剪切缝开启有效,新生成的NNE向张性缝未充填较有效。该研究对于侏罗系多期构造复合下有效裂缝的定量预测和页岩油气富集有利区优选提供了重要支撑。

关键词: 页岩储层, 天然裂缝, 形成演化, 有效性, 凉高山组, 营山-平昌地区

Abstract:

The Jurassic Lianggaoshan Formation in Yingshan-Pingchang region, northeastern Sichuan has great exploration potential for shale oil and gas resources. To better understand the control of natural fractures on oil and gas enrichment and reservoir production, this paper utilizes multi-scale fracture characterization methods such as field observation, imaging, core logging, thin section, and CT scanning, combined with vein inclusion analysis, carbon-oxygen isotope analysis, acoustic emission testing, and U-Pb dating of veins. The characteristics of the multiscale fracture system in the study area are revealed; the formation history of natural fractures of different origins are clarified; and the fracture evolution model is constructed. The Jurassic shale reservoir mainly develops mechanical types of fractures, such as shear fractures, bedding slip fractures, bedding fractures, and fluid overpressure fractures. The tectonic deformation zone is dominated by NW-/NE-striking, high-angle parallel shear fractures and reticulate tension-shear hybride fractures, with high fracture density and large-scale vertical interlayers. The stable zone is characterized by bedding fractures, fluid overpressure fractures, and a small number of near-EW-/NNE-striking planar shear fractures, with low fracture density and high fracture filling. The Jurassic mainly experienced four episodes of fracture development : the early-middle Yanshanian (170-140 Ma), with the formation of near SN/NE-striking hydraulic overpressure fractures fully filled with fibrous calcite; the late Yanshanian (100-80 Ma), with the development of NNE-/near-EW-striking conjugate planar shear fractures, NE-striking expansion fractures, and hydrocarbon generation overpressure fractures; the early-middle Himalayan (67-32 Ma), with the continued development of planar shear fractures, NW-treding parallel shear fractures, longitudinal tension fractures, and bedding fractures; and the late Himalayan (15-6 Ma) with the activation of pre-existing fractures and formation of small number of NNE-striking tensile fractures. This study provides important support for quantitative prediction of effective fractures under multistage tectonic superposition in the Jurassic and identification of favorable areas for shale oil and gas enrichment.

Key words: shale reservoir, natural fractures, formation and evolution, effectiveness, Lianggaoshan Formation, Yingshan-Pingchang area

中图分类号:

P618.13

何建华, 曹红秀, 邓虎成, 印长海, 朱彦平, 李厂, 李勇, 尹帅. 川东北营山-平昌地区凉高山组页岩天然裂缝发育特征及其形成演化模式研究[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 17-34.

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图/表 16

图1 川东北地区构造图(a)和PA1井凉高山组综合柱状图(b)及构造横剖面解释图(c)

Fig.1 Structural map of the northeastern Sichuan basin (a), comprehensive stratigraphic column of the Lianggaoshan Formation in well PA1 (b), and structural cross-section map of the study area (c)

表1 凉高山组页岩裂缝类型划分及特征和尺度

Table 1 Classification and characteristics of natural fractures in shale of the Langgaoshan Formation

类型	亚类	裂缝特征	裂缝尺度	尺度类型
构造裂缝	剪切缝	由平行于裂缝面的剪应力引起,具有共轭组系、缝面平直、剖面型或平面型擦痕、切割颗粒、纵向穿层等特征	长度以5~15 cm为主,开度主要为0.2~1.5 mm,θ>60°	中大尺度
	张性缝	在页岩受拉张应力作用破裂而形成,表现为垂直平行组系、缝面粗糙、绕颗粒、纵向终止等特征	长度以5~10 cm为主,开度0.2~1 mm,θ>75°	中小尺度
	层面滑移缝	在挤压构造作用下,沿着泥页岩层面顺层滑动的剪切应力产生的裂缝,常见擦痕或光滑摩擦镜面	长度以7~10 cm为主,开度主要为0.2~0.5 mm,θ<15°	中大尺度
非构造裂缝	层理缝	主要为成岩作用或上覆应力卸载所导致,发育于页理、纹层等力学薄弱面附近的水平缝	长度以5~10 cm为主,开度0.1~0.2 mm	中小尺度
	流体超压缝	生烃初期的水力超压缝为快速埋藏排水不充分造成水力超压所致	长度以8~10 cm为主,开度2~5 mm	中小尺度
	流体超压缝	后期达到生烃高峰以后的生烃超压缝主要由大规模生烃增压而形成的微破裂	长度以5~15 μm为主,开度多分布在0.05~0.2 μm	微观尺度

图2 凉高山组不同力学成因宏观裂缝特征图版

Fig.2 Macroscopic characteristics of different types of mechanical fractures in the Langgaoshan Formation

图3 营山-平昌地区关键井的岩心裂缝走向及充填特征分布图

Fig.3 Distribution of core fracture orientations and filling characteristics of key wells in Yinshan-Pingchang area

图4 过营山构造YS6井-YS5井侏罗系裂缝特征连井对比剖面图 a—YS6井;b—YS8井;c—YS5井。

Fig.4 Cross-well comparison of fracture characteristics in Jurassic Yingshan structure

图5 凉高山组微观尺度裂缝扫描电镜及CT扫描下特征图版 a—YS5井,1 613.24 m,凉上段,成岩收缩微裂缝充填油迹;b—YS5井,1 614.69 m,凉上段,顺层层理缝充填油迹;c—YS5井,1 648.87 m,凉上段,微裂缝;d—YS6井,1 716.54 m,凉高山组,层理缝充填油迹;e—YS5井,1 611.44 m,凉上段,生烃超压缝;f—YS6井,1 660.5 m,凉高山组,生烃超压缝;g—YS6 井,1 656 m,微米CT三维立体分割图,层理缝;h—YS6井,1 656 m,微米CT,孔隙按孔径大小颜色渐变;i—YQ1井,1 421.65 m,激光共聚焦下显示层理缝轻质组分富集。

Fig.5 Characteristics of microfractures in the Langgaoshan Formation under SEM and CT scanning

图6 凉高山组野外露头裂缝发育特征 a—通江铁溪镇剖面;b—旺苍金溪镇剖面;c—南江桥亭剖面;d—万源固军镇剖面。

Fig.6 Characteristics of fracture development in outcrops of the Langgaoshan Formation

图7 野外露头剖面(a)和平缓区(b)成像测井解释裂缝走向分期配套图

Fig.7 Fracture strikes based on image log interpretation from outcrops (a) and gentle terrain (b)

图8 凉高山组岩心及薄片尺度裂缝切割关系 a—三期相互切割的低角度裂缝,早期形成的裂缝均被晚期错断,PY1井,3 087.57 m;b—层面滑移缝,缝面见同一方向擦痕,DY1井,3 190.45 m;c—两期裂缝切割,早期形成的裂缝被晚期错断,YS6井,1 717.4 m;d—两期裂缝切割,早期形成的裂缝被晚期错断,YS6井,1 715 m。

Fig.8 Cross-cutting relationship between fractures in the study area

图9 凉高山组脉体捕获流体包裹体的显微照片 a—方解石中分布的含烃盐水包裹体,3 089.93 m,PY1井,单偏光;b—方解石中分布的含烃盐水包裹体,1 704.91 m,YY1H井,单偏光;c—石英中分布的含烃盐水包裹体,1 717.4 m,YS6井,单偏光;d—方解石中密集分布的烃类包裹体,3 089.93 m,PY1井,荧光;e—方解石中密集分布的烃类包裹体,1 704.91 m,YY1H井,荧光;f—石英中密集分布的烃类包裹体,1 717.4 m,YS6井,荧光。

Fig.9 Photomicrographs of fluid inclusions in veins in the study area

图10 凉高山组构造裂缝(a)和非构造裂缝(b)充填物包裹体测试结果图

Fig.10 Histograms of homogenization temperatures of fracture filling inclusions in structural (a) and non-structural (b) fractures in the study area

图11 凉高山组构造裂缝(a)和非构造裂缝(b)充填物碳氧同位素交会分析图

Fig.11 Cross-plots of δ13C vs. δ18O of fracture fillings in structural (a) and non-structural (b) fractures in the study area

图12 凉高山组岩石声发射测试曲线 a—PY1井,3 046.52 m;b—YY1H井,1 998.53 m。

Fig.12 Acoustic emission test results for rocks in the study area

图13 凉高山组方解石样品U-Pb Tera-Wasserburg谐和图 a,b—YS8井,1 703.31 m,水力超压缝,充填的纤维状方解石定年结果;c,d—PY1井,3 077.67 m,断层附近剪切裂缝,充填的块状方解石定年结果。

Fig.13 Tera-Wasserburg Concordia diagram of U-Pb data of calcite samples

图14 侏罗系页岩储层不同成因天然裂缝的演化序列图裂缝演化序列中各裂缝类型若被红色所标记,则代表有效裂缝发育时期。

Fig.14 Fracture evolution in Jurassic shale reservoirs

图15 侏罗系页岩储层天然裂缝的形成演化模式图

Fig.15 Evolution mode of various genetic natural fractures in Jurassic shale reservoirs

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Nature fractures in shales of the Lianggaoshan Formation in northern Sichuan Basin: Fracture development characteristics and fracture formation and evolution model

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