窄河道致密砂巖氣藏的斷層有效性評價
——以中江氣田沙溪廟組為例

顧戰宇, 彭先鋒, 鄧虎成

(1.中國石化股份有限公司西南油氣分公司，成都 610041；2.成都理工大學能源學院，成都 610059)

中國致密砂巖氣藏資源豐富，川西探區陸相致密砂巖天然氣地質資源量為1.83×104億m3，累計探明天然氣地質儲量為5 572.3億m3，川西探區陸相致密砂巖具有較大的勘探和開發潛力[1]。同時由于致密砂巖儲層的物性差、非均質性強、含水飽和度高、單井產能低、產量遞減快，該類氣藏的勘探開發同樣面臨著巨大的挑戰[2]。川西探區中江氣田沙溪廟組氣藏勘探始于1995年[3]，川泉181探井在沙溪廟組鉆遇油氣層，天然氣日無阻流量為1.5萬m3，從而拉開了中江氣田致密砂巖氣藏開發的序幕。截至2018年底，累計提交探明儲量為323.23億m3，該氣藏共計投產91口井，產能為203×104m3/d。中江氣田沙溪廟組氣藏為復雜的致密砂巖氣藏，勘探開發難度比常規致密砂巖氣藏大，且中外尚無可借鑒的開發經驗[4-6]。

中江氣田沙溪廟組氣藏是以斷層為主要運移通道的遠源次生氣藏，斷層既是氣藏成藏的基礎，又是油氣散失的通道[5,7]。中江氣田沙溪廟組氣藏遠離烴源巖，深部烴源巖演化生成的天然氣要進入中淺層的河道砂(主要的儲層砂體)中聚集成藏需要經過縱向上長距離的運移才能形成[8-9]。因此天然氣需要經運移通道才能聚集成藏，斷層的發育恰恰成為了天然氣運移的通道[10]。同時，氣藏內的斷層導致儲層的地球物理特征隱蔽性強、預測難度大[11]。目前中外專家們越來越重視斷層在油氣成藏中的雙重作用，尤其是斷層的有效性，從兩盤巖性是否對接來判斷斷層的有效性已經不能滿足要求。已有國外學者從斷層帶內部結構角度利用斷層巖封閉能力來研究斷層的有效性，并初步建立一套斷層側向封閉性的評價方法[8-12]。然而，這種方法是基于國外斷層野外剖面和油田測試資料建立的，由于國內外在斷層活動時間、規模和地層巖性等客觀差異的存在，該評價方法并不一定適用于中國的斷層有效性評價，目前也缺乏在國內油田的實際應用實例。因此，基于中國地質構造研究斷層有效性(即“斷-砂”的配置關系)，不僅對精細描述及定量評價中江氣田沙溪廟組氣藏有重大意義，而且對開展適合于中國斷層有效性評價方法研究具有重要意義。

1 區域地質特征

中江氣田位于四川省德陽市中江縣西側(東經104°21′～104°52′，北緯30°35′～31°35′)；西南面與成都市相接，相距45 km；西面與德陽市相連，相距7 km；北面與綿陽市相連，相距7 km。中江氣田平均孔隙度為8.6 %，平均滲透率為0.19 mD，沉積河道窄，僅有0.5～1.0 km，儲層厚度薄(5～30 m)，相比中外的常規致密砂巖氣藏，具有儲層非均質性強的特征，勘探開發難度大。

1.1 構造特征

中江氣田的區域構造位置處于四川盆地川西坳陷中段東部斜坡與川中古隆起的過渡帶內[12]。構造的西方為石泉場構造、東為金華鎮鼻狀構造，北為黃鹿向斜、南為中興場向斜[13]。由于研究區受南部龍泉山大斷裂影響，研究區內發育多條小斷距斷層[14]。

中江氣田的面積為2 350 km2，主要有高廟子、豐谷、永太、中江及回龍4個區塊，涉及合興場—豐谷北東東向構造帶和中江斜坡帶2個構造區帶[15-17]。研究區主體受燕山期、喜山期構造運動影響，主要的斷層主要分布在合興場和知新場構造區域內，F1-1、F1-2、F2、F3、F4、F6、F9共計7條斷層，斷層走向均為南—北向(圖1)。

1.2 儲層特征

1.2.1 巖石學特征

中江氣田沙溪廟組砂巖的顏色以淺灰色、灰色、淺綠灰色以及綠灰色為主，巖性主要為細-中粒巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖(圖2)。其中沙溪廟組的巖屑砂巖含量較少，巖屑石英砂巖及長石砂巖更少，只有極少量的長石石英砂巖(只有一個樣品)，無石英砂巖。中江氣田沙溪廟組砂巖整體表現出富長石、貧巖屑、低石英的“一高兩低”特點，其中長石含量F高(平均28.9%)，巖屑含量R低(平均21.6%)，石英含量Q低(平均48.9%)，Q/(F+R)平均為1.08，F/R平均為1.51，成分成熟度偏低(表1)。

1.2.2 物性特征

如表2所示，中江氣田沙溪廟組氣藏砂巖孔隙度介于0.9%～15.33%，主峰位分布在7%～13%，平均8.66 %；滲透率為0.000 8～1 910 mD，平均2.15 mD；砂巖基質滲透率為0.000 8～1.75 mD，呈雙峰分布，主峰位分別為(0.04～0.08)×10-3μm2(占20.4 %)和(0.1～0.3)×10-3μm2(占34.4 %)，平均0.21 mD。沙溪廟組儲層的孔滲具有正相關性，為低孔低滲的孔隙性儲層。

圖1 中江氣田沙溪廟組頂面構造圖(F6和F9未出露沙溪廟組)Fig.1 Top structure of Shaximiao formation in Zhongjiang gas field (F6 and F9 did not appear in Shaximiao Formation)

Ⅰ為石英砂巖；Ⅱ為長石石英砂巖；Ⅲ為巖屑石英砂巖；Ⅳ為長石砂巖；Ⅴ為巖屑長石砂巖；Ⅵ為長石巖屑砂巖；Ⅶ為巖屑砂巖；沙溪廟組氣藏(JS)按沉積旋回分為沙一氣藏(JS1)、沙二氣藏(JS2)和沙三氣藏(JS3)圖2 中江氣田沙溪廟組巖石類型三角分類圖Fig.2 Triangular classification of rock types of Shaximiao Formation in Zhongjiang gas field

2 斷層的特征和識別

中江氣田沙溪廟組氣藏的構造復雜，斷層發育[18]。結合中江氣田構造演化特點和已知的斷裂發育情況，采用三維地震構造解釋方法研究斷層。同時，基于斷裂在地震上的響應現象，綜合應用相干體、三維地震切片和斷層分期組合技術識別工區內7條主要斷層的特征。其中，斷層走向為近南-北向、東傾的逆斷層為F1-1，該斷層延伸長度達21.02 km，斷距為50～80 m，斷層形成于燕山早中期，定型于喜山期。斷層F1-2形成于燕山末期。斷層受喜山期北西向應力作用形成南北向斷層，斷層方向和知新場構造方向平行[19]，東傾逆斷層，斷層斷距相對較小，僅有30～50 m。延伸長度較長，達到25.26 km。F2斷層位于知新場長軸斷背構造的東邊，形成于燕山期，定型于喜山期。該斷層最大斷距為200 m，延伸長度為34.75 km，是知新場構造圈閉的主控斷層。F3斷層形成于燕山中晚期，定型于喜山期。該斷層的深層斷距較大，而淺層斷距較小(20～280 m)，區內延伸長度為4～34.2 km，斷層上部被F2斷層所切割。F4斷層走向為北東向，斷層傾角較緩，平面延伸長度達25.06 km。該斷層形成于燕山期，受到喜山期構造運動改造。F6斷層的走向為北北東向，傾向北西向，斷距最大達到700 m，最小200 m，工區范圍內延伸長度達到10.36 km。F9斷層是原F6斷層的淺層部分，F9斷層平面上延伸距離延伸最長，達到了42.32 km，走向近南北向，西傾逆斷層，斷距為20～200 m。

2.1 斷層的斷點

表1 中江氣田沙溪廟組砂巖骨架顆粒成分統計Table 1 Particle composition of sandstone skeleton of Shaximiao Formation in Zhongjiang gas field

表2 中江氣田沙溪廟組致密砂巖氣藏與國內外同類氣藏的對比Table 2 Comparison of tight sandstone gas reservoirs of Shaximiao Formation in Zhongjiang gas field with similar gas reservoirs

注：φ為孔隙度；K為滲透率。

在江沙9井巖芯觀察中，在2 384.17～2 387.62 m的取芯段中，見到了證明斷層存在的明顯標志——階步與擦痕，其中階步中有方解石充填，同時高角度裂縫發育，多處呈網狀結構(圖4)，可以說明在取芯段鉆遇斷層。

GR為自然伽馬測井；AC為聲波時差測井；RD為深雙側向電阻率測井；RS為淺雙側向電阻率測井圖3 川江186井-江沙9井-川泉181井的地層對比Fig.3 Stratigraphic comparison of wells in Chuanjiang 186 well Jiangsha 9 well Chuanquan 181 well

圖4 巖心的階步、擦痕、裂縫、破碎帶等現象Fig.4 Steps, scratches, cracks, broken belts, etc. on the core

2.2 斷層破碎帶

由于地質構造運動的特點，巖層通常沿相同的方向擠壓或剪切，進而巖層之間產生斷層破碎帶。因此，斷層破碎帶是單位巖石體積內具有組系特征、交叉分布的斷層滑動面以及相對應的兩側地質體的集合[20]。斷層角礫巖和斷層泥可作為識別斷裂破碎帶的標志。其中，斷層角礫巖一般出現在破裂帶中間，角礫巖的發育使得斷裂帶內孔滲性變好，斷層連通性增強。斷層泥主要是應力集中部位的巖石磨碎而成。斷層泥的出現，一方面增加了斷裂帶的孔隙度和滲透率，另一方面降低了斷層的連通性。

巖心觀察可知：研究區內斷層角礫巖、斷層泥和滑動面等斷層地質特征發育。如江沙9井2 385.27～2 385.57 m，巖芯中見破碎帶中的泥質粉砂巖角礫和斷層泥，斷層滑動面階步和擦痕發育，可見次生方解石晶體充填，同時有良好含氣顯示。川合118井2 681.27 m位置見光滑、平整的鏡面特征，為典型的滑動摩擦面(圖5)。

圖5 巖芯上的斷層角礫巖、斷層泥和斷層摩擦鏡面等現象Fig.5 Phenomena of fault breccia, fault mud and fault friction mirror on the core

2.3 誘導裂縫帶

誘導裂縫帶位于斷裂滑動破碎帶和正常圍巖之間的過渡地帶，主要分布在斷層兩側有限區域或斷層末端應力釋放區，誘導裂縫帶的分布范圍較大，為1～1 000 m。誘導裂縫帶未出現完全破碎現象，僅在局部發生破裂，其巖石仍然具有原始巖石特征。誘導裂縫帶以發育多種類型的裂縫為主要特征。

在江沙9井巖芯觀察中共統計出高角度裂縫27條，低角度裂縫19條，高角度縫多為構造縫，低角度縫多為沉積縫，其中張開縫12條，半填充縫20條，填充縫14條，填充物多為鈣質和泥質，江沙9井巖芯觀察到一組水平縫、兩組高角度縫以及網狀縫，且往往是高角度縫切割早期發育的水平縫或高角度共軛剪切縫相互切割呈網狀結構。由斷層核部向邊部，裂縫發育強度逐漸減弱，裂縫產狀逐漸由網狀/高角度縫+水平縫發育變為水平縫發育，預示斷層輸導體的運移通道有可能以構造剪切形成和改造后的裂縫系統為主。高角度構造縫的發育為天然氣垂向運移提供了有利的通道，低角度沉積縫則是天然氣側向運移的有利通道(圖6)。

SP為自然電位測井;GR為自然伽馬測井；AC為聲波時差測井；RT為地層真電阻率圖6 江沙9井誘導裂縫帶巖芯觀察綜合柱狀圖Fig.6 Core observation comprehensive histogram of the fracture zone of Jiangsha 9 well

2.4 斷面的形態

斷層面形態差異對斷層內部流體運移的方向起到重要控制作用，對斷層面形態特征的研究具有重要意義。斷層面形態空間上的不一致性主要通過其走向上斷層面形態的起伏差異來體現的。走向上，根據斷層面埋深程度的不同，斷面的形態可劃分為3類(圖7)。①平整型的斷層面。該類是理想化的斷層面，油氣在其內部運移方式簡單。油氣從斷層的底部開始沿著斷層面平行方向向斷層的頂部運移，不存在優勢運移路徑問題。②凸起型的斷層面。凸面斷層形成了垂向上的油氣優勢運移通道，③下凹型的斷層面。該種類型不適合油氣的運移，凹面斷層使油氣在沿著斷層面向上運聚時呈分散的發散狀運移[21]。另一方面，凹面斷層的上方與砂體的接觸體積較大，有利于油氣往側向的有效砂體運移；凸向斷層的上方與砂體的接觸體積較小，不利于油氣往側向的快速砂體運移[22]。

圖8 中江氣田沙溪廟組斷層斷面正壓力形態圖Fig.8 The normal pressure pattern of the fault section of the Shaximiao Formation in the Zhongjiang gas field

基于三維地震解釋的斷層數據，利用速度場進行“時深轉換”，將時間域的地震解釋成果轉化為深度域的斷面形態圖。應用井震結合地層構造圖對比和校正斷面形態圖，確保斷面形態圖和地層構造圖的深度耦合。應用上述方法完成了F1-1、F1-2、F2、F3、F4、F6、F16等7條斷層的斷面形態圖。下面以F1-1、F3和F4這3個重要的斷層為例進行說明。如圖8所示，F1-1斷層的斷面近似于平整型，在測線L3200至測線L3600段，斷面形態表現為明顯的上凸型，斷層在這段能形成良好的垂向運移通道，在測線L3600以北段，斷面形態又表現為平整型。F1-1斷層從南至北油氣都以垂向運移為主，形成了垂向優勢運移途徑?？v向上，位于中江構造帶內的F3斷層由南到北坡度變化不大，近似于平直型。走向上，在L3400以南段，斷面形態主要表現為平整型，油氣由下往上推進，斷層兩側遇到良好儲層可形成油氣藏。L3400至L3800段，斷面形態表現為上凸型，形成垂向的優勢運移通道。L3800以北段，斷面形態又以平整型為主。F4斷層位于工區南側，在合興場-豐谷構造帶中，是高廟子-豐谷地區天然氣的重要運輸通道?？v向上，斷層隨著深度的變化坡度基本不變，表現為平直型。走向上，整個斷層也近似于平整型，局部出現一些小凹型或者上凸型，整體上油氣由斷層底部往上平行推進，在斷層兩側與砂體匹配較好處，油氣聚集成藏。

3 斷層有效性評價

3.1 斷面與砂體匹配關系

中江氣田沙溪廟組為一套在三疊系盆地之上沉積的陸相碎屑巖，氣藏為遠源氣藏，天然氣主要來源于其下部的須五段、小塘子組和馬鞍塘組的烴源巖層，通過烴源斷層向上運移到達儲集層[24]。沙溪廟組烴源斷層與兩側砂體匹配關系的研究，能夠更好地認識已發現的氣藏與烴源斷層兩側砂體的關系，指導該區的天然氣勘探開發。

3.2 斷層封閉/連通性

開啟的斷裂是油氣藏中油氣垂向運移的重要途徑[25]。中江氣田斷層較為發育，斷層斷開層位較深，同時多數深大斷裂為通天斷層，在斷裂相對發育的構造區發現天然氣藏較多，斷層不發育的構造區天然氣藏發現很少或者基本沒發現天然氣藏。本次研究采用計算斷面正壓力法分析研究區內幾條重要斷層進行封閉/連通性。

3.2.1 斷面正壓力法的理論依據

斷面壓力是評價斷層在垂向上封閉或者連通的重要因素，斷面壓力越大，斷層的垂向封閉性越好，反之越差[26]。斷面埋深、斷面傾角是斷面壓力大小的主要控制因素。埋深越大，斷面壓力越大，斷面的緊閉性越高；傾角越緩，斷層面所受到的正壓力就越大，斷面的緊閉性越高，斷層的垂向封閉性越好；反之越差[27]。區域性的主壓應力會對斷層的連通性有影響，區域性的主壓應力越大，與斷層的交角越接近90°，對斷層面的壓力越大，斷層緊閉程度越高，垂向封閉性越好，反之則越差[28]。

3.2.2 斷面正壓力計算原理及數據來源

由于地層孔隙水的靜水壓力對斷層不產生有效作用(斷層上部位的地層孔隙水產生的靜水壓力被斷層下部位的地層孔隙水產生的靜水壓所抵消)，因此，斷層只受上覆地層巖石的骨架重力作用?；谝陨霞僭O，可以用斷層面所受到的正壓力值來度量斷層面的封閉程度。據文獻[29]可知計算公式為

P=H(ρr-ρw)×0.009 876cosθ

(1)

式(1)中：P為斷面正壓力，MPa；H為斷層斷面的埋藏深度，m；ρr為上覆地層的平均密度，g/cm3；ρw為地層水密度，g/cm3；θ為斷面傾角，(°)。

由式(1)可知，斷面承受正壓力強度主要與深度和斷層傾角相關。在構造應力一定的情況下，斷面正應力的大小主要取決于斷面埋深和斷面傾角，埋深越大，傾角越小，正壓力就越大，反之亦然?；谇叭搜芯砍晒鸞30]以及四川盆地其他層位或地區正應力評價成果，結合研究區的實際地質背景，制定中江氣田沙溪廟組斷層斷面正壓力劃分評價標準，如表3所示。

表3 中江氣田沙溪廟組斷層斷面正壓力劃分標準Table 3 Evaluation criteria for positive pressure of fault,Shaximiao Formation, Zhongjiang gas field

3.2.3 研究區內斷面正壓力計算結果

工區內斷層一般埋深都比較深，斷層相對平緩，斷層傾角較小，斷面正壓力一般比較大[31]。其中F1-1斷層南北兩端較陡，中部較平緩，斷面正壓力隨著深度變化從下到上減小，最大為五十多兆帕，最小為十幾兆帕(圖8)。斷層整體封閉性較差，斷層中部有利于天然氣側向運移成藏，由試井數據可知，合興場-知新場構造帶在沙溪廟組CX623井、XC27井有含氣層。F3斷層南端埋深大，斷面正壓力大，達到了六十多兆帕，北段埋深淺，斷面正壓力相對較小，為四十多兆帕(圖8)。斷層中部為中江-回龍構造帶，斷層在中部最為平緩，斷層在沙溪廟組與砂體能夠構成很好的匹配關系，有利于油氣側向運移成藏，由試井數據可知，中江地區在沙溪廟組江沙9、ZJ12、JS2等井都有含氣層，F3斷層在北端封閉性較好，中部和南側封閉性較差，中部砂體與斷層匹配較好處天然氣聚集成藏。F4斷層斷面形態為平整，斷面正壓力隨著深度的變化從下到上逐漸減小，最大值達到了五十多兆帕，最小值為二十多兆帕(圖8)。斷層整體封閉性相對較差，天然氣由須家河組烴源巖通過F4斷層垂向運移到沙溪廟組成藏，由試井數據可知，高廟子-豐谷構造帶在沙溪廟組GM31、GS304等井都有含氣層。

3.3 斷-砂-源匹配樣式及控氣作用

基于地理信息系統(gecoraphic inpormation system, GIS)軟件的疊合顯示、坐標統一兩項功能，首先，精確標定“斷層面與砂體平面圖”中含油氣砂體的空間位置；然后，組合天然氣優勢運移路徑圖、氣水分布圖和標定后的砂體分布圖；最后，根據“斷-砂-源”匹配程度劃分“斷-砂-源”的匹配類型，共計3大類。其中，斷面優勢通道類型為匯聚型，并且源巖的厚度大、生烴強度大于20劃分為①類；斷面優勢通道類型為匯聚型，但是源巖的厚度較小，生烴強度小于20劃分為②類；斷面優勢通道類型為發散型劃分為③類。統計研究區內“斷-砂-源”匹配類型和對應的含氣類型可知：從①類直到③類，含工業氣流的砂體數量和規模逐漸減少，甚至有不含氣砂體出現；從匹配類型角度來說，①類為最好的匹配類型，②類匹配效果次之，③類為匹配效果最差的類型。通過以上分析可知，良好的“斷-砂-源”匹配方式對該地區油氣成藏具有重要意義(圖9)。

4 結論

針對中江氣田中上侏羅統沙溪廟組河道砂縱橫交織，斷層與河道砂的配置關系復雜的特征，通過對氣藏內斷層基本特征、斷層內部結構、斷面形態等精細描述，結合斷裂構造演化分析結果，得到以下結論。

(1)中江氣田沙溪廟組氣藏的河道砂數量眾多，斷層發育，為低孔低滲的孔隙型儲層。氣藏為“深源淺聚、斷砂輸導”的“窄”河道致密砂巖氣藏。

(2)三維地震構造精細解釋方法可以識別和描述窄河道致密砂巖氣藏內斷層?；跀嗔言诘卣鹕系捻憫F象，綜合應用相干體、三維地震切片和斷層分期組合技術識別出工區內7條主要斷層。

(3)通過斷-砂-源匹配樣式及控氣作用研究，認為斷層與砂體的配置關系對該氣藏的富集成藏影響不容忽視。結合河道砂精細清理與刻畫結果，分析了氣藏內現今的“斷-砂”配置關系，確定區內“斷-砂”配置模式可以劃分為3類，并建立了相應目標層級的評價標準。

圖9 3類匹配樣式砂體的含氣性統計Fig.9 Gas content statistics of three types of matching sand bodies