Characteristics and major controlling factors of the fractures in igneous buried hill reservoirs in Huizhou Oilfield
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摘要:
为明确惠州油田火成岩潜山油藏储层品质及开发潜力，运用岩芯、薄片、成像测井等资料对研究区潜山储层天然裂缝特征、发育主控因素进行了研究。结果表明，惠州油田潜山储层发育NW、NE及EW向3组优势裂缝体系，以NW向裂缝体系为主，裂缝倾角49°～60°，主要为中—高角度裂缝。识别出构造缝、溶蚀缝及成岩缝3类裂缝，构造缝是主要的裂缝类型，溶蚀缝次之，成岩缝为孤立缝，对储层物性贡献意义不大。构造作用是裂缝发育的主控因素，岩性、断层及流体作用为次要因素，多期次的构造运动是潜山岩石破裂成缝的力学基础，花岗岩及闪长岩是裂缝发育的优势岩类，边界大断层控制下的裂缝发育范围约150 m，潜山内部次级断层控制下的裂缝发育范围约80 m。采用多元信息概率融合方法预测了潜山风化带裂缝优势发育区，划分出4类裂缝发育优势区。研究成果对惠州油田潜山油气藏储层评价及开发方案研究具有参考意义。
Abstract:To clarify the reservoir quality and development potential of the igneous buried hill reservoir in Huizhou Oilfield, the characteristics, spatial distribution, and key controlling factors of fractures were studied comprehensively by using the data of core, imaging logging, and thin section. Results show that three groups of NW-, NE-, and EW-trending fracture systems are developed in the buried hill reservoirs, of which the NW-trending fracture system is dominant. The main frequency of the fracture dip angle is 49°～60°. Three types of fractures were distinguished, i.e., structural fractures, dissolution fractures, and diagenetic fractures. The structural fractures are major types, followed by dissolution fractures, and diagenetic fractures are isolated and contributing little to the reservoir properties. The development of fracture was controlled by tectonic, lithologic, and fault and fluid action. Multi-stage tectonic movement was the mechanical basis of the fracture formation in the buried hill rock. Granite and diorite were conducive to the formation of fractures. The trap-control fault affected the fracture development in range of about 150 m, and the influence range of the secondary faults was about 80 m. Based on quantitative characterization of main controlling factors of fracture development, the dominant region of fractures in the buried hill was predicted by PR multiple information probability fusion method. In addition, four dominant fracture zones were recognized in the weathering zone in the buried-hill. This research provided an important reference for reservoir evaluation and development of the buried hill reservoir in Huizhou oilfield.
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0. 引言
随着珠江口盆地惠州油田深层中生界火成岩潜山油气藏的发现，开启了南海东部海域以古近系、古潜山为目标的深层“双古”油气藏勘探新方向[1-4]。火成岩潜山储集空间较沉积岩更为复杂，原生孔隙发育较差，天然裂缝及与其伴生的溶蚀孔洞是主要的油气储集空间和渗流通道[5-8]。明确裂缝发育特征及空间分布是火成岩潜山油气藏开发方案研究的基础。
惠州油田火成岩潜山发育喷出岩、侵入岩及变质岩等多种岩性，经历了多期次构造运动及风化溶蚀作用的改造，不同岩性的成缝能力差异大，导致裂缝空间分布随机性极强。潜山不同部位的裂缝受到多种地质因素共同控制，不同位置的裂缝主控因素不同，导致对裂缝发育优势区预测难度极大。截至目前，未开展过针对惠州油田潜山裂缝特征及发育优势区的系统研究，对裂缝发育主控因素及优势发育区认识不清，制约了油气藏开发方案的编制。为明确惠州油田潜山储层裂缝发育特征、地质主控因素及裂缝发育优势区带，指导油田有效开发，利用岩芯、薄片及成像测井等资料，首次系统分析了惠州油田潜山纵向不同层段、平面不同部位的裂缝发育特征及成因类型，明确了潜山裂缝发育的主控因素。通过统计分析地质主控因素与裂缝密度的关系，定量表征了不同主控因素控制下的裂缝发育概率，基于多主控因素定量表征信息融合方法，预测了潜山风化带裂缝优势发育区，以期为油田开发方案的制定提供地质依据。
1. 地质概况
珠江口盆地位于中国南海北部，整体上呈NE—SW向展布，是华南陆缘伸展张裂过程中形成的被动大陆边缘新生代沉积盆地。盆地构造自北向南分为“三隆两坳”，即北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带和南部隆起带[9]。惠州凹陷位于北部坳陷带的珠一坳陷。平面上，依据基底断裂和古近系沉积厚度分布，可进一步将惠州凹陷划分为惠州08洼、惠州13洼、惠州26洼、西江30洼和西江24洼等11个洼陷，基底受到强烈的构造变形作用，岩浆活动强烈，从而形成岩性复杂的基底中生代潜山[10-12]（图1）。
图 1. 惠州油田区域构造位置及潜山顶面构造图Figure 1. Regional structural framework of the Huizhou Oilfield据地震及钻井资料揭示，惠州凹陷基岩上覆地层自下而上为古近系文昌组、恩平组、珠海组和新近系珠江组、韩江组、粤海组、万山组及第四系。其中，凹陷中心发育的文昌组、恩平组湖相烃源岩是惠州油田主要的油源。
惠州油田位于惠州凹陷西南部的惠州26洼南缘断裂带，是由2条NWW向边界正断层夹持形成的断块构造圈闭（图2）。惠州油田中生代潜山岩性包括侵入岩、火山喷发岩及变质岩，储集层具双重孔隙介质特征。根据被风化溶蚀改造程度差异，将潜山纵向上分为风化带及内幕带。风化带经过强烈的风化淋滤改造，裂缝和溶蚀孔、洞发育，以孔隙-裂缝型储层为主。内幕带被风化溶蚀作用改造较弱，主要发育裂缝型储层。油藏类型为“上气下油”的块状气顶油藏，上部为高含凝析油的凝析气顶，下部为轻质挥发油藏（图2）。
2. 潜山储层裂缝特征
2.1 裂缝成因类型
综合分析研究区3口井14.7 m的钻井取芯、74颗井壁取芯、52块薄片及2口井约50 m的成像测井资料，识别出1105条有效裂缝。研究结果表明，惠州油田潜山主要发育构造缝、溶蚀缝及成岩缝3类天然裂缝，平面不同部位、纵向不同层段裂缝发育类型及密度不同。
2.1.1 构造缝
构造缝具有明显的方向性，多成组出现产状相似的裂缝（图3a）。岩芯及薄片资料显示，研究区大部分构造缝都有被矿物充填的现象，充填矿物成分以长石、方解石为主，部分裂缝中见到石英充填（图3b—e）。受多期次构造运动影响，裂缝呈现出明显的多期次性，岩芯上表现为裂缝相互切割或者限制（图3d），成像测井图识别出的主要是未被填充的构造缝，其特征为完整的正弦或者余弦曲线形态（图3h）。构造缝在研究区广泛发育，平面上断层附近及高部位构造曲率大的区域是构造缝主要发育区，纵向上风化带与内幕带构造缝发育程度差异不大，但整体上风化带更为发育。
图 3. 惠州油田潜山储层裂缝典型岩芯、薄片特征及地质模式（a）花岗岩中的正交裂缝；（b）构造缝中的填隙物被溶蚀；（c）花岗岩中的溶蚀孔洞；（d）岩芯荧光照片，多期次裂缝相互切割、限制；（e） 早期充填缝被再次破裂，并被溶蚀；（f）溶蚀孔隙随裂缝发育；（g）成岩缝；（h）构造缝地质模式；（i）溶蚀缝地质模式；（j）成岩缝地质模式Figure 3. Photos and thin section characteristics of fractures in typical cores of the buried hill reservoir in Huizhou Oilfield2.1.2 溶蚀缝
研究区溶蚀缝根据成因的不同可分为2类：一类是未被充填的构造缝，表面的长石、云母等易溶矿物在地层热液的作用下发生溶蚀，使构造缝进一步加宽，这一类溶蚀缝在成像测井动态图中表现为裂缝面局部不规则加大、变宽的低电阻团块；另一类是构造缝中充填的长石、方解石等矿物被非均匀溶蚀，使原本失去渗流能力的构造缝重新被打开，成为有效裂缝，这类溶蚀缝在成像测井上表现为不光滑的正弦或余弦曲线特征，裂缝开度分布不均匀，呈现出串珠状特征（图2b、f、i）。溶蚀缝主要在风化带发育，风化带构造高部位发育最好，随着深度增加，溶蚀作用逐渐减弱，内幕带溶蚀缝发育较少，仅见少量裂缝具有被溶蚀的特征。
2.1.3 成岩缝
成岩缝包括熔岩降温过程中不同矿物因冷凝温度差异导致的非均匀收缩形成的裂缝，以及后期侵入岩体中的流体混入造成冷凝收缩形成的裂缝[13,14]。这类裂缝主要特征是横向规模有限，长度一般＜5 cm，每条裂缝基本孤立存在，互不连通，对储层渗流贡献意义不大（图2g、j）。成岩缝在潜山中广泛发育，其空间分布主要受岩性控制，无明显统计规律。
2.2 裂缝产状、密度及开度
基于研究区3口井14.7 m的钻井取芯及2口井约50 m的电阻率成像测井资料，统计了潜山构造高部位、斜坡部位及风化带、内幕带的裂缝参数。研究结果表明，惠州油田潜山不同部位裂缝产状、密度及开度具有明显的差异性。成岩缝形态比较单一，主要为纺锤状或者眼状等不规则形态，没有明显的方向性。溶蚀缝是在构造缝基础上形成的，其产状与构造缝基本一致。
受断层分布影响，研究区裂缝走向较为杂乱，但整体上可以划分出NW、NE及EW向3组裂缝体系，以NW向裂缝为主，其方向与现今主地应力方向基本一致。平面上，潜山南部构造高部位主要发育倾角＞45°的中—高角度缝，边部构造陡峭区域裂缝倾角相对高部位构造平缓区较小，以倾角＜45°的中等角度缝为主。垂向上，构造缝走向没有明显的分带性，但倾角大小差异明显，风化带裂缝倾角分布范围更广，低、中、高角度缝都有发育，裂缝倾角分布为10°～90°，平均为49.5°；内幕带则主要发育倾角＞45°的中—高角度裂缝，裂缝倾角分布范围20°～90°，平均达到60°（图4）。
图 4. 潜山不同层段裂缝产状、密度及开度分布特征Figure 4. Characteristics of fracture occurrence, density, and aperture in different layers of buried hill综合统计岩芯及成像测井资料表明，研究区潜山储层裂缝线密度约2～9条/m，断层附近及构造高部位裂缝发育密度较大，远离断层区域及构造低部位裂缝密度较小。纵向上，风化带裂缝密度平均4.1条/m，内幕带裂缝密度略小于风化带，平均约3.6条/m。
研究区裂缝开度整体较小，成像测井解释裂缝开度分布于20～900 μm，平均缝宽约50 μm，开度＞100 μm的裂缝主要为溶蚀缝。纵向上，风化带裂缝受溶蚀作用改造影响，平均缝宽为62.9 μm，内幕带平均缝宽为47.8 μm。横向上，风化带构造低部位裂缝充填程度较高，裂缝开度整体小于高部位，内幕带不同部位裂缝开度则差异相对较小（图4）。
3. 裂缝发育主控因素
通过岩芯、薄片资料定性分析，并结合成像测井解释成果定量统计表明，惠州油田潜山裂缝的发育受构造作用、岩性、断层及流体作用共同影响。多期次的区域构造运动是潜山岩石破裂成缝的动力学基础，是研究区潜山裂缝发育的主要控制因素[15-19]。不同岩性物理性质的差异决定了其破裂成缝的难易程度，是控制裂缝发育的次要因素。断层规模及距离控制了局部裂缝发育程度。溶蚀作用对裂缝现今开度的大小具有重要控制作用。
3.1 区域构造运动对裂缝形成的影响
研究区所在的惠州凹陷自中生界以来经历了5期构造运动，形成了NE、NW及EW向3组断裂体系。通过地震极大似然体沿层切片技术，刻画了潜山裂缝的平面展布特征，结果表明，惠州油田潜山发育的3组裂缝体系与3组断裂体系走向基本一致（图5）。
图 5. 惠州油田潜山裂缝体系分布模式Figure 5. Fracture distribution pattern of buried hill reservoir in the Huizhou Oilfield中生代燕山期，惠州凹陷处于俯冲陆缘弧的挤压环境，广泛发育NE与NW向先存断裂，这些压性断裂体系为潜山储层网状裂缝的形成奠定了重要基础[20-22]。早、晚白垩世之交，惠州凹陷发生快速隆升，基底内发育NWW-NW向逆冲断裂体系，与之伴生形成NW向裂缝体系。晚白垩世早期，惠州凹陷处于弧后地区伸展环境，主要发育NEE向伸展断裂体系，是研究区EW向裂缝体系形成的主要时期。晚白垩世晚期，凹陷受到SE和NW方向的挤压隆升，形成了NEE向逆冲构造体系，为NE向裂缝体系的形成提供了动力基础。新生代时期，整个珠江口盆地经历了多幕裂陷作用及南海扩张运动，使早期的3组断裂体系持续活化，并对已有裂缝体系进行改造，是决定潜山最终裂缝发育程度的关键时期。
3.2 岩石类型对裂缝形成的影响
岩石中石英、长石等脆性矿物含量越高，脆性越好，越易于形成裂缝，而黑云母、角闪石等矿物含量越高，岩石塑性越好，越不利于裂缝形成[23-26]。惠州油田潜山发育花岗岩、闪长岩、构造片岩及玄武岩4类岩石，为了明确岩性与裂缝发育的关系，基于研究区3口井成像测井及岩石薄片鉴定资料，统计了4类岩石主要矿物含量及裂缝发育密度（表1）。结果表明，花岗岩、闪长岩中的长石、石英含量较高，脆性好，其裂缝密度明显大于中基性喷出岩。研究区4种主要类型岩石的裂缝发育程度从高到低依次为花岗岩、闪长岩、构造片岩和玄武岩，其中，花岗岩裂缝发育密度最大，是最有利于形成裂缝的岩石类型，平均裂缝密度约4.8条/m；闪长岩裂缝发育程度中等，是次一级的有利于成缝的岩性；构造片岩长英质含量相对低，而角闪石等暗色矿物含量相对高，岩石脆性比侵入岩差，平均裂缝发育密度约1.7条/m。玄武岩属于基性火山岩，石英含量相对低，且主要分布于潜山内幕带深部，裂缝发育密度相对低，平均仅约0.8条/m。
表 1. 不同类型岩石平均裂缝密度与主要矿物含量Table 1. Average fracture density and main mineral content of different types of rocks岩石类型 主要矿物体积含量/% 裂缝平均密度
/（条/m）石英 长石 角闪石 花岗岩 25 62 2 4.9 闪长岩 9 29 28 4.6 构造片岩 7 16 47 1.7 玄武岩 7 12 49 0.6 | Show Table
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3.3 断层距离对裂缝形成的影响
惠州油田潜山油气藏发育3条边界断层及2条油藏内部的次级断层。统计分析潜山内钻遇断层的各井裂缝密度及其与断层距离，结果表明，裂缝发育密度与距断层的距离具有明显的负相关性。即在距断层面一定距离范围内，越靠近断层面，构造缝发育密度越大，反之则裂缝密度逐渐减小，超过这一距离范围，裂缝发育密度则不再随着距断层距离的增加而变化。同时，不同规模的断层对裂缝发育范围控制程度不同。潜山南部的控圈大断裂对断面150 m范围内的裂缝发育程度具有明显控制作用（图6a），而油藏内部次级断层对裂缝发育的影响范围约为距断面80 m（图6b）。惠州油田潜山发育的2组主要裂缝走向与区域主要断裂体系走向基本一致，说明断裂系统是惠州油田潜山构造缝发育的主控因素，尤其是以构造缝为主的潜山内幕带，其裂缝的发育程度完全受断层控制。多期次构造运动引起断层持续活动，既能不断形成新的裂缝，也使早期被充填的裂缝再次破裂开启[27-29]。
3.4 流体作用对裂缝形成的影响
古潜山在形成演化过程中普遍发生风化淋滤，而溶蚀作用与古地貌特征密切相关，古地貌的高低直接影响淋滤溶蚀作用的强度[30-31]。统计惠州油田潜山平面不同位置、纵向不同深度成像测井识别的溶蚀缝密度数据表明，相对古地貌高度与溶蚀缝密度具有正相关关系，相对古地貌高部位溶蚀缝发育程度明显好于低部位，相对古地貌高部位几乎所有裂缝都有不同程度的溶蚀现象，溶蚀缝密度最大可达6条/m，平均溶蚀缝密度约4条/m，而构造低部位溶蚀缝发育密度仅约1.5条/m。纵向上溶蚀作用主要在风化带发育，内幕带埋深较大，流体无法进入，基本不发育溶蚀缝（图7）。
4. 裂缝发育优势区预测
前述研究表明，惠州油田潜山裂缝发育密度与距断层距离、相对古地貌高度及岩石类型具有较好的相关性。据此，采用多元线性回归方法得到不同类型岩石的裂缝发育密度与断层距离、相对古地貌高度的关系式，并运用地质模型计算得到单一地质因素控制下的裂缝发育概率体。在此基础上，采用多元信息概率融合方法（公式1）将单一信息控制的裂缝发育条件概率体融合为综合裂缝发育概率[32]，从而预测潜山风化带不同部位裂缝发育概率。
P{C|K,S}=1−P{C}P{C}1−P{C}P{C}+1−P{C|K}P{C|K}⋅1−P{C|S}P{C|S} (1) 式中：
P{C|K,S} 为裂缝发育综合概率；P{C} 为裂缝发育先验概率，本区取值0.25；P{C|K} 为断层控制下的裂缝发育概率；P{C|S} 为古地貌控制下的裂缝发育概率。根据裂缝发育的概率高低，可将惠州油田潜山风化带划分为4类裂缝优势发育区（图8）。Ⅰ类区域裂缝发育综合概率＞0.8，主要为构造高部位断层附近区域，该区域裂缝主要受断层及溶蚀作用控制，岩性对裂缝发育的控制作用不明显；Ⅱ类区域裂缝发育综合概率介于0.5～0.8，主要为构造高部位距离断层80 m以外的花岗岩体，该区域断层作用相对较弱，但溶蚀作用强烈，早期被充填的裂缝受溶蚀作用改造再次打开形成有效缝；Ⅲ类区域为裂缝发育综合概率介于0.3～0.5的区域，为构造低部位距离断层150 m范围以外的花岗岩体；Ⅳ类区域裂缝发育综合概率＜0.3，为裂缝不发育区，主要分布在构造低部位远离断层、以基性喷出岩为主的区域。
图 8. 潜山风化带裂缝发育优势区预测Figure 8. Prediction of dominant zone of fracture development in the weathering zone of buried hill统计惠州油田4口钻遇潜山的探井含油气性显示，处于Ⅱ类裂缝发育区的HZ-1井及Ⅰ类裂缝发育区的HZ-3井测试日产气均超过30万m3/d，表现出较高的产能；处于Ⅳ类裂缝发育区的HZ-2井和HZ-4井未钻遇风化带，HZ-2井测试日产油＜10 m3/d，HZ-4井钻遇干层。单井测试产能与预测裂缝发育优势区具有较好的一致性，说明研究结果具有较高的可靠性。
5. 结论
（1）惠州油田潜山发育构造缝、溶蚀缝及成岩缝3类裂缝。其中，构造缝在研究区广泛发育；溶蚀缝主要分布在潜山风化带构造高部位及中、低部位浅层，内幕带基本未见裂缝溶蚀；成岩缝为相对孤立的裂缝，对储层物性贡献意义不大。
（2）惠州油田潜山裂缝的发育受区域构造运动、岩性、断层及流体作用共同控制。构造作用是潜山裂缝发育的主要控制因素，岩性是次要控制因素，断层控制局部裂缝发育，流体作用控制现今裂缝宽度。
（3）惠州油田潜山风化带可划分为4类裂缝发育区。Ⅰ类区域主要为构造高部位断层附近150 m范围内的花岗岩发育区；Ⅱ类区域为断层附近150 m范围内的闪长岩及构造片岩发育区；Ⅲ类区域为距离断层150 m范围外的花岗岩体；Ⅳ类区域为构造底部位远离断层的闪长岩、构造片及玄武岩体。
（4）潜山油气藏的开发应优先动用Ⅰ类、Ⅱ类区域储量，Ⅲ类区域可作为开发中后期的挖潜目标，Ⅳ类区域裂缝发育程度较低，应尽量避免在该区域部署开发井。
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表 1 不同类型岩石平均裂缝密度与主要矿物含量
Table 1. Average fracture density and main mineral content of different types of rocks
岩石类型 主要矿物体积含量/% 裂缝平均密度
/（条/m）石英 长石 角闪石 花岗岩 25 62 2 4.9 闪长岩 9 29 28 4.6 构造片岩 7 16 47 1.7 玄武岩 7 12 49 0.6
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