2014, Vol. 36
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火山岩油气藏目前已经成为世界油气勘探开发的一个重要领域，同时也是中国油气新增储量的重要组成部分[1-2]。火山岩储层与碳酸盐岩和碎屑岩储层相比更为致密并且非均质性更强，不同地区的火山岩储层发育条件、控制因素和分布规律存在较大差异[3-4]。火山岩的储集空间类型以后期构造裂缝最为重要，火山岩储层裂缝的发育程度将直接关系到火山岩储层的油气渗流和输导能力，对火山岩油气成藏起到至关重要的作用[5-8]。裂缝的发育特征及其主控因素的研究是分析和预测火山岩储层发育和分布规律的重要内容之一，对火山岩油气藏的勘探与开发具有重要意义。
近年来，准噶尔盆地西北缘火山岩油气勘探不断取得重大突破，先后发现了克拉玛依、白碱滩、百口泉、乌尔禾等油田。哈拉阿拉特山（简称哈山）地区位于准噶尔盆地西北缘哈-德构造带西段，石炭系是该地区主要的含油层系之一，有利勘探面积约1 000 km2，显示出良好的勘探前景。由于对哈山地区石炭系裂缝发育特征及其控制因素的认识和研究不足，在一定程度上限制了该地区石炭系火山岩油气资源的勘探与开发。本文通过钻井岩芯观察、成像测井解释分析、岩石力学实验分析及包裹体地球化学研究，综合分析石炭系裂缝的发育特征及其影响因素，探讨其与油气成藏的关系，以期为该地区石炭系火山岩油气勘探提供借鉴。
1 地质概况哈山地区位于准噶尔盆地西北缘隆起乌夏断裂带西北端，构造上属于哈-德构造带的西端，南邻玛湖凹陷（图 1）。哈山地区长约15 km，宽约10 km，北部以达尔布特断裂为界与和什托洛盖盆地相接。哈山地区自石炭纪以来经历了多期构造运动，尤其是印支期的构造运动最为重要。印支期强烈的构造应力使得石炭系向南发生大规模的推覆运动，此时石炭系同期断层附近由于应力的释放产生了大量的伴生裂缝，为哈山地区石炭系火山岩成为油气聚集的有利储层提供了必要条件。
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| 图1 哈山地区位置图 Fig. 1 Location map of Hala′alate Mountains Area |
哈山地区石炭系火山岩岩性变化较大，岩石类型多样，既存在喷发相的火山角砾岩和凝灰岩，也存在溢流相的玄武岩和安山岩，同时还存在火山沉积相的沉凝灰岩。前人研究认为石炭系火山岩储层具有原生和次生两种储集空间类型，其中次生储集空间对区内油气藏的富集意义重大[9]。多期的构造运动形成了复杂的断裂系统，伴生的大量构造裂缝，不但增加了储层的储集性能，同时较为显著地改善了储层的渗流能力。构造裂缝的发育程度对哈山地区石炭系火山岩储层的油气成藏具有重要作用。
2 裂缝发育特征 2.1 裂缝的识别裂缝的有效识别是开展地层中裂缝的类型、产状、密度及分布规律等研究的基础[10-12]。目前裂缝的识别主要可以通过钻井岩芯和成像测井等手段开展，钻井岩芯所观察到的裂缝可以为裂缝研究提供最为直观的裂缝发育特征信息，但是由于钻井取芯的局限性，利用成像测井识别手段研究裂缝的整体发育规律就显得很有必要。
本次研究中，成像测井测试作业采用了哈里伯顿公司EXCELL-2000增强型微电阻率成像测井（XRMI）系统，并利用该测井仪器获得了哈山地区5口钻井的成像测井图像。裂缝在成像测井图上主要表现为类似正弦曲线的暗色或亮色条纹。当高导缝较发育时，可以表现为多组似正弦的暗色条纹。当裂缝被高阻矿物所充填，在成像测井图上一般呈现似正弦亮色条纹[13]。
2.2 岩芯裂缝特征根据裂缝的不同成因，可划分为构造成因裂缝、非构造成因裂缝以及人工压裂裂缝[14]。哈山地区经历了海西运动、印支运动、燕山运动等多期的构造运动，尤其是印支期强烈的构造运动使得哈山地区形成推覆构造并产生复杂的断裂系统，推覆构造带来的挤压构造应力的释放使得石炭系火山岩中广泛发育裂缝。该类裂缝主要是挤压应力条件下形成的剪裂缝（图 2），缝面一般较平直且有时见擦痕或阶步。另外还发育受多期次不同方向挤压应力形成的网状缝（图 2）。总体看来，哈山地区石炭系火山岩普遍发育构造裂缝，且主要为高角度缝，其中火山角砾岩中裂缝较为发育。
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| 图2 哈山石炭系岩芯裂缝发育特征 Fig. 2 The feature of drilling core′s fracture of Carboniferous in Hala′alate Mountains Area |
依据裂缝倾角相对大小，可将裂缝分为水平缝（ < 10°）、低角度斜交缝（10°~40°）、高角度斜交缝（40°~70°）和垂直缝（ > 70°）几类。
从裂缝倾角频率分布统计情况看，该区HS1井、HQ3井、HQ101井以高角度斜交缝为主，HS2井、HQ6井以低角度裂缝为主（图 3）。总体而言，哈山地区构造裂缝以高角度裂缝为主，低斜缝、垂直缝为辅。
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| 图3 哈山石炭系裂缝倾角分布频率直方图 Fig. 3 Fracture dip′s frequency distribution histograms of Carboniferous in Hala′alate Mountains Area |
从该区5口钻井（HS1、HS2、HQ3、HQ6、HQ101）的裂缝倾向统计结果来看，HQ101井和HS2井裂缝倾向的优势方位为南东向，HQ3井裂缝的优势方位为北西向，而HS1井和HQ6井存在南东向和北西向两个优势倾向。总体上看，哈山地区成像测井上拾取的裂缝发育的优势倾向方位为北西—南东向（图 4），裂缝的这一产状特征与该地区形成石炭系推覆体形成时的古构造应力方向是一致的[15]。
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| 图4 哈山地区石炭系裂缝倾向发育特征 Fig. 4 The feature of fractures′ trend of Carboniferous in Hala′alate Mountains Area |
裂缝密度是指单位地层深度上发育的裂缝条数，是一个反映裂缝发育程度的重要参数。
从成像测井裂缝密度统计结果（图 5）可以看出，HS1井和HS2井附近总体裂缝发育密度最大，分别达到0.46条/m和0.50条/m；而HQ3井、HQ6井、HQ101井附近总体裂缝发育密度相对较小，最大发育密度仅为0.18条/m。另外，从这5口钻井平面分布来看，相对于研究区东南部，西北部地区火山岩张裂缝发育密度更大，裂缝密度具有至西北向南东方向逐渐降低的趋势，造成这一发育特征的主要原因是哈山地区长期受到来自北西向的较强烈的构造应力所致，而该构造应力主要来自于准噶尔—吐鲁番板块向哈萨克斯坦板块的俯冲、碰撞作用[16]。
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| 图5 各井总体裂缝密度直方图 Fig. 5 The total fracture density histogram of each well |
另外，哈山地区成像测井资料的统计也表明（图 6），该区石炭系存在流体输导能力较好的高导缝，该类裂缝与总体裂缝发育分布特征具有一致性，并且发育密度显著高于高阻缝，这也预示着石炭系火山岩储层构造裂缝整体具有较好的流体输导能力。
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| 图6 各井高导/高阻裂缝统计直方图 Fig. 6 The total(high conductivity/high resistance)fracture density histogram of each well |
通过哈山地区8口钻井的岩芯观察，发现部分构造裂缝存在充填现象，其中充填物以方解石为主，未被充填的裂缝中可见原油或沥青，并存在早期充填方解石脉的溶蚀现象，溶孔一般可见沥青（表 1）。通过大量的岩芯观察和对比，不同产状的裂缝的充填程度还存在明显的差异性。网状缝、低角度缝几乎被方解石脉完全充填，而裂缝宽度较大的高角度缝充填程度低，主要是未充填或方解石半充填。此外，裂缝充填次序上具有早期方解石充填，晚期原油或沥青充填的特征，特别是在个别岩芯上可见裂缝早期充填的方解石脉受到溶蚀作用，形成溶蚀孔缝中充填有机质。裂缝的充填次序特征充分说明了哈山地区石炭系油气为较晚一期充填物。由于方解石早期充填程度低的构造裂缝可以为后期油气运移和储集提供有利的通道和空间，因此这一类构造裂缝往往具有较好的油气显示，并且对于哈山地区石炭系油气成藏具有较大意义。
| 表1 哈山地区石炭系裂缝充填情况 Table 1 The fractures′ filling situation of Carboniferous in Hala′alate Mountains Area |
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影响构造裂缝发育的因素众多，其中岩性就是一个极为重要的内在因素。岩性因素主要包括岩石的组分、粒度大小、胶结状况等。岩性直接影响着岩石的力学性质，如抗压强度、抗张强度、抗剪强度等，也就决定了岩石断裂破坏的难易程度[17]。因此，在相同的构造应力场条件下，裂缝的发育程度在不同岩性的岩石中存在一定差异性。
为了探讨哈山地区石炭系岩石的力学特征及其对构造裂缝形成的影响，本次研究采用美国“ MTS岩石物理参数测试系统”对区内石炭系储层火山岩的5件岩石样品进行三轴岩石力学测试，并获得了相关的测试结果（表 2）以及应力-应变关系。
| 表2 哈山地区石炭系火山岩三轴岩石力学参数测试结果 Table 2 Triaxial rock mechanics parameter test results of Carboniferous volcanic in Hala′alate Mountains Area |
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石炭系火山岩各岩性的应力-应变关系（图 7）表明，区内石炭系火山岩各岩性的抗压强度从大到小依次为：凝灰岩 > 火山角砾岩 > 玄武岩，即在挤压应力强度相同的条件下，玄武岩和火山角砾岩的造缝能力要强于凝灰岩。
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| 图7 哈山石炭系3种不同岩性的应力-应变关系图 Fig. 7 The stress-strain relationships between three different lithologies of Carboniferous in Hala′alate Mountains Area |
构造裂缝的发育程度与构造位置关系密切，构造位置是控制储层裂缝发育程度的重要外在因素。由于不同构造位置的应力释放情况并不一致，从而使得不同位置的裂缝发育程度也相差很大。一般认为，构造曲率较大的位置是构造裂缝较为发育的部位，即构造变形越大，曲率越高，裂缝发育程度也越高[18-20]。
哈山研究区石炭系裂缝的发育程度与该区的断层分布密切相关，断层通过控制其附近局部构造应力的分布来影响其派生裂缝的分布。靠近主干断层裂缝发育明显高于远离断层井段，并且随着与主干断层距离的逐渐增加，裂缝发育密度呈逐渐降低趋势（图 8），在构造作用比较强烈的部位，构造作用对裂缝发育的控制作用可能处于主导地位，岩性等内在因素可能处于次要地位。这一点也可以从HS2井裂缝纵向发育特征中得以验证（图 8）。
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| 图8 HS2井构造位置与裂缝密度对应关系图 Fig. 8 Structural position and fracture density corresponding graph of Well HS2 |
实际地质条件下，不同岩性的地层之间都会存在岩性界面，两个相邻的岩性界面之间的垂直厚度即是岩层厚度。前人研究表明，岩层厚度的大小也会对裂缝的发育程度起到一定的控制作用，具体表现为裂缝的发育及分布会受到岩层厚度的限制而终止于岩性界面。岩层厚度对于构造裂缝发育的影响主要表现在两个方面：（1）岩层厚度明显控制构造裂缝发育程度，厚度越薄，岩层内的构造裂缝越发育；（2）相同岩层厚度条件下，岩石颗粒越细小，层内构造裂缝越发育[21]。因此，相同岩性条件下，单层岩层厚度越薄，岩石颗粒越细小、岩层内发育的构造裂缝就越密集。
区内实际的岩芯和薄片观察表明，哈山地区石炭系火山岩较为致密，层理不可见，岩石成层性差，岩层厚度对于哈山地区石炭系构造裂缝的发育影响作用不大。
4 裂缝与油气成藏关系 4.1 裂缝发育特征对储层控制作用根据研究区钻井的岩芯观察和薄片镜下观察结果来看，石炭系火山岩中主要发育各种类型的次生溶蚀孔隙及构造裂缝，原生孔隙（气孔、砾间孔、冷凝收缩纹等）虽有发育但数量有限。薄片镜下观察与各种类型的次生溶蚀孔隙发育成因的分析，发现溶蚀孔隙附近往往都伴生有构造裂缝，广泛存在的构造裂缝起到重要的沟通作用进而形成溶蚀孔隙（图 9）。因此认为火山岩储层次生溶蚀孔隙的形成也主要受到构造裂缝的影响。可见，构造裂缝对改善该区火山岩储层物性意义重大。
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| 图9 石炭系火山岩中的溶孔与裂缝发育特征 Fig. 9 The characteristics of dissolved pore and fractures of Carboniferous volcanic |
除了控制储层的发育以外，裂缝的发育期次和演化过程与油气成藏期的匹配关系决定了其有效性及含油性。
区内石炭系火山岩构造裂缝存在多种不同产状，并且各种产状类型裂缝的充填程度也存在明显差异。大量岩芯及普通薄片观察发现，其中一部分充填程度高的低角度缝、网状缝中几乎没有见到任何油气显示，而另一部分充填程度较低或没有充填的高角度缝中却可以见到较好的油气显示。另外，通过裂缝充填物包裹体薄片观察同样可以发现，类似的油气显示特征，即充填程度高的低角度缝或网状缝的样品的包裹体薄片鲜有油气荧光显示，少量方解石裂隙中存在一定荧光显示也是较差的，而方解石脉半充填或存在溶蚀现象的高角度构造缝样品的包裹体薄片却具有较好的油气显示，并且在充填方解石脉的裂隙中可以观察到丰富的棕色或褐色的次生油气包裹体（图 10）。从裂缝充填与油气充注时序所呈现出的先后关系来看，裂缝中充填的方解石脉的形成时间要早于石炭系火山岩的主要油气充注时间。那些形成时间晚、充填程度低、发育程度高的构造裂缝才是油气充注的有利空间。
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| 图10 裂缝充填物包裹体地球化学特征 Fig. 10 The geochemical characteristics of the fractures′ filler |
前人研究认为，准西北缘地区石炭系油气藏主要来自于相邻的玛湖凹陷的二叠系烃源岩[22-25]。哈山地区与准西北缘其他地区类似，也具备相似的油气源条件，石炭系油藏的油气源也主要来自于玛湖凹陷[26]，据此可以推测，哈山地区石炭系的油气成藏期次也应该与准西北缘乌夏地区相似。通过对哈山地区石炭系裂缝充填物包裹体流体均一温度的测定，发现油气包裹体的均一温度存在3个主要的温度区间，即60~85 ℃、90~130 ℃和 > 130 ℃，这一分析结果与前人的研究较为一致（图 11）。文献[27]利用储层流体包裹体均一温度分析乌夏地区二叠系和三叠系的油气成藏期次时，也测定了3个温度区间（75~80 ℃，95~105 ℃， > 120 ℃）（图 11a），分别代表了二叠纪末、三叠纪末、白垩纪末三期油气充注，其中三叠纪末是最主要的充注时期。这一点也进一步表明了哈山地区石炭系火山岩曾经历过3期油气充注过程。
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| 图11 流体包裹体均一温度分布频率直方图 Fig. 11 The distribution of fluid inclusion homogenization temperature in the frequency histogram |
由此可见，区内充填程度高的低角度缝、网状缝形成时间应该要早于油气的充注时间即二叠纪末期，从而与油气成藏时期不匹配，属于无效裂缝，因而油气显示差。而伴随印支期大规模逆冲推覆而形成、充填程度低、油气显示级别高的高角度缝形成时间应该晚于二叠纪末并早于三叠纪末。这一时期主要以形成高角度缝为主，与主要油气充注时期相匹配，有利于油气成藏。该类裂缝对于哈山地区石炭系油气成藏意义重大，同时也是该区石炭系的重点勘探目标。
5 结论（1） 哈山地区石炭系广泛发育构造裂缝，其中低角度缝和网状缝一般被方解石完全充填，高角度缝中半充填方解石或未见充填物，并在未充填的裂缝中见较好油气显示。成像测井统计结果表明，石炭系裂缝以高导缝为主，倾向主要为北西—南东向，倾角以高角度为主，低角度、垂直角度为辅。主要发育半充填和未充填的高角度高导缝，这使得哈山地区石炭系火山岩具有较好的流体输导能力。
（2） 影响哈山地区石炭系火山岩裂缝发育的因素主要为火山岩岩性及所处的构造位置。通过对石炭系不同岩性进行的岩石力学性质测试，发现火山角砾岩和玄武岩最易形成构造裂缝。构造裂缝受控于断裂，断裂附近出现局部密集发育段。
（3） 岩芯、薄片观察和包裹体综合分析认为，石炭系火山岩的油气充注主要时期为三叠纪末，与其充注时间相匹配的构造缝主要发育于二叠纪末至三叠纪末，该期裂缝具有充填程度低、发育程度高的特点，是油气成藏有效裂缝，对于哈山石炭系油气成藏至关重要，是石炭系油气勘探的主要目标。
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