辽河盆地是典型的大陆裂谷型盆地[1-3]，新生代以来在构造运动影响下发生了多期岩浆活动，形成了多套叠置、巨厚的火山岩层[4-6]。1971年在欧利坨子地区的粗面岩中发现了工业油流，随着勘探开发工作的不断深入，在热河台、欧利坨子以及黄沙坨油田上报了近4000×104t的探明石油地质储量，显示了粗面岩油藏的巨大勘探潜力[7]。多年勘探开发实践表明，裂缝是决定粗面岩能否成为储层的重要因素[8]，控制着油气藏的形成和分布，但由于研究区粗面岩发育多种不同类型的裂缝，而且成缝控制因素不清，制约了粗面岩油藏的进一步勘探和开发，所以研究粗面岩裂缝发育特征及控制因素对深化油气勘探开发工作具有重要意义。调研表明，国内外其他地区目前尚未发现类似于研究区这种大规模、巨厚层状的粗面岩[9]，缺少可以参考的文献及研究成果；而且研究区粗面岩形成于水下环境，具有一定的特殊性，形成于陆上环境的火山岩裂缝研究实例对于研究区粗面岩裂缝研究的指导作用有限。为此，基于粗面岩岩心、薄片以及成像测井等资料，对研究区粗面岩裂缝类型、发育特征，以及控制因素进行了分析，并结合钻井资料进行验证。本文旨在通过对辽河盆地欧利坨子地区粗面岩裂缝发育特征以及成缝控制因素等问题进行研究，为该区油气勘探开发工作提供指导，同时也期望能为其他地区的火山岩油气藏研究提供借鉴。该研究对于丰富火山岩储层的理论研究以及指导粗面岩油气藏勘探具有一定意义。
1 区域地质概况欧利坨子地区位于辽河盆地东部凹陷中段，为一个呈北东向延伸的狭长条带（图 1）。现今构造格局主要形成于古近纪，为典型的正花状构造，受郯庐断裂带发育演化的影响，研究区经历了多期构造运动，形成了正逆断层相间发育的复杂断裂系统。区内基底为中生界陆相碎屑岩、泥岩夹火山岩，钻井资料揭示新生代地层自下而上依次为房身泡组、沙河街组沙三段、沙一段、东营组、馆陶组、明化镇组及第四系，整体缺失沙四段和沙二段[10]。在沙三段沉积时期，由于拉张作用使区内主干断层活动加剧，盆地快速断陷，岩浆沿着界西断层、欧利坨子断层等深大断层向上运移，在主干断裂附近的薄弱处溢出地表，并流向董家岗断层与界西断层之间的低洼地带沉积、冷凝形成大规模粗面岩以及少量玄武岩。由于多期岩浆活动形成的粗面岩相互叠置，从而形成了巨厚的粗面岩体[11-12]。
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图 1 欧利坨子地区区域构造位置图 |
通过对粗面岩岩心、薄片、铸体、扫描电镜等资料进行分析，根据裂缝成因，研究区粗面岩主要发育炸裂缝、收缩缝、溶蚀缝以及构造缝等4种类型的裂缝。其中炸裂缝、收缩缝属于原生裂缝，构造缝、溶蚀缝属于次生裂缝。
炸裂缝在火山岩中较为常见，它是岩浆在喷发时由于岩浆上拱力、爆发力等引起的气液爆炸作用而形成的裂缝[13-16]。由图 2a可以看出研究区粗面岩炸裂缝成群产出，裂缝密度大、宽度小、延伸短、发育方向多，不具有规律性。
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图 2 欧利坨子地区粗面岩裂缝类型（按成因） （a）炸裂缝，x28井，2945.5m；（b）收缩缝，o48井，2696.18m；（c）溶蚀缝，o29井，2223.7m；（d）构造缝，o48井，2722.64m |
收缩缝是岩浆冷凝过程中温度不均匀降低、岩浆不规则收缩形成的裂缝[17-19]，发育于矿物内部或矿物间。由于研究区粗面岩形成于水下环境，在很大程度上加剧了岩浆冷凝过程中温度降低的不均匀性，导致收缩缝极为发育。从图 2b中可以看出粗面岩收缩缝具有延伸距离较小、裂缝宽度较小、裂缝密度较大的特点，而且由于粗面岩顶、底面与水体接触，温度不均匀性最强，所以研究区粗面岩收缩缝多集中在粗面岩的顶部和底部。
由于研究区粗面岩形成于水下环境，水体沿着粗面岩形成时产生的炸裂缝和收缩缝渗流，将其中的易溶组分溶解，使原有裂缝扩大，进而形成了大量溶蚀缝[20-21]。由于水下环境形成的粗面岩遭受的溶蚀作用远远大于陆上环境，所以溶蚀缝的发育程度较高，这也是水下环境形成的粗面岩与陆上环境形成的粗面岩差别较大的地方。由图 2c可以看出，研究区粗面岩溶蚀缝具有宽度大、延伸长、切割深的特点。
构造缝是粗面岩形成以后，由于后期构造运动影响而形成的规模相对较大的裂缝[22-23]。由于区内粗面岩构造缝主要是由东营末期的走滑运动而引起的，所以具有明显的方向性，裂缝优势方位为北东向，与主干断裂发育方向基本一致。由图 2d可以看出粗面岩构造缝延伸较远、切割较深，而且分布不均匀。
2.2 裂缝发育特征通过岩心统计以及成像测井处理后的裂缝方位分析，研究区粗面岩裂缝走向表现出较强的规律性。由图 3可以看出，裂缝主要发育方位为北东向（45°±15°）和近南北向（0°±10°），其中北东走向裂缝最为发育，与主干断层走向基本一致，其次是近南北走向，而其他方位裂缝发育程度相对较差。裂缝充填物以碳酸盐为主，还可见少量的硅酸盐、绿泥石、玉髓等，裂缝充填程度以半充填为主，而大部分构造缝未被充填，很干净，说明该区裂缝大部分是有效缝。岩心和显微薄片资料表明，未充填的裂缝中具有明显的含油现象，说明裂缝有利于油气的运移和储集。
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图 3 欧利坨子地区粗面岩裂缝走向玫瑰花图 |
通过对裂缝面的中轴角（即裂缝面法线）与岩心中心线的夹角进行测量表明：粗面岩裂缝倾角主要有两组（图 4）：一组为高角度缝，倾角大于70°，高角度缝所占比例较大，主要为构造成因的剪切缝，主要方位为北东向，产状稳定，缝面平直光滑，其裂缝宽度为0.3~2mm，长度可达50cm；另一组为水平缝，倾角小于20°，裂缝宽度为0.2~2mm，延伸短，连通性好，而且分布密集。
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图 4 欧利坨子地区粗面岩裂缝倾角分布统计 |
通过对完钻井取心资料进行研究发现，研究区粗面岩裂缝平面分布极其不均匀，主要发育在以下3个区域：一是断裂密集发育的区域，整体上裂缝发育程度较高；二是主干逆断层上盘前锋带裂缝广泛发育；三是沿着主干断裂走向并距离断裂较近的条带区域裂缝发育程度较高。通过面密度、线密度、体密度三者结合的方法对粗面岩裂缝密度进行测量，结果显示，上述区域裂缝密度主要集中在30~60条/m(表 1)。
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表 1 粗面岩裂缝密度统计表 |
其中位于研究区中部的o48井平均裂缝密度最小，为23条/m；而位于断裂密集发育区域的o26井裂缝密度最大，高达89条/m，平均可达41条/m；在其他位置的粗面岩基本不发育裂缝或者裂缝发育程度较低。
3 裂缝形成与演化结合欧利坨子地区构造发育史[24]研究认为，在粗面岩形成以后研究区仅经历了东营末期的走滑构造运动，而中新世以来构造运动强度减弱，影响范围有限，深部断裂活动趋于停止，对粗面岩裂缝没有影响。所以走滑运动控制了欧利坨子地区粗面岩裂缝发育的位置、方位以及产状力学性质等。综合考虑裂缝类型及其发育特征，研究区粗面岩裂缝形成和演化主要包括以下3个阶段：一是原生裂缝形成阶段。沙三期粗面岩岩浆溢出地表，发生气液爆炸形成炸裂缝，随后在冷凝过程中由于温度不均匀降低导致岩浆不规则收缩，在岩层顶、底面附近产生大量收缩缝。二是溶蚀缝形成阶段。由于研究区粗面岩是在水下环境喷发溢流而形成的，水体沿着岩层顶、底面附近的原生裂缝渗流并将其中的易溶组分溶解，从而使原有裂缝加深、扩宽形成溶蚀缝。三是构造缝形成阶段。粗面岩被埋藏后，东营末期发生北东向的右旋走滑运动[25]，压扭作用使粗面岩发生大规模的断裂和破碎作用，在走滑主干断裂附近等应力释放区形成了大量与走滑运动方向一致的北东向构造缝。
4 裂缝发育控制因素 4.1 构造位置通过对粗面岩裂缝平面分布特征进行研究认为，研究区裂缝发育程度与构造位置关系密切，构造位置是控制裂缝发育最重要的因素[26]，不同构造位置构造应力的差异性，直接导致了裂缝横向发育程度的不均匀性。研究区构造位置对裂缝发育程度的控制主要表现在以下两个方面。
4.1.1 整体上构造应力释放区裂缝发育程度高由于裂缝的产生是构造应力释放的结果，所以在构造应力释放的区域，如断裂集中发育区域、逆断层上盘前锋带等区域裂缝发育程度整体较高, 如o15井。从目前钻井资料来看，由成像测井解释的裂缝空间分布状况与断层发育程度具有较好的一致性，即在断裂集中发育的区域裂缝发育程度也随之提高。
4.1.2 局部靠近断裂的区域裂缝发育程度高在局部区域，沿着断裂走向并且紧邻断裂的条带区域裂缝发育程度较高。如位于欧利坨子断层附近的o29井、o14井以及o26井等，其裂缝密度最高达89条/m，平均可达41条/m；而远离断裂的o52井、o48井等粗面岩裂缝密度则普遍较低，分别为24条/m和23条/m（表 1）。
4.2 岩层厚度统计表明，在构造位置相同的情况下，粗面岩裂缝发育程度表现出与单层厚度的正相关性，即单层厚度越大，裂缝越发育，单层厚度过小反而不利于裂缝的形成。由图 5可以看出，当粗面岩单层厚度大于90m时可以作为储层储存油气；而当粗面岩单层厚度小于90m时，多为干层，岩心分析资料也表明其孔隙度和渗透率均较低，证明裂缝不发育或发育程度较低, 如o36井、o35-46-26井虽然位于断层附近，但是由于粗面岩厚度仅为68m，所以裂缝发育程度较低。尽管该认识与室内实验模拟结论相左，但室内实验模拟仅考虑了岩层厚度的影响，采用不同厚度的样本进行实验，而没有考虑薄层间滑动引起的应力释放效应，存在一定局限性，所以对本结论的合理性不存在影响。研究认为在相同构造应力的作用下，薄层间的层间滑动会导致构造应力的释放，从而难以形成裂缝，只有厚度达到一定值时（研究区单层厚度门槛值为90m），构造应力释放程度低，兼之粗面岩脆性较强，抗压强度中等，所以更易于形成裂缝。
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图 5 欧利坨子地区粗面岩厚度与含油性关系图 |
基于上述研究，优选欧利坨子断层、F1断层附近有利位置实施了一系列井位, 其中oq3块、o26块以及o48块钻遇粗面岩最小厚度126m，平均厚度高达200m，均获得了工业油流；而相同构造位置的o35块、o36块实施的o35-46-26等井虽然钻遇了粗面岩，但最大厚度仅为68m，测井解释以及试油结论均为干层（图 6）。可见钻探效果与上述研究认识完全符合，进一步证实了研究结论的合理性。
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图 6 欧利坨子地区粗面岩勘探成果图(Es3中顶界) |
（1）欧利坨子地区粗面岩由于形成于水下环境，所以不仅发育炸裂缝、收缩缝等火山岩裂缝，还发育大量的溶蚀缝和构造缝。但炸裂缝、收缩缝和溶蚀缝由于形成较早，多数被碳酸盐和玉髓充填，大部分为无效裂缝。构造缝多数未被充填或者部分充填，是有效缝，对油气的运移和储集起主要作用。
（2）构造位置和单层厚度是影响粗面岩裂缝发育程度最重要的两大因素，当粗面岩单层厚度大于90m并且位于断裂集中发育区域、逆断层上盘前锋带以及主干断裂附近等构造应力释放区域时，裂缝发育程度最高，是下一步勘探的有利方向。在相同条件下，粗面岩单层厚度小于90m时裂缝发育程度较低或不发育。
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