变质岩的储集类型多样，在已发现的变质岩储层中，储层的主控因素为裂缝系统，但是真正储集油气的空间为构造运动造成的破碎孔隙以及微裂缝、微孔隙，构造裂缝控制油气在变质岩潜山中的分布，是油气渗流的主要通道。一个相互连通的裂缝系统即为一个储集体，裂缝系统的大小和规模决定了变质岩储集体的连续性，裂缝对于变质岩储层能否高产起着决定性作用。
一、变质岩储层裂缝成因类型及特征
1.变质岩储集空间类型及特征
变质岩储层无论在岩石类型、储集条件还是储集结构演化等方面均与碎屑岩储层有较大差别，主要表现在3个方面:
1)我国变质岩油气藏储层主要是太古宙的区域变质岩和混合岩类，裂缝发育和经过碎裂化的刚性变质岩储集体性能最佳，主要分布在断裂带及其附近，受构造断裂带控制显著。
2)变质岩油气藏的储集空间类型是裂缝、粒间孔、晶间孔、溶蚀孔和喀斯特溶孔、溶洞，其中，构造裂缝-溶蚀孔隙是最佳的储集空间类型。
3)变质岩古潜山储层具有很强的非均质性，纵向上可以划分为风化破碎带、裂缝发育带和致密带。储层主要分布在风化破碎带和裂缝发育带中，而后者往往比前者具有更好的储集性能，更易获得高产。
按成因来分，变质岩储层的储集空间可分为结晶成因、构造成因、物理风化成因和化学淋溶成因，这4类成因的储集空间可形成不同的孔隙和裂缝类型(表8-4)。
表8-4 变质岩储集空间类型
(据刘孟慧，1994，有修改)
2.变质岩裂缝类型及特征
按成因可将变质岩裂缝分为4种类型，即风化淋滤裂缝、层间裂缝、构造裂缝和微裂缝。
(1)风化淋滤裂缝
由于变质岩古潜山长期暴露地表遭受风化剥蚀，从而导致风化裂缝的形成，其分布杂乱无章，纵横交错，形状奇异，常被充填。这类裂缝对变质岩储层物性影响不大，多分布于潜山顶部。如鸭儿峡志留系变质岩钻井揭示，厚度一般小于30m，岩心容易破碎，破碎率约10～120块/m(表8-5)。
表8-5 鸭儿峡志留系变质岩风化裂缝厚度
(2)层间裂缝
层间裂缝是因岩层受力后层面发生错动而形成，其特征是裂缝延伸方向与层面相平行，在岩心薄片中均可见到这类平行或微细层理发育的层间裂缝。
(3)构造裂缝
构造裂缝是岩石在构造应力作用下破裂而成。这类裂缝规模大，影响深，方向性强，成组出现，是油气运移的有利通道和主要的储集空间。按产状可分为斜交、垂直和水平等。如鸭儿峡志留系变质岩潜山以斜交裂缝为主，垂直裂缝次之，水平裂缝发育最差(表8-6)。
表8-6 鸭儿峡志留系变质岩构造裂缝特征
(4)微裂缝
微裂缝须借助显微镜才可清晰识别，其开度一般小于40μm，而大于毛细管孔隙半径，这类裂缝的存在大大改善了储集层的整体性能，对油气的储集起重要作用。微裂缝又可分为矿物晶内缝和矿物晶间缝两类，晶内缝的发育程度远远大于晶间缝，晶内缝的面密度可达10～15mm/mm2，而晶间缝平均面密度为0.03mm/mm2。
矿物晶内缝，主要分布在长石、石英、黑云母等矿物晶体内，不穿过晶体边界。按其性质及成因，可分为解理缝和裂纹缝两种。解理缝主要发育于长石类及黑云母矿物中;裂纹缝主要发育于石英、长石等矿物中，与解理缝相比，这类裂缝分布不规则，不平直，无等距性。
矿物晶间缝分布不受矿物晶体限制，一般绕过或切过矿物颗粒延伸，表现为张性裂缝，其延伸较远，开度较大。根据分布特征，矿物晶间缝又可分为3种:①混合花岗岩与黑云母斜长片麻岩中不受矿物成分限制的裂缝;②黑云母斜长片麻岩浅色矿物中，严格受浅色矿物限制的裂缝，垂直片麻理方向，类似于沉积岩中受岩性控制且与层面垂直的裂缝;③少量分布在黑云母斜长片麻岩中与片麻理方向平行的裂缝，它们一般分布在浅色矿物与暗色矿物的界面上，沿片麻理方向延伸，类似于沉积岩中沿层面分布的顺层裂缝。
3.裂缝系统的形成期次
以辽河坳陷大民屯凹陷曹台变质岩潜山为例，通过岩心观察、薄片鉴定、阴极发光分析等，结合充填于裂缝中的方解石中碳、氧同位素组成分析，傅强等(2003)认为曹台潜山变质岩发育多期次裂缝，具有充填和后期改造的显著特征，至少存在3期重要裂缝系统(图8-2)。这3期裂缝系统有3种切割关系:早期(Ⅰ)构造碎裂缝被中期(Ⅱ)、晚期(Ⅲ)裂缝切割;中期(Ⅱ)剪切构造缝被晚期(Ⅲ)裂缝切割;晚期(Ⅲ)裂缝切割早期(Ⅰ)、中期(Ⅱ)的裂缝(表8-7)。
图8-2 曹台变质岩潜山储集层裂缝发育模式
表8-7 曹台变质岩潜山不同期次裂缝特征
4.变质岩裂缝后期充填特征
变质岩储集层有效裂缝是现今保存下来的裂缝，后期充填作用对有效裂缝的影响较大，主要充填物包括方解石、绿泥石、石英、铁质、原岩细碎屑及泥质等。
在岩石薄片及扫描电镜下可见到一部分裂缝被绿泥石充填(图8-3a);构造破碎带及风化壳原岩破碎缝隙及碎裂颗粒粒间被原岩细碎屑及泥质充填(图8-3b)，有些碎屑物质重结晶、硅化，堵塞储集空间，使储集性能变差。方解石及长石主要充填于张开裂缝及长石等矿物解理缝中(图8-3c);石英充填在一些裂缝中，通过石英晶体的部位往往发生硅化弥合(图8-3d);铁质充填是黄铁矿充填于岩石受应力作用被压碎形成的缝隙中，使其不具储集性。
图8-3 辽河变质岩裂缝充填特征
二、变质岩储层裂缝发育的控制因素
变质岩储层储集空间的形成和演化主要受控于变质、构造、古物理风化和化学淋滤等作用以及矿物充填及原岩性质等(高世臣等，2008)，其中构造、古物理风化、化学淋滤等都对储集空间的形成起着积极作用。同时，变质岩储集层经历了成岩、前埋藏、抬升剥蚀、褶皱断裂、表生、后埋藏多个阶段(图8-4)，构造、表生期风化淋滤和油气充注期有机酸溶解等作用，对变质岩储集层的形成与演化具有重要影响。
图8-4 辽河坳陷太古宇变质岩储集层演化
1.变质作用
原岩在遭受复杂变质作用过程中，由于重结晶、变质结晶、变质分异和交代等作用，使原岩矿物成分、结构、构造发生一系列变化，并有孔隙和裂缝形成。在超变质过程中，随着液体物质的参与及大部分固态岩石的重熔，有结晶和碎裂成因的孔、缝液体相物质渗入、充填，最后结晶，而堵塞了裂缝。
2.构造作用
构造作用是变质岩有效储集空间形成的有利因素。在地壳浅层，由于温度和压力较低，许多岩石具有较大的脆性，当应力超过一定限度时，就会发生碎裂变质。碎裂强度主要取决于应力性质、强度、作用时间长短等因素。碎裂对油气运移具有十分重要的影响。若是受作用强度较大的压扭性应力作用，就会使岩石碎粒化或糜棱化，甚至重结晶，引起裂缝堵塞，影响油气移聚;在张应力作用下，碎裂使岩石呈角砾结构和碎裂结构，成为油气储集的有利场所和运移的良好通道。碎裂变质所形成的裂缝不仅可以形成储集空间，更重要的是能形成酸性水溶液和油气运移的通道，并与其他储集体连通，形成高产稳产油气藏。
控制裂缝发育的因素，取决于作用力性质、强弱、受力次数和变形环境。主要有下列几种情况:①裂缝在正向构造上的分布与褶皱类型有关。国内、外研究资料表明，对狭长形背斜，裂缝沿长轴分布，高点处最为发育，以纵向张性缝为主，也有层间脱空;不对称背斜，纵向张性裂缝发育带偏向侧翼，横向张性缝则发育在轴向扭曲处外侧;短轴背斜裂缝沿轴向分布，高点最发育;穹窿背斜裂缝集中在顶部。不管构造部位和地层倾角大小怎样，大部分裂缝倾角都集中在60°～90°之间。②裂缝在负向构造上的分布。向斜中裂缝的分布规律恰好与背斜相反，背斜的上部以张扭缝为主，下部以压扭缝为主，而向斜上部压扭缝发育，下部张扭缝发育。③断层对裂缝的控制。由于断层的位移和滑动，就会在紧靠断层面一带产生新的裂缝，此类裂缝对区域性裂缝不产生重大影响，主要是在离断层不远的数十米或数百米地带内，产生新的共轭羽状裂缝，一般是离断层越近，裂缝密度越大。断层影响的范围主要与断层性质和断距有关，一般说来扭性断层比张性断层影响范围大，断距大者影响范围大(图8-5)。
图8-5 鸭儿峡志留系变质岩油藏开口裂缝、含油裂缝与断层关系
3.风化淋滤作用
风化淋滤作用是指地质历史时期各种外来地质营力对古地貌山施加的一系列物理作用和化学作用。其中的淋滤溶蚀作用会使岩石裂缝开度加大，增加了裂缝的有效性。这种作用仅发生在重力渗流带和水平溶蚀带，并受当时地貌山相对高差及潜水面深度的控制，因此影响程度有限。由于水的不断流动，这两个带中相对易溶解于水的矿物质不断地从裂缝中被带走，并在水平溶蚀带以下的滞流带的裂缝中结晶沉淀。所以在滞流带及其以下的裂缝易被矿物质填充，从而减小裂缝的有效性。
风化作用对于变质岩形成孔隙和裂缝起到了积极的推动作用，长期裸露地表的岩石经物理风化作用遭受剥蚀和破碎，特别是构造裂缝发育部位和抗力性差的岩石中，物理风化作用更显著;潜山顶部和平缓的山坡上易形成厚度很大的岩屑型风化壳，在风化壳的残余物中发育大量储集空间。
化学淋滤作用是继构造作用和物理风化作用之后，又一有利于储集空间发育的重要因素。淋滤的结果是加大了裂缝的开度，使储层原始的孔隙度、渗透率得到改善，有利于油气的储集和运移。
4.矿物充填作用
岩石中形成的储集空间常被充填，对岩石储油物性产生不利影响，使岩石的孔隙度和渗透率变差，且不同环境下形成的变质岩潜山的充填特征不同，在干旱环境下容易形成碳酸盐充填，如鸭儿峡变质岩储集层;潮湿环境中易形成方解石充填，如辽河变质岩储集层。
从鸭儿峡志留系变质岩岩心及裂缝中不同的充填物质和交切关系可看出，该区裂缝为多期形成，充填物质的先后顺序依次为硅质—石膏或碳酸盐—含铁泥土，及各种薄膜充填或无充填的开口裂缝，这一顺序与构造发展史密切相关。古潜山在地史时期中大体上经历了加里东-华力西期、燕山期、喜马拉雅期等3个主要构造期，加里东-华力西期盆地为海相及海陆交互相沉积;燕山期为潮湿气候下的湖相沉积，化学作用强烈，适于硅质和铁质形成，此时期产生的裂缝多被硅质、铁质充填;喜马拉雅期属干燥环境下沉积，裂缝易被石膏、碳酸盐类充填，此期充填较前为差，据Ⅱ4井薄片观察得知，方解石仅局部充填于裂缝之中，裂缝末端一般多具开口缝隙;喜马拉雅期末，构造运动强，形成盆地现今面貌，古潜山基本定型。此时上覆白垩纪、古近-新近纪地层很厚，业已成岩。因此，喜马拉雅期产生的裂缝充填差、开口多，构造运动又使先期充填裂缝重新开口，使之成为油气储集的有利空间。
傅强等(2003)对辽河曹台潜山变质岩裂缝中的方解石进行了同位素分析，其δ18O值和δ13C值均偏负(表8-8)。曹702井880m、曹6井1000m和曹18井1303m深度岩心样品的方解石δ13C值偏负，可能与烃类浸染有关，其余的数据表明，这些方解石是淡水非海相环境的产物;用基恩-韦伯公式(式(8-1))计算的沉积环境指示系数Z值均小于120，也指示它们是淡水成因的沉淀碳酸盐矿物。这与曹702井800m深度处岩心方解石包裹体低含盐度的测试结果一致，表明裂缝中充填的方解石是中生代以后陆相湖盆发展阶段地质作用的产物。
非常规油气地质学
此外，裂缝中充填的方解石δ18O值随埋深增加而急剧变轻，反映高负值的δ18O是温度增高引起氧同位素分馏的结果，说明裂缝中的方解石是在深埋高温环境中沉淀而成。以大民屯凹陷地层恒温带的温度29.5℃为标准，用Epastein公式(式(8-2))计算的古温度表明(表8-8)，曹台变质岩储集层裂缝中的方解石形成时的温度范围为75.9～112℃;若用曹台潜山现今地热梯度3.23℃/100m近似代表古地热梯度，则方解石形成时的埋藏深度为2040～3158m，因此，这些充填于裂缝中的方解石是深埋条件下热液沉淀的结果。另一个证据是方解石中有晶形完整的粗大铁方解石，属典型晚期结晶产物。“深埋沉淀”发生的时期是沙二段东营组沉积的重新沉降期，热液沉淀的空间主要是曹台潜山在沙三段沉积期末形成的新的具有剪切性质的裂缝，也有部分早期碎裂缝，与沙三段沉积期末抬升剥蚀有关的土壤风化作用和沉积岩压实成岩过程中释放的水为CaCO3的沉淀提供了Ca2+，深部CO2和部分烃类则为CaCO3沉淀提供了碳源。
非常规油气地质学
表8-8 曹台太古宇变质岩潜山裂缝中方解石的碳、氧同位素分析
注:T—形成温度;Z—沉积环境指示系数。(据傅强等，2003)
图8-6 变质岩潜山矿物含量与储集性能关系
5.原岩性质
变质岩的储集空间具有强非均质性，原岩性质对其形成有重要影响，无论是结晶、构造作用还是化学淋滤作用形成的储集空间，无一不与原岩矿物成分、变质程度、混合岩化程度等有关。通过对辽河坳陷变质岩古潜山油藏的研究，认为裂缝性储层发育裂缝遵循优势岩性的序列(图8-6)，即在同样构造应力的作用下，暗色矿物含量高的岩性塑性较强，不易产生裂缝，难以成为储集岩;暗色矿物含量较少的岩性塑性较弱，容易产生裂缝而成为储集岩。按照各种岩性中暗色矿物含量的多少对变质岩古潜山中的岩性排序，形成岩性序列，暗色矿物含量少、在岩性序列中排列靠前的岩性就是优势岩性(图8-7)(孟卫工等，2007;单俊峰，2008;刘兴周，2009)。
图8-7 变质岩矿物与储层关系
显然，变质岩储集层中混合花岗岩所含脆性成分最高，长石、石英含量达90%～95%;其次是黑云斜长片麻岩，其石英、长石含量为70%～85%;而辉绿岩中含脆性组分最低，因而混合花岗岩中构造裂缝比黑云斜长片麻岩中发育，而辉绿岩中构造裂缝发育程度最差。碎裂岩、混合花岗岩、片麻岩及辉绿岩的裂缝发育指数分别为1.61、1.40、1.21、1.12，呈现出依次减小的规律，反映出这三者储层裂缝发育程度也依次降低。
6.埋藏深度
随深度的增加，地层压力升高，储集层裂缝开度减小。岩石处于地下深处时，承受周围岩体及上覆岩体静岩压力。岩石所处深度越大，围压越高，岩石的塑性越大。对某些花岗岩进行试验表明，当围压增大至23.8MPa时，岩石开始表现为塑性。这就是说，在地表附近，大多数结晶岩石表现为脆性;但当处于地壳深处时，结晶岩石就会变为有高度塑性的物质，乃至呈现黏性流动———蠕变。其结果会使岩石裂缝开度逐渐随着深度的增加而变小以至趋于闭合，即裂缝的有效性随着深度的增加而变差乃至最后失效。