沾化凹陷渤南洼陷超壓裂縫的測井響應特征與預測

劉 華，蔣有錄，葉 濤，劉雅利，張豐榮，盧 浩

（1.中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島266580；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；3.中國石化勝利油田分公司，山東東營257001）

沾化凹陷渤南洼陷超壓裂縫的測井響應特征與預測

劉 華1，蔣有錄1，葉 濤2，劉雅利3，張豐榮1，盧 浩3

（1.中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島266580；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；3.中國石化勝利油田分公司，山東東營257001）

通過巖心觀察、成像測井識別與常規(guī)測井資料分析相結合的方法，對渤南洼陷烴源層系內(nèi)超壓裂縫的特征、測井響應標志及預測進行研究。結果表明：渤南洼陷超壓源巖層系中裂縫發(fā)育，裂縫數(shù)量和規(guī)模不一，在成像測井上表現(xiàn)為中高角度、傾向雜亂的高導縫；常規(guī)測井曲線具有高聲波時差、高補償中子孔隙度、高密度、高地層真電阻率變化率和低自然伽馬變化率的“四高一低”的響應特征；超壓裂縫大量發(fā)育于地層壓力系數(shù)大于1.2且壓力梯度變化大的區(qū)域，在壓力梯度變化較小的高壓區(qū)域，可識別裂縫的數(shù)量較少、規(guī)模較低；超壓裂縫帶具有橫向上連續(xù)、縱向上分段的特征，與油氣的空間分布匹配性較好，是超壓體控制下源巖排烴的重要通道。

裂縫識別；超壓源巖；測井響應特征；沾化凹陷

據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)90%的超壓盆地與油氣分布具有成因聯(lián)系［1-3］。超壓作為油氣初次運移的動力，當其大于地層破裂壓力時會形成裂縫（即超壓裂縫），是油氣初次運移的重要通道。人們普遍認為超壓裂縫的形成機制與壓力密切相關［4-6］，但在開啟次數(shù)和分布空間的認識上存在著較大的爭議［2，7-10］。超壓裂縫由于形成機制的特殊性，往往具有縫面粗糙，產(chǎn)狀不規(guī)則，方向性較差的特點［11］，可通過巖心觀察、薄片觀察等［11-12］進行識別，但是受限于巖心資料的豐富程度。各種常規(guī)測井對裂縫發(fā)育段具有不同程度的響應特征，但在超壓裂縫識別上難度較高，其中成像測井（FMI）和聲波遠探測對超壓裂縫識別成效明顯［12-13］，如何綜合利用各種資料識別與預測超壓裂縫的分布是解決烴源巖排烴問題的關鍵。鑒于此，筆者以超壓發(fā)育的富油洼陷——渤南洼陷為例，通過巖心觀察和測井資料分析，試圖尋找超壓環(huán)境下烴源層系內(nèi)裂縫的測井識別標志，為預測超壓盆地內(nèi)油氣的初次運移空間提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

渤南洼陷是沾化凹陷內(nèi)埋深最大的次級負向構造單元，北以埕南斷裂帶與埕東凸起相接，南鄰陳家莊凸起斜坡帶，東以孤西斷層與孤北洼陷、孤島凸起相鄰，東南以墾西地壘與三合村洼陷、孤南洼陷相接。渤南洼陷具有北陡南緩、東陡西緩的斷陷盆地特征，受數(shù)條近東西向盆傾斷層切割，從南到北依次存在南部緩坡帶、渤深4斷階帶、渤南深洼帶和北部陡坡帶（圖1）。渤南洼陷沉積蓋層主要為第三系，縱向上可分為孔店組、沙河街組、東營組、館陶組和明化鎮(zhèn)組，其中沙河街組的沙三段和沙四上亞段作為主要的烴源層系普遍發(fā)育異常高壓，壓力系數(shù)最高可達1.8［14］，烴源層系發(fā)育大量的泥巖裂縫（如羅69井），而且存在著不同程度的油氣顯示［15］，表明烴源層系中裂縫對油氣運移和儲集的重要作用。

2 超壓源巖內(nèi)裂縫發(fā)育特征

裂縫的成因類型較多，針對烴源層系內(nèi)超壓裂縫的研究相對較少。受控于成因機制的影響，超壓裂縫在巖心觀察和成像測井響應上均有較好的顯示，可綜合兩者的信息對研究區(qū)超壓裂縫進行判識，明確其發(fā)育特征。

2.1 巖心裂縫特征

為了分析異常高壓環(huán)境下的裂縫發(fā)育特征，對沾化凹陷渤南洼陷區(qū)的沙三和沙四段烴源層系的巖心進行系統(tǒng)觀察與統(tǒng)計。巖心觀察表明，渤南洼陷泥質(zhì)烴源層系內(nèi)裂縫發(fā)育，規(guī)模大小不等、產(chǎn)狀不一，且內(nèi)部膠結程度以及充填物性質(zhì)差別明顯。整體表現(xiàn)為厚層烴源層系內(nèi)所夾的砂巖及相鄰砂巖中多具有肉眼可識別的裂縫，且多被物質(zhì)充填得以保留。例如，羅9井2136.6 m深度，發(fā)育多條傾向雜亂的裂縫，傾角接近90°；羅9井2 132.3 m深度則發(fā)育近水平的裂縫，裂縫開啟且已被瀝青充填（圖2）。此外，顯微鏡下觀察表明，烴源層系內(nèi)還發(fā)育著大量肉眼不易識別的微裂縫，多切穿石英顆粒，并在裂縫內(nèi)部充填著大量的膠結物或充填物，部分裂縫中存在流體包裹體以及熒光顯示，表明該裂縫形成時期對油氣的運移起到了重要作用。

圖2 渤南洼陷羅9井超壓烴源層系內(nèi)裂縫發(fā)育特征圖Fig.2 Fractures in overpressure source rocks of well Luo9，Bonan sag

綜合巖心觀察結果，異常高壓系統(tǒng)內(nèi)裂縫的發(fā)育數(shù)量及其規(guī)模在縱向上存在著明顯差異：埋深較大壓實作用較強的泥質(zhì)烴源巖中肉眼可識別的裂縫發(fā)育數(shù)量較少，鏡下可見微裂縫豐富，裂縫閉合度較高，少見充填程度較高的裂縫；而異常高壓系統(tǒng)內(nèi)埋深相對較淺的超壓地層內(nèi)肉眼可識別的裂縫發(fā)育數(shù)量多，開啟程度高，并延伸到鄰近的砂體中（圖2）。

2.2 成像測井識別裂縫特征

渤南洼陷烴源層系中發(fā)育多種類型的裂縫，包括構造裂縫、超壓裂縫、鉆井誘導縫等，受各類型裂縫成因機制的影響，在成像測井（FMI）資料中特征差異明顯。鉆井誘導裂縫與地應力密切相關，往往以180°或接近180°成對地出現(xiàn)在井壁上，在主裂縫兩側(cè)有羽毛狀排列的微裂縫，排列整齊，規(guī)律性強，較易識別［13］；構造裂縫往往受區(qū)域應力的影響而表現(xiàn)為縫面平坦，裂縫寬度均一，且成組發(fā)育［11］，在研究區(qū)多呈現(xiàn)出低角度（一般為10°～20°）的特征，裂縫幾乎均被充填，表現(xiàn)為高阻縫的特征，在成像測井（FMI）圖像上能夠用正弦線精確擬合；而超壓作用可使地層中的巖石顆粒呈現(xiàn)網(wǎng)絡狀或炸裂狀破裂，也可以繞過顆粒延伸一定的距離，或與構造作用形成的裂縫相伴生，總體表現(xiàn)為成群出現(xiàn)，以中、高角度為主，或平行層理的低角度縫［16］，且傾向雜亂，沒有一定的規(guī)律性，在成像測井上一般出現(xiàn)在大段暗色背景（泥巖響應）中（圖3）。

圖3 義東301井超壓裂縫（左）、義944井構造裂縫（右）的成像測井顯示特征示意圖Fig.3 General view of overpressure fractures in well Yidong301（left）and structural fractures in well Yi944（right）signified by image forming logging

基于不同成因裂縫的特征差異，利用渤南洼陷現(xiàn)有的成像測井資料，篩選出與超壓成因裂縫有關的發(fā)育井段。研究表明，超壓成因裂縫在研究區(qū)大量存在，其中義283井的裂縫發(fā)育井段約為4 240 m，裂縫傾角一般為30°～50°，傾向雜亂；羅69井裂縫發(fā)育約為3010 m，裂縫傾角一般為15°～65°，分布范圍廣，傾向更為零亂，裂縫發(fā)育較為密集（圖4）。值得注意的是，部分超壓裂縫由于規(guī)模小且后期閉合快，測井曲線識別能力較差，而這些裂縫的作用主要體現(xiàn)在源內(nèi)油氣的儲集和運移，對油氣的排烴指向和源外油氣分布影響較低，因此本次研究不包括這部分微裂縫的識別。

圖4 渤南洼陷單井成像測井資料識別超壓裂縫Fig.4 Overpressure fractures in image forming logging，Bonan sag

根據(jù)成像測井資料顯示結果，縱向上超壓裂縫分布具有不均的特征。如羅69井區(qū)在2500～3000 m的深度范圍內(nèi)零星發(fā)育17條超壓裂縫，在3 000～3100 m的深度范圍內(nèi)識別出58條超壓裂縫，并且可細分為3個密集發(fā)育段，說明超壓裂縫的形成存在優(yōu)勢發(fā)育區(qū)，具有一定的分布規(guī)律。

3 超壓裂縫的測井響應特征及識別

3.1 測井響應特征

成像測井資料對于超壓成因裂縫的識別意義重大，但是資料有限，而常規(guī)測井資料豐富可彌補這一不足。利用巖心觀察和成像測井資料識別的超壓成因裂縫發(fā)育段作為研究對象，分析各類常規(guī)測井資料的響應特征，優(yōu)選出區(qū)分效果較好且具有識別意義的常規(guī)測井類型及其組合，預測超壓裂縫的分布。

結合超壓裂縫發(fā)育段、巖性特征以及常規(guī)測井資料的分析，超壓裂縫往往與大套泥巖相伴生，具有較高的自然伽馬（GR）值。超壓裂縫發(fā)育段的聲波時差值明顯高于趨勢線，密度值降低，中子孔隙度略微增大，對孔隙度敏感的聲波時差測井（AC）、密度測井（DEN）、補償中子孔隙度測井（CNL）、淺側(cè)向電阻率測井（Rs）曲線會發(fā)生明顯振蕩，曲線的變化率均會出現(xiàn)高值。其中AC和Rs的振蕩最為明顯，AC甚至出現(xiàn)周波跳躍，而密度曲線出現(xiàn)低值，這一變化規(guī)律在義283井、羅69井的裂縫發(fā)育段表現(xiàn)一致。義283井約在4250 m發(fā)育大量的超壓裂縫，其GR值大于120，AC值明顯高于趨勢線，密度值降低，中子孔隙度略微增大，AC、DEN、Rs的變化率均明顯增加，表明裂縫的發(fā)育使得這些對孔隙度敏感的曲線發(fā)生了明顯的振蕩（圖5）。

根據(jù)上述常規(guī)測井的響應特征，對羅69井沙三段超壓裂縫的發(fā)育段進行預測，在2 500～3 200 m的范圍內(nèi)預測出裂縫發(fā)育段24段，比成像測井識別的略多，兩者的吻合率達到80%（表1），表明此方法可行。

圖5 渤南洼陷義283井常規(guī)測井超壓裂縫識別模式Fig.5 Pattern showing overpressure fractures identified by conventional logging of well Yi283，Bonan sag

表1 渤南洼陷羅69井常規(guī)測井超壓裂縫預測與成像測井裂縫識別對比Table 1 Comparison of overpressure fractures by conventional logging predication with that signified by image forming logging in well Luo69

3.2 單井超壓裂縫預測

根據(jù)超壓裂縫的預測結果，發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)烴源層系內(nèi)裂縫發(fā)育段具有分段集中分布的特征。如羅69井的預測結果表明，從2 500 m開始出現(xiàn)超壓區(qū)到4000 m高壓發(fā)育區(qū)均有裂縫發(fā)育，裂縫集中發(fā)育于3個深度段，分別為2800～3100 m（65條）、3700～4000 m（45條）和3400～3700 m（40條），其中埋深相對較淺的2 800～3 100 m的深度段裂縫密度最大，發(fā)育程度最高。

由于異常高壓是裂縫形成的動力條件，而裂縫數(shù)量和規(guī)模則是超壓形成裂縫能力的外在表現(xiàn)，因此兩者之間存在一定的相關性。通過單井縱向壓力結構與超壓裂縫發(fā)育位置的標定可以看出，羅69井超壓裂縫發(fā)育帶多分布于現(xiàn)今地層壓力系數(shù)大于1.2的巖層中，而義283井超壓裂縫則發(fā)育在現(xiàn)今地層壓力系數(shù)為1.2～1.3的巖層內(nèi)（圖6）。深入分析發(fā)現(xiàn)，超壓裂縫集中發(fā)育在壓力系數(shù)急劇變化的位置，即壓力梯度最大的位置。

此外，超壓裂縫的發(fā)育除了與壓力梯度有關以外，還與地層壓力的大小存在一定的聯(lián)系。依據(jù)成像測井資料所識別出的超壓裂縫密度與地層壓力系數(shù)的對應關系分析，表明隨著壓力系數(shù)的增大，超壓裂縫的發(fā)育密度也隨之增加，超壓裂縫密集帶集中分布在地層壓力系數(shù)為1.2～1.5的位置，只有當?shù)貙訅毫ο禂?shù)大于1.2時，超壓裂縫發(fā)育密度才能達到1條/m（圖7）。

綜上所述，地層壓力系數(shù)為1.2～1.5時，可識別的超壓裂縫大量發(fā)育，且分布于壓力系數(shù)迅速增大的層系中。在壓力系數(shù)較大且壓力平穩(wěn)分布的區(qū)域，超壓裂縫雖發(fā)育，但數(shù)量和規(guī)模較低，測井資料可識別裂縫較少，這可能是因為當壓力系數(shù)大于1.5時，周圍較高的地層壓力會使裂縫迅速閉合，難以維持裂縫的開啟，因此可識別的超壓裂縫不發(fā)育；而壓力梯度急劇變化的地區(qū)則由于存在較大的壓力差，導致裂縫閉合能力下降，易保存下來形成高導縫，并容易被測井曲線識別出來。

圖6 渤南洼陷羅69井（左）、義283井（右）超壓裂縫縱向分布Fig.6 Distribution of overpressure fractures in well Luo69（left）and well Yi283（right），Bonan sag

圖7 渤南洼陷烴源巖裂縫發(fā)育密度與壓力系數(shù)散點圖Fig.7 Diagram showing relationship between fracture density and pressure coefficient in source rock，Bonan sag

4 超壓裂縫發(fā)育帶預測

為了明確超壓裂縫發(fā)育帶的空間分布，以義100—渤深4—義120—義115—義156剖面為例，利用常規(guī)測井預測方法對該剖面中的超壓裂縫發(fā)育帶進行預測。預測結果表明，超壓裂縫帶橫向上具有一定的連續(xù)性，縱向上具有分段性。橫向上，超壓裂縫與超壓封存箱的頂界面存在近似的平行關系，在控洼主斷層間連續(xù)分布，受壓力系數(shù)變化的影響，往往發(fā)育多套裂縫帶?？v向上，超壓裂縫帶分布于壓力系數(shù)大于1.2且壓力系數(shù)急劇增高或下降的部位，以壓力系數(shù)急劇增加部分的裂縫最為發(fā)育。受控于裂縫縱向延伸性的影響，裂縫帶的寬度不等，一般壓力系數(shù)變化幅度越大、壓力系數(shù)越高的地方裂縫寬度越大，即裂縫規(guī)模越大，表明了開啟動力條件以及支撐裂縫開啟的動力條件充足。在所預測的裂縫發(fā)育帶內(nèi)或其上下鄰近的砂體部位分布著大量的油氣藏（圖8），表明超壓裂縫發(fā)育帶在油氣成藏過程中發(fā)揮著重要作用［17-19］。超壓裂縫可以明顯提高泥質(zhì)烴源巖的孔滲性，規(guī)模裂縫可以作為油氣初次運移的通道，非規(guī)模裂縫可提高烴源巖的儲油能力。根據(jù)超壓裂縫的分布規(guī)律，可針對異常壓力系統(tǒng)內(nèi)不同的壓力環(huán)境進行不同目標的勘探，建立找油的新思路。

圖8 渤南洼陷超壓裂縫發(fā)育預測帶與油藏分布剖面Fig.8 Profile showing relationship between predicted overpressure fractures zones and reservoirs of Bonan sag

5 結 論

（1）巖心觀察顯示渤南洼陷泥質(zhì)烴源層系內(nèi)裂縫發(fā)育，規(guī)模大小不等、產(chǎn)狀不一，近超壓系統(tǒng)頂部地區(qū)的觀察裂縫發(fā)育數(shù)量多，開啟程度高；而埋深大、壓實作用較強的泥巖中肉眼可識別的裂縫發(fā)育數(shù)量較少，鏡下可見大量的微裂縫，裂縫閉合程度高。

（2）成像測井圖像可區(qū)分泥質(zhì)烴源巖中的構造裂縫、超壓裂縫以及鉆井誘導縫等，其中超壓裂縫主要出現(xiàn)在大段暗色背景（泥巖響應）之中，以高角度、傾向雜亂或平行層理的高導縫存在，可作為識別的標志。

（3）結合巖心觀察與成像測井對超壓裂縫的識別結果，可以建立常規(guī)測井識別超壓裂縫的響應特征，即高聲波時差、中子孔隙度、密度測井、地層真電阻率變化率和低自然伽馬變化率的“四高一低”特征。

（4）常規(guī)測井對超壓裂縫發(fā)育帶的識別結果顯示，超壓裂縫具有橫向上連續(xù)，縱向上分帶的特征，超壓裂縫帶往往分布于地層壓力系數(shù)大于1.2且壓力梯度變化急劇的區(qū)域；在壓力系數(shù)大于1.5且壓力變化相對平穩(wěn)的區(qū)域，超壓微裂縫多已閉合。

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（編輯 徐會永）

Logging response of overpressure fractures and their prediction in Bonan sag，Zhanhua depression

LIU Hua1，JIANG Youlu1，YE Tao2，LIU Yali3，ZHANG Fengrong1，LU Hao3
（1.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.CNOOC Tianjin Branch Company，Tianjin 300452，China；3.Shengli Oilfield，SINOPEC，Dongying 257001，China）

Based on core observations and imaging the forming logging and conventional logging，the logging responses of the overpressure fractures and their distribution within the source rocks were analyzed in Bonan sag，Bohai Bay Basin.Many fractures are observed in the Third Member of Shahejie Formation with high overpressure，but their quantity and scales are different.Overpressure fractures show highly conductive feature with middle-high angle and disorder inclination in the imaging logging data，and they always have distinctive features such as high rate of change of AC，CNL，DEN，Rt and low rate of change of GR in conventional logging curves.Fractures produced by overpressure are greatly developed in those areas where pressure coefficients are bigger than 1.2 and pressure gradient changes rapidly，while fractures of smaller scale are also developed in the overpressure areas where the pressure gradient changes slowly.As the main primary migrating pathway，the fracture zones within overpressure source rocks affect the spatial distributions of hydrocarbons.Fracture zones are laterally continuous and are distributed in several segments on the longitudinal direction，which agrees well with the distribution of hydrocarbons in Bonan sag.

fracture identification；overpressure source rocks；characteristic of logging response；Zhanhua depression

TE 122.1

A

劉華，蔣有錄，葉濤，等.沾化凹陷渤南洼陷超壓裂縫的測井響應特征與預測［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2015，39（6）：50-56.

LIU Hua，JIANG Youlu，YE tao，et al.Logging response of overpressure fractures and their prediction in Bonan sag，Zhanhua depression［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：50-56.

1673-5005（2015）06-0050-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.006

2015-06-16

國家自然科學基金項目（41502129）；國家科技重大專項（2011ZX05006-003）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項（14CX05015A）

劉華（1977-），女，副教授，博士，研究方向為油氣藏形成與分布。E-mail：liuhua_r@sina.com。