大牛地氣田奧陶系風化殼氣藏裂縫發(fā)育特征及影響因素

賈　俊，孟云濤，孟軍田，雷　濤

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500；2.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院)

大牛地氣田奧陶系風化殼氣藏裂縫發(fā)育特征及影響因素

賈俊1,2，孟云濤1，孟軍田2，雷濤2

(1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都 610500；2.中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院)

摘要：大牛地氣田下古生界奧陶系風化殼氣藏屬于特低孔低滲地層-巖性圈閉隱蔽氣藏。受構造、風化淋濾和化學溶蝕作用，馬五5及以上地層普遍發(fā)育裂縫，且裂縫發(fā)育程度對天然氣富集高產有重要影響。通過對區(qū)內20口井鉆井取心、薄片觀察、巖石力學實驗以及測井分析，明確了裂縫的三種成因類型、四種裂縫產狀和裂縫參數(shù)、裂縫巖性分布及充填特征。同時，結合區(qū)域構造、古地貌研究成果，分析儲集層裂縫發(fā)育的影響因素。結果表明，裂縫發(fā)育受多重因素綜合影響，其中尤以巖層厚度、構造變形強度以及巖溶古地貌影響明顯。

關鍵詞：鄂爾多斯盆地；大牛地氣田；奧陶系；風化殼；裂縫；巖溶；構造變形強度

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北部，構造位置處于伊陜斜坡北部東段。自1999年以來，在“上古為主，兼探下古”勘探思想指導下，大牛地氣田上古致密碎屑巖儲集層不斷取得突破。同時，下古生界奧陶系風化殼連續(xù)高產工業(yè)氣流的發(fā)現(xiàn)，證實其具有良好的勘探開發(fā)潛力[1]。

研究表明[2-7]，鄂爾多斯盆地北部在加里東運動晚期整體抬升，奧陶系地層暴露出地表遭受了長達150 Ma的風化淋濾和化學溶蝕作用,在馬五段上部地層形成了具有不同發(fā)育程度的次生孔洞縫儲集系統(tǒng)。由于馬五段屬于特低孔、低滲致密儲集層[8]，裂縫的發(fā)育對于改善儲集層滲透性，控制有利儲集層分布具有重要影響。

選取大牛地氣田奧陶系風化殼氣藏裂縫為研究對象，以露頭、鉆井巖心裂縫等資料為基礎，結合薄片觀察、力學實驗等巖石物理手段，對裂縫的產狀、巖性分布、充填特征等進行了研究。同時從巖性、物性、巖層厚度等方面對裂縫發(fā)育影響因素進行了分析，以期弄清裂縫發(fā)育對開發(fā)的影響，為全面認識風化殼氣藏成藏規(guī)律提供依據(jù)。

1基本地質特征

大牛地氣田總體為一北東高、西南低的平緩單斜，平均坡降6～9 m/km。在平緩的構造背景上發(fā)育低幅度褶皺，以北東向為主，斷層不發(fā)育[9]。氣田下古生界奧陶系分上、下馬家溝組，其中，上馬家溝組分為兩個巖性段(馬五段和馬四段)。馬五段自上而下可細分為10個亞段，位于風化殼頂部的馬五1-馬五3亞段均受到不同程度剝蝕，馬五4及以下地層保存相對完整，本次研究以馬五4、馬五5亞段為主，包括馬五4以上層位。馬五4、馬五5亞段巖石類型以白云巖、石灰?guī)r為主，其他包括微晶云巖、泥晶灰?guī)r、膏化微晶白云巖。儲集空間主要為晶間孔、晶間溶孔、膏溶孔以及裂縫，其中晶間溶孔最為發(fā)育，是主要的儲集空間[9]。儲集層平均孔隙度2.66%，平均滲透率0.434×10-3μm2，屬于特低孔、低滲致密儲集層。

2裂縫發(fā)育特征

2.1裂縫成因類型

根據(jù)巖心和薄片觀察，大牛地奧陶系馬五1-馬五3亞段主要發(fā)育構造裂縫、風化裂縫及成巖縫。

構造裂縫是本區(qū)主要發(fā)育的裂縫類型，馬五1至馬五5各亞段均有發(fā)育。構造裂縫主要形成于構造變形期(鼻軸形成期)，即燕山至喜山期形成的構造裂縫。此類裂縫延伸長度及裂縫寬度均較大，有效性受后期改造作用影響明顯。圖1a為典型構造裂縫，受后期改造作用小，未被充填，有效性較好。

圖1b顯示一條受構造和古巖溶綜合作用形成的構造溶蝕縫，裂縫寬度約0.6 mm，該縫被方解石、地開石所充填，有效性較差。后期受構造作用影響，又形成一近垂直裂縫(裂縫寬度約0.018 mm)，切割了被方解石-地開石充填的溶破裂縫。

受表層風化、巖溶坍塌及巖溶陡壁拉張作用影響，風化破裂縫主要發(fā)育在馬五3以上層位，此類裂縫延伸長度及寬度一般，多為充填-半充填(圖1c)，具有一定的滲流能力。

成巖縫是在古巖溶作用所形成的水平洞穴在后期充填的砂礫巖中形成的成巖微裂縫。這種縫形態(tài)受充填洞穴產狀及充填物-砂礫巖的分布所控制,裂縫延伸較短，寬度有限，且多為充填狀態(tài)(圖1d)，對儲集層滲流能力貢獻較小。

圖1　大牛地奧陶系馬五亞段裂縫類型

2.2裂縫產狀

按照裂縫產狀分類標準[10]，研究層段發(fā)育裂縫以垂直縫和高角度縫為主，在巖心觀察到的693條裂縫中，見及垂直縫239條，約占34%；高角度裂縫(傾角85°～90°)214條，約占31%；低角度縫(傾角5°～45°)152條，約占22%；水平縫(傾角0～5°)88條，約占13%。此外，在巖心中也可見縫合線，在灰?guī)r和白云巖中分布約40條，傾角多在0～30°之間，縫合柱的幅度為0.1～5.0 mm，其多為泥質充填。

2.3裂縫參數(shù)

根據(jù)巖心裂縫參數(shù)的測定和統(tǒng)計，巖心裂縫參數(shù)有如下特征。

(1)巖心裂縫長度：巖心觀察中可測量的裂縫主要為垂直裂縫，約75.5%的裂縫長度在20 cm以下,僅7.8%的裂縫長度大于50 cm,最長可達1.55 m。

(2)巖心裂縫寬度：不同產狀的裂縫寬度主要分布在0.1～1.0 mm，約占裂縫總數(shù)的59.1%。裂縫寬度變化較大，裂縫最寬可達2 cm。各產狀裂縫寬度分布圖表明，裂縫寬度隨裂縫角度變小(圖2)。

圖2　各產狀裂縫寬度分布圖

(3)巖心裂縫線密度:從小層裂縫發(fā)育線密度來看，馬五5裂縫最為發(fā)育，裂縫密度為5.53條/m，馬五4為2.05條/m。從各巖性的裂縫發(fā)育密度來看，馬五5地層的黑色灰?guī)r裂縫最為發(fā)育，裂縫線密度高達6.9條/m，其次為其他灰?guī)r類，裂縫線密度為2.9條/m，泥巖中裂縫線密度為1.8條/m，白云巖中裂縫線密度為1.5條/m。其中，有效裂縫線密度在白云巖和黑色灰?guī)r中較發(fā)育。

2.4裂縫的巖性分布

研究區(qū)裂縫主要發(fā)育在馬五5地層的黑色灰?guī)r中(約占裂縫總數(shù)的47.5%)，其次分別為白云巖(約占裂縫總數(shù)的26.1%)、灰?guī)r(約占裂縫總數(shù)的18.9%)，泥巖中裂縫約占裂縫總數(shù)的7.5%。泥巖段中發(fā)育的裂縫多為低角度縫，該類裂縫中有部分是沿泥碳質紋層的破裂縫，縫面可見不同程度的擦痕。其他巖性中的裂縫多為高角度縫和垂直縫。

2.5裂縫充填特征

巖心統(tǒng)計表明，研究區(qū)裂縫以充填縫為主，其中以方解石充填為主(約占69.4%)，其次為方解石半充填(約占5.5%)、泥炭質充填(約占10.1%)以及白云石充填(約合計占0.6%)；未充填裂縫僅占14.4%。

從巖性上的充填特征來看，黑灰?guī)r中主要為發(fā)育充填裂縫(約占裂縫總數(shù)的47.5%，占充填裂縫的58.5%)，同時，也發(fā)育了一定比例的半充填裂縫和未充填縫。白云巖中未充填裂縫較為發(fā)育(約占未充填縫的77.4%和約占巖心裂縫總數(shù)的15.3%)，此類裂縫有效性較好，對天然氣的滲流具有積極意義。從裂縫產狀分析，水平縫的充填率最高，低角度縫充填率次之，垂直縫和高角度縫充填率最低。

3裂縫發(fā)育影響因素分析

3.1巖性影響

不同巖性地層，在相同的應力環(huán)境下破裂程度不同。巖心巖石力學測試結果表明(表1)，黑灰?guī)r的抗拉強度最低，平均為5.23 MPa，白云巖巖石抗拉強度平均為7.01 MPa，即黑灰?guī)r相對白云巖更易產生張性破裂；同時，黑灰?guī)r的單軸抗壓強度及彈性模量也低于白云巖相關參數(shù)，這表明在相同的地質力學條件下，黑灰?guī)r相對于白云巖更容易產生破裂。巖心觀察結果也證實，裂縫主要發(fā)育于灰?guī)r地層中，其次為白云巖地層，泥巖中裂縫發(fā)育相對較少。

表1　馬五段不同巖性巖心巖石力學測試

3.2物性因素

巖石物性(孔隙度、密度等參數(shù))對巖石的裂縫發(fā)育情況有明顯影響。巖心巖石力學參數(shù)(單軸抗壓強度、單軸抗拉強度)與巖石體積密度之間關系表明，隨著巖石密度的增加，巖石的單軸抗張、抗壓強度呈增加趨勢，說明隨著物性條件變差，巖心破裂所需要的應力更高，更不易產生破裂。

3.3巖層厚度

據(jù)巖心觀察統(tǒng)計，馬五5及以上地層巖心裂縫線密度與巖層厚呈明顯負相關趨勢(圖3a)，巖層厚度越薄，巖心裂縫密度越高，隨著層厚的增加，裂縫線密度急劇降低，當層厚達到一定數(shù)值，巖心裂縫線密度基本就保持在1.5條/m，變化趨勢平緩。

同時，常規(guī)測井計算裂縫發(fā)育指數(shù)[11-12]與層厚關系表明(圖3b)，隨著巖層厚度增加，裂縫發(fā)育指數(shù)呈指數(shù)關系降低，巖層厚度對裂縫發(fā)育影響明顯。

圖3　巖心裂縫發(fā)育與巖層厚度關系

以裂縫最發(fā)育的馬五5為例，巖層厚度與常規(guī)測井識別的裂縫發(fā)育指數(shù)疊合分布圖顯示(圖4)，整體上裂縫的發(fā)育程度受到了地層厚度的影響，除西南部和東北部地層相對較厚外，其他大部分區(qū)域相對較薄，而這些區(qū)域裂縫較為發(fā)育。但部分區(qū)域地層厚度薄但裂縫不發(fā)育,或地層較厚裂縫也較為發(fā)育，這也預示馬五地層在一定程度上還受到其他因素的影響。

3.4構造變形強度

構造變形強度對裂縫的發(fā)育與分布起著決定作用。采用曲率法研究巖層發(fā)生形變與曲率的關系可以預測張裂縫的分布：曲率越大，張應力也越大，張裂縫也越發(fā)育[13-14]。通過對研究區(qū)奧陶系頂界構造圖網格化處理，并進行構造趨勢面擬合，當擬合度達到精度要求時，獲得趨勢面方程，并計算主曲率值。根據(jù)平面上各參考點的最大主曲率值編制研究區(qū)奧陶系頂面構造曲率分布圖，并疊加常規(guī)裂縫發(fā)育指數(shù)和巖心裂縫線密度(圖5)。

圖4　馬五5地層厚度與常規(guī)裂縫指數(shù)疊合分布圖

由于研究區(qū)構造相對平緩、斷裂不發(fā)育，構造曲率高值主要分布在構造鼻狀隆起部位，即低幅高點，在這些區(qū)域其構造變形相對較強?？傮w上，裂縫發(fā)育狀況受區(qū)域的構造變形強度控制明顯，構造變形越強，裂縫發(fā)育指數(shù)越高。如研究區(qū)北部和南部地區(qū)處于構造曲率值較大的區(qū)域，對應的常規(guī)測井裂縫發(fā)育指數(shù)以及取心井裂縫線密度值均較高；而D14、D12-27、 D2、D66-97等井位于構造曲率較低的地區(qū)，裂縫發(fā)育指數(shù)相對偏低。但D53，D48,E1,D50等井，雖然處于構造變形強度較弱的區(qū)域，但裂縫發(fā)育指數(shù)仍較高，這表明以上地區(qū)構造變形強度并非主控因素。

3.5巖溶古地貌

大牛地氣田奧陶系風化殼氣藏是受古構造、巖相古地理及巖溶古地貌制約的地層-巖性圈閉隱蔽氣藏，巖溶古地貌主要包括斜坡殘丘、殘臺和斜坡凹地。研究證實[6、15-16]，風化殼古地貌影響儲集層發(fā)育并控制其空間展布，可以通過常規(guī)測井識別研究區(qū)各井所處的古地貌位置，并疊合裂縫發(fā)育指數(shù)和巖心裂縫線密度進行分析(圖5)。

圖5　大牛地奧陶系頂部構造曲率、巖溶古地貌與　　　常規(guī)裂縫發(fā)育指數(shù)、巖心裂縫線密度疊合圖

本地區(qū)古地貌位置中斜坡凹地裂縫發(fā)育指數(shù)略高于斜坡殘丘和斜坡殘臺，但在局部地區(qū)，如D93、D12-39、 D61-27等井位于斜坡殘臺或殘丘上，其裂縫發(fā)育指數(shù)相對較高。這表明巖溶古地貌對裂縫的發(fā)育情況具有一定的影響作用，但部分斜坡殘丘(臺)受構造變形或者巖層厚度等因素影響，裂縫發(fā)育指數(shù)較高。

4結論

大牛地氣田奧陶系風化殼馬五5及以上地層受構造、風化淋濾及化學溶蝕作用綜合影響，發(fā)育構造縫、風化裂縫及成巖縫。裂縫產狀以垂直縫和高角度斜交縫為主，主要發(fā)育于黑色灰?guī)r中，次為白云巖。裂縫以充填裂縫為主，充填物以方解石為主，其余充填少見，隨著裂縫傾角降低，充填率逐漸增高。

研究區(qū)裂縫發(fā)育受巖性、物性、巖層厚度、構造變形強度及巖溶古地貌等多種因素影響，其中尤以巖層厚度、構造變形強度以及巖溶古地貌影響較大，應綜合考慮上述因素開展裂縫發(fā)育程度綜合評價。

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編輯：吳官生

文章編號：1673-8217(2016)01-0032-05

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：賈俊，工程師，1982年生，2005年畢業(yè)于西南石油大學石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油地質、巖石物理科研工作。

基金項目：中國石化華北分公司科技先導項目“大牛地氣田下古儲層裂縫發(fā)育規(guī)律研究”(KJ-12-01)部分研究內容。

中圖分類號：TE111.2

文獻標識碼：A