克拉蘇構(gòu)造帶超深儲(chǔ)層構(gòu)造主裂縫識(shí)別

周 鵬，周 露，朱文慧，羅海寧，王佐濤

(中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

庫(kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)集層埋藏深度較大(普遍大于6 000 m)、垂向壓實(shí)及水平擠壓作用較強(qiáng)，巖性致密，基質(zhì)孔隙度低，一般為4%～8%。前人在克拉蘇構(gòu)造帶的儲(chǔ)層研究中做了大量工作，認(rèn)為裂縫在儲(chǔ)集層的流體滲流過(guò)程中起到了重要作用。大多數(shù)學(xué)者對(duì)克拉蘇構(gòu)造帶的裂縫研究主要集中在裂縫的分類(lèi)、平面預(yù)測(cè)及與產(chǎn)能之間的關(guān)系等方面[1-5]，對(duì)垂向上裂縫的發(fā)育特征研究較少。隨著克拉蘇構(gòu)造帶勘探程度的加深，部分井的裂縫密度與產(chǎn)能之間出現(xiàn)了矛盾。理論研究表明，當(dāng)裂縫走向與最大主應(yīng)力的夾角超過(guò)45 °時(shí)，裂縫有效性降低，但測(cè)試資料表明，仍存在裂縫走向與最大主應(yīng)力走向存在大夾角而獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流的現(xiàn)象。基于以上矛盾，以巖心及FMI成像測(cè)井資料為基礎(chǔ)，在明確不同應(yīng)力環(huán)境裂縫特征的基礎(chǔ)上，提出規(guī)模大、有效性強(qiáng)、與褶皺同時(shí)期形成的構(gòu)造型裂縫才是真正的高產(chǎn)滲流通道，并通過(guò)構(gòu)造傾角校正的方法將裂縫的視產(chǎn)狀還原到地層水平條件下，從大量伴生縫或者早期形成的裂縫中剝離出規(guī)模較大的構(gòu)造主裂縫。在當(dāng)今低油價(jià)的情勢(shì)下，構(gòu)造主裂縫的識(shí)別為射孔井段優(yōu)選、儲(chǔ)層改造方案優(yōu)化、降低勘探成本提供理論依據(jù)?；谝陨厦?，以巖心及FMI成像測(cè)井資料為基礎(chǔ)，在理清不同應(yīng)力環(huán)境裂縫特征的基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)造主裂縫的裂縫評(píng)價(jià)研究思路，明確了裂縫發(fā)育規(guī)模的差異性原因。構(gòu)造主裂縫的識(shí)別為射孔井段優(yōu)選、儲(chǔ)層改造方案優(yōu)化、降低勘探成本提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)位于塔里木盆地庫(kù)車(chē)坳陷中部的克拉蘇構(gòu)造帶，根據(jù)目前的鉆井資料顯示，克拉蘇構(gòu)造帶鉆遇地層自上而下分別為第四系，古近系庫(kù)車(chē)組、康村組、吉迪克組、蘇維依組、庫(kù)姆格列木群及下白堊統(tǒng)巴什基奇克組(圖1)。其中，下白堊系巴什基奇克組為主要勘探目的層，埋深普遍超過(guò)6 000 m，巖性以細(xì)砂巖為主，局部發(fā)育泥巖夾層，屬于辮狀河三角洲、扇三角洲前緣沉積，儲(chǔ)集層厚度為250～320 m[6-12]。儲(chǔ)集層上覆的古近系庫(kù)姆格列木群膏鹽巖是區(qū)域性的優(yōu)質(zhì)蓋層，也是區(qū)域性的滑脫層[13]；儲(chǔ)集層之下為下白堊系巴西改組、舒善河組，巴西改組是以細(xì)砂巖為主的“硬性”地層，舒善河組為厚度在1 200 m左右的大套泥巖地層，是一套區(qū)域性的次級(jí)滑脫層。受新生代晚期強(qiáng)烈擠壓作用的影響，克拉蘇構(gòu)造帶廣泛發(fā)育高角度的逆沖疊瓦狀構(gòu)造，夾持在上下2套滑脫層之間的巴什基奇克組及巴西改組的砂巖地層產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力環(huán)境產(chǎn)生差異。根據(jù)電阻率測(cè)井、地應(yīng)力、巖心、巖石學(xué)特征等綜合研究[14-16]，自上而下將白堊系儲(chǔ)集層分為張性段(距儲(chǔ)集層頂部80～160 m)、過(guò)渡段(距儲(chǔ)集層頂部100～200 m)、壓扭段(距儲(chǔ)集層頂超過(guò)200 m)，其中，張性段儲(chǔ)集層儲(chǔ)層品質(zhì)最高，過(guò)渡段次之，壓扭段最差。

圖1 克深井區(qū)典型井?dāng)啾承睉?yīng)力中和面垂向分段特征

2 構(gòu)造主裂縫的識(shí)別

2.1 研究區(qū)裂縫發(fā)育特征

2.1.1 巖心裂縫發(fā)育特征

根據(jù)克深、大北地區(qū)巖心觀察，巖心中主要發(fā)育高角度雁列狀裂縫、“T字型”、“π字型”、“牙刷型”等[17-18]組合型裂縫及低角度網(wǎng)狀縫(圖2)。一般情況下，在儲(chǔ)層頂部的張性段，受局部拉張應(yīng)力的影響，裂縫以高角度雁列狀為主，裂縫縱深長(zhǎng)、開(kāi)度大，以方解石半充填為主，裂縫線密度為0.5～3.0 條/m，溶蝕現(xiàn)象明顯，裂縫線密度較低，局部在高傾角裂縫之間或縫的端部發(fā)育數(shù)量較多的伴生縫，但裂縫開(kāi)度小，規(guī)模有限。

圖2 克深井區(qū)不同應(yīng)力段巖心裂縫特征

過(guò)渡段儲(chǔ)集層中，由于擠壓應(yīng)力逐漸增強(qiáng)，抵消了部分拉張應(yīng)力，在過(guò)渡段儲(chǔ)集層中發(fā)育的裂縫規(guī)模有所降低，線密度有所提高，一般為1.0～5.0 條/m。組合型裂縫逐漸增多，縫寬較小，以方解石半充填-全充填為主，有效裂縫的發(fā)育數(shù)量有限，無(wú)效裂縫的數(shù)量有所增加。

壓扭段儲(chǔ)集層中，裂縫密度顯著升高。擠壓應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)，巖性致密，早期形成的有效縫進(jìn)一步受到擠壓而閉合，并形成裂縫線密度為10.0～26.0條/m的傾角雜亂的網(wǎng)狀裂縫帶，裂縫數(shù)量雖多，但有效性明顯降低。

2.1.2 FMI成像測(cè)井中裂縫發(fā)育特征

FMI成像測(cè)井中的裂縫發(fā)育特征與巖心相似。以水基鉆井液環(huán)境下的KS2A井為例，在122 m的張性段儲(chǔ)集層中，裂縫線密度為3.0 條/m，裂縫平均開(kāi)度為0.35 mm；99 m的過(guò)渡段儲(chǔ)集層中，裂縫線密度為4.1 條/m，裂縫平均開(kāi)度為0.22 mm；78 m的壓扭段儲(chǔ)集層中，裂縫線密度為9.1 條/m，裂縫平均開(kāi)度為20.13 mm。成像測(cè)井資料顯示，白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)集層垂向上裂縫發(fā)育程度逐漸變大，但裂縫規(guī)模卻越來(lái)越小。

基于巖心及FMI成像測(cè)井資料的裂縫解析研究表明，由于垂向上儲(chǔ)集層應(yīng)力環(huán)境差異，儲(chǔ)集層品質(zhì)及裂縫的發(fā)育特征存在一定的分層性。巴什基奇克組儲(chǔ)集層中張性段、過(guò)渡段裂縫發(fā)育數(shù)量少，但裂縫有效性高；壓扭段儲(chǔ)集層出現(xiàn)大量網(wǎng)狀縫，線密度大但有效性差。

2.2 構(gòu)造主裂縫的定義及研究思路

由于巖心資料過(guò)少，代表性差，巖心裂縫描述無(wú)法真實(shí)地體現(xiàn)裂縫在地下儲(chǔ)層中的真實(shí)規(guī)模；而FMI成像測(cè)井雖然能體現(xiàn)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育的連續(xù)性，但多解性強(qiáng)。大量的巖心及FMI成像測(cè)井資料顯示，裂縫數(shù)量并不是決定裂縫有效性的關(guān)鍵因素(圖3)，F(xiàn)MI成像識(shí)別出15條傾角在40～70 °之間的裂縫，從巖心歸位標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)，該處僅發(fā)育2條規(guī)模較大的裂縫，其余均以伴生縫的形式存在。

通過(guò)對(duì)不同構(gòu)造位置的鉆井巖心、成像測(cè)井資料的分析，張性段及過(guò)渡段中規(guī)模較大的裂縫總體與地層近似垂直、傾向相反，而規(guī)模較小的裂縫常與地層斜交，傾角雜亂，多為規(guī)模較大裂縫的伴生縫；壓扭段儲(chǔ)層較少發(fā)育有效裂縫，傾角、傾向均雜亂。

圖3 基于巖心標(biāo)定下FMI成像測(cè)井裂縫組合

儲(chǔ)集層垂向的有效溝通需要相對(duì)規(guī)模大、滲流特征明顯的裂縫。因此，借鑒構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中主節(jié)理的研究?jī)?nèi)容，定義構(gòu)造主裂縫是由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下產(chǎn)生的規(guī)模明顯大于研究區(qū)平均裂縫規(guī)模的、有效性高的、滲透率大的構(gòu)造型裂縫。構(gòu)造主裂縫基本上與地層垂直，裂縫傾向與地層傾向相反(圖4)；而伴生縫常與地層斜交，裂縫傾向與地層傾向之間夾角可呈任意角度。

圖4 應(yīng)力環(huán)境差異下裂縫發(fā)育特征

3 基于地層傾角的FMI成像測(cè)井裂縫傾角校正

根據(jù)上述研究思路，通過(guò)FMI成像裂縫傾角校正方法，將地層還原到水平條件下，在剔除大量次生裂縫的基礎(chǔ)上，找出儲(chǔ)層中構(gòu)造主裂縫的相應(yīng)位置，還原真正的裂縫發(fā)育規(guī)模，為儲(chǔ)層改造提供合理的理論基礎(chǔ)。具體做法如下[19-20]。

(1) 將巖層界面的單位法向矢量分解為大地坐標(biāo)系中的3個(gè)分量。

(2) 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)后，求出分量在地層傾角坐標(biāo)系中的視傾角、視傾向，通過(guò)整理可得到地層的視傾角，進(jìn)而求得裂縫在地層傾角坐標(biāo)系中的視傾角。

(3) 裂縫校正方法與地層傾角校正方法相似，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)、坐標(biāo)變換后，得到裂縫法線矢量在大地坐標(biāo)系中的3個(gè)分量轉(zhuǎn)換為地層傾角坐標(biāo)系矢量的分量。得到裂縫法線矢量在大地坐標(biāo)系中的分量，將其再轉(zhuǎn)換至地層傾角坐標(biāo)系中。

(4) 計(jì)算裂縫相對(duì)地層的傾角、視傾向，利用FMI成像測(cè)井可以識(shí)別出地層的視傾角、視傾向，則計(jì)算裂縫在成像圖中識(shí)別的裂縫視傾角、裂縫相對(duì)地層的視傾向差，最終求出裂縫在地層傾角坐標(biāo)系中的視傾向。

(5) 通過(guò)坐標(biāo)變換及計(jì)算，校正裂縫相對(duì)于地層的傾角。

4 構(gòu)造主裂縫識(shí)別結(jié)果及地質(zhì)意義

4.1 構(gòu)造主裂縫識(shí)別結(jié)果

通過(guò)上述方法將裂縫的視傾角校正到地層水平條件下的真傾角后，與褶皺同時(shí)期形成的構(gòu)造型裂縫傾角會(huì)普遍增大，構(gòu)造主裂縫傾角總體與地層垂直，一般在校正后大于80 °；而非構(gòu)造形成的次級(jí)裂縫或伴生裂縫在校正后裂縫傾角普遍減小，校正后裂縫傾角為20～60 °。根據(jù)這一規(guī)律，以克深2井區(qū)構(gòu)造高部位的KS201井為例，目的層頂部6 492～6 784 m的井段共發(fā)育290條裂縫，地層傾角、傾向按照白堊系巴什基奇克組頂部庫(kù)姆格列木群下泥巖段中識(shí)別的泥巖層理進(jìn)行裂縫傾角校正，識(shí)別KS201井處的地層傾角為11 °、傾向?yàn)?55 °。結(jié)果表明，該井共識(shí)別出20條構(gòu)造主裂縫(圖5)，僅占裂縫總數(shù)量的6.9%；該井裂縫走向總體以WE、NW、NS向?yàn)橹?，而?gòu)造主裂縫卻以WE方向?yàn)橹?，主裂縫傾角普遍大于80 °，裂縫傾向與地層傾向相反，反映構(gòu)造縫特征；非構(gòu)造主裂縫的發(fā)育數(shù)量較大，會(huì)掩蓋主裂縫的真實(shí)走向，在裂縫評(píng)價(jià)過(guò)程中，須注意剝離非構(gòu)造裂縫。

4.2 構(gòu)造主裂縫與產(chǎn)量之間的關(guān)系

克拉蘇構(gòu)造帶由于儲(chǔ)層埋藏深度大、巖性致密，裂縫較發(fā)育，一般需對(duì)裂縫集中發(fā)育段進(jìn)行射孔優(yōu)選、酸化、壓裂等作業(yè)，才能保證氣井高產(chǎn)。部分學(xué)者[8，20]認(rèn)為，如果裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角大于45 °，裂縫面會(huì)受到擠壓而發(fā)生閉合，繼而降低裂縫的有效性；裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角小于45 °，裂縫才能保持有效性，通常對(duì)地應(yīng)力與裂縫走向夾角較小的位置進(jìn)行射孔。裂縫優(yōu)勢(shì)方向代表數(shù)量眾多的伴生縫、次級(jí)裂縫的走向，該種裂縫數(shù)量多、規(guī)模小、有效性差、滲流能力有限；而構(gòu)造主裂縫的數(shù)量少，規(guī)模卻明顯大的多，裂縫的優(yōu)勢(shì)方向會(huì)掩蓋構(gòu)造主裂縫的真實(shí)方向。因此，構(gòu)造主裂縫與最大主應(yīng)力方向的夾角評(píng)價(jià)，才是氣藏評(píng)價(jià)井高產(chǎn)的關(guān)鍵，而非裂縫的優(yōu)勢(shì)方向與最大主應(yīng)力方向的夾角評(píng)價(jià)。實(shí)鉆資料表明，克拉蘇構(gòu)造帶儲(chǔ)層裂縫走向與最大水平主應(yīng)力夾角大于45 °的井仍然獲得高產(chǎn)氣流，如KS202井，裂縫走向以WWN、NWW 2個(gè)優(yōu)勢(shì)方向?yàn)橹鳎c最大主應(yīng)力走向之間的夾角為40～50 °，通過(guò)裂縫傾角校正后，剝離出構(gòu)造主裂縫的走向與最大主應(yīng)力的夾角為10 °；位于南翼近斷裂的KS2-2-3井，裂縫優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W—SE、EW，裂縫優(yōu)勢(shì)方向與最大主應(yīng)力方向夾角為40～50 °，理論上裂縫有效性差，較難獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流。測(cè)試資料表明，該井測(cè)試中獲得日產(chǎn)氣為25.32×104m3/d(表1)。

通過(guò)構(gòu)造傾角校正后，主裂縫方向與最大主應(yīng)力方向夾角僅為12 °。因此，在儲(chǔ)集層改造中，需識(shí)別出構(gòu)造主裂縫的發(fā)育位置，為射孔方案、壓裂層段優(yōu)選提供理論支持。

5 結(jié) 論

(1) 白堊系巴什基奇克組儲(chǔ)集層垂向應(yīng)力分布存在差異，從上至下分為張性段、過(guò)渡段、壓扭段。張性段以拉張應(yīng)力為主，裂縫發(fā)育密度低，有效性高；過(guò)渡段拉張應(yīng)力有所減弱，裂縫發(fā)育密度有所提高，但有效性降低；壓扭段儲(chǔ)集層以擠壓應(yīng)力為主，裂縫發(fā)育密度顯著提高，有效性最差。

(2) 通過(guò)構(gòu)造傾角校正方法可以較好地識(shí)別出構(gòu)造主裂縫的發(fā)育位置，一般情況下，校正后傾角大于80°的裂縫，才是克拉蘇地區(qū)鹽下超深儲(chǔ)層中的構(gòu)造主裂縫，氣測(cè)顯示好；非構(gòu)造主裂縫的發(fā)育數(shù)量大，通過(guò)地層傾角校正后，裂縫傾角普遍集中在20～60 °，規(guī)模較小。

(3) 當(dāng)最大主應(yīng)力方向與構(gòu)造主裂縫走向夾角小于45 °時(shí)，構(gòu)造主裂縫才能保持有效性，在構(gòu)造主裂縫位置處射孔測(cè)試及儲(chǔ)層改造才是氣井高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵。

圖5 克拉蘇構(gòu)造帶典型井裂縫傾角校正綜合柱狀圖

表1 克拉蘇構(gòu)造帶克深2氣藏裂縫走向與最大主應(yīng)力方向統(tǒng)計(jì)

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