鄂爾多斯盆地安塞地區(qū)長6儲層裂縫特征及主控因素

張玉銀，趙向原，焦　軍

(1. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2. 中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

低滲透油藏均不同程度地發(fā)育天然裂縫[1-5]，而國內(nèi)大部分油田對這類油藏多采用注水開發(fā)，普遍認(rèn)為裂縫系統(tǒng)對低滲透油田開發(fā)的影響具有雙重性[6]。隨著低滲透裂縫性油藏進(jìn)入注水開發(fā)中后期，裂縫系統(tǒng)對開發(fā)影響的雙重性表現(xiàn)出新的特征，即長期注水開發(fā)過程中隨著注水壓力不斷提高，當(dāng)超過裂縫的開啟壓力時，在現(xiàn)今應(yīng)力場等因素的作用下，會使儲層中某一組天然裂縫張開、擴(kuò)展并相互連通，形成注水誘導(dǎo)裂縫，嚴(yán)重影響水驅(qū)效果[7-11]。為此，研究天然裂縫特征，弄清裂縫發(fā)育的主控因素，對進(jìn)一步開展裂縫分布表征、弄清天然裂縫與注水誘導(dǎo)裂縫之間的關(guān)系具有重要意義。本文以鄂爾多斯盆地安塞地區(qū)長6低滲透砂巖油藏為例，充分利用巖心、露頭及測井等資料，研究天然裂縫成因類型及特征，弄清裂縫發(fā)育的主控因素，為進(jìn)一步研究裂縫對開發(fā)的影響提供地質(zhì)依據(jù)。

1　地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地為疊合的克拉通拗陷盆地[12-13]，盆地由6個一級構(gòu)造單元構(gòu)成，分別為伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、西緣沖斷帶[14-15]。安塞地區(qū)位于伊陜斜坡的中東部，構(gòu)造活動十分微弱，地層產(chǎn)狀平緩，地層傾角0.5°左右，平均地層坡降(6～8) m/km，為一西傾單斜。由于差異壓實(shí)作用，在局部形成起伏較小(隆起幅度10～20 m)且軸向?yàn)榻鼥|西或北東-西南向的鼻狀隆起，對油氣富集具有一定的控制作用。該地區(qū)三疊系延長組地層為一套典型的河流—三角洲—湖泊相沉積體系[16]，地層自上至下劃分為長1～長10十個油層組，其中長6為主力油層組，在后期的成巖及構(gòu)造改造作用下，長6儲層較為致密，具有嚴(yán)重的非均質(zhì)性，儲層平均有效孔隙度11%～15%，空氣滲透率(1～3)×10-3μm2，為典型的低孔特低滲砂巖儲層(圖1)。

圖1研究區(qū)位置

2　天然裂縫特征

2.1　裂縫成因類型

根據(jù)巖心及相似露頭觀察，安塞地區(qū)長6儲層主要發(fā)育構(gòu)造裂縫和成巖裂縫兩種成因類型，裂縫不僅在低滲透砂巖中發(fā)育，在泥巖中也有分布。砂巖中構(gòu)造裂縫分布比較規(guī)則，裂縫面平直光滑，可見擦痕、階步、羽飾等現(xiàn)象，產(chǎn)狀穩(wěn)定，常成組出現(xiàn)(圖2a)，為典型的剪切裂縫。泥巖中構(gòu)造裂縫主要為泥巖滑脫縫(圖2b)，其主要特點(diǎn)是縫面光滑，具有鏡面特征，縫面上明顯可見順裂縫傾向的劃痕及微小陡坎，滑脫縫傾角一般中低角度為主。成巖裂縫主要有兩種類型，其中一類發(fā)育在泥質(zhì)巖類中，順巖層微層面破裂產(chǎn)生的裂縫；另一類發(fā)育在砂巖類中，主要在細(xì)砂巖和粉砂巖中(圖2c)，順著砂巖的微層理分布，延伸長度短，多在厘米級，順層理面發(fā)生彎曲、斷續(xù)、尖滅。成巖裂縫主要是在埋深成巖過程中形成的，與壓實(shí)和壓溶作用具有密切的關(guān)系。

巖心上一般不能觀察到構(gòu)造裂縫的全貌，通過相似露頭可以觀察到裂縫的分布形式。延河露頭剖面觀察長6地層構(gòu)造裂縫在平面上組系特征明顯，多見兩組裂縫之間(偶見兩組以上)相互切割、限制，呈棋盤格狀分布，多條裂縫以雁列式排列形成一條延伸較遠(yuǎn)的長縫，相鄰兩單條裂縫之間并不相互連通，而是存在較小的間距(圖2d)。剖面上看，構(gòu)造裂縫一般發(fā)育在單一巖層內(nèi)且垂直于巖層面發(fā)育，其分布受巖層界面控制，很少見到穿層現(xiàn)象，相同規(guī)模的同組裂縫在單巖層內(nèi)成等間距分布。

圖2巖心及延河露頭觀察儲層天然裂縫特征

2.2　裂縫參數(shù)特征

根據(jù)研究區(qū)成像測井資料及延河露頭觀察結(jié)果，分別繪制裂縫走向玫瑰花圖來確定裂縫走向分布。從圖中可以看出，安塞地區(qū)長6儲層構(gòu)造裂縫主要方位為北東向～北東東向、近東西向及北西向，發(fā)育程度依次減弱(圖3a)，與延河剖面觀察長6地層裂縫的走向存在較大的差異性(圖3b)，主要與巖層平面上不同部位巖石力學(xué)性質(zhì)的非均質(zhì)性有關(guān)。裂縫傾角分布方面：綜合巖心觀察和成像測井裂縫識別成果，長6儲層絕大多數(shù)裂縫以高角度縫為主，傾角大于60°的構(gòu)造縫占80%左右(圖4a)，大部分發(fā)育在砂巖儲層中，只有少數(shù)發(fā)育在泥巖中；傾角小于60°的中—低角度裂縫(不包括成巖裂縫)數(shù)量占20%左右，主要為發(fā)育在泥質(zhì)巖類中的泥巖滑脫縫。

圖3安塞地區(qū)長6儲層裂縫走向玫瑰花圖

圖4安塞地區(qū)長6儲層構(gòu)造裂縫傾角(a)和巖層厚度(b)分布

裂縫規(guī)模特征方面：通過巖心標(biāo)定、測井資料，進(jìn)而對裂縫性巖層厚度進(jìn)行識別可知，長6儲層構(gòu)造裂縫的高度主要分布在2 m以內(nèi)，大部分小于1.2 m(圖4b)，裂縫平面長度一般不超過21 m，部分裂縫高度可達(dá)2 m以上，平面延伸長度超過28 m。裂縫開度決定著裂縫的導(dǎo)流能力，通過對安塞地區(qū)長6儲層巖心構(gòu)造裂縫的地面開度進(jìn)行了測量，根據(jù)裂縫在地表和地下開度之間的校正關(guān)系，得到該區(qū)裂縫地下圍壓條件下的開度一般小于100 μm，主要分布在50～90 μm之間。巖心觀察顯示長6儲層裂縫礦物充填情況較少，占10%左右，充填礦物主要為方解石，以部分充填為主，少量全充填，無礦物充填的裂縫多被石油充填，反映了研究區(qū)大多數(shù)裂縫為有效裂縫。

3　裂縫發(fā)育的主控因素

通過對安塞地區(qū)長6儲層巖心及相似露頭觀察可知，平面上不同部位天然裂縫發(fā)育差異性很大，即使是同一地區(qū)的同一口取心井，不同層位上裂縫發(fā)育程度也存在較大差別。這是由于裂縫的形成除了與古構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)外，還受到儲層的巖性、層厚、沉積微相、巖層巖石力學(xué)性質(zhì)等因素影響。構(gòu)造應(yīng)力控制裂縫的力學(xué)性質(zhì)，其他因素主要影響了裂縫的發(fā)育特征及分布規(guī)律。

3.1　巖性

主要通過巖石成分、顆粒大小、巖石孔隙度等分析裂縫發(fā)育的影響因素。巖性不同，巖石力學(xué)性質(zhì)便會存在較大差別，即使受到相同構(gòu)造應(yīng)力作用，不同巖性的巖層發(fā)生破裂的情況也會產(chǎn)生差別。巖石成分主要是指巖石中脆性礦物組分的含量[17]，含脆性組分較多的巖石中裂縫通常較為發(fā)育，這類巖石如含鈣質(zhì)較高的砂巖、粉砂巖，或含石英、長石、白云石組分較高的巖石等，相比之下由于泥巖中幾乎不含脆性組分使得構(gòu)造裂縫基本不發(fā)育[18-19]。巖石顆粒大小及巖石孔隙度對巖性的影響體現(xiàn)在巖石致密程度上，一般來說，同一類巖性的不同巖層，顆粒成分小且孔隙度低的，巖石就越加致密，更容易發(fā)育裂縫。

根據(jù)安塞地區(qū)長6儲層巖心裂縫資料，對取心井單井裂縫縱向發(fā)育情況進(jìn)行了評價，并對各類巖性裂縫平均線密度分別進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，裂縫發(fā)育程度受巖性控制明顯，其中鈣質(zhì)砂巖和粉砂巖中裂縫最為發(fā)育(平均裂縫線密度分別為1.0 條/m和0.94 條/m)，其次為細(xì)砂巖(0.61 條/m)，泥巖中裂縫最不發(fā)育(0.48 條/m)(圖5)。總體來說，若將長6儲層巖性劃分為兩大類，即砂巖(含細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖)與泥巖(包括粉砂質(zhì)泥巖)，則砂巖中裂縫發(fā)育程度要遠(yuǎn)大于泥巖，基本反映了隨著泥質(zhì)含量的增加，巖石中裂縫的發(fā)育程度由高變低；而在砂巖中，粉砂巖裂縫相比細(xì)砂巖更為發(fā)育，體現(xiàn)了隨著巖石粒度變粗，裂縫發(fā)育程度有從高變低的趨勢。需要說明的是，該區(qū)鈣質(zhì)砂巖內(nèi)裂縫的發(fā)育程度最高，主要與鈣質(zhì)砂巖中的脆性礦物含量高有關(guān)。鈣質(zhì)砂巖一般為分選較好的細(xì)粉砂巖，當(dāng)脆性礦物含量較高而礦物顆粒的差別較小時，可能前者決定了巖石本身的破裂能力。

圖5長6儲層各巖性裂縫平均密度對比

3.2　層厚

根據(jù)相似露頭裂縫觀察統(tǒng)計(jì)，裂縫的發(fā)育受巖層層厚控制明顯[20]，在同一巖層內(nèi)發(fā)育的同組裂縫一般具有近似的規(guī)模，相鄰裂縫呈等間距分布，裂縫的間距及規(guī)模隨層厚的增大而增大，裂縫線密度變小，裂縫平均間距與巖層厚度之間呈較好的線性關(guān)系(圖6)。當(dāng)巖層厚度超過一定規(guī)模以后(>2.5 m)，裂縫基本不再發(fā)育。

圖6延河露頭觀察長6儲層裂縫平均間距與巖層厚度關(guān)系

層厚對裂縫的控制，本質(zhì)上講是巖石力學(xué)層控制裂縫的發(fā)育。巖石力學(xué)層指一套巖石力學(xué)行為相近或巖石力學(xué)性質(zhì)相一致的巖層，巖石力學(xué)層一般但不總是巖性均一層，即與通常所說的巖性層不完全一致[21]。長6儲層大多數(shù)巖性單一層與巖石力學(xué)層對應(yīng)較好，只有極少數(shù)巖石力學(xué)層同時包含了幾個不同的巖性層。裂縫平均間距與巖石力學(xué)層之間表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，在某一地區(qū)，裂縫通常只在某個厚度范圍內(nèi)的單個巖層內(nèi)發(fā)育，與巖層面斜交或垂直并終止于巖層界面上，當(dāng)超過這一厚度范圍時，由于巖層抵御構(gòu)造應(yīng)力破壞的能力變強(qiáng)，構(gòu)造應(yīng)力不足以使其發(fā)生破裂，裂縫基本不再發(fā)育。

3.3　沉積微相

沉積微相對裂縫發(fā)育程度的控制主要體現(xiàn)在不同微相控制不同部位地層的巖石成分、粒度、巖層厚度、巖層組合關(guān)系等[22-23]，使得不同微相中地層的巖石力學(xué)性質(zhì)存在較大差異，進(jìn)而影響了不同微相內(nèi)裂縫的發(fā)育程度。

安塞地區(qū)長6儲層沉積相類型主要為三角洲前緣亞相，又可分為水下分流河道、水下天然堤、水下分流間灣、河口壩及席狀砂等幾個微相，不同微相內(nèi)裂縫發(fā)育程度差別較大。根據(jù)巖心及露頭觀察，分別統(tǒng)計(jì)并計(jì)算了不同沉積微相內(nèi)構(gòu)造裂縫平均線密度(圖7)，其中席狀砂內(nèi)裂縫最為發(fā)育(裂縫線密度為2.6 條/m)，河口壩次之(平均為0.68 條/m)，水下分流間灣微相裂縫發(fā)育程度最差(0.32 條/m)。這是因?yàn)閷τ谌侵耷熬壪癄钌皝碚f，巖石顆粒組分細(xì)，分選較好，泥質(zhì)含量低，砂體厚度薄，更易發(fā)育裂縫；而水下分流河道砂體巖石顆粒組分相對較粗，不同類型河道砂體厚度差異性較大，厚層砂體內(nèi)裂縫基本不發(fā)育，只有小于一定厚度的砂體內(nèi)才發(fā)育裂縫，造成了該類砂體裂縫平均密度值較?。粚τ谒绿烊坏痰纫恍┮猿练e泥質(zhì)為主的微相來說，由于泥質(zhì)含量較高，脆性較差，不易于裂縫的產(chǎn)生。鈣質(zhì)砂巖主要分布在部分水下分流河道砂體的中部或下部以及河口壩砂體的中部或上部，在分選較好、顆粒支撐的薄層細(xì)砂巖(如席狀砂)中也較為發(fā)育。與水下分流河道及河口壩中的鈣質(zhì)夾層厚度相比，薄層細(xì)砂巖中的鈣質(zhì)夾層規(guī)模一般相對較小，因此厚度較薄的鈣質(zhì)夾層中一旦發(fā)育裂縫，則具有較大的裂縫線密度。

圖7長6儲層不同沉積微相內(nèi)裂縫發(fā)育密度對比

3.4　巖石力學(xué)性質(zhì)

通過對安塞地區(qū)20余口井目的層巖心的巖性描述及裂縫統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，砂巖中主要以發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫(傾角≥60°)為主，占裂縫總數(shù)的65%；而在泥巖和含泥質(zhì)砂巖中主要發(fā)育中—低角度裂縫(傾角<60°)，反映了不同巖性除了控制裂縫發(fā)育程度以外，還影響著裂縫的參數(shù)特征，這主要與不同巖性的巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

通過測井資料及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取了20余口井單井巖石力學(xué)(參數(shù)包括楊氏模量、泊松比及脆性指數(shù))剖面[3]，并統(tǒng)計(jì)分析了不同巖性的巖石力學(xué)參數(shù)特征，由此可知：純砂巖的楊氏模量和脆性指數(shù)參數(shù)值均較大，而純泥巖的則相對較小，含泥質(zhì)砂巖的楊氏模量和脆性指數(shù)介于純砂巖和純泥巖之間，說明從純砂巖至純泥巖的巖性序列中，隨著砂質(zhì)成分百分含量降低及泥質(zhì)成分百分含量的升高，其脆性越來越小。因此可判斷，巖石的脆性程度影響著自身的破裂特征，當(dāng)脆性指數(shù)較大時，以產(chǎn)生高角度縫為主，當(dāng)脆性指數(shù)逐漸降低時，巖石破裂更易產(chǎn)生斜交縫或低角度縫、滑脫縫。此外，不同巖性的裂縫發(fā)育程度存在較大差異性，也主要與巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，鈣質(zhì)砂巖和粉砂巖中裂縫最為發(fā)育，其脆性指數(shù)值在幾類巖性中最大，而泥巖的脆性指數(shù)最小，相應(yīng)的裂縫發(fā)育程度也最差(圖8)。

圖8WS1-1井儲層巖石力學(xué)參數(shù)與巖心裂縫關(guān)系

4　結(jié)論

(1)安塞地區(qū)長6儲層主要發(fā)育構(gòu)造裂縫、泥巖滑脫縫及成巖裂縫等類型。構(gòu)造裂縫走向以北東向～北東東向?yàn)橹?，少量近東西向及北西向。構(gòu)造裂縫縱向高度主要分布在1.2 m以內(nèi)，裂縫平面延伸長度一般不超過21 m，地下圍壓條件下構(gòu)造裂縫開度一般小于100 μm，主要分布在50～90 μm之間；裂縫礦物充填情況較少，占10%左右，有效性較好。

(2)裂縫在儲層中的分布特征具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，主要受巖性、層厚、沉積微相、巖層巖石力學(xué)性質(zhì)等地質(zhì)因素綜合控制。鈣質(zhì)砂巖和粉砂巖中裂縫最為發(fā)育，其次為細(xì)砂巖，泥巖中裂縫最不發(fā)育。一般在不超過2.5 m厚的巖層范圍內(nèi)，裂縫間距及規(guī)模隨層厚增大呈線性增大。席狀砂內(nèi)裂縫最為發(fā)育，其次為水下分流河道、河口壩，水下分流間灣裂縫最不發(fā)育。脆性較大的巖層裂縫發(fā)育程度較高，且多以高角度縫為主，而脆性較小的巖層裂縫發(fā)育程度差，且多發(fā)育低角度縫。