松遼盆地徐深氣田D區(qū)塊營城組火山巖構(gòu)造裂縫與地應(yīng)力特征

屈 洋

中國石油大慶油田有限責任公司勘探開發(fā)研究院

0 引言

火山巖儲層作為油氣勘探開發(fā)的新領(lǐng)域，具有較好的油氣儲量前景和較大的開發(fā)潛力。全世界火山巖氣藏30個左右，開發(fā)較成功的是日本長崗氣田。我國火山巖氣藏資源豐富，勘探開發(fā)前景廣闊，隨著天然氣業(yè)務(wù)快速發(fā)展，火山巖氣藏逐漸投入開發(fā)，已取得一定進展，如大港棗北地區(qū)白堊系下統(tǒng)沙三段玄武巖油氣藏，勝利大王地區(qū)的大72井沙三段安山巖油氣藏等[1-2]。徐家圍子斷陷是松遼盆地北部深層天然氣勘探的主要地區(qū)[3]，天然氣主要分布在營城組火山巖儲層之中，但由于火山巖儲層的低孔低滲、物性差、非均質(zhì)性強等特點，單井自然產(chǎn)能低，絕大部分需要人工壓裂才能獲得高產(chǎn)氣流[4]。裂縫的形成機理和延伸方向均受現(xiàn)今地應(yīng)力場控制，而對地應(yīng)力的認識在深層致密氣勘探及水平井設(shè)計上越發(fā)重要，鑒于徐家圍子斷陷現(xiàn)今地應(yīng)力的研究工作較少，急需開展火山巖裂縫與地應(yīng)力相關(guān)研究，為徐深氣田的井網(wǎng)部署、開發(fā)調(diào)整、優(yōu)化壓裂設(shè)計等提供重要依據(jù)。

為此，筆者通過巖心描述、黏滯剩磁定向綜合描述等方法研究松遼盆地北部徐深氣田D區(qū)塊營城組火山巖天然裂縫的發(fā)育特征，應(yīng)用電阻率成像測井、橫波各向異性測井方法解釋了該區(qū)最大水平主應(yīng)力方向，采用Newberry模型計算研究區(qū)的最小主應(yīng)力，基于雙井徑分析計算最大主應(yīng)力，明確該區(qū)水平井部署的軌跡方向。

1 構(gòu)造背景

徐家圍子斷陷為松遼盆地北部晚侏羅世—早白堊世伸展作用形成的半地塹式構(gòu)造，近南北向展布，南北向長95 km，中部最寬處60 km，面積5 350 km2，基底埋深1800～8 800 m。該斷陷為侏羅紀以來受徐西斷裂控制發(fā)育起來的近南東—北西向展布的箕狀斷陷，斷陷中部發(fā)育的徐中斷裂帶又進一步切割為次級斷階帶，可劃分為徐西凹陷、徐東凹陷、宋站低隆起、豐樂低隆起等多個構(gòu)造單元[5]（圖1）。

徐深氣田D區(qū)塊于徐家圍子斷陷中部，為一個受徐中斷裂控制的NNW向延伸的構(gòu)造帶，整體表現(xiàn)為北高南低、中部高東西兩側(cè)低的鼻狀構(gòu)造（圖2）。斷裂和裂縫系統(tǒng)是控制徐家圍子斷陷營城組天然氣藏分布的重要因素之一[6-7]，受火山活動與構(gòu)造運動雙重影響，徐深氣田D區(qū)塊的斷裂和裂縫的發(fā)育具有多期次、多方向、多組系特點，主要形成于早白堊世構(gòu)造伸展期和晚白堊世構(gòu)造反轉(zhuǎn)期。在晚侏羅世—早白堊世時期，松遼盆地受東西向張扭應(yīng)力作用，營城組火山巖成巖后在拉伸破裂機制下隨著主斷裂伴生南北向裂縫。晚白堊世應(yīng)力作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴号ば再|(zhì)，構(gòu)造作用最強，對該區(qū)裂縫的形成起主導作用。

圖1 徐家圍子構(gòu)造單元劃分圖

2 構(gòu)造裂縫特征

圖2 徐深D區(qū)塊營城組火山巖頂面構(gòu)造圖

地應(yīng)力對儲層的影響有兩方面：①地應(yīng)力增大使得構(gòu)造壓實作用及成巖作用加強，導致儲集層孔隙度、滲透率降低；②地應(yīng)力擠壓作用使得地層易形成構(gòu)造裂縫[8-9]。構(gòu)造裂縫是指巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫，是地應(yīng)力達到破裂條件時產(chǎn)生的永久變形[10]。徐深氣田營城組火山巖儲層在地史發(fā)展過程中經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動，形成的構(gòu)造裂縫與次生孔隙組合構(gòu)成了儲層的重要儲集空間[11-12]。徐深氣田D區(qū)塊營城組火山巖巖性以流紋巖、凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖為主，發(fā)育多種裂縫，包括構(gòu)造縫、成巖縫、風化縫、溶蝕縫等，其中構(gòu)造裂縫廣泛發(fā)育，從宏觀巖心和微觀薄片上均可見到（圖3），經(jīng)統(tǒng)計12口井170.43 m巖心977條裂縫中，構(gòu)造縫有767條，占統(tǒng)計的78.5%，平均線密度5.73條/m，平均面密度5.10 m/m2，縫寬介于0.001～2.8 mm，平均0.117 mm，主要發(fā)育在流紋巖、熔結(jié)凝灰?guī)r和晶屑凝灰?guī)r中。裂縫中開啟縫的平均線密度為3.60條/m，平均面密度3.43 m/m2（表1）?；鹕綆r裂縫多呈充填或半充填，充填物以方解石、硅質(zhì)及泥質(zhì)為主。裂縫充填后會大大減小儲集層滲透率和孔隙度，對油氣滲濾起阻礙作用，且不利于儲集層油氣運移，而開啟縫既可以作為油氣運動的快速通道，在一定程度上也可以作為儲集空間。

圖3 徐深氣田營城組D區(qū)塊巖心構(gòu)造裂縫和薄片構(gòu)造裂縫展示圖

表1 徐深氣田D區(qū)塊營城組火成巖裂縫參數(shù)統(tǒng)計表

營城組火山巖形成后受不同級別和期次的構(gòu)造應(yīng)力作用疊加改造，使構(gòu)造縫的表現(xiàn)形式較為復雜[13]。按裂縫尺度規(guī)模劃分，構(gòu)造縫中大縫較少，寬度0.1～10 mm的中縫及小縫約占裂縫統(tǒng)計的78.5%，寬度小于0.1 mm的微縫在巖心不好觀測，但在鏡下非常發(fā)育，這些微縫構(gòu)成本區(qū)油氣流動、運移的主要通道。按裂縫傾角劃分，構(gòu)造縫多為高角度縫（45°～75°）和低角度縫（15°～45°），占統(tǒng)計69.5%，這與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用有密切關(guān)系。按力學性質(zhì)劃分，構(gòu)造縫主要為有張性縫、壓扭性縫及剪性縫，根據(jù)共軛剪切裂縫分期配套顯示，裂縫可劃分為3期：早期為近SN向和NNW—SSE向，中期為NW—SE向，晚期為近EW向。

裂縫方位是評價各裂縫組系有效性的重要參數(shù)。它與油藏合理開發(fā)井網(wǎng)的部署密切相關(guān)。目前可用來直接或間接進行裂縫定向的方法較多，其中黏滯剩磁巖心定向是最直接最有效的一種方法，即通過熱退磁或交變退磁處理，將分離出的黏滯剩磁分量校正至現(xiàn)今地磁場方向，即對巖心及其裂縫進行歸位定向[14-15]。對區(qū)內(nèi)132塊火山巖巖樣進行了黏滯剩磁巖定向研究，描述了378條裂縫產(chǎn)狀，制作了12口井的裂縫走向玫瑰圖，結(jié)果表明：天然裂縫的優(yōu)勢方向為北西向和北東向共軛發(fā)育，近南北向上裂縫也有一定分布，裂縫方位與斷層走向具有較好的一致性，說明裂縫和斷層形成于相同的古應(yīng)力場環(huán)境，但局部地區(qū)也有差異性，如在斷裂稀疏帶處裂縫方位與就近斷層走向一致，斷裂密集帶附近裂縫方位相對較為復雜，主要是由于地層局部應(yīng)力環(huán)境復雜造成了裂縫走向規(guī)律性不明顯（圖4）。

3 地應(yīng)力分布特征

目前確定地層應(yīng)力的常用方法有3類：巖心室內(nèi)實驗、測井資料計算及有限元數(shù)值模擬[16]。其中，利用測井資料可方便迅速得到沿深度連續(xù)分布的地層應(yīng)力剖面，而且其成本低廉 、簡便實用、資料容易獲取而應(yīng)用廣泛[17-18]。

圖4 營城組單井裂縫走向與斷層疊合圖玫瑰圖

3.1 地應(yīng)力方向

應(yīng)用電阻率成像測井、橫波各向異性測井方法解釋了徐深氣田D區(qū)塊營城組16口單井地應(yīng)力方向，結(jié)果表明該區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為近東西向，局部存一定差異，如A6-108井附近最大水平主應(yīng)力方向為北西西向（圖5）。

圖5 營城組單井最大水平主應(yīng)力方向與斷層疊合圖

3.2 地應(yīng)力大小

徐家圍子斷陷的測井資料較豐富，地應(yīng)力大小的計算可以從測井資料入手。鑒于徐家圍子斷陷營城組火山巖儲層以低孔、低滲為主，且微裂縫發(fā)育，可應(yīng)用Newberry模型來計算該區(qū)的最小水平主應(yīng)力，再根據(jù)井眼的坍塌形狀（深度、寬度）與地應(yīng)力的關(guān)系估算出最大水平主應(yīng)力[19-20]。如雙井徑模型來計算表征水平地應(yīng)力非均質(zhì)性的應(yīng)力非平衡系數(shù)，即

式中σH、σh分別表示水平最大主應(yīng)力和水平最小主應(yīng)力，MPa；Dmin、Dmax分別表示雙井徑的最大值和最小值，cm；E、Ema分別表示楊氏模量和巖石骨架楊氏模量，MPa；K表示刻度系數(shù)，取值1～3。

計算徐家圍子斷陷水平主應(yīng)力的計算模型如下：

式中pp表示孔隙壓力，MPa；p0表示上覆巖層壓力，MPa；μ表示泊松比；α表示比奧特數(shù)；λ表示應(yīng)力非平衡系數(shù)；

應(yīng)用徐家圍子斷陷營城組37口井的縱橫波測井資料，結(jié)合體積密度測井資料可得到彈性模量、泊松比等巖石動態(tài)彈性參數(shù)。計算結(jié)果表明徐深氣田D區(qū)塊營城組的楊氏模量值較高，介于60.0～63.0 GPa，泊松比介于0.22～0.23。采用Newberry 模型計算徐家圍子斷陷水平最小主應(yīng)力，在計算最小水平主應(yīng)力的基礎(chǔ)上，研究井眼的實際坍塌形狀與地應(yīng)力的關(guān)系可以估算最大水平主應(yīng)力。計算的最大水平主應(yīng)力介于86.0～91.0 MPa，最小主應(yīng)力值介于69.0～75.0 MPa。徐深氣田D區(qū)塊營城組地應(yīng)力在工區(qū)南部最大主應(yīng)力值和最小主應(yīng)力值均較大，向北部逐漸變小（圖6、圖7）。

圖6 營城組最大水平主應(yīng)力等值線圖

4 地應(yīng)力、裂縫發(fā)育與水平井軌跡優(yōu)化設(shè)計

圖7 營城組最小水平主應(yīng)力等值線圖

徐深氣田D區(qū)塊營城組火山巖儲層物性差，非均質(zhì)性強，且單井自然產(chǎn)能低，屬于致密氣范疇。實施水平井開發(fā)并配給大規(guī)?？p網(wǎng)壓裂改造，可使人工裂縫與天然裂縫有效的溝通，大大改善儲層滲流條件，進一步提高單井產(chǎn)量和儲量動用程度。因此，水平井軌跡延伸方向優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)垂直于水平最大主應(yīng)力方向，即以SN向為主，井網(wǎng)部署過程中應(yīng)適當增加WE向井距以擴大井網(wǎng)控制范圍。在儲層壓裂改造過程中施工壓裂應(yīng)大于水平主應(yīng)力86.0 MPa，工區(qū)南部應(yīng)適當增加施工壓力，以達到破裂造縫的目的。油氣勘探開發(fā)過程中不僅需要宏觀區(qū)域地應(yīng)力場，也需要局部微觀地應(yīng)力場，且地層的裂縫及地應(yīng)力展布也是隨著油氣田開發(fā)不斷變化的，還應(yīng)加強不同組系裂縫滲流響應(yīng)及流固耦合等方面研究，為尋找剩余油氣、開發(fā)調(diào)整等進一步提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1）徐深氣田D區(qū)塊營城組天然裂縫主要為構(gòu)造縫，裂縫方向為北西向和北東向共軛發(fā)育，斷層稀疏帶處裂縫走向與附近斷層走向基本一致，斷層密集帶及交匯部位裂縫走向比較復雜。裂縫發(fā)育區(qū)多受構(gòu)造控制，主要集中在工區(qū)構(gòu)造左側(cè)的斜坡帶及斷裂附近。

2）徐深氣田D區(qū)塊營城組火山巖裂縫走向受地應(yīng)力控制，區(qū)塊內(nèi)最大水平主應(yīng)力為86.0～91.0 MPa，最小主應(yīng)力為69 .0～75.0 MPa，且二者的平面分布具有一定的相似性。

3）根據(jù)研究成果，該區(qū)水平井部署軌跡方向應(yīng)為SN方向，井網(wǎng)部署過程中應(yīng)適當增加WE方向井距以擴大井網(wǎng)控制范圍，在儲層壓裂改造過程中施工壓裂應(yīng)大于86.0 MPa，以達到破裂造縫的目的。