鄂爾多斯盆地合水地區(qū)延長(zhǎng)組裂縫發(fā)育特征及控制因素

屈雪峰，趙中平，雷啟鴻，劉建，高武斌

(1.長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710021; 2.北京愛(ài)能泰克科技有限公司，北京 100012)

0 引言

近年來(lái)鄂爾多斯盆地超低滲透儲(chǔ)層中的天然裂縫對(duì)注水開(kāi)發(fā)的影響愈來(lái)愈引起了油田開(kāi)發(fā)工作者的重視[1-5]。據(jù)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)顯示，鄂爾多斯盆地眾多區(qū)域已開(kāi)展了裂縫研究工作，包括姬塬—元城、麻黃山、慶城—合水、沿河灣、五谷城、白豹、華慶、定邊、鎮(zhèn)原—涇川、侯市—杏河、胡尖山、隴東、寧縣、靖安—安塞、吳旗、盆地中東部、盆地中西部、鄂南(延長(zhǎng)油礦)等地區(qū)[6-30]。這些研究成果表明，除僅在盆地西南緣天環(huán)坳陷內(nèi)紅河油田發(fā)現(xiàn)了與斷層伴生的裂縫系統(tǒng)[31]外，其他成果均認(rèn)為盆地內(nèi)三疊系延長(zhǎng)組裂縫主要為區(qū)域性水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的區(qū)域構(gòu)造裂縫，其研究對(duì)象主要為巖心中鉆遇的天然小尺度裂縫。

長(zhǎng)期以來(lái)，鄂爾多斯盆地被認(rèn)為是穩(wěn)定的、弱構(gòu)造活動(dòng)的構(gòu)造單元， 盆地內(nèi)延長(zhǎng)組地層是不發(fā)育斷層的[32]。然而，越來(lái)越多的資料和證據(jù)表明盆地伊陜斜坡內(nèi)延長(zhǎng)組地層發(fā)育有不同規(guī)模的斷層，對(duì)于超低滲透儲(chǔ)層僅研究小尺度裂縫是不全面的，裂縫與斷層之間的關(guān)系以及裂縫研究和預(yù)測(cè)方法需要重新審視。本文以合水地區(qū)延長(zhǎng)組為例，探討斷層存在的證據(jù)、裂縫發(fā)育特征及控制因素。

1 斷層、破碎帶及小尺度裂縫組成復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)

合水地區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部(圖1)，近期綜合利用地震、鉆井、測(cè)井、巖心等資料在該區(qū)延長(zhǎng)組地層中發(fā)現(xiàn)了典型的斷層、破碎帶以及小尺度裂縫。

1.1 斷層

通過(guò)詳細(xì)分析合水地區(qū)的鉆井和二維地震資料后，在延長(zhǎng)組地層中發(fā)現(xiàn)了數(shù)條最大斷距可達(dá)110 m以上的走滑逆斷層(圖2a～圖2d),部分?jǐn)鄬悠矫嫜由扉L(zhǎng)度可達(dá)7 km以上。較大斷距斷層在研究區(qū)內(nèi)中部及東南部呈雁列式分布，斷層總體呈近NW—ES向展布，形成近NNW—SSE展布的主斷層帶(圖2e)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Schematic location of the study area

1.2 斷層破碎帶

與斷層伴生的斷層破碎帶內(nèi)巖石被眾多的裂縫切割而碎裂成小塊，裂縫密度大，裂縫異常發(fā)育，裂縫條數(shù)難以統(tǒng)計(jì)；而且破碎帶不受巖性界面控制，與斷層一樣穿層發(fā)育[33]。合水地區(qū)長(zhǎng)63水平井在鉆井過(guò)程中發(fā)生了不同程度的鉆井液漏失現(xiàn)象，其中部分井區(qū)漏失嚴(yán)重，漏失段為低電阻率、高時(shí)差特征的斷層破碎帶(圖3a)。相對(duì)于直井而言，水平井更易鉆遇破碎帶。統(tǒng)計(jì)表明，區(qū)內(nèi)258口水平中有116口井水平段鉆遇了破碎帶；在觀察巖心的50口直井中僅有3口井、4段取到了破碎帶巖心(圖3b )。研究區(qū)發(fā)現(xiàn)的破碎帶巖心與在其他地區(qū)的典型裂縫性油氣藏中發(fā)現(xiàn)的破碎帶巖心特征是一致的。

a—開(kāi)發(fā)區(qū)斷層分布圖；b—過(guò)W1井二維地震剖面；c—過(guò)W3井二維地震剖面；d—1～5井長(zhǎng)6地層對(duì)比剖面；e—合水地區(qū)長(zhǎng)7底斷層分布a—fault distribution in development zone;b—2D seismic profile through the W1 well;c—2D seismic profile through the W3 well;d—Chang 6 formation correlation section from well 1 to well 5;e—fault distribution map at Chang 7 formation bottom in Heshui area圖2 斷層證據(jù)及斷層分布Fig.2 The faults development evidence and distribution map

a—斷層破碎帶電測(cè)曲線特征;b—斷層破碎帶巖心;c—水平井開(kāi)發(fā)區(qū)鉆遇的破碎帶與構(gòu)造疊合分布a—log curve characteristics of fault damage zone;b—the cores of fault damage zone;c—the overlap map of the drilled fault damage zone in horizontal well development area and the structure map圖3 斷層破碎帶特征及其在水平井開(kāi)發(fā)區(qū)的平面分布Fig.3 The characteristics of fault damage zone and its distribution in horizontal wells development area

研究區(qū)水平井鉆遇的破碎帶主要分布在研究區(qū)西北部及南部斷層末端延伸處，中部及東南部大斷層發(fā)育區(qū)破碎帶不發(fā)育(圖3c)。

1.3 天然小尺度裂縫

巖心中發(fā)現(xiàn)的小尺度裂縫按照力學(xué)性質(zhì)劃分，張扭縫較發(fā)育,占53%，剪切縫占47%;按成因類(lèi)型可劃分為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下普遍發(fā)育的受小層所限的裂縫和與斷層相關(guān)的裂縫兩類(lèi),前者受巖性、機(jī)械層等控制，縱向上裂縫通常終止于巖性界面處(圖4a)，表現(xiàn)為“小切深、低密度”特征,后者往往能夠切穿不同巖性段、不受機(jī)械層控制、裂縫密度較大。如某井第2次取心79～96塊共2.2 m巖心中發(fā)育了10條裂縫，其中第86～88塊、94～95塊發(fā)育的裂縫切穿了不同的巖性段(圖4b)。巖心觀察中見(jiàn)到的多為受小層所限的裂縫，很少見(jiàn)到與斷層相關(guān)的穿層裂縫。

總之，合水地區(qū)延長(zhǎng)組發(fā)育由斷層—破碎帶—小尺度裂縫組成的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)，它們共同作用影響地下儲(chǔ)層的非均質(zhì)性、滲流能力，從而對(duì)油氣生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響。

a—受巖性界面控制的小尺度裂縫;b—與斷層伴生的小尺度裂縫a—small-scale fractures controlled by lithologic interface;b—small-scale fractures associated with faults圖4 兩種類(lèi)型的小尺度裂縫Fig.4 Two types of small-scale fractures

2 影響裂縫發(fā)育程度的主控因素

2.1 小尺度裂縫發(fā)育程度與巖性及地層厚度的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)表明，巖心中發(fā)現(xiàn)的裂縫主要分布在細(xì)砂巖中，其次為粉砂巖(圖5a)，大段塊狀含油砂巖中少見(jiàn)裂縫。巖芯中發(fā)現(xiàn)的天然裂縫幾乎均為小層所限的小尺度裂縫，上下終止于巖性界面處。因此裂縫切深反應(yīng)了裂縫發(fā)育段的巖層厚度；總體上巖層越薄裂縫越發(fā)育，10 cm左右厚度的巖層中裂縫最發(fā)育(圖5b)。

2.2 小尺度天然裂縫縱向分布特征

對(duì)50口井3 200 m巖心中發(fā)現(xiàn)的500余條天然小尺度裂縫統(tǒng)計(jì)分析表明，縱向上天然裂縫主要發(fā)育在砂體頂部、底部的砂泥互層層段中，其次為砂體內(nèi)部的薄層以及鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖中；大段塊狀砂巖內(nèi)總體裂縫不發(fā)育(圖6)。眾多吸水剖面資料也表明，注水井尖峰狀吸水段也主要分布在砂體頂部、底部的砂泥互層層段中。這一特征表明天然裂縫在縱向上的分布具有一定的優(yōu)勢(shì)層位，這為天然小尺度裂縫發(fā)育段的橫向預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。

a—發(fā)育程度與巖性的關(guān)系;b—裂縫切深分布直方圖a—the relationship between fracture development and lithology;b—the histogram of fracture height圖5 裂縫發(fā)育程度與巖性及層厚的關(guān)系Fig.5 The relationship between fracture development degree and lithology and bed thickness

a—某井天然裂縫縱向分布;b—縱向不同位置小尺度裂縫分布頻率統(tǒng)計(jì)a—longitudinal distribution of natural fractures in a well;b—statistics on the distribution frequency of small scale fractures at different longitudinal position圖6 天然裂縫縱向發(fā)育特征及不同位置分布頻率統(tǒng)計(jì)Fig.6 The longitudinal development characteristics of small-scale fractures and its distribution frequency in different zones

2.3 破碎帶與小尺度裂縫平面分布特征

巖心裂縫線密度餅圖與破碎帶及斷層分布的疊合圖(圖3c)表明，平面上巖心中裂縫發(fā)育密度與破碎帶分布具有很好的一致性。在水平井鉆遇的破碎帶較發(fā)育區(qū)，總體裂縫線密度和裂縫發(fā)育段比例相對(duì)較高。在研究區(qū)中部、東南部大斷層發(fā)育區(qū)，破碎帶總體不發(fā)育，巖心裂縫線密度和裂縫發(fā)育段總體比例較低；在這一區(qū)帶內(nèi)，其中有一口井的巖心中未發(fā)現(xiàn)裂縫，另一口井中發(fā)現(xiàn)3條裂縫，而其他兩口井中僅各見(jiàn)1條裂縫。

由此可見(jiàn)，小斷層末端延伸方向往往破碎帶密集發(fā)育，大斷距斷層附近破碎帶和裂縫相對(duì)不發(fā)育，破碎帶發(fā)育區(qū)小尺度天然裂縫較發(fā)育。

2.4 破碎帶、小尺度裂縫發(fā)育程度與構(gòu)造曲率的關(guān)系

破碎帶和裂縫較發(fā)育處，構(gòu)造起伏大、曲率高；破碎帶和裂縫不發(fā)育處，構(gòu)造較平緩，曲率低。另外，生產(chǎn)中裂縫型見(jiàn)水的水平井主要分布在鼻狀隆起兩翼的低洼部位，這說(shuō)明構(gòu)造曲率對(duì)裂縫發(fā)育具有一定的控制作用。

長(zhǎng)7底界特征明顯、是良好的區(qū)域?qū)Ρ葮?biāo)志層，根據(jù)編制的長(zhǎng)7底界構(gòu)造圖，計(jì)算了構(gòu)造曲率(圖7)。對(duì)比和統(tǒng)計(jì)表明(表1)，破碎帶和小尺度裂縫發(fā)育程度與構(gòu)造曲率具有很好的相關(guān)性。研究區(qū)內(nèi)雁列式大斷層發(fā)育帶構(gòu)造曲率最低，該帶內(nèi)總體破碎帶明顯不發(fā)育；破碎帶發(fā)育區(qū)主要位于較高的構(gòu)造曲率區(qū)，較高構(gòu)造曲率區(qū)內(nèi)天然小尺度裂縫也較發(fā)育。因此，合水地區(qū)長(zhǎng)7底界的構(gòu)造曲率屬性可以作為定量預(yù)測(cè)破碎帶和小尺度裂縫分布的重要屬性。

圖7 水平井開(kāi)發(fā)區(qū)鉆遇破碎帶與長(zhǎng)7底構(gòu)造曲率疊合圖(圖例同圖3)Fig.7 Overlapped map of the fault damage zones distribution and Chang7 bottom structure map in horizontal wells development area(legends are the same as figure3)

表1 不同曲率區(qū)裂縫發(fā)育程度統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of small-scale fractures development degree in different curvature area

綜上所述，天然小尺度裂縫的發(fā)育明顯受機(jī)械層控制，斷層、破碎帶、小尺度裂縫之間存在著成因聯(lián)系；構(gòu)造曲率可以很好地預(yù)測(cè)破碎帶和小尺度裂縫的發(fā)育程度；具有明顯斷距的走滑逆斷層發(fā)育帶總體裂縫發(fā)育程度低，其外圍裂縫總體較發(fā)育。這一認(rèn)識(shí)為研究區(qū)裂縫定量預(yù)測(cè)提供了思路和依據(jù)。

3 幾點(diǎn)啟示

本次研究表明，合水地區(qū)延長(zhǎng)組地層發(fā)育由斷層、斷層破碎帶和天然小尺度裂縫組成的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)；斷層破碎帶受斷層控制、裂縫特別發(fā)育，縱向和橫向均能延伸一定的距離，對(duì)油井生產(chǎn)有一定的影響；相對(duì)于斷層破碎帶，普遍發(fā)育的天然小尺度裂縫切深小，受巖性界面控制，主要發(fā)育在砂層頂?shù)妆由澳嗷又?，其密度較低、難以提供有效的等效滲透率，對(duì)油水井生產(chǎn)的直接影響是有限的。此前公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)鄂爾多斯盆地伊陜斜坡內(nèi)延長(zhǎng)組的裂縫研究，主要圍繞的是天然小尺度裂縫，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到斷層和斷層破碎帶的存在。因此，在今后合水地區(qū)乃至整個(gè)鄂爾多斯盆地伊陜斜坡內(nèi)研究超低滲透儲(chǔ)層的裂縫時(shí)，應(yīng)充分重視斷層和破碎帶的各種響應(yīng)特征，重點(diǎn)研究斷層破碎帶對(duì)油水井生產(chǎn)的影響，將斷層、破碎帶和天然小尺度裂縫當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)研究，而不應(yīng)僅研究天然小尺度裂縫。

在斷層—破碎帶—小尺度裂縫這一復(fù)雜系統(tǒng)中，斷層可以利用二維地震、鉆井資料來(lái)確定，其分布是確定的；破碎帶受斷層控制，而對(duì)于小尺度天然裂縫而言，能夠直接用于描述其分布特征的資料是十分有限的，其分布具有很大的不確定性。分析三者之間的關(guān)系，有助于較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)這一復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的分布特征，提高裂縫預(yù)測(cè)精度，減小裂縫分布的不確定性。

目前在超低滲透油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)層均要經(jīng)過(guò)大規(guī)模水力壓裂改造，如何更好地利用超低滲透儲(chǔ)層中發(fā)育的天然復(fù)雜斷裂系統(tǒng)，應(yīng)是今后類(lèi)似油藏高效開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要課題。因此，本區(qū)的裂縫研究給了我們以下幾點(diǎn)啟示，也具有一定的指導(dǎo)意義。

1)水平井是開(kāi)發(fā)此類(lèi)儲(chǔ)層的最優(yōu)方式。天然構(gòu)造裂縫、破碎帶均以高角度為主，因此直井鉆遇裂縫的概率是非常低的；而水平井的水平段與天然構(gòu)造裂縫、破碎帶近于垂直，因此鉆遇的概率非常高；而且可以鉆遇多段破碎帶或天然裂縫，溝通更多的儲(chǔ)層。所以，水平井是開(kāi)發(fā)這類(lèi)儲(chǔ)層的最優(yōu)井型。本次研究發(fā)現(xiàn)的破碎帶，除了50口直井巖芯觀察井中有3口井發(fā)現(xiàn)4段破碎帶外，其余的均為水平井鉆遇。如果研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有這些水平井，僅利用斜井或直井資料，則難以認(rèn)識(shí)到破碎帶的普遍存在。

2)選擇最優(yōu)化的完井方式。目前合水地區(qū)套管水泥固井的完井方式導(dǎo)致大多天然裂縫和破碎帶未能直接與井底溝通，其對(duì)油水井生產(chǎn)的影響可能有限。建議今后針對(duì)類(lèi)似儲(chǔ)層開(kāi)展水平井完井方式優(yōu)化研究并現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如裸眼篩管完井方式等。

3)水平段方位優(yōu)化。目前完鉆水平井水平段方位均垂直于現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向，沒(méi)有考慮其它的因素。發(fā)育的斷層破碎帶延伸方位與鄰近斷層方位一致，其與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向NE75°有一定夾角。因此，建議今后開(kāi)展水平井水平段方位優(yōu)化工作，考慮利用斷層破碎帶。

4)采用合理的壓裂改造規(guī)模。對(duì)不同裂縫發(fā)育程度區(qū)，超低滲透儲(chǔ)層應(yīng)采用不同的壓裂改造規(guī)模。破碎帶及天然小尺度裂縫不發(fā)育區(qū)，應(yīng)加大儲(chǔ)層的壓裂改造規(guī)模；破碎帶及天然小尺度裂縫發(fā)育區(qū)，應(yīng)減小儲(chǔ)層的壓裂改造規(guī)模。

4 結(jié)論

1)研究表明，合水地區(qū)延長(zhǎng)組地層發(fā)育由斷層—破碎帶—小尺度裂縫組成的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)，因此，鄂爾多斯盆地伊陜斜坡內(nèi)延長(zhǎng)組地層的天然裂縫研究應(yīng)將斷層、破碎帶和天然小尺度裂縫作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮分析，而不應(yīng)僅針對(duì)天然小尺度裂縫進(jìn)行研究。

2)小尺度裂縫的發(fā)育明顯受機(jī)械層控制，斷層、破碎帶、小尺度裂縫之間存在著成因聯(lián)系，而構(gòu)造曲率可以很好地預(yù)測(cè)破碎帶和小尺度裂縫的發(fā)育程度。

3)如何更好地利用超低滲透儲(chǔ)層中發(fā)育的天然復(fù)雜斷裂系統(tǒng)，應(yīng)是今后類(lèi)似油藏高效開(kāi)發(fā)的一個(gè)重要課題。