致密砂巖氣儲層裂縫的研究進(jìn)展

李王鵬，林 恬，王 愛

（中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

不同時(shí)期，不同國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和資源狀況等存在差異，致密砂巖氣儲層是個(gè)相對概念，并且由于其較低的基質(zhì)滲透率，未經(jīng)壓裂時(shí)一般難以獲得自然工業(yè)氣流[1]。

最早，美國能源部將孔隙度＜10%、原始地層滲透率＜0.1×10-3μm2、含水飽和度＞40%的含氣砂巖層作為致密氣砂巖儲層。結(jié)合我國地質(zhì)條件，中國國家能源局于2011年將孔隙度＜10%、地層滲透率＜0.1mD、孔喉半徑＜1μm、含氣飽和度＜60%的含氣砂巖層作為致密砂巖氣儲層[2]。致密砂巖氣藏一般在一定區(qū)域內(nèi)整體含氣[3]，但裂縫發(fā)育程度的差異性會(huì)影響儲層物性條件，并導(dǎo)致不同單井產(chǎn)量呈較大差異[4]。

致密砂巖氣儲層含氣性主要受控于裂縫發(fā)育特征，因此，對致密砂巖氣儲層裂縫進(jìn)行評價(jià)研究，可有效提高致密砂巖氣藏的開發(fā)效果，科研生產(chǎn)意義重大。

1 裂縫類型

影響裂縫發(fā)育的控制因素十分復(fù)雜，不同的分類依據(jù)形成了不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 裂縫分類方案[5-12]

續(xù)表

1.1 地質(zhì)及實(shí)驗(yàn)分類

根據(jù)裂縫的地質(zhì)成因或力學(xué)成因進(jìn)行分類，通常可采用野外露頭觀察、巖心描述或巖石力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)等方法。按照地質(zhì)成因，裂縫分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫。構(gòu)造裂縫對油氣勘探開發(fā)作用積極，屬于致密砂巖儲層發(fā)育的主要裂縫類型，包括反應(yīng)張應(yīng)力的張裂縫、反應(yīng)剪應(yīng)力的剪裂縫和張剪裂縫以及區(qū)域裂縫等[5-6]。構(gòu)造裂縫的形成主要受斷裂、褶皺等構(gòu)造作用控制[7，13]。一般地，區(qū)域裂縫分布較廣泛、長度長且延伸遠(yuǎn)、產(chǎn)狀穩(wěn)定、走向與區(qū)域最大主應(yīng)力方向平行，在構(gòu)造變形區(qū)和構(gòu)造平緩區(qū)皆發(fā)育[14]。非構(gòu)造成因裂縫的形成多與沉積過程中經(jīng)歷的壓實(shí)、壓溶等作用相關(guān)，如表1所示。

1.2 測井解釋分類

一般地，常規(guī)測井能準(zhǔn)確判別裂縫的發(fā)育特征，但不能對裂縫開展精細(xì)描述與分類。成像測井圖像可直觀顯示裂縫及其產(chǎn)狀、開度和延伸等情況[15]，也可判別裂縫形態(tài)和類 型[16]，主要分為天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫[9，19]。此外，根據(jù)裂縫自身參數(shù)特征（表1），無論是地質(zhì)、實(shí)驗(yàn)分類還是測井解釋分類，都可進(jìn)一步精細(xì)分類。如根據(jù)裂縫傾角分為水平縫、低角度縫、斜交縫、高角度縫和立縫[6，12]，不同產(chǎn)狀的裂縫在一起可組成網(wǎng)狀縫；根據(jù)裂縫面形態(tài)分為開啟裂縫、閉合裂縫、變形裂縫和充填裂縫[6]；根據(jù)裂縫尺度分為宏觀裂縫和微觀裂縫等[8]，尺度較大的斷裂也是由裂縫逐步發(fā)育而形成。

2 裂縫形成機(jī)理

2.1 構(gòu)造裂縫

巖層發(fā)生位移的剪切分量大小可將構(gòu)造裂縫分為剪裂縫和張裂縫。張裂縫（圖1a）分為擴(kuò)張裂縫和拉張裂縫，無剪切分量[18]；剪裂縫包含滑開型（圖1b）與撕開型（圖1c），具有一定剪切分量。裂縫根據(jù)所受應(yīng)力狀態(tài)分為3種破裂類型：單軸拉伸、單軸壓縮和三軸壓縮，如圖2所示。

圖1 裂縫的破裂樣式[18，22]

圖2 巖石破裂的基本類型及應(yīng)力狀態(tài)[18]

剪裂縫主要形成于壓應(yīng)力，且多數(shù)剪裂縫形成于水平方向的最大主應(yīng)力（σ1）和最小主應(yīng)力（σ3）[19]，在致密砂巖氣儲層中常見高角度剪裂縫。致密砂巖氣儲層中發(fā)育的低角度剪裂縫 屬于構(gòu)造作用下順著力學(xué)軟弱面剪切滑動(dòng)的產(chǎn)物[20-21]。剪切縫的 裂縫面上存在摩擦應(yīng)力，且隨著滑動(dòng)位移的增加，摩擦應(yīng)力會(huì)明顯減小，如圖3所示；而張裂縫的裂縫面上摩擦應(yīng)力為0[22]。

圖3 剪切型裂縫的擴(kuò)展過程[18，22]

張裂縫容易在圍壓小的近地表形成[23]，拉張裂縫形成于垂直于σ3的方向。在考慮儲層巖石的受力狀態(tài)、巖石本身的力學(xué)性質(zhì)差異及非均質(zhì)性基礎(chǔ)上，裂縫發(fā)育位錯(cuò)模型認(rèn)為，處于地下的儲層巖石裂紋在平面剪切力和反平面剪切力作用下分別滿足刃型和螺紋型位錯(cuò)[24]。

2.2 非構(gòu)造裂縫

非構(gòu)造裂縫主要包含表生裂縫、成巖裂縫、收縮裂縫、溶蝕裂和縫合線等，其形成與構(gòu)造應(yīng)力無關(guān)，主要受成巖或重力作用等非構(gòu)造因素控制[25-26]。表生裂縫易受后期風(fēng)化作用影響，成巖裂縫多發(fā)育在砂巖層中，收縮裂縫多形成于砂巖、泥頁巖和碳酸鹽巖的成巖作用，冷凝收縮縫發(fā)育于火山巖中，溶蝕裂縫和縫合線主要發(fā)育于碳酸鹽巖中[18]。

3 裂縫發(fā)育的影響因素

3.1 構(gòu)造應(yīng)力場

天然構(gòu)造裂縫的形成與構(gòu)造作用密切相關(guān)，其形成過程和期次受構(gòu)造活動(dòng)影響。構(gòu)造應(yīng)力是控制裂縫形成與發(fā)育的重要因素，它主要通過控制不同構(gòu)造部位的局部應(yīng)力場分布來控制巖石裂縫發(fā)育程度。如在褶皺的軸部和傾伏端等應(yīng)力相對集中的部位，裂縫發(fā)育密度大，而在翼部等構(gòu)造主曲率小的部位，裂縫發(fā)育程度相對較低[5，25]。地應(yīng)力的集中釋放會(huì)伴隨著斷裂面兩側(cè)巖塊的相對位移[27]，斷層應(yīng)力集中釋放的部位，裂縫發(fā)育程度高；反之，裂縫密度小[28]。相對于斷層下盤，作為主活動(dòng)盤的斷層上盤裂縫發(fā)育程度一般強(qiáng)于下盤[29]。壓扭性斷層、逆斷層、走滑斷層和正斷層等不同力學(xué)性質(zhì)的斷層附近裂縫發(fā)育程度也存在明顯差異[30]。裂縫進(jìn)一步發(fā)育可發(fā)展為斷層[31]，二者可看作是同一構(gòu)造應(yīng)力場作用下不同演化階段的具體表現(xiàn)，并在結(jié)構(gòu)上具有相似性[32]。

3.2 巖層物性參數(shù)

除受構(gòu)造應(yīng)力控制外，巖石組分和結(jié)構(gòu)特征等差異導(dǎo)致的巖石機(jī)械強(qiáng)度的不同也可能對裂縫發(fā)育產(chǎn)生影響[33]。一般地，粗砂巖有效裂縫發(fā)育程度最高，其次為中砂巖，細(xì)砂巖有效裂縫發(fā)育段明顯減小，粉砂巖幾乎不發(fā)育，說明砂巖的粒度越粗，有效裂縫越發(fā)育[34]。在裂縫發(fā)育段，石英等脆性礦物含量與裂縫發(fā)育程度及裂縫傾角呈正相關(guān)關(guān)系，即石英含量越高，有效裂縫越發(fā)育，裂縫傾角越大[28]。巖層厚度同樣會(huì)制約裂縫的發(fā)育，裂縫縱向延伸一般不超過巖層厚度，即巖層厚度越大，裂縫縱向發(fā)育規(guī)模越大，但裂縫發(fā)育密度越低，裂縫密度與巖層厚度呈負(fù)相關(guān)性[14]。

3.3 巖石非均質(zhì)性和流體壓力

在碎屑巖中，沉積或成巖作用造成的巖層非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致不同方向裂縫發(fā)育程度存在明顯差異，如兩套砂巖夾泥巖（圖4a）和兩套泥巖夾砂巖（圖4b）的裂縫發(fā)育特征呈明顯差異。不同構(gòu)造部位的巖層厚度、巖石組分及粒度等存在差異皆會(huì)影響裂縫的發(fā)育程度[29]，同時(shí)交錯(cuò)層理、沖刷面等應(yīng)力薄弱面也會(huì)影響裂縫的發(fā)育及分布[35]。此外，儲層巖石的致密程度和脆性程度會(huì)受成巖作用及成巖演化過程影響，進(jìn)而儲層的裂縫形成、發(fā)展和分布都會(huì)受到影響[12]，如成巖收縮裂縫和顆粒粒內(nèi)縫等發(fā)育均明顯受成巖因素影響，如圖4所示。

圖4 砂泥巖互層非均質(zhì)性對裂縫發(fā)育的影響[18]

4 裂縫的識別

4.1 地質(zhì)方法

4.1.1 露頭裂縫識別

野外露頭剖面觀測裂縫，是研究裂縫發(fā)育特征最直觀的方法，可對裂縫類型、長度、產(chǎn)狀、密度、開度及充填程度等特征進(jìn)行現(xiàn)場觀察與描述，還可根據(jù)野外實(shí)測參數(shù)建立裂縫發(fā)育地質(zhì)模型，對深入認(rèn)識儲層裂縫發(fā)育特征及分布規(guī)律具有重要意義[10，18，36]。野外露頭長期暴露地表，會(huì)導(dǎo)致裂縫開度等參數(shù)明顯大于地下裂縫。

4.1.2 巖心裂縫識別

巖心裂縫是識別儲層裂縫最直接有效的方法，可觀測分析裂縫的產(chǎn)狀、期次、充填特征和含油氣性等。巖心裂縫觀察時(shí)，應(yīng)注意判別天然裂縫和人工裂縫，消除人工裂縫的干擾。天然裂縫的裂縫面非光滑的平面，時(shí)常發(fā)育擦痕、階步等，并伴有方解石和石英等充填物，且具有明顯的組系。在取心過程中，巖心壓力釋放后裂縫開度比實(shí)際大，需后期校對。在進(jìn)行巖心裂縫觀察統(tǒng)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮不同裂縫開度及裂縫的尺度效應(yīng)[37]，如圖5所示。一般地，裂縫開度的增加會(huì)導(dǎo)致裂縫平均間距的增加，而累積頻率（裂縫條數(shù)/裂縫總長度）會(huì)減小。

圖5 不同裂縫開度條件下裂縫密度參數(shù)分布特征圖[4，41]

4.1.3 薄片裂縫識別

致密砂巖儲層中的微裂縫難以被肉眼識別[38]，但構(gòu)造應(yīng)力可使脆性巖石內(nèi)發(fā)育的裂隙相互連通甚至發(fā)展為宏觀裂縫[39]。微裂縫的連通性、充填性、充填物的期次和裂縫溶蝕特征等可通過顯微薄片和鑄體薄片觀察[18]。此外，鑄體薄片的巖石孔隙中被注入了有色液態(tài)膠，微裂縫在顯微鏡下可以有色化顯示[40]。應(yīng)注意鏡下薄片尺寸的制約而導(dǎo)致的鏡下統(tǒng)計(jì)誤差，該方法只能作為識別裂縫發(fā)育特征的輔助手段。

4.2 實(shí)驗(yàn)方法

聲學(xué)反演方法形成較早，可用來確定裂縫形態(tài)、密度，還可確定不同圍壓條件下閉合與張開微裂縫的比值和不同類型微裂縫的應(yīng)力敏感性[15]。將通過該方法確定的微裂縫參數(shù)與巖石礦物組分、物性及力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對比[42]，可確定優(yōu)勢微裂縫發(fā)育程度的主控因素。不同圍壓及孔隙壓力條件下裂縫對巖心裂縫孔隙度、滲透率的影響程度可通過巖心導(dǎo)流測試來確定[4]。巖體內(nèi)部孔縫三維分布狀態(tài)、裂縫孔隙度、開度等參數(shù)可通過CT掃描來客觀反映[4，43]。此外，真三軸破裂測試和聲發(fā)射等實(shí)驗(yàn)也可被用來識別裂縫。

4.3 測井識別方法

測井參數(shù)對裂縫不同參數(shù)具有差異性響應(yīng)特征，孔隙度、電阻率和巖性曲線等常規(guī)測井資料可用于裂縫識別[44-45]，成像測井、聲波全波列測井和地層傾角測井等方法也可對裂縫進(jìn)行識別[46]，還可對井下裂縫發(fā)育段進(jìn)行定量評價(jià)。此外，盡可能多地綜合各類測井資料開展裂縫識別工作，能夠有效避免干擾信息的誤導(dǎo)[47]。

4.3.1 孔隙度測井

補(bǔ)償密度曲線在裂縫發(fā)育層段具有明顯相反的高值，呈正的尖峰狀顯示，反映裂縫發(fā)育造成的井壁不規(guī)則程度[5，48]。中子孔隙度曲線在致密砂巖中一般較平直[49]，但在裂縫發(fā)育段，中子孔隙度會(huì)出現(xiàn)異常增大[30]。密度和中子孔隙度曲線反映的結(jié)果不受裂縫產(chǎn)狀影響，反映地層總孔隙度[50]。聲波時(shí)差變化在高角度裂縫發(fā)育層段不明顯，在水平縫和低角度縫發(fā)育段明顯增大[45]。

4.3.2 電阻率測井

雙側(cè)向測井系列可消除巖性變化等因素對電阻率造成的干擾，可快速、可靠地識別裂縫并判斷其有效性[33，51]。深淺側(cè)向電阻率在高角度和立縫發(fā)育層段均明顯降低，且出現(xiàn)深側(cè)向電阻率大于淺側(cè)向電阻率的正差異現(xiàn)象，差異幅度越大，裂縫張開度越大；反之，低角度裂縫也使深淺側(cè)向測井值降低，但一般顯示為負(fù)差異現(xiàn)象[49，52]。微側(cè)向測井電極尺寸小、測量范圍小，采用貼井壁測量方式，當(dāng)有裂縫切割過井壁時(shí)，極板將出現(xiàn)低阻異常[49，5]，二者的差值可用于識別裂縫[33]。

4.3.3 成像測井

成像測井主要依據(jù)裂縫發(fā)育處電阻率或聲阻抗與圍巖存在差異來識別裂縫[11]，成像測井可提供高分辨率環(huán)井壁的巖石物理圖像信息，直觀形象地顯示環(huán)井壁二維空間巖石類型、裂縫和沉積構(gòu)造等地質(zhì)特征的變化[15，53]，具有高精度、高分辨率和高井眼覆蓋率的特點(diǎn)[11]。成像測井能夠直觀地反映裂縫形態(tài)，但人工解釋過程中可能存在誤差。在裂縫拾取過程中，應(yīng)注意巖心資料的標(biāo)定，盡可能減少誤差，同時(shí)還應(yīng)注意排除誘導(dǎo)縫和層理面、巖性界面和斷層面等的干擾[9]。

5 裂縫的有效性

只有有效裂縫才對致密砂巖儲層起積極作用，裂縫的有效性是指裂縫在地下處于開啟狀態(tài)，且沒有被礦物完全充填，可作為流體流動(dòng)的有效通道[54]。裂縫有效性的主控因素在不同地區(qū)有所差異，但可劃分為裂縫自身因素（內(nèi)因）和外界因素（外因）兩類。

裂縫形成時(shí)期、產(chǎn)狀、開度等特征是影響裂縫有效性的關(guān)鍵內(nèi)因。早期發(fā)育形成的裂縫，后期經(jīng)歷膠結(jié)沉淀作用的過程較長，被礦物充填形成無效裂縫的概率大；裂縫形成時(shí)間晚，則經(jīng)歷充填的概率小，即使存在充填現(xiàn)象，其充填程度整體較弱[55]。在裂縫形成過程中，開度越大的裂縫越不易被膠結(jié)物充填；傾角越大的裂縫，受流體活動(dòng)影響較小，有效性越高[56]。

裂縫有效性主要受后期成巖作用、后期構(gòu)造改造和現(xiàn)今地應(yīng)力等外因影響。碎屑物固結(jié)成巖后，早期形成的開啟裂縫容易被膠結(jié)物后期沉淀充填，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o效裂縫。若后期還發(fā)生溶蝕作用，裂縫充填物可被溶蝕而形成溶蝕孔洞，改善裂縫有效性[57]。早期充填裂縫可被后期構(gòu)造抬升、剝蝕及逆沖推覆等強(qiáng)烈的構(gòu)造改造作用重新開啟，并恢復(fù)有效性[58]。受成巖或構(gòu)造作用等控制的有效裂縫會(huì)與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向保持一定夾角[59]，但多數(shù)有效裂縫與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向平行[29]。此外，在裂縫性致密砂巖氣藏的實(shí)際開發(fā)過程中，地層壓力會(huì)隨著流體壓力的改變而改變，裂縫有效性也會(huì)存在動(dòng)態(tài)變化[60]。

一般裂縫有效性評價(jià)方法主要有：地質(zhì)方法、測井方法、動(dòng)態(tài)分析法、實(shí)驗(yàn)方法，如表2所示。

表2 裂縫評價(jià)方法[54，61-62]

6 結(jié)束語

1）致密砂巖氣儲層裂縫發(fā)育特征的研究是天然氣大發(fā)展的技術(shù)保障。我國板塊運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，致密砂巖氣儲層裂縫發(fā)育程度差異明顯。開展致密砂巖氣儲層裂縫的類型、成因和識別等研究有助于在致密砂巖氣儲層中獲取更多的天然氣資源。

2）致密砂巖氣儲層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，利用不同方法對致密砂巖氣儲層裂縫進(jìn)行評價(jià)可能存在較大差異，地下裂縫真實(shí)的各項(xiàng)參數(shù)評價(jià)與預(yù)測需要多因素約束，否則易導(dǎo)致評價(jià)的裂縫參數(shù)產(chǎn)生誤差。

3）生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，不同尺度裂縫對致密砂巖氣儲層的貢獻(xiàn)存在明顯差異，為了高效開發(fā)裂縫性致密砂巖氣藏，應(yīng)建立系統(tǒng)的多尺度裂縫分類標(biāo)準(zhǔn)及識別、評價(jià)和預(yù)測方法，有助于在鉆井和開發(fā)過程中采取針對性的保護(hù)和改造措施，達(dá)到降本增效的目的。