烴源巖層系地層破裂情況的定量評(píng)價(jià)及應(yīng)用

郝牧歌，張金功，高 藝，李 健，馬士磊

1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069；2.大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069；3.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015

烴源巖層系中，由于成巖、化學(xué)、地質(zhì)應(yīng)力等作用，裂縫比較發(fā)育[1-2]。裂縫可作為地層中的儲(chǔ)集、滲流通道，對(duì)烴源巖層系非常規(guī)油氣藏的富集具有重要影響[3]。研究烴源巖層系受靜巖壓力作用而產(chǎn)生的破裂情況，計(jì)算破裂地層對(duì)輸導(dǎo)能力的促進(jìn)程度，對(duì)非常規(guī)油氣藏的儲(chǔ)集、輸導(dǎo)研究具有重要意義。

現(xiàn)階段對(duì)地層破裂情況的研究，主要基于構(gòu)造應(yīng)力作用、成巖作用、壓溶作用、熔融作用等裂縫產(chǎn)生機(jī)理，直接或間接分析其分布特征及控藏作用。對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力中靜巖壓力產(chǎn)生的宏觀裂縫，其發(fā)育機(jī)理研究目前比較明確：巖性、層理、所受圍壓均能對(duì)巖石的破裂壓力造成影響，剛性巖石受上覆靜巖壓力作用超過破裂壓力時(shí)便產(chǎn)生裂縫[4]。對(duì)于靜巖壓力作用下地層破裂情況的定量預(yù)測(cè)主要有間接方法和直接方法。間接方法主要是從應(yīng)力場(chǎng)[5]、構(gòu)造曲率[6]、分形維數(shù)[7]等方面建立與裂縫密度之間的關(guān)系，間接對(duì)構(gòu)造裂縫的分布特征進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，取得了較好的應(yīng)用效果。但間接方法本質(zhì)上是一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，而并非對(duì)地下情況的直接認(rèn)知，在使用間接方法判斷地下情況時(shí)仍需與直接方法結(jié)合。

對(duì)于靜巖壓力作用下地層破裂情況定量預(yù)測(cè)的直接方法關(guān)鍵在于通過實(shí)驗(yàn)等手段測(cè)量巖石破裂壓力，并直接進(jìn)行地層破裂情況的計(jì)算。但目前學(xué)界對(duì)巖石實(shí)際破裂壓力缺乏統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，難以應(yīng)用于判斷實(shí)際層位的裂縫分布特征。如劉佑榮等[8]認(rèn)為砂巖破裂壓力為20～200 MPa，頁巖破裂壓力為10～100 MPa；胡廣韜等[9]認(rèn)為砂巖破裂壓力為20～40 MPa，中等堅(jiān)固頁巖的破裂壓力為20～40 MPa；謝爾蓋耶夫[10]認(rèn)為，一般強(qiáng)度下砂巖破裂壓力為38.5 MPa，頁巖破裂壓力為61 MPa；朱志澄等[11]認(rèn)為潮濕狀態(tài)下頁巖破裂壓力為20.4 MPa，干燥狀態(tài)下為52.2 MPa。

除直接方法與間接方法以外，也有學(xué)者提出通過斷層與裂縫發(fā)育之間的關(guān)聯(lián)，計(jì)算斷控裂縫分布范圍以明確地層破裂情況。渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷斷層附近靜巖壓力裂縫發(fā)育較為劇烈[1]，其根本原因在于斷層附近巖層可視為不受圍壓、僅受上覆靜巖壓力作用[12]，而無圍壓條件下巖石破裂壓力一般會(huì)低于有圍壓的情況[8-9]。寧方興[13]提出裂縫發(fā)育系數(shù)法計(jì)算斷層兩側(cè)裂縫發(fā)育較高的范圍，并根據(jù)裂縫發(fā)育系數(shù)與高產(chǎn)泥頁巖油氣藏之間的關(guān)系認(rèn)為系數(shù)0.2以上的區(qū)域中的泥頁巖型頁巖可視為裂縫性頁巖。該方法在東營凹陷取得了較好的應(yīng)用效果[1]。裂縫發(fā)育系數(shù)法的本質(zhì)在于計(jì)算斷層作用下巖層不受圍壓影響的范圍，現(xiàn)有方法主要考慮斷距與特定巖層距斷層的距離，并未考慮不同巖性的破裂壓力區(qū)別，同時(shí)難以對(duì)距離斷層較遠(yuǎn)的區(qū)域中的巖石破裂情況進(jìn)行分析。

鑒于上述問題，提出以不同圍壓下實(shí)際測(cè)量的巖石破裂壓力為基礎(chǔ)，結(jié)合對(duì)烴源巖層系斷層影響范圍的認(rèn)識(shí)，進(jìn)行靜巖壓力作用下巖石破裂情況研究，對(duì)渤南—四扣地區(qū)烴源巖層系靜巖壓力作用下巖石破裂情況進(jìn)行定量分析；在此基礎(chǔ)上實(shí)測(cè)烴源巖層系巖石破裂對(duì)輸導(dǎo)能力的促進(jìn)作用，以期在現(xiàn)有“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提供非常規(guī)油氣成藏有利區(qū)評(píng)價(jià)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)所在的濟(jì)陽坳陷位于渤海灣盆地東南部，為一個(gè)次級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元。由車鎮(zhèn)、沾化、東營、惠民等次級(jí)凹陷組成，其中東營凹陷和沾化凹陷面積較大,平面上以復(fù)合半地塹為特征[13-17]。研究區(qū)為渤南—四扣洼陷，其北部為埕子口凸起，西部為義和莊凸起，南部為陳家莊凸起，東部為孤島凸起(圖1)。主要勘探開發(fā)層系為古近系沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組，主要為烴源巖層系(沙四上亞段、沙三段)及主力烴源巖的上覆層系(沙二段、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組)。烴源巖層系中沙三上亞段巖性主要為灰色泥巖、粉砂巖，夾砂巖及碳酸鹽巖，厚度一般為50～250 m；沙三中亞段巖性主要為深灰色泥巖夾砂巖、灰色泥巖、粉砂巖夾砂巖及碳酸鹽巖，厚度一般為50～300 m；沙三下亞段主要為灰色泥巖、灰褐色油頁巖夾砂巖，厚度一般為50～550 m，沙四上亞段巖性主要為黑色頁巖、灰色碳酸鹽巖，厚度一般為50～150 m[19-20]。沙一段烴源巖局部成熟，沙三中、下亞段和沙四上亞段烴源巖達(dá)到成熟，生成大量油氣，是主要的烴源巖層系，烴源巖巖性主要為深灰色細(xì)粒巖、頁巖夾薄層青灰色碳酸鹽巖、油頁巖，其中Ⅰ型和Ⅱ型干酪根都有分布，有機(jī)碳平均含量為1.84%[21-22]。

圖1 渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷渤南—四扣地區(qū)位置及地層綜合柱狀圖

2 烴源巖層系靜巖壓力作用下地層破裂情況

2.1 研究方法

巖石在上覆靜巖壓力作用下具體破裂情況受圍壓、上覆靜巖壓力、巖石性質(zhì)三者共同約束。巖性、所受圍壓均能對(duì)巖石的破裂壓力造成影響，而剛性巖石受上覆靜巖壓力超過對(duì)應(yīng)圍壓下的破裂壓力時(shí)便產(chǎn)生裂縫[4，8-9]。巖層所受圍壓可分為兩種狀態(tài)，對(duì)巖石破裂情況具有較大影響：活動(dòng)性斷層周圍圍壓可忽略不計(jì)，巖石可視為僅受上覆靜巖壓力作用[12]；遠(yuǎn)離活動(dòng)性斷層的范圍中巖石受圍壓作用。故可根據(jù)巖石是否受圍壓影響，將巖石分為兩類，兩種情況下同種巖石的破裂壓力須分別測(cè)量。

基于靜巖壓力作用下巖石破裂機(jī)理，對(duì)靜巖壓力作用下地層破裂情況的研究主要分為3步：首先按照烴源巖層系中靜巖壓力裂縫成因機(jī)制的區(qū)別，將地層依照活動(dòng)性斷層的響應(yīng)范圍，進(jìn)行圍壓影響區(qū)域的判斷；其次依照地區(qū)主要巖石類別進(jìn)行樣本取樣，并分別進(jìn)行不同圍壓影響下的破裂壓力測(cè)量，與圍壓影響區(qū)域研究結(jié)果結(jié)合，得出烴源巖層系巖石破裂壓力分布情況；最后將破裂壓力分布與地層的上覆靜巖壓力分布情況進(jìn)行比較，得出實(shí)際地層的巖石破裂情況圖，以明確渤南—四扣地區(qū)烴源巖層系的地層破裂情況。

2.2 圍壓影響區(qū)域判斷

為對(duì)活動(dòng)性斷層圍壓影響區(qū)域進(jìn)行判斷，引入裂縫發(fā)育系數(shù)法[13]，其計(jì)算公式為：

F=H/L

(1)

式中：F為裂縫發(fā)育系數(shù)，無量綱；H為活動(dòng)性斷層斷距，m;L為點(diǎn)位與斷層距離，m。

一般認(rèn)為，濟(jì)陽坳陷裂縫發(fā)育系數(shù)在0.2以上的區(qū)域受斷層影響較大，圍壓可忽略不計(jì)[13]。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)斷層活動(dòng)性的認(rèn)識(shí)[17]，對(duì)渤南—四扣區(qū)域中各斷層作用下不受圍壓影響的范圍進(jìn)行劃分(圖2)。

圖2 渤海灣盆地渤南—四扣地區(qū)無圍壓影響區(qū)域分布

2.3 不同類別巖石的破裂壓力測(cè)量

2.3.1 巖石樣本取樣

研究區(qū)巖石主要有泥頁巖及砂巖兩種，采集代表研究區(qū)主要巖性的砂巖與泥頁巖巖石樣本。基于X衍射實(shí)驗(yàn)的巖石樣本礦物組成特征(表1)，采集樣本中，泥頁巖的主要組成礦物為石英、方解石、黏土礦物，含少量斜長(zhǎng)石；砂巖的主要組成礦物為石英、斜長(zhǎng)石、黏土礦物，含少量鉀長(zhǎng)石、白云石，部分巖石含少量黃鐵礦。將其與濟(jì)陽坳陷巖石學(xué)研究成果對(duì)比[23]，所取樣本能夠代表研究區(qū)主要巖性。

表1 渤海灣盆地渤南—四扣地區(qū)典型巖石樣本的礦物組成特征

2.3.2 不同圍壓影響下的巖石破裂壓力

針對(duì)有代表性的泥頁巖及砂巖樣本，分別進(jìn)行有/無圍壓下的破裂壓力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用勝利油田勘探開發(fā)研究院的三軸向巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，以單軸循環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)量無圍壓作用下巖石樣本的破裂壓力，以三軸循環(huán)實(shí)驗(yàn)測(cè)量有圍壓作用下的巖石樣本的破裂壓力。主要技術(shù)參數(shù)為軸向應(yīng)力差σd≤1 470 kN，圍壓Pc≤140 MPa，孔隙壓力Pp≤103 MPa，模擬溫度T≤200 ℃。采取的樣品受單軸巖層應(yīng)力作用下砂巖破裂壓力平均為72.5 MPa，泥頁巖破裂壓力平均為88.9 MPa；受三軸應(yīng)力作用下砂巖破裂壓力平均為144.8 MPa，泥巖破裂壓力平均為158.8 MPa(表2)，部分樣品破裂曲線如圖3所示。

圖3 渤海灣盆地渤南—四扣地區(qū)樣品S1及M7應(yīng)變曲線

表2 渤海灣盆地典型巖石樣本無圍壓作用下的破裂壓力

2.4 烴源巖層系巖石破裂情況

對(duì)于烴源巖層系編制靜巖壓力平面分布圖(圖4)，并與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中破裂壓力進(jìn)行對(duì)比。渤南—四扣地區(qū)沙三上頂面深度為1 600～3 000 m，沙四上底面深度為2 000～4 400 m。依據(jù)濟(jì)陽坳陷一般巖性，取巖石平均密度為3×103kg/m3[17]。根據(jù)靜巖壓力計(jì)算公式[8]。

Pz=10-6ρgz

(2)式中：Pz為靜巖壓力，MPa；z為深度，m；ρ為巖石密度，g/cm3；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

結(jié)合研究區(qū)不同層位的巖層總厚度及地層平均密度，計(jì)算研究區(qū)烴源巖層系各個(gè)亞段底面的靜巖壓力情況。結(jié)合成因砂體展布研究成果[24]，將靜巖壓力情況與烴源巖層系巖石破裂壓力分布情況進(jìn)行對(duì)比，得出實(shí)際會(huì)因上覆靜巖壓力產(chǎn)生破裂的地層范圍(圖4)。

研究區(qū)渤南—四扣區(qū)域沙三上亞段區(qū)域較深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，羅67井附近砂體產(chǎn)生破裂(圖4a)；沙三中亞段區(qū)域較深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，羅67井附近及西側(cè)砂體產(chǎn)生破裂，羅斜601井附近砂體不產(chǎn)生破裂(圖4b)；沙三下亞段區(qū)域較深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，義3-7-7井附近砂體產(chǎn)生破裂(圖4c)；沙四上亞段區(qū)域中、深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，羅斜601井附近砂體普遍產(chǎn)生破裂，陳40井附近砂體不產(chǎn)生破裂(圖4d)。

圖4 渤海灣盆地渤南—四扣地區(qū)烴源巖層系靜巖壓力作用地層破裂范圍

2.5 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)烴源巖層系的研究區(qū)采取不同圍壓影響下的不同巖性的巖石樣本，實(shí)際觀測(cè)其破裂情況，以對(duì)烴源巖層系巖石破裂情況研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在烴源巖層系觀察巖心中陳40井破裂發(fā)育較少；羅斜601井在沙四上亞段砂巖與泥頁巖互層中巖層普遍破裂，其余區(qū)域破裂較少；羅67、義3-7-7、義171井普遍觀察到巖層破裂(表1，表3)。實(shí)際觀察到的巖石破裂情況與巖石破裂壓力分布情況基本相符。

表3 渤海灣盆地渤南—四扣地區(qū)巖石樣本破裂前后滲透率比較

3 靜巖壓力產(chǎn)生的裂縫對(duì)非常規(guī)油氣輸導(dǎo)的作用

非常規(guī)油氣成藏過程中，泥頁巖型油氣藏需要經(jīng)過初次運(yùn)移[25]，致密油氣藏需要經(jīng)過初次及二次運(yùn)移，因此，烴源巖層系輸導(dǎo)研究對(duì)非常規(guī)油氣成藏研究同樣具有重要作用[26-29]。裂縫發(fā)育的烴源巖層系具有基質(zhì)孔隙和裂縫系統(tǒng)雙重輸導(dǎo)空間，由于巖石滲透率是基質(zhì)滲透率與裂縫系統(tǒng)中各單一組分在水平方向上的投影值的總和，雖然基質(zhì)滲透率隨埋深增加會(huì)有一定程度的減小，但由于裂縫系統(tǒng)中各單一裂縫面內(nèi)部毛管力一般遠(yuǎn)小于巖石，故巖石破裂后滲透率會(huì)因產(chǎn)生裂縫而急劇增大，裂縫發(fā)育對(duì)非常規(guī)油氣運(yùn)移通道具有良好的改善作用，其具體促進(jìn)作用需定量測(cè)量。

可通過巖石破裂前后滲透率變化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合含油巖石樣本巖心、薄片觀察結(jié)果，定量描述研究區(qū)靜巖壓力裂縫對(duì)烴源巖層系輸導(dǎo)的促進(jìn)作用?；诹芽p對(duì)輸導(dǎo)的作用機(jī)理，對(duì)非常規(guī)油氣藏成藏起促進(jìn)作用的破裂性巖層的巖心、薄片、巖石樣本應(yīng)有如下觀察、實(shí)驗(yàn)特征：(1)不含油裂縫性巖石薄片樣本可明顯見藍(lán)色鑄體充填；(2)含油裂縫性巖石樣本觀察下裂縫中見油氣充填，且熒光薄片觀察結(jié)果表明裂縫中熒光顯示較好；(3)破裂前后巖石樣本滲透率實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虮砻鲙r石破裂后滲透率大幅提升。

對(duì)前文中進(jìn)行破裂壓力實(shí)驗(yàn)的巖石樣本，在實(shí)驗(yàn)前后分別進(jìn)行滲透率測(cè)試，以對(duì)比不同種類的巖石破裂前后滲透率變化情況(表3)，并實(shí)測(cè)巖石破裂對(duì)輸導(dǎo)能力的促進(jìn)作用。

針對(duì)渤南—四扣地區(qū)烴源巖油氣顯示井中含油的巖心中裂縫發(fā)育可能出現(xiàn)的橫向、垂向、斜向3種情況，分別在包含3種裂縫及不包含裂縫的砂泥交界面處進(jìn)行薄片觀察。結(jié)果表明，含油巖心中裂縫含油情況較好，含油薄片中裂縫熒光強(qiáng)度好于裂縫附近的砂巖或泥頁巖(圖5)。

圖5 渤海灣盆地渤南—四扣地區(qū)義160井烴源巖層系存在含油差異的巖心與薄片觀察

對(duì)渤南—四扣地區(qū)的破裂地層輸導(dǎo)能力促進(jìn)作用研究表明，破裂后地層確實(shí)對(duì)烴源巖層系油氣藏的輸導(dǎo)能夠起到有效的改善作用。破裂巖石樣本觀察表明存在油流通過裂縫運(yùn)移的情況；破裂前后巖石滲透率變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在地層達(dá)到破裂壓力后其輸導(dǎo)能力會(huì)大幅提升，其中砂巖破裂后滲透率平均為破裂前的29.49倍；泥巖破裂后滲透率平均為破裂前滲透率的366.67倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與濟(jì)陽坳陷有效滲透率標(biāo)準(zhǔn)比較表明，渤南—四扣地區(qū)烴源巖層系無論是砂巖還是泥質(zhì)巖巖層，在巖層破裂之后，由于滲透率大幅提升，均能起到非常規(guī)油氣輸導(dǎo)通道的作用。它能夠作為致密油運(yùn)移的有效通道，在現(xiàn)有“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提供非常規(guī)油氣成藏有利區(qū)依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)對(duì)區(qū)域有代表性的巖石樣本進(jìn)行不同圍壓影響情況下的破裂壓力測(cè)量，并結(jié)合圍壓影響范圍與地層上覆靜巖壓力比較，可用于定量評(píng)價(jià)巖層破裂情況。該定量評(píng)價(jià)方法已成功應(yīng)用于渤南—四扣區(qū)域烴源巖層系巖石破裂情況的判斷，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的巖石破裂情況基本相符。

(2)靜巖壓力作用下地下破裂情況研究結(jié)果表明，渤南—四扣地區(qū)沙三上亞段區(qū)域較深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，中部位砂體產(chǎn)生破裂；沙三中亞段區(qū)域較深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，中部位砂體產(chǎn)生破裂，高部位砂體不產(chǎn)生破裂；沙三下亞段區(qū)域中、深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂；沙四上亞段區(qū)域中、深部位巖層普遍產(chǎn)生破裂，高部位部分砂體產(chǎn)生破裂。破裂前后滲透率變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靜巖壓力作用產(chǎn)生破裂的地層能夠作為有效輸導(dǎo)通道，對(duì)致密油輸導(dǎo)具有重要的促進(jìn)作用，可以為現(xiàn)有“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)提供有力補(bǔ)充。