趙國璽　劉浩宇　張瀚丹　何小娟

（1．中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院　陜西　西安　710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710018；3.長慶油田第四采油廠　陜西　靖邊　718500）

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馬嶺油田長7致密油儲(chǔ)層裂縫特征及分布規(guī)律

趙國璽1,2劉浩宇3張瀚丹1,2何小娟1,2

（1．中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室陜西西安710018；3.長慶油田第四采油廠陜西靖邊718500）

摘要本文通過地質(zhì)露頭及巖心觀察、巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)、古地磁裂縫定向，巖石壓縮實(shí)驗(yàn)、差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)、波速各向異性實(shí)驗(yàn)等方法,對馬嶺油田長7儲(chǔ)層裂縫開展定性和定量研究。確定馬嶺長7儲(chǔ)層主要發(fā)育層理縫、張性縫、壓扭縫、張扭縫。裂縫發(fā)育優(yōu)勢方位為NEE向和NNW向。應(yīng)用數(shù)值模擬方法開展裂縫定量預(yù)測，劃分了裂縫相對發(fā)育區(qū)、次發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū),為今后馬嶺油田長7致密油制定規(guī)模開發(fā)技術(shù)政策提供了地質(zhì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞馬嶺油田；長7致密油；裂縫特征；裂縫分布規(guī)律

1　引言

近年來致密油逐漸成為全世界非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的新熱點(diǎn)[1～4]。美國、加拿大、澳大利亞等國家都已經(jīng)對致密油進(jìn)行了大規(guī)模商業(yè)開發(fā)[5～7]。中國的致密油氣資源很豐富，目前還處于堪探開發(fā)試驗(yàn)階段[8～9]。根據(jù)勘探開發(fā)實(shí)際，長慶油田將空氣滲透率小于0.3mD的儲(chǔ)層稱為致密儲(chǔ)層，賦存于其中的石油稱為致密油，主要分布于鄂爾多斯盆地長7儲(chǔ)層[10]。

馬嶺油田長7儲(chǔ)層空氣滲透率0.19mD，屬于典型的致密油儲(chǔ)層，室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐證實(shí)馬嶺油田長7儲(chǔ)層孔喉細(xì)微，物性差，但天然裂縫普遍較發(fā)育。天然裂縫發(fā)育特征及分布規(guī)律是影響單井產(chǎn)量的主要因素之一。天然裂縫特征及分布規(guī)律的研究對于認(rèn)識(shí)油氣成藏機(jī)理、制定開發(fā)技術(shù)政策及儲(chǔ)層壓裂工藝等方面均具有重要意義。

2　長7致密油儲(chǔ)層裂縫特征

2.1裂縫發(fā)育特征參數(shù)

根據(jù)野外露頭及室內(nèi)巖心觀察，馬嶺油田長7儲(chǔ)層裂縫根據(jù)產(chǎn)狀和形成機(jī)理可劃分為4種類型。包括高角度張扭縫、壓扭縫，低角度張性縫、層理縫和滑脫縫。

研究區(qū)46口井長7目的層段開展巖心觀察，其中41口井觀察到不同程度的宏觀裂縫發(fā)育，裂縫鉆遇率達(dá)89.1%。觀測到的各類裂縫總計(jì)1080條。其中，高角度壓扭縫鉆遇率最高為60.87%，張扭縫鉆遇率為34.78%，低角度張性縫鉆遇率為43.48%，層理縫鉆遇率為36.96%（圖1）。

圖1　馬嶺油田長7儲(chǔ)層裂縫類型分布圖

在高角度裂縫中有75%被方解石充填。所有46口井巖心裂縫中，有39口井發(fā)現(xiàn)油跡，所占比例為84.8%。所有類型的裂縫均有可能成為油氣運(yùn)移通道。

2.2儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫優(yōu)勢方位

圖2　馬嶺油田長7儲(chǔ)層巖石密度等值線

鄂爾多斯盆地中生界構(gòu)造裂縫主要形成于晚中生代燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[11]。根據(jù)野外露頭觀察，延長組長7段砂巖構(gòu)造裂縫大多成組出現(xiàn)，主要為未穿層裂縫，共軛裂縫近于垂直地層層面分布，主要發(fā)育NEE向和NNW向兩組裂縫，次發(fā)育NE向裂縫，裂縫產(chǎn)狀穩(wěn)定，延伸較遠(yuǎn)，為區(qū)域性裂縫。

表1　馬嶺油田長7儲(chǔ)層力學(xué)模型巖石力學(xué)參數(shù)選擇

圖3　格里非斯張破裂擴(kuò)展方向示意圖

圖4　巖石剪切破裂分析圖（a-莫爾圓；b-剪切破裂）

圖5　馬嶺油田長7裂縫有利區(qū)預(yù)測圖

根據(jù)馬嶺油田22口井長7儲(chǔ)層巖芯裂縫古地磁定向結(jié)果，壓扭縫走向分為NEE (60.6°～79.9°)和NWW(96.7°～123°)兩組，具有較為明顯的共軛特征；張扭縫主要為近EW向（81°～88.5°），近似為共軛壓扭縫的平分線。與相似露頭區(qū)裂縫系統(tǒng)優(yōu)勢方位一致。

3　構(gòu)造裂縫分布定量預(yù)測

致密油儲(chǔ)層裂縫定量預(yù)測的關(guān)鍵是地質(zhì)模型、力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立[12]。

3.1地質(zhì)模型建立

儲(chǔ)層巖石密度能較好的反映儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。因此，模擬對象的地質(zhì)體用不同的巖石密度區(qū)帶來表示，并對不同的巖石密度區(qū)帶賦予不同的巖石力學(xué)參數(shù)。根據(jù)馬嶺油田130余口井密度解釋成果，建立了長7儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫預(yù)測地質(zhì)模型（圖2）。

3.2力學(xué)模型建立

力學(xué)模型是將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵，包括巖石力學(xué)參數(shù)的綜合選取，邊界力的作用方式、方向及邊界約束條件等[13]。

巖石力學(xué)參數(shù)的選取是根據(jù)馬嶺油田不同巖性巖石力學(xué)性質(zhì)測量數(shù)據(jù)，萃取不同地區(qū)泥巖、砂巖端元參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、巖石抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)模型巖石密度，參考實(shí)測數(shù)據(jù)，賦予不同地區(qū)不同巖石物理力學(xué)屬性(表1)。

研究區(qū)主要形變期燕山期應(yīng)力場最大主壓方位由地層共軛配套節(jié)理和區(qū)域地層形變規(guī)律而得來。馬嶺油田燕山期水平投影方位為84°；相應(yīng)最小主應(yīng)力傾伏角近似于水平，其方位為174°，此次模擬σ1方向取值為84°。

根據(jù)研究區(qū)巖石差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)今水平最大有效主應(yīng)力方向約為76°，水平最小有效主應(yīng)力方向約為166°。

根據(jù)聲發(fā)射法應(yīng)力測試結(jié)果，裂縫發(fā)育期的水平最大有效主應(yīng)力約44MPa，水平最小有效主應(yīng)力約24MPa?，F(xiàn)今水平最大有效主應(yīng)力約27MPa，水平最小有效主應(yīng)力約15Mpa。

在選取巖石力學(xué)參數(shù)確定應(yīng)力場邊界條件的基礎(chǔ)上，建立了馬嶺油田長7致密油儲(chǔ)層的力學(xué)模型。

3.3數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)研究區(qū)長7儲(chǔ)層巖心裂縫觀察的力學(xué)性質(zhì)既有張性，又有剪性，故有必要對這兩種裂縫發(fā)育和分布分別進(jìn)行預(yù)測研究。在力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用巖石破裂法[8]建立數(shù)學(xué)模型，定量預(yù)測構(gòu)造裂縫分布規(guī)律。按照庫倫-摩爾準(zhǔn)則[14]和格里菲斯準(zhǔn)則[15]分別計(jì)算出剪破裂系數(shù)（R）、張破裂系數(shù)(η)。

（1）格里菲斯張破裂準(zhǔn)則

根據(jù)格里菲斯張破裂準(zhǔn)則,脆性物體的破壞是由內(nèi)部存在裂隙決定的。巖石內(nèi)存在很多微小裂隙，在裂隙的尖端存在應(yīng)力集中，使裂隙擴(kuò)展，以至破壞形成張裂縫（圖3）。

當(dāng)σ1+3σ3≥0(壓應(yīng)力為正,張應(yīng)力為負(fù)) 時(shí),判斷張破裂的格里菲斯準(zhǔn)則的二維修正表達(dá)式如下：

式中:σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，σT為二維等效張應(yīng)力。張破裂系數(shù)(η)表述為:

式中:σTC為巖石的張破裂強(qiáng)度,通過實(shí)驗(yàn)確定。當(dāng)η≥1時(shí),發(fā)生張破裂。η值愈大,張裂縫愈發(fā)育。張裂縫的破裂方位可根據(jù)破裂面與σ1之間的夾角β來確定,表示為:

當(dāng)（σ1+σ3）＜0時(shí),σT=-σ3。這時(shí)張破裂方向與最大主應(yīng)力σ1的方向一致。

（2）庫侖—莫爾剪破裂準(zhǔn)則

根據(jù)庫侖—莫爾剪破裂準(zhǔn)則，巖石的破裂主要是某一個(gè)面上發(fā)生的剪切破壞，這種剪切破壞與作用在該面上的正應(yīng)力σN和剪應(yīng)力τN的相對狀態(tài)有關(guān)。表達(dá)式為:

式中:σN為巖石破裂面的剪應(yīng)力;C為巖石粘聚力,MPa;φ是巖石的內(nèi)摩擦角,°,均由實(shí)驗(yàn)測定。當(dāng)某一面上的正應(yīng)力σN和剪應(yīng)力τN滿足關(guān)系式(5)時(shí)，該面上達(dá)到極限剪切平衡，開始發(fā)生剪破裂（圖4），形成共軛剪切面。

其方向可用破裂面的法線N與最大主應(yīng)力σ1的夾角α來表示，兩組破裂面空間方位不同，發(fā)生在垂直于σ1-σ3組成的平面內(nèi)，且最大主應(yīng)力平分兩組剪破裂的夾角。破裂面與最大主應(yīng)力的夾角α= （45°-φ/2）。式（5）可用主應(yīng)力表示為：

R為剪破裂系數(shù)，反映剪破裂發(fā)育程度。R＜1時(shí)地層破裂不會(huì)發(fā)生，越接近1，巖石破裂可能性增大，當(dāng)R＝1時(shí)，即巖石發(fā)生破裂；R＞1時(shí)，地層破裂可能性愈大，也就是說地層破裂的幾率愈大。同時(shí)，可以預(yù)測共軛剪破裂方位。

3.4構(gòu)造裂縫分布定量預(yù)測

根據(jù)巖心裂縫統(tǒng)計(jì)和力學(xué)性質(zhì)分析,馬嶺油田長7儲(chǔ)層中有效剪裂縫與有效張裂縫分別約占92.2%和7.8%。定義裂縫綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(Fy)表達(dá)式：

然后根據(jù)裂縫綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(Fy)對長7儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。一般而言,Fy愈大,裂縫發(fā)育幾率或發(fā)育程度愈大。

結(jié)合裂縫發(fā)育強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)、裂縫發(fā)育方向和裂縫綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對馬嶺油田長7裂縫發(fā)育有利區(qū)進(jìn)行預(yù)測（圖5）。

根據(jù)馬嶺油田長7的裂縫預(yù)測結(jié)果，大致以研究區(qū)的NW- SE向?qū)蔷€為界，高角度裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在NE半?yún)^(qū)塊，低角度裂縫發(fā)育區(qū)主要分布在SW半?yún)^(qū)塊；裂縫不發(fā)育區(qū)僅分布在西南角,局部地區(qū)也具有穿插分布的關(guān)系。

3　結(jié)論

（1）馬嶺油田長7致密油儲(chǔ)層露頭地層和巖心裂縫定量觀測表明,研究區(qū)長7段儲(chǔ)層主要發(fā)育NEE向和NNW向兩組裂縫，次發(fā)育NE向裂縫，裂縫產(chǎn)狀穩(wěn)定，延伸較遠(yuǎn)，為區(qū)域性裂縫。研究區(qū)裂縫類型包括高角度張扭縫、壓扭縫，低角度張性縫和層理縫。以高角度裂縫發(fā)育為主，鉆遇率84.6%。所有類型的裂縫均有可能成為油氣運(yùn)移通道。

（2）以統(tǒng)計(jì)學(xué)研究為基礎(chǔ),綜合巖石破裂法和能量法,以構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬為橋梁,對馬嶺油田長7儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫特征和分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究,建立了長7儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫分布定量預(yù)測數(shù)學(xué)模型,合理預(yù)測了目的層裂縫相對發(fā)育區(qū)、次發(fā)育區(qū)和不發(fā)育區(qū)。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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