趙向原，曾聯(lián)波，祖克威，胡向陽，焦　軍，朱利鋒，史今雄

[1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；　2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；　3.中國(guó)石化中原油田分公司 勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450018；　4.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；5.山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030006]

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致密儲(chǔ)層脆性特征及對(duì)天然裂縫的控制作用
——以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層為例

趙向原1，2，曾聯(lián)波2，祖克威3，胡向陽1，焦軍4，朱利鋒5，史今雄2

[1.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國(guó)石化中原油田分公司 勘探開發(fā)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450018；4.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；5.山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030006]

研究致密儲(chǔ)層脆性特征及對(duì)天然裂縫的控制作用對(duì)天然裂縫定量預(yù)測(cè)具有重要意義。在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外脆性測(cè)試的20余種方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了非常規(guī)油氣中脆性評(píng)價(jià)方法的發(fā)展和應(yīng)用情況，并以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層為例，在天然裂縫發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，對(duì)儲(chǔ)層脆性特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，并探討儲(chǔ)層脆性對(duì)裂縫的控制作用。研究表明，隴東地區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層發(fā)育多組高角度構(gòu)造裂縫，這些裂縫廣泛分布在不同的巖性中。儲(chǔ)層中不同巖性脆性特征差異性較大，其中砂巖脆性最大，含泥質(zhì)砂巖次之，泥巖脆性最小，表現(xiàn)出隨著泥質(zhì)含量增加，脆性指數(shù)逐漸減小的特征。在特定的古構(gòu)造應(yīng)力背景下，儲(chǔ)層脆性控制了天然裂縫的發(fā)育特征及發(fā)育程度。當(dāng)巖層脆性指數(shù)大于某一值時(shí)更易發(fā)育高角度裂縫，而低于這一值時(shí)更易發(fā)育中-低角度裂縫。脆性也控制了儲(chǔ)層自身的破裂能力。隨著巖層脆性指數(shù)增大，在構(gòu)造應(yīng)力作用下巖層越易發(fā)生破裂導(dǎo)致裂縫發(fā)育程度較高；而脆性指數(shù)越低，巖層越易發(fā)生形變而非破裂，裂縫發(fā)育程度較弱或基本不發(fā)育。

脆性特征；天然裂縫；致密儲(chǔ)層；延長(zhǎng)組；鄂爾多斯盆地

近年來，致密油、致密氣等非常規(guī)油氣資源作為現(xiàn)實(shí)的油氣接替資源，在美國(guó)、加拿大以及澳大利亞等國(guó)家成功實(shí)現(xiàn)了規(guī)模開發(fā)[1-5]，已經(jīng)成為全球能源結(jié)構(gòu)中的重要角色[6]。美國(guó)致密油產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)主要得益于借鑒了頁巖氣開發(fā)中的相關(guān)技術(shù)[7]，而我國(guó)致密油的發(fā)展起步較晚，總體來說仍處于準(zhǔn)備和探索階段[1,8]。經(jīng)過近幾年的探索實(shí)踐，我國(guó)在陸相致密油地質(zhì)評(píng)價(jià)方法上取得了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)[7]，致密油勘探取得了重要突破，在松遼盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、準(zhǔn)葛爾盆地、渤海灣盆地、柴達(dá)木盆地、酒泉盆地、吐哈盆地等均發(fā)現(xiàn)了規(guī)模較為可觀的致密油資源，分布范圍較廣、資源潛力較大，勘探前景十分廣闊[1-2,9-11]。

致密油是致密儲(chǔ)層油的簡(jiǎn)稱，賦存于致密砂巖、泥灰?guī)r、白云巖等非常規(guī)儲(chǔ)層中[5,8]。這類非常規(guī)儲(chǔ)層具有孔隙度小、滲透率低等特點(diǎn)，一般無自然產(chǎn)能，需要通過大規(guī)模壓裂才能形成工業(yè)產(chǎn)能[1]。開發(fā)實(shí)踐表明，這類儲(chǔ)層除儲(chǔ)層物性較差以外，還普遍發(fā)育天然裂縫[12-15]，裂縫的發(fā)育情況是選取致密油“甜點(diǎn)”所要參考的一項(xiàng)重要指標(biāo)[16]，因此，弄清天然裂縫的發(fā)育規(guī)律及控制因素，定量評(píng)價(jià)天然裂縫的發(fā)育程度對(duì)致密油的有效開發(fā)具有重要意義。筆者通過對(duì)鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密油儲(chǔ)層研究發(fā)現(xiàn)，天然裂縫的發(fā)育特征除了與巖性、巖層厚度、沉積微相和巖層非均質(zhì)性等因素有關(guān)外[17]，還與儲(chǔ)層脆性密切相關(guān)，儲(chǔ)層脆性對(duì)天然裂縫的發(fā)育特征及發(fā)育程度均具有一定的控制作用。前人并未開展過儲(chǔ)層脆性與天然裂縫發(fā)育特征的相關(guān)性研究，為此，本文利用巖心、測(cè)井及巖石力學(xué)測(cè)試等資料，以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密油儲(chǔ)層為例，在總結(jié)了前人脆性相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，探討儲(chǔ)層脆性特征及其對(duì)天然裂縫的控制作用。

1　研究區(qū)概況

鄂爾多斯盆地是一個(gè)大型的陸內(nèi)疊合克拉通坳陷盆地[18-19]，盆地可劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，即北部伊盟隆起、西部天環(huán)坳陷和西緣沖斷帶、南部渭北隆起、東部晉西撓褶帶和中部伊陜斜坡[20-21]，研究區(qū)位于伊陜斜坡的西南部(圖1)。鄂爾多斯盆地演化過程中先后經(jīng)歷了呂梁、晉寧、加里東、海西、印支、燕山及喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)旋回[21]。從三疊紀(jì)開始，盆地進(jìn)入內(nèi)陸湖盆演化階段，在三疊紀(jì)晚期，沉積了一套以大型內(nèi)陸坳陷盆地為背景，以河流和湖泊相為主的陸源碎屑巖沉積體系[22-23]。該套上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組為一套灰綠色、灰色中厚層粉細(xì)砂巖、粉砂巖和深灰色、灰黑色泥巖沉積[23]，從上至下共分10個(gè)油層組(長(zhǎng)1-長(zhǎng)10)，經(jīng)歷了完整的湖盆形成、發(fā)育、擴(kuò)張、萎縮及消亡的沉積演化旋回[23-26]。其中長(zhǎng)7油層組又被劃分為3個(gè)小層，從上至下分別為長(zhǎng)7-1、長(zhǎng)7-2、長(zhǎng)7-3小層[25]，長(zhǎng)7-3小層沉積時(shí)期為整個(gè)湖盆演化擴(kuò)張階段的最鼎盛時(shí)期，沉積了盆地中生界主要的烴源巖層，長(zhǎng)7-2和長(zhǎng)7-1小層沉積時(shí)期，由于湖水面積不斷減少，湖侵作用逐漸減弱，發(fā)育一系列三角洲前緣砂體與半深湖-深湖濁積砂體[25]。長(zhǎng)7油層組儲(chǔ)層致密，儲(chǔ)集層空氣滲透率一般小于0.3×10-3μm2，為典型的致密油儲(chǔ)層[2,25,27]。延長(zhǎng)組沉積以后，在后續(xù)的沉積、成巖演化過程中經(jīng)歷了燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖心和露頭觀察表明，在這兩期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下，長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層發(fā)育多組天然裂縫[17,28]。

圖1　鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨把芯繀^(qū)位置

2　脆性的概念及度量方法

脆性既是一種變形特性又是一種材料特性[29]，它是巖石本身最重要的力學(xué)性質(zhì)之一。目前，有關(guān)脆性的定義和度量還沒有統(tǒng)一的說法，不同的學(xué)者先后從不同方面對(duì)于巖石的脆性進(jìn)行了定義和描述[30]。Morley[31]和Hetényi[32]定義脆性為巖石韌性的缺失。地質(zhì)及其有關(guān)科學(xué)詞匯(glossary of geology and related sciences)定義脆性為材料的一種屬性，即發(fā)生破裂或斷裂時(shí)很少或者沒有發(fā)生塑性變形的特性[33]。Obert和Duvall[34]認(rèn)為，鑄鐵或者巖石等材料達(dá)到或者超過屈服應(yīng)力強(qiáng)度后便會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋或發(fā)生破裂，那么這類材料被認(rèn)為是脆的。Ramsay[35]認(rèn)為，當(dāng)巖石的內(nèi)聚力被破壞，巖石就會(huì)發(fā)生脆性破壞。Hucka和Das[36]總結(jié)了前人對(duì)脆性的描述認(rèn)為，具有較高脆性的材料具有以下特征：較低的延展性、斷裂破壞、由細(xì)粒組分構(gòu)成、較高的抗壓與抗張強(qiáng)度比、高回彈能、較大的內(nèi)摩擦角、壓痕測(cè)試中裂縫發(fā)育。Goktan[37]認(rèn)為脆性巖石與脆性較弱的巖石相比具有較低的比能(specific energy)。李慶輝等[38]對(duì)頁巖脆性破裂機(jī)制結(jié)合斷裂特征定義脆性，認(rèn)為脆性是材料的綜合特性，是在自身天然非均質(zhì)性和外在特定加載條件下產(chǎn)生內(nèi)部非均勻應(yīng)力并導(dǎo)致局部破壞，進(jìn)而形成多維破裂面的能力。

在脆性的度量方面，由于脆性沒有統(tǒng)一的定義，所以脆性的度量方法也沒有固定形式。Honda和Sanada[39]通過對(duì)試樣進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，提出了基于宏觀和微觀硬度差異的脆性評(píng)價(jià)方法；Protodyakonov[40]提出利用普氏強(qiáng)度系數(shù)和細(xì)粒物質(zhì)的百分含量計(jì)算煤的脆性；Hucka和Das[36]對(duì)當(dāng)時(shí)已有的衡量脆性的方法進(jìn)行了總結(jié)，并認(rèn)為采用抗壓強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度的差異表示脆性適合評(píng)價(jià)像煤一樣的易碎材料；Lawn和Marshall[41]基于硬度提出利用硬度和斷裂韌性表征材料脆性；李慶輝等[38]提出基于巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后特性評(píng)價(jià)巖石脆性的指標(biāo)?？梢哉f，隨著巖石力學(xué)的不斷發(fā)展，眾多學(xué)者結(jié)合各類試驗(yàn)和測(cè)試方法基于不同角度(如強(qiáng)度、硬度、全應(yīng)力-應(yīng)變曲線、加卸載試驗(yàn)、內(nèi)摩擦角、貫入試驗(yàn)、碎屑含量、礦物成分等)并根據(jù)不同的目的和評(píng)價(jià)對(duì)象，提出了多種度量脆性的方法(表1)，并應(yīng)用于巖石、礦物材料的脆性評(píng)價(jià)及工程地質(zhì)等方面。

表1　計(jì)算巖石脆性(B)的經(jīng)驗(yàn)公式

隨著非常規(guī)油氣資源在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例越來越大，尤其是頁巖氣、致密油氣等資源，若要對(duì)其進(jìn)行有效開發(fā)，必須對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造，因此，巖石的脆性研究變得越來越重要[1,16,52-53]。除了從巖石力學(xué)等角度來評(píng)價(jià)巖石的脆性，有學(xué)者開始嘗試從巖石礦物成分及含量等其他角度來研究和評(píng)價(jià)頁巖的脆性程度。Jarvie等[54]通過對(duì)Barnett頁巖研究發(fā)現(xiàn)，其脆性與巖石中石英、碳酸鹽及粘土礦物含量有關(guān)。Grieser等[50]研究發(fā)現(xiàn)，頁巖脆性對(duì)水力壓裂縫的連通以及壓裂縫的形態(tài)具有重要影響，脆性較小的頁巖水力壓裂縫幾何形態(tài)相對(duì)較規(guī)則，一般產(chǎn)生兩翼對(duì)稱的單條縫或具有較少分支的多縫，而脆性較大的頁巖壓裂時(shí)則可產(chǎn)生復(fù)雜的縫網(wǎng)；同時(shí)，研究表明脆性大的頁巖具有較大的楊氏模量和較小的泊松比，脆性較小的頁巖一般具有較小的楊氏模量和較大的泊松比，并根據(jù)這一特性提出了計(jì)算頁巖脆性指數(shù)的新方法(表1中B20)。Rickman等[52]在統(tǒng)計(jì)北美泥頁巖相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)上述方法對(duì)頁巖的脆性指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并繪制了頁巖楊氏模量、泊松比和脆性指數(shù)的交會(huì)圖，同時(shí)根據(jù)脆性指數(shù)的大小并結(jié)合壓裂的各項(xiàng)工藝參數(shù)，制作了“基于脆性指數(shù)及壓裂工藝預(yù)測(cè)壓裂縫形態(tài)綜合表。Sondergeld等[51]綜合Jarvie和Rickman等人的研究成果，認(rèn)為脆性較大的頁巖通常石英礦物含量較高，而脆性較小的頁巖粘土礦物的含量較高，并從脆性巖石礦物含量角度定義了脆性指數(shù)的計(jì)算公式(表1中B21)，同時(shí)利用B20與B21兩種方法對(duì)加拿大地區(qū)Horn River(Muskwa)盆地的頁巖儲(chǔ)層進(jìn)行了脆性計(jì)算，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種方法計(jì)算的脆性指數(shù)能很好的吻合。

上述求取脆性指數(shù)的方法主要用于頁巖氣的開發(fā)實(shí)踐中，而對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層來說，還沒有專門的脆性指數(shù)計(jì)算方法。目前大部分專家均采用借鑒頁巖脆性指數(shù)的計(jì)算方法，來評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層脆性并取得了較好的效果[1,16,55-57]，即更多的采用表1中B20和B21兩種方法。需要說明的是，在巖石脆性指數(shù)的眾多評(píng)價(jià)方法中，依據(jù)巖石礦物含量來評(píng)價(jià)巖石的脆性為目前公認(rèn)的比較可靠的方法，但在工程應(yīng)用中因?yàn)橛吞飻?shù)據(jù)的限制，該方法有一定的局限性，而從巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)角度來求取巖石的脆性，也因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)的不連續(xù)性限制了該方法在工程上的應(yīng)用。為此，多數(shù)學(xué)者采用應(yīng)用廣泛且成本較低的常規(guī)測(cè)井資料求取動(dòng)態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)[58]，并通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得的靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行校正[59]，通過公式B20求取脆性指數(shù)來進(jìn)行致密儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)及“甜點(diǎn)”選取，也取得了較好的應(yīng)用效果，并說明了方法的可靠性。為此，本文以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密油儲(chǔ)層為例，采用上述方法對(duì)儲(chǔ)層脆性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而評(píng)價(jià)脆性對(duì)裂縫的控制作用。

3　裂縫發(fā)育特征

根據(jù)野外相似露頭及巖心觀察可知，隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育構(gòu)造裂縫，其次為近水平的成巖裂縫。構(gòu)造裂縫又可分為砂巖中的構(gòu)造裂縫(圖2a)和泥質(zhì)巖中滑脫裂縫(圖2b)，這類裂縫具有分布規(guī)則、延伸較長(zhǎng)、產(chǎn)狀穩(wěn)定、縫面平直等特點(diǎn)；其中砂巖中的構(gòu)造裂縫大多數(shù)為高角度，與層面近垂直，多成組出現(xiàn)，發(fā)育范圍廣。泥巖滑脫裂縫一般為中-低角度，縫面具有鏡面特征，縫面上可見順裂縫傾向的劃痕及微小階步。成巖裂縫主要包括砂巖中的近水平層理縫(圖2c)及泥巖中順巖層微層面發(fā)育的層理縫，其中砂巖中的成巖裂縫含油性較好，一般延伸幾厘米，具有順層理面彎曲、斷續(xù)、尖滅的特點(diǎn)，但由于此類裂縫規(guī)模較小、連通性較差，且在上覆巖層壓力作用下呈閉合狀態(tài)，對(duì)油藏開發(fā)的影響較小。

在致密透砂巖油藏中，構(gòu)造裂縫在注水開發(fā)中起到的作用最大[60]。根據(jù)相似露頭、定向巖心及成像測(cè)井資料統(tǒng)計(jì)，隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層主要發(fā)育4組構(gòu)造裂縫，分別為NEE-SWW向，近E-W向，近S-N向，NW-SE向，其中以發(fā)育前三組裂縫為主，發(fā)育程度依次減弱。大部分構(gòu)造裂縫縱向延伸高度小于0.8 m，裂縫主要在單巖層內(nèi)發(fā)育，極少發(fā)育穿層裂縫，相同組系、相同規(guī)模的裂縫在巖層內(nèi)呈等間距分布(圖2d)；平面上單條裂縫延伸長(zhǎng)度一般不超過20 m，露頭觀察若干條單縫呈雁列式排列構(gòu)成一條延伸較遠(yuǎn)的裂縫帶，但相鄰裂縫間并不互相連通，而是存在較小的間距(圖2e)。研究區(qū)絕大多數(shù)構(gòu)造裂縫為有效裂縫，裂縫被充填情況較少，其中僅有2.7%的裂縫被方解石全充填(圖2f)，裂縫在致密油藏開發(fā)過程中可作為優(yōu)勢(shì)滲流通道進(jìn)而影響注水開發(fā)效果。

4　儲(chǔ)層脆性特征對(duì)裂縫的控制

研究表明，在鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)特定地質(zhì)歷史時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力背景下，長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層構(gòu)造裂縫發(fā)育特征及發(fā)育程度與儲(chǔ)層脆性密切相關(guān)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

4.1儲(chǔ)層脆性控制裂縫的發(fā)育特征

按照巖性分類，研究區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層下部(主要是長(zhǎng)7-3小層)沉積一套泥頁巖(不作為本論文研究對(duì)象)，其中上部(長(zhǎng)7-1、長(zhǎng)7-2小層)主要沉積細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等類型。為方便研究，本文將細(xì)砂巖與粉砂巖統(tǒng)一稱為砂巖，將泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖統(tǒng)一稱為含泥質(zhì)砂巖。通過對(duì)研究區(qū)50余口井目的層的巖心裂縫統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(圖3)，絕大多數(shù)高角度構(gòu)造裂縫(傾角≥60°)發(fā)育在砂巖中，占裂縫總數(shù)的77.9%；而中-低角度裂縫(傾角<60°)在各類巖性中均有發(fā)育，但就每一種巖性來看，與高角度裂縫相比，中-低角度裂縫在泥巖中和含泥質(zhì)砂巖中所占比例較大，其中泥巖內(nèi)中-低角度裂縫占泥巖裂縫數(shù)量的達(dá)一半以上。上述特征反映了不同巖性中天然裂縫發(fā)育特征差異性較大，為此論文首先對(duì)不同巖性的脆性特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而探討儲(chǔ)層脆性與裂縫發(fā)育特征之間的關(guān)系。

圖2　隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層裂縫特征

圖3　巖心觀察隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層不同巖性、 不同產(chǎn)狀裂縫數(shù)量頻率分布

圖4　隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密儲(chǔ)層不同巖性楊氏模量 和脆性指數(shù)交會(huì)圖

巖心觀察的50口井中有14口具有常規(guī)測(cè)井資料，在進(jìn)行巖心與測(cè)井相互標(biāo)定之后，利用表1中公式B20的方法對(duì)各井目的層段的脆性指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分別統(tǒng)計(jì)砂巖、含泥質(zhì)砂巖及泥巖3種不同巖性的脆性指數(shù)，繪制了不同巖性楊氏模量(E)與脆性指數(shù)(Brit)交會(huì)圖(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)，砂巖具有較大的楊氏模量和脆性指數(shù)，泥巖的楊氏模量和脆性指數(shù)值均較小，而含泥質(zhì)砂巖的情況居于上述兩者之間，且按照砂巖、含泥質(zhì)砂巖、泥巖的順序，即隨著泥質(zhì)含量的增加，不同巖性大致表現(xiàn)出脆性指數(shù)逐漸減小序列，即說明砂巖脆性最大，含泥質(zhì)砂巖次之，泥巖脆性最小(圖4)。結(jié)合圖3中的認(rèn)識(shí)，可初步認(rèn)為脆性較大的砂巖中更容易發(fā)育高角度構(gòu)造裂縫，而隨著脆性逐漸減小，越來越表現(xiàn)為發(fā)育中-低角度裂縫。但情況是否如上述認(rèn)識(shí)呢？筆者通過巖心裂縫描述標(biāo)定測(cè)井計(jì)算脆性指數(shù)結(jié)果，精確統(tǒng)計(jì)了發(fā)育不同傾角裂縫的巖層脆性指數(shù)，分別繪制了發(fā)育高角度裂縫的巖層脆性指數(shù)分布圖(圖5a)和發(fā)育中-低角度裂縫的巖層脆性指數(shù)分布圖(圖5b)，結(jié)果表明，發(fā)育高角度裂縫的巖層的脆性指數(shù)主要分布在50～70，而發(fā)育中-低角度裂縫的巖層的脆性指數(shù)主要分布在30～50。由此可見，巖層的脆性對(duì)發(fā)育裂縫的傾角特征具有一定的控制作用，即當(dāng)巖層脆性大于某一值時(shí)更易發(fā)育高角度裂縫，而低于這一值時(shí)更易發(fā)育中-低角度裂縫。

需要說明的是，盡管不同巖性因?yàn)榇嘈灾笖?shù)存在上述界限值而導(dǎo)致裂縫的發(fā)育特征不同，但是裂縫傾角與發(fā)育裂縫的巖層的脆性指數(shù)之間可能并不一定具有連續(xù)的線性關(guān)系。如在研究區(qū)，當(dāng)巖層脆性指數(shù)大于50時(shí)，絕大多數(shù)裂縫以80°～90°的傾角發(fā)育，而傾角為60°～80°的裂縫數(shù)量則較少，這說明脆性指數(shù)大于某一界限的巖層一旦發(fā)生破裂，便會(huì)更多地以高角度的形式發(fā)育裂縫，儲(chǔ)層的脆性指數(shù)與裂縫傾角之間并不呈一定的正相關(guān)關(guān)系，這一觀點(diǎn)有待在以后的工作中繼續(xù)開展研究并加以論證。

4.2儲(chǔ)層脆性控制儲(chǔ)層自身的破裂能力

本文所指的儲(chǔ)層破裂能力主要是指儲(chǔ)層在外界應(yīng)力的作用下發(fā)生破裂的難易程度，它控制了儲(chǔ)層天然裂縫的發(fā)育程度，儲(chǔ)層破裂能力與儲(chǔ)層本身所具有的脆性指數(shù)大小密切相關(guān)。根據(jù)對(duì)A1井長(zhǎng)7-1小層的脆性指數(shù)所做的計(jì)算結(jié)果與巖心裂縫觀察描述結(jié)果進(jìn)行匹配后發(fā)現(xiàn)(圖6)，裂縫幾乎全部發(fā)育在儲(chǔ)層脆性指數(shù)較高的部位，兩者具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而脆性指數(shù)較低的部位并不發(fā)育裂縫。這說明在構(gòu)造應(yīng)力的作用下，脆性指數(shù)大的巖層更易發(fā)生破裂，而脆性指數(shù)小的巖層不易發(fā)生破裂。

為了進(jìn)一步論證上述觀點(diǎn)，再次通過巖心與測(cè)井相互標(biāo)定，利用常規(guī)測(cè)井資料對(duì)研究區(qū)所有巖心觀察井目的層段的脆性指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并得到不同巖性層的平均脆性指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析裂縫性巖層所占比例(圖7，圖8)。從圖7中可以看出，長(zhǎng)7儲(chǔ)層不同巖性層平均脆性指數(shù)分布在20～70，主要分布在30～60(占86.4%)，其中裂縫性巖層比例占所有巖層數(shù)量的14.4%，主要分布在平均脆性指數(shù)大于30的巖層中。從圖8可以看出，平均脆性指數(shù)為10～20的巖層中沒有裂縫性巖層發(fā)育，平均脆性指數(shù)為20～30的巖層中裂縫性巖層占10.6%，平均脆性指數(shù)為30～40的巖層中裂縫性巖層占4.1%，平均脆性指數(shù)為40～50的巖層中裂縫性巖層占5.2%，平均脆性指數(shù)為50～60的巖層中裂縫性巖層占26.8%，平均脆性指數(shù)為60～70的巖層中裂縫性巖層占47.3%，平均脆性指數(shù)為70～80的巖層中裂縫性巖層占87.5%。上述結(jié)果表現(xiàn)出當(dāng)巖層平均脆性指數(shù)大于50時(shí)，裂縫性巖層所占比例突然增大，且隨著脆性指數(shù)越大，裂縫性巖層所占比例越高的特征，而當(dāng)巖層平均脆性指數(shù)分布在20～50時(shí)，裂縫性巖層所占比例較小，但當(dāng)巖層平均脆性指數(shù)小于30時(shí)，裂縫性巖層所占比例反而增大。這是由于當(dāng)巖層平均脆性指數(shù)大于50時(shí)，巖層內(nèi)主要發(fā)育高角度裂縫，且隨著脆性指數(shù)越大，裂縫越發(fā)育，而當(dāng)巖層平均脆性指數(shù)小于50時(shí)，巖層內(nèi)主要發(fā)育中-低角度裂縫，尤其是當(dāng)巖層的脆性指數(shù)小于30時(shí)，泥巖中中-低角度滑脫裂縫最為發(fā)育，但若巖層平均脆性指數(shù)再次減小(<20時(shí))，構(gòu)造應(yīng)力更多的是使巖層發(fā)生變形而不是破裂，裂縫基本不再發(fā)育。這充分說明，巖層脆性指數(shù)越小，其發(fā)生破裂的情況越少，而隨著脆性指數(shù)的增大，巖層越易發(fā)生破裂，脆性控制了巖層自身的破裂能力，進(jìn)而控制了不同脆性巖層內(nèi)的裂縫發(fā)育程度。

圖5　長(zhǎng)7儲(chǔ)層發(fā)育不同傾角裂縫巖層的脆性指數(shù)分布

圖6　隴東地區(qū)A1井長(zhǎng)7-1小層脆性指數(shù)與巖心裂縫關(guān)系

圖7　隴東地區(qū)巖心觀察井長(zhǎng)7儲(chǔ)層不同 巖層平均脆性指數(shù)分布

圖8　隴東地區(qū)巖心觀察井長(zhǎng)7儲(chǔ)層內(nèi)不同脆性指數(shù) 巖層中裂縫性巖層所占比例

5　討論

由于脆性指數(shù)的定義和評(píng)價(jià)方法沒有統(tǒng)一固定的內(nèi)容和形式，因此有學(xué)者對(duì)部分脆性評(píng)價(jià)方法之間的相關(guān)性進(jìn)行過深入研究，結(jié)果表明不同的評(píng)價(jià)方法之間在脆性評(píng)價(jià)的結(jié)果上確實(shí)存在較大差別[30,36]。本文在評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層脆性過程中并沒有對(duì)上述各類方法進(jìn)行優(yōu)選，而是直接選取了大家普遍采用的方法，總結(jié)在實(shí)際工作中的應(yīng)用情況看，該種方法在評(píng)價(jià)儲(chǔ)層脆性特征及與裂縫發(fā)育特征的關(guān)系上能夠較好的反映出規(guī)律性，從側(cè)面上也反映了這種方法的可行性。

脆性是巖石的重要力學(xué)性質(zhì)之一，影響著巖石力學(xué)行為，因此與裂縫發(fā)育特征密切相關(guān)。論文初步討論了儲(chǔ)層脆性對(duì)裂縫的控制作用，但筆者認(rèn)為尚有許多問題有待深入研究。如在致密儲(chǔ)層脆性評(píng)價(jià)方法上，可綜合相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)及材料微觀測(cè)試分析等研究手段提出新的評(píng)價(jià)方法；在儲(chǔ)層脆性與天然裂縫發(fā)育特征的關(guān)系上可開展兩者之間的定量評(píng)價(jià)，其成果還可進(jìn)一步應(yīng)用到儲(chǔ)層天然裂縫的定量預(yù)測(cè)及裂縫三維建模中。

6　結(jié)論

1) 脆性既是一種變形特性又是一種材料特性，目前關(guān)于脆性的概念還沒有公認(rèn)而統(tǒng)一的說法，在脆性的度量方法上也沒有固定形式。應(yīng)盡快發(fā)展一種適用于致密砂巖儲(chǔ)層的脆性評(píng)價(jià)方法，以更好的指導(dǎo)實(shí)踐。

2) 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)7致密砂巖儲(chǔ)層天然裂縫較為發(fā)育，裂縫發(fā)育特征及發(fā)育程度與儲(chǔ)層脆性密切相關(guān)。長(zhǎng)7儲(chǔ)層中砂巖脆性最大，含泥質(zhì)砂巖次之，泥巖脆性最小，表現(xiàn)出隨著泥質(zhì)含量的增加，脆性指數(shù)逐漸減小的特征；脆性控制了裂縫的傾角特征，表現(xiàn)在當(dāng)巖層脆性大于某一值時(shí)更易發(fā)育高角度裂縫，而低于這一值時(shí)更易發(fā)育中-低角度裂縫；同時(shí)脆性也控制了儲(chǔ)層自身的破裂能力，即隨著巖層脆性指數(shù)增大，巖層越易發(fā)生破裂。

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(編輯董立)

Brittleness characteristics and its control on natural fractures in tight reservoirs：A case study from Chang 7 tight reservoir in Longdong area of the Ordos Basin

Zhao Xiangyuan1,2，Zeng Lianbo2，Zu Kewei3，Hu Xiangyang1，Jiao Jun4，Zhu Lifeng5，Shi Jinxiong2

(1.PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China;2.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,ZhongyuanOilfieldCompany,SINOPEC,Zhengzhou,Henan450018,China;4.ExplorationandDevelopmentResearchInstitute,ChangqingOilfieldCompany,PetroChina,Xi’an,Shaanxi710018,China;5.ShanxiGeologicalSurvey,Taiyuan,Shanxi030006,China)

Study of brittleness of tight reservoir and its effect on natural fractures is of great significance to quantitative prediction of natural fractures in tight reservoirs.This paper summarized more than 20 brittleness testing methods,focusing on the development and application of brittleness evaluation methods for unconventional oil and gas reservoirs.Moreover,it also evaluated the brittleness characteristics of tight reservoir and its effect on natural fractures in the Chang 7 tight reservoir in Longdong area of Ordos Basin.The results show that several groups of high angle structural fractures are developed widely in intervals of various lighologies in the Chang 7 reservoir in Longdong area.Sandstones show the highest brittleness,followed by shaly sandstones,and mudstones has the lowest brittleness.The brittleness decreases with the increase of shale content.On the specific paleo-structure stress background,rock brittleness controls the development characteristics and development degree of natural fractures.There is a brittleness threshold,above which high angle fractures are more likely to develop,while below which it is likely to develop low angle fractures.Brittleness also controls rock fracturing ability.When brittleness index is large,rock is easier to fracture under the structure stress,resulting in more fractures.In contrast,when it is low,rock deforms instead of fracturing,thus fractures are poorly developed and even not developed.

brittleness characteristics,natural fracture,tight reservoir,Yanchang Formation;Ordos Basin

2015-08-28;

2015-12-20。

趙向原(1983—)，男,博士，低滲透油氣田開發(fā)地質(zhì)。E-mail:auxus@sina.com。

簡(jiǎn)介：曾聯(lián)波(1967—)，男,博士、博士生導(dǎo)師，儲(chǔ)層裂縫形成與分布預(yù)測(cè)。E-mail:lbzeng@sina.com。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05013-004)。

0253-9985(2016)01-0062-10

10.11743/ogg20160109

TE122.2

A