巫崇雨，謝潤成,2 ，魏 笑，馮少柯，鄧 彤

(1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院；2成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059)

正寧區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡南端，與渭北隆起相接，被慶西與合水兩條古河分割形成[1]。長7儲集層埋藏較淺，砂體延伸范圍有限，含油砂體變化快，孔隙類型復(fù)雜，主要是巖屑、長石溶孔以及殘余粒間孔，物性差，滲透率(0.3～0.5)×10-3μm2，屬于非均質(zhì)性極嚴(yán)重的低孔、低滲、低壓和低豐度砂巖儲集層。開發(fā)不利因素：沉積環(huán)境為深湖或半深湖，儲集層致密且油層變化復(fù)雜，開發(fā)難度大[2-3]。裂縫是此類儲集層取得高產(chǎn)的關(guān)鍵[4-6]，但正寧地區(qū)尚未開展過裂縫評價相關(guān)研究。依據(jù)巖心、測井、測試等資料明確了研究區(qū)裂縫發(fā)育特征及其影響因素，可為正寧區(qū)塊長7儲集層有利區(qū)的預(yù)測和優(yōu)選提供重要依據(jù)。

1 裂縫特征

長7儲集層裂縫類型主要為構(gòu)造裂縫，可見少量被方解石等礦物充填的成巖裂縫。20口井取心層段的巖心中，總共觀察到裂縫216條，其中構(gòu)造裂縫198條。經(jīng)過對構(gòu)造裂縫進(jìn)行統(tǒng)計分析，特征為：

(1)以垂直裂縫和高角度斜交構(gòu)造裂縫為主，其中垂直裂縫101條、高角度斜交縫59條，占裂縫總數(shù)的81%；另外低角度斜交縫24條、水平縫14條(圖1)；(2)構(gòu)造裂縫在細(xì)砂巖中較為發(fā)育，約占總裂縫的65%，產(chǎn)狀呈垂直或傾角大于60°；在粉砂巖、泥巖中，裂縫發(fā)育程度較低，并且低角度縫和水平縫所占比重較大，主要為剪切縫(圖2)；(3)巖心上可見4種主要的裂縫產(chǎn)出狀態(tài)(圖3)：a.與巖心相交，呈一定的角度(傾角主要大于55°)，截面呈橢圓狀；b.裂縫垂直切割巖心，縫面干凈，無充填物；c.裂縫垂直切割巖心，但縫面可見方解石充填物；d.裂縫呈組系分布，一般無充填物，主要見于高角度縫和垂直裂縫；(4)垂直裂縫延伸規(guī)模較大，約85%的裂縫長度主要分布在20～60 cm，6.5%的裂縫長度可以大于100 cm，尤其在砂巖中垂直裂縫最長可達(dá)3 m；泥巖中所見的垂直裂縫多為從砂巖中貫穿至泥巖層，這對油氣的縱向流動具有積極意義；(5)構(gòu)造裂縫開度介于0.1～1.2 mm，其中開度為0～0.5 mm的構(gòu)造裂縫占81%，開度為0.5～1.0 mm的構(gòu)造裂縫約占14%，開度大于1 mm的構(gòu)造裂縫占不到5%；同時構(gòu)造裂縫中未充填縫占80%，有效溝通程度較高，對油氣流動有著重要的意義；而成巖裂縫由于存在方解石等充填礦物，寬度可達(dá)0.5 cm，但對油氣的流動基本無意義；(6)長7儲集層裂縫密度為1.01 條/m，有效裂縫密度為0.83 條/m，而裂縫的平均長度在25 cm左右，從這個角度來看，裂縫是相當(dāng)發(fā)育的，它對儲集層油氣產(chǎn)出的貢獻(xiàn)是不可忽視的[7-8]。

圖1 長7儲集層裂縫產(chǎn)狀分布

圖2 長7儲集層裂縫發(fā)育巖性分布

圖3 長7儲集層裂縫產(chǎn)出狀態(tài)

2 區(qū)域構(gòu)造背景與裂縫期次

2.1 區(qū)域構(gòu)造背景

盆地南部主要經(jīng)受印支、燕山和喜山時期的構(gòu)造運動[9]。印支時期，盆地南部構(gòu)造演化相對不明顯，此時期受控于陸—陸碰撞和洋殼俯沖造山構(gòu)造體系，導(dǎo)致了華北與華南板塊的碰撞與對接，而此時西伯利亞板塊往南運動，造成了盆地主壓應(yīng)力為南—北方向的應(yīng)力場。燕山時期，庫拉-太平洋板塊往北西方向運動，朝阿留森-日本海溝俯沖，而此時東亞大陸開始向南運動，最終因左旋剪切作用派生了盆地南部北西—南東方向的擠壓應(yīng)力場，其分布受到陸內(nèi)變形構(gòu)造和區(qū)域左旋剪切產(chǎn)生的應(yīng)力體制兩者的控制。在喜山時期，盆地受區(qū)域右旋拉張—剪切應(yīng)力體制控制，區(qū)域擠壓應(yīng)力為北東—南西方向，與正寧研究區(qū)塊應(yīng)力分布特征基本一致。

2.2 裂縫期次

根據(jù)正寧區(qū)塊裂縫充填物(主要為方解石)氣液兩相鹽水包裹體測溫資料，統(tǒng)計了包裹體均一溫度的分布情況(圖4)，根據(jù)公式：

H=(T-T0)×100/G[10]

(1)

其中：H為包裹體形成時的埋深，m；T為包裹體均一溫度，℃；T0為包裹體捕捉時地表溫度，℃；G為古地溫梯度，鄂爾多斯盆地取4.0℃/100 m[11]。

通過鹽水包裹體的均一溫度計算其埋深，然后根據(jù)研究區(qū)埋藏史曲線(圖5)[12]確定其所在層位，判斷其對應(yīng)的地質(zhì)時期。結(jié)合正寧地區(qū)埋藏歷史綜合分析表明：長7儲集層裂縫形成期可劃分為兩期：第一期，包裹體均一溫度范圍在75～157℃區(qū)間，對應(yīng)時間為印支-燕山期；第二期，包裹體均一溫度大于157℃，對應(yīng)為燕山-早喜山期。同時，由于本區(qū)未充填裂縫約占71.45%，裂縫有效性較高，對油氣流動具有意義;而晚期破裂是取不到充填物的，當(dāng)然也不能對這部分裂縫進(jìn)行充填物取樣及包裹體測試。

圖4 正寧區(qū)塊包裹體測溫分析均一溫度分布

圖5 鄂爾多斯盆地L47井埋藏史[12]

因此結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，綜合以上分析可以確定研究區(qū)的裂縫形成應(yīng)為三期:第一期為印支—燕山期(此時期產(chǎn)生的裂縫基本處于充填狀態(tài))，第二期為燕山—早喜山期(裂縫的次要形成期)，第三期為喜山期(裂縫主要形成期，基本無充填物)，而巖心可見一系列剪切破裂縫和拉張裂縫，這也是與喜山期拉張-剪切應(yīng)力環(huán)境相一致的，也可作為喜山期裂縫期次存在的有力證據(jù)。

3 裂縫發(fā)育控制因素

巖石發(fā)生破裂多與巖石本身的性質(zhì)(包括巖性、物性以及力學(xué)性質(zhì)等)有關(guān)，不同成分、結(jié)構(gòu)和強度的巖石，其力學(xué)性質(zhì)差異是非常大的。巖石的性質(zhì)決定了其抵抗構(gòu)造應(yīng)力場抗張和抗拉的能力[13-14]。在相同應(yīng)力場環(huán)境下，巖石中脆性礦物成分所占比例越高，就越易發(fā)生破裂，并且裂縫密度也會越高。因此裂縫的控制因素分析必須基于巖石的內(nèi)在屬性，考慮多種因素對巖石破裂的影響。

3.1 巖性

巖性是巖石破裂的基礎(chǔ)[15]因素。不同的巖石類型其力學(xué)強度存在差異，即使是在同樣的應(yīng)力環(huán)境中破裂程度也不同。長7儲集層巖心裂縫觀察已表明裂縫主要發(fā)育于細(xì)砂巖中，砂巖地層巖石脆性較大，容易產(chǎn)生破裂，泥巖由于塑性較大，裂縫不發(fā)育。

3.2 物性

巖石物性(孔隙度、密度等參數(shù))對巖石的力學(xué)性質(zhì)具有較大的影響，進(jìn)而會影響到巖石中裂縫的發(fā)育[16]。正寧地區(qū)儲集層密度與孔隙度呈較好的負(fù)相關(guān)性，反映巖石性質(zhì)簡單，成分穩(wěn)定。物性差異可以造成巖石力學(xué)強度的差異，在外部應(yīng)力環(huán)境相同時，砂巖地層中低密度層(即相對的高孔隙度層)比高密度層(低孔隙度層)更容易破裂,巖石的破裂更多與抵抗外部構(gòu)造應(yīng)力的巖石強度有關(guān)。長7儲集層巖石力學(xué)強度測試也表明巖石密度增加，其抗壓強度、抗張強度等參數(shù)呈直線增加，反映巖石密度的增加，所需要的破裂構(gòu)造應(yīng)力越高，巖石更不易產(chǎn)生破裂；反之，更易產(chǎn)生破裂(圖6)。但巖石物性對巖石破裂的影響并不如巖石存在紋層、層理、微裂隙等力學(xué)薄弱面對巖石破裂的影響[17]，地層中所存在的各類力學(xué)薄弱面是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要原因。長7儲集層巖石具有裂紋的樣品，其強度比不具有裂紋的樣品低，樣品兩端存在缺損或先存在裂紋，其單軸抗張強度平均值為3.84 MPa，抗壓強度也相應(yīng)較小，平均值為39.87 MPa；完整樣品的單軸抗張強度平均值為6.32 MPa，抗壓強度為46.27 MPa。因而地下巖石存在裂紋(結(jié)構(gòu)面)時巖石力學(xué)強度會明顯降低，在相同構(gòu)造應(yīng)力作用下更易發(fā)生破裂。

圖6 長7儲集層密度與巖石強度關(guān)系

3.3 巖層厚度

巖層厚度是除巖性、物性以及微結(jié)構(gòu)面外的另一大影響因素，這些是巖石發(fā)生破裂的內(nèi)在因素。巖層厚度這里指處于同一沉積時期，巖性、物性等因素大致相同的單一巖層的厚度[18]。由于地層并不是由一個巖層單元構(gòu)成的，巖層厚度的變化通常表現(xiàn)為巖性交替變化，因此不同巖性或不同沉積時期形成的巖層厚度有所不同。在相同的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，薄巖層應(yīng)更易發(fā)生破裂，在縱向上表現(xiàn)為裂縫密度增大。根據(jù)長7儲集層巖心及成像的裂縫識別統(tǒng)計結(jié)果表明：裂縫密度與巖層的厚度呈明顯的乘冪負(fù)相關(guān)關(guān)系，單一的巖層厚度越大，其裂縫線密度值越低(圖7)。此外巖層厚度超過2 m時，裂縫密度基本為低值，巖石抵抗外力的能力明顯增強，巖石不易發(fā)生破裂。

圖7 長7儲集層巖層厚度與裂縫密度關(guān)系

3.4 地應(yīng)力場

地應(yīng)力場是巖石發(fā)生破裂最主要的外因，是在巖體自身重量、地質(zhì)構(gòu)造以及地質(zhì)體物化變化等作用下逐漸形成的應(yīng)力狀態(tài)。一般而言，區(qū)域應(yīng)力場的整體規(guī)律，可通過對斷層的調(diào)查以及地應(yīng)力實測等取得認(rèn)識[19-20]。而要對應(yīng)力集中部位定量評價，要基于在地應(yīng)力實測基礎(chǔ)上，利用有限元等方法來反演和模擬。裂縫期次分析表明，大量無充填的裂縫應(yīng)是喜山期以來的產(chǎn)物，裂縫有效程度是最高的。因此這里主要進(jìn)行了對喜山期應(yīng)力場的模擬?；谑覂?nèi)地應(yīng)力測試及巖石力學(xué)參數(shù)實驗，利用有限元單元法對長7儲集層喜山期應(yīng)力場進(jìn)行模擬。應(yīng)力場模擬的應(yīng)力集中區(qū)主要在西北、東北和中南部，這些部位巖心和成像測井識別的裂縫密度相對應(yīng)力低值區(qū)大，整體吻合度為70.25%。

雖然應(yīng)力場對巖石的破裂具有較強的控制，但長7儲集層裂縫形成機制是復(fù)雜的，同時受到巖性、物性以及層厚的影響。例如：Z2井長7儲層局部發(fā)育有泥巖，泥巖層平均厚度達(dá)到了10 m；經(jīng)過應(yīng)力場模擬其處于應(yīng)力集中區(qū)，但該井的巖心裂縫線密度僅有0.4 條/m，成像裂縫線密度僅為0.5 條/m；另外N71井長7儲層巖心裂縫密度達(dá)到2.65 g/cm3,通過力學(xué)強度測試，其單軸抗張強度達(dá)7.43 MPa，單軸抗壓強度48.58 MPa，所以在地應(yīng)力集中區(qū)其產(chǎn)生破裂的程度也較小。

綜合以上分析，認(rèn)為正寧地區(qū)長7儲集層裂縫發(fā)育受構(gòu)造應(yīng)力場、層厚和巖石物性等綜合影響，應(yīng)力場屬于外在因素決定了巖石破裂的產(chǎn)生，而層厚、巖性和物性則控制著巖石的內(nèi)在力學(xué)強度。

4 結(jié)論

(1)長7儲集層裂縫類型主要為構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生的構(gòu)造裂縫，且主要發(fā)育在砂巖地層，裂縫有效性高；泥巖地層中的裂縫多為剪性破裂和成巖裂縫，對油氣的流動基本無意義。

(2)裂縫形成期有3期，第一期為印支—燕山期(基本為閉合狀態(tài)，被方解石等礦物充填)，第二期為燕山—早喜山期(裂縫的次要形成期)，第三期為喜山期(裂縫主要形成期，有效性高)。

(3)儲集層裂縫發(fā)育受構(gòu)造應(yīng)力場、層厚、力學(xué)薄弱面和巖石物性等綜合影響，應(yīng)力場是巖石破裂的外在因素，其他因素屬于內(nèi)因，相比較而言應(yīng)力場和巖層厚度對破裂的影響更為明顯。

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