祖克威，范凌霄，王 波，曹東升，管 聰，李中超，程秀申

[1.中國石化 中原油田分公司 勘探開發(fā)研究院,河南 鄭州 450018；2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249；3.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司 中海油實驗中心，天津 300452]

1 地質(zhì)概況

普光地區(qū)位于四川盆地東北部宣漢-達縣境內(nèi)，面積約1 100 km2，構(gòu)造格局上受北部米倉山，東北部大巴山和東南部川東斷褶帶的影響，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有一系列北東-南西向和北西-南東向構(gòu)造，在平面上被劃分為多個次級構(gòu)造單元(圖1)，垂向上發(fā)育有上三疊統(tǒng)雷口坡組-下三疊統(tǒng)嘉陵江組和志留系-奧陶系兩套滑脫層[1]。普光地區(qū)發(fā)育有多套含氣層系，其中上二疊統(tǒng)長興組-下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組的礁灘相儲層為普光氣田的主力產(chǎn)層[2-3]，誕生了目前中國海相地層中規(guī)模最大、儲層埋藏最深、儲層性質(zhì)最好、天然氣最干的特大型整裝碳酸鹽巖氣田[4]。上覆嘉陵江組，尤其是嘉陵江組二段(簡稱嘉二段)，為四川盆地重要的區(qū)域性產(chǎn)層[5]。目前，普光地區(qū)已在該層系相繼鉆遇良好的氣測顯示，是未來普光氣田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要層系。普光地區(qū)嘉二段厚度約141～310 m，整體為局限臺地-蒸發(fā)臺地相[6]，垂向上發(fā)育3個亞段，自下而上分為嘉二下亞段(T1j2(1))，嘉二中亞段(T1j2(2))及嘉二上亞段(T1j2(3))，每個亞段內(nèi)均發(fā)育有一套石膏-白云巖-灰?guī)r組合。巖心基質(zhì)孔隙度通常不超過4%，基質(zhì)滲透率大部分小于0.25×10-3μm2，為低孔-低滲儲層。

圖1 四川盆地普光地區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Locations of structures in the Puguang area，Sichuan Basin

自嘉陵江組沉積以來，相繼經(jīng)歷了印支運動，燕山運動和喜馬拉雅運動[7,8]，產(chǎn)生了多組天然裂縫。天然裂縫的存在大大改善了儲層的物性[9]，根據(jù)目前的單井試氣結(jié)果，天然裂縫的發(fā)育程度同產(chǎn)氣量具有良好的相關(guān)性。普光地區(qū)嘉二段碳酸鹽巖儲層裂縫不僅控制了天然氣的富集成藏，也影響了開發(fā)方案的部署和壓裂改造效果。

2 裂縫類型與發(fā)育特征

對川東北地區(qū)百里峽剖面嘉二段野外地質(zhì)露頭統(tǒng)計，結(jié)合普光地區(qū)11口取心井171.79 m的巖心觀察描述和13口井635份薄片鑒定分析(取心井位置見圖1)，普光地區(qū)嘉二段裂縫按照成因類型可以分為構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫，構(gòu)造裂縫以同層面垂直或高角度相交的區(qū)域性共軛剪切裂縫為主[10-13]，在平面上表現(xiàn)為相互切穿的X型裂縫，斷層和褶皺發(fā)育區(qū)可見局部構(gòu)造相關(guān)裂縫，如由于斷層活動引起的，主要分布在斷裂帶周圍的斷層伴生裂縫和在地層變形過程中，由于褶皺頂部受到拉張應(yīng)力產(chǎn)生的同褶皺樞紐方向一直的縱張裂縫。非構(gòu)造裂縫主要包括縫合線、層理縫和異常高壓裂縫(圖2)。普光地區(qū)嘉二段裂縫以構(gòu)造裂縫為主，并改善了復(fù)雜碳酸鹽巖的儲層物性。

野外實測的區(qū)域性共軛剪切裂縫發(fā)育有北東-南西向，東西向，南北向和北西-南東向四組，利用裂縫間距指數(shù)，即利用野外實測的裂縫層厚度與該層內(nèi)裂縫平均間距的比值，分別對四組裂縫的相對發(fā)育程度進行評價，北東-南西向裂縫最為發(fā)育，其次為東西向和南北向，北西-南東向裂縫發(fā)育程度相對較差。

普光地區(qū)嘉二段構(gòu)造裂縫和非構(gòu)造裂縫開度通常小于300 μm，未充填裂縫和充填裂縫均以高角度裂縫為主，有效裂縫高度通常小于0.6 m，無效裂縫高度通常小于0.3 m。

利用薄片和成像測井的參數(shù)表征結(jié)果計算的嘉二段儲層裂縫孔隙度小于0.6%，裂縫滲流率通常小于500×10-3μm2。相比于基質(zhì)孔隙度和基質(zhì)滲透率(圖3)，裂縫對儲層的儲集作用貢獻有限，但裂縫的存在將儲層的滲透率提高了1～3個數(shù)量級，因此，在嘉二段中，裂縫主要起到滲流通道的作用。

圖3 四川盆地普光地區(qū)嘉二段裂縫和基質(zhì)物性參數(shù)分布特征Fig.3 Distribution of property parameters of fractures and matrix in Jia 2 member，Puguang area,Sichuan Basina.裂縫孔隙度分布；b.裂縫滲透率分布；c.基質(zhì)孔隙度分布；d.基質(zhì)滲透率分布

碳酸鹽巖儲層溶蝕作用強烈，對裂縫響應(yīng)較為敏感的深、淺側(cè)向曲線易受基質(zhì)孔隙影響，引起識別誤差。本次研究通過擬合非裂縫發(fā)育段中，深側(cè)向電阻率和補償中子測井的函數(shù)關(guān)系作為求取基質(zhì)電阻率的公式，利用深側(cè)向電阻率曲線同基質(zhì)電阻率的差異來識別儲層裂縫發(fā)育段，對普光地區(qū)分布在9個構(gòu)造帶30口井的單井裂縫發(fā)育段進行識別，進而分析嘉二段儲層裂縫在垂向上的發(fā)育規(guī)律，經(jīng)過巖心觀察和成像測井識別統(tǒng)計，該方法符合率為83.2%。

本次研究定義單井層內(nèi)裂縫發(fā)育段的累計厚度與層段厚度的比值為單井的裂縫發(fā)育強度，無量綱。結(jié)果表明，嘉二段的3個亞段中，白云巖和灰?guī)r均有裂縫發(fā)育，主要分布在各個亞段中膏巖層下覆的白云巖段。3個亞段中，嘉二中亞段裂縫最為發(fā)育，平均裂縫發(fā)育強度為0.187 5，嘉二下亞段平均裂縫發(fā)育強度為0.138，嘉二上亞段裂縫發(fā)育程度較低，平均裂縫發(fā)育強度為0.093。

3 影響裂縫發(fā)育的因素

3.1 裂縫與構(gòu)造的關(guān)系

構(gòu)造是影響和控制裂縫發(fā)育程度和類型的重要因素，局部構(gòu)造控制了裂縫的發(fā)育強度和類型[14]。構(gòu)造因素可以進一步分為褶皺對裂縫的控制作用和斷層對裂縫的控制作用。

3.1.1 褶皺對裂縫的控制作用

褶皺對裂縫的控制作用，主要體現(xiàn)在褶皺在形成過程中，隨著地層變形程度的增加，在不同部位產(chǎn)生的裂縫發(fā)育類型和裂縫發(fā)育程度不同。

普光地區(qū)主體構(gòu)造西南部為一處背斜構(gòu)造(圖4a)，對背斜不同部位的單井裂縫發(fā)育強度進行計算(圖4b)。計算結(jié)果表明，從背斜樞紐到翼部，裂縫發(fā)育強度整體上呈減少趨勢，離背斜樞紐越遠，裂縫的發(fā)育程度越低。

圖4 四川盆地普光地區(qū)嘉二段背斜不同部位同單井裂縫發(fā)育強度關(guān)系Fig.4 Fracture development intensities of the same well at different positions of the anticline in Jia 2 member in the Puguang area，Sichuan Basina.普光主體西南部的背斜構(gòu)造；b.單井裂縫發(fā)育強度統(tǒng)計結(jié)果

3.1.2 斷層對裂縫的控制作用

在斷層附近，由于在斷層形成過程中產(chǎn)生的應(yīng)力擾動作用，沿著斷裂帶，發(fā)育有一定寬度的同斷層走向一致的斷層伴生裂縫發(fā)育帶。利用邊緣檢測屬性，對普光地區(qū)嘉二段不同構(gòu)造方向的裂縫發(fā)育帶寬度進行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，北東-南西向斷層裂縫發(fā)育帶平均寬度為400 m，北西-南東向斷層裂縫發(fā)育帶平均寬度為854.8 m。

結(jié)合斷層參數(shù)分析控制裂縫發(fā)育帶寬度的主控因素(表1)，其中斷層傾角對發(fā)育帶寬度的控制作用更為明顯，北東-南西向斷層傾角相對較大，平均為72°，北西-南東向斷層傾角相對較小，平均為48°，斷層傾角越小，斷層活動過程中應(yīng)力擾動帶寬度越大[15-17]，而斷層延伸長度對裂縫發(fā)育帶寬度的影響作用不明顯。因此，北西-南東向斷層周圍附近地層的變形程度要高于北東-南西向斷層。

表1 四川盆地普光地區(qū)嘉二段裂縫發(fā)育帶寬度與斷層參數(shù)關(guān)系Table 1 Correlation between the width of fracture development zones and fault parameters in Jia 2 member in the Puguang area，Sichuan Basin

3.2 裂縫與巖石力學(xué)層厚的關(guān)系

裂縫的發(fā)育層控性強，往往終止在一個特定的沉積界面[18]，這種界面上下的巖石單元具有不同的力學(xué)性質(zhì)[19]，這種約束了裂縫延伸的沉積界面為力學(xué)界面，相鄰界面間的距離為力學(xué)層厚[20]。對川東北地區(qū)野外嘉二段露頭力學(xué)層厚度和層內(nèi)裂縫間距進行統(tǒng)計(野外露頭位置見圖1)，結(jié)果表明，隨著力學(xué)層厚的增加，裂縫間距增加，兩者滿足線性關(guān)系(圖5)。

圖5 四川盆地普光地區(qū)野外露頭統(tǒng)計的嘉二段巖石力學(xué)層厚與裂縫間距關(guān)系Fig.5 Correlation between the rock mechanical stratigraphic thickness and the fracture spacing in Jia 2 member measured from the outcrops in the Puguang area，Sichuan Basin

3.3 裂縫與巖性的關(guān)系

巖性對裂縫發(fā)育特征的影響主要是通過組成巖石的巖石顆粒大小、巖石成分及其物性等在巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造方面的差異不同，進而引起了巖石力學(xué)性質(zhì)的不同。在經(jīng)歷相同的構(gòu)造作用下，裂縫的發(fā)育程度不同。

普光地區(qū)嘉二段主要發(fā)育有石膏，白云巖和灰?guī)r，局部段發(fā)育有少量的泥巖。利用研究區(qū)巖心資料，計算不同巖性下裂縫發(fā)育的總條數(shù)與該巖性的總厚度的比值作為該巖性裂縫發(fā)育的密度。結(jié)果表明，嘉二段白云巖中裂縫密度為1.15條/m，灰?guī)r密度為0.45條/m，石膏中無裂縫發(fā)育。

巖石成分對裂縫的影響主要是由巖石中不同力學(xué)性質(zhì)礦物含量引起巖石力學(xué)性質(zhì)的改變。巖石中的脆性礦物，包括白云石，方解石，石英等具有較低的延展性、較高的抗壓與抗張強度比、高回彈能等性質(zhì)的礦物[21-23]。當(dāng)巖石中脆性礦物含量較高時，巖石往往會表現(xiàn)出較強的能干性，經(jīng)歷強烈的構(gòu)造活動，更容易通過破裂作用來吸收應(yīng)變能。本次研究嘗試在碳酸鹽巖儲層中，分析脆性礦物(主要為白云石和方解石)含量同裂縫發(fā)育程度的關(guān)系。

利用薄片資料，統(tǒng)計見遇裂縫的薄片中脆性礦物含量和未見遇裂縫的薄片中的脆性礦物含量的關(guān)系(圖6)。結(jié)果表明，當(dāng)巖石中白云石含量大于75%或者方解石含量大于80%時，更有利于裂縫的發(fā)育，當(dāng)巖石中白云石含量小于75%且方解石含量小于80%時，不利于裂縫發(fā)育。

圖6 四川盆地普光地區(qū)嘉二段碳酸鹽巖礦物含量與裂縫發(fā)育關(guān)系Fig.6 Correlation between the carbonate mineral content and fracture development in Jia 2 member in the Puguang area，Sichuan Basin

分析取心井段裂縫發(fā)育密度和對應(yīng)深度的脆性礦物含量之間的關(guān)系(圖7)。裂縫通常發(fā)育在脆性礦物含量大于75%的巖石中，隨著礦物含量的增加，巖石能干性增強，更有利于裂縫發(fā)育，并近似的滿足指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。

圖7 四川盆地普光地區(qū)嘉二段巖心裂縫密度與巖石脆性礦物含量的關(guān)系Fig.7 Correlation of fracture density and brittle mineral content of core samples from Jia 2 member，Puguang area，Sichuan Basin

3.4 裂縫與成巖作用的關(guān)系

成巖作用是控制和影響碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)育的重要因素，尤其在非構(gòu)造控制區(qū)[24]。首先要分析碳酸鹽巖成巖演化序列同產(chǎn)生大規(guī)模破裂的構(gòu)造運動之間的匹配關(guān)系，在大規(guī)模破裂作用發(fā)生前，壓實作用和膠結(jié)作用可以促使巖石更加致密，增強巖石的能干性，更容易發(fā)生脆性破裂；溶蝕作用促使巖石疏松多孔，在同樣的構(gòu)造作用下，疏松多孔的巖石首先發(fā)生壓實作用，通過巖石內(nèi)部的形變，吸收的構(gòu)造應(yīng)力，不利于裂縫的形成[25]。

普光地區(qū)海相碳酸鹽巖儲層壓實和膠結(jié)作用發(fā)生在燕山運動前[26]，尚未產(chǎn)生大規(guī)模的破裂[27]。本次研究主要利用巖心和薄片資料從壓實作用和膠結(jié)作用分析成巖作用對裂縫影響。

3.4.1 壓實作用

利用巖心統(tǒng)計的目的層段裂縫發(fā)育密度，并建立裂縫發(fā)育密度同埋深的關(guān)系。結(jié)果表明，隨深度的增加，嘉二段裂縫發(fā)育密度整體上呈增加的趨勢。

3.4.2 膠結(jié)作用

基于薄片資料，統(tǒng)計嘉二段巖石膠結(jié)類型，并比較有無膠結(jié)作用發(fā)生時，薄片中出現(xiàn)裂縫的比重。嘉二段的膠結(jié)方式主要為方解石膠結(jié)，偶爾可見白云石和石膏膠結(jié)。當(dāng)巖石發(fā)生膠結(jié)作用時，灰?guī)r中裂縫出現(xiàn)的概率從無膠結(jié)作用時的8%提高至44%，白云巖中裂縫出現(xiàn)的概率從無膠結(jié)作用時的22%提升至70%。當(dāng)儲層發(fā)生膠結(jié)作用時，增強了巖石的能干性，促進破裂作用的產(chǎn)生。

4 天然裂縫對開發(fā)的影響

在油氣藏開發(fā)過程中，天然裂縫的存在一方面可以將致密儲層的滲透率提高幾個數(shù)量級[28-29]，作為重要的運移通道，改善儲層的滲流狀況;同時，天然裂縫的發(fā)育加劇了儲層非均質(zhì)性，在開發(fā)過程中，裂縫的開啟會成為邊水底水快速水侵通道[30]。

實際上，地下發(fā)育的多組系天然裂縫并非都有效，只有開啟的天然裂縫才能成為有效的運移通道，其有效性受現(xiàn)今地應(yīng)力的控制[31-35]。當(dāng)天然裂縫走向同現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向垂直時，裂縫開度最小，有效性最差，當(dāng)天然裂縫走向同現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向平行時，裂縫開度最大，有效性最好[32-39]。

利用30口井的鉆井誘導(dǎo)縫和井壁崩落信息對普光地區(qū)嘉二段現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向進行統(tǒng)計，同時利用組合彈簧模型對單井現(xiàn)今主應(yīng)力大小進行計算。在此基礎(chǔ)上，利用公式(1)[33]，從單井上分別對普光地區(qū)嘉二段四組裂縫的有效應(yīng)力進行計算。

σHsinθsinβ+σhsinθcosβ

(1)

式中：pi為作用在裂縫面上的有效應(yīng)力，MPa；μ為巖石泊松比，無量綱；H為裂縫埋藏深度，m；ρs為巖石密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg；θ為裂縫傾角，(°)；β為現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力與裂縫走向的夾角，(°)；ρo為孔隙流體密度，kg/m3，σH為水平最大主應(yīng)力大小，MPa；σh為水平最小主應(yīng)力，MPa。

結(jié)果表明，東西向裂縫面上的有效應(yīng)力最小，主要集中在32～39 MPa，南北向裂縫面上的有效應(yīng)力最大集中在78～90 MPa(表2)。

表2 四川盆地普光地區(qū)嘉二段不同方向裂縫開啟壓力的大小Table 2 Statistics of opening pressures of fractures of different directions in Jia 2 member in the Puguang area，Sichuan Basin

因此，在開發(fā)過程中，隨著注入壓力的增加，東西向裂縫更容易優(yōu)先開啟，成為主要的滲流通道。此外，由于北東-南西向為普光地區(qū)嘉二段儲層裂縫發(fā)育的優(yōu)勢方位，且同水平最大主應(yīng)力方向夾角相對較小，容易形成定向的高滲帶，南北向裂縫面上有效應(yīng)力最大，開啟難度高，滲流能力最差。

目前，開發(fā)區(qū)在103,203,204和105井區(qū)出現(xiàn)了裂縫性水侵，其中103,203和204井區(qū)水侵方向為近東西向，由于105井區(qū)以北東向裂縫為主，在該井區(qū)水侵方向表現(xiàn)為北東-南西向。實測的水侵方向與基于不同組系裂縫面上的有效應(yīng)力和裂縫發(fā)育優(yōu)勢方位預(yù)測的水侵方向基本一致(表3)。在后續(xù)的開發(fā)過程中，控制好注入壓力，防止地層破裂，對東西向和北東-南西向兩個優(yōu)勢滲流通道，實施調(diào)剖封堵，以防止出現(xiàn)裂縫性水淹水竄。

5 結(jié)論

1) 四川盆地普光地區(qū)嘉二段碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)育有北東-南西向，東西向，南北向和北西-南東向四組裂縫，北東-南西向為優(yōu)勢方位，裂縫以高角度裂縫為主，開度通常小于300 μm，縫高通常小于0.6 m，裂縫的儲集作用相對較弱，主要起到滲流通道的作用。垂向上，裂縫主要發(fā)育在嘉二段3個亞段膏巖下覆的白云巖段，嘉二中亞段的裂縫最為發(fā)育。

2) 研究區(qū)裂縫的發(fā)育受構(gòu)造，巖石力學(xué)層厚，巖性和成巖作用等因素控制。其中構(gòu)造作用包括褶皺和斷層對裂縫發(fā)育類型和發(fā)育程度的控制，成巖作用主要為壓實作用和膠結(jié)作用，通過影響巖石的力學(xué)性質(zhì)而影響裂縫的發(fā)育。

3) 研究區(qū)嘉二段現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)結(jié)合裂縫產(chǎn)狀計算不同組系裂縫開啟壓力，東西向裂縫開啟壓力最低，在開發(fā)過程中該組裂縫會優(yōu)先開啟，成為有效的運移通道，北東-南西向裂縫為優(yōu)勢發(fā)育方位，同水平最大主應(yīng)力方向夾角較小，容易形成高滲帶。