東濮凹陷三疊系砂巖油藏裂縫特征及主控因素

王瑞飛，呂新華，國殿斌，蘇 惠，黃新文

1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安 710065

2.中國石化集團公司中原油田分公司，河南濮陽 457001

東濮凹陷三疊系砂巖油藏裂縫特征及主控因素

王瑞飛1，呂新華2，國殿斌2，蘇 惠2，黃新文2

1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，西安 710065

2.中國石化集團公司中原油田分公司，河南濮陽 457001

為探討東濮凹陷三疊系砂巖油藏儲層裂縫發(fā)育特征、裂縫成因機制及控制因素，采用野外露頭剖面觀測、巖心觀察、樣品分析測試、常規(guī)測井、成像測井、核磁測井、巖石力學(xué)實驗等技術(shù)方法對文明寨地區(qū)三疊系砂巖儲層裂縫進行了研究。結(jié)果表明：東濮凹陷三疊系砂巖儲層主要發(fā)育NNE向、NE向和近EW向3組構(gòu)造裂縫，裂縫走向近于平行或垂直主斷層方向，裂縫沿構(gòu)造高部位呈帶狀分布。裂縫以高角度－近直立（60°～90°）縫為主，低角度（30°～50°）縫次之，高、低角度裂縫相互交錯構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。巖心分析及孔隙度測井計算結(jié)果表明，裂縫孔隙度為2.60%～3.20%。構(gòu)造應(yīng)力場是控制砂巖儲層裂縫發(fā)育的外部因素；儲層巖性、砂巖厚度、巖石力學(xué)性質(zhì)等是控制砂巖儲層裂縫發(fā)育的內(nèi)在因素。

東濮凹陷；三疊系；裂縫；裂縫成因機制；儲層；構(gòu)造

0 引言

20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對油氣藏儲層裂縫做了大量研究工作：Goodman［1］提出應(yīng)用巖石聲發(fā)射實驗研究裂縫形成的破裂史；Murry［2］從構(gòu)造本身的結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，探討形變主曲率與裂縫孔隙度的關(guān)系，提出裂縫巖體的力學(xué)模型；Ruhland［3］提出用巖心觀察統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算裂縫張開度，以此評價裂縫發(fā)育程度；Takayuki［4］根據(jù)斷裂圖，發(fā)現(xiàn)巖石破裂幾何形狀具有自相似性，提出用分形理論研究裂縫分布規(guī)律；McQuillan等［5］在研究裂縫時將裂縫分為與應(yīng)變能相關(guān)的剪裂縫、與褶皺相關(guān)的張裂縫、與斷層相關(guān)的剪裂縫和張剪裂縫。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者主要應(yīng)用野外露頭剖面［6］、巖心觀察［7］、鏡下統(tǒng)計［8］、測井資料［9］、地震資料［10］等方法識別裂縫，應(yīng)用物理模擬［11］、數(shù)值模擬［9，12］、巖層曲率計算［13］、分形分維計算［14］等方法預(yù)測裂縫的分布規(guī)律。目前，儲層裂縫研究已發(fā)展為多技術(shù)、多方法的綜合研究體系，其技術(shù)方法主要有電磁測向儀、CT掃描儀、微Lambda測井、環(huán)形聲波測井、成像測井（FMI）、DSI偶極橫波成像儀和井下電視儀（BHTV）等［15］。

近年來，東濮凹陷北部文明寨地區(qū)發(fā)現(xiàn)了三疊系裂縫型砂巖油氣藏，油氣主要富集于砂巖裂縫中，基質(zhì)不含油，此類油氣藏在國內(nèi)尚屬首次發(fā)現(xiàn)。目前，該油氣藏的儲集空間特征及成藏模式尚需深入研究。儲層裂縫特征及主控因素的研究對該區(qū)下一步的勘探、開發(fā)具有重要意義。

1 裂縫發(fā)育特征

1.1 裂縫走向

巖心古地磁定向、微層面定向及成像測井資料顯示砂巖中主要發(fā)育NNE、NE和近EW向3組構(gòu)造裂縫（圖1、圖2）。區(qū)域構(gòu)造研究成果表明，研究區(qū)斷層走向以NE、NW向為主，裂縫走向近于平行或垂直于區(qū)域斷裂延伸方向［16－18］。

1.2 裂縫傾向

據(jù)野外露頭觀察，裂縫以高角度縫為主，其次為低角度縫，水平縫較少，高、低角度裂縫相互交錯構(gòu)成裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（圖3a）。巖心觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫以高角度－近直立（60°～90°）的構(gòu)造縫為主，低角度（30°～50°）層間縫次之，裂縫呈“X”型交切（圖3b、c）。W77－4井巖心裂縫統(tǒng)計表明，高角度裂縫占84%，低角度裂縫占16%。成像測井資料顯示裂縫以高角度縫為主（圖4a），與露頭及巖心觀察結(jié)果一致。裂縫傾向一組為280°～300°，另一組為125°～200°（圖4b）。W77－3、W77－4等井明顯發(fā)育2組產(chǎn)狀不同的裂縫，裂縫形成可能具有多期性。

圖1 巖心古地磁裂縫方位圖Fig.1 The fracture orientation by the core paleomagnetic

圖2 文明寨地區(qū)成像測井裂縫走向展布圖Fig.2 The fracture trend of Triassic sand reservoir in Wenmingzhai area

1.3 裂縫充填性

巖心觀察表明，裂縫充填物主要有泥質(zhì)、方解石、石膏、黃鐵礦、構(gòu)造角礫、結(jié)晶礦物等（圖3）。方解石呈顆粒狀，石膏為針狀、放射狀、纖維狀、板狀、片狀集合體，黃鐵礦為細小顆粒狀結(jié)晶集合體。裂縫充填形式有全充填、半充填和未充填，以前兩種為主。沿裂縫發(fā)育一系列溶蝕孔洞，形成含油縫－洞系統(tǒng)?？锥囱亓芽p發(fā)育，表明其形成晚于裂縫，是成巖過程中溶蝕作用的結(jié)果?？锥炊喑蕶E圓形或不規(guī)則多邊形，直徑小于4m。因裂縫發(fā)育段為砂泥巖間互層，故其溶蝕程度有限。

圖3 野外露頭及鉆井取心Fig.3 Outcrop section and core

圖4 文明寨地區(qū)三疊系裂縫傾角及傾向Fig.4 The fracture obliquity and incline of Triassic sand reservoir in Wenmingzhai area

2 裂縫參數(shù)

2.1 裂縫發(fā)育程度

根據(jù)成像測井資料可知，M471斷塊裂縫密度為0.23～0.72條／m，W77斷塊裂縫密度為0.13～0.43條／m，M471斷塊較W77斷塊裂縫發(fā)育。W77斷塊、M471斷塊裂縫水動力寬度分別為32.4～36.6μm／m、10.8～16.8μm／m，W77斷塊區(qū)裂縫水動力寬度較M471斷塊區(qū)大。兩地壘帶裂縫平均開度分別為21.00～22.90μm、18.30～92.20 μm，相差不大。儲層含油性、油井產(chǎn)量與裂縫發(fā)育程度相關(guān)，常規(guī)測井、核磁測井及試采資料也顯示儲層上部二馬營組裂縫較為發(fā)育，下部和尚溝組、劉家溝組裂縫相對不發(fā)育。

2.2 裂縫孔隙度

儲層巖石孔隙由基質(zhì)孔隙與縫洞孔隙兩部分組成?；|(zhì)不含油，縫洞孔隙為油氣富集的有效孔隙?？p洞孔隙度為巖石總孔隙度與基質(zhì)孔隙度的差，即φf＝φ－φb。應(yīng)用巖心分析法和孔隙度測井計算法可求取裂縫孔隙度［19］。

2.2.1 巖心分析法

由W77－4井巖心全直徑物性分析：巖石總孔隙度為1.50%～11.60%，平均為4.72%；滲透率為（0.46～9.24）×10－3μm2，平均為1.696×10－3μm2?；|(zhì)孔隙度為0.40%～7.20%，平均為2.48%；滲透率為（0.13～0.38）×10－3μm2，平均為0.183×10－3μm2。由此可得縫洞孔隙度平均值為2.25%（表1）。盡管巖心分析求取的裂縫孔隙度比較準(zhǔn)確，但裂縫發(fā)育部位較難取得全直徑巖心（全直徑巖心樣品均為裂縫發(fā)育較差部位），故分析結(jié)果代表性不是很強。

2.2.2 孔隙度測井計算法

2.2.2.1 地層總孔隙度（φ）

中子、密度測井反映地層總孔隙度，利用中子－密度交會圖求取地層總孔隙度，其解釋方程如下：

式中：ρb為地層巖石密度，g／cm3；φN為地層中子孔隙度測井值，%；ρma為巖石骨架密度，g／cm3；ρl為地層流體密度，g／cm3；ρsh為泥質(zhì)密度，g／cm3；（φN）ma為巖石骨架中子測井值，%；（φN）l為地層流體中子測井值，%；（φN）sh為泥質(zhì)中子測井值，%；V為巖石骨架相對體積，%；φ為巖石孔隙度，%；Vsh為泥質(zhì)相對體積，%。

由W77－4井11個巖心樣品分析總孔隙度與對應(yīng)深度測井解釋總孔隙度的對比驗證，樣品點絕對誤差平均值為0.20%，滿足計算精度要求（圖5a）。

2.2.2.2 基質(zhì)孔隙度（φb）

聲波時差主要反映基質(zhì)孔隙和水平裂縫，本次計算涉及的區(qū)塊裂縫均為高角度縫，由聲波時差計算的孔隙度可作為基質(zhì)孔隙度（φb），其解釋方程如下：

式中：Δt為目的層聲波時差測井值，μs／m；Δtl為地層流體聲波時差值，μs／m；Δtma為巖石骨架聲波時差值，μs／m。

表1 W77－4井砂巖巖心物性分析數(shù)據(jù)Table 1 The physical properties for the core in W77－4

圖5 巖心分析孔隙度與測井解釋孔隙度對比圖Fig.5 The Core analysis porosity and logging interpretation porosity

采用自然伽馬計算泥質(zhì)含量，公式如下：

式中：GR為目的層自然伽馬測井值，API；GRmin為純砂巖地層自然伽馬測井值，API；GRmax為純泥巖地層自然伽馬測井值，API；GCUR為經(jīng)驗系數(shù)，目的層取2。

由W77－4井14個巖心樣品分析基質(zhì)孔隙度與對應(yīng)深度測井解釋基質(zhì)孔隙度的對比驗證，樣品點基質(zhì)孔隙度絕對誤差小于0.20%，滿足計算精度要求（圖5b）。

M471斷塊區(qū)孔隙度解釋6口井29層78.1m，孔隙度為1.40%～4.90%；W77斷塊區(qū)孔隙度解釋7口井67層199.6m，孔隙度為1.20%～5.80%。單井孔隙度取值采用厚度加權(quán)平均法，砂層組孔隙度計算采用井點算術(shù)平均法。由此得M471、W77斷塊區(qū)各砂層組裂縫平均孔隙度為2.60%～3.20%（表2）。該方法對計算砂巖裂縫孔隙度有一定的參考價值。

3 裂縫成因機制及主控因素

3.1 裂縫成因機制

根據(jù)裂縫切割關(guān)系、裂縫分布型式、巖石聲發(fā)射實驗及裂縫充填物的包裹體分析，證明儲層裂縫形成期次主要為2期。

構(gòu)造演化史和地層埋藏史［20－23］分析表明，研究區(qū)中生界三疊系主要存在2期斷裂，伴隨形成的裂縫也有2期（燕山期和喜馬拉雅期）。第一期斷裂形成于燕山期，為NNW－NW－NWW向展布，此時形成的裂縫也呈NNW－NW－NWW向展布；第二期斷裂形成于東營組沉積末期－古近系末期，為NNENE－NEE向展布，此時形成的裂縫也主要呈NNENE－NEE向展布。

表2 W77、M471斷塊區(qū)有效孔隙度Table 2 The effective porosity in W77and M471fault block

構(gòu)造應(yīng)力場演化［16－18，24－25］表明，研究區(qū)中生界砂巖儲層主要在燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成。早期在燕山期的水平擠壓構(gòu)造應(yīng)力場和抬升剝蝕作用造成的應(yīng)力場作用下（抬升剝蝕作用使最小主應(yīng)力減小，應(yīng)力摩爾圓增大，應(yīng)力摩爾圓與包絡(luò)線相交而形成剪切裂縫），形成EW向剪切裂縫系統(tǒng)。喜馬拉雅期經(jīng)歷了2個階段：始新世－漸新世為盆地裂陷發(fā)展階段，東營組末期發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)。喜馬拉雅期為區(qū)內(nèi)裂縫的主要形成時期，首先在拉張應(yīng)力場作用下形成NNE向斷層型裂縫，構(gòu)造反轉(zhuǎn)期的擠壓作用形成了NE向裂縫，并使EW向裂縫的發(fā)育程度進一步加強。在喜馬拉雅早期的拉張和深埋藏造成的流體壓力聯(lián)合力源下，流體高壓使應(yīng)力莫爾圓向左移動，應(yīng)力莫爾圓與包絡(luò)線相交在巖石中產(chǎn)生破裂。東營組末期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)主要形成了NE向裂縫。

新構(gòu)造期主要影響不同組系裂縫的開啟性，EW向裂縫和NNE－NE向裂縫呈張剪狀態(tài)。裂縫的滲透性較好，為該區(qū)油氣的主要運移通道。構(gòu)造應(yīng)力場是影響砂巖儲層裂縫形成的外因。

3.2 裂縫控制因素

儲層巖性、砂巖厚度、構(gòu)造部位、巖石力學(xué)性質(zhì)等因素是影響儲層裂縫形成的內(nèi)因。

3.2.1 巖性

影響儲層裂縫發(fā)育的巖性因素包括巖石成分、顆粒大小及孔隙體積等。相同條件下，具有較高脆性組分巖石的裂縫發(fā)育程度高。隨巖石顆粒和孔隙體積的減小，巖石強度增大，彈性變形后在較小應(yīng)變時就表現(xiàn)出破裂變形，更容易形成裂縫。研究區(qū)不同巖性巖石中裂縫發(fā)育程度如圖6所示。

3.2.2 層厚

巖心裂縫統(tǒng)計表明，研究區(qū)低滲儲層裂縫發(fā)育受巖層控制。裂縫通常分布在巖層內(nèi)，與巖層垂直，并終止于巖性界面上。一定巖層厚度范圍內(nèi)，裂縫平均間距與裂隙化的巖層厚度呈較好的線性關(guān)系（圖7），即隨著裂隙化巖層厚度的增大，裂縫間距相應(yīng)增大，裂縫密度逐漸減小。

圖6 不同巖性巖石裂縫密度Fig.6 The fracture density of different lithology

3.2.3 構(gòu)造部位

研究區(qū)斷層是控制裂縫形成與分布的重要因素，斷層通過控制周圍局部構(gòu)造應(yīng)力來控制裂縫發(fā)育。斷層附近，由于斷層活動造成應(yīng)力集中，裂縫明顯發(fā)育，通常形成與斷層平行的一組張裂縫和與斷層斜交的兩組剪切裂縫。遠離斷層，裂縫密度呈遞減趨勢。裂縫沿構(gòu)造高部位呈帶狀分布。據(jù)前文裂縫研究，該區(qū)以構(gòu)造裂縫為主，裂縫的形成與發(fā)育程度受裂縫形成時期的古構(gòu)造應(yīng)力場控制。東營組末期的構(gòu)造應(yīng)力控制了有效裂縫系統(tǒng)的發(fā)育程度。

圖7 裂縫間距與巖層厚度關(guān)系Fig.7 The relation between the fracture spacing and the thickness of strata

3.2.4 巖石力學(xué)性質(zhì)

巖石力學(xué)強度控制不同巖性、不同部位裂縫的發(fā)育程度。研究區(qū)儲層砂巖三軸巖石力學(xué)實驗表明（圖8），NW向巖石強度大，而NE和EW向巖石強度小。在相同的構(gòu)造應(yīng)力場作用下，研究區(qū)主要發(fā)育NNE－NE向裂縫和近EW向裂縫，而NW向裂縫的發(fā)育程度差。

圖8 巖石三軸抗壓強度Fig.8 The triaxial compressive strength of rock

4 結(jié)論

1）東濮凹陷三疊系砂巖儲層發(fā)育NNE、NE和近EW向3組構(gòu)造裂縫，裂縫走向近于平行或垂直于主斷層方向，裂縫沿構(gòu)造高部位呈帶狀分布。裂縫以高角度－近直立縫為主，裂縫呈“X”型交切?？v向上二馬營組砂層裂縫最發(fā)育。

2）巖心分析裂縫孔隙度平均值為2.25%，孔隙度測井計算顯示裂縫孔隙度為2.60%～3.20%?？紫抖葴y井計算結(jié)果的代表性強于巖心分析結(jié)果。

3）構(gòu)造應(yīng)力場是控制砂巖儲層裂縫發(fā)育的外部因素，儲層巖性、砂巖厚度、巖石力學(xué)性質(zhì)等是控制砂巖儲層裂縫發(fā)育的內(nèi)因。

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Fracture Characteristics and Main Control Factors of Triassic Sand Reservoir in Dongpu Sag

Wang Rui－fei1，LüXin－h(huán)ua2，Guo Dian－bin2，Su Hui2，Huang Xin－wen2

1.College of Petroleum Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China 2.Zhongyuan Oilfield Company，SINOPEC Group，Puyang 457001，Henan，China

In order to analyze the fracture characteristics，the origin mechanism and the controlling factors of Triassic sand reservoir in Dongpu sag，the techniques of field outcrop section observation，core overview，sample analysis，conventional logging，imaging logging，NMR logging，and rock mechanics experiment，and so on，were applied to study the fractures of Triassic sand reservoir in Wenmingzhai area.The research showed that there were three kinds of structure fractures as NNE，NE and nearly EW.The fracture trend was nearly parallel or perpendicular to the main faults.Fractures following tectonic highs appeared like belt.There were mainly high angle fractures（60°－90°），then low angle ones（30°－50°）.They were mutually interlaced and formed the fracture network systems.Core analysis and porosity logging showed that the fracture porosity was 2.60%－3.20%，and the tectonic stress field was the external factor which controlled fracture growth in reservoir，while the reservoir lithology，the sand reservoir thickness，the rock mechanics nature were the internal ones.

Dongpu sag；Triassic；fracture；origin mechanism of fracture；reservoir；tectonic

book=2012,ebook=527

P618.13

A

1671－5888（2012） 04－1003－08

2011－10－21

國家自然科學(xué)基金項目（51104119）；陜西省自然科學(xué)基金項目（2010JQ5002）；陜西省教育廳自然科學(xué)專項（11JK0741）

王瑞飛（1977－），男，副教授，在站博士后，主要從事油氣田開發(fā)地質(zhì)、油氣藏精細描述方面的教學(xué)與科研工作，E－mail：sirwrf2003＠163.com。