應力垂向分帶對儲層的控制作用
——以庫車前陸沖斷帶為例

劉 春 趙繼龍 章學歧 王俊鵬 周 鵬 曾慶魯

1.中國石油杭州地質研究院 2.中國石油塔里木油田公司

0 引言

近年來，隨著庫車前陸沖斷帶油氣勘探的不斷突破[1-3]，掀起了對區(qū)內儲層研究的熱潮[4-9]。然而由于前陸沖斷帶儲層受到橫向構造擠壓與垂向埋藏壓實的雙重影響，儲層巖石總體已變得較為致密，基質物性變差，使得在一定程度上致密儲層中只有發(fā)育裂縫，才能成為油氣運移的良好通道，改善儲層滲濾性能[5-6]。前人對該區(qū)構造擠壓對儲層的影響進行了大量的研究，總體認為構造應力對前陸沖斷帶儲層性質有重要影響，不同的應力環(huán)境造就了顯著的儲層品質差異[10-11]；構造側向擠壓對砂巖成巖壓實有重要影響, 隨著古構造應力值的增大, 砂巖的孔隙度與滲透率明顯降低[12-13]；儲層垂向差異分布受構造擠壓顯著控制[14-15]；構造成巖作用已成為該區(qū)致密砂巖新的研究方向[16-17]。但縱觀前人研究成果不難發(fā)現(xiàn)，有關應力與砂巖儲層性質關系研究大量側重于不同構造樣式下儲層性質差別對比研究、古構造應力對儲層的擠壓減孔效應以及同構造帶不同構造位置或不同構造帶同構造位置應力大小與儲層性質的相關性分析[18-21]，對應力垂向分布差異及其對儲層性質的連續(xù)性影響缺乏系統(tǒng)研究及機理探索。在前人研究基礎上，以庫車前陸沖斷帶深部區(qū)某構造高部位鉆井為例，參考Ramsay（1987）中和面褶皺形變模式，定量分析應力垂向分帶差異在橫向上和縱向上對儲層性質的綜合影響，進而探索應力垂向分帶性的油氣勘探意義，以期對前陸沖斷帶的儲層研究和油氣勘探提供可類比借鑒依據(jù)。

1 地質背景

庫車前陸盆地位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)境內（圖1），構造上位于塔里木盆地北部，屬于喜馬拉雅期南天山造山帶向南推覆擠壓形成的再生型前陸盆地[22-23]。受喜馬拉雅運動晚期構造擠壓影響，產(chǎn)生區(qū)域性的由北向南的擠壓應力場，使得庫車前陸沖斷帶發(fā)育一系列東西向的前展式逆沖斷裂和大型背斜。區(qū)內已發(fā)現(xiàn)克深2、克深8、克深5、大北3 等一批深層－超深層大型背斜－斷背斜氣藏[3]。白堊系巴什基奇克組發(fā)育的巨厚砂巖儲層與上覆由古近系庫姆格列木群鹽巖、膏巖和含膏泥巖組成的優(yōu)質蓋層構成區(qū)內良好的儲蓋組合。巴什基奇克組主要是一套辮狀河三角洲沉積體系[24]，砂體垂向相互疊置，橫向大面積連片，但儲層基質孔隙度僅為1.5%～5.5%，滲透率為0.01 ～0.10 mD，已屬典型致密砂巖儲層[5-6]。

圖1 庫車前陸沖斷帶區(qū)域地質圖

2 應力垂向分帶性的提出

當巖層受到順層擠壓力作用時，巖層的彎曲必然引起層內各部質點的相對變位[25]。從Ramsay（1987）的應力中和面褶皺模式可以看出，當巖體受到橫向擠壓時，其外弧伸長、內弧縮短，在接近巖層中部有一個既無伸長亦無縮短的無應變面稱為中和面，其面積或橫剖面上層的長度在應變前后保持不變，層內各點應變量的大小與其中和面的距離呈正比，各點的應變橢球體的壓扁面在中和面外側平行于層面呈弧形排列，在中和面內側垂直于層面呈正扇形排列（圖2）[26]。中和面內外應力性質的這種差異我們就稱之為應力垂向分帶性。根據(jù)這種應力分帶差異，任何褶皺都存在一個中和面，中和面外側受到拉張應力影響，中和面內側受到擠壓應力的影響。

圖2 中和面褶皺模式（修自Ramsay，1987）

由于儲層的形成演化有著復雜的沉積成巖過程，因此討論應力性質差異對儲層影響的前提是各類沉積成巖條件基本一致。此外，儲層現(xiàn)在表現(xiàn)出的性質是應力作用綜合作用的結果，由于現(xiàn)有技術手段也沒法恢復儲層遭受應力作用的全過程，因此主要著眼于現(xiàn)有應力狀態(tài)條件下儲層的綜合響應和過程推演。

3 應力計算與微觀實驗

在地球上地應力是客觀存在的，只是在不同的地區(qū)其強弱程度和方向不同。傳統(tǒng)的測量地應力的方法有水壓致裂法、應力解除法、差應變法、Kaiser 效應法等，但是這些方法都是對單一樣品的分門別類的測試，要獲取一個連續(xù)的地應力剖面，不但成本較高，系統(tǒng)測試也較為困難，且并非所有地層均可進行地應力實測[27-29]。目前獲取地應力數(shù)據(jù)的手段主要還是通過計算得出，再用實測地應力數(shù)據(jù)去檢驗與標定地應力計算結果，得到連續(xù)分布的地應力剖面。經(jīng)驗證這一方法切實可行，尤其是可充分利用測井資料提供的大量信息，方便、快速地得到沿井深連續(xù)分布的地應力剖面，對沒有進行地應力實測的地層可計算得到較為準確的地應力數(shù)值[30-33]。前人對庫車前陸沖斷帶做了較多的地應力實際測量和測井計算校正[31-35]，目前較多使用的是王成龍等考慮了地層彈性和地層傾角的高陡地層地應力的測井計算方法[33]，該方法計算出的地應力值與實驗測試值誤差較小，基本可以滿足應用要求。根據(jù)該計算方法，選擇區(qū)內取心較多、間隔較大且位于背斜核部的庫車前陸沖斷帶深層區(qū)某構造的一口評價井進行了應力的計算（圖3）。其計算公式如下：

式中Sv、SH、Sh分別表示垂向應力、最大水平應力、最小水平應力，MPa；μ表示泊松比，無量綱；pP表示地層孔隙壓力，MPa；β1、β2表示最大、最小主應力方向的構造應力系數(shù)，無量綱，區(qū)內β1=0.843，β2=0.431；DIP表示地層傾角，（°）；α表示有效應力系數(shù)（Boit 系數(shù)），無量綱；ρb、ρma表示地層、巖石骨架體積密度，g/cm2；Δtc、Δts表示地層縱波、橫波時差，μs/ft（1 ft=0.304 8 m,下同）；Δtmc、Δtms表示巖石骨架縱波、橫波時差，μs/ft。

在應力計算基礎上取樣進行相關的宏觀和微觀實驗，①是對該井的四筒取心進行詳細的裂縫觀察與描述。②分筒鉆取169 個巖心柱塞，用三氯甲烷去除了巖樣中所殘留的儲層瀝青，干燥后對這批樣品進行氦孔隙度和空氣滲透率測定。③對抽稀數(shù)量后的90 個巖心柱塞切取片狀巖塊制作鑄體薄片（用紅色環(huán)氧樹脂浸透樣品、亞硝酸鈷鈉對薄片進行染色），根據(jù)標準的薄片描述巖石學方法，在LEICA顯微鏡下觀察鑒定砂巖成分、孔隙分布、面孔率等。④再次對樣品進行抽稀后的30 個柱塞樣品鉆取小塊巖石（約指甲蓋大小）表面鍍金，使用FEI Inspect S50 型掃描電子顯微鏡對儲層微觀結構進行觀察比對。

4 結果與討論

4.1 地應力大小及儲層物性響應

根據(jù)應力計算結果，該井整個巴什基奇克組砂巖層三軸應力狀態(tài)總體為SH>Sv>Sh，水平最大主應力SH為143 ～185 MPa，平均163.8 MPa；垂向應力Sv為153.9 ～160 MPa，平均157.2 MPa；水平最小主應力Sh為120 ～159.8 MPa，平均138.8 MPa。通過對不同方向應力和應力差（最大水平主應力減去最小水平主應力）與儲層總體的孔隙度、滲透率分析來看（圖4～5），應力總體上對孔隙度影響明顯，其中以最大主應力和應力差與孔隙度、滲透率的正相關性良好，而最小主應力和垂向應力對儲層孔隙度、滲透率相關性較差，這可能是在埋藏6 000 m 以下垂向應力對儲層孔滲的影響已變得微乎其微，水平方向表現(xiàn)為最大主應力的影響，最小主應力已無明顯相關性。

圖3 實例井地應力控制儲層綜合柱狀圖

4.2 中和面的確定及儲層物性差異

根據(jù)Ramsay（1987）應力中和面模式，應力的中和面在不同應力作用強度階段應該是處于不同的深度位置，一個受橫向擠壓連續(xù)作用的褶皺，其中和面應該是逐步下移，現(xiàn)今的中和面位置應該是現(xiàn)有應力條件下的綜合反映，由于在天然氣勘探過程中只考慮現(xiàn)今狀態(tài)，因此僅以現(xiàn)今狀態(tài)的中和面位置分析儲層差異較為現(xiàn)實。通過對地應力剖面的觀察發(fā)現(xiàn)，自6 475 m 開始，水平最大主應力和最小主應力出現(xiàn)了明顯的大臺階增大，自該臺階開始水平最大主應力整體超越垂向應力（圖3），結合歐陽健（1999）對克拉2 氣田地應力性質的判斷關系認為：自該深度開始，向下擠壓應力增大，為擠壓應力帶，向上為張應力帶。根據(jù)Ramsay 褶皺中和面模式，認為該深度為該井應力垂向分帶的中和面，其中6 374 ～6 475 m 為張應力段（101 m），其水平最大主應力為142.4 ～175.5 MPa，平均159 MPa；垂向應力為153.9 ～157 MPa，平均155.5 MPa；水平最小主應力為119.8 ～148.5 MPa，平均135.9 MPa。6 475 ～6 605 m 為擠壓應力段（130 m），其水平最大主應力為150 ～185.6 MPa，平均168.3 MPa；垂向應力為157 ～160.4 MPa，平均158.7 MPa；水平最小主應力為121.8 ～160 MPa，平均141.7 MPa?？傮w表現(xiàn)為擠壓應力帶三軸應力大于張性應力帶。

圖4 實例井三軸應力與孔隙度的相關性圖

從張性段與擠壓段儲層測井孔隙度、滲透率分布頻率直方圖來看（圖6）：張性應力段測井孔隙度分布在0.1%～9.6%之間，平均4.5%；滲透率分布在0.001 ～0.112 mD,平均0.038 mD。擠壓應力段測井孔隙度分布在0.1%～7.0%之間，平均3.1%；滲透率分布在0.001 ～0.072 mD,平均0.024 mD。張性壓力段儲層物性明顯高于擠壓應力段，且張性段均在有效儲層孔隙度范疇之列，而擠壓段為差儲層—非儲層。

圖5 實例井三軸應力與滲透率的相關性圖

圖6 實例井張性段與擠壓段儲層測井孔隙度、滲透率頻率分布直方圖

此外，從應力剖面和測井曲線比對發(fā)現(xiàn)（圖3），6 475 m 的這個水平最大主應力增大臺階與電阻率存在明顯的可對比性，即電阻率在該處也出現(xiàn)了一個大臺階變大，最大水平主應力與電阻率存在明顯的正向相關性（圖7），其最大水平主應力與電阻率回歸公式如下：

這為對構造區(qū)內其他井中和面快速確定和各井應力分帶性的劃分統(tǒng)計創(chuàng)造了便利條件，部分井無須進行應力計算便可根據(jù)常規(guī)電阻率曲線進行應力分帶性劃分。

圖7 實例井最大水平主應力與電阻率的相關性圖

4.3 儲層裂縫發(fā)育差異及成因

詳細的取心裂縫觀察表明：張性段裂縫以張性高角度－近直立縫為主，傾角一般70 ～90°（圖8-a），巖心裂縫開度普遍為0.1 ～0.3 mm 之間，最大可達1.0 mm，裂縫貫穿長度普遍受巖心斷塊長度的影響，總體上裂縫貫穿長度在0.05 ～0.95 m 之間，平均0.3 m 左右，由于受裂縫傾角的影響，實際的裂縫貫穿長度應該大大超過這個數(shù)值，裂縫走向主要為北西—南東向。裂縫延伸方向總體與其現(xiàn)今水平最大主應力方位相一致,其原因是構造裂縫往往呈多組共同產(chǎn)出，延伸具多個方向，地下水平主應力為擠壓應力，只有那些平行或低角度斜交于水平最大主應力方向的裂縫才能保留，而正交或近于正交的裂縫往往受壓閉合。此外，從微觀薄片分析來看，張性帶普遍發(fā)育切穿顆粒的顆粒貫穿縫和粒緣縫，縫寬一般在1 ～10 μm 之間（圖8-b）?？傮w上裂縫具有開度大、延伸長、密度小、充填性低等特征。

擠壓段裂縫以剪性低角度裂縫為主，一般都小于30°，多期次的裂縫互相交織，呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布特征（圖8-d），根據(jù)巖心、露頭構造裂縫切割關系擠壓段構造裂縫主要可以劃分兩期，早期裂縫傾角小、開度小，基本被泥質或膏質全充填，排列方式較為紊亂；中期裂縫開度較大，被泥質和少量方解石半充填－少量充填，以高角度為主，裂縫開度約0.3 ～3.0 mm，排列方式以雁列、斜交為主。微觀薄片觀察表明，擠壓帶則相對發(fā)育粒內縫和粒緣縫，顆粒內部納米級裂隙寬度普遍小于1 μm（圖8-e）?？傮w上，擠壓段裂縫往往開度小、延伸短、密度大、充填性高等特點。

圖8 張性帶與擠壓帶裂縫及基質孔隙發(fā)育特征圖

張性應力段和擠壓應力段存在的這種裂縫差異是不同性質應力作用的結果。當巖層呈韌性變形的條件下，褶皺巖體的外側受側向拉張而垂直層面方向變薄，拉開了顆粒間的距離，形成大量粒緣縫，但是膠結物的存在還是有效地保持了完整性，而內凹部分由于垂直層面受壓扁而加厚，形成了不同應變橢圓之間的剪切而形成剪切縫，脆性顆粒內部則容易壓碎形成壓碎縫。隨著擠壓的繼續(xù)，當拉張應力超過巖石韌性，中和面外側受拉張破裂而形成垂直層面的張性高角度縫，并伴生了不同方向的顆粒貫穿縫，而內側則是連續(xù)擠壓，應力逐漸向早期裂縫形成后較穩(wěn)定的斷塊轉移并最終在這些塊體上形成擠壓性的裂縫，與早期裂縫交織呈網(wǎng)狀分布。在整個巖層逐漸彎曲變形過程中，隨著外側張性縫的向內發(fā)展，中和面逐漸向內遷移，直至最后形成切穿整個巖層的宏觀裂縫帶。

4.4 儲層基質孔隙差異及成因

微觀實驗分析來看：張性段儲層顆粒主要以點—線接觸為主，基質孔隙普遍發(fā)育原生粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔，總體物性好，儲層表現(xiàn)為孔隙型儲層為主（圖8-c）。擠壓段顆粒以線接觸為主，基質孔隙發(fā)育較差，主要是一些粒內溶孔和粒間雜基微孔隙，儲層表現(xiàn)為裂縫孔隙性或者裂縫型為主（圖8-f）。

這種孔隙類型與發(fā)育程度的關系從應力層面上來看，張性應力段受拉張應力的影響，抵消了大量埋藏壓實導致的孔隙縮小，拉張應力拉大了顆粒間的距離增大粒間孔隙，張性段發(fā)育的裂縫為溶蝕孔隙的發(fā)育提供了媒介，提高了孔隙度。擠壓應力段則由于受到持續(xù)擠壓應力的影響，特別是水平主應力差值的增加，顆粒受擠壓變形強烈，呈現(xiàn)鑲嵌接觸關系，使得顆粒排列更加緊密，膠結物也發(fā)生塑性變形，孔隙空間大大縮小。水平主應力差的增加，表明有效水平擠壓應力的增強，減小吼道直徑，使裂縫逐漸閉合，隔斷了大規(guī)模溶蝕增孔的可能，降低了孔隙度和滲透率。

5 測試響應與勘探意義

5.1 生產(chǎn)測試響應

該井第一次對6 500 ～6 562 m（屬擠壓應力段）完井酸化，5 mm 油嘴，油壓 45.515 MPa，折產(chǎn)氣 16 144 m3/ d ；第二次對6 370 ～6 562 m（屬張性應力段+擠壓應力段）完井壓裂，8 mm 油嘴，油壓76.605 MPa，折產(chǎn)氣659 916 m3/d，表明張性段對天然氣產(chǎn)量貢獻遠超擠壓段，總體上認為這是張性應力段裂縫網(wǎng)絡與孔隙網(wǎng)絡優(yōu)勢匹配的結果。

5.2 鉆井深度預測

根據(jù)生產(chǎn)測試結果，氣井產(chǎn)量主要是張性應力段的貢獻，由于擠壓段儲層差、對產(chǎn)量貢獻低，因此在低油價降本增效的大背景下，在氣藏完成探明后，其后期的生產(chǎn)井和部分評價井，在鉆完張性段儲層即可完鉆，而無需完全鉆穿這個白堊系巴什基奇克組。按照庫車前陸沖斷帶深層區(qū)鉆井成本2×104元/m 的成本核算，目前對區(qū)內張性段的預測最大厚度232 m（圖9）與區(qū)域巴什基奇克組厚度330 m 之間尚存在近100 m 的鉆井成本核減空間，即200×104元/井，既能提高效益，又能節(jié)約鉆井成本，也降低了深層鉆井復雜性。

由于中和面上下的張性應力帶厚度與擠壓應力帶厚度大小主要受控于斷背斜幾何形態(tài)及斷層活動。因此，不同斷背斜和斷背斜的不同部位構造應力中和面位置不盡相同，往往在構造軸線上、構造高部位張性段儲層厚度較大，受構造變形曲率影響。其流程是根據(jù)不同背斜和斷背斜的實際情況，首先通過對典型應力測算，大致確定中和面附近應力和電阻率遞變關系，再結合構造等高線分布趨勢即可對張性應力段的厚度進行預測，從預測的結果來看，庫車前陸沖斷帶深層區(qū)自北向南張性應力帶逐步變薄。在向南部更深地區(qū)鉆探過程中，張性應力帶的精確預測能大大降低鉆井成本。

5.3 遠景勘探區(qū)儲量預測

通過對庫車前陸沖斷帶克深區(qū)帶已突破氣藏鉆井的張性應力段厚度與構造等高線相關性可以看出，總體高部位鉆井張性段厚度大（圖10-a）。據(jù)此可以進行新圈閉鉆前張性應力帶的預測，并根據(jù)平均張性應力段厚度與氣藏地質儲量豐度的正比關系（圖10-b），即可粗略估測氣藏地質儲量豐度，結合對氣藏圈閉面積的預測的即可對該氣藏實現(xiàn)預測地質儲量的粗略快速測算。

6 結論

1）應力垂向分帶性對庫車前陸沖斷帶儲層影響明顯，其中水平最大主應力和應力差與儲層孔隙度、滲透率呈明顯正相關關系。

圖9 庫車前陸沖斷帶克深區(qū)帶白堊系巴什基奇克組張性應力段厚度等值線圖

圖10 氣藏張性段平均厚度與構造等高線、氣藏地質儲量豐度的相關性圖

2）張性應力段受拉張應力影響，儲層發(fā)育高角度—近直立天然構造裂縫，裂縫具有開度大、延伸長、密度小、充填性低等特征?；|孔隙普遍發(fā)育原生粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔，物性好，對產(chǎn)量貢獻大。擠壓應力段受擠壓應力影響，儲層多期低角度裂縫交織呈網(wǎng)狀，裂縫具有開度小、延伸短、密度大、充填性高等特征?？紫栋l(fā)育較差，主要是一些粒內和粒間微孔，物性差，對產(chǎn)量貢獻低。

3）前陸沖斷帶張性應力帶的確定既能節(jié)約鉆井成本，提高鉆探效益，又能對斷帶新的勘探圈閉進行鉆前地質儲量評估，指導天然氣勘探。

致 謝

論文在思路及成稿過程中得到中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院孫雄偉、唐雁剛、周露以及中國石油杭州地質研究院張榮虎、陳戈等同志的熱情幫助，在此表示感謝。