安边地区长7储层裂缝特征及分布预测

于雅林 康志宏 陈 琳 柳 洲 周 磊 冉毅凤

(中国地质大学能源学院， 北京 100083)

1 区域地质概况

安边地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡北段 ，总体为西倾单斜，地层接近水平，面积大约1 600 km2，该区主要目的层为上三叠统延长组长7段油层组。延长组长7段是湖盆的最大扩张期，发育有泥岩、油页岩和砂岩，其主要储集砂体是三角洲前缘的水下分流河道砂体及半深湖 — 深湖相重力流沉积砂质碎屑流砂体和浊流砂体。砂体有效厚度一般为5～25 m，平均孔隙度为 7.8%，平均渗透率为0.17×10-3μm2，属低孔特低渗储层。储层非均质性较强，砂层中裂缝或者微裂缝均不同程度发育。目前，安边地区延长组储层裂缝分布规律不甚清晰，现阶段的定性描述和监测资料已经不能有效指导低渗透储层勘探与合理开采。

2 储层裂缝构造基本特征

2.1 储层构造裂缝优势方位

晚中生代燕山期构造运动造成了鄂尔多斯盆地中生界“区域性构造裂缝”的广泛发育[1-2]。我们经过分析，绘制出安边地区长7储层岩心定向和裂缝走向统计图 (图1)。安边地区长7储层岩心裂缝走向优势方位有50°～80°、100°～140°以及160°～170°共3组方向，即主要以NE — NEE与NWW — NW向为主，宏观裂缝以垂直剪切裂缝为主。根据裂缝定向结果，可知安边地区长7储层岩心中50°～80°方向的裂缝发育概率约为45%，100°～140°方向的裂缝发育概率约为35%。

图1 安边地区长7储层岩心定向和裂缝走向统计图

2.2 储层段裂缝特征参数

对安边地区的长7储层中54口井进行岩心观察，其中31口井有不同程度的宏观裂缝发育，裂缝钻遇率达57.4%。目的层段以发育高角度裂缝(倾角≥60°)为主，低角度裂缝(倾角<30°)和斜裂缝(倾角30°≤倾角<60°)次之，所占比例分别为87.1%、6.45%和12.9%。裂缝间距以小间距为主，裂缝间距介于0～5 cm的样品占73%，裂缝间距大于10 cm的约占9%；大部分发育近垂直的单条裂缝，少部分发育2条以上裂缝。开度为0～0.6 mm的构造裂缝占81%，开度为0.6～1.0 mm的构造裂缝约占14%，开度大于1 mm的构造裂缝占不到5%。在宏观裂缝中不同切深的裂缝均有发育，最大切深高达5.17 m(如安205井)，切深大于50 cm的裂缝约占34%。这充分说明长7岩心宏观裂缝局部发育切深大的高角度剪性裂缝，可对储层产生重要影响。

2.3 储层裂缝系统的有效性

安边地区长7储层的岩心裂缝中，完全未充填的有22口井，所占比例为70.97%，仅胡192井和元269井充填频率为60%～100%，其充填物主要为方解石。裂缝充填频率低于20%的井数占80.65%，可见充填程度相对较低，裂缝与基质连通较好。长71裂缝未充填频率为84.6%，长72裂缝未充填频率为74.01%，说明长71裂缝与基质连通性更优于长72裂缝。长7段储层以发育剪性裂缝为主，张性裂缝为辅 。发育剪性裂缝的井占87.1%，以张性裂缝为主的只有安42井、胡125井、胡206井和元90井。

储层裂缝有效性的判断依据为岩心裂缝的岩性和充填情况，完全充填裂缝或在泥岩中发育裂缝则视为无效裂缝，未充填且在砂岩中发育则视为有效裂缝。研究区长7段有效裂缝比例不低于50%的井共有21口，所占比例为67.74%。长7储层大部分裂缝均有效，在油藏开发过程中，要充分注意长7裂缝系统对储层渗透率所起的作用。

3 准则依据及构造裂缝分布定量预测

本次研究主要针对长7储层目的层区域性构造裂缝进行预测，在地质分析、裂缝统计、力学性质和声发射法测定的基础上，运用三维有限元裂缝数值模拟技术[3-6]完成安边地区长7储层的裂缝预测和评价分析，主要包括长7储层的裂缝力学性质以及对区域性裂缝的综合预测评价。

3.1 格里菲斯准则

1921年，格里菲斯研究发现，脆性物体破坏是由物体内部粗壮裂隙所引起，而岩石内部存在很多裂隙，这些微小裂隙的大量尖端应力造成裂隙扩展，直至破坏而形成张裂缝(图2)。格里菲斯准则用于判断张破裂，下面介绍该准则在二维应力情况下的表达式。

当σ1+ 3σ3≥ 0(压应力为正，张应力为负)时，其二维修正表达式为：

(σ1-σ3)2+8(σ1+σ3)σT=0

(1)

式中：σ1— 最大主应力；σ3— 最小主应力；σT— 二维等效张应力，表征拉张状态。

张破裂系数(η)可表示为：

η=σTσTC

(2)

式中：σTC— 张破裂强度，通过实验求取。

图2 格里非斯张破裂扩展方向

根据张破裂系数η可判断岩石是否发生张破裂。原则上，当η大于等于临界破裂值(一般为1)时，岩石发生张破裂，否则不破裂。破裂值越大，则发生张破裂的几率越大。

临界破裂的方位由最大主应力σ1和最小主应力σ3所决定，如式(3)所示：

cosβ=(σ1-σ3)[2(σ1+σ3)]

(3)

式(3)中，β为临界破裂方位和最大主应力σ1之间的夹角。当σ1+ 3σ3<0 (压应力为正，张应力为负) 时,有σT=-σ3。这时β=0，破裂方向为最大主应力σ1方向。

3.2 莫尔 - 库仑剪破裂准则

当岩石某一面遇到剪切破坏而造成岩石破裂时，这种破坏和此面上的正应力σN、剪应力τN的相对状态有关，这就是莫尔 - 库仑剪破裂准则的理论基础。该准则的关系式为：

τN=C+σN·tanφ

(4)

式中：C— 岩石固有的剪切强度(或凝聚力)；φ— 岩石内摩擦角。C、φ均通过实验获得。

当某一岩石面的正应力和剪应力符合式(2)时，此面达到剪切平衡极限，则剪破裂发生(图3)，形成共轭剪切面，其方向为：

α=(45°-φ2)

(5)

式中：α— 破裂面和最大主应力σ1的夹角。

两组破裂面方位不同，发生在垂直于σ1-σ3组成的平面内，且最大主应力平分两组破裂面。式(4)可改用主应力表示：

R=〔(σ1-σ3)2+(σ1+σ3)·sinφ2〕

(c·cosφ)

(6)

式中：R— 剪破裂系数，表示剪破裂发育程度的量度。根据R可判断岩石是否发生剪破裂，并预测剪破裂方位。当R大于等于临界破裂值时，岩石发生剪破裂，否则不破裂;R越大，则发生剪破裂的几率也越大。

图3 岩石剪切破裂示意图

3.3 裂缝分布定量预测

根据岩心的裂缝统计、力学性质及有效性分析，安边地区的裂缝既有张性缝又有剪性缝。在所有裂缝中，安边地区长71地层两种性质的裂缝对裂缝系统的贡献率分别为12.5%和87.5%；安边地区长72两种性质的裂缝对整个裂缝系统的贡献率分别为7.8%和92.2%。在应力场模拟基础上运用以上原理，计算长71、长72地层中张性缝和剪性缝的发育区及其发育程度。

定义长71地层裂缝指数评价指标Fy：

Fy=η·12.5%+R·87.5%

在预测评价中，我们根据长7段54口井的岩心资料和非均质性储层应力场模拟进行综合评判，编制出裂缝发育程度和分布模式预测图(图4、图5)。

图4 长71储层裂缝发育程度和裂缝分布模式

图5 长72储层裂缝发育程度和裂缝分布模式

由图4可知，长71裂缝发育区主要位于安131-新42井区(呈北东向展布)、胡196-胡212-胡198井区、元64-苏254-胡129井区(呈北西向展布)、元44-元97-元19井区(呈北东向展布)和胡302-胡229井区；裂缝欠发育区主要分布于呈北西向展布的胡197-胡310-新46井区、安84-元150-胡157井区及呈北东向展布的胡147-胡152-胡207井区、胡126-元69井区、胡223-元267井区、胡232-元77-元270井区等；其余地区为裂缝次发育区。

由图5可知，长72裂缝发育区主要位于安205井区、安130-胡192-安98井区、胡311-元150井区、元195-元127-元104井区及元149-胡206-元269井区等区域；裂缝欠发育区分布于涧101-涧102井区、安92-安110井区(近东西向展布)、新63-安77-胡120井区及元144-元70井区等区域；其余地区为裂缝次发育区。

4 结 语

对安边地区相似露头地层和岩心定向构造裂缝进行定量观测,认为安边地区长7储层主要发育NE — NEE与NWW — NW方向高角度共轭区域性构造裂缝系统，安边地区长7段储层裂缝性质以偏剪性为主，多为未充填，且为有效裂缝。

此次研究在统计结果的基础上，结合构造应力场有限元数值模拟方法, 对安边区上三叠统延长组长7段低孔特低渗透储层构造裂缝特征进行分析，完成了安边地区长7储层裂缝的定量预测和评价，合理预测了长7储层的裂缝相对发育区、次发育区和不发育区及张剪裂缝走向。

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