鄂尔多斯盆地长6-长7段致密砂岩岩心裂缝评价标准及应用

牛小兵 , 侯贵廷, 张居增 , 冯胜斌 , 赵文韬, 尤 源 ,鞠 玮, 王 芳 , 张 鹏

(1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710018; 2.长庆油田分公司 勘探开发研究院,陕西 西安 710018; 3.教育部造山带与地壳演化重点实验室, 北京大学 地球与空间科学学院, 北京 100871)

0 引 言

致密砂岩是指低孔隙度低渗透率的砂岩, 通常指孔隙度小于 10%且覆压渗透率小于 0.1 mD(邹才能, 2013)。致密砂岩油气是指富集在致密砂岩内的石油和天然气, 通常无自然产能, 需要通过人工压裂技术才能产出具有经济价值的石油和天然气。一般以岩性圈闭和水封型圈闭为主, 无明显的油水界面, 分布范围大, 丰度低, 产能低(付金华等, 2005;杨华等, 2007; 邹才能, 2013)。以鄂尔多斯盆地等为代表的中国致密油气储层由于属于陆相沉积, 非均质性强, 裂缝分布复杂, 因此构造裂缝发育程度的评价至关重要(付金华等, 2005; 杨华等, 2007)。

在构造裂缝评价方面, 已有国内外许多学者对野外和岩心裂缝开展过研究(Murray, 1968; 范高尔夫-拉特, 1989; Henk and Nemcok, 2008)。利用常规测井曲线进行岩性和裂缝识别与评价(Bremer, 1999;Bourlange et al., 2003), 并利用人工智能网络技术对储层裂缝开展研究(Barton, 1998)。在裂缝的测井响应方面, 根据岩心和成像资料建立常规测井曲线相应模式, 指导非取心井和非取心段储层的裂缝评价(曾联波等, 2007)。前人从野外裂缝统计、岩心观察统计和测井的裂缝解释与统计多方面开展了裂缝评价研究(侯贵廷, 1994; 周新桂等, 2003; 曾联波等,2007, 2008; 张庆莲等, 2010; 鞠玮等, 2011; 李乐等,2011; 孟庆峰等, 2011; 张鹏等, 2011), 并在裂缝形成机制和构造裂缝发育的影响因素等方面开展了有益的探索(丁中一等, 1998; 童亨茂等, 2010; 董有浦等, 2013; 鞠玮等, 2013; 赵文韬等, 2013)。这些研究工作都为致密砂岩储层裂缝发育程度的评价奠定了基础。

在裂缝发育程度的定量评价过程中, 一定会涉及到评价标准问题, 即衡量裂缝发育程度高低或强弱的指标问题。前人针对具体问题相继提出了一系列裂缝发育程度的评价标准。例如: 范高尔夫-拉特(1989)首先通过裂缝强度分级开展了构造裂缝发育程度的评价研究(表1)。

所谓裂缝强度, 就是反映裂缝发育程度与层厚之间关系的一种参数, 指裂缝频率与岩层厚度频率的比值, 为无量纲, 这里的裂缝频率即裂缝密度,厚度频率是裂缝切穿某厚度岩层的数目与层厚的比值, 因此, 构造裂缝的面密度越大, 穿层的厚度越大, 构造裂缝的强度就越大。因该评价标准要考虑到裂缝切穿地层的厚度, 不适合岩心裂缝的评价。

袁士义等(2004)和王现华(2007)提出利用裂缝长度和开度分级开展裂缝发育程度的评价(表2和表3)。所谓裂缝开度, 就是裂缝的张开度或宽度, 由裂缝壁之间的距离来表示, 单位通常用毫米(mm), 多数介于0~5 mm。开度大于0.1 mm为宏观裂缝, 开度小于0.1 mm为微裂缝。岩心库里测量到的裂缝开度是岩心取到地表已脱离地层应力环境的开放裂缝,所以岩心裂缝的开度不真实, 仅供参考。

裂缝长度的评价包括评价裂缝的横向延伸和纵向切割地层厚度两个方面。在岩层露头区可统计横向延伸长度, 地下微小裂缝纵向切割地层厚度可在岩心观测时获得, 但岩心保留的裂缝长度多数为大裂缝的一小部分, 因此裂缝长度作为岩心裂缝发育程度的评价指标是不全面的。

周新桂等(2003, 2008, 2009)根据构造裂缝的线密度高低分布范围, 提出鄂尔多斯盆地沿河湾地区致密砂岩裂缝发育程度的评价指标, 分为发育区、次发育区和弱发育区, 比单纯利用裂缝长度评价裂缝发育程度更前进了一步。这为平面空间上分析裂缝发育程度的分布规律提供了定量分析的途径, 具有重要的指示意义(表4)。

表1 裂缝强度分级及其标准(范高尔夫-拉特, 1989)Table 1 Division of fracture strength and standard

表2 裂缝开度级别及其标准(王现华, 2007)Table 2 Division of fracture open and standard

表3 裂缝长度级别及其标准(袁士义等, 2004)Table 3 Division of fracture length and standard

表4 鄂尔多斯盆地沿河湾地区裂缝发育程度划分(周新桂等, 2009)Table 4 Division of fracture development in the Yanhe area, Ordos basin

前人根据不同地区裂缝发育特征和评价参数,提出裂缝发育程度的不同评价方案或标准。但存在一些问题需要考虑, 一方面要注意到任何一个评价方案或标准都不是放之四海而皆准的, 是有地域性和相对性的, 只要这个评价方案或标准能有效地划分出该地区裂缝发育程度的差异性就是合理的; 另一方面要注意裂缝发育程度需要多种参数综合评价,包括裂缝的方向、密度、开度和有效性(充填性), 其中裂缝密度是最重要的定量评价裂缝发育程度的参数。裂缝密度包括线密度、面密度和体密度, 但线密度相对比面密度和体密度有较大的失真。

地球膨胀论巧妙地解决了大陆拼图的问题，但是随着时间的推移，又引发了许多其他问题。最明显的是对于膨胀究竟是如何发生的，没有人能够给出一个切合实际的解释。

1 基于岩心裂缝面密度的裂缝发育程度评价标准

本文主要目的是基于岩心的有效裂缝的面密度测量, 尽量真实地反映构造裂缝发育程度和分布规律, 尝试提出以裂缝的面密度为基础的鄂尔多斯盆地湖盆中央区的裂缝发育程度评价标准, 并对该区主要取心井的岩心构造裂缝从裂缝面密度、开度、倾角、充填程度和充填物成分五个方面开展综合评价, 并开展了连井剖面的裂缝发育程度横向对比工作, 最后根据岩心裂缝面密度的评价标准对本区开展了裂缝发育程度的平面空间分布规律分析。

(1) 裂缝密度: 裂缝密度是反映裂缝发育程度的量, 包括线密度、面密度和体密度三种, 单位均为m–1。

线密度(fl)是与某测量线段相正交的裂缝的数目(N)与此线段长度(L)的比值, 用fl表示。fl=N/L

面密度(fs)是某测量截面上所有裂缝的长度之和(Σln)与测量截面面积(S)的比值, 用fs表示。fs=Σln/S

体密度(fv)是某测量体积内所有裂缝表面积之和(ΣSn)与测量体体积(V)的比值, 用fv表示。fv=ΣSn/V

其中, 体密度最能够真实地反映裂缝密度, 即反映裂缝的发育程度, 但体密度很难测量; 线密度最容易测量, 但不能完全反映裂缝的发育程度; 相对而言,面密度既容易测量, 又能较真实地反映裂缝的发育程度。本文的裂缝密度全部采用面密度来表示。

(2) 裂缝开度(d): 就是裂缝的张开度或宽度,由裂缝壁之间的距离来表示, 单位通常用毫米(mm),多数介于0~5 mm。

(3) 裂缝的充填性: 包括完全充填、半充填和未充填三种情况。完全充填的裂缝为无效裂缝。只有未充填和半充填的裂缝为有效裂缝。本区的构造裂缝绝大多数为有效裂缝, 我们进行裂缝评价时使用的裂缝面密度也是有效裂缝的面密度。裂缝的充填物主要指裂缝充填物的成分, 如: 方解石充填、泥质充填和铁质充填等。

以上的裂缝表征内容是裂缝综合评价的主要工作, 在取心井的裂缝综合评价过程中, 我们全面考虑了裂缝的倾角、面密度、开度、充填程度和充填物成分。为了快速有效地定量开展裂缝发育程度的评价, 在裂缝发育程度的平面分布评价过程中,我们选择裂缝的面密度作为裂缝评价的主要指标。裂缝的评价标准在不同地区有所不同, 不能用统一的评价标准去评价不同地区的裂缝发育程度, 因为不同地区裂缝发育程度差异很大, 而且勘探开发时对裂缝发育程度的要求也不一样, 例如: 在某地区认为未达到高裂缝密度标准的裂缝发育程度, 在另一个地区可能就是较高的裂缝发育程度, 因此, 建立裂缝发育程度的评价标准关键是要具体地区具体分析。只要这个评价标准能够有效地判别出该地区不同区域的裂缝发育程度的差异性就是合理的评价标准。

图1 鄂尔多斯盆地的区域构造位置Fig.1 Tectonic location of the Ordos basin

鄂尔多斯盆地的致密油主要储集在三叠系延长组长6段-长7段, 是裂缝评价的重要目的层。需要我们根据鄂尔多斯盆地延长组长6段-长7段岩心裂缝发育程度的整体情况, 提出一个针对鄂尔多斯盆地延长组长6段-长7段的岩心裂缝评价标准, 以利于开展鄂尔多斯盆地延长组岩心裂缝发育程度的分级和评价。

根据鄂尔多斯盆地 107口取心井的延长组长 6段-长7段岩心(共120块)的裂缝测量统计, 结果表明该区绝大多数岩心有效裂缝的面密度介于 0和 2之间, 其中多数介于0.1~0.5之间。根据岩心裂缝面密度分布区间的正态分布情况(图2), 我们在岩心统计基础上建立了研究区长6段-长7段岩心构造裂缝评价标准(表5)。裂缝发育程度评级根据前面提出的裂缝综合评价标准分为五级, 主要依据每个采心段岩心的构造裂缝加权面密度来确定, 由高至低依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。Ⅰ级用紫色标示, Ⅱ级用橙色标示, Ⅲ级用黄色标示, Ⅳ级用浅绿色标示, Ⅴ级用浅蓝色标示(表5)。

鄂尔多斯盆地延长组的长6段-长7段单井构造裂缝评价主要是先通过对岩心段构造裂缝进行评价,得出岩心段构造裂缝发育时测井曲线的特征, 然后根据这些特征来推测非岩心段构造裂缝发育的情况,其中在这些测井曲线中主要参考裂缝孔隙度曲线的值, 但可靠程度不如岩心实测裂缝密度真实, 所以测井获得的裂缝孔隙度曲线仅供参考。基于岩心的构造裂缝测量统计和测井资料的分析, 编制单井构造裂缝综合评价柱状图是从垂向上和平面上综合评价研究区构造裂缝的基础工作, 对于探讨研究区构造裂缝的分布规律, 约束以后将开展的利用有限元数值模拟预测裂缝发育程度具有重要意义。

图2 鄂尔多斯盆地延长组长6段-长7段岩心有效裂缝面密度分布区间Fig.2 Distribution of fracture density of Chang 6 and 7 series of Yanchang Formation in the Ordos basin

表 5 鄂尔多斯盆地延长组岩心有效裂缝发育程度评价标准Table 5 Assessment criteria of structural fractures in the Yanchang Formation cores in the Ordos basin

通过鄂尔多斯盆地中心湖区107口井岩心裂缝测量统计分析, 结合裂缝孔隙度曲线, 开展裂缝发育程度的综合评价工作, 包括: 裂缝的面密度、裂缝加权面密度、充填程度、充填物类型、构造裂缝倾角、岩心照片、显微照片或成像测井照片和裂缝发育程度评级, 编制了107口井的长6-长7岩心构造裂缝综合评价柱状图, 例如其中的H47井(图3)。以陕北地区H47井延长组长72段2509~2519 m为例,岩性主要为粉砂岩-细砂岩, 加权裂缝面密度为0.16 m–1,为Ⅲ级构造裂缝发育带, 并且裂缝孔隙度曲线值较高, 平均0.02%, 密度测井值中等, 平均2.50 g/cm3,大部分测井曲线的裂缝响应特征表明构造裂缝中等发育, 与岩心测量结果一致(图3)。裂缝发育段在不同深度呈现脉冲式分布, 总体上岩心段的裂缝面密度较低, 岩心裂缝大多数以未充填为主, 而少部分充填裂缝的充填物以方解石为主。以高角度裂缝为主, 倾角均大于75°。该组构造裂缝孔隙度相对集中在 0.01%~0.03%, 最大为 0.28%, 裂缝发育程度较低。砂岩夹泥岩和砂岩段整体发育裂缝, 而该段中泥岩段和碳质页岩段整体不发育裂缝, 裂缝发育级别大部分为IV-V级, 发育程度低。

2 鄂尔多斯盆地长6-长7段取心井有效构造裂缝的连井综合评价

鄂尔多斯盆地的致密砂岩主要分布在鄂尔多斯盆地的湖盆中心, 主要致密砂岩层为延长组的长6段和长7段。长6-长7期湖盆中心发育大规模块体搬运沉积体系和砂质碎屑流含油砂体, 具有低孔低渗特征(付金华等, 2005; 杨华等, 2007)。构造裂缝是湖盆中心油气运移的通道, 也是长6-长7段的致密油气储集空间, 但在横向上该区的构造裂缝发育程度有明显的非均质性分布特点。

GR. 自然伽马测井曲线; SP. 自然电位测井曲线; CAL. 井径曲线; RILD. 深感应电阻率测井曲线; RLL8. 八侧向电阻率测井曲线; DEN. 密度测井曲线; CNL. 井壁中子测井曲线; AC. 声波时差测井曲线。

图3 鄂尔多斯盆地H47井长72段有效构造裂缝评价的综合柱状图
Fig.3 Assessment columns of structural fractures of Member 72of H47 well in the Ordos basin

通过裂缝综合评价柱状图的连井对比, 可以分析横向上裂缝发育程度的差异性。以陇东地区T14-Z47-Z186-Z200-Z148-Z124-N57的长 63段裂缝综合评价连井剖面(图4)为例, 仅T14井的长63段上部致密砂岩发育I级裂缝发育段, 而Z186井和Z124井的长63段致密砂岩相对不发育裂缝, 仅发育III、IV和V级的裂缝。其他井发育II级裂缝段, 主要发育在长 63段的中下段致密砂岩内。可见, 鄂尔多斯盆地致密砂岩发育裂缝程度在横向上和纵向上均具有非均质性和区域差异性。

3 鄂尔多斯盆地长 7段有效裂缝面密度的平面分布规律

鄂尔多斯盆地湖盆中心是长 7段致密砂岩主要分布区(重点包括长71段和长72段)。作者在该区均匀选择了含长 71段和长 72段的 107口重点取心井,开展了详细的岩心构造裂缝观察测量和统计, 为全面了解鄂尔多斯盆地湖盆中心长 7段致密砂岩构造裂缝的平面分布规律奠定了数据基础。

(1) 鄂尔多斯盆地的陇东地区长 71段岩心构造裂缝面密度最大的为Z186井, 其裂缝面密度为0.34 m–1,其次为B12井和Z78井, 裂缝面密度分别为0.32 m–1和 0.20 m–1。就整体而言, 长 71段在陇东地区的东部和东南部以及庆阳附近的裂缝密度较大, 而其他地区裂缝密度较小(图5a)。

鄂尔多斯盆地陕北地区长71段岩心构造裂缝面密度最大的为 Xi42井, 其裂缝面密度为 0.14 m–1,其次为A105井和G91井, 裂缝面密度分别为0.07 m–1和 0.06 m–1。就整体而言, 长 71段在陕北地区的东北部裂缝密度较大, 而西南部裂缝密度较小(图5b)。裂缝面密度分布的形态与岩性和层厚的差异性可能有一定的关系, 这有待进一步深入研究。

(2) 陇东地区长 72段岩心构造裂缝面密度最大的为B12井, 其裂缝面密度为0.92 m–1, 其次为Z78井和N51井, 裂缝面密度分别为0.46 m–1和0.39 m–1。就整体而言, 长 72段在陇东地区庆阳-庆城-合水之间以及 Z78和正宁附近的裂缝密度较大, 而陇东地区西部和北部的裂缝密度较小(图5c)。

图4 鄂尔多斯盆地湖盆中心长63段有效裂缝综合评价的连井对比图Fig.4 Linked assessment columns of fractures of Member 63 in the central Ordos basin

陕北地区长72段岩心构造裂缝面密度最大的为Lu250井, 其裂缝面密度为0.27 m–1, 其次为Hu186井和Hu231井, 裂缝面密度分别为0.10 m–1和0.09 m–1。就整体而言, 长 72段在陕北的西部裂缝密度较大,其次是吴起地区西北部裂缝密度局部较大, 而其他地区裂缝密度很小(图5d)。

总之, 鄂尔多斯盆地湖盆中心因构造作用很弱,在三叠纪长期处于稳定湖盆沉积环境, 延长组长 6和长7段致密砂岩的构造裂缝密度整体较低。虽然整体上裂缝密度不高, 但裂缝发育程度相对较高的带(图 5的橙红色区)对于湖盆中心地区致密砂岩的油气运移仍是必不可少的, 具有重要意义。

4 结 论

综上所述, 基于岩心裂缝测量统计和测井解释开展构造裂缝发育程度的综合评价, 可以从纵向上和横向上了解致密砂岩构造裂缝发育的差异性和各向异性。

不同地区构造裂缝发育程度的评价标准是不同的。裂缝的面密度作为裂缝分级评价的重要指标,可以快速有效地评价研究区裂缝发育程度的平面分布差异性和规律。本文基于120块岩心的裂缝面密度测量和统计分析, 建立了针对鄂尔多斯盆地湖盆中心长6-长7段致密砂岩的构造裂缝评价标准, 共分五个级别: (Ⅰ极高)、(Ⅱ较高)、(Ⅲ中等)、(Ⅳ较低)、Ⅴ级(极低)。

图5 鄂尔多斯盆地湖盆中心长7段岩心有效裂缝密度等值线图Fig.5 Isogram of fracture density of Member 7 in the central Ordos basin

通过裂缝综合评价柱状图的连井对比, 鄂尔多斯盆地湖盆中心在平面上裂缝发育程度存在明显的差异性。长71段在陇东地区的东部和东南部以及庆阳附近的裂缝密度较大, 而其他地区裂缝密度较小。长71段在陕北地区的东北部裂缝密度较大, 而西南部裂缝密度较小。长 72段在陇东地区庆阳-庆城-合水之间以及Z78井和正宁附近的裂缝密度较大, 而陇东地区西部和北部的裂缝密度较小。长72段在陕北的西部裂缝密度较大, 其次是吴起地区西北部裂缝密度局部较大, 而其他地区裂缝密度很小。

鄂尔多斯盆地湖盆中心构造裂缝发育程度的差异性可能与区域构造应力场有关, 也可能与砂体厚度、砂地比及其形态有关, 其形成机制需要进一步开展深入的研究。

致谢: 感谢中国地质调查局油气资源调查中心周新桂研究员和中国石油大学(北京)童亨茂教授评审论文并提出宝贵修改意见。

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