鄂南正宁区块长7储层裂缝发育控制因素

巫崇雨，谢润成,2 ，魏 笑，冯少柯，邓 彤

(1.成都理工大学能源学院；2成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059)

正宁区块位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南端，与渭北隆起相接，被庆西与合水两条古河分割形成[1]。长7储集层埋藏较浅，砂体延伸范围有限，含油砂体变化快，孔隙类型复杂，主要是岩屑、长石溶孔以及残余粒间孔，物性差，渗透率(0.3～0.5)×10-3μm2，属于非均质性极严重的低孔、低渗、低压和低丰度砂岩储集层。开发不利因素：沉积环境为深湖或半深湖，储集层致密且油层变化复杂，开发难度大[2-3]。裂缝是此类储集层取得高产的关键[4-6]，但正宁地区尚未开展过裂缝评价相关研究。依据岩心、测井、测试等资料明确了研究区裂缝发育特征及其影响因素，可为正宁区块长7储集层有利区的预测和优选提供重要依据。

1 裂缝特征

长7储集层裂缝类型主要为构造裂缝，可见少量被方解石等矿物充填的成岩裂缝。20口井取心层段的岩心中，总共观察到裂缝216条，其中构造裂缝198条。经过对构造裂缝进行统计分析，特征为：

(1)以垂直裂缝和高角度斜交构造裂缝为主，其中垂直裂缝101条、高角度斜交缝59条，占裂缝总数的81%；另外低角度斜交缝24条、水平缝14条(图1)；(2)构造裂缝在细砂岩中较为发育，约占总裂缝的65%，产状呈垂直或倾角大于60°；在粉砂岩、泥岩中，裂缝发育程度较低，并且低角度缝和水平缝所占比重较大，主要为剪切缝(图2)；(3)岩心上可见4种主要的裂缝产出状态(图3)：a.与岩心相交，呈一定的角度(倾角主要大于55°)，截面呈椭圆状；b.裂缝垂直切割岩心，缝面干净，无充填物；c.裂缝垂直切割岩心，但缝面可见方解石充填物；d.裂缝呈组系分布，一般无充填物，主要见于高角度缝和垂直裂缝；(4)垂直裂缝延伸规模较大，约85%的裂缝长度主要分布在20～60 cm，6.5%的裂缝长度可以大于100 cm，尤其在砂岩中垂直裂缝最长可达3 m；泥岩中所见的垂直裂缝多为从砂岩中贯穿至泥岩层，这对油气的纵向流动具有积极意义；(5)构造裂缝开度介于0.1～1.2 mm，其中开度为0～0.5 mm的构造裂缝占81%，开度为0.5～1.0 mm的构造裂缝约占14%，开度大于1 mm的构造裂缝占不到5%；同时构造裂缝中未充填缝占80%，有效沟通程度较高，对油气流动有着重要的意义；而成岩裂缝由于存在方解石等充填矿物，宽度可达0.5 cm，但对油气的流动基本无意义；(6)长7储集层裂缝密度为1.01 条/m，有效裂缝密度为0.83 条/m，而裂缝的平均长度在25 cm左右，从这个角度来看，裂缝是相当发育的，它对储集层油气产出的贡献是不可忽视的[7-8]。

图1 长7储集层裂缝产状分布

图2 长7储集层裂缝发育岩性分布

图3 长7储集层裂缝产出状态

2 区域构造背景与裂缝期次

2.1 区域构造背景

盆地南部主要经受印支、燕山和喜山时期的构造运动[9]。印支时期，盆地南部构造演化相对不明显，此时期受控于陆—陆碰撞和洋壳俯冲造山构造体系，导致了华北与华南板块的碰撞与对接，而此时西伯利亚板块往南运动，造成了盆地主压应力为南—北方向的应力场。燕山时期，库拉-太平洋板块往北西方向运动，朝阿留森-日本海沟俯冲，而此时东亚大陆开始向南运动，最终因左旋剪切作用派生了盆地南部北西—南东方向的挤压应力场，其分布受到陆内变形构造和区域左旋剪切产生的应力体制两者的控制。在喜山时期，盆地受区域右旋拉张—剪切应力体制控制，区域挤压应力为北东—南西方向，与正宁研究区块应力分布特征基本一致。

2.2 裂缝期次

根据正宁区块裂缝充填物(主要为方解石)气液两相盐水包裹体测温资料，统计了包裹体均一温度的分布情况(图4)，根据公式：

H=(T-T0)×100/G[10]

(1)

其中：H为包裹体形成时的埋深，m；T为包裹体均一温度，℃；T0为包裹体捕捉时地表温度，℃；G为古地温梯度，鄂尔多斯盆地取4.0℃/100 m[11]。

通过盐水包裹体的均一温度计算其埋深，然后根据研究区埋藏史曲线(图5)[12]确定其所在层位，判断其对应的地质时期。结合正宁地区埋藏历史综合分析表明：长7储集层裂缝形成期可划分为两期：第一期，包裹体均一温度范围在75～157℃区间，对应时间为印支-燕山期；第二期，包裹体均一温度大于157℃，对应为燕山-早喜山期。同时，由于本区未充填裂缝约占71.45%，裂缝有效性较高，对油气流动具有意义;而晚期破裂是取不到充填物的，当然也不能对这部分裂缝进行充填物取样及包裹体测试。

图4 正宁区块包裹体测温分析均一温度分布

图5 鄂尔多斯盆地L47井埋藏史[12]

因此结合区域构造背景，综合以上分析可以确定研究区的裂缝形成应为三期:第一期为印支—燕山期(此时期产生的裂缝基本处于充填状态)，第二期为燕山—早喜山期(裂缝的次要形成期)，第三期为喜山期(裂缝主要形成期，基本无充填物)，而岩心可见一系列剪切破裂缝和拉张裂缝，这也是与喜山期拉张-剪切应力环境相一致的，也可作为喜山期裂缝期次存在的有力证据。

3 裂缝发育控制因素

岩石发生破裂多与岩石本身的性质(包括岩性、物性以及力学性质等)有关，不同成分、结构和强度的岩石，其力学性质差异是非常大的。岩石的性质决定了其抵抗构造应力场抗张和抗拉的能力[13-14]。在相同应力场环境下，岩石中脆性矿物成分所占比例越高，就越易发生破裂，并且裂缝密度也会越高。因此裂缝的控制因素分析必须基于岩石的内在属性，考虑多种因素对岩石破裂的影响。

3.1 岩性

岩性是岩石破裂的基础[15]因素。不同的岩石类型其力学强度存在差异，即使是在同样的应力环境中破裂程度也不同。长7储集层岩心裂缝观察已表明裂缝主要发育于细砂岩中，砂岩地层岩石脆性较大，容易产生破裂，泥岩由于塑性较大，裂缝不发育。

3.2 物性

岩石物性(孔隙度、密度等参数)对岩石的力学性质具有较大的影响，进而会影响到岩石中裂缝的发育[16]。正宁地区储集层密度与孔隙度呈较好的负相关性，反映岩石性质简单，成分稳定。物性差异可以造成岩石力学强度的差异，在外部应力环境相同时，砂岩地层中低密度层(即相对的高孔隙度层)比高密度层(低孔隙度层)更容易破裂,岩石的破裂更多与抵抗外部构造应力的岩石强度有关。长7储集层岩石力学强度测试也表明岩石密度增加，其抗压强度、抗张强度等参数呈直线增加，反映岩石密度的增加，所需要的破裂构造应力越高，岩石更不易产生破裂；反之，更易产生破裂(图6)。但岩石物性对岩石破裂的影响并不如岩石存在纹层、层理、微裂隙等力学薄弱面对岩石破裂的影响[17]，地层中所存在的各类力学薄弱面是导致裂缝产生的主要原因。长7储集层岩石具有裂纹的样品，其强度比不具有裂纹的样品低，样品两端存在缺损或先存在裂纹，其单轴抗张强度平均值为3.84 MPa，抗压强度也相应较小，平均值为39.87 MPa；完整样品的单轴抗张强度平均值为6.32 MPa，抗压强度为46.27 MPa。因而地下岩石存在裂纹(结构面)时岩石力学强度会明显降低，在相同构造应力作用下更易发生破裂。

图6 长7储集层密度与岩石强度关系

3.3 岩层厚度

岩层厚度是除岩性、物性以及微结构面外的另一大影响因素，这些是岩石发生破裂的内在因素。岩层厚度这里指处于同一沉积时期，岩性、物性等因素大致相同的单一岩层的厚度[18]。由于地层并不是由一个岩层单元构成的，岩层厚度的变化通常表现为岩性交替变化，因此不同岩性或不同沉积时期形成的岩层厚度有所不同。在相同的地质构造应力环境下，薄岩层应更易发生破裂，在纵向上表现为裂缝密度增大。根据长7储集层岩心及成像的裂缝识别统计结果表明：裂缝密度与岩层的厚度呈明显的乘幂负相关关系，单一的岩层厚度越大，其裂缝线密度值越低(图7)。此外岩层厚度超过2 m时，裂缝密度基本为低值，岩石抵抗外力的能力明显增强，岩石不易发生破裂。

图7 长7储集层岩层厚度与裂缝密度关系

3.4 地应力场

地应力场是岩石发生破裂最主要的外因，是在岩体自身重量、地质构造以及地质体物化变化等作用下逐渐形成的应力状态。一般而言，区域应力场的整体规律，可通过对断层的调查以及地应力实测等取得认识[19-20]。而要对应力集中部位定量评价，要基于在地应力实测基础上，利用有限元等方法来反演和模拟。裂缝期次分析表明，大量无充填的裂缝应是喜山期以来的产物，裂缝有效程度是最高的。因此这里主要进行了对喜山期应力场的模拟。基于室内地应力测试及岩石力学参数实验，利用有限元单元法对长7储集层喜山期应力场进行模拟。应力场模拟的应力集中区主要在西北、东北和中南部，这些部位岩心和成像测井识别的裂缝密度相对应力低值区大，整体吻合度为70.25%。

虽然应力场对岩石的破裂具有较强的控制，但长7储集层裂缝形成机制是复杂的，同时受到岩性、物性以及层厚的影响。例如：Z2井长7储层局部发育有泥岩，泥岩层平均厚度达到了10 m；经过应力场模拟其处于应力集中区，但该井的岩心裂缝线密度仅有0.4 条/m，成像裂缝线密度仅为0.5 条/m；另外N71井长7储层岩心裂缝密度达到2.65 g/cm3,通过力学强度测试，其单轴抗张强度达7.43 MPa，单轴抗压强度48.58 MPa，所以在地应力集中区其产生破裂的程度也较小。

综合以上分析，认为正宁地区长7储集层裂缝发育受构造应力场、层厚和岩石物性等综合影响，应力场属于外在因素决定了岩石破裂的产生，而层厚、岩性和物性则控制着岩石的内在力学强度。

4 结论

(1)长7储集层裂缝类型主要为构造应力作用下产生的构造裂缝，且主要发育在砂岩地层，裂缝有效性高；泥岩地层中的裂缝多为剪性破裂和成岩裂缝，对油气的流动基本无意义。

(2)裂缝形成期有3期，第一期为印支—燕山期(基本为闭合状态，被方解石等矿物充填)，第二期为燕山—早喜山期(裂缝的次要形成期)，第三期为喜山期(裂缝主要形成期，有效性高)。

(3)储集层裂缝发育受构造应力场、层厚、力学薄弱面和岩石物性等综合影响，应力场是岩石破裂的外在因素，其他因素属于内因，相比较而言应力场和岩层厚度对破裂的影响更为明显。

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