陇东地区长7段致密储集层裂缝特征及定量预测

宿晓岑，巩磊，2，高帅，2，周新平，王兆生，柳波

（1.东北石油大学a.地球科学学院；b.非常规油气研究院，黑龙江大庆 163318；2.东北石油大学环渤海能源研究院，河北秦皇岛 066004；3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安 710018；4.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210）

鄂尔多斯盆地陇东地区长7 段对应着中生代盆地的最大湖泛期，发育大面积分布的优质烃源岩，烃源岩富含有机质，成熟程度适宜，具备很大的油气勘探开发潜能[1-5]。截至2019年7月底，研究区共计投产油井419口，投产初期平均单井日产油量为9.6 t，累计产油量为253.5×104t，目前平均日产油量为1 369.0 t，表明陇东地区的原油开发具有很大的发展潜能。但是，由于储集层基质致密，孔隙度和渗透率较低，毛细管阻力大，对油气的运移及储集产生巨大的阻碍作用，天然裂缝的存在很大强度上改善了油气的运移通道，提高了储集层的储集和渗透能力，是主要的油气渗流通道和储集空间[6-8]。

近年来，许多学者对鄂尔多斯盆地构造裂缝的发育与分布特征进行研究，从早期对裂缝的实测描述[9-10]，发展到对裂缝的定量表征和预测[11-13]。储集层裂缝预测研究方法较多，主要有构造曲率法[14]、纵波宽方位各向异性法[15]、有限元数值模拟法[16-17]等。总体来看，前人对鄂尔多斯盆地陇东地区长7 段裂缝缺乏系统研究，而随着油气不断开发，裂缝型储集层更加值得被关注[18-20]。本文在研究区最新勘探开发成果基础上，通过露头剖面、岩心及成像测井资料，探讨了陇东地区长7 段储集层裂缝的发育特征和主控因素，分析陇东地区长7 段储集层裂缝的分布规律；并运用有限元数值模拟法还原裂缝的形成过程，获取裂缝发育方位和发育程度，为研究区油气勘探开发提供依据。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地是多期叠合盆地，经历寒武—志留纪陆缘海（克拉通边缘）盆地、泥盆纪滨浅海（内克拉通）盆地和石炭—三叠纪内陆（克拉通）盆地的演化后，到侏罗纪末燕山运动中期，成为残延内克拉通盆地。随着水体加深，在长7 段沉积时期，形成一套深湖相沉积，黄河以西深湖区面积可达4×104km2，最大水深可达60 m。陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部（图1），整体构造相对简单，地层相对平缓。长7段为半深湖—深湖相沉积，沉积物粒度小，杂基含量相对高，以岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，主要为细砂岩和粉砂岩，含少量泥质粉砂岩[21-22]。受构造运动影响，鄂尔多斯盆地完成从海相、过渡相到陆相的转变，自晚三叠世开始，盆地形成了完整的陆相碎屑岩沉积体系。延长组为河流—湖泊相沉积，而长7 段沉积于湖盆发育的全盛期，是油气富集的有利层位。

2 裂缝发育特征

2.1 裂缝类型

根据不同的划分方案，可以将天然裂缝划分成不同类型。根据裂缝的地质成因，可将其分为构造裂缝和成岩裂缝。通过露头区和岩心裂缝统计，研究区长7 段储集层主要发育构造裂缝，占比为97.67%，分布相对规则，等间距性好，裂缝发育范围广，产状相对稳定，成组发育，可形成良好的裂缝网络系统。根据力学成因，可将裂缝分为剪切裂缝和张性裂缝，研究区以张性裂缝为主，占比85.43%，裂缝面较为粗糙，无擦痕，常有羽饰构造，部分被方解石充填，以高角度近直立裂缝为主（图2a、图2b）；剪切裂缝占14.57%，表面光滑，有明显擦痕或阶步，矿物充填较少，多以中高角度为主（图2c、图2d）。

图1 研究区构造位置Fig.1.Structural location of the study area

研究区长7 段发育大量微观裂缝，根据微观裂缝与矿物颗粒的关系，可分为粒内裂缝、粒缘裂缝和穿粒裂缝3 种类型。粒内裂缝和粒缘裂缝延伸较小，连通性较差，属于非构造成因；穿粒裂缝属于构造成因，规模相对较大，延伸较长，不受矿物颗粒限制，穿越矿物颗粒（图2e、图2f），为研究区主要的微观裂缝类型。

2.2 裂缝定量表征

根据露头剖面、成像测井和微层面定向，研究区长7段中主要发育4组裂缝，分别为北东—南西向、北西—南东向、近东西向和近南北向，其中北东—南西向裂缝最发育，其次为北西—南东向裂缝，而近东西向和近南北向裂缝发育程度较低（图3）。根据岩心，研究区主要发育高角度裂缝，裂缝倾角大于70°的占85%以上，其次为斜交缝，在泥岩段发育少量低角度滑脱缝。裂缝充填程度是影响裂缝有效性的主要因素，未充填裂缝渗流效果好，属于有效裂缝；被矿物部分充填裂缝，由于矿物颗粒在裂缝中起到支撑作用，使裂缝呈开启状态，保存了部分空间，也属于有效裂缝；而全充填裂缝不能起到渗流作用，属于无效裂缝。根据统计，大部分裂缝未被充填，少部分呈半充填或全充填，其中未充填占76%，半充填占19%，只有5%左右被全充填，说明研究区裂缝有效性较好。研究区裂缝充填矿物主要为方解石（约占88%），其次为石英和沥青，分别占7%和5%。

图2 研究区长7段裂缝特征Fig.2.Fracture characteristics of Chang 7 member in the study area

图3 研究区天然裂缝走向玫瑰花图Fig.3.Rose diagrams of natural fracture strikes in the study area

通过对研究区29 口井603.11 m 岩心观测，发现26口井中存在裂缝，裂缝共计175条。裂缝线密度主要为0.05～0.40 条/m，平均为0.31 条/m；裂缝面密度主要为0.05～0.50 m/m2，平均为0.31 m/m2。由于研究区主要发育高角度裂缝，岩心钻遇率较低，因而观察岩心得出的结果，造成裂缝发育程度低的假象。

岩石力学层是指岩石力学行为相近或岩石力学性质一致的岩层[23]，不同岩石力学层内裂缝发育程度差异明显，为此，通过岩石力学层对岩心裂缝发育程度进行计算和校正。计算结果表明，研究区裂缝较为发育，裂缝线密度为0.50～4.00条/m，平均为1.88条/m，裂缝面密度为0.50～6.00 m/m2，平均为2.72 m/m2。

根据统计表明，微观裂缝面密度主要分布在0.25～0.50 μm/μm2，平均为0.43 μm/μm2；微观裂缝的地下开度主要分布在10～60 μm，峰值为10～20 μm；微观裂缝孔隙度在0.50%以下，平均为0.32%；微观裂缝渗透率在10.00 mD以下，平均为3.78 mD。

2.3 裂缝发育主控因素

2.3.1 岩性

岩性是影响天然裂缝发育的最基本因素，不同岩性中裂缝发育程度有很大不同。岩石矿物成分、颗粒大小及其物性等是影响裂缝发育的主要因素[24-26]。根据岩心观察统计，砂岩中裂缝最为发育，其中粉砂岩裂缝的发育程度最高，其次是细砂岩，泥质岩类中裂缝发育程度差（图4）；矿物成分及含量也影响裂缝发育程度，脆性矿物含量越高、颗粒越细、泥质含量越低，裂缝越发育。储集层物性也是影响裂缝发育的主要因素之一，储集层基质的孔隙度越小，裂缝的发育程度越高；分选程度也影响裂缝的发育程度，一般来说，分选好的纯净砂岩的裂缝发育程度高，分选差的泥质砂岩的裂缝发育程度低。

图4 研究区不同岩性裂缝密度分布Fig.4.Fracture density distribution of different lithologies in the study area

2.3.2 岩石力学层

相邻的不同岩性岩层之间，存在明显的岩石力学差异。受岩石力学层控制，裂缝主要发育在能干性强的岩石力学层内，终止于岩性界面或层理面，裂缝与层理面近垂直，裂缝高度与岩层厚度相当（图2b）。根据岩心观察，研究区裂缝高度主要分布在0.05～0.20 m，最大穿层裂缝的高度可达1.10 m。裂缝间距与岩层厚度具有较好的线性关系，随着岩层厚度增大，裂缝间距增大，裂缝密度减小（图5），当岩层厚度大于3 m，一般不发育裂缝。

图5 研究区裂缝间距（a）和裂缝密度（b）与岩层厚度的关系Fig.5.Relationships between(a)fracture spacing and formation thickness,(b)fracture density and formation thickness in the study area

2.3.3 岩相

根据研究区成岩作用类型、含油性及黏土矿物含量，将长7 段致密储集层划分为4种主要岩相，分别为钙质致密胶结型砂岩相、溶蚀型含油砂岩相、富软杂基砂岩相和泥岩相。钙质致密胶结型砂岩相裂缝最发育，裂缝线密度主要分布在2.00～4.00 条/m，平均为3.04条/m，最多可达8.00条/m。但在钙质致密胶结型砂岩相中，绝大多数裂缝被方解石全充填，有效性较差，不能起到连通作用。其次是溶蚀型含油砂岩相，裂缝线密度主要分布在0～3.00 条/m，平均为2.38 条/m，最大可达9.00 条/m。富软杂基砂岩相和泥岩相裂缝发育程度相对较差，平均裂缝线密度分别为1.83条/m和1.79条/m。

3 裂缝定量预测

储集层裂缝是在古地应力作用下形成的，而现今地应力与古地应力之间存在差异。为了更好地确定古地应力对裂缝方位及发育程度的影响，利用有限元数值模拟法，从正演角度再现裂缝形成过程，模拟裂缝形成时的构造应力场，利用岩心裂缝资料，对岩石破裂率和弹性应变能进行拟合，进而预测研究区裂缝分布。

3.1 应力场数值模拟

根据研究区岩相的平面分布，建立地质模型；对不同岩相岩石样品进行岩石力学实验，获得其岩石力学参数，建立力学模型。岩石力学测试显示，杨氏模量为16.37～45.11 GPa，泊松比为0.138 2～0.259 3；抗压强度为38.2～49.6 MPa。前人研究成果表明，研究区有效裂缝主要形成于喜马拉雅运动期[16，27-28]，因此，本文主要对喜马拉雅运动期构造应力场分布进行数值模拟。

在建立地质模型、力学模型和数学模型的基础上，根据各岩石力学层内所赋予的实际岩石力学参数和边界受力条件，运用有限元数值模拟法，对喜马拉雅运动期的构造应力场分布进行了计算。模拟结果显示，在喜马拉雅运动期，长7 段最大主应力主要分布在80～100 MPa（图6a），最小主应力主要分布在15～25 MPa（图6b），差应力主要分布在60～80 MPa（图6c）。

图6 研究区长7段最大主应力（a）、最小主应力（b）和差应力（c）分布预测Fig.6.Distribution predictions of(a)maximum principal stress,(b)minimum principal stress,and(c)differential stress in the Chang 7 member in the study area

3.2 裂缝定量预测

根据古构造应力场数值模拟和岩石力学测试结果，分别对张破裂率、剪破裂率以及总破裂率进行计算，其中，张破裂率为张应力与抗张强度的比值；剪破裂率为剪切应力与抗剪强度的比值。根据研究区岩心张性裂缝与剪性裂缝所占比例（85∶15），进行加权计算可获得总破裂率，破裂率大于1 说明岩石发生了破裂。前人研究证实，裂缝的发育程度（裂缝密度）与总破裂率和岩石积累的能量（弹性应变能）有关[6，20]，其中，弹性应变能可以通过下式获得：

式中E——弹性模量，GPa；

W——弹性应变能，J；

σ1——最大主应力，MPa；

σ2——最小主应力，MPa；

ν——泊松比。

在构造应力场计算中得出该区弹性应变能和破裂率分布以后，将二者与岩心统计的裂缝密度用最小二乘法进行拟合所得到的相关关系来计算裂缝密度。裂缝密度与岩石应变能和破裂率的基本拟合公式为

式中A1、A2、A3、A4、A5——比例系数，由单井裂缝密度资料用最小二乘法拟合得到；

I——总破裂率；

β——预测裂缝密度，条/m。

预测结果表明，长7 段储集层剪破裂率一般分布在0.7～1.1，张破裂率一般分布在0.9～2.2（图7），说明研究区以发育张性裂缝为主，与露头和岩心裂缝观察结果一致。通过对预测结果和26 口取心井获得的裂缝单井密度进行对比分析，预测结果与实测裂缝线密度具有很好的正相关性（表1），其相对误差小于30.00%，说明该方法的裂缝预测结果是较为准确的。

4 结论

（1）陇东地区长7 段裂缝发育程度较高，主要发育张性高角度裂缝，主要包括4 组裂缝，其中以北东—南西向裂缝发育最多，裂缝矿物充填性较差，有效性高。微观裂缝的发育提高了储集层的孔隙结构和整体性能，对致密储集层的储集空间和渗透能力具有重要意义。

（2）裂缝发育程度主要受岩性、岩石力学层、岩相及岩石脆性等因素影响。岩石中脆性矿物含量越高、颗粒越细、岩石越致密，裂缝发育程度越高。裂缝受岩石力学层控制明显，在层内发育，终止于岩性界面或层理面，其中钙质致密胶结型砂岩相裂缝最发育，其次是溶蚀型含油砂岩相，富软杂基砂岩相和泥岩相中裂缝发育程度较低。

图7 研究区长7段剪破裂率（a）、张破裂率（b）和裂缝密度（c）预测结果Fig.7.Predictions of(a)shear failure rate,(b)tensile failure rate and(c)fracture density in Chang 7 member in study area

表1 研究区长7段裂缝密度预测结果与实测结果对比Table 1.Comparison of predicted and measured densities of fractures in Chang 7 member in the study area

（3）以影响天然裂缝发育的外地质因素为基础，通过对裂缝形成时间的古构造应力场进行数值模拟，并结合岩心裂缝分布和岩石破裂准则，对研究区储集层构造裂缝的分布进行计算和定量预测，通过对预测裂缝结果和取心井获得的单井裂缝密度进行对比分析，其相对误小于30.00%，裂缝预测结果可信。