烃源岩层系地层破裂情况的定量评价及应用

郝牧歌，张金功，高 艺，李 健，马士磊

1.西北大学 地质学系，西安 710069；2.大陆动力学国家重点实验室，西安 710069；3.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015

烃源岩层系中，由于成岩、化学、地质应力等作用，裂缝比较发育[1-2]。裂缝可作为地层中的储集、渗流通道，对烃源岩层系非常规油气藏的富集具有重要影响[3]。研究烃源岩层系受静岩压力作用而产生的破裂情况，计算破裂地层对输导能力的促进程度，对非常规油气藏的储集、输导研究具有重要意义。

现阶段对地层破裂情况的研究，主要基于构造应力作用、成岩作用、压溶作用、熔融作用等裂缝产生机理，直接或间接分析其分布特征及控藏作用。对于构造应力中静岩压力产生的宏观裂缝，其发育机理研究目前比较明确：岩性、层理、所受围压均能对岩石的破裂压力造成影响，刚性岩石受上覆静岩压力作用超过破裂压力时便产生裂缝[4]。对于静岩压力作用下地层破裂情况的定量预测主要有间接方法和直接方法。间接方法主要是从应力场[5]、构造曲率[6]、分形维数[7]等方面建立与裂缝密度之间的关系，间接对构造裂缝的分布特征进行定量评价，取得了较好的应用效果。但间接方法本质上是一种数理统计方法，而并非对地下情况的直接认知，在使用间接方法判断地下情况时仍需与直接方法结合。

对于静岩压力作用下地层破裂情况定量预测的直接方法关键在于通过实验等手段测量岩石破裂压力，并直接进行地层破裂情况的计算。但目前学界对岩石实际破裂压力缺乏统一认识，难以应用于判断实际层位的裂缝分布特征。如刘佑荣等[8]认为砂岩破裂压力为20～200 MPa，页岩破裂压力为10～100 MPa；胡广韬等[9]认为砂岩破裂压力为20～40 MPa，中等坚固页岩的破裂压力为20～40 MPa；谢尔盖耶夫[10]认为，一般强度下砂岩破裂压力为38.5 MPa，页岩破裂压力为61 MPa；朱志澄等[11]认为潮湿状态下页岩破裂压力为20.4 MPa，干燥状态下为52.2 MPa。

除直接方法与间接方法以外，也有学者提出通过断层与裂缝发育之间的关联，计算断控裂缝分布范围以明确地层破裂情况。渤海湾盆地济阳坳陷断层附近静岩压力裂缝发育较为剧烈[1]，其根本原因在于断层附近岩层可视为不受围压、仅受上覆静岩压力作用[12]，而无围压条件下岩石破裂压力一般会低于有围压的情况[8-9]。宁方兴[13]提出裂缝发育系数法计算断层两侧裂缝发育较高的范围，并根据裂缝发育系数与高产泥页岩油气藏之间的关系认为系数0.2以上的区域中的泥页岩型页岩可视为裂缝性页岩。该方法在东营凹陷取得了较好的应用效果[1]。裂缝发育系数法的本质在于计算断层作用下岩层不受围压影响的范围，现有方法主要考虑断距与特定岩层距断层的距离，并未考虑不同岩性的破裂压力区别，同时难以对距离断层较远的区域中的岩石破裂情况进行分析。

鉴于上述问题，提出以不同围压下实际测量的岩石破裂压力为基础，结合对烃源岩层系断层影响范围的认识，进行静岩压力作用下岩石破裂情况研究，对渤南—四扣地区烃源岩层系静岩压力作用下岩石破裂情况进行定量分析；在此基础上实测烃源岩层系岩石破裂对输导能力的促进作用，以期在现有“甜点”评价基础上进一步提供非常规油气成藏有利区评价依据。

1 区域地质概况

研究区所在的济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部，为一个次级负向构造单元。由车镇、沾化、东营、惠民等次级凹陷组成，其中东营凹陷和沾化凹陷面积较大,平面上以复合半地堑为特征[13-17]。研究区为渤南—四扣洼陷，其北部为埕子口凸起，西部为义和庄凸起，南部为陈家庄凸起，东部为孤岛凸起(图1)。主要勘探开发层系为古近系沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组，主要为烃源岩层系(沙四上亚段、沙三段)及主力烃源岩的上覆层系(沙二段、东营组、馆陶组、明化镇组)。烃源岩层系中沙三上亚段岩性主要为灰色泥岩、粉砂岩，夹砂岩及碳酸盐岩，厚度一般为50～250 m；沙三中亚段岩性主要为深灰色泥岩夹砂岩、灰色泥岩、粉砂岩夹砂岩及碳酸盐岩，厚度一般为50～300 m；沙三下亚段主要为灰色泥岩、灰褐色油页岩夹砂岩，厚度一般为50～550 m，沙四上亚段岩性主要为黑色页岩、灰色碳酸盐岩，厚度一般为50～150 m[19-20]。沙一段烃源岩局部成熟，沙三中、下亚段和沙四上亚段烃源岩达到成熟，生成大量油气，是主要的烃源岩层系，烃源岩岩性主要为深灰色细粒岩、页岩夹薄层青灰色碳酸盐岩、油页岩，其中Ⅰ型和Ⅱ型干酪根都有分布，有机碳平均含量为1.84%[21-22]。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷渤南—四扣地区位置及地层综合柱状图

2 烃源岩层系静岩压力作用下地层破裂情况

2.1 研究方法

岩石在上覆静岩压力作用下具体破裂情况受围压、上覆静岩压力、岩石性质三者共同约束。岩性、所受围压均能对岩石的破裂压力造成影响，而刚性岩石受上覆静岩压力超过对应围压下的破裂压力时便产生裂缝[4，8-9]。岩层所受围压可分为两种状态，对岩石破裂情况具有较大影响：活动性断层周围围压可忽略不计，岩石可视为仅受上覆静岩压力作用[12]；远离活动性断层的范围中岩石受围压作用。故可根据岩石是否受围压影响，将岩石分为两类，两种情况下同种岩石的破裂压力须分别测量。

基于静岩压力作用下岩石破裂机理，对静岩压力作用下地层破裂情况的研究主要分为3步：首先按照烃源岩层系中静岩压力裂缝成因机制的区别，将地层依照活动性断层的响应范围，进行围压影响区域的判断；其次依照地区主要岩石类别进行样本取样，并分别进行不同围压影响下的破裂压力测量，与围压影响区域研究结果结合，得出烃源岩层系岩石破裂压力分布情况；最后将破裂压力分布与地层的上覆静岩压力分布情况进行比较，得出实际地层的岩石破裂情况图，以明确渤南—四扣地区烃源岩层系的地层破裂情况。

2.2 围压影响区域判断

为对活动性断层围压影响区域进行判断，引入裂缝发育系数法[13]，其计算公式为：

F=H/L

(1)

式中：F为裂缝发育系数，无量纲；H为活动性断层断距，m;L为点位与断层距离，m。

一般认为，济阳坳陷裂缝发育系数在0.2以上的区域受断层影响较大，围压可忽略不计[13]。结合相关文献中对断层活动性的认识[17]，对渤南—四扣区域中各断层作用下不受围压影响的范围进行划分(图2)。

图2 渤海湾盆地渤南—四扣地区无围压影响区域分布

2.3 不同类别岩石的破裂压力测量

2.3.1 岩石样本取样

研究区岩石主要有泥页岩及砂岩两种，采集代表研究区主要岩性的砂岩与泥页岩岩石样本。基于X衍射实验的岩石样本矿物组成特征(表1)，采集样本中，泥页岩的主要组成矿物为石英、方解石、黏土矿物，含少量斜长石；砂岩的主要组成矿物为石英、斜长石、黏土矿物，含少量钾长石、白云石，部分岩石含少量黄铁矿。将其与济阳坳陷岩石学研究成果对比[23]，所取样本能够代表研究区主要岩性。

表1 渤海湾盆地渤南—四扣地区典型岩石样本的矿物组成特征

2.3.2 不同围压影响下的岩石破裂压力

针对有代表性的泥页岩及砂岩样本，分别进行有/无围压下的破裂压力实验，实验采用胜利油田勘探开发研究院的三轴向岩石力学测试系统，以单轴循环实验测量无围压作用下岩石样本的破裂压力，以三轴循环实验测量有围压作用下的岩石样本的破裂压力。主要技术参数为轴向应力差σd≤1 470 kN，围压Pc≤140 MPa，孔隙压力Pp≤103 MPa，模拟温度T≤200 ℃。采取的样品受单轴岩层应力作用下砂岩破裂压力平均为72.5 MPa，泥页岩破裂压力平均为88.9 MPa；受三轴应力作用下砂岩破裂压力平均为144.8 MPa，泥岩破裂压力平均为158.8 MPa(表2)，部分样品破裂曲线如图3所示。

图3 渤海湾盆地渤南—四扣地区样品S1及M7应变曲线

表2 渤海湾盆地典型岩石样本无围压作用下的破裂压力

2.4 烃源岩层系岩石破裂情况

对于烃源岩层系编制静岩压力平面分布图(图4)，并与上述实验结果中破裂压力进行对比。渤南—四扣地区沙三上顶面深度为1 600～3 000 m，沙四上底面深度为2 000～4 400 m。依据济阳坳陷一般岩性，取岩石平均密度为3×103kg/m3[17]。根据静岩压力计算公式[8]。

Pz=10-6ρgz

(2)式中：Pz为静岩压力，MPa；z为深度，m；ρ为岩石密度，g/cm3；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

结合研究区不同层位的岩层总厚度及地层平均密度，计算研究区烃源岩层系各个亚段底面的静岩压力情况。结合成因砂体展布研究成果[24]，将静岩压力情况与烃源岩层系岩石破裂压力分布情况进行对比，得出实际会因上覆静岩压力产生破裂的地层范围(图4)。

研究区渤南—四扣区域沙三上亚段区域较深部位岩层普遍产生破裂，罗67井附近砂体产生破裂(图4a)；沙三中亚段区域较深部位岩层普遍产生破裂，罗67井附近及西侧砂体产生破裂，罗斜601井附近砂体不产生破裂(图4b)；沙三下亚段区域较深部位岩层普遍产生破裂，义3-7-7井附近砂体产生破裂(图4c)；沙四上亚段区域中、深部位岩层普遍产生破裂，罗斜601井附近砂体普遍产生破裂，陈40井附近砂体不产生破裂(图4d)。

图4 渤海湾盆地渤南—四扣地区烃源岩层系静岩压力作用地层破裂范围

2.5 结果验证

对烃源岩层系的研究区采取不同围压影响下的不同岩性的岩石样本，实际观测其破裂情况，以对烃源岩层系岩石破裂情况研究结果进行验证。在烃源岩层系观察岩心中陈40井破裂发育较少；罗斜601井在沙四上亚段砂岩与泥页岩互层中岩层普遍破裂，其余区域破裂较少；罗67、义3-7-7、义171井普遍观察到岩层破裂(表1，表3)。实际观察到的岩石破裂情况与岩石破裂压力分布情况基本相符。

表3 渤海湾盆地渤南—四扣地区岩石样本破裂前后渗透率比较

3 静岩压力产生的裂缝对非常规油气输导的作用

非常规油气成藏过程中，泥页岩型油气藏需要经过初次运移[25]，致密油气藏需要经过初次及二次运移，因此，烃源岩层系输导研究对非常规油气成藏研究同样具有重要作用[26-29]。裂缝发育的烃源岩层系具有基质孔隙和裂缝系统双重输导空间，由于岩石渗透率是基质渗透率与裂缝系统中各单一组分在水平方向上的投影值的总和，虽然基质渗透率随埋深增加会有一定程度的减小，但由于裂缝系统中各单一裂缝面内部毛管力一般远小于岩石，故岩石破裂后渗透率会因产生裂缝而急剧增大，裂缝发育对非常规油气运移通道具有良好的改善作用，其具体促进作用需定量测量。

可通过岩石破裂前后渗透率变化实验，结合含油岩石样本岩心、薄片观察结果，定量描述研究区静岩压力裂缝对烃源岩层系输导的促进作用。基于裂缝对输导的作用机理，对非常规油气藏成藏起促进作用的破裂性岩层的岩心、薄片、岩石样本应有如下观察、实验特征：(1)不含油裂缝性岩石薄片样本可明显见蓝色铸体充填；(2)含油裂缝性岩石样本观察下裂缝中见油气充填，且荧光薄片观察结果表明裂缝中荧光显示较好；(3)破裂前后岩石样本渗透率实验能够表明岩石破裂后渗透率大幅提升。

对前文中进行破裂压力实验的岩石样本，在实验前后分别进行渗透率测试，以对比不同种类的岩石破裂前后渗透率变化情况(表3)，并实测岩石破裂对输导能力的促进作用。

针对渤南—四扣地区烃源岩油气显示井中含油的岩心中裂缝发育可能出现的横向、垂向、斜向3种情况，分别在包含3种裂缝及不包含裂缝的砂泥交界面处进行薄片观察。结果表明，含油岩心中裂缝含油情况较好，含油薄片中裂缝荧光强度好于裂缝附近的砂岩或泥页岩(图5)。

图5 渤海湾盆地渤南—四扣地区义160井烃源岩层系存在含油差异的岩心与薄片观察

对渤南—四扣地区的破裂地层输导能力促进作用研究表明，破裂后地层确实对烃源岩层系油气藏的输导能够起到有效的改善作用。破裂岩石样本观察表明存在油流通过裂缝运移的情况；破裂前后岩石渗透率变化实验结果表明，在地层达到破裂压力后其输导能力会大幅提升，其中砂岩破裂后渗透率平均为破裂前的29.49倍；泥岩破裂后渗透率平均为破裂前渗透率的366.67倍。实验结果与济阳坳陷有效渗透率标准比较表明，渤南—四扣地区烃源岩层系无论是砂岩还是泥质岩岩层，在岩层破裂之后，由于渗透率大幅提升，均能起到非常规油气输导通道的作用。它能够作为致密油运移的有效通道，在现有“甜点”评价基础上进一步提供非常规油气成藏有利区依据。

3 结论

(1)对区域有代表性的岩石样本进行不同围压影响情况下的破裂压力测量，并结合围压影响范围与地层上覆静岩压力比较，可用于定量评价岩层破裂情况。该定量评价方法已成功应用于渤南—四扣区域烃源岩层系岩石破裂情况的判断，评价结果与实际观测的岩石破裂情况基本相符。

(2)静岩压力作用下地下破裂情况研究结果表明，渤南—四扣地区沙三上亚段区域较深部位岩层普遍产生破裂，中部位砂体产生破裂；沙三中亚段区域较深部位岩层普遍产生破裂，中部位砂体产生破裂，高部位砂体不产生破裂；沙三下亚段区域中、深部位岩层普遍产生破裂；沙四上亚段区域中、深部位岩层普遍产生破裂，高部位部分砂体产生破裂。破裂前后渗透率变化实验结果表明，静岩压力作用产生破裂的地层能够作为有效输导通道，对致密油输导具有重要的促进作用，可以为现有“甜点”评价提供有力补充。