鄂爾多斯盆地樊學油區(qū)長8砂巖裂縫平面展布及控制因素

趙 希，張小莉，楊 振，李亞軍，盧俊輝，王曉琳，鐘高潤

(西北大學地質(zhì)學系/二氧化碳捕集與封存技術國家地方聯(lián)合工程研究中心/大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069)

0 引言

裂縫是低滲透儲層油氣運移的重要通道，對油田注水開發(fā)也有較大影響。低滲透砂巖儲層孔滲性差，排替壓力較大。砂巖與裂縫的復合輸導模式使儲層與烴源巖更好地連通，油氣可沿裂縫發(fā)育區(qū)進行運移與調(diào)整(萬永平等，2010；楊偉偉等，2013；李成等，2016；王懷廠等，2018)。同時，儲層裂縫影響水平井壓裂施工(楊志浩和李治平，2017；李達等，2019；趙向原等，2020)以及注水驅(qū)油過程中產(chǎn)生的水淹層厚度、水淹級別、水竄方向，微觀上影響油水兩相滲流關系進而影響油井采收率(宋曉威等，2015)。因此，對儲層裂縫發(fā)育程度及其平面展布特征認識是低滲油藏高效注水開采的關鍵。

樊學油區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中部，西緊鄰天環(huán)坳陷。該地區(qū)主力含油層系為三疊系延長組(趙鵬飛等，2015)。近年來，隨著對延長組下組合長7～長10油層組勘探的不斷深入，發(fā)現(xiàn)了長8大型巖性油藏(王變陽等，2014；馬海勇等，2016)。根據(jù)沉積旋回特征，長8地層可劃分為長82、長81兩個小層。樊學油區(qū)長8儲層有效孔隙度平均9.65%，滲透率平均0.65×10-3μm2，為典型低孔特低滲儲層(魏晨陽等，2012)，但是由于地層能量不足，所有均需要人工壓裂和注水開發(fā)才能開采。樊學油區(qū)周邊的同類油藏投產(chǎn)油井中，砂巖裂縫發(fā)育區(qū)油井大多含水上升較快，裂縫的側向油井受效程度低(路向偉等，2018)。所以，明確長8砂巖裂縫主要發(fā)育方向，分析砂巖裂縫形成的控制因素，對研究區(qū)注水開發(fā)具有一定指導意義。

1 砂巖裂縫識別

1.1 巖心觀察裂縫特征

巖心觀察是對宏觀裂縫進行觀測與描述的第一手資料。根據(jù)樊學油區(qū)取心井巖心觀察與描述資料統(tǒng)計，砂巖裂縫以垂直縫和高角度縫為主，未充填居多。粉砂巖和細砂巖中裂縫分布頻率較高，裂縫延伸長度0.05～0.5 m，縫寬0.1～0.3 cm，傾角多為70°～90°(見圖1)。

圖1 樊學油區(qū)長8巖心裂縫特征

1.2 成像測井識別砂巖裂縫

成像測井可有效揭示裂縫類型、產(chǎn)狀以及充填程度等相關信息(陳翠雀等，2009)。根據(jù)樊學油區(qū)2口成像井解釋裂縫統(tǒng)計，研究區(qū)長8儲層多發(fā)育斜交、高角度天然裂縫，局部發(fā)育井筒與地應力不平衡所致的應力釋放縫，少數(shù)天然裂縫被半充填。成像測井圖像上天然裂縫表現(xiàn)為暗色正弦曲線(見圖2a，圖2b)，裂縫被半充填或充填時，顯示為暗色正弦曲線局部被亮色充填(見圖2c)，如圖2d所示，應力釋放縫表現(xiàn)為多組接近180°對稱分布的雁列狀縫。

圖2 樊學油區(qū)長8電成像測井的裂縫響應特征

1.3 常規(guī)測井綜合識別砂巖裂縫

利用巖心和成像測井資料標定常規(guī)測井，得到裂縫段與非裂縫段常規(guī)測井參數(shù)并進行對比分析。結果發(fā)現(xiàn)微電極和八側向測井曲線對樊學油區(qū)長8砂巖裂縫的響應最為敏感，表現(xiàn)為高值背景上的相對低值，其他測井曲線敏感性表現(xiàn)為聲波測井>自然伽馬>自然電位>雙感應>井徑。為了更有效識別砂巖裂縫，主要采取以下步驟：

首先，優(yōu)選出微電位、微梯度、八側向、聲波時差4條對裂縫響應明顯的測井曲線，同時根據(jù)不同曲線的敏感程度對曲線進行加權，分別計算出異常幅度算術加權裂縫指數(shù)、異常幅度幾何加權裂縫指數(shù)、曲線變化率裂縫指數(shù)、分形維數(shù)裂縫指數(shù)、微電極幅度差裂縫指數(shù)等表征參數(shù)。

其次，通過成像資料標定其他表征參數(shù)(圖3)，確定出微電極幅度差裂縫指數(shù)下限值為0.01，分形維數(shù)裂縫指數(shù)下限值為1，變化率裂縫指數(shù)下限值為0.01。

圖3 定4548-3井砂巖裂縫識別效果圖

最后，選取對裂縫響應敏感的異常幅度表征參數(shù)構建裂縫識別指數(shù)，并根據(jù)微電極幅度差、分形維數(shù)、變化率裂縫下限值對裂縫識別指數(shù)進行過濾，得到最終的裂縫識別綜合指數(shù)，對裂縫可能發(fā)育段進行判識。

圖3為對具有成像測井資料的定4548-3井長8儲層裂縫表征參數(shù)處理結果，其常規(guī)測井砂巖裂縫識別效果與成像測井解釋砂巖裂縫特征基本相符。

進而，對樊學油區(qū)220口井長8儲層進行了常規(guī)測井資料裂縫識別處理。

2 砂巖裂縫平面展布

依據(jù)樊學油區(qū)220口井砂巖裂縫處理統(tǒng)計結果，長8儲層中裂縫性砂巖主要分布在研究區(qū)的東北部、東南部以及西南部，其他地區(qū)的少數(shù)井中裂縫僅零星分布；砂巖裂縫展布優(yōu)勢方位主要為北東東向，次為北北西向(圖4)。

圖4 樊學油區(qū)長81-長82裂縫性砂巖厚度、裂縫展布方位及斷裂疊合圖

3 砂巖裂縫發(fā)育控制因素

鄂爾多斯盆地延長組不同層段均發(fā)育裂縫，表明大規(guī)模裂縫體系可能與統(tǒng)一構造應力場的作用有關，并且其裂縫發(fā)育程度受盆地構造應力場、砂體厚度、巖層組合等因素綜合影響。同時，不同時期的構造應力場控制裂縫的組系、產(chǎn)狀、力學性質(zhì)和展布特征(高金棟等，2018)。

3.1 盆地構造應力場與砂巖裂縫展布

前人通過對盆地周緣出露地層的大型及小型雁行狀、X共軛狀節(jié)理的構造解析，認為延長組儲層裂縫體系與盆地的基底斷裂以及其中新生代以來的構造活動有關(見圖4)(趙文智等，2003；汪澤成等，2005；邸領軍，2006；梁曉偉等，2009；馬潤勇等，2009；董敏等，2019)。

三疊紀以來，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了多期區(qū)域構造應力作用(徐黎明等，2006)。中生代晚期的燕山運動在盆地內(nèi)派生了北西-南東向的擠壓應力場，使研究區(qū)北東向基底斷裂被激活，延長組地層中北東東向與北西向裂縫大量發(fā)育(見圖5)。喜山期受來自西南方向青藏高原隆升的側向擠壓，盆地內(nèi)北西向基底斷裂重新活動，形成北北西向與北東向裂縫(見圖5)。

圖5 姬塬-元城地區(qū)燕山、喜山期構造裂縫與最大主應力優(yōu)勢方位關系圖(據(jù)高金棟等，2018)

綜合鄂爾多斯盆地的航磁、重力、大地電磁、衛(wèi)星照片以及盆地構造演化等多種資料(趙希剛，2006；李明和高建榮，2010；劉震等，2013)，樊學油區(qū)處于2條北東向斷裂及3條北西向斷裂控制范圍內(nèi)(見圖4)，該區(qū)長8儲集層北東東向和北北西向砂巖裂縫比較發(fā)育，裂縫的形成受燕山期、喜山期兩期構造運動的綜合影響(王金月等，2016)。

3.2 砂體厚度對裂縫的影響

砂巖厚度與裂縫線密度呈負相關關系，即砂巖厚度越薄越容易產(chǎn)生構造裂縫(戴俊生等，2011)。當砂體厚度較薄時，巖石粒度較細，裂縫發(fā)育程度較高；當砂體單層厚度較大時，巖石粒度也較粗，裂縫相對不發(fā)育。

利用自然伽馬曲線對長8儲層粒度進行表征，同時把常規(guī)測井識別的裂縫加載到研究區(qū)，構建砂巖裂縫空間展布透視圖。如圖6所示，色標由紫色至紅色，表征巖石粒度逐漸變粗。砂巖裂縫發(fā)育程度與砂體厚度具有一定的關系，砂巖裂縫主要分布在砂泥巖互層中，厚層砂體中裂縫相對不發(fā)育。

3.3 巖層組合對裂縫的影響

在相同受力條件下，脆性的砂巖地層比塑性較強的泥巖地層更容易產(chǎn)生裂縫，構造裂縫首先在砂巖中產(chǎn)生并逐漸向泥巖擴展形成裂縫網(wǎng)絡。單層砂巖或泥巖的厚度越小，裂縫越發(fā)育(王珂等，2013；商琳等，2015)。研究區(qū)成像測井中往往可以見到切穿多層砂泥巖薄互層的裂縫(見圖2c)，砂巖裂縫空間展布透視圖中也可看到砂泥巖互層中裂縫發(fā)育程度較高(見圖6)，因而砂泥巖薄互層更容易產(chǎn)生穿層裂縫，從而溝通上下砂巖層，形成連續(xù)的油氣儲集空間。

圖6 樊學油區(qū)長8砂巖裂縫空間分布透視圖(從南方向俯視)

4 裂縫對生產(chǎn)開發(fā)的影響

有效的裂縫系統(tǒng)可作為良好滲流通道溝通儲集層與生產(chǎn)井，影響生產(chǎn)井的產(chǎn)量(Lorenz et al.,2002)，裂縫體系對儲層改造中的壓裂、注水等增產(chǎn)措施也十分重要。通過對比分析研究區(qū)內(nèi)裂縫較發(fā)育地區(qū)和裂縫不發(fā)育地區(qū)生產(chǎn)井產(chǎn)量曲線，發(fā)現(xiàn)裂縫較發(fā)育地區(qū)油井具有初期產(chǎn)量高、產(chǎn)量遞減快的特點(圖7)，裂縫不發(fā)育地區(qū)油井相對穩(wěn)產(chǎn)，但產(chǎn)量較低(圖8)。

圖7 裂縫發(fā)育區(qū)典型井D4103-7生產(chǎn)曲線

圖8 裂縫不發(fā)育區(qū)典型井D4100生產(chǎn)曲線

由于沿裂縫方向滲透率和傳導能力強，容易形成方向性水竄。裂縫發(fā)育區(qū)需要嚴格控制注水壓力和注水強度，防止注入水沿裂縫竄進。根據(jù)裂縫優(yōu)勢展布方向選擇合適的注采井網(wǎng)，可通過適當放大裂縫延伸方向井距來延緩角井見水時間，對于暴性水淹油井后期可以轉(zhuǎn)為注水井。采用縮小注采排距的方式來增大注入水波及面積，在經(jīng)濟允許的情況下，可通過加密井網(wǎng)的方式來縮短排距，提高裂縫側向油井的受效程度(劉子良等，2003)。

5 結論

(1)樊學油區(qū)長8砂巖主要發(fā)育垂直和高角度構造縫，裂縫以未充填居多。砂巖裂縫主要分布于樊學油區(qū)的東北部、東南部和西南部，裂縫展布的優(yōu)勢方位為北東-南西向和北西-南東向。

(2)研究區(qū)砂巖裂縫的發(fā)育受盆地構造應力場、砂體厚度以及巖層組合等因素的綜合影響，多發(fā)育小規(guī)模的砂泥巖薄互層裂縫，巖心和成像資料中少見延伸長度大于2 m的較大規(guī)模裂縫，可知樊學油區(qū)整體處于弱構造變形區(qū)域。

(3)樊學油區(qū)裂縫發(fā)育地區(qū)油井具有初期產(chǎn)量高、產(chǎn)量遞減快的特點。在實際生產(chǎn)開發(fā)中，要根據(jù)裂縫優(yōu)勢展布方位選擇合適的注采井網(wǎng)，盡量采用大井距、小排距的方式來提高裂縫側向油井的水驅(qū)效率。