鄂爾多斯盆地長6-長7段致密砂巖巖心裂縫評價標準及應用

牛小兵 , 侯貴廷, 張居增 , 馮勝斌 , 趙文韜, 尤 源 ,鞠 瑋, 王 芳 , 張 鵬

(1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室, 陜西 西安 710018; 2.長慶油田分公司 勘探開發研究院,陜西 西安 710018; 3.教育部造山帶與地殼演化重點實驗室, 北京大學 地球與空間科學學院, 北京 100871)

0 引 言

致密砂巖是指低孔隙度低滲透率的砂巖, 通常指孔隙度小于 10%且覆壓滲透率小于 0.1 mD(鄒才能, 2013)。致密砂巖油氣是指富集在致密砂巖內的石油和天然氣, 通常無自然產能, 需要通過人工壓裂技術才能產出具有經濟價值的石油和天然氣。一般以巖性圈閉和水封型圈閉為主, 無明顯的油水界面, 分布范圍大, 豐度低, 產能低(付金華等, 2005;楊華等, 2007; 鄒才能, 2013)。以鄂爾多斯盆地等為代表的中國致密油氣儲層由于屬于陸相沉積, 非均質性強, 裂縫分布復雜, 因此構造裂縫發育程度的評價至關重要(付金華等, 2005; 楊華等, 2007)。

在構造裂縫評價方面, 已有國內外許多學者對野外和巖心裂縫開展過研究(Murray, 1968; 范高爾夫-拉特, 1989; Henk and Nemcok, 2008)。利用常規測井曲線進行巖性和裂縫識別與評價(Bremer, 1999;Bourlange et al., 2003), 并利用人工智能網絡技術對儲層裂縫開展研究(Barton, 1998)。在裂縫的測井響應方面, 根據巖心和成像資料建立常規測井曲線相應模式, 指導非取心井和非取心段儲層的裂縫評價(曾聯波等, 2007)。前人從野外裂縫統計、巖心觀察統計和測井的裂縫解釋與統計多方面開展了裂縫評價研究(侯貴廷, 1994; 周新桂等, 2003; 曾聯波等,2007, 2008; 張慶蓮等, 2010; 鞠瑋等, 2011; 李樂等,2011; 孟慶峰等, 2011; 張鵬等, 2011), 并在裂縫形成機制和構造裂縫發育的影響因素等方面開展了有益的探索(丁中一等, 1998; 童亨茂等, 2010; 董有浦等, 2013; 鞠瑋等, 2013; 趙文韜等, 2013)。這些研究工作都為致密砂巖儲層裂縫發育程度的評價奠定了基礎。

在裂縫發育程度的定量評價過程中, 一定會涉及到評價標準問題, 即衡量裂縫發育程度高低或強弱的指標問題。前人針對具體問題相繼提出了一系列裂縫發育程度的評價標準。例如: 范高爾夫-拉特(1989)首先通過裂縫強度分級開展了構造裂縫發育程度的評價研究(表1)。

所謂裂縫強度, 就是反映裂縫發育程度與層厚之間關系的一種參數, 指裂縫頻率與巖層厚度頻率的比值, 為無量綱, 這里的裂縫頻率即裂縫密度,厚度頻率是裂縫切穿某厚度巖層的數目與層厚的比值, 因此, 構造裂縫的面密度越大, 穿層的厚度越大, 構造裂縫的強度就越大。因該評價標準要考慮到裂縫切穿地層的厚度, 不適合巖心裂縫的評價。

袁士義等(2004)和王現華(2007)提出利用裂縫長度和開度分級開展裂縫發育程度的評價(表2和表3)。所謂裂縫開度, 就是裂縫的張開度或寬度, 由裂縫壁之間的距離來表示, 單位通常用毫米(mm), 多數介于0~5 mm。開度大于0.1 mm為宏觀裂縫, 開度小于0.1 mm為微裂縫。巖心庫里測量到的裂縫開度是巖心取到地表已脫離地層應力環境的開放裂縫,所以巖心裂縫的開度不真實, 僅供參考。

裂縫長度的評價包括評價裂縫的橫向延伸和縱向切割地層厚度兩個方面。在巖層露頭區可統計橫向延伸長度, 地下微小裂縫縱向切割地層厚度可在巖心觀測時獲得, 但巖心保留的裂縫長度多數為大裂縫的一小部分, 因此裂縫長度作為巖心裂縫發育程度的評價指標是不全面的。

周新桂等(2003, 2008, 2009)根據構造裂縫的線密度高低分布范圍, 提出鄂爾多斯盆地沿河灣地區致密砂巖裂縫發育程度的評價指標, 分為發育區、次發育區和弱發育區, 比單純利用裂縫長度評價裂縫發育程度更前進了一步。這為平面空間上分析裂縫發育程度的分布規律提供了定量分析的途徑, 具有重要的指示意義(表4)。

表1 裂縫強度分級及其標準(范高爾夫-拉特, 1989)Table 1 Division of fracture strength and standard

表2 裂縫開度級別及其標準(王現華, 2007)Table 2 Division of fracture open and standard

表3 裂縫長度級別及其標準(袁士義等, 2004)Table 3 Division of fracture length and standard

表4 鄂爾多斯盆地沿河灣地區裂縫發育程度劃分(周新桂等, 2009)Table 4 Division of fracture development in the Yanhe area, Ordos basin

前人根據不同地區裂縫發育特征和評價參數,提出裂縫發育程度的不同評價方案或標準。但存在一些問題需要考慮, 一方面要注意到任何一個評價方案或標準都不是放之四海而皆準的, 是有地域性和相對性的, 只要這個評價方案或標準能有效地劃分出該地區裂縫發育程度的差異性就是合理的; 另一方面要注意裂縫發育程度需要多種參數綜合評價,包括裂縫的方向、密度、開度和有效性(充填性), 其中裂縫密度是最重要的定量評價裂縫發育程度的參數。裂縫密度包括線密度、面密度和體密度, 但線密度相對比面密度和體密度有較大的失真。

地球膨脹論巧妙地解決了大陸拼圖的問題，但是隨著時間的推移，又引發了許多其他問題。最明顯的是對于膨脹究竟是如何發生的，沒有人能夠給出一個切合實際的解釋。

1 基于巖心裂縫面密度的裂縫發育程度評價標準

本文主要目的是基于巖心的有效裂縫的面密度測量, 盡量真實地反映構造裂縫發育程度和分布規律, 嘗試提出以裂縫的面密度為基礎的鄂爾多斯盆地湖盆中央區的裂縫發育程度評價標準, 并對該區主要取心井的巖心構造裂縫從裂縫面密度、開度、傾角、充填程度和充填物成分五個方面開展綜合評價, 并開展了連井剖面的裂縫發育程度橫向對比工作, 最后根據巖心裂縫面密度的評價標準對本區開展了裂縫發育程度的平面空間分布規律分析。

(1) 裂縫密度: 裂縫密度是反映裂縫發育程度的量, 包括線密度、面密度和體密度三種, 單位均為m–1。

線密度(fl)是與某測量線段相正交的裂縫的數目(N)與此線段長度(L)的比值, 用fl表示。fl=N/L

面密度(fs)是某測量截面上所有裂縫的長度之和(Σln)與測量截面面積(S)的比值, 用fs表示。fs=Σln/S

體密度(fv)是某測量體積內所有裂縫表面積之和(ΣSn)與測量體體積(V)的比值, 用fv表示。fv=ΣSn/V

其中, 體密度最能夠真實地反映裂縫密度, 即反映裂縫的發育程度, 但體密度很難測量; 線密度最容易測量, 但不能完全反映裂縫的發育程度; 相對而言,面密度既容易測量, 又能較真實地反映裂縫的發育程度。本文的裂縫密度全部采用面密度來表示。

(2) 裂縫開度(d): 就是裂縫的張開度或寬度,由裂縫壁之間的距離來表示, 單位通常用毫米(mm),多數介于0~5 mm。

(3) 裂縫的充填性: 包括完全充填、半充填和未充填三種情況。完全充填的裂縫為無效裂縫。只有未充填和半充填的裂縫為有效裂縫。本區的構造裂縫絕大多數為有效裂縫, 我們進行裂縫評價時使用的裂縫面密度也是有效裂縫的面密度。裂縫的充填物主要指裂縫充填物的成分, 如: 方解石充填、泥質充填和鐵質充填等。

以上的裂縫表征內容是裂縫綜合評價的主要工作, 在取心井的裂縫綜合評價過程中, 我們全面考慮了裂縫的傾角、面密度、開度、充填程度和充填物成分。為了快速有效地定量開展裂縫發育程度的評價, 在裂縫發育程度的平面分布評價過程中,我們選擇裂縫的面密度作為裂縫評價的主要指標。裂縫的評價標準在不同地區有所不同, 不能用統一的評價標準去評價不同地區的裂縫發育程度, 因為不同地區裂縫發育程度差異很大, 而且勘探開發時對裂縫發育程度的要求也不一樣, 例如: 在某地區認為未達到高裂縫密度標準的裂縫發育程度, 在另一個地區可能就是較高的裂縫發育程度, 因此, 建立裂縫發育程度的評價標準關鍵是要具體地區具體分析。只要這個評價標準能夠有效地判別出該地區不同區域的裂縫發育程度的差異性就是合理的評價標準。

圖1 鄂爾多斯盆地的區域構造位置Fig.1 Tectonic location of the Ordos basin

鄂爾多斯盆地的致密油主要儲集在三疊系延長組長6段-長7段, 是裂縫評價的重要目的層。需要我們根據鄂爾多斯盆地延長組長6段-長7段巖心裂縫發育程度的整體情況, 提出一個針對鄂爾多斯盆地延長組長6段-長7段的巖心裂縫評價標準, 以利于開展鄂爾多斯盆地延長組巖心裂縫發育程度的分級和評價。

根據鄂爾多斯盆地 107口取心井的延長組長 6段-長7段巖心(共120塊)的裂縫測量統計, 結果表明該區絕大多數巖心有效裂縫的面密度介于 0和 2之間, 其中多數介于0.1~0.5之間。根據巖心裂縫面密度分布區間的正態分布情況(圖2), 我們在巖心統計基礎上建立了研究區長6段-長7段巖心構造裂縫評價標準(表5)。裂縫發育程度評級根據前面提出的裂縫綜合評價標準分為五級, 主要依據每個采心段巖心的構造裂縫加權面密度來確定, 由高至低依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。Ⅰ級用紫色標示, Ⅱ級用橙色標示, Ⅲ級用黃色標示, Ⅳ級用淺綠色標示, Ⅴ級用淺藍色標示(表5)。

鄂爾多斯盆地延長組的長6段-長7段單井構造裂縫評價主要是先通過對巖心段構造裂縫進行評價,得出巖心段構造裂縫發育時測井曲線的特征, 然后根據這些特征來推測非巖心段構造裂縫發育的情況,其中在這些測井曲線中主要參考裂縫孔隙度曲線的值, 但可靠程度不如巖心實測裂縫密度真實, 所以測井獲得的裂縫孔隙度曲線僅供參考?；趲r心的構造裂縫測量統計和測井資料的分析, 編制單井構造裂縫綜合評價柱狀圖是從垂向上和平面上綜合評價研究區構造裂縫的基礎工作, 對于探討研究區構造裂縫的分布規律, 約束以后將開展的利用有限元數值模擬預測裂縫發育程度具有重要意義。

圖2 鄂爾多斯盆地延長組長6段-長7段巖心有效裂縫面密度分布區間Fig.2 Distribution of fracture density of Chang 6 and 7 series of Yanchang Formation in the Ordos basin

表 5 鄂爾多斯盆地延長組巖心有效裂縫發育程度評價標準Table 5 Assessment criteria of structural fractures in the Yanchang Formation cores in the Ordos basin

通過鄂爾多斯盆地中心湖區107口井巖心裂縫測量統計分析, 結合裂縫孔隙度曲線, 開展裂縫發育程度的綜合評價工作, 包括: 裂縫的面密度、裂縫加權面密度、充填程度、充填物類型、構造裂縫傾角、巖心照片、顯微照片或成像測井照片和裂縫發育程度評級, 編制了107口井的長6-長7巖心構造裂縫綜合評價柱狀圖, 例如其中的H47井(圖3)。以陜北地區H47井延長組長72段2509~2519 m為例,巖性主要為粉砂巖-細砂巖, 加權裂縫面密度為0.16 m–1,為Ⅲ級構造裂縫發育帶, 并且裂縫孔隙度曲線值較高, 平均0.02%, 密度測井值中等, 平均2.50 g/cm3,大部分測井曲線的裂縫響應特征表明構造裂縫中等發育, 與巖心測量結果一致(圖3)。裂縫發育段在不同深度呈現脈沖式分布, 總體上巖心段的裂縫面密度較低, 巖心裂縫大多數以未充填為主, 而少部分充填裂縫的充填物以方解石為主。以高角度裂縫為主, 傾角均大于75°。該組構造裂縫孔隙度相對集中在 0.01%~0.03%, 最大為 0.28%, 裂縫發育程度較低。砂巖夾泥巖和砂巖段整體發育裂縫, 而該段中泥巖段和碳質頁巖段整體不發育裂縫, 裂縫發育級別大部分為IV-V級, 發育程度低。

2 鄂爾多斯盆地長6-長7段取心井有效構造裂縫的連井綜合評價

鄂爾多斯盆地的致密砂巖主要分布在鄂爾多斯盆地的湖盆中心, 主要致密砂巖層為延長組的長6段和長7段。長6-長7期湖盆中心發育大規模塊體搬運沉積體系和砂質碎屑流含油砂體, 具有低孔低滲特征(付金華等, 2005; 楊華等, 2007)。構造裂縫是湖盆中心油氣運移的通道, 也是長6-長7段的致密油氣儲集空間, 但在橫向上該區的構造裂縫發育程度有明顯的非均質性分布特點。

GR. 自然伽馬測井曲線; SP. 自然電位測井曲線; CAL. 井徑曲線; RILD. 深感應電阻率測井曲線; RLL8. 八側向電阻率測井曲線; DEN. 密度測井曲線; CNL. 井壁中子測井曲線; AC. 聲波時差測井曲線。

圖3 鄂爾多斯盆地H47井長72段有效構造裂縫評價的綜合柱狀圖
Fig.3 Assessment columns of structural fractures of Member 72of H47 well in the Ordos basin

通過裂縫綜合評價柱狀圖的連井對比, 可以分析橫向上裂縫發育程度的差異性。以隴東地區T14-Z47-Z186-Z200-Z148-Z124-N57的長 63段裂縫綜合評價連井剖面(圖4)為例, 僅T14井的長63段上部致密砂巖發育I級裂縫發育段, 而Z186井和Z124井的長63段致密砂巖相對不發育裂縫, 僅發育III、IV和V級的裂縫。其他井發育II級裂縫段, 主要發育在長 63段的中下段致密砂巖內?？梢? 鄂爾多斯盆地致密砂巖發育裂縫程度在橫向上和縱向上均具有非均質性和區域差異性。

3 鄂爾多斯盆地長 7段有效裂縫面密度的平面分布規律

鄂爾多斯盆地湖盆中心是長 7段致密砂巖主要分布區(重點包括長71段和長72段)。作者在該區均勻選擇了含長 71段和長 72段的 107口重點取心井,開展了詳細的巖心構造裂縫觀察測量和統計, 為全面了解鄂爾多斯盆地湖盆中心長 7段致密砂巖構造裂縫的平面分布規律奠定了數據基礎。

(1) 鄂爾多斯盆地的隴東地區長 71段巖心構造裂縫面密度最大的為Z186井, 其裂縫面密度為0.34 m–1,其次為B12井和Z78井, 裂縫面密度分別為0.32 m–1和 0.20 m–1。就整體而言, 長 71段在隴東地區的東部和東南部以及慶陽附近的裂縫密度較大, 而其他地區裂縫密度較小(圖5a)。

鄂爾多斯盆地陜北地區長71段巖心構造裂縫面密度最大的為 Xi42井, 其裂縫面密度為 0.14 m–1,其次為A105井和G91井, 裂縫面密度分別為0.07 m–1和 0.06 m–1。就整體而言, 長 71段在陜北地區的東北部裂縫密度較大, 而西南部裂縫密度較小(圖5b)。裂縫面密度分布的形態與巖性和層厚的差異性可能有一定的關系, 這有待進一步深入研究。

(2) 隴東地區長 72段巖心構造裂縫面密度最大的為B12井, 其裂縫面密度為0.92 m–1, 其次為Z78井和N51井, 裂縫面密度分別為0.46 m–1和0.39 m–1。就整體而言, 長 72段在隴東地區慶陽-慶城-合水之間以及 Z78和正寧附近的裂縫密度較大, 而隴東地區西部和北部的裂縫密度較小(圖5c)。

圖4 鄂爾多斯盆地湖盆中心長63段有效裂縫綜合評價的連井對比圖Fig.4 Linked assessment columns of fractures of Member 63 in the central Ordos basin

陜北地區長72段巖心構造裂縫面密度最大的為Lu250井, 其裂縫面密度為0.27 m–1, 其次為Hu186井和Hu231井, 裂縫面密度分別為0.10 m–1和0.09 m–1。就整體而言, 長 72段在陜北的西部裂縫密度較大,其次是吳起地區西北部裂縫密度局部較大, 而其他地區裂縫密度很小(圖5d)。

總之, 鄂爾多斯盆地湖盆中心因構造作用很弱,在三疊紀長期處于穩定湖盆沉積環境, 延長組長 6和長7段致密砂巖的構造裂縫密度整體較低。雖然整體上裂縫密度不高, 但裂縫發育程度相對較高的帶(圖 5的橙紅色區)對于湖盆中心地區致密砂巖的油氣運移仍是必不可少的, 具有重要意義。

4 結 論

綜上所述, 基于巖心裂縫測量統計和測井解釋開展構造裂縫發育程度的綜合評價, 可以從縱向上和橫向上了解致密砂巖構造裂縫發育的差異性和各向異性。

不同地區構造裂縫發育程度的評價標準是不同的。裂縫的面密度作為裂縫分級評價的重要指標,可以快速有效地評價研究區裂縫發育程度的平面分布差異性和規律。本文基于120塊巖心的裂縫面密度測量和統計分析, 建立了針對鄂爾多斯盆地湖盆中心長6-長7段致密砂巖的構造裂縫評價標準, 共分五個級別: (Ⅰ極高)、(Ⅱ較高)、(Ⅲ中等)、(Ⅳ較低)、Ⅴ級(極低)。

圖5 鄂爾多斯盆地湖盆中心長7段巖心有效裂縫密度等值線圖Fig.5 Isogram of fracture density of Member 7 in the central Ordos basin

通過裂縫綜合評價柱狀圖的連井對比, 鄂爾多斯盆地湖盆中心在平面上裂縫發育程度存在明顯的差異性。長71段在隴東地區的東部和東南部以及慶陽附近的裂縫密度較大, 而其他地區裂縫密度較小。長71段在陜北地區的東北部裂縫密度較大, 而西南部裂縫密度較小。長 72段在隴東地區慶陽-慶城-合水之間以及Z78井和正寧附近的裂縫密度較大, 而隴東地區西部和北部的裂縫密度較小。長72段在陜北的西部裂縫密度較大, 其次是吳起地區西北部裂縫密度局部較大, 而其他地區裂縫密度很小。

鄂爾多斯盆地湖盆中心構造裂縫發育程度的差異性可能與區域構造應力場有關, 也可能與砂體厚度、砂地比及其形態有關, 其形成機制需要進一步開展深入的研究。

致謝: 感謝中國地質調查局油氣資源調查中心周新桂研究員和中國石油大學(北京)童亨茂教授評審論文并提出寶貴修改意見。

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