蘇53區(qū)塊天然裂縫特征及對水壓致裂的影響

葉成林

（中國石油長城鉆探蘇里格氣田分公司，遼寧　盤錦　124010）

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蘇53區(qū)塊天然裂縫特征及對水壓致裂的影響

葉成林

（中國石油長城鉆探蘇里格氣田分公司，遼寧盤錦124010）

摘要蘇里格氣田屬于低滲透致密砂巖氣藏，目的層為上古生界二疊系的石盒子組和山西組，研究區(qū)蘇53區(qū)塊采取水平井整體開發(fā)。在開發(fā)過程中，天然裂縫對水平井開發(fā)的控制作用日趨凸顯。為了解蘇53區(qū)塊天然裂縫發(fā)育特征，進(jìn)一步指導(dǎo)區(qū)塊科學(xué)、高效開發(fā)，以巖心描述和薄片分析等常規(guī)方法對蘇53區(qū)塊天然裂縫發(fā)育情況進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)測井及巖心資料，運(yùn)用雙側(cè)向電阻率差異法對裂縫產(chǎn)狀進(jìn)行判斷，對微裂縫在水壓致裂的過程中起到的作用進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：①蘇里格氣田目的層天然裂縫以顯微構(gòu)造裂縫、晶間縫及顆粒間網(wǎng)狀縫等微裂縫為主；②微裂縫多為水平縫和斜交縫；③在后期壓裂改造過程中，微裂縫可以改善水壓致裂儲層物性，提高開發(fā)效果，同時(shí)也可能由于天然裂縫的引導(dǎo)而造成井間連通。

關(guān)鍵詞天然裂縫儲層改造致密氣藏蘇53區(qū)塊蘇里格氣田

修訂回稿日期：2016－01－25

0　引言

在油氣成藏和開發(fā)過程中，天然裂縫的發(fā)育特征及分布規(guī)律起到很重要的控制作用。有效裂縫可以為儲層提供油氣運(yùn)移通道和油氣儲集空間，更能有效提高油氣的產(chǎn)量［1］。目前，特低滲透油氣田在我國油氣資源中占有十分重要的地位，微裂縫發(fā)育特征對該類氣藏的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義［2］。蘇里格氣田是迄今國內(nèi)最大的致密砂巖氣藏［3］，蘇53區(qū)塊位于氣田的西北部，2010年率先在蘇里格地區(qū)實(shí)施水平井整體開發(fā)。對蘇53區(qū)塊目的層天然裂縫特征及其對儲層改造的影響進(jìn)行研究，有助于區(qū)域地質(zhì)研究、富集區(qū)優(yōu)選，同時(shí)對后期壓裂改造以及井網(wǎng)優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

1　天然裂縫特征

1.1巖心描述

本區(qū)宏觀構(gòu)造裂縫只在局部井段發(fā)育，構(gòu)造裂縫以低角度為主，少量高角度裂縫；砂巖儲層中構(gòu)造裂縫的力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為：砂巖儲層中主要發(fā)育張性、張扭性裂縫；縫內(nèi)充填物多以泥質(zhì)、炭質(zhì)、瀝青質(zhì)為主，一些早期裂縫被晚期方解石充填。如在蘇53-2井中的第3次取心第27塊巖心上見有10°左右的低角度水平縫，縫間被瀝青質(zhì)充填（圖1a）。第7次取心第44塊巖心（3 282.5 m），見有1條60°高角度裂縫、兩條近水平的低角度裂縫，縫間充填瀝青質(zhì)，裂縫開度為0～1 mm，延伸較短（圖1b）。第3次取心第54塊巖心上見多條近60°左右的高角度縫，裂縫開度較小，延伸距離短（圖1c）。第2次取心的第22塊灰黑色泥巖中發(fā)育水平縫，縫面附著瀝青質(zhì)，具階步及擦痕，為壓扭性裂縫，該地質(zhì)歷史時(shí)期曾有油氣等有機(jī)質(zhì)在該裂縫中運(yùn)移（圖1d）。

圖1　蘇53區(qū)塊巖心照片圖

依據(jù)蘇53區(qū)塊巖心觀察結(jié)果，認(rèn)為本區(qū)膠結(jié)致密的砂巖儲層中宏觀構(gòu)造裂縫相對不發(fā)育，在局部井段砂巖儲層中不同程度地發(fā)育張性、張剪性構(gòu)造裂縫，縫間被鈣質(zhì)、硅質(zhì)或?yàn)r青質(zhì)所充填。在黑色質(zhì)脆的泥巖中構(gòu)造裂縫的發(fā)育相對廣泛，存在常見中—高角度的壓扭性裂縫，鏡面光亮，斷階、階步和斜向釘頭擦痕，這反映出在地質(zhì)歷史時(shí)期，本區(qū)遭受壓性和扭性或張扭性構(gòu)造應(yīng)力場的聯(lián)合作用［4］。

1.2薄片分析

由顯微裂縫觀察結(jié)果可知，蘇里格地區(qū)儲層砂巖膠結(jié)致密，符合低滲透砂巖氣藏特征。由于微裂縫的存在及其分布的復(fù)雜性，使特低滲透油氣田開發(fā)較為困難，但因?yàn)闃?gòu)造裂縫的存在，使儲層基質(zhì)孔隙能夠連通，滲透性會因微裂縫的存在而大大提高。根據(jù)低滲透儲層裂縫在油氣田開發(fā)所起的作用，將縫寬小于100 μm，長度小于2 cm的裂縫稱為微裂縫［5］。蘇53區(qū)塊微裂縫主要有以下幾種類型（圖2）。

圖2　蘇53-2井巖心顯微裂縫特征圖

1）碎屑顆粒裂紋。礫徑較大的顆粒有機(jī)械碎裂現(xiàn)象，排列雜亂無章，長短不一，裂紋寬一至數(shù)十微米，發(fā)育方向不具有規(guī)律性，成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2）顯微構(gòu)造裂縫。顯微構(gòu)造裂縫是構(gòu)造應(yīng)力場作用下的產(chǎn)物，是地應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到巖石破裂強(qiáng)度條件下產(chǎn)生的，是巖石在構(gòu)造應(yīng)力作用下巖石的一種永久變形。經(jīng)蘇53-2巖石薄片的鑒定，砂巖儲層中發(fā)育 一定數(shù)量的顯微構(gòu)造裂縫，裂縫成張性或張扭性，成鋸齒狀，縫間無充填，平均寬度為12.5 μm，為有效裂縫，此類裂縫對儲層物性具有明顯的改善作用。

3）晶間縫和晶間溶蝕孔。礦物晶體解理面經(jīng)地下水的淋濾作用發(fā)生溶蝕，形成次生孔隙，這類微裂縫也可以在構(gòu)造裂縫的基礎(chǔ)上發(fā)生溶蝕，溶蝕孔縫擴(kuò)大的主要因素具體表現(xiàn)在儲層巖石的不穩(wěn)定組分，如長石、巖屑、方解石等礦物被酸性地下水淋濾，溶解下來的礦物質(zhì)被水溶解帶走，最后在原巖石顆粒內(nèi)部或其邊緣形成新的微觀溶蝕裂縫。

1.3應(yīng)用雙側(cè)向電阻率差異法判別裂縫產(chǎn)狀

1）判別原理

對于高角度裂縫，裂縫被鉆井液深侵，使深淺雙側(cè)向都只能探測到裂縫侵入?yún)^(qū)，雙側(cè)向電阻率都有所降低，但淺側(cè)向數(shù)值降低得更快，因此在曲線上呈現(xiàn)正差異，其差值的大小反映了裂縫的發(fā)育程度。對于低角度裂縫特征，雙側(cè)向電阻率呈現(xiàn)負(fù)差異特征。網(wǎng)狀裂縫響應(yīng)特征介于高、低角度裂縫之間［6］。

雖然雙側(cè)向測井方法不能提供準(zhǔn)確的裂縫傾角信息，但裂縫傾角在5°～10°的變化范圍內(nèi)，雙側(cè)向測井響應(yīng)的變化并不大，可近似看作定值。通過對雙側(cè)向測井響應(yīng)幅度差作一定變換，提出以下裂縫傾斜類型劃分方法。先將裂縫傾斜類型初步劃分為低角度裂縫、傾斜裂縫、高角度裂縫3種，不固定這3類裂縫傾角角度的范圍，而是結(jié)合蘇里格地區(qū)巖心和測井?dāng)?shù)據(jù)對范圍進(jìn)行調(diào)整。據(jù)此給出如下判斷裂縫產(chǎn)狀的數(shù)學(xué)模型［7］：

利用雙側(cè)向測井響應(yīng)判別裂縫的狀態(tài)Y公式：

式中，Rd和Rs分別為深、淺側(cè)向電阻率，Ω·m。

針對本地區(qū)裂縫的發(fā)育狀況，利用巖心和測井資料來標(biāo)定Y值的大小，通常情況下同一區(qū)塊可以選擇相同的劃分值。粗略地劃分為：當(dāng)Y大于0.2時(shí)，為高角度裂縫（75°～90°）；當(dāng)Y小于0時(shí)，為低角度裂縫（0°～15°）；當(dāng)Y大于0且小于0.2時(shí)，為傾斜裂縫（15°～75°）。

2）裂縫產(chǎn)狀與電阻率差異性質(zhì)的關(guān)系

裂縫產(chǎn)狀與深、淺雙側(cè)向的“差異”有著直接關(guān)系。高角度、垂直縫的雙側(cè)向差異明顯；斜交縫的雙側(cè)向差異不明顯；低角度縫、水平縫的雙側(cè)向?yàn)榈妥杓夥澹?］。蘇53區(qū)塊裂縫類型主要有3類：高角度縫（包括垂直縫）、水平縫和斜交縫。

（1）高角度縫。一般裂縫傾角為75°～90°，寬度不等。在直井蘇53-22井3 297.23～3 299.73 m、3 325.73～3 326.605 m、3 341.355～3 349.105 m、 3 353.605～3 354.23 m，Y均值分別為0.218、0.224、0.251、0.216（圖3）。雙側(cè)向幅度差較高達(dá)到18.919～88.962 Ω·m。在水平井蘇53-78-58H中3 422.575～3 452.45 m、3 899.575～3 919.45 m，Y均值分別為5.1、0.234，雙側(cè)向幅度差為0.004～21.675 Ω·m。高角度縫的雙側(cè)向測井在直井和水平井中均呈正差異。

圖3　蘇53-22井裂縫產(chǎn)狀指數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

（2）水平縫（或?qū)娱g縫）。一般小于15°，沿地層層理面發(fā)育。在直井蘇53-76-45井3 266.825～3 267.95 m、3 268.575～3 269.2 m、3 270.325～3270.575m井段，Y均值分別為-0.02943、-0.02809、-0.001 7，雙側(cè)向?yàn)樨?fù)差異，且差異幅度較小，一般為-2.521～-0.007 Ω·m；在水平井蘇53-78-58H 中3 370.95～3 422.45 m井段，Y均值為-0.343，雙側(cè)向?yàn)樨?fù)差異，且差異幅度較大，一般為-11.533～-1.031 Ω·m。

（3）斜交縫。一般裂縫傾角為15°～75°，這類裂縫也比較發(fā)育，常與高角度構(gòu)造縫伴生，雙側(cè)向差異較小和無差異。在蘇53-76-45井3 257.075～3 266.7 m、3 270.7～3 282.95 m、3 319.575～3 325.7 m井段，Y均值分別為0.100 7、0.109、0.104。水平井蘇53-78-58H在3 535.95～3 538.7 m、3 919.575～3 947.575 m井段，Y均值分別為0.184、0.146。

通過對蘇53井區(qū)直井及水平井裂縫產(chǎn)狀的定性判別，認(rèn)為研究區(qū)目的層裂縫以水平縫和斜交縫為主，高角度裂縫相對較少。

2　微裂縫對水壓致裂的影響

對于低滲透油氣藏，后期壓裂改造是單井增產(chǎn)增效的有效手段之一，目前蘇53區(qū)塊生產(chǎn)井投產(chǎn)前均進(jìn)行壓裂改造［9］。本次研究從巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，抓住巖石材料及其力學(xué)性質(zhì)的非均勻性，基于滲流力學(xué)方程和彈性損傷理論，建立了描述巖石破裂過程滲流—應(yīng)力耦合細(xì)觀數(shù)值模型，對天然裂縫在裂縫的連接延伸過程中所起到的作用進(jìn)行模擬。

數(shù)值模型如圖4所示，在井筒邊緣有1條長度為10 mm的天然預(yù)制裂縫，井筒的右側(cè)有兩條天然裂縫，長度為100 mm，天然裂紋入射傾角取90°。

圖4　含天然裂縫數(shù)值模型圖

模擬過程表明，在應(yīng)力積累階段時(shí)，井壁周圍的應(yīng)力不斷增加，裂紋尖端的應(yīng)力大于井壁周圍，周圍逐漸出現(xiàn)破裂單元。隨著水壓的增加，水力裂縫端部與天然裂縫溝通。根據(jù)裂縫的延伸原理，裂縫的實(shí)際延伸方向與產(chǎn)生最大拉伸應(yīng)力的方向垂直，該方向的剪切應(yīng)力為0，而天然裂縫正符合這個(gè)條件。因此當(dāng)水力裂縫的端部溝通天然裂縫時(shí)，水力裂縫優(yōu)先沿天然裂縫的賦存方向延伸，天然裂縫增大了水力壓裂裂縫的波及范圍。模擬結(jié)果表明，在天然裂縫的尖端處于剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力的高值部位，導(dǎo)致了兩條裂紋從尖端連接起來。存在天然裂縫的一側(cè)水壓裂縫與天然裂縫溝通，裂縫延伸距離較長，由于天然裂縫的引導(dǎo)，同時(shí)也阻礙了水力壓裂裂縫向其他方向的延伸（圖5）。

綜上所述，如果儲層存在微裂縫，經(jīng)過壓裂改造，天然裂縫的張開度會明顯變大，對提高儲層產(chǎn)量具有積極作用［10］，同時(shí)由于天然裂縫的引流作用，會導(dǎo)致水壓裂縫沿單一方向延伸，增加井間干擾的可能性。因此，在后期壓裂改造過程中，模擬微裂縫發(fā)育特征，根據(jù)模擬結(jié)果制定科學(xué)合理的壓裂改造方案，一方面提高單井動用儲量，同時(shí)也可以避免出現(xiàn)井間干擾，確保井網(wǎng)不受破壞。

圖5　天然裂縫變向作用示意圖

3　應(yīng)用效果分析

1）天然裂縫發(fā)育情況是選擇段內(nèi)多縫體積壓裂的前提條件［11］。段內(nèi)多縫體積壓裂時(shí)，人工裂縫與天然裂縫相互溝通，天然裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸，并在距井筒一定范圍內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)向或相互扭曲，隨著裂縫的延伸，并改變?nèi)斯ち芽p的傳播方向，產(chǎn)生多條次生裂縫，這些裂縫最終在垂直于最小水平主應(yīng)力方向形成一條主裂縫發(fā)育帶，并形成一定范圍內(nèi)體積壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)［12］。根據(jù)裂縫發(fā)育特征，2012年至今，共選擇20余口水平井開展段內(nèi)多縫體積壓裂。通過對比表明：體積壓裂比常規(guī)壓裂平均單井產(chǎn)量增加了1.5×104m3／d，儲量動用率提高了2.29%，采收率可提高2.22%左右。

2）根據(jù)天然裂縫分布優(yōu)化井網(wǎng)、井距。在蘇53-21井區(qū)砂體比較發(fā)育，且分布一定的天然裂縫，因此在該區(qū)域優(yōu)化井網(wǎng)井距，將原600 m×1 200 m井網(wǎng)優(yōu)化為800 m×1 200 m井網(wǎng)，共部署8口水平井，準(zhǔn)備下一步實(shí)施。

4　結(jié)論

1）巖心分析和薄片描述表明，蘇53區(qū)塊宏觀裂縫不發(fā)育，目的層天然裂縫主要以微裂縫為主，且主要以顯微構(gòu)造裂縫、晶間縫（晶間溶蝕孔）、顆粒間網(wǎng)狀縫等形式存在。

2）利用雙側(cè)向電阻率差異法對裂縫產(chǎn)狀進(jìn)行判斷，認(rèn)為蘇53區(qū)塊微裂縫以水平縫和斜交縫為主，高角度裂縫不發(fā)育。

3）模擬結(jié)果表明，致密砂巖氣藏微裂縫對后期壓裂改造具有雙重影響，因此根據(jù)不同區(qū)域裂縫發(fā)育情況，優(yōu)化儲層改造方案，對于提高蘇53區(qū)塊水平井開發(fā)效果具有重要意義。

4）根據(jù)天然裂縫發(fā)育分布，優(yōu)選水平井實(shí)施段內(nèi)多縫體積壓裂，實(shí)現(xiàn)了單井高產(chǎn)和提高采收率的目的；同時(shí)優(yōu)化區(qū)域井網(wǎng)井距，確保合理高效開發(fā)。

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（編輯：盧櫟羽）

作者簡介：葉成林（1982－），碩士，工程師，從事天然氣開發(fā)與管理工作。E-mail：chenglinessay@163.com。

基金項(xiàng)目：國家重大專項(xiàng)“低滲、特低滲油氣儲層相對高產(chǎn)富集區(qū)預(yù)測技術(shù)”（2011ZX05013-001）。

doi：10.3969／j.issn.2095-1132.2016.01.003

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-1132（2016）01-0008-04