馬嶺油田長7致密油儲層裂縫特征及分布規律

趙國璽　劉浩宇　張瀚丹　何小娟

（1．中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院　陜西　西安　710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室　陜西　西安　710018；3.長慶油田第四采油廠　陜西　靖邊　718500）

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馬嶺油田長7致密油儲層裂縫特征及分布規律

趙國璽1,2劉浩宇3張瀚丹1,2何小娟1,2

（1．中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院陜西西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室陜西西安710018；3.長慶油田第四采油廠陜西靖邊718500）

摘要本文通過地質露頭及巖心觀察、巖石聲發射實驗、古地磁裂縫定向，巖石壓縮實驗、差應變實驗、波速各向異性實驗等方法,對馬嶺油田長7儲層裂縫開展定性和定量研究。確定馬嶺長7儲層主要發育層理縫、張性縫、壓扭縫、張扭縫。裂縫發育優勢方位為NEE向和NNW向。應用數值模擬方法開展裂縫定量預測，劃分了裂縫相對發育區、次發育區和不發育區,為今后馬嶺油田長7致密油制定規模開發技術政策提供了地質依據。

關鍵詞馬嶺油田；長7致密油；裂縫特征；裂縫分布規律

1　引言

近年來致密油逐漸成為全世界非常規油氣勘探開發的新熱點[1～4]。美國、加拿大、澳大利亞等國家都已經對致密油進行了大規模商業開發[5～7]。中國的致密油氣資源很豐富，目前還處于堪探開發試驗階段[8～9]。根據勘探開發實際，長慶油田將空氣滲透率小于0.3mD的儲層稱為致密儲層，賦存于其中的石油稱為致密油，主要分布于鄂爾多斯盆地長7儲層[10]。

馬嶺油田長7儲層空氣滲透率0.19mD，屬于典型的致密油儲層，室內試驗和現場實踐證實馬嶺油田長7儲層孔喉細微，物性差，但天然裂縫普遍較發育。天然裂縫發育特征及分布規律是影響單井產量的主要因素之一。天然裂縫特征及分布規律的研究對于認識油氣成藏機理、制定開發技術政策及儲層壓裂工藝等方面均具有重要意義。

2　長7致密油儲層裂縫特征

2.1裂縫發育特征參數

根據野外露頭及室內巖心觀察，馬嶺油田長7儲層裂縫根據產狀和形成機理可劃分為4種類型。包括高角度張扭縫、壓扭縫，低角度張性縫、層理縫和滑脫縫。

研究區46口井長7目的層段開展巖心觀察，其中41口井觀察到不同程度的宏觀裂縫發育，裂縫鉆遇率達89.1%。觀測到的各類裂縫總計1080條。其中，高角度壓扭縫鉆遇率最高為60.87%，張扭縫鉆遇率為34.78%，低角度張性縫鉆遇率為43.48%，層理縫鉆遇率為36.96%（圖1）。

圖1　馬嶺油田長7儲層裂縫類型分布圖

在高角度裂縫中有75%被方解石充填。所有46口井巖心裂縫中，有39口井發現油跡，所占比例為84.8%。所有類型的裂縫均有可能成為油氣運移通道。

2.2儲層構造裂縫優勢方位

圖2　馬嶺油田長7儲層巖石密度等值線

鄂爾多斯盆地中生界構造裂縫主要形成于晚中生代燕山期構造運動[11]。根據野外露頭觀察，延長組長7段砂巖構造裂縫大多成組出現，主要為未穿層裂縫，共軛裂縫近于垂直地層層面分布，主要發育NEE向和NNW向兩組裂縫，次發育NE向裂縫，裂縫產狀穩定，延伸較遠，為區域性裂縫。

表1　馬嶺油田長7儲層力學模型巖石力學參數選擇

圖3　格里非斯張破裂擴展方向示意圖

圖4　巖石剪切破裂分析圖（a-莫爾圓；b-剪切破裂）

圖5　馬嶺油田長7裂縫有利區預測圖

根據馬嶺油田22口井長7儲層巖芯裂縫古地磁定向結果，壓扭縫走向分為NEE (60.6°～79.9°)和NWW(96.7°～123°)兩組，具有較為明顯的共軛特征；張扭縫主要為近EW向（81°～88.5°），近似為共軛壓扭縫的平分線。與相似露頭區裂縫系統優勢方位一致。

3　構造裂縫分布定量預測

致密油儲層裂縫定量預測的關鍵是地質模型、力學模型和數學模型的建立[12]。

3.1地質模型建立

儲層巖石密度能較好的反映儲層的非均質性。因此，模擬對象的地質體用不同的巖石密度區帶來表示，并對不同的巖石密度區帶賦予不同的巖石力學參數。根據馬嶺油田130余口井密度解釋成果，建立了長7儲層構造裂縫預測地質模型（圖2）。

3.2力學模型建立

力學模型是將地質模型轉化為數值計算的關鍵，包括巖石力學參數的綜合選取，邊界力的作用方式、方向及邊界約束條件等[13]。

巖石力學參數的選取是根據馬嶺油田不同巖性巖石力學性質測量數據，萃取不同地區泥巖、砂巖端元參數，包括彈性模量、泊松比、巖石抗拉強度、內聚力和內摩擦角等參數。依據研究區地質模型巖石密度，參考實測數據，賦予不同地區不同巖石物理力學屬性(表1)。

研究區主要形變期燕山期應力場最大主壓方位由地層共軛配套節理和區域地層形變規律而得來。馬嶺油田燕山期水平投影方位為84°；相應最小主應力傾伏角近似于水平，其方位為174°，此次模擬σ1方向取值為84°。

根據研究區巖石差應變實驗結果，現今水平最大有效主應力方向約為76°，水平最小有效主應力方向約為166°。

根據聲發射法應力測試結果，裂縫發育期的水平最大有效主應力約44MPa，水平最小有效主應力約24MPa。現今水平最大有效主應力約27MPa，水平最小有效主應力約15Mpa。

在選取巖石力學參數確定應力場邊界條件的基礎上，建立了馬嶺油田長7致密油儲層的力學模型。

3.3數學模型建立

根據研究區長7儲層巖心裂縫觀察的力學性質既有張性，又有剪性，故有必要對這兩種裂縫發育和分布分別進行預測研究。在力學模型的基礎上，利用巖石破裂法[8]建立數學模型，定量預測構造裂縫分布規律。按照庫倫-摩爾準則[14]和格里菲斯準則[15]分別計算出剪破裂系數（R）、張破裂系數(η)。

（1）格里菲斯張破裂準則

根據格里菲斯張破裂準則,脆性物體的破壞是由內部存在裂隙決定的。巖石內存在很多微小裂隙，在裂隙的尖端存在應力集中，使裂隙擴展，以至破壞形成張裂縫（圖3）。

當σ1+3σ3≥0(壓應力為正,張應力為負) 時,判斷張破裂的格里菲斯準則的二維修正表達式如下：

式中:σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，σT為二維等效張應力。張破裂系數(η)表述為:

式中:σTC為巖石的張破裂強度,通過實驗確定。當η≥1時,發生張破裂。η值愈大,張裂縫愈發育。張裂縫的破裂方位可根據破裂面與σ1之間的夾角β來確定,表示為:

當（σ1+σ3）＜0時,σT=-σ3。這時張破裂方向與最大主應力σ1的方向一致。

（2）庫侖—莫爾剪破裂準則

根據庫侖—莫爾剪破裂準則，巖石的破裂主要是某一個面上發生的剪切破壞，這種剪切破壞與作用在該面上的正應力σN和剪應力τN的相對狀態有關。表達式為:

式中:σN為巖石破裂面的剪應力;C為巖石粘聚力,MPa;φ是巖石的內摩擦角,°,均由實驗測定。當某一面上的正應力σN和剪應力τN滿足關系式(5)時，該面上達到極限剪切平衡，開始發生剪破裂（圖4），形成共軛剪切面。

其方向可用破裂面的法線N與最大主應力σ1的夾角α來表示，兩組破裂面空間方位不同，發生在垂直于σ1-σ3組成的平面內，且最大主應力平分兩組剪破裂的夾角。破裂面與最大主應力的夾角α= （45°-φ/2）。式（5）可用主應力表示為：

R為剪破裂系數，反映剪破裂發育程度。R＜1時地層破裂不會發生，越接近1，巖石破裂可能性增大，當R＝1時，即巖石發生破裂；R＞1時，地層破裂可能性愈大，也就是說地層破裂的幾率愈大。同時，可以預測共軛剪破裂方位。

3.4構造裂縫分布定量預測

根據巖心裂縫統計和力學性質分析,馬嶺油田長7儲層中有效剪裂縫與有效張裂縫分別約占92.2%和7.8%。定義裂縫綜合評價指標(Fy)表達式：

然后根據裂縫綜合評價指標(Fy)對長7儲層裂縫發育情況進行綜合評價。一般而言,Fy愈大,裂縫發育幾率或發育程度愈大。

結合裂縫發育強度統計、裂縫發育方向和裂縫綜合評價指標，對馬嶺油田長7裂縫發育有利區進行預測（圖5）。

根據馬嶺油田長7的裂縫預測結果，大致以研究區的NW- SE向對角線為界，高角度裂縫發育區主要分布在NE半區塊，低角度裂縫發育區主要分布在SW半區塊；裂縫不發育區僅分布在西南角,局部地區也具有穿插分布的關系。

3　結論

（1）馬嶺油田長7致密油儲層露頭地層和巖心裂縫定量觀測表明,研究區長7段儲層主要發育NEE向和NNW向兩組裂縫，次發育NE向裂縫，裂縫產狀穩定，延伸較遠，為區域性裂縫。研究區裂縫類型包括高角度張扭縫、壓扭縫，低角度張性縫和層理縫。以高角度裂縫發育為主，鉆遇率84.6%。所有類型的裂縫均有可能成為油氣運移通道。

（2）以統計學研究為基礎,綜合巖石破裂法和能量法,以構造應力場數值模擬為橋梁,對馬嶺油田長7儲層構造裂縫特征和分布規律進行了系統研究,建立了長7儲層構造裂縫分布定量預測數學模型,合理預測了目的層裂縫相對發育區、次發育區和不發育區。陜西水利

參考文獻

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（責任編輯：暢妮）

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