蘇里格氣田上古生界裂縫特征及成因探討*

李進步，吳小寧，趙忠軍，李浮萍，王　龍，馮　敏，羅文琴

(1．中國石油長慶油田分公司 蘇里格氣田研究中心，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018；3.斯倫貝謝長和油田工程有限公司，陜西 西安 710018)

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蘇里格氣田上古生界裂縫特征及成因探討*

李進步1，2，吳小寧1，2，趙忠軍1，2，李浮萍1，2，王龍1，2，馮敏1，2，羅文琴3

(1．中國石油長慶油田分公司 蘇里格氣田研究中心，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018；3.斯倫貝謝長和油田工程有限公司，陜西 西安 710018)

為研究鄂爾多斯盆地蘇里格氣田上古生界烴源巖及儲集層中裂縫發(fā)育特征及成因機理，采用野外露頭、巖心、鑄體薄片及成像測井等資料，通過裂縫觀察與描述，對蘇里格氣田上古生界砂巖及泥巖中普遍發(fā)育的裂縫進行系統(tǒng)研究，總結了不同沉積結構巖石中裂縫發(fā)育特征及組合類型，并結合構造應力場背景及巖石力學性質，對裂縫形成機制進行了探討。研究表明裂縫在蘇里格氣田上古生界砂巖、泥巖中普遍發(fā)育，在泥質巖、層面結構發(fā)育的砂巖以及巖性界面處常發(fā)育平行層面裂縫，并伴有低角度斜向裂縫。在層面結構不發(fā)育、結構比較致密或均一的砂巖中主要發(fā)育近垂向裂縫。裂縫的形成受構造應力場與沉積巖結構共同控制，水平方向的構造擠壓與巖石層面平行是導致平行層面裂縫、低角度斜向裂縫形成的主要原因；剪切作用是導致厚層致密砂巖中形成近垂向裂縫的主要原因，此外盆地剝蝕作用對形成裂縫具有一定影響。 研究成果對天然氣輸導體系及成藏機理研究具有理論指導意義。

蘇里格；裂縫；分布特征；巖石結構；構造應力場；形成機制；鄂爾多斯盆地

2.NationalEngineeringLaboratoryforExplorationandDevelopmentofLowPermeabilityOilandGas，Xi’an710018，China；

3.SCPOilfieldServicesCo.,Ltd.，Xi’an710018，China)

0　引　言

蘇里格氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西北部，勘探面積 5.5×104km2，是發(fā)育在上古生界碎屑巖系中的大型致密砂巖巖性圈閉氣藏[1-2]。截止2015年底，氣田累計探明、基本探明地質儲量超過4萬億m3，是中國陸上最大的天然氣田，也是致密砂巖氣藏典型代表。氣藏烴源巖為上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組與山西組的煤和泥巖，主力含氣層段為二疊系石盒子組盒8段和山西組山1段[3-4]。前人通過對烴源巖空間分布、生烴強度以及儲層沉積微相、成巖作用等方面開展研究，在有效儲層控制因素及分布特征方面取得了大量認識，然而對氣藏烴源巖及致密砂巖儲層中普遍發(fā)育的裂縫尚未開展過系統(tǒng)研究[5-6]。

對于蘇里格氣田而言，開展裂縫發(fā)育特征及形成機制方面研究尤為重要。一方面在致密砂巖氣藏中，裂縫既是流體運移的主要通道，又是天然氣的儲集空間，它不僅控制著氣藏的分布特征，而且是氣藏開發(fā)方案研究的重點[7-8]。另一方面蘇里格氣田經過建產初期的直井/叢式井開發(fā)以及近年來水平井為主的開發(fā)，目前產能規(guī)模已經超過200億方/a，氣田開發(fā)由快速上產階段轉變?yōu)殚L期持續(xù)穩(wěn)產階段，該階段面臨的主要問題是如何提高氣田采收率，這對儲層精細描述提出了更高要求，因此開展裂縫發(fā)育特征及分布規(guī)律研究顯得尤為迫切。

裂縫的研究可追溯至20世紀60年代，美國西部白惡系儲層和中東油氣產層中發(fā)現(xiàn)天然裂縫后，國內外學者如Price，王仁等在構造、節(jié)理研究的基礎上，提出了具體的裂縫研究方法。20世紀70年代以來，國外許多學者對天然裂縫的成因、形成機理及分布預測方法做了大量研究工作，中國則是在開發(fā)玉門油田過程中發(fā)現(xiàn)了天然裂縫對注水的控制作用后開展了裂縫研究工作，目前對裂縫的研究主要集中于裂縫的成因機制、影響因素、類型劃分、識別與預測等方面[9-11]。

筆者通過大量野外露頭、巖心觀察、成像測井資料，并結合巖石薄片鏡下研究，首次對蘇里格氣田儲層及烴源巖中普遍發(fā)育的裂縫特征進行系統(tǒng)研究，總結了不同巖性中裂縫發(fā)育特征及組合類型；同時結合區(qū)域應力場及巖石力學性質分析，探討了沉積巖從松散沉積物到固結成巖演化過程中碎屑顆粒的變化及裂縫形成的機制。

1　裂縫類型劃分

前人根據不同的分類標準提出了多種裂縫分類方案[12-15]，如按照導致巖體破裂的地質因素將地層裂縫分為構造縫和非構造縫；按照引起構造裂縫的局部構造類型可以分為與斷層相關的裂縫、與褶皺相關的裂縫和與其它構造相關的裂縫；按照裂縫形成與盆地演化關系可將其分為盆地沉降過程中與垂向載荷增加相關的裂縫和盆地抬升過程中與垂向載荷減小相關的裂縫；按力學性質分為張性縫、剪性縫和張剪性縫等。

綜合前人研究成果，在對蘇里格氣田上古生界裂縫發(fā)育特征總體研究基礎上，按照裂縫規(guī)模大小將其分為宏觀縫和微觀縫，宏觀縫可以在巖心上直接觀察和描述，微觀縫則需借助顯微鏡來觀察研究。宏觀縫進一步以巖層層面為基準，按照裂縫產狀與巖層層面的空間關系，劃分為分平行層面縫、低角度斜向縫(與巖層層面的夾角一般小于45°)和近垂向縫(與巖層層面的夾角大于45°，一般大于70°)。微觀縫根據其發(fā)育特征與碎屑顆粒關系進一步分為粒內縫、粒緣縫和穿粒縫，具體情況見表1.

表1　蘇里格氣田上古生界裂縫綜合分類表

2　裂縫發(fā)育特征

裂縫發(fā)育特征描述一直是地質學家面臨的難點[16]，文中宏觀裂縫的研究借助于露頭觀察、巖心描述、測井資料等手段，微觀縫的研究則主要借助顯微鏡來觀察和描述，不同的識別方法從不同側面反映了裂縫的不同特性。

2.1宏觀裂縫發(fā)育特征

利用露頭信息可以揭示宏觀裂縫長度、開度、間距、方位、密度及裂縫網絡的相互連通性等特征[17]。文中對前人拍攝的鄂爾多斯盆地周緣21條石炭-二疊系地質剖面中200余張裂縫照片進行了詳細對比研究[18]，并重點選取盆地東緣呂梁招賢水、寧武紅土溝、保德橋頭、府谷、東勝吳四圪堵及西緣千里山、沙巴臺共計7條剖面進行裂縫實地考察(圖1)。

野外露頭中裂縫宏觀特征如下：①上古生界砂泥巖互層組合中裂縫普遍發(fā)育，不同巖性中裂縫發(fā)育程度及組合類型有所不同；②砂巖中以發(fā)育近垂直裂縫為主，常成對出現(xiàn)并相互交切，共同組成X型共軛剪節(jié)理，縫面平直光滑，可見裂縫切穿礫石而過的現(xiàn)象，裂縫傾角普遍大于70°；③泥巖及砂、泥巖接觸界面處常發(fā)育平行層面縫，裂縫延伸長度較大；④垂向縫主要在砂巖層內部發(fā)育，通常不穿層，平行層面縫與近垂向縫在空間上常組成“工”字型裂縫組合(圖2)。

2.2巖心中裂縫發(fā)育特征

巖心是來自井下地層最直接、最直觀、最真實的樣本，巖心觀察可以從總體上把握裂縫的發(fā)育情況，其結果可以作為裂縫研究的約束條件，因而長期以來一直是裂縫研究的基本方法。

本次研究

圖1　鄂爾多斯盆地地層分區(qū)及上古生界剖面位置圖Fig.1　Location of Upper Paleozoic stratigraphic section and stratigraphic division of Ordos Basin 1.準格爾旗黑岱溝石炭-二疊系剖面　2.府谷海則廟石炭-二疊系剖面　3.府谷天生橋-二疊系剖面　4.保德橋頭石炭-二疊系剖面　5.興縣關家崖石炭-二疊系剖面　6.寧武紅土溝奧陶-二疊系剖面　7.呂梁招賢水石炭-二疊系剖面　8.東勝吳四圪堵石炭-二疊系剖面　9.烏海千里山石炭-二疊系剖面　10.烏達石炭-二疊系剖面　11.惠農沙巴臺石炭-二疊系剖面　12.賀蘭蘇峪石炭-二疊系剖面　13.同心太陽山二疊系剖面　14.環(huán)縣石板溝奧陶-二疊系剖面　15.平涼二道溝-三道溝二疊系剖面　16.澄城三眼橋二疊系剖面　17.銅川軍臺嶺二疊系剖面　18.耀縣石川河二疊系剖面　19.淳化冶峪河石炭-二疊系剖面　20.麟游紫石崖-二疊系剖面　21.岐山后周公廟二疊系剖面 Ⅰ華北地層大區(qū)　Ⅰ2鄂爾多斯地層分區(qū)晉西地層小區(qū)鄂爾多斯西緣地層小區(qū)渭北地層小區(qū)鄂爾多斯本部地層分區(qū)鄂爾多斯南緣地層小區(qū)鄂爾多斯北緣地層小區(qū)　Ⅰ2阿拉善地層分區(qū)　Ⅰ3陰山地層分區(qū)　Ⅱ祁連-秦嶺地層大區(qū)　Ⅲ新疆北疆-興安嶺地層大區(qū)

圖2　露頭剖面裂縫發(fā)育特征Fig.2　Characteristics of fractures on outcrop section (a)惠農沙巴臺剖面盒8下裂縫發(fā)育特征 (b)府谷天生橋剖面盒8-山1裂縫發(fā)育特征 (c)寧武紅土溝剖面石盒子組泥巖裂縫特征 (d)烏海千里山剖面本溪組煤層裂縫特征

重點選取蘇里格氣田23口取心井作為研究對象，取心井位置分布在氣田中區(qū)、西區(qū)、東區(qū)及南區(qū)(圖1)，具有較好代表性。

圖3　巖心中裂縫發(fā)育特征Fig.3　Characteristics of fractures on cores (a)泥巖中平行層面縫Sd011-104井，石盒子組 (b)碳質泥巖中低角度斜向縫S47-2-42井，山西組 (c)砂巖中近垂直向縫(上：Z59井，石盒子組；下：SD011-104井，石盒子組)

巖心觀察表明：不同巖性中裂縫發(fā)育程度及類型具有明顯差異。砂巖中的裂縫主要有2種，一種為近垂直向縫，主要發(fā)育在巖石層面不發(fā)育、結構比較致密或均一的較厚層砂巖中，裂縫末端逐漸變細尖滅或截然終止于砂泥巖接觸界面處；另一種為平行層面縫，主要發(fā)育在薄層砂巖或砂泥

巖界面附近。泥巖及煤層中主要發(fā)育平行層面縫和低角度斜向縫，部分縫面具有明顯的滑移擦痕及鏡面特征，在原始沉積層理面發(fā)育的泥巖段中，巖心常被平行層面縫切為博餅狀(圖3)。

2.3電成像測井中裂縫發(fā)育特征

電成像測井是把地層巖性、物性的變化及裂縫、孔洞、層理等地層特征引起的電阻率變化，轉換成不同的色度，并把地層的特征通過圖像顯示出來。在有裂縫的地層中，由于泥漿侵入裂縫中，使得裂縫的電阻率明顯較圍巖低，在成像圖上顯示為暗色條紋，因此可以利用電成像資料進行裂縫識別。在成像測井圖上，近垂向縫表現(xiàn)為與井軸夾角很小甚至平行的黑色線條；低角度斜向縫表現(xiàn)為黑色正弦曲線[19]。文中通過對蘇里格氣田9口聲電成像測井資料的研究，砂、泥巖中裂縫發(fā)育特征與巖心觀察基本一致(圖4)。以sd23-69為例，該井測量井段2 652.0～3 033.0，所測地層包括石盒子組、山西組、太原組、本溪組，識別裂縫43條，其中砂巖中24條，近垂向縫為主；泥巖中4條，煤層中2條，砂泥巖接觸界面處13條，平行層面縫為主。

2.4微觀縫特征

微觀縫需借助顯微鏡來觀察和描述，其張開度通常小于50 μm，主要在20 μm以內。微觀縫的開度與孔喉直徑處于同一數量級，雖然其滲流作用不如宏觀縫，但它卻極大改善了儲層孔隙結構和滲流能力。根據蘇里格氣田微觀縫分布特征，可將其分為3種類型：粒內縫、顆粒邊緣縫和穿粒縫(表2)[20]。

表2　不同類型微裂縫發(fā)育特征

粒內縫主要為石英顆粒內部的裂縫和長石顆粒的解理縫(圖5(a))，主要在礦物顆粒內部發(fā)育，不切穿顆粒邊緣。顆粒邊緣縫主要發(fā)育在顆粒之間，沿著顆粒邊緣發(fā)育，其兩側的顆粒呈線性接觸(圖5(b))。粒內縫和粒緣縫的形成主要與強烈的壓實、壓溶和構造擠壓作用有關。粒內縫和粒緣縫的開度一般小于 10 μm，少數可達 20 μm.穿粒縫規(guī)模一般大于粒內縫與顆粒邊緣縫，其延伸較長，通常穿越數顆礦物顆粒(圖5(c))。微裂縫的發(fā)育使致密砂巖儲層基質粒間孔和粒內溶孔的連通性變好，增強了儲層滲流能力，有利于蘇里格致密砂巖氣藏的開發(fā)。

圖4　成像測井裂縫發(fā)育特征Fig.4　Characteristics of fractures on the imaging logging (a)Sd23-69井石盒子組2 686～2 696 m裂縫特征圖　(b)Sd23-69井石盒子組2 880～2 889 m裂縫特征圖

圖5　巖石薄片鏡下微觀縫發(fā)育特征Fig.5　Characteristics of micro-fractures on thin section (a)粒內縫，z75井，2 924.1 m，正交偏光，×10 (b)顆粒邊緣縫，z52井，2 733.4 m，單偏光，×4 (c)穿粒縫，z12井，3 082.1 m，單偏光，×10

3　裂縫成因分析

沉積巖中的裂縫是成巖過程中及固結成巖以后構造應力場與上覆巖層壓力作用于巖石自身的產物，其形成與構造應力場背景及沉積巖微觀結構密切相關。

3.1二疊紀以來構造應力場

根據前人構造解析成果，鄂爾多斯盆地二疊紀以來受印支、燕山及喜山構造運動影響，盆地主要受擠壓應力場作用[21]。印支期受羌塘-華南板塊與華北板塊的碰撞以及華南板塊向北運動產生的強大擠壓，盆地內部主要構造應力場為南北向的擠壓，主壓應力軸為NNE-SSW向[22]。燕山期受庫拉-太平洋板塊在晚侏羅世向NW或NWW的俯沖，處于大陸腹地的鄂爾多斯盆地處于擠壓收縮狀態(tài)，最大主壓應力軸呈NW-SE向。喜山期構造應力場方向發(fā)生變化，擠壓方向由NW向轉變?yōu)镹E向。不同構造運動時期主壓應力軸方向有所變化，然而自二疊紀以來盆地整體受擠壓的構造背景貫穿始終。

3.2沉積巖力學性質

前人研究成果表明：沉積巖力學性質存在明顯的各向異性，其主要影響因素為沉積巖微觀結構，包括巖石成份、碎屑顆粒大小、孔隙度、巖層厚度、層間非均值性等[23-26]。石英、長石等脆性組份含量越高，碎屑顆粒越細，巖石破裂強度越大。巖石內部層理、沉積間斷面、次生面理等結構面為巖石力學薄弱面，其發(fā)育程度對沉積巖平行層面方向強度影響較大，力學實驗也證實了沉積巖平行沉積層面方向強度小于垂直層理面方向強度。巖石收縮性則受巖性、孔隙度等因素控制，通常情況下，構成巖石的礦物顆粒硬度越大，其壓縮系數越小；巖石孔隙度越大，收縮性則越強。

3.3砂、泥巖中裂縫形成機制探討

鄂爾多斯盆地為典型的的擠壓型盆地，沉積巖在埋藏過程中受上覆巖層的垂向壓力外，還受到橫向擠壓，因此沉積巖隨盆地沉降過程中表現(xiàn)為垂向壓縮和橫向收縮，不同結構沉積巖橫向收縮性的差異及結構薄弱面的發(fā)育程度控制著裂縫形成與發(fā)育特征。

泥質巖的沉積層面結構較發(fā)育，由于層面為巖石的結構薄弱面[27]，在水平方向的擠壓應力場中，巖石容易沿著層面發(fā)生滑動破壞形成平行層面縫，當順層滑移阻力大于外作用力時則產生低角度斜向縫。厚層砂巖結構均一，沉積層面不發(fā)育，在水平方向擠壓應力場背景下主要表現(xiàn)為巖體的橫向收縮，由于巖石剪切強度最小，當水平擠壓應力超過其收縮極限及力學強度時，巖石發(fā)生剪切破壞形成近垂向縫。致密砂巖與高孔滲砂巖相比，致密砂巖收縮性差，因此更易發(fā)生剪切破壞形成近垂向縫。此外，巖性接觸界面也是巖石的結構薄弱面，在擠壓應力場背景下易發(fā)生層間滑移，因此在巖性互層接觸面附近也常形成平行層面縫。

3.4剝蝕作用對裂縫形成的影響

剝蝕作用是一種重要的卸載方式，卸載使巖層內部應力平衡受到破壞，應力重新分布過程中在盆地內形成殘余拉應力和殘余剪應力，必然影響裂縫形成。

一方面碎屑巖不同顆粒間存在彈性差異，其在沉降加載過程中壓縮程度不同，因此卸載過程中回彈膨脹程度也就不同，回彈量的差異在顆粒間產生殘余拉應力；另一方面，碎屑巖的碎屑顆粒與膠結物在埋藏成巖過程中所受壓力不同。膠結物是在碎屑顆粒受到壓縮之后形成的，因此剝蝕過程中碎屑顆粒與膠結物卸載回彈程度不同，勢必造成顆粒與膠結物之間產生殘余拉應力；一旦這個殘余拉應力超過巖石抗拉強度，就會在顆粒內部或邊緣形成與回彈方向近乎垂直的拉裂面。

盆地范圍內不同區(qū)域剝蝕厚度的差異勢必造成殘余剪切應力，剝蝕厚度大的區(qū)域巖層回彈應力大，剝蝕厚度小的區(qū)域回彈應力小，因此不同區(qū)域剝蝕厚度的差異產生的殘余剪應力也使得巖層間發(fā)生垂向剪切破壞。鄂爾多斯盆地自中生代以來，發(fā)生了4次不均勻的抬升剝蝕事件，東西向剝蝕厚度差異大[28-29]，因此由盆地剝蝕厚度的差異造成的殘余剪切應力對蘇里格氣田垂向縫的形成也具有一定影響。

4　結　論

1)裂縫在蘇里格氣田上古生界砂巖、泥巖中普遍發(fā)育，不同巖性中裂縫發(fā)育程度及特征存在明顯差異。泥巖、層面發(fā)育的砂巖以及砂泥巖界面處常發(fā)育平行層面裂縫，并伴有低角度斜向裂縫。在結構均一、巖性致密的砂巖中主要發(fā)育高角度及垂向裂縫；

2)裂縫的成因受區(qū)域應力場背景和巖石結構特征雙重影響，水平方向的構造擠壓與巖石層面平行是導致平行層面裂縫、低角度斜向裂縫形成的主要原因；剪切作用是導致厚層致密砂巖中形成近垂向裂縫的主要原因。

盡管裂縫發(fā)育使致密砂巖儲層的地質分析變得困難，但是它們的存在對氣藏形成及氣田開發(fā)有著至關重要的影響，在對低滲透致密氣藏的開發(fā)過程中不應被忽略掉，而且對其研究任重而道遠。

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Characteristics and origin of Upper Paleozoic fractures in Sulige Gas Field

LI Jin-bu1，2，WU Xiao-ning1，2，ZHAO Zhong-jun1，2，LI Fu-ping1，2，WANG Long1，2，F(xiàn)ENG Min1，2，LUO Wen-qin3

(1.SuligeGasFieldResearchCenterofChangqingOilfieldCompany，PetroChina，Xi’an710018，China；

This paper has made a systematic study on characteristics and origins of fractures in different kinds of sedimental lithologies in Sulige gas field，based on field outcrop，cores，thin section and imaging logging.It recognized the types of characteristics and combination of fractures in rocks with different sedimentary structures，and analyzed the origins in the aspects of geomechanics and rock mechanics.Fractures are widely developed in mudstone and sandstone in Sulige gas field.Plane-parallel fractures and low-angle oblique fractures appear in the mud rock，on the interface between sandstone and mudstone and in sand rock of different grain sizes.Vertical and high-angle inclined fractures appear in the rock such as tight sand or homogeneous sand rock，where the bed planes are not developed.The fracture type is controlled by regional stress field and textures of rocks.Horizontal compressive stress field and interfaces between different rocks are key factors to cause Plane-parallel fractures and low-angle oblique fractures.Shear stress field is the main factor to cause vertical and high-angle inclined fractures，and denudation basins are prone to the development of factures.This research is a major approach to understanding the gas migration system and reservoir formation.

sulige gas field；fracture；distribution characteristics；rock texture；tectonic stress field；formation mechanism；Ordos Basin

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0319

1672-9315(2016)03-0414-08

2016-01-21責任編輯：李克永

長慶油田油氣當量上產5 000萬噸關鍵技術研究(2010E-1306)；致密氣藏開發(fā)重大工程技術研究(2012E-23)

李進步(1974-)，男，陜西西安人，碩士，高級工程師，E-mail：ljb2_cq@petrochina.com.cn

TE 121

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