鄂爾多斯盆地樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)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(rùn)

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/二氧化碳捕集與封存技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710069)

0 引言

裂縫是低滲透儲(chǔ)層油氣運(yùn)移的重要通道，對(duì)油田注水開發(fā)也有較大影響。低滲透砂巖儲(chǔ)層孔滲性差，排替壓力較大。砂巖與裂縫的復(fù)合輸導(dǎo)模式使儲(chǔ)層與烴源巖更好地連通，油氣可沿裂縫發(fā)育區(qū)進(jìn)行運(yùn)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(shí)，儲(chǔ)層裂縫影響水平井壓裂施工(楊志浩和李治平，2017；李達(dá)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(jí)別、水竄方向，微觀上影響油水兩相滲流關(guān)系進(jìn)而影響油井采收率(宋曉威等，2015)。因此，對(duì)儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度及其平面展布特征認(rèn)識(shí)是低滲油藏高效注水開采的關(guān)鍵。

樊學(xué)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(zhǎng)組(趙鵬飛等，2015)。近年來，隨著對(duì)延長(zhǎng)組下組合長(zhǎng)7～長(zhǎng)10油層組勘探的不斷深入，發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)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(zhǎng)8地層可劃分為長(zhǎng)82、長(zhǎng)81兩個(gè)小層。樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)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(chǔ)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(xué)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(cè)向油井受效程度低(路向偉等，2018)。所以，明確長(zhǎng)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(duì)研究區(qū)注水開發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

1 砂巖裂縫識(shí)別

1.1 巖心觀察裂縫特征

巖心觀察是對(duì)宏觀裂縫進(jìn)行觀測(cè)與描述的第一手資料。根據(jù)樊學(xué)油區(qū)取心井巖心觀察與描述資料統(tǒng)計(jì)，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(xì)砂巖中裂縫分布頻率較高，裂縫延伸長(zhǎng)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(xué)油區(qū)長(zhǎng)8巖心裂縫特征

1.2 成像測(cè)井識(shí)別砂巖裂縫

成像測(cè)井可有效揭示裂縫類型、產(chǎn)狀以及充填程度等相關(guān)信息(陳翠雀等，2009)。根據(jù)樊學(xué)油區(qū)2口成像井解釋裂縫統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)長(zhǎng)8儲(chǔ)層多發(fā)育斜交、高角度天然裂縫，局部發(fā)育井筒與地應(yīng)力不平衡所致的應(yīng)力釋放縫，少數(shù)天然裂縫被半充填。成像測(cè)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(shí)，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(yīng)力釋放縫表現(xiàn)為多組接近180°對(duì)稱分布的雁列狀縫。

圖2 樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)8電成像測(cè)井的裂縫響應(yīng)特征

1.3 常規(guī)測(cè)井綜合識(shí)別砂巖裂縫

利用巖心和成像測(cè)井資料標(biāo)定常規(guī)測(cè)井，得到裂縫段與非裂縫段常規(guī)測(cè)井參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)微電極和八側(cè)向測(cè)井曲線對(duì)樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)8砂巖裂縫的響應(yīng)最為敏感，表現(xiàn)為高值背景上的相對(duì)低值，其他測(cè)井曲線敏感性表現(xiàn)為聲波測(cè)井>自然伽馬>自然電位>雙感應(yīng)>井徑。為了更有效識(shí)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(cè)向、聲波時(shí)差4條對(duì)裂縫響應(yīng)明顯的測(cè)井曲線，同時(shí)根據(jù)不同曲線的敏感程度對(duì)曲線進(jìn)行加權(quán)，分別計(jì)算出異常幅度算術(shù)加權(quán)裂縫指數(shù)、異常幅度幾何加權(quán)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(biāo)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(shí)別效果圖

最后，選取對(duì)裂縫響應(yīng)敏感的異常幅度表征參數(shù)構(gòu)建裂縫識(shí)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(duì)裂縫識(shí)別指數(shù)進(jìn)行過濾，得到最終的裂縫識(shí)別綜合指數(shù)，對(duì)裂縫可能發(fā)育段進(jìn)行判識(shí)。

圖3為對(duì)具有成像測(cè)井資料的定4548-3井長(zhǎng)8儲(chǔ)層裂縫表征參數(shù)處理結(jié)果，其常規(guī)測(cè)井砂巖裂縫識(shí)別效果與成像測(cè)井解釋砂巖裂縫特征基本相符。

進(jìn)而，對(duì)樊學(xué)油區(qū)220口井長(zhǎng)8儲(chǔ)層進(jìn)行了常規(guī)測(cè)井資料裂縫識(shí)別處理。

2 砂巖裂縫平面展布

依據(jù)樊學(xué)油區(qū)220口井砂巖裂縫處理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，長(zhǎng)8儲(chǔ)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(shì)方位主要為北東東向，次為北北西向(圖4)。

圖4 樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)81-長(zhǎng)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(zhǎng)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(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用有關(guān)，并且其裂縫發(fā)育程度受盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、砂體厚度、巖層組合等因素綜合影響。同時(shí)，不同時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制裂縫的組系、產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)和展布特征(高金棟等，2018)。

3.1 盆地構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與砂巖裂縫展布

前人通過對(duì)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(gòu)造解析，認(rèn)為延長(zhǎng)組儲(chǔ)層裂縫體系與盆地的基底斷裂以及其中新生代以來的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)(見圖4)(趙文智等，2003；汪澤成等，2005；邸領(lǐng)軍，2006；梁曉偉等，2009；馬潤(rùn)勇等，2009；董敏等，2019)。

三疊紀(jì)以來，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了多期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用(徐黎明等，2006)。中生代晚期的燕山運(yùn)動(dòng)在盆地內(nèi)派生了北西-南東向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)，使研究區(qū)北東向基底斷裂被激活，延長(zhǎng)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(cè)向擠壓，盆地內(nèi)北西向基底斷裂重新活動(dòng)，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(gòu)造裂縫與最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位關(guān)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(gòu)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(xué)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(zhǎng)8儲(chǔ)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)的綜合影響(王金月等，2016)。

3.2 砂體厚度對(duì)裂縫的影響

砂巖厚度與裂縫線密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即砂巖厚度越薄越容易產(chǎn)生構(gòu)造裂縫(戴俊生等，2011)。當(dāng)砂體厚度較薄時(shí)，巖石粒度較細(xì)，裂縫發(fā)育程度較高；當(dāng)砂體單層厚度較大時(shí)，巖石粒度也較粗，裂縫相對(duì)不發(fā)育。

利用自然伽馬曲線對(duì)長(zhǎng)8儲(chǔ)層粒度進(jìn)行表征，同時(shí)把常規(guī)測(cè)井識(shí)別的裂縫加載到研究區(qū)，構(gòu)建砂巖裂縫空間展布透視圖。如圖6所示，色標(biāo)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(guān)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(duì)不發(fā)育。

3.3 巖層組合對(duì)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(qiáng)的泥巖地層更容易產(chǎn)生裂縫，構(gòu)造裂縫首先在砂巖中產(chǎn)生并逐漸向泥巖擴(kuò)展形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。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(cè)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(chǔ)集空間。

圖6 樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)8砂巖裂縫空間分布透視圖(從南方向俯視)

4 裂縫對(duì)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(chǔ)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(duì)儲(chǔ)層改造中的壓裂、注水等增產(chǎn)措施也十分重要。通過對(duì)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(diǎn)(圖7)，裂縫不發(fā)育地區(qū)油井相對(duì)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(dǎo)能力強(qiáng)，容易形成方向性水竄。裂縫發(fā)育區(qū)需要嚴(yán)格控制注水壓力和注水強(qiáng)度，防止注入水沿裂縫竄進(jìn)。根據(jù)裂縫優(yōu)勢(shì)展布方向選擇合適的注采井網(wǎng)，可通過適當(dāng)放大裂縫延伸方向井距來延緩角井見水時(shí)間，對(duì)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(jì)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(cè)向油井的受效程度(劉子良等，2003)。

5 結(jié)論

(1)樊學(xué)油區(qū)長(zhǎng)8砂巖主要發(fā)育垂直和高角度構(gòu)造縫，裂縫以未充填居多。砂巖裂縫主要分布于樊學(xué)油區(qū)的東北部、東南部和西南部，裂縫展布的優(yōu)勢(shì)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(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、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(zhǎng)度大于2 m的較大規(guī)模裂縫，可知樊學(xué)油區(qū)整體處于弱構(gòu)造變形區(qū)域。

(3)樊學(xué)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(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)開發(fā)中，要根據(jù)裂縫優(yōu)勢(shì)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(cè)向油井的水驅(qū)效率。