王俊超 陶先高 李佳琦 賈海正 張騰 佟亮
(1.新疆油田公司工程技術研究院 新疆克拉瑪依 834000;2.北京遠望景盛科技發展有限公司 北京 100083)
隨著頁巖油勘探的廣泛開展,中國鄂爾多斯盆地[1]、松遼盆地[2]、準噶爾盆地[3]、渤海灣盆地[4]和北部灣盆地[5]等均發現了頁巖油氣資源,具有廣闊的勘探前景。國內外眾多頁巖油勘探案例表明,頁巖油藏通常無明顯圈閉界限,具有源儲一體、連續分布、自生自儲特征,儲層孔隙度小、巖石致密,致使單井自然產能一般很低,難以達到工業油流下限,但在一定經濟條件和技術措施下可獲得工業油流,這些措施包括直井縫網壓裂、水平井體積壓裂等[5-7]。天然裂縫很大程度上提高了頁巖儲層物性(孔隙度和滲透率);同時,壓裂措施能夠促使天然裂縫相互連通形成三維立體裂縫網絡,為頁巖油的滲流提供更多、更順暢的通道[8-10]。可見,裂縫不僅直接影響開采效益,也決定產能大小、開采周期等。因而,頁巖裂縫發育主控因素及預測方法研究對頁巖甜點區預測、井位部署及制定、調整開發方案等具有非常重要的指導意義。
前人在頁巖裂縫成因、發育特征與分布規律等方面開展了大量研究,認為頁巖儲層構造裂縫主要受控于水平構造擠壓和構造抬升剝蝕,而層理縫則主要是構造、成巖和生烴排酸溶蝕成因,裂縫發育分布受儲層因素和構造因素的雙重控制[11-17]。頁巖儲層裂縫研究主要基于巖心描述、測井及地震評價等。巖心描述側重于裂縫成因、形成期次分析等[18-20];測井評價主要利用電阻率成像測井識別并計算出裂縫參數,如裂縫孔隙度、裂縫寬度、裂縫密度等[21-23];地震評價主要通過曲率屬性、各向異性方位屬性等進行裂縫相對發育情況對比[24-28]。但目前在頁巖不同類型裂縫發育主控因素分析及定量預測方面不夠深入。因此,筆者以準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油“上甜點段”為例,在裂縫類型識別分類基礎上,通過不同類型裂縫發育程度的影響因素分析,著重探討對儲層壓裂改造效果貢獻較大的中—高角度構造縫,以及層理縫發育程度的定量評價模型。
吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起西南端,是形成于中石炭統褶皺基底上且具有西斷東超特征的箕狀凹陷。凹陷北界為吉木薩爾斷裂,西以西地斷裂等為界,南以三臺斷裂為界,東部為逐漸抬升的斜坡,勘探面積約1 278 km2(圖1a)。盆地東部主要經歷了中晚期海西運動、燕山運動及喜馬拉雅運動等多期構造運動的隆升剝蝕和構造沉降。海西運動中晚期,凹陷處于張性構造背景,構造抬升遭受剝蝕,產生了強烈的SN向擠壓應力;燕山運動早期,構造主應力由SN向轉換為NE—SW向,晚期時,博格達山前陸凹陷在構造應力作用下發生持續的褶皺帶活動,產生NW—SE向的強烈擠壓應力;喜馬拉雅運動期,基本繼承了燕山期的構造格局,構造主應力方向沒有明顯變化。吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油是中國陸相頁巖油的典型代表[29-30],近年實施的多口水平井和直井,獲得了重大進展,揭示了良好的勘探前景,其中頁巖儲層厚度大于200 m的頁巖油有利區面積高達806 km2,含油氣層段埋深主要分布在3 000~4 000 m,是新疆油田頁巖油主力建產區。
吉木薩爾凹陷蘆草溝組是淺湖—深湖相沉積,主要發育泥頁巖、白云質泥巖、白云質粉砂巖、泥質粉砂巖、砂質白云巖和白云巖等[31-34],地層厚度100~350 m,發育上、下兩個主力“甜點段”[35-36],平面上主要分布在凹陷中部,縱向上單層厚度薄(0.5~2 m),多期疊置,累計厚度20~60 m(圖1b),含油飽和度為60%~95%。目前多口鉆井獲工業油流。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組頂面構造及綜合柱狀圖Fig.1 Top structure and stratigraphic column of Lucaogou Formation,Jimsar sag
吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油主要富集在云質粉砂巖、砂質白云巖、泥質粉砂巖等3類巖性體中,常規物性分析表明儲層為典型的低孔—特低滲特征,孔隙度0.1%~27.8%,中值7.82%,滲透率0.004~9.82 mD,中值0.4 mD。當含有裂縫時,滲透率明顯增大[20](圖2),裂縫的存在極大地增強了儲層滲流能力,并且增加了儲集空間。J10025井和J174井巖心觀察表明,沿著層理裂縫面存在非常明顯的原油外滲現象(圖3),多分布在粉砂巖中,全取心井段376 m共計高達100余處,錄井剖面也在裂縫發育井段顯示出良好的含油氣性。

圖2 吉木薩爾凹陷蘆草溝組泥頁巖儲層物性[20]Fig.2 Physical properties of shale reservoir in Lucaogou Formation,Jimsar sag[20]

圖3 吉木薩爾凹陷J10025井蘆草溝組巖心原油沿層理外滲現象Fig.3 Permeated oil along bedding fracture of core from Well J10025 in Lucaogou Formation,Jimsar sag
頁巖油開采時采用的壓裂改造技術,要求盡可能最大限度溝通天然裂縫,產生最大體積空間的理想立體縫網系統,進而最大限度地提高產量[37-38]。天然裂縫的類型對儲層改造效果的影響很大。通過對J10025井和J174井等典型井巖心系統觀察,將裂縫劃分為層理縫(成巖縫的一種)、構造縫(包括直劈縫、高角度縫、低角度縫)、異常高壓縫3種類型[6,39]。據此裂縫分類方案,本次研究基于巖心觀察描述結果與電阻率掃描成像測井資料,對研究區27口井頁巖油“上甜點段”裂縫進行識別,并分別統計發育情況。
2.1.1 層理縫
成巖縫包括層理縫和縫合線,巖心觀察表明研究區成巖縫較發育,主要為層理縫(圖4a、b),縫合線少見。層理縫通常沿層理面低角度或水平延伸,多與構造縫伴生形成相互切割的網狀裂縫,大大提高了儲層的孔滲性能,并提供了通暢的運移通道[18,39]。鏡下觀察發現,層理縫一般不會穿過礦物顆粒,裂縫寬度0.1~5μm,常呈楔形,裂縫長度0.1~10 mm,地層條件下多數裂縫呈閉合狀態。早期裂縫形成時若被烴類充注,則裂縫成為有效的儲集空間,得以保存;若沒有被充填,則會成為地層水的主要運移通道,在一定的溫壓條件下,經歷長時間水巖作用,大量成巖礦物會發生過飽和沉淀,如泥質、鐵質、石英、長石、方解石等礦物,這些沉淀礦物堵塞了巖層內流體的滲流空間,使得裂縫的有效性降低。蘆草溝組巖心、測井和試油資料表明,層理縫發育位置與含油性層具有良好的對應關系,這與層理縫的開啟性及烴類充注有關。

圖4 吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖裂縫Fig.4 Shale fractures in Lucaogou Formation,Jimsar sag
根據開啟性及充填物不同,層理縫在成像測井圖像上表現為黑色或白色線條[40]。J10025井3 756.3~3 756.7 m成像測井圖像顯示出7條未充填層理縫,鉆井液侵入導致低電阻響應,成像測井圖像相應為黑色條帶(圖5),裂縫產狀雖與層理一致,但層理縫的線條寬度不一,這也是與層理的典型區別。反之,當層理縫被云質脈體充填,導致電阻率增加,成像測井圖像顯示為亮白色條帶。

圖5 吉木薩爾凹陷J10025井層理縫巖心、電阻率成像測井圖像Fig.5 Core photos and FMI images of bedding fracture from Well J10025,Jimsar sag
2.1.2 構造縫
構造縫的形成主要受構造運動控制,發育位置與構造應力分布相關[18,41]。野外露頭觀察顯示,構造縫主要為剪切縫和擴張縫。擴張縫的產狀多變,延伸較短,裂縫面粗糙不平;剪切縫最常見,呈X狀,產狀穩定,延伸較遠,裂縫面平直且光滑,巖心上常有擦痕(圖4c)。巖心觀察結果表明,蘆草溝組頁巖未充填構造縫占比約為62.3%,裂縫張開度0.1~5 mm。構造縫往往為高角度裂縫,裂縫傾角一般大于70°,長度0.1~20 cm(圖4d)。鑄體薄片上發現絕大多數構造縫表現為平直、切割層理,寬度0.1~100μm,長度0.1~10 mm(圖4e~g),70%的裂縫被石英、方解石、泥質等充填(圖4h)。
巖心和電阻率成像測井圖像顯示研究區構造縫以高角度裂縫為主,直劈縫次之,多與層理縫相互切割交叉,形成有效的裂縫網絡。巖心觀察顯示,J10025井3 787.12~3 787.68 m、3 787.92~3 788.72 m、3 789.63~3 790.08 m、3 790.78~3 791.28 m井段,出筒巖心由于應力釋放等原因均被一分為二,且延伸距離較長(圖6),為高角度或直劈裂縫的特征。成像測井圖像顯示J10025井3 786.52~3 791.28 m可清晰識別出4條構造縫,裂縫角度均超過85°(圖6),其中夾多條低角度層理縫。電成像測井圖像顯示裂縫與巖心具有高度一致性。

圖6 吉木薩爾凹陷J10025井構造縫巖心、電阻率成像測井圖像Fig.6 Core photos and FMI images of structural fracture from Well J10025,Jimsar sag
2.1.3 異常高壓縫
研究區異常高壓縫主要為泄水縫。裂縫發育于泥質巖中,表現為裂縫脈群,不規則狀分布,裂縫張開度變化較大,單條裂縫寬度0.2~10 mm,裂縫延伸長度為數毫米至數厘米。通常被方解石、白云石等礦物充填,極大削弱了裂縫的滲流能力,致使含油性差,甚至不含油(圖4i),在本區對頁巖油產量基本無貢獻。
研究區蘆草溝組“上甜點段”27口井成像測井資料解釋裂縫統計結果表明:層理縫密度主要為0.5~1.25條/m(圖7a),構造縫密度主要小于0.3條/m(圖7b)。電阻率成像測井共解釋出裂縫8 299條,其中層理縫為6 564條、占比79.1%,構造縫1 735條、占比20.9%,層理縫密度整體高于構造縫。

圖7 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”裂縫密度分布Fig.7 Distribution of fracture density in shale section of Lucaogou Formation,Jimsar sag
層理縫是蘆草溝組頁巖儲層發育最多的裂縫類型,與含油性層具有良好的對應關系,構造縫次之。層理縫的傾角以低角度、水平縫為主,一般不超過30°,而構造縫的傾角則普遍高于60°。頁巖儲層壓裂改造實例及大量理論模擬分析表明,頁巖儲層壓裂改造過程中,相對于含油性較好的低角度層理縫而言,中—高角度構造縫卻能夠極大程度地擴展溝通上下巖層的連通性,形成更加復雜的立體裂隙網絡[37-38],對儲層滲流能力提升的貢獻遠超層理縫。
前人研究認為地應力分布、斷層、沉積背景、礦物種類、成巖作用、有機質豐度等影響頁巖裂縫發育且相互作用[3,18,20]。不同類型裂縫影響因素不同,如水平構造擠壓是構造縫的主要原因,層理縫則與成巖作用、生烴排酸溶蝕密切相關[18,39,42]。本文在前人研究基礎上,將影響因素分為儲層因素和構造因素兩大類,即影響頁巖儲層裂縫發育的內因和外因。
影響頁巖儲層裂縫發育的儲層因素復雜,包括不同類型礦物含量、有機碳含量、頁巖層厚、巖石力學性質、異常高壓、成巖作用(壓實、壓溶)、風化淋蝕作用等因素的影響[39,41-42],綜合分析多個盆地研究成果認為,脆性礦物含量、有機碳含量和單頁巖層厚是影響頁巖儲層裂縫發育的重要因素。
3.1.1 脆性礦物
脆性礦物含量高的巖性,如頁巖層系中的粉砂巖、白云巖或砂巖夾層是裂縫主要發育段。研究區J174井蘆草溝組“上甜點段”87個頁巖儲層樣品全巖X衍射數據顯示:白云石平均含量35.6%,石英平均含量24.3%,長石(主要是斜長石,鉀長石較少)平均含量27.9%,黏土礦物含量較小,平均僅為10.2%,其他礦物(黃鐵礦、菱鐵礦等)含量均低于3.0%。其中石英和白云石具有高彈性模量、低泊松比和低斷裂韌性的特點,是典型的脆性礦物;黏土礦物的力學參數與此相反,是典型的塑性礦物;長石和方解石的脆性中等。衍射數據分析可知,白云石、石英及長石是研究區主要的脆性礦物,這些脆性礦物含量總和與測井解釋裂縫密度關系如圖8,裂縫密度隨著脆性礦物含量的增加呈現明顯增大的趨勢,表明脆性礦物含量的高低,是影響研究區頁巖儲層裂縫發育程度的重要內在因素。

圖8 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”脆性礦物含量與裂縫發育關系Fig.8 Relationship between brittle mineral content and fracture density in upper dessert section of Lucaogou Formation,Jimsar sag
3.1.2 有機碳含量
蘆草溝組“上甜點段”沉積相以濱淺湖為主,頁巖層系中含有大量泥巖,絕大部分泥巖是有效烴源巖,在大致相同的應力背景下,有機質豐度會對儲層裂縫發育產生重要影響。研究區有效烴源巖有機碳含量0.16%~13.86%。以“上甜點段”4小層為例,有機碳含量與裂縫密度呈現正相關(圖9),裂縫密度隨著有機碳含量的增大而增大,表明有機碳含量對頁巖儲層裂縫發育有較強的促進作用。這是由于生烴過程中產生較多的有機酸溶蝕相鄰礦物而產生溶蝕縫,或是生烴增壓而產生的裂縫,或是生烴消耗孔隙水形成收縮縫[14,16]。

圖9 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”有機碳含量與裂縫密度關系Fig.9 Relationship between organic carbon content and fracture density in upper dessert section of Lucaogou Formation,Jimsar sag
3.1.3 單巖層厚度
頁巖儲層裂縫通常發育在脆性成分含量較高的巖層并終止于該層的頂底界面[24],使得單巖層厚度成為影響泥頁巖裂縫發育的一個重要因素。研究區蘆草溝組不同巖性單巖層厚度與裂縫密度(其中構造縫多為高角度縫,切穿巖層較多,此處未參與統計)的關系表明:中厚層中,泥頁巖裂縫較粉砂巖、白云巖發育,薄層中情況相反;整體上,隨著單巖層厚度的增加裂縫密度呈現明顯的降低趨勢(圖10)。這與前人研究結果基本一致[18,20]。

圖10 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”層理縫密度與不同巖性單巖層厚度的關系Fig.10 Relationship between bedding fracture density and thickness of single lithologic layer in upper dessert section of Lucaogou Formation,Jimsar sag
吉木薩爾凹陷位于盆地中心,距離斷裂發育帶較遠,在多次歷史演化時期表現為整體抬升與沉降,地層基本未發生變形或大規模的水平位移,致使研究區大規模的構造裂縫相對較少發育,這與巖心觀察結果基本一致。但在研究區斷層附近,構造裂縫密度相對較大。研究表明,當構造應力以擠壓作用為主時,巖層破裂成縫的概率極大提高,而且裂縫的開啟程度較高,裂縫走向與擠壓應力方向基本一致。
4.1.1 層理縫
層理縫發育主要受儲層因素的影響,各儲層因素之間又相互作用,若同時考慮多種因素,則難以建立有效實用的定量評價模型。因此,本次研究在系統分析各儲層因素基礎上,綜合考慮各儲層因素的因果制約關系以及獲取的難易度、準確度,提出利用測井解釋的孔隙度(φ)作為儲層因素的表征參數。理由如下:①各儲層因素的差異本質上均與儲層巖性相關,如脆性礦物含量、巖石力學性質、有機碳含量等,但這些參數難以大量準確獲取;②直接應用儲層巖性不能建立定量的評價模型;③孔隙度作為重要的儲層參數之一,其值大小體現了所有儲層因素對巖石特性的綜合效應。測井解釋的儲層孔隙度數據多且較為準確,并在一定程度上能夠反映巖性的差異。研究表明孔隙度越小,巖石越致密,彈性模量越高,相同地應力條件下,當其大于巖層起裂壓力時,裂縫發育程度越強[43]。本次研究以單巖層為單元計算,單巖層厚度不小于0.5 m,若小于該厚度,則采取向上合并原則。吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖層理縫與所在位置的測井解釋孔隙度相關系數為0.826 3(圖11),其數學關系為:

圖11 吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”單層巖性體層理縫密度與測井解釋孔隙度關系Fig.11 Relationships between bedding fracture density and logging interpretation porosity of single lithologic body in upper dessert section of Lucaogou Formation,Jimsar sag

式(1)中:Db為層理縫線密度,條/m;φ為測井解釋孔隙度,%。
在吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖層理縫發育程度評價模型基礎上,充分利用聲波曲線、密度曲線以及反演波阻抗數據,實現了由井點到平面的預測,獲得研究區頁巖層理縫密度平面分布圖(圖12)。與研究區儲層巖性的平面分布對比[14,20],層理縫密度分布整體上受儲層巖性的制約,如研究區西南、西北部及東部J27井區云質粉砂巖的層理縫密度較高,與前人研究成果有較高一致性[39,42-44],這驗證了本預測方法模型的合理性。

圖12 研究區蘆草溝組“上甜點段”層理縫密度平面分布Fig.12 Planar distribution of bedding fracture density in upper dessert dection of Lucaogou Formation in study area
4.1.2 構造縫
構造裂縫發育程度評價,不僅要考慮構造應力變化,也要考慮巖性分布。與層理縫評價相比,構造縫評價側重于平面分布,單井點獲取的巖性雖然準確,但井間巖性因素難以直接表征。利用巖石彈性參數可以預測巖性,三維地震資料為巖石彈性參數的獲取提供了資料保障[24-28]。因此,本次研究選擇巖石彈性參數作為構造縫發育程度評價中巖性因素的表征參數。
利用三維地震資料,定量評價頁巖構造縫發育程度的具體步驟:
1)利用螞蟻體屬性,精細刻畫出蘆草溝組“上甜點段”中的斷層和微斷層(圖13)。

圖13 研究區蘆草溝組“上甜點段”地震解釋螞蟻體Fig.13 Seismic interpretation of ant body in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area
2)利用27口鉆井的測井解釋構造縫密度、儲層巖性對應的巖石力學參數[45]及井點位置與斷裂的距離,采用多元非線性回歸方法,確定出構造裂縫發育程度的評價模型,實現井點位置裂縫發育程度的定量評價,其數學表達式為:

式(2)中:Ds為構造縫密度,條/m;Lf為井點至斷層的垂直距離,m;E為楊氏模量,MPa;p為抗壓強度,MPa;a、b、c為對應參數的系數;d為數學調整值。利用SPSS數值軟件多元非線性擬合,得出式(2)中的各系數分別為:a=-0.002 32、b=-0.354、c=0.149 7、d=-15.72(表1)。

表1 構造裂縫評價模型多元線性回歸分析結果Table 1 Results of multiple linear regression analysis of structural fracture evaluation model
3)提取地震數據中與裂縫發育相關的幾種地震屬性體,包括傾角、構造曲率、相干、結構張量、均方根振幅、弧長、瞬時頻率,并采用面元距離加權平均法,計算出井點位置的上述地震屬性,然后通過Kendall指示法[46-47],計算井點各地震屬性有效數(表2)。有效數是指地震屬性相對于測井特征(單層砂體的平均儲層參數,如泥質含量、孔隙度、滲透率等)的有效性,有效數大,表明地震屬性與測井特征之間可能存在比較明確的關系;有效數小,說明兩者之間存在比較復雜的關系。

表2 井點地震屬性有效數及權重系數Table 2 Validity and weight coefficient of seismic attributes in well point
4)為了降低單一地震屬性評價裂縫發育程度的多解性,利用有效數大于0.6的地震屬性(傾角、構造曲率、相干、結構張量、弧長),采用加權平均方法獲得融合屬性。其中各地震屬性的權重系數通過各自有效數確定(表1),其中權重系數的數學計算公式為:

式(3)中:Wi為第i中地震屬性的權重系數,無量綱;ySLi為第i中地震屬性的有效數,無量綱;i為地震屬性的個數(1,2,3,…,N),無量綱。
5)依據Strata和Land Mark軟件擬合融合屬性與井點位置的裂縫發育程度的數學關系,將地震屬性轉換為構造裂縫發育程度定量評價圖(圖14)。

圖14 研究區蘆草溝組“上甜點段”構造縫密度分布Fig.14 Tectonic fracture density distribution in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area
4.2.1 層理縫評價模型分析
為了驗證層理縫評價預測模型的準確性,利用式(1)模型預測未參與建模的22處頁巖儲層的裂縫密度,將層理縫密度預測結果與測井解釋統計結果進行對比,平均相對誤差27%(表2)。因此,對于吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖儲層,基于儲層孔隙度參數建立的層理縫發育程度預測方法是比較可靠的。
4.2.2 構造縫評價模型分析
根據構造裂縫發育程度的評價模型及技術流程,預測出吉木薩爾凹陷蘆草溝組“上甜點段”構造裂縫密度的分布(圖14)。與前人研究結果相比[20,42],本文結果展示出整體一致、局部刻畫精細的顯著優勢。以研究區蘆草溝組“上甜點段”為例評價該模型的有效性,當構造縫密度大于0.09條/m時,構造縫預測結果與測井解釋統計結果具有良好的線性相關性,相關系數達0.802 6;但當構造縫密度小于0.09條/m時,二者偏差較大,如圖15中藍色數據點。構造縫預測模型的整體應用效果較好,當構造縫密度較小時,還需要進一步深化研究,以期獲得更佳的預測效果。

圖15 研究區蘆草溝組“上甜點段”構造縫預測結果與測井解釋統計結果對比Fig.15 Comparison between the prediction results of structural fractures and the statistical results of logging interpretation in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area

表3 研究區蘆草溝組“上甜點段”層理縫預測結果與測井解釋統計結果對比Table 3 Comparison between the prediction results of bedding fractures and the statistical results of logging interpretation in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area
1)吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖儲層層理縫最發育,構造縫其次,異常高壓縫較少。層理縫沿層理面低角度或水平延伸,構造縫以高角度縫為主,與層理縫相互切割交叉,形成有效的裂縫網絡。層理縫發育程度高于構造縫。異常高壓縫主要為泄水縫,常被方解石、白云石填充,含油性差,對產量無貢獻。不同類型裂縫往往伴生發育,空間上相互切割交叉,形成了復雜的裂縫網絡系統。
2)吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖儲層層理縫發育程度主要受巖性、有機碳含量、單巖層厚度因素控制,發育程度隨脆性礦物含量、有機碳含量的增大而呈明顯的增強趨勢,但隨單巖層厚度的增大而減弱。除此之外,構造縫發育程度還受斷層發育及構造位置因素的影響。
3)以儲層孔隙度為主要評價參數,構建層理縫發育評價模型,預測結果比較可靠。利用至斷層的距離和巖石彈性參數,構建構造縫發育程度預測模型,當構造縫密度大于0.09條/m時,方法模型的應用效果良好。