瑪湖凹陷三疊系百口泉組致密礫巖儲層水力裂縫特征及形成機(jī)制

覃建華，王建國，李思遠(yuǎn)，李 勝，竇 智，3，彭仕宓

（1.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)（北京），北京昌平 102249；3.中國石油東方地球物理公司研究院烏魯木齊分院，烏魯木齊 830026）

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖油田是儲量規(guī)模達(dá)十億噸級的特大型致密礫巖油田［1］，其獨(dú)特的沉積特點(diǎn)與成藏特征［2］具有顯著的特殊性，主要表現(xiàn)為：巖性更加復(fù)雜、儲集層橫向變化快［3］、非均質(zhì)性強(qiáng)且優(yōu)質(zhì)“甜點(diǎn)”鉆遇難度大；儲集層物性差［4］，為低孔、特低滲儲層，天然裂縫不發(fā)育，生產(chǎn)井不經(jīng)壓裂基本無產(chǎn)能，水平兩向應(yīng)力差大，不利于壓裂復(fù)雜縫網(wǎng)的形成［5］。儲層水力壓裂效果評價(jià)對指導(dǎo)油氣田精細(xì)開發(fā)具有重要意義，目前壓裂效果檢測最直觀的方法是井下微地震法，該方法利用有效微地震事件定量描述水力裂縫長、寬、高、走向、改造體積等，再結(jié)合儲層性質(zhì)、壓裂施工參數(shù)等解釋裂縫產(chǎn)生的原因，從而客觀地評價(jià)壓裂效果［6］。近年來，有研究表明，通過井下微地震監(jiān)測解釋的壓裂改造范圍過于樂觀，實(shí)際巖心含支撐劑的壓裂縫長度可能只有微地震解釋得到的水力縫長的一半左右［7-8］，誤差較大。在國外，美國的HFTS-1 項(xiàng)目在Wolf-camp 地層深部頁巖進(jìn)行了11口水平井的水力壓裂，在該區(qū)鉆取了1口傾角為82° 的大斜度取心井，共獲得182.9 m（600 ft）的帶水力裂縫的巖心［9-10］；HFTS-2 項(xiàng)目使用8口新生產(chǎn)井和2口現(xiàn)有井進(jìn)行水力壓裂研究，獲得了457.2 m（1 500 ft）的含水力裂縫的巖心。通過對鉆取巖心和測試數(shù)據(jù)的分析，獲取了地下體積壓裂水力裂縫特征等成果［9，11］，修訂了現(xiàn)有微地震解釋模型［12-13］。通過對高質(zhì)量的裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及巖心裂縫描述明確了裂縫幾何形狀和支撐劑分布，該研究成果有助于確定最佳井距和油田開發(fā)策略［14-15］。在國內(nèi)，長慶油田在鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)X233致密油體積壓裂試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，對長7 取心段儲層中產(chǎn)生的人工壓裂縫進(jìn)行了識別和表征［16］。在塊狀砂巖中首次觀察到長度為0.13 m 近垂直的張性微裂縫，鄰近厚度1.49 m 的油層內(nèi)見大量層理縫順層或斜交延伸，距離可達(dá)100～200 m，說明對體積壓裂后的致密油儲層應(yīng)進(jìn)行重新評價(jià)。

綜上所述，當(dāng)前微地震裂縫監(jiān)測的裂縫分布與實(shí)際巖心裂縫觀察結(jié)果相差較大，由于該致密礫巖儲層的特殊性，美國頁巖油儲層及長慶致密砂巖儲層巖性單一，其裂縫特征的研究不能為該類油田水力裂縫的研究提供技術(shù)支持。為精細(xì)高效開發(fā)致密礫巖油藏，有必要開展致密礫巖水力裂縫特征及成因機(jī)制研究。通過對巖石學(xué)特征、壓裂改造后的礫巖儲層裂縫形態(tài)特征、支撐劑充填程度等的研究，分析巖相、沉積微相及壓裂工程因素與裂縫發(fā)育程度的耦合關(guān)系，探討瑪湖凹陷水平取心井三疊系百口泉組致密礫巖儲層水力裂縫發(fā)育的主控因素，以期為該致密礫巖油田的增儲上產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，西北接烏夏斷裂帶和克百斷裂帶，東南接夏鹽凸起和達(dá)巴松凸起（圖1）。瑪131 小井距示范區(qū)三疊系百口泉組油藏位于瑪湖凹陷北斜坡區(qū)，烏夏斷裂帶下盤［17］。百口泉組構(gòu)造形態(tài)整體表現(xiàn)為東南傾的單斜，具有北高南低的特點(diǎn)，地層傾角為2.5°～4.3°，局部呈現(xiàn)寬緩鼻狀構(gòu)造特征［18］。瑪131 小井距示范區(qū)內(nèi)瑪15井油層發(fā)育，厚度大于全區(qū)平均水平，平面連續(xù)性好，百二段油層厚度為6～8 m，主力單油層厚度為4～6 m；百三段油層厚度為14～16 m，主力單油層厚度為5～12 m，油層延伸距離均大于2 000 m［19］。研究區(qū)儲層巖性主要為灰色砂礫巖，油層孔隙度為8.6%～10.1%，氣測滲透率為0.05～0.36 mD，屬于低孔、特低滲致密儲集層。

圖1 瑪湖凹陷MaJ02 井區(qū)構(gòu)造位置（a）及三疊系百口泉組巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Structural location of well area MaJ02（a）and stratigraphic column of Triassic Baikouquan Formation（b）in Mahu Sag

2 巖石學(xué)特征

瑪湖凹陷MaJ02 井百口泉組儲層巖性以灰綠色、灰色礫巖為主［20］，其次為褐色泥巖，夾少量灰白色砂巖，其中主要為中礫巖，體積分?jǐn)?shù)為61.36%，其次為小礫巖和細(xì)礫巖，體積分?jǐn)?shù)分別為10.07%和7.29%，砂巖較少，其體積分?jǐn)?shù)為8.22%，泥巖的體積分?jǐn)?shù)為13.06%。薄片鑒定顯示礫石成分主要為凝灰?guī)r（圖2a—2d），其體積分?jǐn)?shù)為52%，其次為安山巖（圖2e—2h），體積分?jǐn)?shù)約為27%，再次為沉積巖（圖2i，2j），體積分?jǐn)?shù)為21%；顆粒分選差—中等、磨圓以次棱角為主，占比為63.2%，其次為次圓，占比為35.8%，棱角狀極少，說明成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度差—中等。礫石支撐類型分為2 種，以顆粒支撐為主，占比為56.3%，其次為基質(zhì)支撐，占比為43.7%。基質(zhì)支撐指礫石漂浮于砂泥或更小的礫石等基質(zhì)中，接觸方式為點(diǎn)接觸及點(diǎn)-線接觸，膠結(jié)物含量相對較高（圖2k）；顆粒支撐為各礫石顆粒間混雜堆集，且相互接觸支撐（圖2l）。沉積構(gòu)造以塊狀層理為主，其厚度占比為90.2%，僅發(fā)育少量粒序?qū)永砑靶睂永怼?/p>

圖2 瑪湖凹陷MaJ02 井三疊系百口泉組巖石薄片微觀特征Fig.2 Microscopic characteristics of thin sections of Triassic Baikouquan Formation of well MaJ02 in Mahu Sag

3 裂縫形態(tài)描述

3.1 裂縫面形狀特征

裂縫是由于巖石受應(yīng)力破壞而形成的縫隙，瑪湖凹陷MaJ02 井巖心觀察到的裂縫面形狀主要為3類：平面—近平面、不規(guī)則面和破碎面。平面—近平面多存在于泥巖、砂巖等成分均勻的巖性裂縫中，裂縫同一方向，壁面平整光滑（圖3a），多為泥漿充填，數(shù)量較少，約占總數(shù)的35%。不規(guī)則面主要出現(xiàn)在礫巖裂縫中，裂縫沿礫石膠結(jié)處展開，面上凹凸不平（圖3b），并且兩斷面能較好地吻合，為該井主要發(fā)育的裂縫面形狀，約占總數(shù)的60%。復(fù)雜縫網(wǎng)多出現(xiàn)破碎面，斷面破碎嚴(yán)重（圖3c），是一種或多種裂縫面形狀特征的集合，多為泥漿包裹，難以識別原始形態(tài)，可以借助CT 掃描成像圖進(jìn)行判定描述。

圖3 瑪湖凹陷MaJ02 井三疊系百口泉組水力裂縫縫面特征Fig.3 Features of hydraulic fracture surfaces of Triassic Baikouquan Formation of well MaJ02 in Mahu Sag

3.2 填充程度

填充程度可根據(jù)充填物侵入裂縫面的程度劃分為無充填、半充填、全充填。瑪湖凹陷MaJ02 井巖心裂縫中充填的主要物質(zhì)為泥漿、個(gè)別裂縫面可見支撐劑（石英砂）。泥漿成分為壓裂液與巖屑的混合物，壓裂液采用滑溜水和有機(jī)硼胍膠壓裂液體，具有良好的攜砂性能。支撐劑為40～70 目（粒徑為200～425 μm）石英砂顆粒，磨圓好，球度好，與原狀地層中的礦物顆粒產(chǎn)狀、成分存在顯著差異。

無充填的水力裂縫斷面干凈，泥漿等完全沒有侵入到裂縫面內(nèi)；半充填指的是泥漿僅侵入到裂縫面的外側(cè)，含量較少；全充填表現(xiàn)為泥漿完全進(jìn)入裂縫面，且較厚地附著在斷面上，需清洗后才能暴露斷面。無充填形成的原因是裂縫在壓裂過程中沒有形成裂縫或僅造成了微裂縫，取心后期巖心在搬運(yùn)、開筒、清洗等處理過程中才完全斷開形成裂縫；半充填的形成原因與無充填形成原因相似，裂縫的形成期略早，此外，一些致密礫巖段，裂縫的開度極小，泥漿也難以進(jìn)入裂縫面內(nèi)。多數(shù)裂縫面為全充填，導(dǎo)致了裂縫閉合差，提高了儲層的滲流能力，說明裂縫面充填程度是儲層改造的重要因素，同時(shí)也是判斷水力壓裂縫的重要依據(jù)。

3.3 裂縫面礫石形態(tài)

裂縫面礫石按是否切穿可劃分為2 類：“繞礫”和“穿礫”。“繞礫”是指裂縫面沿礫石邊緣延伸，沒有破壞礫石，此時(shí)應(yīng)力為張性力；“穿礫”指的是裂縫面沿礫石中間延伸，破壞礫石。通常情況下，破壞礫石所需的應(yīng)力遠(yuǎn)大于破壞礫石之間基質(zhì)所需的應(yīng)力，除此之外，還與礫石的成分、粒徑大小有關(guān)。選取瑪湖凹陷MaJ02井巖心233條礫石特征明確的裂縫，分別對裂縫面“繞礫”和“穿礫”的礫石個(gè)數(shù)、成分、粒徑作定量的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：該區(qū)裂縫面的礫石主要是“穿礫”，占73%，“繞礫”占27%；石英巖礫石切穿比例最低，最難被破壞，砂泥質(zhì)沉積巖最高，更易被破壞，因此礫石抗剪強(qiáng)度為石英巖>凝灰?guī)r≈安山巖＞碳酸鹽巖≈流紋巖＞砂巖≈泥巖。“繞礫”的礫石粒徑略小于“穿礫”的礫石粒徑，說明裂縫在擴(kuò)展過程中，大顆粒更易被切穿，較小顆粒則從礫石之間擴(kuò)展。

3.4 裂縫面產(chǎn)狀

MaJ02 井為水平取心井，相對于直井巖心，該井巖心可以更精細(xì)地觀察到薄層上的垂向變化，可以識別出更多的層面特征，且層面特征應(yīng)具有相似性。因此，可以利用巖心的層面特征信息，開展定向工作。

（1）巖性界面

本次取心軌跡方位為順物源沉積方向，地層傾角為2.5°～4.3°，因此，巖性界面在水平取心井上應(yīng)為一橢圓面，橢圓面長軸方向應(yīng)為“頂部下方—底部上方”，據(jù)此可進(jìn)行巖心定向。

（2）礫石排列

在以牽引流為動力的沉積相中，礫石的排列具有一定的定向性，觀察統(tǒng)計(jì)一段巖心內(nèi)礫石的排列方向，確定其優(yōu)勢方向，優(yōu)勢方向應(yīng)與巖性界面方向接近。

（3）產(chǎn)狀測量

測量產(chǎn)狀用到的工具有地質(zhì)羅盤、量角器、硬紙板。為保證裂縫的原始狀態(tài)，盡可能地減少對巖心的移動，也方便實(shí)際測量，在巖心坐標(biāo)系下記錄裂縫產(chǎn)狀。測量傾向時(shí)，將巖心向底（圖3 紅線箭頭）方向定義為0°，沿逆時(shí)針方向用量角器量取裂縫面與紅線的夾角，傾向取值為0°～360°；傾角測量時(shí)，將巖心水平放置，用地質(zhì)羅盤測量裂縫面與水平面的夾角，傾角取值為0°～90°。當(dāng)裂縫面凹凸不平，呈不規(guī)則形狀時(shí)，需用硬紙板覆蓋于裂縫面上，確定裂縫發(fā)育的最大優(yōu)勢面，方便測量和表述其產(chǎn)狀。

（4）產(chǎn)狀校正

在直井中，校正裂縫的產(chǎn)狀比較簡單，巖心上得到的裂縫產(chǎn)狀與方位角間的加減計(jì)算就能得出裂縫的真實(shí)產(chǎn)狀。在斜井中，方位角、井斜角都會造成裂縫的真實(shí)傾角、傾向的較大誤差，為更準(zhǔn)確地描述裂縫在地層中的真實(shí)產(chǎn)狀，需要對巖心上實(shí)測的裂縫產(chǎn)狀進(jìn)行校正［21］。

常規(guī)的裂縫（地層）校正的方法有坐標(biāo)轉(zhuǎn)化法、古地磁法。根據(jù)MaJ02 水平井取心的實(shí)際情況，此次研究運(yùn)用幾何學(xué)的知識，推導(dǎo)了適用于此井的幾何投影法，能準(zhǔn)確且快速地實(shí)現(xiàn)水平井取心裂縫參數(shù)的校正。①傾向校正公式：

②傾角校正公式：

式中：α為視裂縫傾向，（°）；β為視裂縫傾角，（°）；r為井斜角，（°）；δ為井斜方位角，（°）；ρ為真裂縫傾角，（°）；σ為真裂縫傾向，（°）。令，考慮到裂縫經(jīng)井斜校正后存在傾向倒轉(zhuǎn)的情況，如果r<θ，則真傾向與視傾向相反，根據(jù)走向與傾向相差90°的原理，可計(jì)算裂縫走向。

經(jīng)過校正后的結(jié)果與成像測井解釋的對比，結(jié)果表明：傾角的符合率較高，誤差小于20° 的高達(dá)91.2%；走向的符合率較好，誤差小于30°的占比為90.1%，即該裂縫產(chǎn)狀校正方法的準(zhǔn)確性較高。通過對該井巖心272 個(gè)可測量產(chǎn)狀的裂縫的參數(shù)統(tǒng)計(jì)可得：裂縫走向?yàn)?0°～110°，裂縫傾角為70°～90°。

（5）誤差分析

引起裂縫產(chǎn)狀誤差的因素主要為以下3 個(gè)：巖心處理、產(chǎn)狀測量和成像測井。在巖心搬運(yùn)、開筒、清洗等處理流程中，不可避免地會改變巖心及裂縫原始狀態(tài)，這將直接導(dǎo)致裂縫面的產(chǎn)狀變化，影響測量結(jié)果。在測量過程中，定向誤差、不規(guī)則裂縫優(yōu)勢面的選取、儀器讀數(shù)也會造成影響。另外，由于成像測井解釋的對象是井壁，測量對象是巖心實(shí)體，鉆井套管、巖心鋁筒的厚度太大等均會造成成像測井解釋與巖心實(shí)體觀察結(jié)果的不一致。

4 水力壓裂縫形成機(jī)制

4.1 巖相特征及其對裂縫發(fā)育程度的影響

通過對瑪湖凹陷MaJ02 井的295 m 巖心的觀察，根據(jù)礫石大小、排列方式、接觸方式、構(gòu)造結(jié)構(gòu)等條件對百口泉組礫石進(jìn)行巖相劃分，共識別出5種巖石相類型（圖4）。①礫石質(zhì)支撐漂浮礫巖相。富礫碎屑流沉積，多發(fā)育于三角洲根部碎屑流朵體中［22］，主要為粗、細(xì)2 種礫石，較粗的礫石漂浮于細(xì)礫石之間，可視為該巖相的典型識別標(biāo)志，當(dāng)粗礫石含量較高時(shí)，細(xì)礫石充填在粗礫石縫隙中，顆粒之間呈線接觸。②泥質(zhì)支撐漂浮礫巖相。富泥碎屑流沉積，出現(xiàn)在扇三角洲頂部泥質(zhì)含量高的碎屑朵體中，泥質(zhì)含量較高，不同粒徑的礫石漂浮在泥質(zhì)基質(zhì)中，顆粒之間主要為點(diǎn)接觸，偶爾可見礫石的弱定向排列，是該巖相的典型識別標(biāo)志。③砂質(zhì)支撐漂浮礫巖相。富砂碎屑流沉積，反映扇三角洲碎屑朵體中部或水下河道沉積。此巖相的典型識別標(biāo)志為礫石漂浮于粗、巨砂等砂質(zhì)顆粒中，其主要顆粒為砂質(zhì)、礫石2 類，且砂質(zhì)含量高于礫石。④同級顆粒支撐礫巖相。貧泥砂碎屑流沉積，此巖相代表穩(wěn)定水動力條件下牽引流沉積，發(fā)育于碎屑河道、碎屑分支河道上部，礫石分選性與磨圓度均較好，并且顆粒間相互接觸支撐，為該巖相的典型識別標(biāo)志，應(yīng)與礫石質(zhì)支撐漂浮礫巖相區(qū)分開，主要顆粒為中礫巖和小礫巖。⑤多級顆粒支撐礫巖相。該巖相各粒級均有覆蓋，混雜堆積，礫石分選性差，磨圓度低，多級顆粒支撐，中礫之間充填小礫、細(xì)礫和砂，為扇三角洲近岸的洪流沉積，出現(xiàn)于河道的底部，呈厚層塊狀。

通過裂縫與巖相的耦合關(guān)系分析，探討裂縫發(fā)育的影響因素，結(jié)果表明：砂質(zhì)含量越高壓裂縫越發(fā)育，泥質(zhì)支撐漂浮礫巖相裂縫密度較大，為1.243條/m，同級顆粒支撐礫巖相裂縫密度最小，為0.786條/m。

4.2 沉積微相類型對壓裂縫的影響

將沉積微相與裂縫之間建立相關(guān)性，可以看出：前緣席狀砂對水力壓裂縫的響應(yīng)最好，裂縫密度為1.78 條/m，其余依次是水下分流河道、河口壩、遠(yuǎn)砂壩、水上分流河道，水上分流河道對水力壓裂縫的響應(yīng)最差，裂縫密度為0.65 條/m，該結(jié)果與不同巖相的裂縫密度規(guī)律相似，砂質(zhì)含量越高裂縫密度越大。

4.3 工程因素對壓裂縫發(fā)育的控制作用

人工體積壓裂使大規(guī)模壓裂液及支撐劑進(jìn)入地層，應(yīng)力場發(fā)生較大變化，形成的裂縫類型與所處地層垂向應(yīng)力（σv），最大水平主應(yīng)力（σhmax）和最小水平主應(yīng)力（σhmin）的相對大小有關(guān)。瑪湖地區(qū)地層應(yīng)力狀態(tài)為σv＞σhmax＞σhmin，瑪湖礫巖內(nèi)摩擦角為30°～40°。瑪131 井百口泉組最大、最小兩向應(yīng)力差為11～17 MPa，應(yīng)力差較大，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻鼥|西向，該區(qū)的水力裂縫類型主要為張性縫和剪切縫。

（1）張性縫。該類裂縫發(fā)育主要受張應(yīng)力控制，3 個(gè)主應(yīng)力派生的張應(yīng)力應(yīng)等于或大于巖石的抗張強(qiáng)度，張性縫發(fā)育的方向與σv-σhmax方向一致，裂縫面位移方向與破裂面垂直，走向大致為95°，傾角為80°～90°，多以單條出現(xiàn)。裂縫面為不規(guī)則狀，充填程度為全充填或半充填，裂縫面礫石“繞礫”、“穿礫”皆可見，以“繞礫”為主。該類縫主要形成于距離鄰井射孔簇較近的區(qū)域。

（2）剪切縫。根據(jù)庫侖-莫爾準(zhǔn)則，巖石發(fā)生剪切破壞時(shí)，破壞面上的剪應(yīng)力（τ）應(yīng)達(dá)到或超出巖石本身的抗剪強(qiáng)度（C）和作用于該面上由法向應(yīng)力引起的內(nèi)摩擦力（σtg?）之和，?為巖石的內(nèi)摩擦角，方向則與3 種應(yīng)力之間的相對大小有關(guān)，據(jù)此劃分了3 種剪切縫發(fā)育的模式。

①當(dāng)σv＞σhmax＞σhmin時(shí)，為正斷層應(yīng)力機(jī)制，剪切縫為平行于最大水平主應(yīng)力方向的一組共軛高角度縫。

②當(dāng)σhmax＞σhmin＞σv時(shí)，為逆斷層應(yīng)力機(jī)制，剪切縫為平行于水平主應(yīng)力方向的一組共軛低角度縫。

③當(dāng)σhmax＞σv＞σhmin時(shí)，為走滑斷層應(yīng)力機(jī)制，剪切縫為與最大水平主應(yīng)力方向之間的夾角為45°-?的一組共軛垂直裂縫。

根據(jù)裂縫產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該段巖心發(fā)育正斷層應(yīng)力機(jī)制和走滑斷層應(yīng)力機(jī)制的剪切縫。水力壓裂反映了壓裂時(shí)局部應(yīng)力狀態(tài)，裂縫面位移方向與主應(yīng)力方向存在夾角，走向大致為100°，傾角為75°～90°，多為成組出現(xiàn)。均質(zhì)的砂泥巖段裂縫面為平面，非均質(zhì)礫巖段裂縫面多為近平面，充填程度為全充填，裂縫面礫石主要是“穿礫”，極少為“繞礫”，多條裂縫疊加形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，礫石破碎嚴(yán)重，其裂縫密度與距已壓裂井MaHW1248，MaHW1249，MaHW-1244 井的距離相關(guān)，距離越小，裂縫密度越大。

5 結(jié)論

（1）瑪湖凹陷MaJ02水平取心井巖心上的水力裂縫以近直立縫為主，走向?yàn)?0°～110°，傾角為70°～90°。巖心發(fā)育張性縫和剪切縫2 種裂縫，以剪切縫為主，占比為65.8%，多為成組出現(xiàn)，開度較小，為全充填，裂縫面以“穿礫”為主，“繞礫”較少；張性縫占比34.2%，多為單條出現(xiàn)，開度大，裂縫面呈不規(guī)則狀，充填程度為全充填或半充填，裂縫面以“繞礫”為主，多條裂縫疊加而形成縫網(wǎng)破碎帶，增加了致密礫巖儲層的滲流能力。

（2）瑪湖凹陷MaJ02 井下三疊統(tǒng)百口泉組的張性縫是由張應(yīng)力形成的裂縫，剪切縫是由剪切應(yīng)力作用形成，以走滑機(jī)制為主。取心井與已壓裂井距離越近，壓裂段射孔簇間距越小，水力裂縫密度越大；在壓裂工程條件相同的前提下，泥質(zhì)支撐漂浮礫巖相和前緣席狀砂微相裂縫相對發(fā)育，砂質(zhì)含量越高，水力裂縫密度越大。