鄂尔多斯盆地三边地区延长组7段致密砂岩储层裂缝分布特征及有效性评价

Fracture Distribution Characteristics and Effectiveness Evaluation of Tight Sandstone Reservoir of Chang 7 Member in Sanbian Area, Ordos Basin

摘要

致密砂岩储层基质物性极差，天然裂缝的发育为油气的运移与聚集提供渗流通道和储集空间，有效裂缝的分布明显改善了致密储层储渗性能和单井产量.利用岩心、薄片、测井资料及相关实验分析，对鄂尔多斯盆地三边地区延长组7段致密砂岩储层天然裂缝的成因类型、发育特征与分布规律进行表征，对裂缝有效性进行评价，并分析了影响裂缝有效性的主控因素.研究区宏观裂缝主要发育类型为构造裂缝，部分岩心可观察到成岩裂缝，微观裂缝以穿粒缝为主.裂缝的发育程度受岩性、岩石力学层及成岩相等因素控制.利用裂缝充填程度与裂缝开度两个参数对裂缝有效性进行评价.裂缝形成时间、成岩作用、裂缝产状与现今地应力关系等因素控制裂缝有效性.受成岩作用影响，胶结作用降低裂缝有效性，溶蚀作用提高裂缝有效性；晚期形成的裂缝比早期形成的裂缝有效性好；研究区发育近东西向、北西‒南东向、近南北向、北北东‒南南西向和北东东‒南西西向5组裂缝，其中北东东‒南西西向裂缝与现今应力场最大主应力方向平行，开度最大，有效性最好；其次为北北东‒南南西向和近东西向裂缝，近南北向和北西‒南东向裂缝与现今应力场最大主应力方向呈高角度相交或近垂直，裂缝开度相对较小，有效性较差.

关键词

三边地区 / 致密砂岩 / 裂缝类型 / 控制因素 / 裂缝有效性 / 石油地质学

Key words

Sanbian area / tight sandstone / fracture type / controlling factor / fracture effectiveness / petroleum geology

0 引言

随着我国常规油气不断开采，非常规油气逐渐成为接替资源，是目前油气能源勘探开发的新兴领域，包括煤层气、致密油气、页岩油气及天然气水合物等（孙龙德等， 2019）.鄂尔多斯盆地由于经历多期构造及成岩作用，使延长组成为典型的致密储层，其储层物性差、岩石脆性高、非均质性强，利于天然裂缝的形成.天然裂缝是储集层油气运移的主要渗流通道，能增大油气储集空间，给致密储层油气成藏及勘探开发提供了重要保障（高帅等， 2015； Gong et al.， 2019a）.

前人对鄂尔多斯盆地储层裂缝做了很多研究，包括裂缝类型、特征、主控因素及裂缝预测等（曾联波等， 2007； Zeng et al.， 2012； 巩磊等， 2018； Gong et al.， 2019b， 2021a），但对于裂缝的有效性研究较少.只有有效裂缝才能对储集层起到储集空间和渗流通道的作用，而无效裂缝则不能起到渗流或者储集的作用.无效裂缝不但对储集层没有任何贡献，反而减少了储集层的空间及油气的渗流通道，对油气运移起到阻碍作用（曾联波等， 2012； 赵振峰等， 2014； 鞠玮等， 2020a； 王杰等，2022）.裂缝形成以后往往被矿物充填，变为无效裂缝，但有些无效裂缝也可通过后期溶蚀作用或者构造作用等重新开启，变为有效裂缝（赵向原等， 2017a）.天然裂缝的有效性受构造作用和成岩作用之间的耦合关系、裂缝倾角、裂缝走向与现今地应力方位关系等众多因素影响（巩磊等， 2015； 王珂等， 2018； 毛哲等， 2020； Gong et al.， 2021b）.因此，明确致密储层裂缝分布特征，建立裂缝有效性定量评价方法，阐明影响裂缝有效性的控制因素及裂缝有效性演化，对致密储层甜点预测和有利区评价具有重要指导作用（Zeng and Li， 2009）.

1 地质背景

鄂尔多斯盆地经历多期构造挤压、隆起、抬升等作用，到侏罗纪末期逐渐形成克拉通盆地.盆地为西倾单斜构造，整体构造稳定，构造布局为鼻状隆起，地层倾角小于1°.鄂尔多斯盆地包括6个构造单元，三边地区位于伊陕斜坡构造单元中西部，自西向东包括定边、安边和靖边3个地区（周新平等， 2021）.

三边地区三叠系延长组经历了大型湖盆的形成、鼎盛、衰亡过程，油气资源丰富.沉积体系为湖泊三角洲为主的陆源碎屑沉积岩相，顶底呈假整合接触，根据沉积、岩性、电性等特征，延长组地层划分为长1段‒长10段（赵向原等， 2015）.长7段为主要的湖盆扩张期，湖盆面积大，湖水深，沉积体系为深湖‒半深湖相（赵向原等， 2015）.长7段主要岩石类型为长石砂岩和长石岩屑砂岩，粒度为极细‒细粒，其次为细‒中粒，分选程度中等.磨圆度主要为次棱角状，接触方式为线接触，孔隙类型主要为长石溶蚀孔.由于受到沉积及成岩作用影响，岩石较为致密，岩石力学性质非均质性强，孔隙度在10%左右，渗透率一般小于1× 10^-3 μm²（罗晓容等， 2016； 任大忠等， 2016；Lyu et al.， 2019）.长7段是鄂尔多斯盆地典型的致密砂岩储层，也是天然裂缝发育的最佳场所.

2 裂缝分布特征及分布规律

通过对三边地区23口井1 066.52 m钻井岩心的裂缝描述、100余张铸体薄片的镜下观察以及35口井成像测井裂缝识别与统计，对三边地区天然裂缝成因类型、发育特征及控制因素进行分析.

2.1　裂缝类型

研究区裂缝根据地质成因可划分为构造裂缝和成岩裂缝2类，其中高角度构造裂缝较为发育.根据力学成因，构造裂缝又可分为张性裂缝与剪切裂缝，研究区以近直立张性裂缝为主，约占裂缝总数量的73%，剪切裂缝约占27%.张性裂缝面不平整，没有擦痕，部分裂缝被矿物充填；张性裂缝大多受岩石力学层控制，延伸较短，裂缝近直立（倾角近90°），与层理面近垂直（图1a、1b）.剪切裂缝面较为光滑，可观察到明显擦痕现象，通常以共轭的形式成对出现，两组剪切裂缝形成的锐角平分线指示最大主应力方向；剪切裂缝不受岩石力学层控制，可切穿多个岩石力学层，裂缝延伸较大，裂缝倾角以中‒高角度为主（图1c）.

根据构造裂缝与层理面的几何关系，可将构造裂缝分为层控裂缝和穿层裂缝.其中层控裂缝受岩石力学层控制，发育在单个岩性层内，终止于岩石力学性质较弱的岩性界面（图2a），裂缝高度与岩层厚度相同，裂缝之间相互平行，近等间距分布.穿层裂缝一般切穿层理，贯穿多个岩石力学层（图2b），终止于脆‒塑性层界面，多由层控裂缝通过垂向连通发育而成，或受到较大的构造应力直接形成穿层裂缝.穿层裂缝走向与层控裂缝近平行，裂缝延伸较长，倾角较大.岩心观测发现研究区主要发育层控裂缝，在同一岩石力学层或同一岩性层内发育.

成岩裂缝是指岩石在形成过程中由于受到压实、胶结等成岩作用而形成的裂缝，研究区成岩裂缝主要表现为层理缝.层理缝主要受原始沉积纹理控制，主要发育在细砂岩和泥质粉砂岩中，后期构造抬升、超压及成岩作用有利于层理裂开形成层理缝（鞠玮等， 2020b）.层理缝沿层理面发育，缝面凹凸不平，裂缝规模小，横向连续性差，裂缝长度主要分布在5~8 cm之间，但其裂缝密度大，局部层段裂缝间距可低至1~3 cm，裂缝线密度可达35.67条/m；除少部分层理缝被沥青或泥质充填外，绝大多数层理缝为有效裂缝，在多口井的层理缝中观测到油斑渗出（图3a、3b），具有较好的含油性，勘探成果证实单井产能与层理缝密度具有很好的正相关性（鞠玮等， 2020b），说明层理缝也可以是一种有效的储集空间.

微观裂缝指只能用显微镜观察到的裂缝.微观裂缝可以在颗粒内部、相邻颗粒之间和多个颗粒之间形成，即粒内缝、粒缘缝以及穿粒缝3类（吕文雅等， 2020）.研究区微观裂缝较为发育，其中以穿粒缝为主，粒内缝及粒缘缝发育较少.

穿粒缝规模大，延伸长，开度大，切穿多个矿物颗粒（图4a），部分穿粒缝被石英或方解石充填.粒内缝主要发育在点‒线接触的石英、长石等矿物颗粒或岩石碎屑内部（图4b），一般不切穿矿物颗粒，方位复杂多变，不具备统一性，多数与颗粒接触面近垂直.粒缘缝又叫粒间缝，主要在石英或长石等矿物颗粒边缘发育（图4c）.粒内缝及粒缘缝规模及开度都比较小，主要受机械压实作用及压溶作用影响，属于成岩裂缝，粒内缝与粒缘缝是沟通基质孔隙和粒内溶孔的重要通道（Zeng et al.， 2022）.微观裂缝可以提高地下流体的流动性及储层质量，为形成宏观裂缝提供基础，也对提高储集层的孔隙度和渗透率做出贡献.

2.2　裂缝分布特征

根据成像测井资料解释及微层面定向对裂缝产状分析，研究区共发育5组裂缝，包括近东西向、北西‒南东向、近南北向、北北东‒南南西向和北东东‒南西西向，其中以北北东‒南南西向为主（图5a）.对钻井岩心裂缝产状的测量及成像测井资料裂缝倾角的解释表明，研究区主要发育高角度裂缝，约87%的裂缝倾角大于70°（图5b），其中张性裂缝主要为高角度‒近直立裂缝，剪切裂缝倾角以中高角度居多.

根据钻井岩心裂缝观察和成像测井裂缝识别，研究区裂缝线密度主要分布在0.5~2.5条/m，平均为1.06条/m；裂缝面密度主要分布在0.3~3.0 m/m²，平均为0.85 m/m².微观裂缝面密度主要分布在0.2~0.8 mm/mm²之间，其中穿粒缝平均面密度为0.43 mm/mm²，粒缘缝和粒内缝平均面密度为0.35 mm/mm².由于岩石力学层控制裂缝延伸高度，研究区构造裂缝高度一般分布在5~40 cm，在岩心上观测最高达4.8 m，裂缝总体的高度显示幂律分布或对数正态分布.

2.3　裂缝分布控制因素

岩石岩性、矿物成分、岩石力学层及成岩相等因素都对裂缝的发育起到一定的控制作用.由于不同岩石矿物成分不同，其脆性指数、弹性模量、泊松比等参数不同，从而导致了在相同地应力条件下裂缝形成的难易程度不同，裂缝发育程度也存在较大差异（巩磊等， 2017； 高帅等， 2020）.根据岩心统计，裂缝在砂质岩类中的发育程度高于泥质岩类，其中粉砂岩中裂缝最发育，钙质细砂岩及细砂岩次之，粉砂质泥岩中裂缝发育程度较砂岩类差，裂缝在泥岩中的发育程度最低（图6）.根据X射线衍射全岩矿物分析，石英、长石、碳酸盐矿物及黏土矿物为研究区储层岩石中主要矿物成分，其中石英含量为20%~45%，长石含量为20%~50%，碳酸盐矿物含量为10%~40%，黏土矿物含量为5%~40%.统计发现，裂缝的发育程度与石英、长石及碳酸盐矿物等刚性矿物颗粒含量呈正比（图7a），与塑性矿物颗粒含量如黏土矿物等呈反比（图7b）.

岩石力学层是指岩石力学性质相同或相近的岩性层.岩石力学层由岩石力学单元和岩石力学界面组成，可以是一套岩性层，也可以由多组岩性层组成（巩磊等， 2018； 曾联波等， 2020）.在层状岩石中，天然裂缝的发育受岩石力学层控制，裂缝主要发育在能干性强的岩石力学单元中，而在能干性较弱的泥岩等岩石力学单元中，裂缝发育程度较差（Gross and Eyal， 2007）.岩石力学界面对裂缝的发育起到一定的限制作用.层理面、泥岩夹层、沉积间断面及冲刷面等层面都可以成为岩石力学界面（曾联波等， 2020）.根据研究区野外露头中不同界面对裂缝纵向延伸的限制情况，将岩石力学界面分为纹层界面、层系界面、层系组界面及泥岩夹层4种力学界面（图8）.纹层界面主要控制了微观裂缝发育，裂缝长度为毫米级，由于裂缝开度与长度较小，微观裂缝主要作用为增大储集层空间；层系界面主要控制了小尺度裂缝发育，裂缝延伸较短，一般小于 20 cm，终止于层系界面的裂缝占比约43%，小尺度裂缝主要起到渗流通道与储集空间的作用；层系组界面主要控制了中尺度裂缝的发育，裂缝长度在20~50 cm之间，终止于层系组界面的裂缝占比约56%，中尺度裂缝主要起渗流通道作用；泥岩夹层控制大尺度裂缝发育，大尺度裂缝可跨穿多套岩石力学层，裂缝延伸长度取决于两套泥岩夹层之间的厚度，终止于泥岩夹层的裂缝占比高达90%，只有少量裂缝穿过泥岩夹层，但终止于泥岩隔层，大尺度裂缝是油气运移的主要通道.

在成岩过程中，由于受到构造运动、沉积作用及压实、溶蚀、胶结等成岩作用的影响，岩石在成岩过程中形成不同的岩相，成岩相对裂缝的发育也有一定的影响.研究区致密储层可划分为4种主要岩相类型：钙质砂岩相、溶蚀性砂岩相、富软杂基砂岩相及泥岩相（宿晓岑等， 2021）.对研究区岩心的观察显示，钙质砂岩相裂缝发育率最高，主要分布在25%~55%之间，平均为40%；但由于在成岩过程中受到胶结作用，方解石呈基底式或孔隙式胶结，使裂缝中孔隙减小，充填性增高，有效性变差.溶蚀性砂岩相裂缝发育率次于钙质砂岩相，主要分布在15%~42%之间，受溶蚀作用影响裂缝开度较大，充填性较低，裂缝有效性好；同时溶蚀作用可提高储层孔隙度，促进裂缝发育，提高裂缝连通性.富软杂基砂岩相裂缝发育率在15%~35%之间，主要受压实作用影响而发生塑性变形，有效性较差.泥岩相裂缝发育率小于20%，裂缝发育程度最差（图9）.

3 裂缝有效性评价

3.1　裂缝有效性评价

根据裂缝中矿物的充填程度，可将裂缝分为未充填裂缝、半充填裂缝和全充填裂缝3类.在半充填裂缝中，矿物对裂缝壁起到一定的支撑作用，使裂缝具有一定的渗透空间，因而半充填裂缝与未充填裂缝都属于有效裂缝，全充填裂缝则属于无效裂缝.通过钻井岩心观察对裂缝充填性进行描述，发现研究区充填裂缝占比77.10%，半充填裂缝占比19.66%，全充填裂缝占比3.24%，有效裂缝占比高达96.76%（图10），对储层中油气的运移与储集提供了有效空间.其中未充填者中张性裂缝占比59.30%，半充填者占比5.82%，全充填者占比0.88%，张性裂缝充填矿物主要为方解石，部分充填或半充填裂缝中见少量石英，有些矿物在成岩过程中发生溶蚀或次生加大作用，增大裂缝孔隙度，提高储层的渗透性；剪切裂缝充填程度较高，全充填者占裂缝总数的2.36%，有效性较差.研究区微观裂缝充填性较差，有效性好，被石英和方解石全充填微裂缝占比7.50%，未被充填微裂缝占比92.50%.

裂缝张开程度决定裂缝所起储集和渗透作用的大小，是裂缝有效性评价的重要参数.宏观裂缝开度可以利用塞尺直接在岩心上量取，或通过成像测井资料解释确定；微观裂缝开度可在镜下进行测量.受地层压力作用影响，岩心实测裂缝开度要比裂缝在地下开度大.通过岩石物理模拟实验结果恢复校正，结合测井资料解释，计算岩心裂缝地下围压状态下裂缝开度（冯建伟等， 2011）.计算结果表明，研究区恢复至地下围压条件下的宏观裂缝开度主要分布范围是60~ 100 μm，少数裂缝开度可达到150 μm，平均宏观裂缝开度为75.9 μm；微观裂缝开度主要集中在10~30 μm，平均微观裂缝开度为21.2 μm（图11）.

3.2　裂缝有效性演化序列

根据岩心观察，在同一块岩心上发现两条相交裂缝，未被充填裂缝的延伸被方解石充填裂缝限制，说明这两条裂缝并非同一时期形成，被方解石充填裂缝的形成时间早于未被充填裂缝，晚期形成的裂缝有效性要好于早期.通过声发射实验，发现研究区岩石具有2个Kaiser效应点，表明研究区地层主要经历了两次破裂事件（邓虎成等， 2009）.结合研究区构造演化史，鄂尔多斯盆地延长组经历了燕山运动与喜马拉雅运动，裂缝主要形成时期为侏罗纪末期（燕山期）与白垩纪末期‒古近纪（喜马拉雅期）（邓虎成等， 2009； 高帅等， 2015）.燕山运动晚期，地层经历构造抬升，水平挤压应力场方向为北西西‒南东东向（图5a），延长组埋藏深度增大，发育2组共轭剪切裂缝；由于受到岩石力学性质非均质性影响，北西‒南东向地层抗剪强度大于应力场强度，致使北西‒南东向裂缝发育程度小于近东西向.后期受印度板块与欧亚板块运动影响，喜马拉雅期构造应力场发生转变，表现为北北 东‒南南西向水平挤压特征，发育北北东‒南南西向（张性裂缝）、北东东‒南西西向（剪切裂缝）和近南北向3组（剪切裂缝）裂缝；同样在岩石非均质性影响下，各方向裂缝发育程度存在差异，其中在该时期以北北东‒南南西向张性裂缝为主.

通过流体包裹体实验，对裂缝中充填矿物形成时期古温度进行测量，确定裂缝形成期次及充填序列（冯艳伟等， 2021）.裂缝中包裹体较为发育，在同一薄片上的两条裂缝中均观测到包裹体，一条裂缝中的包裹体以包裹体群分布，荧光颜色为黄白色，另一条裂缝中烃类包裹体则发蓝白荧光；根据裂缝的相互关系推断，发黄白色荧光包裹体比发蓝白色荧光包裹体形成时间早.选择与烃类包裹体形成时期相同的盐水包裹体进行温度测量，研究区流体包裹体的均一温度主要分布在50~70 ℃和100~120 ℃这两个区间范围内，说明裂缝中的矿物主要由两个时期充填（图12）.结合鄂尔多斯盆地延长组埋藏史曲线，研究区第一期裂缝为侏罗纪末期‒白垩纪早期充填，充填矿物为方解石，第二期为白垩纪末期石英充填.

3.3　裂缝有效性控制因素

胶结作用是对裂缝孔隙的充填，能显著降低裂缝的物性，是影响裂缝有效性的主要因素.对两期裂缝的胶结物进行分析后认为研究区主要经历两次胶结作用.第一期胶结作用时期为侏罗纪末期‒白垩纪早期，由于地层压力增大产生强烈压实作用，致使方解石沉淀.到白垩纪晚期，由于不稳定矿物颗粒溶解，沉淀析出次生加大石英，为第二期胶结作用（郭轩豪等， 2021）.两次胶结作用主要发生在燕山运动期，因此第一期形成的构造裂缝经历了胶结作用的主要时期，裂缝几乎都被石英及方解石等矿物充填，裂缝有效性较低；而第二期构造裂缝形成于喜马拉雅时期，错过了研究区胶结作用期，裂缝充填性差，有效性高.因此，早期形成的裂缝经历的胶结作用时间长，裂缝充填性高，有效性低.而晚期形成的裂缝充填性低，裂缝有效性要好于早期形成的裂缝，为油气的运移与储集提供更大的空间（王珂等， 2018；毛哲等， 2020； 王斌等，2021）.

研究区溶蚀作用广泛存在，是有效裂缝形成的关键因素.溶蚀作用可以降低裂缝的胶结程度，沿裂缝分布形成溶蚀孔洞（图4b、4c），改善裂缝孔隙度及渗透率，提高裂缝有效性.研究区溶蚀作用发生在压实作用晚期，而晚期形成的裂缝在溶蚀作用下产生大量次生孔隙，使形成的裂缝大多呈张开状态，溶蚀作用越强，裂缝有效性越好.由于白垩纪晚期发生油气充注，裂缝中有机酸含量增加，溶蚀作用增强，增大裂缝孔隙，进一步提高了裂缝的有效性（曾联波等， 2012； Gong et al.， 2021a）.

现今构造应力场方向也是影响裂缝有效性的因素之一.现今应力场通过控制储集层裂缝的张开程度来影响裂缝渗透率.储集层裂缝走向与现今构造应力场方向近垂直时，裂缝开度较小甚至呈现闭合状态，连通性差，有效性低，试油产能较低；储集层裂缝走向与现今构造应力场方向近平行时，裂缝开度大，连通性好，渗透率高，裂缝有效性好，试油产能也相对较高（Laubach et al.， 2004； 周新桂等， 2012； 王珂等， 2018； 毛哲等， 2020）.由于半充填裂缝并未完全阻碍油气的运移与储集，并对裂缝的开启有支撑作用，所以半充填裂缝有效性不受现今应力场方向影响.根据成像测井资料解释，研究区诱导缝主要发育方向为北东东‒南西西向，即研究区现今构造应力场最大主应力方向为北东东‒南西西向（巩磊等， 2015； 赵向原等， 2017b）.北北东‒南南西向裂缝与现今应力场最大主应力方向近平行，裂缝开度大，有效性好，近东西向及北东东‒南西西向裂缝与现今应力场最大主应力方向呈低角度相交，裂缝开度较大，有效性较好；而近南北向与北西‒南东向裂缝与现今应力场最大主应力方向呈高角度相交或近垂直，裂缝开度小，有效性差（图13）.

4 结论

（1）三边地区储层裂缝较为发育，主要裂缝类型为构造裂缝，成岩裂缝表现为层理缝，岩石力学层控制的层控裂缝与穿层裂缝较发育，微观裂缝以穿粒缝为主.研究区裂缝走向以NNE-SSW向为主，裂缝倾角较大，裂缝线密度主要分布在0.5~2.5条/m，裂缝面密度主要分布在0.3~3.0 m/m²，微观裂缝面密度主要分布区间为0.2~0.8 mm/mm²，研究区构造裂缝高度一般分布在5~40 cm.

（2）裂缝的发育程度受岩石矿物成分、岩石力学层及成岩相等因素控制.裂缝发育程度与刚性矿物含量呈正相关关系；裂缝延伸高度受岩石力学层控制，裂缝主要发育在能干性强的岩石力学单元中，不同类型岩石力学界面控制不同尺度裂缝发育；钙质砂岩相及溶蚀性砂岩相裂缝发育率较高，富软杂基砂岩相次之，泥岩相裂缝最不发育.

（3）裂缝的充填性与开度是评价裂缝有效性的关键因素，研究区裂缝充填性差，开度大，有效性好.裂缝的有效性受裂缝形成时间、成岩作用、裂缝产状与现今地应力关系及构造运动等因素影响，晚期发育的裂缝比早期形成的裂缝有效性好；受成岩作用影响，胶结作用降低裂缝有效性，溶蚀作用提高裂缝有效性；研究区现今应力场最大主应力方向为NEE-SWW向，储集层大部分裂缝走向与现今应力场最大主应力方向呈低角度相交或近平行，裂缝有效性好.

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基金资助

国家自然科学基金项目(42072155)

黑龙江省优秀青年科学基金项目(YQ2022D006)

黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划(UNPYSCT-2020147)