鄂尔多斯盆地西部志丹‒吴起地区延长组裂缝特征及其控藏作用

Characteristics and Controlling Effect on Hydrocarbon Accumulation of Fractures in Yanchang Formation in Zhidan-Wuqi Area, Western Ordos Basin

摘要

鄂尔多斯盆地西部延长组发育大量裂缝，裂缝的存在对致密油甜点具有良好的指示作用.以鄂尔多斯盆地西部志丹‒吴起地区延长组致密油储层为例，利用大量岩心、薄片、古地磁、测井、产能数据及数值模拟方法，系统研究了致密油储层裂缝发育特征及其控藏模式.结果表明，延长组主要发育垂直裂缝，根据裂缝砂岩厚度制定了裂缝发育程度分类标准；同时，结合裂缝与砂体、构造、油藏的耦合关系及油藏生产现状，系统总结了裂缝对油藏的控制作用.裂缝为延长组致密油藏运聚中良好的疏导体系；河道交汇或转向区域水流能量相对增强，砂岩分选好、脆性大，裂缝发育且利于成藏；低幅构造高点及鼻状隆起区裂缝发育且利于成藏；裂缝带与砂体走向关系耦合形成“平行砂体疏导”裂缝甜点区；裂缝主要发育于中小厚度细砂岩中，累积砂体厚度主要分布在5~15 m范围内；从砂体部位来看，裂缝主要发育于主河道翼部，其与翼部砂体粒度、颗粒可压实空间及厚度变小有关.

关键词

低幅构造 / 裂缝 / 沉积 / 构造 / 甜点 / 致密油 / 石油地质学

Key words

low-amplitude structure / fracture / sedimentation / structure / sweet spot / tight oil / petroleum geology

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组发育致密油藏，油藏孔隙度通常低于12%，渗透率低于1 mD.致密油藏具有强非均质性，油气主要来源于长7段烃源岩.以往针对鄂尔多斯盆地致密油储层甜点的预测主要基于烃源岩、沉积微相、成岩作用及孔隙结构，有关裂缝控藏模式的研究相对较少（王渝明等，2005；赵向原等，2015；刘之的等，2018；吕文雅等，2020；俞礽安等，2020；冯艳伟等，2021）.鄂尔多斯盆地构造相对稳定，主要发育低幅构造，裂缝发育程度较低.但是，随着延长组致密油勘探进程的加快，学者们逐渐认识到延长组发育大量裂缝（赵振宇等，2012；崔玉峰等，2016）.延长组裂缝的发育受沉积、构造及成岩等方面因素的影响（巩磊等，2015；曾联波等，2020a，2022）.沉积及储层性质对致密砂岩裂缝具有显著的控制作用，高脆性、好分选及细粒度砂体更容易发育裂缝（巩磊等，2017）；砂层组及复合砂体的多尺度裂缝发育模式的提出有效解决了低渗致密储层裂缝发育程度难于表征的问题（曾联波等，2020b）；何发岐等（2020）对鄂尔多斯盆地南缘“断缝体”进行了精细刻画，认为断缝体是断裂、脆性岩体破碎带及致密储层的集合.“断缝体”又可被称为“断层相关裂缝储集体”，对致密油气大规模运聚成藏具有重要意义（刘振峰等，2021）；吕文雅等（2021）系统总结了针对致密低渗透砂岩储层的多尺度天然裂缝表征方法.鄂尔多斯盆地致密储层裂缝主要形成于弱构造活动条件下，因而主要发育岩心尺度裂缝及微裂缝，裂缝的存在对致密油气甜点具有良好的指示作用（尹帅等， 2022a， 2022b）.

本文以鄂尔多斯盆地西部志丹‒吴起地区延长组致密油储层为例，利用大量岩心、薄片、测井、产能数据及数值模拟方法，系统研究了延长组致密油储层裂缝发育特征及其控藏模式，对致密油“甜点”预测具有重要指导意义.

1 地质背景

鄂尔多斯盆地为一个大型多旋回克拉通盆地.按现今的构造形态，盆地可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷及西缘逆冲断裂构造带6个一级构造单元（王渝明等，2005）.该盆地边缘地区的褶皱、断裂构造发育，而内部构造简单，每1 km的构造起伏通常小于10 m.研究区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西部志丹‒吴起地区（图1a），该地区构造平缓，主要发育一些小型低幅构造.

研究区沉积单元划分如图1b所示，目的层为延长组长6到长8段.长8油层组沉积时，湖盆一直处于下沉状态，至长7油层组时达到最大埋藏深度，此时陆相湖泊发展到最大规模，深湖相烃源岩在此阶段形成.至长6沉积时期，陆相湖盆逐渐开始收缩，此时，沉降速率小于沉积补偿速率，形成湖盆三角洲建设的主要阶段（曹红霞等，2008；赵振宇等，2012；崔玉峰等，2016）.西部油区延长组长6‒长8段主要发育水下分流河道、分流间湾、河口坝、席状砂、半深湖‒深湖泥微相.

2 延长组裂缝发育特征

露头、岩心及显微薄片中均可观察到延长组中大量裂缝.大‒中尺度裂缝的延伸长度通常在10 m以上；小尺度裂缝的延伸长度通常小于10 m，且肉眼可见；而微尺度裂缝的延伸长度通常小于0.5 mm，肉眼不可见，需通过显微镜观察（曾联波等，2020a）.大‒中尺度裂缝主要影响油藏的聚集，起渗流通道的作用；小尺度裂缝主要起渗流的作用；而微尺度裂缝在储层内部分布众多，是致密储层的重要储集空间，其渗流作用相对较小.小尺度裂缝影响致密油储层初期产能高低，而大‒中尺度裂缝则主要影响油藏中后期剩余油分布规律（曾联波等，2020a）.

2.1　露头及岩心观察裂缝特征

图2a所示为安沟延长组油苗，直立缝出露地表，缝面有明显的油迹，裂缝的延伸规模可到数十米.10口井 196 m岩心的观察结果显示，西部油区延长组主要发育高角度缝及直立缝（图2b~2e）.岩心观测所见裂缝面大多平直光滑，裂缝的尾端具有折尾、菱形结环和菱形分叉等现象.根据裂缝产状分类，岩心观察延长组主要发育垂直缝，占81.4%，斜交缝和水平缝分别占11.6%及7%.若从力学角度来看，低幅构造区裂缝主要发育剪切缝，占80%，其次为张性缝，占20%.垂直缝及斜交缝主要由区域构造剪切作用形成，而层理缝主要为具剥离线理的平行层理在沉积和构造应力综合作用下滑动而形成.统计结果还显示，裂缝主要发育于分流河道及河口坝中岩性较细的细砂岩及粉砂岩中，而分流河道中砂岩、远砂坝、席状砂及分流间湾泥岩中裂缝相对欠发育.

致密砂岩裂缝在常规测井上有一定响应，例如，图3中F899井1 772 m、1 778 m及1 820 m各发育0.5 m厚度裂缝，裂缝的存在主要引起了声波时差及电阻率的增大，且这几个单砂体均解释为油水层.顶部两个砂体产油2 t/d，因而裂缝对油藏富集起到积极作用.

2.2　微裂缝特征

西部油区延长组长6‒长8段储层发育孔隙和微裂缝，孔隙以粒间孔为主（图4a），其次为溶蚀孔，溶蚀孔主要为长石溶孔（图4b）及少量填隙物溶孔（图4c）.各小层均发育有微裂缝（图4d~4f）.微裂缝所占体积非常小，其储集性能有限，主要起疏导作用（Gong et al.， 2019； 孔强夫等，2021）.镜下显微薄片观察结果显示，延长组致密砂岩中的微裂缝多为张开缝，裂缝有效性好（图54、4e）；部分微裂缝被泥质全充填（图4f），裂缝有效性差.

延长组微裂缝多为平直裂缝，延伸距离较长，且常穿过多个颗粒.前人给出了致密砂岩微裂缝类型划分方案（表1），该方案将微裂缝划分为I类、II类及III类（Laubach， 1997）.I型微裂缝通常穿过单个颗粒或多个颗粒，开度较小；II型微裂缝通常分布在单个颗粒内部，为颗粒间相互挤压的结果，开度较大；III型微裂缝为继承性微裂缝，主要受成岩演化作用的影响，无固定形态且主要分布在颗粒内部.

对研究区延长组储层镜下微裂缝观察可知，延长组微裂缝具有表1中I型微裂缝特征.该特征初步说明低幅构造区弱变形岩体中裂缝是在相对较强的挤压环境下形成的，其与目的层多发育剪切缝是匹配的.

2.3　古地磁裂缝方向

利用2G超导磁力仪测量及Magnetic Measurements公司MMTD80热退磁仪器退磁对研究区6口井进行了古地磁实验并确定了裂缝方向.样品退磁温度为12个点：常温、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600 ℃.每个温度档退磁后进行了剩磁测量，对最后期低温粘滞剩磁进行了矢量分析，获得岩心记录到的现代地磁场磁化的粘滞剩磁VRM；由于VRM方向与现代地磁场方向一致，即与地理坐标一致，因此参照岩心裂缝标志线可以得到岩心裂缝方向.古地磁实验结果显示，研究区延长组裂缝主方向为北东40°~70°（图5），部分样品存在北东及北西两组方向.实际裂缝产状主方向在北东50°~70°之间，测试结果的误差在5°~10°之间.

2.4　研究区裂缝发育程度标准

西部油区延长组裂缝发育程度较低且主要发育垂直裂缝，因而本次研究提出了基于裂缝砂岩厚度的裂缝发育程度标准，结果如表2所示.岩石的破裂总是遵循从小规模到大规模的规律，即小尺度裂缝是大量微尺度裂缝相互嵌合的结果，而大‒中尺度裂缝则是大量小尺度裂缝相互嵌合的结果（Jaeger and Cook， 1976；Atkinson and Meredith， 1987；鲁雪松等，2014；周学慧等，2017）.因此该分类标准符合岩石破裂的一般准则，且将致密油储层裂缝发育规模定量化.

3 延长组裂缝控藏模式

3.1　裂缝对致密油运聚的影响

大量研究表明，延长组裂缝形成于燕山期主幕，即晚侏罗世‒早白垩世（165±5 Ma~136 Ma）时期（Zhao et al.，2016；万永平等，2017；邵晓州等，2021）.通常，裂缝形成时期早于或与成藏期吻合，则裂缝可成为油气有效运移通道；反之，裂缝主要其改善储层物性的作用，对成藏影响程度较小.目的层为近源成藏，油气主要来源于长7₃张家滩页岩.大量包裹体研究表明，研究区目的层包裹体的均一温度分布在90~140 ℃范围（冯永春，2010； 何晓波，2017； 李博等，2021）.即油气主要成藏期为早白垩世，具有“一期两幕”特征.由图6可知，研究区目的层裂缝形成时期与主生烃期在时间上基本同步，因而裂缝为延长组近源成藏的重要疏导系统.

西部油区延长组长6‒长8致密油藏无明显油水界面，岩性遮挡形成岩性圈闭，构造对油藏分布起一定辅助作用.延长组致密砂岩油藏主要来源于长7段烃源岩，由于致密储层物性较差，裂缝的存在成为延长组油气高效运聚成藏的良好疏导体系（刘敬寿等，2017；姚淑凡和丁文龙，2018；赵思远等，2021）.裂缝的存在可以引起AC曲线的增大，但其他因素如成岩溶蚀作用、差异压实、超压也可以引起AC曲线的增大.目的层的成岩溶蚀作用非常微弱，溶蚀孔比例通常小于3%，因而成岩溶蚀作用不会造成AC曲线的显著增大.图7展示了F758井纯泥质段AC（GR>100 API）测井曲线及其拟合线（红色虚线），可以看出长6‒长8满足正常压实规律.此外，对于超压来说，其通常会引起AC的增加，但密度曲线不发生显著变化.而观察图7测井曲线可知，AC曲线增加段通常伴随较为显著的密度曲线值的降低，这些特征满足裂缝的测井发育特征.F758井在1 710 m附近发育0.6 m厚度裂缝，产油量为1 t/d.裂缝在西部油区延长组普遍发育，是油气运移的重要疏导体系.

天然裂缝是延长组致密油高效运移及大规模聚集的有效通道.裂缝的发育规模越大、发育程度越高，致密油的富集程度越高.裂缝对致密油的运聚具有显著的影响，主要体现在两个方面：一方面，裂缝提高了致密储层的渗透性，形成长期油气渗流通道，相比裂缝不发育的基质型致密砂岩储层，裂缝使致密储层的渗透率提高了1~2个数量级（图8）.另一方面，目的层中裂缝的垂向发育规模通常在3 m范围内，即裂缝主要发育在砂体内部，通常未发生穿层；因此，天然裂缝在改善储层物性的基础上，通常未破坏致密油上覆盖层的保存条件，致密油得以在致密砂岩中成藏.

地下裂缝本质上是一个三维实体，钻井岩心或成像观察到的裂缝仅为一井之见，且钻井能钻遇裂缝的概率其实十分低.垂直裂缝在地下无论是顺着垂直还是水平方向均有一定延伸范围.此外，延长组不仅发育垂直缝，还发育一些水平层理缝或层理面，均受岩层所控制.Laubach （1997）研究认为，对于垂直缝发育的致密砂体，地层的力学稳定性变差，易于发生水平滑动；进而顺着层理面形成层理缝.这种水平层理缝类似于不整合弱面，对于弱面两侧岩体，一旦其发生滑动或“滑移位错”便无法完全齿合，致密砂体内部顺层理方向会形成一类相对较强的油气疏导通道.总之，水平层理缝或层理面与垂直缝相互嵌连，会在地下形成复杂裂缝网络，从而促进油气在砂体内部纵横方向上的高效运移.

从目前压裂产层的产能情况来看，在工区裂缝主要发育在长6₁到长6₃及长8₁（图9），而该工区目前主要开发的层位为长8₁.图9中除69-1井外，其他各井压裂生产层均有裂缝发育且获得了产能.69-1井长8₁不发育裂缝，该井压裂段日产油0 m³，日产水1.3 m³.

3.2　河道交汇或转向区裂缝特征及其控藏作用

研究区长6‒长8油层组在纵向上发育多期河道砂体及泥岩叠置，形成多期有效岩性圈闭，油气通过高渗砂岩及裂缝疏导体系在多期圈闭中充注成藏（Yin et al.， 2018a；Mahmoodi et al.， 2019）.裂缝的普遍发育造成西部油区延长组具有纵向多层段普遍含油特征.图10所示研究区W区块长8物源主要来自于东北方向，砂体由东北向西南方向展布.长8₁属三角洲前缘亚相，河道摆动较为频繁，河道交汇或转向区域水流能量相对增强，砂岩分选好、脆性大.因此，这些部位的砂体在构造活动条件下易于破裂形成裂缝（图10a）.长8₁砂体展布与油藏耦合关系分析结果也显示，河道交汇或转向区易于大规模成藏（图10b）.此外，河水侧向冲刷及裂缝均使致密储层物性得到一定程度改善.

3.3　低幅构造高点裂缝特征及其控藏作用

西部油区延长组长6‒长8主要发育岩性‒构造圈闭，低幅构造圈闭规模较小，主要分布在1~ 6 km².研究区延长组低幅构造的主要特征为沿着水平方向每千米距离间的构造起伏只有10~15 m.类比强变形构造区，延长组的构造挤压环境相对较弱，所形成的裂缝的发育规模也相对较小（裂缝垂向延伸<3m）.

对于裂缝与区域构造之间的关系而言，以图11展示的W区块为例进行阐述.从构造线的密集程度可以判断，该地区中部及东南部构造起伏度要明显高于西部区域.中部鼻状构造及低幅隆起的范围较大，东南部区域地层变形强度较大.延长组裂缝主要发育于东南部及西北部低幅隆起及鼻状构造区域，且具有沿着北东方向展布的趋势（图11a）.

此外，从局部构造起伏与裂缝发育程度的角度来看，裂缝发育程度与局部低幅构造的变形程度有密切的关系.图11a显示，裂缝主要分布在具有较大变形程度的低幅隆起及其相邻区域；因此，对于低幅构造区，无论区域构造还是局部构造，都对裂缝的发育程度有显著的影响.分析低幅构造、裂缝与油藏的耦合关系可知，油藏分布与裂缝发育区基本匹配（图11b）；表明在高渗砂体及裂缝疏导基础上，低幅构造高点及鼻状隆起对油藏分布进行了再调整.

3.4　裂缝带与砂体“平行疏导”耦合及其控藏作用

W区块东南部构造变形强度最大，且砂体厚度较大、脆性高，这是目的层中裂缝发育的重要因素，且裂缝主要沿着河道分布.图12a为以实际裂缝砂岩厚度为约束，并利用空间曲面插值和趋势面法结合有限元计算获得的W区块长8₁裂缝平面分布.目的层模型共有8 346个关键点，网格单元为四面体.根据三轴实验测试，目的层砂体初始杨氏模量设计为25 GPa，泊松比设计为0.233.此外，目的层裂缝主要形成于燕山期，鄂尔多斯盆地不同区域在燕山期的挤压应力轨迹是不同的，盆地西南部区域主压应力偏NE向，而其他区域主压应力偏EW向及NWW向 （Zhao et al.，2016； 万永平等，2017； Yin et al.，2018b；邵晓州等，2021）.研究区在燕山期的挤压应力环境为NWW向，该应力作用下形成了NE45°及NW45°两组裂缝，NE45°裂缝发育程度高，因此设计水平最大主应力加载方向为NWW向.参考前人有关鄂尔多斯盆地燕山期应力环境的研究，设置水平最大主应力为140 MPa，水平最小主应力为80 MPa （Zhao et al.，2016； 万永平等，2017； Yin et al.，2018a；邵晓州等，2021）.

裂缝指数F是基于弱变形岩体应变能原理求取，其地质意义为岩石内部应变造成的能量集聚超过自身剪切能量强度的临界破裂能量值.由于参数F以岩体变形集聚能量并发生破裂为物理基础，因此可以用来描述裂缝的发育程度（Jaeger and Cook.， 1976）.裂缝指数F的表达式为：

F = \frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}E} \left[({\sigma }_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+{\sigma }_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}+{\sigma }_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}})-\mathrm{2}\upsilon ({\sigma }_{\mathrm{1}}{\sigma }_{\mathrm{2}}+{\sigma }_{\mathrm{2}}{\sigma }_{\mathrm{3}}+{\sigma }_{\mathrm{3}}{\sigma }_{\mathrm{1}})\right]，(1)

式中，σ ₂、σ ₂及σ ₃分别为立方体受力单元中3个彼此正交面上的应力值，E为杨氏模量， ν为泊松比.

裂缝指数＞1时认为岩体发生了破裂，即裂缝发育区（图12a）.该临界值是通过将F值与裂缝实际发育程度进行综合对比后统计得出的，当F值低于1时，通常不发育裂缝；当F值介于1~1.2时，裂缝厚度通常介于0~0.5 m.因此本文定义当F大于1时岩体发生破裂.可以看出，裂缝带主要分布在研究区东南部地层强变形带，且裂缝带走向与砂体展布及构造线均基本平行（图10，图11）.一般来说，如果裂缝带将油藏垂向切割，则裂缝带一侧的上倾盘圈闭更利于油藏的富集（田巍等，2014）.显然，该地区裂缝带与砂体之间为“平行砂体疏导”关系，即裂缝带两侧圈闭均可大规模聚集油气（丁文龙等，2015）.

整体而言，延长组油藏的形成及分布与裂缝带的走向及分布具有密切的关系.裂缝发育带易于形成高产裂缝“甜点区”，油藏沿裂缝带大规模充注、区域性成藏，局部点成藏.裂缝甜点被划分为I类有利区、II类有利区及III类有利区（图12b）.3种类型裂缝甜点与表2所划分的3类裂缝类型是一致的.I类有利区裂缝发育程度较高，裂缝的连通性较好；II类有利区裂缝相对孤立，裂缝发育程度降低.I及II类有利区主要发育岩心裂缝，而III类有利区裂缝发育程度显著降低，主要发育微裂缝.因此，从油气运聚的角度来看，岩心缝相对发育的I类及II类有利区更利于成藏及获得高产，III类有利区中微裂缝对储层物性有一定程度改善，微裂缝是III类有利区储层成藏的必要非充分条件.

3.5　裂缝控藏模式

结合裂缝与砂体、构造、油藏的耦合关系及油藏生产现状，系统总结了裂缝对工区延长组油藏聚集的影响作用（图13）.从裂缝发育程度与岩性的关系来说，裂缝主要发育于中低厚度细砂岩岩性中，砂体厚度主要分布在5~15 m范围内.河道交汇或转折处、河口坝砂体中裂缝相对发育，而前缘相席状砂微相砂中裂缝相对欠发育.统计结果显示，河口坝微相砂体厚度主要分布在10~ 15 m，而席状砂微相砂体厚度主要分布在5~ 15 m，河口坝微相砂体最厚.河口坝微相区域水动力强，砂体较纯，泥质组分含量低，砂体脆性大，因此在应力作用下破裂程度高，砂体裂缝发育.而席状砂微相区域水动力条件相对较弱，泥质组分含量高，岩石脆性低，因此裂缝相对欠发育.

从裂缝发育的砂体部位来看，裂缝主要发育于主河道翼部；主河道中部物性好，裂缝发育程度低，而由中部到翼部，砂体粒度变细、物性由好变差，岩石颗粒可压实空间变小，易于发生破裂（胡勇等，2014； Zhang and Zhang， 2017；Yin et al.， 2020）.河道翼部砂体厚度小，裂缝发育规模与砂体厚度负相关（图14）.整体研究认为，主砂体翼部裂缝较为发育，进而使砂体更容易优先被油气充注（图13）.河道中部由于裂缝不发育，叠置高渗砂体是主要的油气疏导体系.

4 结论

（1） 鄂尔多斯盆地西部志丹‒吴起地区延长组发育垂直裂缝，根据裂缝砂岩厚度提出了裂缝发育程度分类标准.同时，结合致密油裂缝与砂体、构造、油藏的耦合关系及油藏生产现状，建立了研究区延长组裂缝控藏模式.

（2） 裂缝为延长组致密油藏提供了良好的疏导体系；河道交汇或转向区域水流能量相对增强，砂岩分选好、脆性大，裂缝发育且利于成藏；低幅构造高点及鼻状隆起区裂缝发育且利于成藏；裂缝带与砂体走向关系耦合形成“平行砂体疏导”裂缝甜点区.

（3） 裂缝主要发育于中小厚度细砂岩中，累积砂体厚度主要分布在5~15 m范围内；从砂体部位来看，裂缝主要发育于主河道翼部，其与翼部砂体粒度、颗粒可压实空间及厚度变小有关.

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基金资助

延长油田开发部项目(ycsy2018ky-B-04)

国家自然科学基金面上项目(42072173)