扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式:以泌阳凹陷东南部古近系核三段为例

Fracture development mode in fan delta front unconventional tight oil reservoirs: A case study of Paleogene He-3 in southeastern Biyang Depression

摘要

泌阳凹陷东南部位于古湖盆短轴陡坡一侧,发育牵引流驱动的扇三角洲前缘复杂沉积体系,不同类型砂体中裂缝的定量刻画对非常规致密油勘探开发具有重要指导作用。该地区古近系核桃园组三段属典型的“凹中隆”背景下的扇三角洲前缘沉积,目前对于该类沉积及构造背景下的天然裂缝发育规律的认识仍存在不足。本文以该地区核三段从Ⅱ到Ⅵ砂组非常规陆相致密油储层为例,利用大量岩心、物性、常规、成像测井资料和数值模拟方法,系统研究了致密砂岩储层裂缝特征及分布规律,提出了该地区扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式。研究结果表明,岩性、砂体厚度、沉积作用和构造均对致密砂岩储层裂缝分布有显著的控制作用。薄层单砂体或其复合砂体中更容易发育裂缝,当单砂体厚度大于6 m时,砂体中裂缝通常相对欠发育。裂缝主要发育于水下分流河道前缘、侧向加积河道单翼、河口坝和远砂坝中。将河道类型划分为均质河道和非均质河道。侧向快速堆积形成的非对称型非均质河道中砂体叠置厚度较大,可超过18 m,裂缝较为发育;对于均质河道前缘,即靠近扇三角洲前缘河口坝微相区域,其在垂向上通常发育于靠近河口坝顶部的沉积序列中,代表较强的水动力条件,裂缝也较为发育。裂缝与油气聚集有密切的关系,工区核三段裂缝主要形成于新近系坳陷期。通过DFN离散裂缝模拟,恢复了主力小层裂缝三维空间展布。结果显示,核三段主要发育E-W和NE向两组共轭裂缝,且局部以发育其中一组为主,这些裂缝多平行或垂直于隆起构造痕线分布。天然裂缝在背斜低部位和翼部相比顶部更为发育。此外,多条共轭剪切缝相交或同走向一侧单翼裂缝相连接可形成“裂缝嵌合带”,其可能为压驱过程中长距离水窜产生的直接诱因,因而在后期压驱中要规避“裂缝嵌合带”。

关键词

泌阳凹陷 / 非常规致密油储层 / 沉积 / 构造 / 裂缝发育规律

Key words

Biyang Depression / unconventional tight oil reservoir / deposition / structure / fracture development law

0 引言

陆相非常规致密油储层裂缝发育特征及烃类富集规律是石油地质学研究的热点^[1-2]。裂缝综合定量表征对非常规致密油储层甜点预测及开发方案调整都具有重要的影响^[3-4]。湖泊及河流相沉积是陆相非常规致密砂岩储层油气勘探开发的重点^[4⇓⇓-7],例如,四川盆地须家河组、鄂尔多斯盆地延长组、松辽盆地青山口组和泌阳凹陷核桃园组等都发育典型的陆相沉积,蕴含了丰富的石油和天然气资源。泌阳凹陷东南部地区古近系核桃园组靠近深湖区烃源岩,核三段发育“凹中隆”构造,且从Ⅱ到Ⅵ油层组发育扇三角洲前缘沉积油藏^[3-4]。天然裂缝发育规律对非常规油气勘探、井网调整和提高采收率方案的科学制定具有直接影响^[8-9]。因此,系统地开展扇三角洲前缘沉积体系天然裂缝综合定量表征是极为重要的。同时,“凹中隆”是“近源找油”理论指导下未来非常规油气勘探开发扩边的前缘方向^[10-11]。

通常,非常规致密油储层性质的定量表征建立在地质、测井和实验测试综合评价基础上^{[12⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-20]}。具有不同沉积微相砂体的裂缝特征具有显著差异^[13-14]。目前,前人在泌阳凹陷东南部地区核三段浅中层系Ⅱ到Ⅵ油层组裂缝评价方面做了大量工作,这些工作主要集中在裂缝类型、产状、发育程度、裂缝期次和定量预测方面^{[1⇓-3,5,7,10⇓⇓⇓-14]}。已有研究表明,浅中层系裂缝主要形成于喜马拉雅运动期,且主要发育于细砂岩岩相中,而砾岩岩相中裂缝不发育。同时,研究认为,Ⅱ到Ⅵ油层组主要发育近东西向和北东向裂缝。当前多数针对核三段裂缝的研究能够恢复裂缝的发育程度,但是,沉积和构造因素约束下的裂缝空间配置关系尚不明确。随着近年来核三段油藏的深入开发,压驱中出现了长达600~1 100 m的长距离水窜,推测其与天然裂缝相关。因此,系统研究核三段主力小层天然裂缝控制因素和分布规律是高效开发核三段致密油的重要前提。

本文以泌阳凹陷东南部地区核三段浅中层系非常规致密油储层为例,利用大量岩心、物性、常规、成像测井资料和数值模拟方法,系统地研究了陆相非常规致密油储层裂缝特征和分布规律。该研究可以为扇三角洲前缘非常规油气高效勘探及开发方案调整提供科学依据。

1 地质背景

研究区位于泌阳凹陷东南部地区(图1)。该地区是在东秦岭褶皱带上发育起来的以古近纪沉积为主的中、新生代富含油气资源的小型断陷(图1)^[2-3]。研究区被具有北西走向的栗园—唐河断裂和北东走向的栗园—泌阳断裂所挟持。盆地内自下而上发育的主要沉积地层包括古近系玉皇顶组(Ey)、大仓房组(Ed)、核桃园组(Eh)、廖庄组(El),新近系上寺组(Ns)和第四系平原组(Qp)(图2)。其中,核桃园组沉积时期代表泌阳凹陷内部陆相湖盆相对稳定的时期,以发育较深湖古环境下的泥岩、砂岩和白云岩沉积为主^[10]。

研究区的目的层主要位于古近系核桃园组三段的Ⅱ到Ⅵ油层组(图2),油藏埋深通常大于2 300 m。目的层从南东向北西方向逐渐抬升。Ⅱ到Ⅵ油层组为扇三角洲前缘相沉积,主要发育水下分支流河道和前缘沉积,物源方向主要来自于东南方向的栗园砂体和西南方向的平氏砂体^[10]。原油性质主要为普通黑油,油层岩石具偏亲水性,其润湿性为亲水-中性润湿性。

2 裂缝发育特征

对研究区5个油层组实测的400组样品的物性参数值和分布区间进行了统计。样品的孔隙度与渗透率之间具有良好的正相关性(图3)。当渗透率大于10 mD时,认为样品中发育微裂缝。由于所取样品均为完整样,进而仅有部分样品发育裂缝,且发育裂缝的样品主要分布在Ⅳ和Ⅴ油层组。样品孔隙度的峰值区间为2%~12%,而样品渗透率的峰值区间为0.02~3 mD和>14 mD,目的层主要发育特低渗-低渗类型储层^[21-22]。

大量岩心观察的结果表明,研究区Ⅱ~Ⅵ油层组主要发育细砂岩、粉砂岩、中粗砂岩和含砾砂岩(图4)。前人大量研究^[2-3]表明:Ⅱ~Ⅵ油层组中石英含量占绝对优势,通常分布在55%~70%;长石、岩屑占比无显著差异,通常分布在7%~14%;岩屑含量略高表明为近源沉积;总长石(包括钾长石和斜长石)含量通常低于10%。长石具有节理,在环境应力作用下可以顺节理产生裂隙^[23-24]。Ⅱ~Ⅵ油层组主要填隙物类型为方解石和白云石。

对研究区30口井进行了岩心及成像测井裂缝观察。结果显示Ⅱ~Ⅵ油层组中裂缝发育,其中,约88%为垂直缝和高角度近垂直缝(图4a-c),而约12%为水平缝和近水平缝(图4d,e)。垂直缝多未被充填,部分半充填,表明裂缝的有效性好,且形成时间较晚^[17-18]。此外,岩心中的垂直缝可以观察到切深情况。观察结果表明,大部分垂直缝的垂向切深小于1.5 m,这与陆相沉积岩性相变频繁有关。垂直缝通常发育于砂体中,当其延伸到泥岩中时会因岩石内部内摩擦角的显著差异而发生转向及尖灭^[24-25]。图4d中显示的水平缝发育于泥质粉砂岩中,部分水平缝开启后呈极为光滑的镜面(图4e),代表发生了强烈的水平滑动^[21-22]。滑脱面是在强烈的压实和水平滑移位错作用下形成的,裂缝的开启性非常好,能够为流体运移提供充足的空间^[25-26]。图4f所示为核三段发育的植物叶片化石,从浅水泥坪和较深水沉积环境中都可以发现类似的遗迹化石。扇三角洲前缘沉积中还可见大量砾石颗粒,其直径通常在数毫米到20 cm范围内。平面上,含砾岩相区主要分布于东南方向栗园砂体物源的河道区(扇根),而靠近前缘的区域主要为细砂岩相区(扇中和扇前缘)。

利用成像测井也可以对井下裂缝进行定量描述,图5显示了部分单井的井下裂缝发育特征。垂直缝为垂直的低阻暗色条纹(图5a),该裂缝的走向为近NE向。近水平缝通常为正弦低阻暗色条纹(图5b,c)。研究区Ⅱ到Ⅵ油层组地层水总矿化度在8 700~30 000 mg/L,对其地层采用淡水泥浆钻进。由于有效裂缝多为张开缝,裂缝里面会有泥浆和钻井液等物质填充,因而其多呈断续的暗色条纹;而层理面多为闭合状态,且多发育于泥岩或高泥质砂岩中,易于识别和剔除(图5c)。

3 裂缝形成规律及发育模式

进一步分析扇三角洲前缘相沉积致密砂岩中裂缝的分布规律后认为,岩性、砂体厚度、沉积作用和构造均对核三段致密砂岩储层裂缝分布有显著的控制作用。

3.1 岩性及砂体厚度对裂缝发育的控制

研究发现,研究区核三段Ⅱ到Ⅵ油层组裂缝通常发育于细砂岩和粉砂岩中,而中-粗砂岩和含砾砂岩中裂缝不发育。特别是单砂体厚度较薄、粒度较细的层段或复合砂体部位,即多层薄砂体叠置的复合砂体中裂缝发育程度较高(图6)。图6所示为A2132井2 760~2 820 m井段裂缝垂向发育特征。裂缝主要发育于2 765~2 788 m井段;裂缝类型主要为垂直缝,少量为水平缝(图6)。其中,Ⅳ油层组2 774~2 784 m井段发育逆韵律复合砂体,砂体岩性包括中-薄层细砂岩和粉砂岩,单砂体厚度分布在1~3 m范围内,复合砂体厚度为10 m,为油层。该段复合砂体中裂缝发育,且微电位及微梯度之间存在明显的幅度差(图6)^[4]。另外,Ⅴ油层组2 798~2 812 m井段发育多段均质砂体,岩性均为细砂岩,为油层(图6)。该段均质砂体的裂缝不发育,微电位及微梯度之间无幅度差;其单砂体厚度分布在2~6 m范围内。

图7所示为A65井2 910~2 980 m井段裂缝垂向发育特征。该井段主要发育复合砂体且垂直裂缝较为发育。砂体岩性主要为薄层细砂岩和粉砂岩,单砂体厚度分布在1~3 m范围内,复合砂体厚度分布在3~10 m范围内,且发育多段油层。

综合分析认为,薄层单砂体或其复合砂体中更容易发育裂缝。单砂体层又被称为地质力学层,目的层中地质力学层的厚度小于12 m(图8a)。地质力学层厚度与裂缝密度之间具有良好的负相关性;当单砂体厚度大于6 m时,砂体中裂缝通常相对欠发育(图8b);地质力学层厚度与裂缝间距则具有良好的正相关性(图8c)。

3.2 沉积作用对裂缝发育的控制

研究区目的层发育多种沉积微相,包括水下分流河道、河口坝、远砂坝、席状砂和前扇三角洲。其中,水下分流河道微相的砂地比主要分布在0.3~0.6;河口坝微相的分布较为局限,但其砂地比通常接近0.6,砂质较纯,代表强水动力条件;远砂坝微相处于远离水下分流河道的远端部位,其砂地比通常大于0.4;席状砂微相中主要发育薄砂岩,砂岩厚度通常小于2 m,砂地比主要为0~0.3;而前扇三角洲微相只发育泥岩。由于处于扇三角洲前缘,沉积系统以发育平面喷流沉积为主,分流河道形态不规则,河口坝微相的分布范围极为局限^[22-23],且河道间不发育。河口坝微相主要分布在相对局限的分流河道前端位置。

研究区核三段纵向具有砂-泥频繁互层的地质结构(图9)。核三段主要接受来自西南及东南方向的物源^[2-3],且顺物源方向砂体连通性好,砂体厚度大,但砂体会在前扇三角洲微相中迅速尖灭(图9)。扇三角洲前缘相沉积中薄层砂体组合而成的复合砂体相对发育,复合砂体具有较强的非均质性^[27-28]。

砂体展布及相互之间的接触关系控制砂体构型(图10)。研究区扇三角洲前缘相纵向上单期河道沉积厚度较薄,多期河道叠置,使得砂体物性的纵横向非均质性极强。研究发现,核三段扇三角洲前缘水下分流河道微相底部一般发育均质块状层理中-细砂岩,向上逐渐过渡为小型交错层理、平行层理、波状层理、砂纹层理等,指示水动力由强变弱的过程(图6)^[29⇓-31]。相应地,其河道类型主要包括均质河道和非均质河道。通常,均质块状层理发育的沉积体系代表高能砂体,而其他非均质层理发育的沉积体系代表低能砂体(图9)^[32⇓-34]。目的层低能砂体和高能砂体的沉积、测井响应和裂缝发育特征的对比见表1。

研究区Ⅱ到Ⅵ油层组以近源沉积为主,水下分流河道中部主体部位发育均质河道相,厚度分布在4~20 m,河道边部侧翼部位则以侧向加积的非均质河道为主,厚度一般小于8 m。同时,在分流河道频繁摆动区也以非均质河道类型为主,叠置砂体厚度较大。

河道侧向加积及前积可以形成不同形态的河道砂体。低位域、湖侵域和高位域下扇三角洲沉积具有一定演变规律、沉积体系和砂体构型配置(图10)。低位域期,扇三角洲前缘以水下分流河道构型为主,河口坝发育范围极为有限,工区核三段位于陡坡带前缘,可容空间有限,沉积演化属于该类型(图10a)。湖侵期及高位期,湖平面快速上升,可容空间增大。随着沉积物的堆积,坡度变缓,河口坝构型显著增强(图10b,c)。

工区Ⅱ到Ⅵ油层组含油砂岩中发育的裂缝均为垂直缝,而低角度缝及斜交缝主要发育于泥岩及泥质粉砂岩中,为非储层,因而图11中显示的裂缝均为垂直缝。这些裂缝数据是根据动静态裂缝观测结果获得的:静态裂缝资料来自2口井成像测井及28口井的岩心裂缝观察;动态裂缝资料来自10口注水井的水驱微地震监测和20口采油井的产水变化曲线。当注水前缘沿着某一固定方向快速突进,或采油井含水上升幅度较快,甚至出现水窜时代表井周裂缝发育,统计发现这些井的裂缝发育程度通常高于1 条/m,因而定义利用动态方法确定的裂缝发育井的裂缝密度为1 条/m。统计结果显示:研究区核三段各小层中均质河道砂体的厚度主要分布在3~18 m,河道边部侧翼部位则以非均质河道相为主,厚度一般小于5 m;对于侧向快速堆积非均质河道砂体,其叠置厚度也较大,可超过18 m,且裂缝较为发育(图11a,b)。

根据图11a可知,研究区核三段 {Ⅱ}_8^1主力小层东南部发育典型的非均质河道。砂体侧向快速堆积形成了非对称型河道,且砂体在河道西部边缘处迅速尖灭。该区域叠置的河道具有中-强水动力条件,单砂体厚度通常较小,常小于6 m,且岩性以细砂岩为主,砂体质纯。同时,该部位累积砂体厚度大,裂缝较为发育,叠置的砂体和裂缝可以成为油气长期运移的疏导体系^[29-30]。因而,侧叠型非均质河道利于油气聚集(图11a)。对于远砂坝,其多为粒度较细的细砂岩及粉砂岩的复合薄砂体岩性,裂缝通常也较为发育,因而也利于油气的聚集(图11a)。

由图11b可知,核三段 {Ⅵ}_3^2主力小层发育均质河道。均质河道前缘靠近扇三角洲前缘河口坝微相区,且其在垂向上通常发育于靠近河口坝顶部的沉积序列中,表明较强的水动力条件。因此,均质河道的前缘及河口坝部位裂缝极为发育,利于油气的聚集(图11b)^[30-31]。

3.3 构造作用对裂缝发育的控制

研究区构造演化限定于华北板块构造活动框架内(图12a)。该地区东部为郯庐断裂带,其在晚侏罗世(J₃)以大规模左旋走滑运动为主^[30-31];且在早白垩世早期( {\mathrm{K}}_1^1)以右旋伸展走滑为主,在中期( {\mathrm{K}}_1^2)以伸展裂陷为主,晚期( {\mathrm{K}}_1^3)则以挤压左旋走滑活动为主;在晚白垩世—古近纪(K₂-E)再度转变为伸展裂陷;而中新世(N₁)以来则以挤压右旋逆冲运动为主导,并发生构造反转活动^[30-31]。

受先存区域构造的影响,研究区核三段在古近纪发生了以基底块断差异升降为标志特征的断陷活动^[16-17];在强烈伸展及右旋逆冲构造活动下形成了复杂的以高角度近垂直缝为主的区域裂缝系统。泌阳凹陷自古近纪以来主要经历了以下两个阶段构造演化^[31⇓-33]。

(1)古近系主断陷期。泌阳凹陷主成盆期,边界断裂活动强度大,沉积厚度达2 800 m,最大沉积速率为500 m/Ma;断裂活动早期以北东向拉张应力体系为主,造成北西向地层差异沉降,进而形成了基底为北西向隆凹相间发育的构造格局(图12b)。研究区核三段发育典型的“凹中隆”鼻状隆起构造。晚期,泌阳凹陷以北西向拉张应力体系为主,NE向张性断裂对北西向沉积构造起一定调节作用(图12b)。

(2)新近系坳陷期。晚期新近系发生了逆冲挤压及逆时针旋转,泌阳凹陷东南部及西北部形成扭动-挤压关联构造,并出现差异反转(图12c)。此时,东部的郯庐断裂处于压扭性挤压背景下,深部上地幔剪切作用引发了深部物质的熔融和玄武岩的喷发^[32]。工区底部核三段发育等厚褶皱,其形成于纵弯作用,表明隆起形成时期较晚;而顶部廖庄组为同沉积期反转沉积,发育顶薄褶皱。

新近系坳陷期,研究区在NEE方向挤压作用下,形成了以E-W和NE向共轭剪切裂缝为主裂缝系统的环境构造应力条件(图12d)。研究认为:研究区核三段裂缝主要形成于新近系坳陷期(喜马拉雅晚期),该时期裂缝与隆起形成时期及成藏时间是匹配的,利于油气大规模聚集;而古近系主断陷期(喜马拉雅早期)裂缝的发育程度要远远低于新近系坳陷期的,其对成藏的贡献可能相对较弱^[34-35]。

研究区核桃园组发育岩性-构造油藏,根据开发井的生产情况,中部鼻状隆起区域烃类的富集程度高^[10]。本文以构造曲率为约束,基于成像测井、岩心静态裂缝和动态裂缝数据多次数据迭代来构建裂缝网络模型;裂缝主方向设置为近E-W和NE向。此外,空间展布以高角度构造缝发育强度模型进行约束。该方法能有效地避免裂缝尺度问题,可以把不同来源的裂缝信息有机结合起来,进而得到每条裂缝的详细属性^[4]。DFN模型裂缝长度主要分布在200~400 m,但是部分区域裂缝可能会出现首尾嵌合,形成长达千米的裂缝破碎带。利用该方法预测了新近系坳陷期裂缝平面分布,主要形成了两组共轭剪切裂缝系统(图13)。

从图13a可以看出, {Ⅱ}_8^1主力小层主要发育E-W和NE向共轭剪切裂缝,且裂缝主要分布在中部隆起交汇的部位及隆起的翼部。裂缝的大量存在造成该部位砂体的毛管阻力降低,能够长期促进油气向此处运移,这也是该区域含油性较好的一个重要原因^[11-12]。图13黄色虚线处显示,多条共轭缝相互交叉或同走向一侧单翼裂缝首尾相接、相互嵌合而形成了一条“裂缝嵌合带”,其增加了压驱水窜的风险。水窜一旦发生,如A51油井,其含水率很快会从30%升至99%。水窜过程通常伴随着套压突升和高液量,表明天然裂缝被沟通而形成了水窜管流通道,因而要尽力规避天然裂缝^[22⇓-24]。图13a显示,A2051井附近在压驱过程中出现了长达687 m的长距离水窜(红色粗虚线),而模拟结果显示,该连线区域发育一组近NE向裂缝,可形成“裂缝嵌合带”。实际水窜通道与天然裂缝模拟结果是一致的。因此,该长距离水窜应该为“裂缝嵌合带”造成的。

图13b所示为 {Ⅵ}_3^2主力小层裂缝平面分布,裂缝发育程度明显高于 {Ⅱ}_8^1小层。对于西部区域,该小层以发育共轭缝中的一组为主,且该组裂缝与中部隆起构造迹线垂直;而中部及东部区域主要发育两组共轭剪切缝,局部区域也形成了“裂缝嵌合带”,易于发生水窜。A2137井附近在压驱过程中出现了长达1 114 m的超长距离水窜(红色粗虚线);而模拟结果显示,该连线区域发育一组近E-W向裂缝,可形成“裂缝嵌合带”。实际水窜通道与天然裂缝模拟结果是相符的。因此,在注水压驱过程中,要尽量避开“裂缝嵌合带”,这些区域有发生长距离水窜的风险。

3.4 裂缝发育模式

研究区核桃园组致密砂岩中主要发育垂直缝。垂直天然裂缝系统在前陆盆地冲断带(如库车坳陷下白垩统)、走滑断裂带(如鄂尔多斯盆地周缘延长组)和断陷盆地(如泌阳凹陷核桃园组)致密砂岩中都极为常见,裂缝间距可以小于1 m,也可以达到数10 m^[36-37](图14)。不同尺度裂缝可以在层面、层内和层间扩展及终止,从而引起储层层面、层内和层间非均质性^[37]。天然裂缝系统的形成与区域构造变形密切相关,能显著改善储层的物性条件,是油气甜点的重要指标。一般认为,前陆盆地冲断带在强烈逆冲作用下会形成强变形的对冲或反冲构造,断控褶皱的上盘和背斜区域更容易形成垂直缝;而对于走滑断裂带和断陷盆地,大量垂直缝的形成与区域多期构造活动引起的走滑剪切作用有关。

利用应力莫尔圆方法可分析垂直破裂应力环境。图15a中θ₁为破裂面倾角,受岩石破裂的影响,随着σ_n的增加,τ出现大幅度降低,进而表现为莫尔圆会向左发生移动,同时莫尔圆半径逐渐减小。θ₁值较大,代表高角度和近垂直的破裂。对于强破碎带,其包络线会沿着顺时针方向旋转(图15a,绿色线)。进一步,从图15b可以看出,当不同尺度破裂应力机制完全相同时,θ₁角度值是不变的,其共用同一条包络线。当将图15c中原始莫尔圆M向左移动时,莫尔圆的半径不变,但θ_a角度值明显大于θ₁角度值,此时岩石抗剪切破裂的能力明显提高。相应地,当将图15c中原始莫尔圆M向右移动时,θ_b角度值要小于θ₁角度值,此时岩石抗剪切破裂的能力明显降低。这说明,当破裂角度逐渐增加时,岩石的抗剪强度会提高。因此,垂直破裂代表一种相对稳定的地下地质结构。

整体分析认为,泌阳凹陷东南部核三段扇三角洲前缘沉积体系中致密砂岩储层裂缝分布受岩性、砂体厚度、沉积作用和构造的显著影响。核三段主要发育新近系坳陷期形成的E-W和NE向共轭裂缝,局部以发育其中一组为主,这些裂缝主要为垂直缝,且多平行或垂直于隆起构造分布。最终,构建了研究区核三段致密油储层裂缝发育模式(图16)。研究发现:构造低部位裂缝发育程度要高于背斜顶部;“裂缝嵌合带”多与区域挤压应力方向平行,且主要位于凹槽及背斜翼部部位(图16)。因此,对于层状结构沉积地层,“裂缝嵌合带”所处部位更靠近边水区,油井井位部署需尽量避开这类区带或压裂,生产中要避免天然缝发育带的裂缝开启,以免造成水窜^[38-39]。背斜顶部主要发育E-W向裂缝,裂缝整体走向比较稳定;而翼部E-W和NE向共轭裂缝均较为发育(图16),这些天然裂缝主要由区域剪切作用形成,当裂缝密度较高时,局部地质力学层会形成与剪切方向垂直或以一定角度相交的局部块体的扩张活动(图16)。对于低幅背斜,由于地层变形程度较低,裂缝发育程度相对较低;此外,泥岩或泥质粉砂岩层发育因构造变动而引起的层间滑动裂缝^[40-41],该类裂缝主要发育于泥质岩层中,而在纯砂岩中通常不发育(图16)。

天然裂缝的形成扩展符合线弹性力学理论^[36],从线弹性力学视角来看,对于裂缝尖端的平面扩展路径,前人给出了3类基本破裂模式(图17),分别是Ⅰ类单一张开破裂模式、Ⅱ类剪切扭转破裂模式和Ⅲ类剪切错断破裂模式。实际上,Ⅱ和Ⅲ类剪切模式是在Ⅰ类破裂基础上发展而来的,均属于混合破裂模式或Ⅰ+Ⅱ、Ⅰ+Ⅲ破裂模式。Ⅰ类破裂模式裂缝尖端没有剪切作用参与,破裂沿着直线传导,所形成的天然裂缝是一系列近乎等间距且相互平行的垂直缝(图17a)。Ⅱ和Ⅲ类破裂有剪切作用参与,区别在于Ⅱ类破裂模式剪切力垂直于裂缝前缘,进而形成弯曲的裂缝平面(图17b);而Ⅲ类破裂模式剪切力平行于裂缝前缘,形成一系列阶梯状错位的裂缝(图17c)。对于目的层而言,上述3类裂缝破裂模式都存在。但是,背斜顶端更接近力学中性面的上部,因而更趋于发育Ⅰ类单一张开型裂缝,裂缝的走向比较统一,主要沿着E-W向分布;而翼部及低部位裂缝相对比较发散,发育多组裂缝,裂缝明显受剪切作用影响,因而主要发育Ⅱ和Ⅲ类混合模式。

本文以泌阳凹陷东南部古近系核三段为例,系统梳理了扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育规律,构建了致密油储层裂缝发育模式。该研究可以为同类型非常规致密油气高效勘探和开发方案制定提供科学依据。

4 结论

(1)本文以泌阳凹陷东南部核三段Ⅱ到Ⅵ油层组扇三角洲前缘陆相致密砂岩为例,利用大量岩心、物性、常规、成像测井资料和数值模拟方法,系统研究了致密砂岩储层裂缝特征及分布规律,提出了扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式。

(2)岩性、砂体厚度、沉积作用和构造均对工区扇三角洲前缘致密砂岩储层裂缝分布有显著的控制作用。薄层单砂体或其复合砂体中更容易发育裂缝,当单砂体厚度大于6 m时,砂体中裂缝通常相对欠发育。裂缝主要发育于水下分流河道前缘、侧向加积河道单翼、河口坝和远砂坝中。将河道类型划分为均质河道和非均质河道。侧向快速堆积形成的非对称型非均质河道中砂体叠置厚度较大,可超过18 m,裂缝较为发育;均质河道前缘,即靠近扇三角洲前缘河口坝微相区域,其在垂向上通常发育于靠近河口坝顶部的沉积序列中,具有较强的水动力条件,裂缝也较为发育。

(3)裂缝与油气聚集有密切的关系,工区核三段裂缝主要形成于新近系坳陷期。通过DFN离散裂缝模拟,恢复了主力小层裂缝三维空间展布。结果显示,核三段主要发育E-W和NE向两组共轭裂缝,且局部以发育其中一组为主,这些裂缝多平行或垂直于隆起构造分布。多条共轭剪切缝相交或同走向一侧单翼裂缝相连接可形成“裂缝嵌合带”,其可能是压驱过程中长距离水窜产生的直接诱因,因而在后期压驱中要规避“裂缝嵌合带”。

(4)整体研究认为:背斜顶端更接近力学中性面的上部,更趋于发育Ⅰ类纯张开型裂缝;而翼部及低部位处裂缝相对比较发散,主要发育Ⅱ类和Ⅲ类混合模式的裂缝。

参考文献

[1] 袁玉哲, 罗家群, 朱颜, 南襄盆地泌阳凹陷和南阳凹陷油气勘探历程与启示[J]. 新疆石油地质, 2021, 42(3): 364-373.

[2] 李智, 张志业, 李双建, 南襄盆地地质结构与形成演化[J]. 西北地质, 2022, 55(2): 116-127.

[3] 董艳蕾, 朱筱敏, 耿晓洁, 泌阳凹陷东南部核桃园组近岸水下扇与扇三角洲沉积特征比较及控制因素分析[J]. 石油与天然气地质, 2015, 36(2): 271-279.

[4] 施振生, 赵圣贤, 赵群, 川南地区下古生界五峰组—龙马溪组含气页岩岩心裂缝特征及其页岩气意义[J]. 石油与天然气地质, 2022, 43(5): 1087-1101.

[5] 章新文, 王优先, 王根林, 河南省南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组湖相页岩油储集层特征[J]. 古地理学报, 2015, 17(1): 107-118.

[6] 马立元, 邱桂强, 胡才志, 鄂尔多斯盆地红河油田延长组致密砂岩成藏机制分析[J]. 沉积学报, 2022, 40(6): 1762-1773.

[7] 杨永利, 姜建伟, 卢小欧. 安棚油田深层系低渗透储层裂缝及其贡献[J]. 断块油气田, 2009, 16(5): 34-36.

[8] 马静辉, 何登发, 开百泽, 贺兰山构造带构造-地层层序及构造演化[J]. 地质科学, 2020, 55(3): 852-876.

[9] 包洪平, 郭玮, 刘刚, 鄂尔多斯地块南缘构造演化及其对盆地腹部的构造-沉积分异的效应[J]. 地质科学, 2020, 55(3): 703-725.

[10] 王国鹏, 胡锌波, 张延章, 安棚油田储层裂缝特征及其形成期次分析[J]. 西北地质, 2005, 38(4): 72-77.

[11] 邹才能, 朱如凯, 董大忠, 页岩油气科技进步、发展战略及政策建议[J]. 石油学报, 2022, 43(12): 1675-1686.

[12] 邹才能, 马锋, 潘松圻, 世界能源转型革命与绿色智慧能源体系内涵及路径[J]. 石油勘探与开发, 2023, 50(3): 633-647.

[13] LIU H L, QIU Z, ZOU C N, et al. Environmental changes in the Middle Triassic lacustrine basin (Ordos, North China): implication for biotic recovery of freshwater ecosystem following the Permian-Triassic mass extinction[J]. Global and Planetary Change, 2021, 204: 103559.

[14] 刘翰林, 邹才能, 邱振, 鄂尔多斯盆地延长组7段3亚段异常高有机质沉积富集因素[J]. 石油学报, 2022, 43(11): 1520-1541.

[15] 刘翰林, 邱振, 徐黎明, 鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组浅水三角洲砂体特征及厚层砂体成因[J]. 石油勘探与开发, 2021, 48(1): 106-117.

[16] 邱振, 邹才能. 非常规油气沉积学:内涵与展望[J]. 沉积学报, 2020, 38(1): 1-29.

[17] 邱振, 韦恒叶, 刘翰林, 异常高有机质沉积富集过程与元素地球化学特征[J]. 石油与天然气地质, 2021, 42(4): 931-948.

[18] 邱振, 邹才能, 王红岩, 中国南方五峰组-龙马溪组页岩气差异富集特征与控制因素[J]. 天然气地球科学, 2020, 31(2): 163-175.

[19] 巩磊, 曾联波, 李娟, 南襄盆地安棚浅、中层系特低渗储层裂缝特征及其与深层系裂缝对比[J]. 石油与天然气地质, 2012, 33(5): 778-784.

[20] 王国鹏, 郑浚茂, 樊中海, 泌阳凹陷安棚鼻状构造的沉积成因及裂缝分布[J]. 石油学报, 2005, 26(2): 38-41.

[21] 徐宁宁, 张守鹏, 王永诗, 鄂尔多斯盆地北部二叠系下石盒子组致密砂岩成岩作用及孔隙成因[J]. 沉积学报, 2022, 40(2): 422-434.

[22] 邱荣华, 付代国, 万力. 泌阳凹陷南部陡坡带油气勘探实例分析[J]. 石油与天然气地质, 2007, 28(5): 605-609.

[23] 张响响, 陶士振, 朱如凯, 成岩作用对致密油储层分布的影响: 以松南让字井斜坡带扶余油层为例[J]. 沉积学报, 2023, 41(2): 559-568.

[24] 王子煜, 漆家福, 张永华. 泌阳凹陷新生代构造特征与形成机制及其与油气成藏的关系[J]. 地质学报, 2004, 78(3): 332-344.

[25] 段心建, 冯士平, 陆建林, 泌阳凹陷安棚深层储集层裂缝特征及勘探潜力[J]. 新疆石油地质, 2002, 23(1): 30-31, 5.

[26] 冯烁, 李胜利, 于兴河, 四级层序格架内浊流沉积特征及演化模式: 以鄂尔多斯盆地镇泾地区三叠系延长组7段为例[J]. 石油与天然气地质, 2022, 43(4): 859-876.

[27] 尹帅, 孙晓光, 邬忠虎, 鄂尔多斯盆地东北缘上古生界构造演化及裂缝耦合控气作用[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2022, 53(9): 3724-3737.

[28] 杨云松, 金吉能, 刘永华. Bongor盆地N油田下白垩统PⅠ油组扇三角洲前缘沉积模式及构型演化[J]. 东北石油大学学报, 2023, 47(1): 70-83, 9-10.

[29] 尹帅, 邬忠虎, 吴晓明, 鄂尔多斯盆地陇东地区洪德区块侏罗系延安组油藏富集规律[J]. 石油与天然气地质, 2022, 43(5): 1167-1179.

[30] 何登发, 孙方源, 翟咏荷, 鄂尔多斯盆地西缘石沟驿向斜的形成演化与致密砂岩气成藏模式[J]. 石油与天然气地质, 2021, 42(2): 370-390.

[31] 欧阳征健, 陈洪德, 冯娟萍. 鄂尔多斯盆地西缘中南段构造特征与演化[J]. 现代地质, 2012, 26(4): 691-695.

[32] 朱光, 牛漫兰, 宋传中, 郯庐断裂带新生代的上地幔剪切作用与火山活动[J]. 安徽地质, 2001, 11(2): 106-112.

[33] 尹帅, 丁文龙, 林利飞, 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[J]. 地球科学, 2023, 48(7): 2614-2629.

[34] 王振奇, 侯国伟, 张昌民, 赵凹油田安棚区深层系低渗致密砂岩储层特征[J]. 石油与天然气地质, 2001, 22(4): 372-377.

[35] 昝新. 泌阳凹陷南部陡坡带油气分布规律研究及勘探目标评价[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2008: 78-83.

[36] OLSON J E, LAUBACH S E, LANDER R H. Natural fracture characterization in tight gas sandstones: integrating mechanics and diagenesis[J]. AAPG Bulletin, 2009, 93(11): 1535-1549.

[37] 曾联波, 吕鹏, 屈雪峰, 致密低渗透储层多尺度裂缝及其形成地质条件[J]. 石油与天然气地质, 2020, 41(3): 449-454.

[38] 尹帅, 田涛, 李俊鹿, 鄂尔多斯盆地西南缘延长组断缝体特征及对油藏的调控作用[J]. 油气地质与采收率, 2024, 31(1): 1-12.

[39] 尹帅, 金子一, 刘程正, 裂缝性储层天然缝与人工缝耦合机理及水窜预防井网调整研究[J]. 成都理工大学学报(自然科学版), 2024, 51: 1-10.

[40] 郭旭升, 马晓潇, 黎茂稳, 陆相页岩油富集机理探讨[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1333-1349.

[41] 胡宗全, 王濡岳, 路菁, 陆相页岩及其夹层储集特征对比与差异演化模式[J]. 石油与天然气地质, 2023, 44(6): 1393-1404.

基金资助

国家自然科学基金项目(42302167)

陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-QN-0355)

西安石油大学研究生创新基金项目(YCX2411002)