苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩天然裂缝发育特征及其对页岩油富集和保存的影响

Characteristics of natural fractures and its influence on shale oil enrichment and preservation in Member 2 of Funing Formation in Gaoyou sag, Subei Basin

摘要

苏北盆地高邮凹陷古近系阜宁组二段(阜二段)页岩油勘探获得重大突破,是下一步增储上产的重要领域。页岩层系中天然裂缝发育复杂,其对页岩油富集和保存的影响认识不清,制约了下一步勘探部署。综合来自HY1、H101、HY7、S85X等井的岩心、录井、测井和镜下薄片、扫描电镜、大视域扫描电镜拼接(Maps)、微区矿物扫描(Qemscan)、冷冻岩心有机地球化学分析等资料,结合HY1HF、HY3HF等井的生产动态资料,系统分析了阜二段页岩层系中天然裂缝发育特征,进一步揭示了不同类型天然裂缝对页岩油富集和保存的影响。结果表明,阜二段页岩层系主要发育穿层构造裂缝和层控构造裂缝,以及层理缝和收缩缝等非构造裂缝。其中,穿层构造裂缝发育程度与岩性及构造部位密切相关;层控构造裂缝主要发育在白云石条带、砂质/白云质混合条带和顺层方解石脉等脆性层;层理缝主要为异常高压成因,发育集中在阜二段中下部Ⅲ~Ⅴ亚段。层理缝与顺层方解石脉、白云石条带和砂质/白云质混合条带中发育的层控构造-溶蚀缝洞既是页岩油的有利储集空间,也是高效渗流通道,有利于页岩油富集;穿层构造裂缝有效性较好,相对于页岩的基质更为富集页岩油(S₁),但其纵横向连通性较好,因而也是页岩油逸散的高效通道,对阜二段Ⅴ亚段“Ⅴ下”甜点层保存条件不利,对Ⅳ亚段甜点层影响较小,平面上与断层距离越小,断层规模越大,构造裂缝越发育且越不利于页岩油保存。

关键词

天然裂缝 / 页岩油 / 富集和保存 / 阜二段 / 高邮凹陷 / 苏北盆地

Key words

natural fractures / shale oil / enrichment and preservation / Member 2 of Funing Formation / Gaoyou sag / Subei Basin

0 引言

近些年,随着我国常规油气资源探明率的增速逐年放缓,页岩油逐渐成为我国油气勘探的热点^[1-2]。我国陆相页岩油资源丰厚^[3-4],在鄂尔多斯盆地延长组、松辽盆地青山口组、渤海湾盆地古近系和苏北盆地古近系等接连获得重大突破,页岩油已成为增储上产的现实接替领域^[5⇓⇓-8]。济阳坳陷沙三下亚段与沙四上亚段、高邮凹陷阜二段钻探成果揭示,裂缝发育对页岩油富集影响具有不确定性^[9-10],裂缝发育可能导致油气散失,但对高产也有积极作用,需要分类深入研究与裂缝配套的页岩油富集要素。

2021年以来,江苏油田在苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩油勘探接连取得重大突破^[8]。首口页岩油探井HY1HF井峰值日产油29.7 t;H2CHF井投产16个月累产油超过2×10⁴ t,单井EUR预测超4×10⁴ t;HY7HF井开井压力38 MPa,3 mm油嘴日产油气当量超过60 t等,取得了较好的勘探效果,展现了苏北盆地阜二段页岩油勘探巨大前景。根据HY1、H101、HY7和S85X等重点页岩油取心井的钻探揭示,阜二段页岩储层具有天然裂缝较为发育的特征。天然裂缝是构造作用、成岩作用和异常高压等单因素或多因素叠合作用下的产物,是影响页岩油气富集和保存的关键因素,且对阜二段不同亚段的页岩油气的影响存在差异。本次研究以成像测井、岩心、薄片和扫描电镜等资料为基础,结合多口井的生产动态资料,对天然裂缝的发育特征及其对页岩油富集和保存的影响进行分析,研究成果对苏北盆地页岩油勘探开发具有指导意义。

1 区域地质概况

苏北盆地是苏北—南黄海盆地的陆上部分,是叠置在下扬子准地台上自晚白垩世发展起来的陆相断陷盆地^[11-12]。古近系阜宁组沉积时期,苏北盆地为统一的坳陷大湖盆格局,发育了多旋回河流三角洲—湖泊沉积体系,自下而上可划分为阜一段、阜二段、阜三段和阜四段^[13⇓-15]。阜宁组沉积末期,以吴堡事件为起始的系列构造活动将盆地分割成若干个NE向箕状小型断陷,整体呈现“两坳夹一隆”格局^[16]。高邮凹陷位于苏北盆地南部东台坳陷的中心部位,是油气最为富集的凹陷之一 ^[17⇓-19],在构造上具有南陡北缓、南断北超的特征(图1),南部边界的真武断裂和吴堡断裂控制着高邮凹陷的沉积沉降特征^[20-21]。

高邮凹陷阜二段为深湖-半深湖亚相暗色泥页岩,分布范围广,有机质丰度较高,深凹区-斜坡区热演化程度适中,是目前页岩油勘探主要地区和层系。阜二段页岩厚度为250~350 m,根据岩性和电性特征,自下而上可划分为Ⅴ~Ⅰ亚段(图2),其中,Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ亚段是当前高邮凹陷主要的勘探目标层系,其岩性主要为灰黑色层状-纹层状混积页岩和长英页岩夹薄层白云岩^[8]。Ⅱ和Ⅰ亚段的岩性为厚层状-块状泥岩。

岩石薄片的显微观察表明,阜二段页岩的物质组成以碳酸盐、碎屑石英、长石和黏土质为主,偶见黄铁矿等。前人对页岩岩性划分结果显示,阜二段以混积岩类最为发育,其次为碳酸盐岩类和长英质岩类^[8]。相比于东部断陷盆地其他地区,高邮凹陷阜二段Ⅴ、Ⅳ和Ⅲ亚段页岩TOC含量总比偏低,介于0.5%~2.5%,平均为1.2%。阜二段有机质类型以Ⅱ型为主;页岩R_o为0.6%~1.1%;页岩平均孔隙度为5%左右。阜二段地层压力系数为1~1.5,发育微超压和中等超压,纵向上差异性较为明显,其中Ⅲ亚段地层压力系数平均为1.48,Ⅳ亚段地层压力系数平均为1.53,Ⅴ亚段地层压力系数平均为1.33(图2)。

2 天然裂缝发育特征

阜二段页岩天然裂缝发育,通过对HY1、H101和HY7井成像测井资料裂缝识别,以及对HY1、H101、HY7和S85X井(图3)岩心(厘米级)、偏光显微镜(毫米级)和扫描电镜(微米级)观察,将高邮凹陷阜二段页岩天然裂缝划分为构造裂缝和非构造裂缝两大类,其中构造裂缝广泛发育在整个阜二段,非构造裂缝中的层理缝等在Ⅴ~Ⅲ亚段的发育程度远大于Ⅱ~Ⅰ亚段(图2)。同时,将裂缝延伸长度为毫米级、裂缝开度小于 0.04 mm、需要借助微观分析手段的微尺度裂缝定义为微观裂缝^[22]。

2.1 构造裂缝

构造裂缝是在区域构造应力场作用下岩石发生破碎变形产生的裂缝^[23⇓-25]。阜二段沉积后经受多期次的构造运动,构造裂缝广泛发育,相比于其他类型裂缝,其尺寸更大,且具有多期性、多方向性、发育程度不均一和充填程度差别较大等特点。根据构造裂缝与层理面之间的空间几何关系,研究区岩心观察的构造裂缝又可划分为穿层构造裂缝和层控构造裂缝两种类型。受限于采集精度,研究区3口成像测井解释的均是绕井筒一周的穿层构造裂缝。

研究区HY1、H101和HY7井成像测井裂缝识别结果显示,研究区阜二段发育近东西向构造裂缝(图3a),与断层走向近于一致,且以未充填的高导裂缝为主,占比为90%~95%;纵向上,阜二段中下部Ⅲ~Ⅴ亚段构造裂缝发育程度总体高于上部Ⅰ~Ⅱ亚段(图3b-d),与黏土矿物含量趋势相反(图2),表明脆性矿物含量越高越有利于构造裂缝的发育,与前人的认识相一致^[26⇓-28]。此外,古构造应力场是控制构造裂缝发育最重要的外部因素,古构造应力较为集中的部位是裂缝发育有利区带^[29⇓-31]。一般地,随裂缝与断层间距离的增大,构造裂缝发育密度呈现指数式下降;褶皱转折端的裂缝往往比其翼部更为发育,且前者裂缝开度也大于后者。这也是导致高邮凹陷阜二段井间裂缝发育差异的主要原因,HY1井远离断层,构造裂缝主要发育在脆性矿物含量最高的阜二段下部层段(图3b);H101、HY7等井靠近断层,阜二段各亚段、各小层构造裂缝均较为发育,且两口井构造裂缝纵向发育趋势基本一致(图3c,d)。

研究区HY1、H101、HY7和S85X井岩心观察结果显示,岩心上除了发育穿层构造裂缝(图4a-c)外,还发育有大量的层控构造裂缝(图4d-g)。阜二段层控构造裂缝在薄层灰质/白云质页岩或碳酸盐岩夹层中较为常见,发育一般受构造-溶蚀双重作用控制。阜二段部分层段(Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅳ-3~Ⅳ-7、Ⅴ-6~Ⅴ-10)发育有大量厘米级的白云石条带、砂质/白云质混合条带和顺层方解石脉等脆性层(图2),在上覆地层重力作用下,脆性层与上下紧邻的泥页岩的岩石力学性质差异明显,其内部优先形成垂向的张性构造裂缝(图4b,d,f),后期被溶蚀扩大,形成毫米级的构造-溶蚀缝洞。层控构造裂缝有效性极好,是研究区极为重要的一种裂缝类型。

2.2 非构造裂缝

非构造裂缝发育具有多种成因,研究区主要发育层理缝和收缩缝等类型。

层理缝主要发育在纹层、层理和岩性界面,沿层理方向易发生剥离,产状与层理或纹层面接近一致,近水平发育,倾角通常小于5°(图5a,b)。层理缝的发育与泥页岩的结构密切相关。成层性好、纹层结构的泥页岩,层理缝最为发育。层理缝多集中分布,地层超压条件下能有效改善储层物性,并显著提升水平渗透率。其识别主要依靠岩心、薄片(图6a)和扫描电镜等资料,激光共聚焦显微镜观察结果显示,高邮凹陷阜二段页岩层理缝的含油性较好(图6b,c)。统计结果显示,层理缝发育程度与黏土矿物含量、TOC含量和地层压力系数呈正相关关系(图7),表明研究区层理缝主要为异常高压成因,即有机质生烃增压,沿纹层层理局部起裂,形成层理缝。纵向上主要发育在Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅳ-2~Ⅳ-7和Ⅴ-5~Ⅴ-9小层(图2)。

纤维状顺层方解石脉(图5b-d)是层理缝的特殊形式,异常压力状态下层理缝平行扩展,被方解石充填;后期局部被溶蚀改造,裂缝有效性较好。顺层方解石脉一般由近垂直的纤柱状方解石组成(图5d),反映垂直于缝壁的张开位移,脉体中心一般有一暗色的黏土或富有机质的母岩碎片组成的中心线(图6d),纤维状方解石脉从该中心线向两壁生长,两侧可对称或近于对称,部分显示为不对称结构,脉体中常见原生的油包裹体(图6e,f)。

收缩缝在泥页岩中广泛发育,包括黏土矿物收缩缝和有机质收缩缝等,主要为微观镜下观察到的微裂缝(图6g-i)。在成岩过程中,蒙脱石转化为伊利石等矿物脱水过程,矿物边缘及内部容易形成收缩缝。在有机质热演化过程中,有机质生烃后体积减小,在其边缘易形成气孔或收缩缝。镜下常见黏土矿物收缩缝,长度普遍为2~5 μm;受演化程度的限制,有机质收缩缝发育程度有限。

裂缝发育段在常规测井曲线上通常具有一定的响应特征,裂缝发育通常会使声波时差值升高,裂缝中含流体会使中子曲线值升高,密度曲线降低,电阻率曲线会因泥浆侵入裂缝而使值降低,井径曲线会因裂缝存在而扩大等^{[23,25-26,29]}。此外,研究区阜二段在层理缝发育为主的层段,普遍表现为浅侧向电阻率大于深侧向电阻率、电阻率负异常的特征(图2),且地层压力系数普遍较高。

3 天然裂缝控油作用分析

3.1 天然裂缝与页岩油富集

根据HY1、H101和HY7井成像测井解释结果,对穿层构造裂缝特征参数进行统计,结果表明:构造裂缝以垂直缝(75°~90°)和高角度裂缝(60°~75°)为主,裂缝高度主要分布在4~40 cm;裂缝开度为10~300 μm,最大开度不超过900 μm(图8a);

裂缝孔隙度为0.05%~0.3%之间,单条裂缝孔隙度最大不超过0.4%(图8b);但成组系发育的裂缝能显著增大有效储集空间(图8c),且渗流能力一流,是天然存在的“高速公路”。HY7井阜二段各亚段、各小层的气测录井结果显示,气测异常段和裂缝发育段具有较好的正相关关系(图8d),证实了穿层构造裂缝是页岩油轻质组分的有利聚集空间和高效的渗流通道。

除此之外,生产动态资料也显示天然裂缝的发育程度与产量具有良好的相关性。在页岩油水平井压裂过程中,在各压裂段的压裂液中加入不同配方的示踪剂,从而为研究人员分析不同压裂段的产油、产液贡献率提供了可能。研究区断层、裂缝体系较为发育,HY3HF井的过井蚂蚁体属性剖面显示,水平井钻遇多个裂缝带(图9)。以HY3HF井钻遇同一甜点层内的不同小层为界限,对每一个小层各压裂段的产油贡献率进行统计,分析认为裂缝发育段普遍具有产油量较高的特征,表明在一定条件下,天然裂缝的发育有利于页岩油富集。

此外,研究区较为发育的层控构造裂缝和层理缝与页岩油富集的关系也较为密切。

一般认为,常压状态下层理缝在地下处于闭合状态,异常高压条件下层里缝局部开启^[32-33]。研究区阜二段发育不同程度的异常高压,目前集中勘探的花庄地区阜二段地层压力系数为1.2~1.6。地下原位条件下,层理缝对储层物性的贡献正逐步从定性到定量研究进行转变。其中,层理缝对页岩储层水平渗透率提升效果较为显著,前人研究也表明纹层、层理缝发育的页岩,水平方向渗透率是垂直方向的数十到数百倍^[34⇓-36]。

岩心观察发现,顺层方解石脉发育段普遍可见原油外渗(图5b):一方面,顺层方解石脉与其上下泥质纹层的接触面残余有大量的缝隙,是有利的储集空间和渗流通道;另一方面,顺层方解石脉内普遍发育大量近于等间距分布的张性层控裂缝,在后期溶蚀作用下这些层控裂缝发生溶蚀作用而加宽,有效开度为毫米级(图10a)。大视域扫描电镜拼接(Maps)技术显示方解石脉体与上下纹层岩性界限清晰,方解石内部的溶蚀缝洞开度介于0.12~0.35 mm(图10b),且方解石脉体内部发育多尺度的溶蚀孔隙、微裂缝体系(图10c);方解石脉体上下纹层中则发育有大量的层理缝和黏土矿物收缩缝(图10d)。

微区矿物扫描(Qemscan)技术揭示方解石脉体上下紧邻的纹层以黏土质为主(图10e),孔缝系统发育的方解石脉体与生油性、含油性较好的黏土质纹层构成良好的源储组合,内部多级孔、缝系统协同发育,有利于页岩油富集及油水的高效置换。

研究区阜二段Ⅳ和Ⅴ亚段部分小层常见厘米级的白云石条带或砂质/白云质混合条带(图4d,f),其内部普遍发育有层控构造-溶蚀缝洞,是研究区较为重要的一类天然裂缝。数字图像分析技术显示,白云石条带或砂质条带发育的层段,层控构造-溶蚀缝洞的面孔率能达到2%~4%(图4e,g)。大视域扫描电子显微镜观察结果显示,白云石条带内发育的层控构造-溶蚀缝洞开度达到0.87 mm(图11a),并被有机质充填。此外,白云石条带上下紧邻黏土质纹层,黏土质纹层中发育有大量的黏土矿物收缩缝,并常见有机质充填其中(图11b,c)。白云石条带中除了宏观的毫米级层控构造-溶蚀缝洞,其内部还发育有不同尺度的孔隙和裂缝体系,包括裂缝中有机质充填物中发育的有机质收缩缝,白云石中的微米级、纳米级裂缝网络(图11d,e),以及白云石中广泛发育的、直径可达870 nm的溶蚀孔等。前人研究表明,高邮凹陷阜二段白云石条带的发育受岩相的控制作用明显,其一般与富黏土质纹层互层构成良好的源储组合,生产动态资料显示其具有油水置换效率高(图11f)、产能好的特点^[8]。

综上,分析认为异常高压条件下的层理缝、顺层方解石脉和白云石条带、砂质/白云质混合条带中发育的层控裂缝及其伴生的溶蚀孔隙、微裂缝系统,对页岩储层物性改善明显,有利于页岩油富集,是平面选区和纵向选层的依据;穿层构造裂缝对页岩油的富集有一定的作用,但其与页岩油保存的关系更为紧密,值得进一步探讨。

3.2 天然裂缝与页岩油保存

页岩油气的保存需要致密稳定的顶底板,没有被大型断裂破坏盖层的封闭性是国内外页岩油气系统的一个共同点^[37⇓-39]。根据国内外页岩油气勘探开发的经验,“断而不穿、裂而不破、微裂缝为主”的状态最为理想,即当裂缝发育密度较小时,垂向连通性较差,裂缝能有效改善储层,有利于页岩油气的富集;当裂缝发育程度中等时,裂缝局部连通,但未穿越顶底板且未与活动性断层相沟通,有利于形成裂缝性页岩油藏;当裂缝发育程度较高时,裂缝在纵、横向上连通性好,穿越顶底板或与活动性断层相勾连,油气开始运移,则不利于页岩油富集和保存^[40⇓-42]。

高邮凹陷阜二段平面上断层、裂缝系统较为复杂,本次研究选取与断层关系差异化明显的3口典型井HY1、S85X和H101(图3a)为例进行相应的分析。其中,HY1井远离断层;S85X井距离阜宁组内部断层(断距120 m)的距离为200~300 m;H101井距离高邮凹陷的控凹断层(吴堡断裂带吴①断层,断距>2 000 m)的距离为500~550 m,3口井受断层的影响作用逐渐增强。录井结果显示,3口井阜二段裂缝发育段的气测全烃值明显好于裂缝不发育段(图12a,c),与前面的认识相一致。此外,对3口井岩心的液氮冷冻的岩石热解数据进行分析,结果表明不同地区、不同井间差异巨大(图12d-f)。HY1井冷冻S₁含量最高,S85X井含量中等,H101井最差,表明随着断层的破坏作用增强,页岩油中轻组分的保存越不利。其中,HY1井和S85X井内部表现出分异性,即裂缝发育段的S₁含量相较于裂缝不发育段更高,表明裂缝相对富集页岩油。但随着断层影响的增强,页岩油轻质组分含量总体下降较为明显。据此,可以归纳出3种类型,即以HY1井为代表的远离断层的类型,裂缝主要起富集作用;以S85X井为代表的靠近小规模断层的类型,裂缝同时起富集和逸散的作用(逸散为主);以H101井为代表的靠近长期活动断层的类型,裂缝主要起逸散作用。

纵向上,高邮凹陷阜二段穿层构造裂缝发育程度差异较为明显。选取远离断层影响的HY1井进行分析,成像测井识别构造裂缝的结果反映出阜二段底部是穿层构造裂缝较为发育的层段(图13a)。推测与其邻近阜一段致密砂岩有关,即砂岩中穿层构造裂缝相较于泥页岩更为发育,且尖灭于阜二段泥页岩中。高邮凹陷阜二段Ⅴ亚段评价的甜点层位于Ⅴ亚段的中下部,距离阜一段致密砂岩约为17 m,即“Ⅴ下”甜点层的底板厚度仅为17 m左右。前人研究^[43-44]认为,厚层页岩顶部或底部总的绝对排烃效率可高达86%,在距砂泥岩界面14 m处页岩的排烃率仅为27%,在距砂泥岩界面20 m 处的绝对排烃效率为0。叠加Ⅴ亚段底部穿层构造裂缝较为发育的特征,“Ⅴ下”甜点层底板页岩自封闭性进一步减弱。相比较而言,Ⅳ亚段评价的两套有利层(“Ⅳ上”和“Ⅳ下”)的顶底板条件更为优越。目前的勘探实践也证实,“Ⅳ上”甜点层的地层压力系数、相同油嘴条件下峰值产油量,以及单井EUR均要好于“Ⅴ下”甜点层(图13b)。

因此,穿层构造裂缝对页岩油的富集和保存是一柄双刃剑,需要探讨纵向上发育的层位,以及与断层的关系。目前研究认为,阜二段底部穿层构造裂缝发育不利于“Ⅴ下”甜点层中页岩油保存;此外,规模较小的断层,尤其是阜二段内部的微断层及其伴生的裂缝系统不影响页岩油保存;规模较大的断层及其伴生的裂缝系统,不利于页岩油保存;边界长期活动断层及其伴生裂缝系统对页岩油保存极为不利,这也是阜二段上部常规储层发现大规模油气储量的重要原因。

4 总结

(1)高邮凹陷阜二段页岩主要发育构造裂缝和非构造裂缝。其中,构造裂缝包括穿层构造裂缝和层控构造裂缝,穿层构造裂缝产状以中高角度为主,纵向穿层性强,发育程度与岩性及构造部位密切相关;层控构造裂缝主要发育在白云石条带、砂质/白云质混合条带和顺层方解石脉等脆性层。非构造裂缝包括层理缝、顺层方解石脉和收缩缝等,层理缝主要为异常高压成因,发育集中在阜二段中下部Ⅲ~Ⅴ亚段。

(2)层理缝与顺层方解石脉、白云石条带和砂质/白云质混合条带中发育的层控构造-溶蚀缝洞既是页岩油的有利储集空间,也是高效渗流通道,有利于页岩油富集;页岩油优先形成并储集于黏土矿物收缩缝、有机质收缩缝等微观介质中,在异常高压驱动下汇聚于层理缝和层控构造-溶蚀裂缝等储集空间,勘探实践证实顺层方解石脉、白云石条带和砂质/白云质混合条带集中发育层段产油贡献率高。

(3)穿层构造裂缝对页岩油产量具有“利、弊”双重作用:一方面是页岩油重要的储集空间和高效渗流通道,构造裂缝发育与气测显示匹配性较好,纵向上部分层段、平面上部分地区起富集作用;另一方面,构造裂缝也是页岩油幕式排放的逸散通道,纵向上对紧邻阜一段致密砂岩的Ⅴ亚甜点层起逸散作用,平面上对紧邻断层的区域起逸散作用。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42072155)

中国石油化工股份有限公司科技开发部项目(P21113)

中国石油化工股份有限公司科技开发部项目(P23189)

中国石油化工股份有限公司科技开发部项目(P24207)

中国石化江苏油田分公司科研课题(JD22002)

中国石化江苏油田分公司科研课题(JS24038)

江苏省卓越博士后计划项目