变质岩潜山多尺度裂缝发育特征及裂缝网络结构模式:以渤中Z变质岩潜山为例

Multi-scale fracture development characteristics and fracture network patterns of buried-hill in metamorphic rocks: A case study of the Bozhong Z metamorphic buried-hill

摘要

天然裂缝是变质岩潜山储层重要的储集空间和有效的渗流通道。多尺度裂缝组合在空间形成连通性良好的连续网络是致密变质岩形成优质连片储层和获得高产、稳产的关键因素。综合利用成像测井、岩心、薄片和扫描电镜等资料,对变质岩潜山储层中不同尺度裂缝进行精细表征,建立了多尺度裂缝的幂律分布规律,明确了不同尺度裂缝对储层的贡献,分析了裂缝网络空间结构模式及其对产能的影响。结果表明:不同尺度裂缝系统相关参数发生规律性变化,随着裂缝规模的降低,裂缝发育程度呈幂律函数增加。宏观裂缝的规模大,连通性好,为致密储层提供重要的渗流通道,但裂缝密度相对较低,为储层提供的孔隙度有限。微观裂缝密度大,可以为致密储层提供储集空间,但裂缝规模较小,裂缝连通性有限,主要起到沟通基质孔隙的作用。根据不同尺度裂缝的空间组合模式,建立了5种缝网结构。其中,多尺度-高密度-多组系缝网和大尺度-中密度-多组系缝网能够形成大面积连续型优质储层,可以获得高产和稳产;小尺度-高密度-多组系缝网和大尺度-低密度-多组系缝网需要压裂改造才能获得稳产;小尺度-低密度-单组系缝网不能有效改善致密储层,很难获得工业油气流。

关键词

变质岩潜山 / 多尺度裂缝 / 网络结构模式 / 分布规律

Key words

metamorphic buried hill / multi-scale fracture / network structural model / distribution law

0 引言

随着油气勘探不断向深层-超深层发展,潜山油气藏已逐渐成为石油地质专家寻找新油气田的重要领域^[1-2]。勘探实践证实潜山油气藏岩性多样,包括火山岩、碳酸盐岩、碎屑岩和变质岩,其中变质岩油气藏勘探潜力巨大^[3⇓-5]。近年来,在我国渤海湾盆地、柴达木盆地和松辽盆地变质岩潜山中取得了重大突破,如渤中19-6变质岩潜山、辽河兴隆台潜山和锦州25-1变质岩潜山都获得了亿吨级储量规模^[6⇓-8]。变质岩类潜山由于岩性多样,长期遭受风化作用,并经历了多期次构造应力叠加改造,具有储集空间结构复杂、储集层非均质性强等特点,变质岩潜山储集层裂缝有效性评价一直以来都是有待攻克的难题^[9-10]。前人对变质岩储层的研究主要集中在潜山储集空间表征、裂缝成因类型及其对储层的控制作用^[5,11]方面。变质岩潜山不仅在潜山顶面可形成风化壳型储集层,在潜山深层内幕同样可以形成构造裂缝型储集层。不同学者通过对变质岩潜山裂缝发育期次及其内部充填物进行相关测试分析,提出潜山内幕裂缝的形成主要与多期次构造作用关系密切^[12-13]。研究表明,天然裂缝不仅是变质岩潜山油气的储集空间,也是有效的渗流通道^{[14⇓⇓-17]}。天然裂缝不仅沟通了各类孔隙,增强了储层渗流能力,也是影响变质岩潜山能否高产的关键因素^[18⇓-20]。但是,随着潜山油气藏勘探开发的深入,逐渐暴露出对潜山多尺度裂缝发育特征和空间配置模式认识不明确的问题^[21⇓-23],即裂缝发育程度并不是决定单井高产和稳产的唯一因素。不同尺度裂缝具有不同的长度和开度,因此具有不同的连通程度,对储层的贡献也具有明显差异^[24-25]。不同尺度裂缝的配置组合方式及空间分布模式对于潜山油气藏的钻探和开发方案的制定具有更重要的指导意义^[26-27]。为此,本文以渤海海域渤中Z变质岩潜山为例,综合利用成像测井、岩心、薄片和扫描电镜等资料,对不同尺度裂缝的成因类型和分布特征进行精细表征,明确不同尺度裂缝的分布模式及对储层的贡献,建立了不同尺度裂缝配置模式下裂缝网络的结构模式,讨论了不同裂缝网络结构模式的发育特征及对产能的影响。

1 地质背景

渤中Z潜山位于渤海湾盆地渤中凹陷西南部(图1a),在构造上为渤中西南洼、渤中主洼、渤中南洼和黄河口凹陷环绕的近南北向构造脊,整体表现为被3条走滑断层及其派生断层复杂化的具有背斜特征的断块构造(图1b)^[18,28]。渤中Z潜山顶面主要发育NS、NNE-SSW、NEE-SWW和EW向4组断层。渤中Z潜山地层为太古宙变质岩,上覆沉积地层包括古近系孔店组、沙河街组和东营组,新近系馆陶组、明化镇组以及第四系平原组^[29]。其中沙河街组三段与沙一段、东三段的暗色泥岩为研究区的主力烃源岩。潜山太古宙变质岩为凝析气藏的主要储集层,储层为弱超压-常压。潜山岩性以变质岩为主,主要岩性为二长片麻岩和斜长片麻岩, 同时发育闪长玢岩等后期岩脉侵入体^[30⇓-32]。变质岩主要矿物成分包括石英、斜长石、钾长石等浅色矿物和黑云母、角闪石等暗色矿物,其中浅色矿物含量占90%以上。渤中Z潜山受构造、风化和岩性等因素控制,纵向分为风化带和内幕带,其中风化带发育构造缝、风化缝和溶蚀孔隙等储集空间类型,裂缝发育程度高,储层呈“似层状”连续分布。内幕带主要受高角度断层控制,储集空间以构造缝为主,内幕带储层沿高角度断层呈“带状”分布模式。

2 多尺度裂缝发育特征

2.1 成像测井裂缝发育特征

根据18口井成像测井资料裂缝解释,共识别出高导缝、高阻缝和小断层等裂缝类型(图2),其中高导缝表现为暗色正弦曲线,为未被矿物充填的有效裂缝;高阻缝表现为亮色正弦曲线,为矿物充填的无效裂缝。研究区以高导缝为主,约占天然裂缝总数量的99%(图3),这似乎暗示着研究区的裂缝有效性很好。然而,岩心、薄片和扫描电镜裂缝充填程度统计结果证实(图3),59%~68%的天然裂缝被石英或方解石等矿物全充填,15%~22%的裂缝被半充填,说明裂缝充填程度很高,裂缝有效性较差。造成识别的高阻缝数量偏少的原因,很可能是由于充填裂缝的矿物成分和母岩矿物成分太接近了,在成像测井上很难将它们区分开来。因此,成像测井上识别的主要是有效裂缝。

研究区变质岩储层裂缝方位十分复杂,尤其是在潜山上部的风化带,几乎在各个方向均有裂缝发育(图4a),这是大量非系统性风化裂缝。内幕带裂缝具有一定的方向性, 主要发育有北东东-南西西、近东西、近南北和北西-南东向4组裂缝(图4b),整体与断层走向一致。诱导缝揭示的现今最大主应力方向为近东西向(图4c)。风化带裂缝倾角主要分布在30°~60°,表现为以斜交缝为主,同时发育有低角度裂缝和近直立裂缝(图4d)。而内幕带裂缝倾角以中-高角度为主(图4e),反映内幕带主要发育构造裂缝。成像测井上识别的裂缝规模比较大,裂缝开度主要分布在50~250 μm,平均为120.7 μm(图5a)。不同方向上裂缝开度并没有明显差异,即裂缝开度受现今应力场方向的影响较小,这可能是由于裂缝充填程度较高,充填矿物对裂缝壁起到较好的支撑作用^[33]。

成像测井裂缝面密度主要分布在1~5 m/m²,平均为2.4 m/m²(图5b)。根据不同构造部位裂缝线密度纵向分布规律统计可知(图6),存在两条不同的趋势线(近断层井裂缝线密度包络线和远断层井裂缝线密度包络线),其中断层附近井的裂缝线密度趋势线明显靠右,即裂缝线密度明显大于远离断层井裂缝线密度,说明断层对裂缝分布的控制作用。

同时这两条趋势线又具有相似的分布规律:在风化壳上部发育有风化裂缝和构造裂缝,裂缝发育程度最高,向下逐渐以构造裂缝为主,裂缝发育程度整体呈逐渐降低的趋势;局部存在裂缝发育带,主要受岩性控制,以浅色矿物为主的脆性地层中裂缝发育程度更强,而以暗色矿物为主地层的裂缝发育程度相对较弱。成像测井尺度裂缝的孔隙度较低,主要分布在0.02%~0.2%,平均为0.10%(图5c),裂缝渗透率主要分布在5~15 mD,平均为11.27 mD(图5d),有效改善了储层渗流能力。

2.2 岩心裂缝发育特征

按照裂缝的地质成因,岩心上主要发育有构造裂缝和风化裂缝两种裂缝类型。构造裂缝是研究区变质岩储层中发育最广泛的裂缝类型,具有多期性、多方向性(多组系)、发育程度不均衡、充填程度不一和尺寸差别大等特点(图7a,b)。构造裂缝以中-高角度为主,裂缝倾角主要分布在60°~90°。构造裂缝在岩心上的高度较大,一般大于10 cm,主要分布在12~20 cm,平均为17.09 cm。构造裂缝充填程度很高,全充填者占72%,半充填占13%,未充填占15%,有效裂缝占28%(图3),充填矿物主要为方解石、石英等。构造裂缝面密度主要分布在10~30 m/m²,平均为20.1 m/m²。

风化裂缝主要发育在风化带,呈蜂窝状或网状分布(图7c,d)。风化裂缝系统性差,裂缝面呈弯曲状或弧形,产状不稳定,各个方向均有裂缝发育,倾角从0°~90°均有发育。单条裂缝延伸长度相对较短,主要分布在4~7 cm,平均为5.81 cm, 个别可达分米级。风化裂缝发育程度高,裂缝面密度主要分布在30~70 m/m²,平均为53.0 m/m²,局部可达93 m/m²。风化裂缝常被泥质或黏土矿物充填,或发生铁质浸染(被氧化成红色)。风化缝充填程度略低于构造裂缝,其全充填者占68%,半充填占15%,未充填占17%,有效裂缝占32%。

2.3 微观薄片裂缝发育特征

根据微观裂缝和矿物颗粒的关系,可将其划分为穿粒缝、粒内缝和粒缘缝^[34-35]。根据265块铸体薄片微观裂缝观察,研究区微观裂缝在薄片上主要表现为穿粒缝(图8a,b)。这些穿粒缝切穿多个矿物颗粒,甚至贯穿整个薄片发育。微观裂缝的充填程度同样很高,其中全充填占70%,半充填占14%,未充填占16%(图3);风化带裂缝充填程度略低于内幕带。裂缝充填矿物复杂,矿物类型达14种,主要包括碳酸盐岩矿物(白云石、方解石、铁白云石和铁方解石)、长英质碎基、石英、泥质(铁质)、自生黏土矿物(绿泥石、高岭石)、黄铁矿和菱铁矿等。微观裂缝开度主要分布在10~150 μm(峰值为20~50 μm)(图9a);其中,充填裂缝开度主要分布在40~150 μm(峰值为50~80 μm);未充填裂缝开度主要分布在10~60 μm(峰值为20~40 μm)。穿粒缝的发育程度很高,裂缝面密度主要分布在200~600 m/m²,平均为345.4 m/m²(图9b)。薄片微观裂缝孔隙度主要分布在0.5%~1.2%,平均为0.88%(图9c),微观裂缝渗透率主要分布在0.01~1 mD,平均为0.13 mD(图9d)。

2.4 扫描电镜裂缝发育特征

在扫描电镜下,研究区微观裂缝主要表现为限制在矿物颗粒内部的粒内缝(如长石、云母和方解石等矿物的解理缝及石英裂纹缝)和颗粒边缘的粒缘缝(图8c,d)。扫描电镜下微观裂缝开度更小,主要分布在2~8 μm,平均为5.8 μm(图10a);全充填缝开度较大,主要分布在10~30 μm,平均为21.8 μm。虽然开度小,但这些粒内缝的发育程度却更高,几乎在每个矿物颗粒中均有粒内缝发育,部分颗粒含有多期次粒内缝。粒内缝面密度主要分布在400~1 000 m/m²(峰值为600~800 m/m²),平均为700.5 m/m²(图10b)。粒内缝孔隙度主要分布在1.0%~2.5%,平均为1.47%(图10c)。粒内缝的渗透率很低,主要分布在0.000 1~0.01 mD,平均为0.008 7 mD(图10d)。

3 多尺度裂缝级别划分及对储层的贡献

通过不同尺度裂缝发育程度表征可以看出,裂缝尺度越大,裂缝的发育程度相对越低;相反,裂缝尺度越小,裂缝发育程度越高^[36]。大量的露头区、岩心、薄片等不同尺度裂缝研究表明,不同尺度裂缝总体服从幂律分布的特点^[37-38],其幂律分布的具体参数因裂缝发育程度和网络结构模式不同而有所差异^{[39⇓⇓⇓-43]}。通过对研究区不同尺度裂缝分布统计分析,在单一尺度下,裂缝面密度分布看似符合对数正态分布(图11a),这是由于受到某一观察尺度的分辨率限制和截断效应造成的。受分辨率限制影响,在某一尺度下,能识别出的尺度较小的裂缝有限,即尺度较小的裂缝数量和面密度被低估了,因此在累积分布曲线的左端产生了向下的偏移;而由于受到样品尺度限制,可能未采样到尺度较大的裂缝,从而低估了相应裂缝的规模,使得累积分布曲线的右端也产生向下的偏移。为了减小该两项误差的影响,应综合考虑不同尺度裂缝面密度分布特征,以幂律分布为模式,拟合建立真实的不同尺度裂缝面密度分布曲线(图11a)。

通过该幂律分布模式,可以计算任意尺度裂缝的发育强度,其中横坐标表示某一裂缝尺度(开度),纵坐标表示裂缝规模大于该尺度的裂缝发育强度。同时,根据裂缝开度和面密度分布,建立了不同尺度裂缝孔隙度和渗透率发育模式图(图11b),可以看出,不同尺度裂缝对储层的贡献明显不同。因此,根据裂缝识别方式、规模和对储层贡献的不同,将研究区天然裂缝系统划分为两大类4小类,其中,两大类为宏观裂缝和微观裂缝,4小类分别为成像测井级裂缝、岩心级裂缝、薄片级裂缝和扫描电镜级裂缝(表1)。

成像测井级裂缝定义为利用成像测井资料可以识别的开度>100 μm的天然裂缝,它们在研究区的面密度主要分布在1~10 m/m²,所能提供的孔隙度为0.1%~0.2%,渗透率为2~20 mD,具有很好的连通性,因此它们是主要的渗流通道,是开发初期获得高产的重要因素。岩心级裂缝定义为从岩心上可以用肉眼直接观察到的天然裂缝,其开度主要分布在40~100 μm,裂缝面密度主要分布在10~50 m/m²,所能提供的孔隙度为0.2%~0.5%,渗透率为0.2~2 mD,裂缝连通性好,具有较高的渗透率,同时又能提供一定的储集空间,因此它们是重要的渗流通道和储集空间,是保证开发早期稳产的重要因素。

薄片级裂缝定义为需要借助光学显微镜才能观察到的天然裂缝,一般是开度位于10~40 μm的穿粒缝,它们在研究区的面密度主要分布在50~300 m/m²,所能提供的孔隙度为0.5%~1.0%,渗透率为0.02~0.2 mD,裂缝连通性较好,具有较高的孔隙度,同时又能起到沟通基质孔隙和微裂缝的作用,是保证开发中期稳产的重要因素。扫描电镜级裂缝定义为需要借助扫描电子显微镜才能观察到的天然裂缝,一般是开度位于1~10 μm的粒缘缝和穿粒缝,主要在矿物颗粒内部发育,它们在研究区的面密度主要分布在300~5 000 m/m²,所能提供的孔隙度为1.0%~2.0%,渗透率一般<0.02 mD,虽然规模较小,但具有极高的面密度,能够提供很高的孔隙度,但由于开度小、连通性差,它们主要起到储集空间的作用,随着开发程度不断加深,它们可以在开发后期提供可动用储量,动用程度取决于它们与薄片级裂缝和孔隙的连通程度。

4 不同尺度裂缝空间网络结构模式

勘探成果显示,单井产能或储量不仅与储层质量和裂缝密度有关(有时在孔隙度很高的甜点层段却不能获得高产和稳产),还与裂缝组系、裂缝规模(长度或开度)、裂缝连通性和不同尺度裂缝的空间配置模式等因素综合影响。为此,以研究区裂缝面密度、裂缝组系和裂缝规模为基础,结合断层分布配置,构建了5种裂缝组合模式和网络结构(图12):多尺度-高密度-多组系缝网、大尺度-中密度-多组系缝网、小尺度-高密度-多组系缝网、中尺度-低密度-多组系缝网和小尺度-低密度-单组系缝网。

多尺度-高密度-多组系缝网主要发育在多期活动交叉断层区和长期活动断层区(平行或交叉组合)(图12),是多期次强烈构造活动的产物。这种缝网模式以发育多尺度构造裂缝系统(大断层、小断层、宏观裂缝和微观裂缝)为特征,裂缝发育程度高、密度大、连通性好,发育的大开度、数百米-千米级小断层可有效沟通多尺度裂缝系统,并进一步沟通储层基质孔隙系统,从而形成大面积连通性好的储层。如果钻遇该类型缝网,可以获得高产和稳产油气流。

大尺度-中密度-多组系缝网主要发育在风化带中下部、单期多断层区(平行或交叉组合)(图12),受构造作用和风化作用双重控制。该类型缝网以大尺度构造裂缝为主,少量风化裂缝,裂缝密度中等,但由于以大尺度裂缝为主,连通性很好,也可以形成连续性和连通性很好的储层。

小尺度-高密度-多组系缝网具有很高的裂缝发育程度,但由于裂缝开度和长度较小,局部裂缝连通性较好,很难形成大面积连通的有效储层(图12)。该类缝网主要发育在风化带上部以及脆-韧性互层地层中,主要受风化作用控制。钻遇该类储层时,在初期可以获得高产油气流,但很难稳产,需要压裂改造才能提高长期油气产能。

中尺度-低密度-多组系缝网主要发育在内幕带,以中尺度构造裂缝为主,裂缝密度相对较低,裂缝连通性中等(图12)。在内幕带的断层边部及脆性矿物含量高的地层中,裂缝发育程度较高,也可获得工业油气流。

小尺度-低密度-单组系缝网主要发育在基岩致密带,该类型缝网裂缝发育程度低,组系相对单一,裂缝连通性差,一般是非储层。

5 结论

渤中Z潜山变质岩储层发育有多尺度裂缝系统。不同尺度裂缝系统相关参数发生规律性变化。宏观裂缝的长度和开度大,连通性好,可以为致密储层提供重要的渗透率(2~20 mD),但裂缝面密度相对较低,为储层提供的孔隙度有限(0.1%~0.2%)。微观裂缝面密度极大,可以为致密储层提供重要的储集空间(1%~2%)。由于微观开度和长度较小,裂缝连通性有限,主要起到沟通基质孔隙的作用,为储层提供的整体渗透率较低(<0.02 mD)。在单一尺度下,裂缝面密度看似遵循对数正态分布,实际上不同尺度裂缝服从统一的幂律分布规律。通过不同尺度建立的裂缝面密度幂律分布,可以对任一尺度裂缝面密度进行准确预测。

根据研究区不同部位裂缝发育特征,建立了5种裂缝网络结构模式。多尺度-高密度-多组系缝网主要发育在多期活动交叉断层区以及长期活动断层区,发育有多尺度裂缝系统,裂缝发育程度高、连通性好,能够形成大面积连通性好的储层,可以获得高产和稳产油气流。大尺度-中密度-多组系缝网主要发育在风化带中下部以及单期多断层区,以大尺度构造裂缝为主,裂缝密度中等,连通性好,也可以形成连续性和连通性很好的储层。小尺度-高密度-多组系缝网主要发育在风化带上部,具有很高的裂缝发育程度,但由于裂缝开度和长度较小,局部裂缝连通性较好,很难形成大面积连通的有效储层,需要压裂改造才能获得稳定产能。中尺度-低密度-多组系缝网主要发育在内幕带,以中尺度构造裂缝为主,裂缝密度相对较低,裂缝连通性中等,通过压裂改造也可获得工业油气流。小尺度-低密度-单组系缝网主要发育在基岩致密带,该类型缝网裂缝发育程度低,组系相对单一,裂缝连通性差,一般是非储层。

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基金资助

国家自然科学基金面上项目(42072155)

黑龙江省优秀青年科学基金项目(YQ2022D006)