论文推荐｜鄂尔多斯盆地南缘长8致密砂岩储层裂缝发育特征及主控因素

鄂尔多斯盆地南缘延长组裂缝发育程度高，对致密油成藏富集具有重要控制作用。综合利用露头、岩心、分析化验、地球物理及生产动态资料，系统分析鄂南地区长8油层组致密砂岩储层裂缝发育特征、控制因素及与油气富集关系，取得如下主要认识：（1）研究区裂缝具有“多类型、多尺度、多组系”特点，以高角度构造剪切缝为主，NEE向和NW向裂缝发育程度高，为燕山期NWW—SNN向挤压应力作用下形成的一组共轭剪切缝；（2）泥质隔夹层面、钙质隔夹层面、河道冲刷面、韵律岩性变化面是研究区限制裂缝纵向扩展的4种主要岩石力学层面类型，地质统计与数值模拟结合，构建了岩石力学性质、岩层厚度、构造应力三大因素共同作用下的裂缝纵向生长模式；（3）裂缝平面展布受控于不同级次断层，断层规模越大、距离断层越近，裂缝发育程度越高，断层长度与对应裂缝带宽度呈较好线性函数关系；（4）裂缝是控制研究区长8致密油富集与高产的关键因素，水平井钻遇裂缝带规模与单井产量呈极好正相关性，断缝带是成藏期主要油气运移通道与优势聚集部位，也是现今油气富集区。

Fractures in the Yanchang Formation at the southern margin of the Ordos Basin are highly developed and play a crucial controlling role in the accumulation and enrichment of tight oil.By comprehensively using outcrop data，core data，analytical and laboratory test data，geophysical data，and production dynamic data，this study systematically analyzed the fracture development characteristics，controlling factors，and relationship with oil and gas enrichment of the Chang 8 tight sandstone reservoir in the southern part of the Ordos Basin（the southern Ordos Basin for short），and obtained the following main conclusions：（1）Fractures in the study area have the characteristics of “multiple types，multiple scales，and multiple sets”，with high-angle structural shear fractures as the main type.NEE-trending and NW-trending fractures are highly developed，which are a set of conjugate shear fractures formed under the NWW-SNN-trending compressive stress during the Yanshanian period；（2）Mudstone interbedding surfaces，calcareous interbedding surfaces，river channel erosion surfaces，and rhythmic lithological change surfaces are the four main types of rock mechanical layers that restrict the vertical expansion of fractures in the study area.By combining geological statistics with numerical simulations，a vertical growth model of fractures under the combined action of three factors—rock mechanical properties，rock layer thickness，and tectonic stress—has been constructed；（3）The planar distribution of fractures is controlled by faults of different orders；the larger the fault scale and the closer the distance to the fault，the higher the degree of fracture development.The fault length shows a good linear functional relationship with the width of the corresponding fracture belt；（4）Fractures are the key factor controlling the enrichment and high production of tight oil in the Chang 8 reservoir in the study area；the scale of fracture belts encountered by horizontal wells shows an excellent positive correlation with single-well production.Fault-fracture belts are the main oil and gas migration channels and preferential accumulation sites during the hydrocarbon accumulation period，and also the current oil and gas enrichment areas.

裂缝; 致密储层; 致密油; 长8; 鄂尔多斯盆地 

fracture; tight reservoir; tight oil; Chang 8 reservoir; Ordos Basin 

鄂尔多斯盆地南缘地区中生界构造带断裂、裂缝发育，活动性强，多尺度断缝在鄂南地区致密油成藏富集过程中具有关键作用，与典型的源储相邻、高压充注的致密油成藏模式明显不同，因此，弄清不同尺度裂缝的发育特征、形成机理、分布规律及对油藏的控制作用十分重要。国内外从事构造地质研究的学者在裂缝地质特征、形成机理及预测方法等方面展示了丰富研究成果[1-18]，对指导鄂南地区储层裂缝研究具有重要借鉴意义。本文以鄂南地区典型露头、红河油田长8致密油储层为研究对象，在大量岩心、露头裂缝精细描述基础上，结合分析化验及生产动态资料，对裂缝基本特征、控制因素及发育模式作了详细介绍，结合典型井区油藏解剖，探讨了裂缝与致密油成藏富集关系，总结出三方面成果认识，对深化鄂南地区致密油“甜点”认识、指导有利目标评价优选极具意义。

鄂尔多斯盆地是一个大型的克拉通盆地，内部包括6个一级构造单元（图1），中生界以来共发生印支，燕山和喜山三期主要构造运动，南部盆缘地区构造活动强烈，断裂、裂缝十分发育。目前鄂南地区中生界石油勘探开发主要层系为三叠系延长组，为内陆湖泊、河流与辫状河三角洲交互沉积，主力开发层为长8油层组，自上而下又分为长8₁和长8₂两个亚油层组。长8₂亚油层组储层相对欠发育，长8₁亚油层组发育3个次级沉积旋回，自上而下为长、长和长三个小层，长是长8油层组的主力油层，以细砂岩、粉砂岩为主，物性较差，孔隙度平均10%，渗透率平均0.3 ×10^-3μm²，属于典型的致密储层[19-25]。

2.1 成因类型

岩心及露头揭示鄂南地区长8致密油储层天然裂缝普遍发育，包括在构造应力作用下形成的构造裂缝及在沉积或成岩过程中形成的成岩裂缝（图2），其中构造裂缝是本文的主要研究对象。研究区构造裂缝根据力学类型分为剪切裂缝和扩张裂缝，剪切裂缝产状稳定，高角度，缝面平直光滑，具有擦痕、阶步等特征（图2（a）—（d）），是研究区发育程度最高的裂缝类型，扩张裂缝表现为岩层弯曲形成的纵张裂缝，其裂缝面粗糙不平，延伸较短，常被矿物充填（图2（e））。

图2  不同类型裂缝露头及岩心照片

Fig.2  Pictures of different types of fractures on outcrops and cores

2.2 发育期次

现今裂缝形态往往是多期构造运动叠加、改造、演化的结果，具有多期次、多走向、多产状的特点。根据露头裂缝间相互切割和限制关系可以分析裂缝发育期次，早期裂缝会限制晚期裂缝，晚期裂缝会切割早期裂缝[10-13]。鄂南露头区主要发育NE、NW、SN和NEE向四组不同走向裂缝，其中NEE向裂缝限制SN向裂缝、NW向裂缝限制NE向裂缝、NW裂缝限制SN裂缝、NE向裂缝切割NEE向裂缝（图3（a）—（d）），据此推断NEE向裂缝和NW向裂缝形成时间相对较早，NE向和SN向裂缝形成时间相对较晚，表明研究区四组裂缝至少可以分为两期。

图3  鄂南地区地表露头原生裂缝切割与限制关系

Fig.3  Cutting and limiting relationship of fractures on outcrops in the southern Ordos Basin

对红河油田长8致密砂岩岩心高角度裂缝充填物方解石进行C和O稳定同位素分析，结果表明δ¹³C（‰）主要分布在-12.89‰～1.16‰之间，δ¹⁸O（‰）值主要集中在-10‰、-16‰和-19‰三个区（图4），表明裂缝形成期次应该为三期。依据盆地埋藏史及热演化史，按地温梯度5.5 ℃/100m进行裂缝形成时埋深的折算，得到δ¹⁸O值-10‰对应平均埋深约为125 m，δ¹⁸O值-16‰对应平均埋深约为1190 m，δ¹⁸O值-19‰对应平均埋深约为2065 m，再结合研究区地层埋藏史将上面三个折算埋深与之对应，对应结果分别为印支期、燕山期（集中在燕山期二幕）、喜山期，其中燕山期二幕是裂缝主要发育期。燕山运动时期，鄂南地区派生NWW—SEE向挤压应力，形成了NEE向和NW向共轭剪切缝，是研究区的主要裂缝组系，喜山运动对这两组裂缝进一步改造，极大增加裂缝发育程度。

图4  裂缝充填物同位素分析结果

Fig.4  Isotope analysis results of fracture-filling material

2.3 尺度分级

鄂南地区构造裂缝具有多尺度特点，根据裂缝发育规模、边界力学层控制条件及储渗作用，将研究区裂缝划分为4个尺度（表1），其中中、小尺度构造裂缝是本文重点描述和研究对象。利用野外露头、岩心及成像测井等资料，对研究区中、小尺度裂缝走向、倾角、线密度等参数进行了详细统计与描述。结果表明，4组不同走向裂缝中NEE向和NW向裂缝发育程度最高（图5（a））；裂缝倾角大于60°者占裂缝总数70%以上，低角度裂缝所占比例在15%以下，主要为泥岩滑脱缝（图5（b））；12口取心井裂缝发育线密度差异大（图5（c）），其中HH1057-3、HH105井裂缝密度大于2条/m，HH12、HH31 A、HH59和HH127井裂缝密度小于0.5条/m，其余井裂缝线密度介于0.5～2条/m，反映裂缝分布具有较强非均质性。

表1  鄂南地区构造裂缝尺度分级方案（据文献[11]修改）

Table 1  Classification scheme for structural fractures in the southern Ordos Basin（modified from reference [11]）

图5  长8中小尺度裂缝参数统计图

Fig.5  Statistical charts of fractures in the Chang 8 reservoir

大量研究表明[10-18]，裂缝的形成除了与古构造应力场有关外，还受到储层的岩性、岩层厚度、沉积微相、断层等因素影响，构造应力控制裂缝的组系、产状与力学性质，其他因素主要影响裂缝密度及裂缝发育程度。在裂缝各控制因素中，本文重点探讨岩石力学层和断层两大因素对裂缝的形成与分布影响。

3.1 岩石力学层控制裂缝纵向分布

岩石力学层是指岩石力学行为相近或岩石力学性质相一致的岩层，是由岩石力学界面所限定的具有相同或相近的强度、脆性和断裂力学性质的岩石力学单元，岩石力学层控制了岩石的变形行为，从而控制了天然裂缝的形成和分布[10-18]。鄂南地区野外露头显示，高角度构造缝纵向分布受控于不同级次不同类型岩石力学层界面，与岩层面斜交或垂直并终止于岩石力学层界面。本文总结了研究区四种常见岩石力学层面类型，包括泥质隔夹层面、钙质隔夹层面、沉积冲刷面、韵律岩性变化界面（图6（a）—（d））。从上述岩石力学层界面类型可以看出，致密砂岩储层的岩石力学层与岩性层并不是一一对应关系，岩性层界面并不总是天然裂缝的终止界面，大部分天然裂缝在岩性层内发育，但也有部分天然裂缝切穿岩性层界面，而且切穿岩性界面的天然裂缝规模明显大于在岩性层内发育的天然裂缝。

图6  鄂南地区不同类型岩石力学层界面露头照片

Fig.6  Pictures of interfaces of different types of rock mechanical layers in the southern Ordos Basin

露头观察发现，裂缝在单个岩石力学层内具有等间距排列特点，裂缝间距或裂缝线密度与岩石力学层厚度相关。统计表明，在一定岩层厚度范围内，裂缝线密度与岩层厚度呈负相关关系，岩层厚度越小，裂缝间距分布越小，裂缝密度越大，随着岩层厚度变大，裂缝间距分布变大，裂缝密度随之变低，当单层岩层厚度大于8m左右时，裂缝基本不再发育（图7），推测认为由于随着岩层厚度增大，岩层抵御构造应力破坏的能力变强，当岩层厚度大于某一值时，构造应力不足以使其发生破裂而形成裂缝。

图7  岩石力学层厚度与裂缝密度定量关系

Fig.7  Quantitative relationship between rock mechanical layer thickness and fracture density

针对上述野外露头观察与统计得到的裂缝垂向分布规律，利用数值模拟方法探讨了岩石力学层限制裂缝纵向扩展机理。设置了三组不同模拟场景分别反映相邻岩层力学性质差异、隔夹层厚度及构造应力对裂缝生长的影响，结果表明：相邻岩层力学性质差异越大，限制裂缝扩展能力越强；泥岩隔夹层越厚，与砂岩层厚度比值越大，限制裂缝扩展延伸能力越强；构造应力越大，泥岩层越难限制裂缝纵向扩展（图8（a）—（f））。综合上述模拟结果，建立了中、小尺度裂缝终止与扩展规律定量图版（图9），研究区喜山期和燕山期最大主应力大小为87～93 MPa，接近90 MPa曲线，在这种应力作用下，当E_泥岩/E_砂岩＜0.7、H_泥岩/H_砂岩＞0.1时，裂缝主要集中在层内发育，以小尺度裂缝为主。

图8  不同实验条件裂缝扩展数值模拟结果对比

Fig.8  Comparison of numerical simulation results of fracture propagation under different experimental conditions

图9  中小尺度裂缝终止与扩展规律定量图版（据文献[11]修改）

Fig.9  Quantitative chart of termination and expansion laws of small-and medium-scale fractures（modified from reference [11]）

3.2 走滑断层控制裂缝平面展布

断层对裂缝发育具有重要影响，由于断层活动造成的应力扰动作用，在断层附近会形成一个明显的应力集中带和裂缝发育带[12]。研究区断层以近直立的走滑剪切断层为主，根据该类断层活动的特点，其应力集中带主要分布在断层的两个端部及其两侧，也是裂缝的有利发育区。

选择红河油田长8油层组穿过断层的水平井，对井上裂缝进行识别，统计裂缝密度与其距断层距离的关系，裂缝密度的取值原则为按照与断层距离20m的间距分别进行取样统计，结果表明，裂缝密度与距断层距离呈幂指数递减关系，距断层越远，裂缝发育程度越低，直至接近围岩。通过对上述多条断层多口水平井统计结果进行对比，发现断层控制裂缝带范围与断层规模有关，按断层长度＜500 m、500 m～5000 m、＞5000 m将鄂南地区断层分为小、中、大三类，小断层控制裂缝带范围小于3m，中断层控制裂缝带范围3～30 m，大断层控制裂缝带范围30～300 m。以断层长度与伴生裂缝带宽度函数模型为约束，利用地震相干、倾角、蚂蚁体属性等技术手段，地质地球物理一体化，刻画红河油田HH36井区断层相关裂缝带分布，如图10所示，研究井区发育三组NEE向裂缝带，三组NW向裂缝带，呈近平行等距排列，不同裂缝带规模差异大，延伸长度从数百米到千米以上，横向宽度从数十米到两百米，其中NW向裂缝带横向延伸距离较远，沿走向呈线性走滑分布。

图10  红河油田HH36井区断层相关裂缝带平面分布图

Fig.10  Distribution map of fault-related fracture zones in HH36 wellblock of Honghe Oilfield

对比鄂南地区红河油田红河36井区全部71口水平井水平段含油性变化，揭示裂缝段含油性明显好于基质段（裂缝欠发育或不发育段），裂缝段平均含油饱和度为55%，基质段平均含油饱和度为38%，裂缝带是油气富集的有利场所。以水平井HH36 P11为例，该井水平段钻遇2条断层，即位于2790 m处的4号断层和3557 m处的5号断层，由图11可以看出：4号断缝带（水平段2763～2806 m）气测全烃值大于30%，录井油气显示以油斑为主，平均含油饱和度达58%，含油性较好；5号断缝带（包括水平段3242～3257 m，3307～3335 m，3780～3860 m）气测全烃值较高，录井油气显示以油斑为主，平均含油饱和度50%以上；基质段气测全烃值较低，录井油气显示以荧光为主，平均含油饱和度40%，含油性明显比裂缝段差。此外，统计71口水平井裂缝段宽度与初产油和累产油的关系，也显示两者具有较好正相关性，水平井单井裂缝段总宽度大于100m时，累产油大于6000 t（图12）。

图12  红河油田长8水平井钻遇裂缝段宽度与产量关系图

Fig.12  Relationship between the width of fracture belts and well production for Chang 8 oil reservoir in Honghe Oilfield

鄂南地区长8致密油主成藏期为早白垩世早期到末期，燕山中晚期形成的断层和裂缝早于或接近于这一时期，对油气运移和晚期成藏具有重要促进作用，裂缝与断层伴生形成断缝系统，向上沟通长7烃源岩层，油气从上部进入长8储集层形成油气聚集[26-29]。断缝带除了是纵向疏导通道外，还是主要的油气储集和富集场所，油气在沿断裂运移过程中优先充注于断层附近裂缝带储层中，形成裂缝控制的油气富集带（区），在远离断裂的基质储层中，油气充注量很少，红河油田长8致密油总体呈大范围成藏、大面积含油，断缝带富集的特点。

（1）鄂南地区长8致密砂岩储层天然裂缝普遍发育，具有“多类型、多尺度、多组系”特点，其中NEE向和NW向高角度共轭剪切缝是研究区主体裂缝组系，现今裂缝的形成是印支、燕山、喜山三期构造活动叠加改造结果，燕山中晚期是裂缝主要发育期。

（2）鄂南地区中、小尺度裂缝纵向分布受岩石力学性质差异、岩层厚度和构造应力共同控制，单个岩石力学层内裂缝线密度与层厚呈负相关关系；裂缝平面展布受控于不同级次断层，裂缝密度随距断层距离呈幂指数递减，断层相关裂缝带宽度与断层长度呈线性正相关关系。

（3）裂缝是控制鄂南地区长8致密油富集与高产的关键因素，断缝带附近含油性明显好于基质区，水平井单井产量与其钻遇裂缝带规模相关性极好，断缝带通过控制长8致密油晚期运聚成藏与储集成为主要油气富集区，也是勘探开发“甜点”区。

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