鄂爾多斯盆地合水地區延長組裂縫發育特征及控制因素

屈雪峰，趙中平，雷啟鴻，劉建，高武斌

(1.長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710021; 2.北京愛能泰克科技有限公司，北京 100012)

0 引言

近年來鄂爾多斯盆地超低滲透儲層中的天然裂縫對注水開發的影響愈來愈引起了油田開發工作者的重視[1-5]。據公開發表的文獻顯示，鄂爾多斯盆地眾多區域已開展了裂縫研究工作，包括姬塬—元城、麻黃山、慶城—合水、沿河灣、五谷城、白豹、華慶、定邊、鎮原—涇川、侯市—杏河、胡尖山、隴東、寧縣、靖安—安塞、吳旗、盆地中東部、盆地中西部、鄂南(延長油礦)等地區[6-30]。這些研究成果表明，除僅在盆地西南緣天環坳陷內紅河油田發現了與斷層伴生的裂縫系統[31]外，其他成果均認為盆地內三疊系延長組裂縫主要為區域性水平構造應力場作用下形成的區域構造裂縫，其研究對象主要為巖心中鉆遇的天然小尺度裂縫。

長期以來，鄂爾多斯盆地被認為是穩定的、弱構造活動的構造單元， 盆地內延長組地層是不發育斷層的[32]。然而，越來越多的資料和證據表明盆地伊陜斜坡內延長組地層發育有不同規模的斷層，對于超低滲透儲層僅研究小尺度裂縫是不全面的，裂縫與斷層之間的關系以及裂縫研究和預測方法需要重新審視。本文以合水地區延長組為例，探討斷層存在的證據、裂縫發育特征及控制因素。

1 斷層、破碎帶及小尺度裂縫組成復雜的斷裂系統

合水地區位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部(圖1)，近期綜合利用地震、鉆井、測井、巖心等資料在該區延長組地層中發現了典型的斷層、破碎帶以及小尺度裂縫。

1.1 斷層

通過詳細分析合水地區的鉆井和二維地震資料后，在延長組地層中發現了數條最大斷距可達110 m以上的走滑逆斷層(圖2a～圖2d),部分斷層平面延伸長度可達7 km以上。較大斷距斷層在研究區內中部及東南部呈雁列式分布，斷層總體呈近NW—ES向展布，形成近NNW—SSE展布的主斷層帶(圖2e)。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Schematic location of the study area

1.2 斷層破碎帶

與斷層伴生的斷層破碎帶內巖石被眾多的裂縫切割而碎裂成小塊，裂縫密度大，裂縫異常發育，裂縫條數難以統計；而且破碎帶不受巖性界面控制，與斷層一樣穿層發育[33]。合水地區長63水平井在鉆井過程中發生了不同程度的鉆井液漏失現象，其中部分井區漏失嚴重，漏失段為低電阻率、高時差特征的斷層破碎帶(圖3a)。相對于直井而言，水平井更易鉆遇破碎帶。統計表明，區內258口水平中有116口井水平段鉆遇了破碎帶；在觀察巖心的50口直井中僅有3口井、4段取到了破碎帶巖心(圖3b )。研究區發現的破碎帶巖心與在其他地區的典型裂縫性油氣藏中發現的破碎帶巖心特征是一致的。

a—開發區斷層分布圖；b—過W1井二維地震剖面；c—過W3井二維地震剖面；d—1～5井長6地層對比剖面；e—合水地區長7底斷層分布a—fault distribution in development zone;b—2D seismic profile through the W1 well;c—2D seismic profile through the W3 well;d—Chang 6 formation correlation section from well 1 to well 5;e—fault distribution map at Chang 7 formation bottom in Heshui area圖2 斷層證據及斷層分布Fig.2 The faults development evidence and distribution map

a—斷層破碎帶電測曲線特征;b—斷層破碎帶巖心;c—水平井開發區鉆遇的破碎帶與構造疊合分布a—log curve characteristics of fault damage zone;b—the cores of fault damage zone;c—the overlap map of the drilled fault damage zone in horizontal well development area and the structure map圖3 斷層破碎帶特征及其在水平井開發區的平面分布Fig.3 The characteristics of fault damage zone and its distribution in horizontal wells development area

研究區水平井鉆遇的破碎帶主要分布在研究區西北部及南部斷層末端延伸處，中部及東南部大斷層發育區破碎帶不發育(圖3c)。

1.3 天然小尺度裂縫

巖心中發現的小尺度裂縫按照力學性質劃分，張扭縫較發育,占53%，剪切縫占47%;按成因類型可劃分為區域構造應力作用下普遍發育的受小層所限的裂縫和與斷層相關的裂縫兩類,前者受巖性、機械層等控制，縱向上裂縫通常終止于巖性界面處(圖4a)，表現為“小切深、低密度”特征,后者往往能夠切穿不同巖性段、不受機械層控制、裂縫密度較大。如某井第2次取心79～96塊共2.2 m巖心中發育了10條裂縫，其中第86～88塊、94～95塊發育的裂縫切穿了不同的巖性段(圖4b)。巖心觀察中見到的多為受小層所限的裂縫，很少見到與斷層相關的穿層裂縫。

總之，合水地區延長組發育由斷層—破碎帶—小尺度裂縫組成的復雜斷裂系統，它們共同作用影響地下儲層的非均質性、滲流能力，從而對油氣生產產生重要影響。

a—受巖性界面控制的小尺度裂縫;b—與斷層伴生的小尺度裂縫a—small-scale fractures controlled by lithologic interface;b—small-scale fractures associated with faults圖4 兩種類型的小尺度裂縫Fig.4 Two types of small-scale fractures

2 影響裂縫發育程度的主控因素

2.1 小尺度裂縫發育程度與巖性及地層厚度的關系

統計表明，巖心中發現的裂縫主要分布在細砂巖中，其次為粉砂巖(圖5a)，大段塊狀含油砂巖中少見裂縫。巖芯中發現的天然裂縫幾乎均為小層所限的小尺度裂縫，上下終止于巖性界面處。因此裂縫切深反應了裂縫發育段的巖層厚度；總體上巖層越薄裂縫越發育，10 cm左右厚度的巖層中裂縫最發育(圖5b)。

2.2 小尺度天然裂縫縱向分布特征

對50口井3 200 m巖心中發現的500余條天然小尺度裂縫統計分析表明，縱向上天然裂縫主要發育在砂體頂部、底部的砂泥互層層段中，其次為砂體內部的薄層以及鈣質膠結砂巖中；大段塊狀砂巖內總體裂縫不發育(圖6)。眾多吸水剖面資料也表明，注水井尖峰狀吸水段也主要分布在砂體頂部、底部的砂泥互層層段中。這一特征表明天然裂縫在縱向上的分布具有一定的優勢層位，這為天然小尺度裂縫發育段的橫向預測提供了依據。

a—發育程度與巖性的關系;b—裂縫切深分布直方圖a—the relationship between fracture development and lithology;b—the histogram of fracture height圖5 裂縫發育程度與巖性及層厚的關系Fig.5 The relationship between fracture development degree and lithology and bed thickness

a—某井天然裂縫縱向分布;b—縱向不同位置小尺度裂縫分布頻率統計a—longitudinal distribution of natural fractures in a well;b—statistics on the distribution frequency of small scale fractures at different longitudinal position圖6 天然裂縫縱向發育特征及不同位置分布頻率統計Fig.6 The longitudinal development characteristics of small-scale fractures and its distribution frequency in different zones

2.3 破碎帶與小尺度裂縫平面分布特征

巖心裂縫線密度餅圖與破碎帶及斷層分布的疊合圖(圖3c)表明，平面上巖心中裂縫發育密度與破碎帶分布具有很好的一致性。在水平井鉆遇的破碎帶較發育區，總體裂縫線密度和裂縫發育段比例相對較高。在研究區中部、東南部大斷層發育區，破碎帶總體不發育，巖心裂縫線密度和裂縫發育段總體比例較低；在這一區帶內，其中有一口井的巖心中未發現裂縫，另一口井中發現3條裂縫，而其他兩口井中僅各見1條裂縫。

由此可見，小斷層末端延伸方向往往破碎帶密集發育，大斷距斷層附近破碎帶和裂縫相對不發育，破碎帶發育區小尺度天然裂縫較發育。

2.4 破碎帶、小尺度裂縫發育程度與構造曲率的關系

破碎帶和裂縫較發育處，構造起伏大、曲率高；破碎帶和裂縫不發育處，構造較平緩，曲率低。另外，生產中裂縫型見水的水平井主要分布在鼻狀隆起兩翼的低洼部位，這說明構造曲率對裂縫發育具有一定的控制作用。

長7底界特征明顯、是良好的區域對比標志層，根據編制的長7底界構造圖，計算了構造曲率(圖7)。對比和統計表明(表1)，破碎帶和小尺度裂縫發育程度與構造曲率具有很好的相關性。研究區內雁列式大斷層發育帶構造曲率最低，該帶內總體破碎帶明顯不發育；破碎帶發育區主要位于較高的構造曲率區，較高構造曲率區內天然小尺度裂縫也較發育。因此，合水地區長7底界的構造曲率屬性可以作為定量預測破碎帶和小尺度裂縫分布的重要屬性。

圖7 水平井開發區鉆遇破碎帶與長7底構造曲率疊合圖(圖例同圖3)Fig.7 Overlapped map of the fault damage zones distribution and Chang7 bottom structure map in horizontal wells development area(legends are the same as figure3)

表1 不同曲率區裂縫發育程度統計Table 1 Statistics of small-scale fractures development degree in different curvature area

綜上所述，天然小尺度裂縫的發育明顯受機械層控制，斷層、破碎帶、小尺度裂縫之間存在著成因聯系；構造曲率可以很好地預測破碎帶和小尺度裂縫的發育程度；具有明顯斷距的走滑逆斷層發育帶總體裂縫發育程度低，其外圍裂縫總體較發育。這一認識為研究區裂縫定量預測提供了思路和依據。

3 幾點啟示

本次研究表明，合水地區延長組地層發育由斷層、斷層破碎帶和天然小尺度裂縫組成的復雜斷裂系統；斷層破碎帶受斷層控制、裂縫特別發育，縱向和橫向均能延伸一定的距離，對油井生產有一定的影響；相對于斷層破碎帶，普遍發育的天然小尺度裂縫切深小，受巖性界面控制，主要發育在砂層頂底薄層砂泥互層中，其密度較低、難以提供有效的等效滲透率，對油水井生產的直接影響是有限的。此前公開發表的有關鄂爾多斯盆地伊陜斜坡內延長組的裂縫研究，主要圍繞的是天然小尺度裂縫，沒有認識到斷層和斷層破碎帶的存在。因此，在今后合水地區乃至整個鄂爾多斯盆地伊陜斜坡內研究超低滲透儲層的裂縫時，應充分重視斷層和破碎帶的各種響應特征，重點研究斷層破碎帶對油水井生產的影響，將斷層、破碎帶和天然小尺度裂縫當作一個系統來研究，而不應僅研究天然小尺度裂縫。

在斷層—破碎帶—小尺度裂縫這一復雜系統中，斷層可以利用二維地震、鉆井資料來確定，其分布是確定的；破碎帶受斷層控制，而對于小尺度天然裂縫而言，能夠直接用于描述其分布特征的資料是十分有限的，其分布具有很大的不確定性。分析三者之間的關系，有助于較準確地預測這一復雜斷裂系統的分布特征，提高裂縫預測精度，減小裂縫分布的不確定性。

目前在超低滲透油藏開發過程中儲層均要經過大規模水力壓裂改造，如何更好地利用超低滲透儲層中發育的天然復雜斷裂系統，應是今后類似油藏高效開發的一個重要課題。因此，本區的裂縫研究給了我們以下幾點啟示，也具有一定的指導意義。

1)水平井是開發此類儲層的最優方式。天然構造裂縫、破碎帶均以高角度為主，因此直井鉆遇裂縫的概率是非常低的；而水平井的水平段與天然構造裂縫、破碎帶近于垂直，因此鉆遇的概率非常高；而且可以鉆遇多段破碎帶或天然裂縫，溝通更多的儲層。所以，水平井是開發這類儲層的最優井型。本次研究發現的破碎帶，除了50口直井巖芯觀察井中有3口井發現4段破碎帶外，其余的均為水平井鉆遇。如果研究區內沒有這些水平井，僅利用斜井或直井資料，則難以認識到破碎帶的普遍存在。

2)選擇最優化的完井方式。目前合水地區套管水泥固井的完井方式導致大多天然裂縫和破碎帶未能直接與井底溝通，其對油水井生產的影響可能有限。建議今后針對類似儲層開展水平井完井方式優化研究并現場試驗，如裸眼篩管完井方式等。

3)水平段方位優化。目前完鉆水平井水平段方位均垂直于現今最大主應力方向，沒有考慮其它的因素。發育的斷層破碎帶延伸方位與鄰近斷層方位一致，其與現今最大主應力方向NE75°有一定夾角。因此，建議今后開展水平井水平段方位優化工作，考慮利用斷層破碎帶。

4)采用合理的壓裂改造規模。對不同裂縫發育程度區，超低滲透儲層應采用不同的壓裂改造規模。破碎帶及天然小尺度裂縫不發育區，應加大儲層的壓裂改造規模；破碎帶及天然小尺度裂縫發育區，應減小儲層的壓裂改造規模。

4 結論

1)研究表明，合水地區延長組地層發育由斷層—破碎帶—小尺度裂縫組成的復雜斷裂系統，因此，鄂爾多斯盆地伊陜斜坡內延長組地層的天然裂縫研究應將斷層、破碎帶和天然小尺度裂縫作為一個系統來考慮分析，而不應僅針對天然小尺度裂縫進行研究。

2)小尺度裂縫的發育明顯受機械層控制，斷層、破碎帶、小尺度裂縫之間存在著成因聯系，而構造曲率可以很好地預測破碎帶和小尺度裂縫的發育程度。

3)如何更好地利用超低滲透儲層中發育的天然復雜斷裂系統，應是今后類似油藏高效開發的一個重要課題。