致密低滲透儲層多尺度裂縫及其形成地質條件

曾聯波，呂 鵬，屈雪峰，樊建明

[1.油氣資源與探測國家重點實驗室 中國石油大學(北京)，北京 102249； 2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249；3.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710021]

天然裂縫是致密低滲透儲層的有效儲集空間和主要滲流通道，影響致密低滲透儲層的油氣成藏、富集規律、單井產量、開發方式和開發效果[1-7]。研究天然裂縫的形成條件和發育規律，對指導致密低滲透油氣藏的勘探開發具有十分重要的意義。

對儲層天然裂縫的研究，過去主要針對以節理為主的小尺度裂縫開展，認為天然裂縫的分布受巖層控制，天然裂縫的間距與巖層厚度呈較好的線性關系[8-12]。實際上，自然界地層中天然裂縫的分布要復雜得多。有的天然裂縫在單一巖性層內分布，貫穿同一套巖性層，并終止于上、下巖性層的界面上，這時的天然裂縫規模受單一巖性層厚度的控制；有的天然裂縫不受單個巖性層控制，可以切穿多個巖性層，這時的天然裂縫規模要遠大于單個巖性層厚度；而有的天然裂縫甚至只在單一巖性層內部的局部發育，并不貫穿整個巖性層，天然裂縫的規模要小于單個巖性層厚度[13-14]。因此，在規模上，天然裂縫通常具有多尺度的分布特征。天然裂縫的尺度和規模不同，它們在致密低滲透儲層中的數量和所起的作用也不盡相同[15]。研究不同尺度天然裂縫分布特征，對深入認識不同尺度裂縫的發育規律及其對致密低滲透儲層的作用至關重要。

一些學者對天然裂縫的多尺度性進行了探討[16-18]。Ortega 等(2006)認為，在對天然裂縫參數進行統計時需要考慮裂縫尺度效應對裂縫參數(裂縫密度、開度)估算的影響[16]。Laubach 等(2009)提出了裂縫層的概念，并分析了巖石力學層與裂縫層的關系，建立了地表露頭區不同級次裂縫網絡模型[17]。Guerriero 等(2010)提出需要選取合適的置信區間對裂縫的開度分布進行估計，以定量評價不同尺度裂縫參數統計的不確定性，并探討了綜合利用野外露頭及微觀掃描分析等不同尺度的數據來降低多尺度裂縫統計的不確定性[18]。這些基于野外地表露頭的天然裂縫多尺度性的探討和認識，為建立地下儲層多尺度裂縫網絡模型提供了很好的思路。

天然裂縫的多尺度性研究對致密低滲透儲層的重要性不容置疑。本文利用鄂爾多斯盆地延河剖面地表露頭資料，結合有限元數值模擬和巖石物理模擬方法，探討了多尺度裂縫的分布特征、形成地質條件及其主控因素，建立多尺度裂縫的劃分標準，對深入認識致密低滲透儲層多尺度裂縫分布規律、指導多尺度裂縫的三維地質建模及致密低滲透油藏高效合理開發具有重要的意義。

1 巖石力學層及其界面類型

天然裂縫的形成與分布受巖石力學層控制[13-14,17,19-21]。巖石力學層是指巖石力學行為相近或巖石力學性質相一致的巖層，是由巖石力學界面所限定的具有相同或相近的強度、脆性和斷裂力學性質的巖石力學單元，它包括巖石力學單元和巖石力學界面兩部分(圖1)。巖石力學層控制了巖石的變形行為，從而控制了天然裂縫的形成和分布。嚴格地講，天然裂縫在巖石力學層內發育，垂直并終止于巖石力學層界面，因此，巖石力學層通常也稱之為裂縫層[17]。確定巖石力學界面，合理地劃分巖石力學層，對深入認識天然裂縫的分布規律具有重要指導作用。

圖1 巖石力學層結構示意圖Fig.1 The schematic diagram of mechanical stratigraphic units

識別巖石力學層界面是劃分巖石力學層的基礎。通過野外地表露頭天然裂縫系統觀察，層理面、沉積間斷面、韻律巖性變化界面、沉積沖刷面、泥巖隔夾層和鈣質隔夾層等層面都可以限制天然裂縫的縱向擴展和延伸而成為巖石力學邊界。巖石力學層界面可以是一個面(如層理面)，也可以是具有一定厚度的相對塑性巖性層(如泥巖層)。當巖石力學層界面是具有一定厚度的塑性巖性層時，就可以稱之為非巖石力學層。在相同的地質條件下，天然裂縫在巖石力學層內發育，而非巖石力學層通常不會產生裂縫。在縱向上，巖石力學層和非巖石力學層可以相間出現，這時，天然裂縫發育層與非裂縫層互層分布。當巖石力學層界面是一個面時(如層理面)，非巖石力學層不發育，此時，巖石力學層和裂縫層就會連續疊置分布。

根據鄂爾多斯盆地延河剖面上三疊統延長組砂巖地表露頭區不同類型界面對天然裂縫終止的統計概率，限制天然裂縫縱向擴展延伸的巖石力學層界面主要分為層理面、沉積間斷面、韻律巖性變化界面、泥巖隔層、泥巖夾層、鈣質隔層、鈣質夾層和沉積沖刷面8種類型。通過巖石力學層與碎屑沉積地質體構型的對比分析，巖石力學層界面與儲層構型界面之間具有一定的內在聯系。以淺水三角洲沉積體系為例，其巖石力學層界面包括11級至7級構型界面，對應于Miall(1988)所定義的1級界面至5級界面[22-24]。由于不同類型巖石力學界面所限制的巖石力學單元性質不同，因而它們對天然裂縫縱向擴展的限制作用也明顯不同(圖2)。

圖2 不同類型界面對天然裂縫限制的概率分布Fig.2 The density distribution of natural fractures restricted by different interfaces

圖3 鄂爾多斯盆地延河剖面上三疊統延長組多尺度裂縫分布Fig.3 Multi-scale fracture distribution in the Upper Triassic Yanchang Formation on Yanhe outcrop,Ordos BasinAF.終止于層面的裂縫；IF.終止在層內的裂縫；TF.穿層裂縫

從限制天然裂縫縱向擴展的巖石力學層界面類型可以看出，致密低滲透砂巖儲層的巖石力學層與巖性層并不是一一對應關系，巖性層界面并不總是天然裂縫的終止界面，大部分天然裂縫在巖性層內發育，但也有部分天然裂縫切穿巖性層界面，而且切穿巖性界面的天然裂縫規模明顯大于在巖性層內發育的天然裂縫(圖3)。這表明，由于巖石力學層界面可以跨越多個構型界面，從而使得致密低滲透儲層中天然裂縫表現出明顯的多尺度分布特征和不同的規模大小。

2 多尺度裂縫分類標準

天然裂縫是指由于構造變形作用或物理成巖作用形成的、在巖石中天然存在的宏觀不連續面[25]，包括節理和利用三維地震資料目前無法識別的小斷層，前者稱之為節理型裂縫，后者稱之為斷層型裂縫[26]。天然裂縫的形成與分布受控于巖石力學層，由于巖石力學層厚度的變化，使得天然裂縫具有多尺度性。在油氣藏范圍內，根據天然裂縫的規模以及限制天然裂縫發育的巖石力學層界面，可將天然裂縫分為大尺度裂縫、中尺度裂縫、小尺度裂縫和微尺度裂縫4級(圖4；表1)。

大尺度裂縫在油藏范圍內發育，一般同時切割水道復合體或壩復合體和泥巖夾層，受厚層泥巖隔層等界面的控制。大尺度裂縫在平面上延伸長度主要為數百米級至千米級，在縱向上為數十米級，地下開度數百微米級至毫米級。此類裂縫通常表現為高角度斷層型裂縫，即目前在三維地震資料上無法識別的小斷層。

中尺度裂縫主要在復合砂體內發育，一般切割層理面、沉積體沉積間斷面和韻律巖性變化界面，受泥巖夾層的控制。中尺度裂縫在平面上延伸長度為數十米級至百米級，在縱向上為米級至十米級，地下開度百微米級。

圖4 多尺度裂縫分布模式Fig.4 The distribution pattern of multi-scale fractures

表1 不同尺度裂縫主要特征Table 1 The main characteristics of fractures of various scales

小尺度裂縫主要在單砂體內發育，受層理面、加積體沉積間斷面、韻律巖性變化界面等限制。小尺度裂縫在平面上延伸長度為米級至十米級，在縱向上為分米級至米級，地下開度主要分布在50～100 μm，表現為與地層層面近垂直的節理型裂縫。

微尺度裂縫在單砂體內發育，其規模更小，需借助微觀測試手段進行識別和描述。微尺度裂縫的長度一般在毫米級和厘米級，其地下開度主要小于40 μm[27]。

已有研究表明，天然裂縫的規模越大，其數量越少；相反，天然裂縫的規模越小，其數量越多。通過地表露頭及巖石薄片資料對不同尺度裂縫的開度和長度進行統計，不同尺度裂縫長度及開度總體服從冪律分布的特點(圖5)，但其呈冪律分布的具體參數因不同尺度、不同發育程度的天然裂縫有所差異[28-29]。根據不同尺度裂縫的冪律分布特點，可以實現多尺度裂縫的三維地質建模。

圖5 多尺度裂縫長度的冪律分布(據Bertrand等[29]修改)Fig.5 Power-law distribution of the multi-scale fracture lengths(modified from Bertrand et al.[29])

3 多尺度裂縫形成地質條件

由于控制裂縫形成的巖石力學層界面不同，因而導致裂縫具有多尺度性。在同一個地區之所以出現多個尺度的巖石力學層界面，與天然裂縫形成時期的地質條件有關。為了反映不同地質條件下巖石力學層界面對裂縫形成的控制作用，在以鄂爾多斯盆地延長組為對象建立的巖石力學層概念模型和邊界應力的基礎上，采用有限元數值模擬和斷裂力學模型相結合的方法，對裂縫的形成演化過程進行了數值模擬和巖石物理模擬實驗，建立了裂縫的形成擴展與巖石力學性質、夾層厚度和構造應力之間的關系(圖6)。巖石力學層模型由砂巖層和泥巖夾層組成，通過改變泥巖夾層的巖石力學參數、厚度和邊界應力大小，來反映巖石力學性質、夾層厚度與構造應力對裂縫發育的控制作用。從圖6可以看出，當構造應力一定時，砂巖和泥巖夾層的巖石力學性質差異越大，限制裂縫擴展所需要的夾層厚度越??；相反，砂巖和泥巖夾層的巖石力學性質差異越小，限制裂縫擴展所需要的泥巖夾層厚度越大。構造應力越大，限制裂縫擴展需要砂巖和泥巖夾層的巖石力學性質差異或者泥巖夾層厚度越大；相反，構造應力越小，限制裂縫擴展需要砂巖和泥巖夾層的巖石力學性質差異或者泥巖夾層厚度也越小。

圖6 構造應力、巖石力學性質差異和夾層厚度控制裂縫關系Fig.6 The control of tectonic stress,mechanical property difference and interlayer thickness on natural fractures(H泥巖、H砂巖分別為泥巖和砂巖夾層厚度，m；E泥巖、E砂巖分別為泥巖和砂巖彈性模量，MPa。圖中曲線從左至右分別表示構造應力為95，90， 85，80 MPa時裂縫終止或擴展界線。)

上述數值模擬和物理模擬結果表明，天然裂縫的形成與分布除了受巖石力學性質控制以外，還與天然裂縫形成時期的古構造應力大小以及非巖石力學層的厚度等因素有關[9]。當某一時期的構造應力相對較小時，較小的巖石力學性質變化就可能成為巖石力學層邊界，此時巖石力學層邊界越多，巖石力學層與非巖石力學層的力學性質相差較小，或者巖石力學邊界厚度較小，天然裂縫就容易受到限制而形成小尺度裂縫；相反，當構造應力相對較大時，有較大的巖石力學性質變化才可能成為巖石力學層界面，此時巖石力學層邊界越少，巖石力學層與非巖石力學層的力學性質差異大，或者巖石力學層邊界厚度變大，天然裂縫的擴展才會受到限制，裂縫越容易穿層而形成大尺度裂縫。正是由于在不同地質歷史時期和不同地質條件下巖石力學層及其界面的變化，從而控制了不同尺度天然裂縫的形成和分布。

4 油氣意義

由于不同尺度裂縫的規模大小不一樣，其所起作用也不同。大尺度裂縫的規模大，在油層組內發育，但數量相對較少，主要起油藏的滲流通道作用，其儲集意義較小。中尺度裂縫在復合砂體內發育，是致密低滲透儲層流體滲流的重要通道。小尺度裂縫在單砂層發育，數量多，是致密低滲透儲層的主要滲流通道和有效的儲集空間。微尺度裂縫數量多，其長度和開度較小，是致密砂巖儲層的有效儲集空間，但其裂縫的滲流作用較小。微尺度裂縫包括穿裂縫、粒內縫和粒緣縫3種類型；其中，粒內縫和粒緣縫是溝通粒內孔、粒間孔的主要通道，使儲層連通性變好，它們極大地改善了致密儲層的儲集和滲流性能，是致密砂巖油氣藏穩產的重要因素[27]。小尺度裂縫是控制致密砂巖儲層早期產量高低的關鍵因素。大、中尺度裂縫影響油藏開發中后期剩余油的分布規律。

5 結論

1) 針對油氣藏天然裂縫規模以及限制天然裂縫縱向擴展的巖石力學層界面，將天然裂縫分為大尺度裂縫、中尺度裂縫、小尺度裂縫和微尺度裂縫4級。大尺度裂縫在油藏內發育，受厚層泥巖隔層控制；中尺度裂縫在復合砂體內發育，受薄層泥質或鈣質夾層的控制；小尺度裂縫在單砂體內發育，受巖性層面控制；微尺度裂縫需要借助微觀分析觀察，其長度和開度均較小。

2) 多尺度天然裂縫的形成與分布受形成時期的古構造應力大小、巖石力學層性質差異和非巖石力學層厚度3個主要因素的控制。構造應力越大，巖石力學層與非巖石力學層的力學性質和厚度差異越大，才能限制裂縫的擴展，此時容易形成大尺度裂縫；構造應力越小，較小的巖石力學層與非巖石力學層的力學性質和厚度差異，即可限制裂縫的擴展，此時容易形成小尺度裂縫。

3) 不同尺度裂縫分布具有冪律分布的特點，裂縫尺度越大，數量越少；裂縫尺度越小，數量越多。大、中尺度裂縫主要起滲流作用，小尺度裂縫起滲流和儲集作用，而微尺度裂縫主要起儲集作用。