王 杰 胡晨光 潘勇利 黄强基袁红旗 巩 磊，3 高 帅，3 王成龙

（1.东北石油大学地球科学学院 黑龙江大庆 163318；2.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院 河北任丘062552；3.东北石油大学环渤海能源研究院 河北秦皇岛 066004）

吉华1潜山变质岩位于吉兰泰油田西翼，具有良好的储集空间，具备很大的油气勘探开发潜能（王飞等，2019；杨雪等，2019；杨德相等，2020）。近年来，相继钻探了HZK1井等7口探井，其中4口井获工业油流，并有3口井现已投产，效果较好。但由于受变质作用、构造作用、风化淋滤作用等影响，潜山变质岩储层结构十分复杂，非均质性强烈，分布规律预测难度较大，对油气的运移起到了阻碍作用。天然裂缝不仅可以作为潜山油藏的主要储集空间和重要的渗流通道，还控制溶蚀孔隙的发育（赵立旻，2007；Zeng et al.，2013；Gong et al.，2019a；刘国平等，2020），影响着潜山油气运移、聚集、保存和单井产能。裂缝的存在能提高储集层的储集和渗流能力，同时在很大程度上改善了油气的运移（曾联波等，1997；Zeng et al.，2010；Gong et al.，2021a）。

近年来，前人对吉兰泰地区潜山变质岩地层裂缝进行了一些研究，认为构造裂缝一方面对岩石内部已有孔洞起到一定的连通作用，有利于储层的二次发育，另一方面，构造裂缝还可以充当油气充注和排出的优势运移通道，降低其在储层中的渗流门槛，能够有效提高储层的油气产能（巩磊等，2013；程四洪等，2017）。但这些研究都局限于潜山储层或裂缝的某一方面，而对整个潜山带裂缝的综合研究还很欠缺。因此，加深对天然裂缝的认识，对变质岩储层和油气产能研究均具有一定的指导作用（童凯军等，2012；Fossen and Rotevatn，2016；Marrett et al.，2018；Weinberger and Burg，2018；Zeng et al.，2018）。本文对研究区潜山变质岩的裂缝进行了统计分析，并运用多种方法论述了裂缝的成因类型及发育的控制因素，以对吉兰泰地区潜山变质岩地层裂缝有一个全面、系统的认识，为古潜山油气勘探提供借鉴。

1 地质概况

河套盆地为一个中新生带走滑拉分盆地，其形成演化经历了白垩纪弱走滑拉分期、古近纪弱—中走滑拉分期、新近纪强烈走滑拉分期和第四纪走滑改造期4个演化阶段。盆地整体表现为盆大湖浅的伸展性坳陷，并发育少量具有一定NE走向左行走滑性质的高角度正断层。吉兰泰油田地理位置上位于巴彦—河套盆地临河坳陷西南部，地理上属内蒙古自治区中部阿拉善盟、巴彦淖尔市，经纬坐标范围：东经105°59′00″～106°11′47″，北纬40°20′40″～40°17′10″。河套盆地北邻阴山山脉，南接鄂尔多斯盆地，东北与二连盆地毗邻，东南与贺兰山接壤。其中临河坳陷整体为半地堑结构特征，受NNE向断层及磴口变换带的控制，具有南北分区，东西分带的特点，区内发育的吉兰泰、磴口、扎格、兴隆等构造带为有利勘探区带（图1）。

图1 河套盆地临河凹陷构造单元划分及研究区位置图Fig.1 Tectonic unit division of Linhe Sag in Hetao Basin and location of the study area

2 裂缝发育特征

2.1 裂缝类型

根据不同的分类方法可以将裂缝分为不同的类型。按照裂缝的地质成因，吉华1潜山变质岩储层裂缝可分为在构造应力场作用下形成的构造裂缝、成岩过程中形成的成岩裂缝以及风化、化学溶蚀作用形成的风化溶蚀裂缝等类型。根据岩心及薄片研究，构造裂缝是研究区致密储层的主要裂缝类型，具有分布规则、间距宽、等间距好、发育范围广、产状相对稳定等分布特征，并可组成良好的裂缝网络系统。

按照裂缝的力学成因，通过岩心裂缝统计，吉华1潜山变质岩储层裂缝可分为剪切裂缝和张性裂缝两种类型，其中以剪切裂缝为主，剪切裂缝占到总天然裂缝的71%，张性裂缝占29%。其中剪切裂缝通常以共轭的形式出现，在形态上，剪切裂缝的产状一般比较稳定，沿走向和倾向延伸较远；剪切裂缝常呈雁列式排列；裂缝面平直光滑，常有擦痕和阶步等特征（图2a、图2b）；张性裂缝垂直于最小应力方向，平行于压缩方向，裂缝面较粗糙、不平整，裂缝两壁常张开被矿脉所填充，裂缝延伸距离较短，常成组出现，分布稀密不规则（图2c、图2d）。

图2 岩心裂缝发育特征Fig.2 Development characteristics of fractures in cores

根据成像测井裂缝识别，研究区发育高导缝、高阻缝、诱导缝3种类型的裂缝。高导缝钻井液侵入导致低阻现象，连续性较好，多为有效裂缝，有助于改善储集层物性；高阻缝充填了方解石、石英，该类型裂缝连通性较差，多为无效裂缝，不利于改善储集层物性。钻井诱导缝是地应力扰动作用下产生的裂缝，排列整齐，规律性强，指示了现今最大主应力方向（图3，图4）。

图3 成像测井识别的裂缝种类Fig.3 Fracture types identified by imaging logging

图4 各类裂缝所占比例Fig.4 Proportion of various fractures

根据微观裂缝和矿物颗粒之间的关系，还可将微观裂缝分为粒内缝、粒缘缝和穿粒缝3种类型，粒内缝和粒缘缝主要是在强烈的机械压实作用下，颗粒之间相互挤压沿石英裂纹或长石解理发生破裂而形成的微裂缝，规模小，密度大；穿粒缝的规模较大，延伸较长，它不受矿物颗粒限制，通常穿越数个矿物颗粒以上（图5）。

图5 微观裂缝发育特征Fig.5 Development characteristics of micro fractures in thin sections

2.2 裂缝定量表征

利用成像测井和微层面定向方法等来确定裂缝的组系和方位。由于缺少定向取心资料，本次主要采用了成像测井方法对吉华1潜山变质岩天然裂缝的组系和方位进行了确定。根据成像测井裂缝解释，研究区主要发育有北东—南西向、近东西向和北西西—南东东向和北东东—南西西4组裂缝，其中以北东—南西向、北东东—南西西向最为发育，其次为近东西向的裂缝，而北西西—南东东的裂缝发育程度较低（图6）。从岩心上可以看出，研究区裂缝以斜交缝和高角度缝为主，占到裂缝总数的90%以上，裂缝高度以0.2～0.6 m最为集中，倾角位于60°～80°之间。低角度裂缝和水平裂缝较少（图7，图8）。

图6 吉华1变质岩储层天然裂缝走向玫瑰花图Fig.6 Rose diagrams of natural fracture strikes in metamorphic reservoir of Jihua 1 area

图7 高角度裂缝图片Fig.7 High angle fracture picture

图8 裂缝倾角和高度分布图Fig.8 Fracture dip angle and height distribution

裂缝密度反映了储层裂缝的发育程度。由于该区以高角度构造裂缝为主，钻井岩心也是直立取心，因此，对裂缝密度统计时需要进行校正。根据该区6口井32.2 m岩心裂缝观察来看（表1），裂缝发育程度很高，裂缝线密度主要分布在8～14条/m之间，平均为12.39条/m。裂缝面密度主要分布在5～12 m/m2之间，平均为7.42 m/m2（图9）。

表1 吉华1潜山变质岩岩心裂缝观察统计表Table 1 Statistics of core fracture parameters in the metamorphic rocks of Jihua 1 buried hill

图9 吉华1潜山变质岩裂缝发育程度Fig.9 Development degree of core fractures in the metamorphic rocks of Jihua 1 buried hill

裂缝的有效性也是裂缝定量表征的一个方面（巩磊等，2015；鞠玮等，2020），其中充填程度是主要因素，未充填裂缝和半充填裂缝属于有效裂缝，其渗流效果好，矿物未被充填或半充填；全充填裂缝被矿物充填，使裂缝的孔隙体积变小，有效性变差，属于无效裂缝。根据岩心裂缝充填程度统计，研究区裂缝被全充填者占46.1%，半充填者占4.6%，未充填者49.3%，有效裂缝占53.9%，裂缝有效性较好。充填矿物以方解石充填最多，为81.25%、泥质充填为6.45%、石英充填为7.85%、沥青充填为4.45%。根据微观裂缝充填程度统计，研究区裂缝被全充填者占26.74%，半充填者占10.23%，未充填者63.03%，方解石充填占80.53%、石英充填占9.84%、沥青充填占7.45%、泥质充填占到2.18%，有效裂缝占73.26%，裂缝有效性较好。

根据成像测井裂缝充填程度的统计，各井的有效性都较好，研究区有效缝（高导缝）占68.08%，无效缝（高阻缝）占30.9%。同时裂缝走向与现今最大主应力方向之间的关系同样影响着裂缝的有效性，吉华1现今最大主应力方向为北东东—南西西向，根据成像测井裂缝解释的测量，研究区主要发育北东东—南西西向、北东—南西向，其结果与最大主应力方向平行，因此与之平行的北东—南西向裂缝最有利于开启，其宽度大，有效性最好。

裂缝的孔隙度和渗透率是衡量裂缝储集和渗流能力大小的主要指标，主要与其宽度、间距等定量参数有关。研究区宏观裂缝孔隙度大多分布在0～2%，微观裂缝孔隙度大多分布在0.6%～1.2%，宏观裂缝渗透率主要分布在2～30 mD，平均为15.7 mD。微观裂缝渗透率主要分布在0.008～0.02 mD，平均为0.012 mD。

2.3 裂缝发育主控因素

（1）岩性

岩性是影响储层裂缝发育程度的最基本因素（巩磊等，2017；王濡岳等，2018；吕文雅等，2020）。由于不同岩性岩石的矿物成分、结构及构造不同，使得不同岩石类型的岩石力学性质具有很大的差异性，因而在相同构造应力作用下，裂缝的发育程度不同（Bullock et al.，2014；Mercuri et al.，2020；Paredis et al.，2020）。根据野外相似露头、岩心和薄片资料，分析了岩石类型、矿物成分等岩性因素对裂缝发育程度的影响。研究区共发育6大类岩性的裂缝，从岩性上来看，研究区的碎裂岩裂缝是最发育的，裂缝的线密度达到13.46条/m，最不发育的岩性是斜长角闪岩，裂缝线密度为6.65条/m。相同岩性情况下，岩石的矿物成分也是影响裂缝的发育程度的重要因素，研究区内由于浅色矿物以石英、长石为主，并且这些矿物的脆性指数高，弹性模量高，泊松比低，所以在相同构造应力作用下，其更容易形成构造裂缝；暗色矿物则是以黑云母、角闪石为主，此类矿物脆性指数低，弹性模量低，泊松比高，抗压强度大，所以不易产生裂缝。因此可以看出浅色矿物中的裂缝线密度高于深色矿物（图10）。

图10 岩性对变质岩储层裂缝发育程度的影响Fig.10 Influence of lithology on fracture development degree of metamorphic reservoir

（2）断层

人们普遍认识到断裂带具有二元结构，即包括断层核及其周围的破碎带（Peacock et al.，2017；Wu et al.，2020）。断层核一般由滑动面、断层泥、角砾岩、构造透镜体、碎裂岩组成，破碎带一般由尺度不一的裂缝和次级断层组成。断层是控制吉华1潜山变质岩储层裂缝发育的重要外部因素，它主要是通过控制不同构造部位的局部应力分布来控制裂缝的发育程度（曾联波等，2020）。这是由于断层活动过程中形成的应力扰动作用造成的。沿断裂带一般具有明显的应力集中现象，从而使其裂缝发育程度升高。

根据野外露头观察与测量，在断层面附近以及断层的端部等部位，无论在断层的上盘还是在断层的下盘裂缝均十分发育；随着距断层距离的增大，裂缝的线密度明显降低，裂缝的线密度随着距断面距离的增加呈负指数函数递减的趋势（图11）。这是由于断层活动形成应力扰动作用造成的，沿断裂带一般具有明显的应力集中现象，从而使其裂缝明显发育。另外，根据统计还发现，虽然在断层的上盘和下盘均具有随着距断层距离的增大，裂缝的线密度明显降低的趋势，但是在断层两侧，裂缝发育程度也不一样。

图11 狼山地区变质岩露头区断裂带内部结构及裂缝分布规律Fig.11 Fault internal structure and fracture distribution laws of metamorphic outcrop in Langshan area

根据成像测井资料对研究区接近断层的JHZK2井、JHZK7井进行了裂缝密度统计，从图中可以看出JHZK2井、JHZK7井的裂缝线密度，随着埋藏深度的加深，逐渐远离研究区边界断层，裂缝密度大体呈现出下降的趋势，同时JHZK7井的裂缝线密度整体比JHZK2井的要高，所以距离断层的距离越远，裂缝的线密度越小（图12）。

图12 裂缝密度随深度变化规律（随着埋藏深度增加，逐渐远离研究区边界断层）Fig.12 Variation of fracture density with depth

3 裂缝分布规律综合评价

裂缝指示参数法（FIP）是一种利用常规测井曲线进行裂缝识别的方法。它将综合指数法（Comprehensive Index Method，CIM）和分形维数法（Comprehensive Fractal Method，CFM）解释结果依照不同的权系数，合成一条裂缝指示参数曲线FIP（Lüet al.，2016），以放大裂缝的响应强度，削弱非裂缝因素的测井响应，更加准确地解释裂缝。FIP由下式求得：

其中，w1为综合指数法的权系数，w2为分形维数法的权系数。

综合指数法是基于各种测井方法在实际应用时，对裂缝的响应特征存在多解性，例如井径曲线数值明显增大，是裂缝的响应特征，但其亦有可能是由打井时钻遇较为泥岩段导致井眼垮塌所致。由此运用综合指数法，将各类常规测井方法对裂缝的响应特征，通过特征参数的提取与综合，扩大裂缝的响应特征，削弱测井响应中其他因素的干扰，以增强裂缝识别的准确性。

综合指数CIM由以下公式求得：

式中，CVi为第i种特征参数；wi为特征参数对应权系数（Lüet al.，2016）。由于各类常规测井方法的测量原理各有不同，其各自所得到的测井数据在单位和数值范围上存在很大差异，因此需要先对各类测井方法的数据统一量纲，再进行加权求取CIM。CIM越大，表示裂缝的发育程度越高。

利用裂缝指示参数法对常规测井曲线进行裂缝的识别，合成一条裂缝制式参数曲线，来放大裂缝的响应强度，从而削弱非裂缝因素的测井响应，更加准确地解释裂缝。运用以上常规测井的综合指数法，对研究区内5个层段，50口井分别进行裂缝测井识别。利用岩心裂缝观察资料、常规测井识别的裂缝信息，可以对研究区裂缝测井识别结果进行检验（图13）。

图13 JHZK2井常规测井裂缝识别及岩心裂缝对比Fig.13 Comparison between fractures in core and identified by conventional logging of well JHZK2

根据常规测井裂缝识别成果，统计单井裂缝发育段厚度，除以地层厚度，获得裂缝发育段比值，通过对比发现，裂缝发育段比值与岩心裂缝密度正相关，相关系数R为0.64，说明裂缝识别结果可信度较高，同时根据裂缝发育段比值与岩心裂缝密度拟合关系式，计算单井裂缝密度，进行平面裂缝分布规律预测（图14）。通过裂缝发育控制因素分析得知断层对裂缝发育影响较为明显，依据裂缝分形理论的方法（Maerten et al.，2006；高帅等，2015；Gong et al.，2019b，2021b），对伴生裂缝系统进行了预测（图15）；同时将裂缝发育平面分布与断层伴生的裂缝系统进行了叠合，得到了研究区裂缝综合预测图（图16）；通过对预测结果和5口取心井获得的裂缝单井密度进行对比分析，预测结果与实测裂缝线密度具有很好的正相关性，实测的密度分布在11.58条/m，预测的密度分布在12.84条/m，绝对误差在1.36条/m，相对误差在10.59%，说明该方法的裂缝预测结果是较为准确的。最后根据裂缝的综合预测图对研究区的裂缝发育段进行了划分，分别划分为裂缝发育区、裂缝较发育区、裂缝不发育区，发育段的比值结果与实际预测结果相符（图17）。

图14 吉华1潜山Ⅰ油组裂缝发育平面分布图Fig.14 Prediction of fracture distribution ofⅠoil group in Jihua 1 buried-hill

图15 吉华1潜山Ⅰ油组断层伴生裂缝分布预测图Fig.15 Prediction of fault associated fractures ofⅠoil group in Jihua 1 buried-hill

图16 吉华1潜山Ⅰ油组裂缝密度综合预测图Fig.16 Comprehensive prediction of fracture density ofⅠoil group in Jihua 1 buried-hill

图17 吉华1潜山Ⅰ油组裂缝综合评价图Fig.17 Comprehensive fracture evaluation ofⅠoil group in Jihua 1 buried-hill

4 结 论

（1）明确了研究区天然裂缝类型及分布特征：根据裂缝地质成因，研究区发育有构造裂缝、风化溶蚀缝和成岩裂缝3种类型，其中以高角度构造裂缝为主。构造裂缝具有分布规则、间距宽、等间距好、发育范围广、产状相对稳定等分布特征，并可组成良好的裂缝网络系统。微观裂缝可分为粒内缝、粒缘缝和穿粒缝3种类型，它们极大地改善了储层的孔隙结构和整体性能，对致密储层的储、渗具有重要意义。

（2）对吉华1潜山变质岩地区天然裂缝进行定量表征：研究区裂缝普遍发育，裂缝线密度主要分布在8～14条/m之间，平均为12.39条/m，裂缝面密度主要分布在5～12 m/m2之间，平均为7.42 m/m2。研究区主要发育有北东—南西向、北东东—南西西向、北西西—南东东向、近东西向4组裂缝，其中北东—南西向和北东东—南西西裂缝最发育。研究区天然裂缝被全充填者占46.1%，半充填者占4.6%，未充填者49.3%，有效裂缝占53.9%，裂缝有效性较好。宏观裂缝，尤其是高角度构造裂缝，是主要的渗流通道。微观裂缝渗透率较低，为储层的渗流作用不起主导作用，它们的存在主要是对变质岩的储集层起到改善渗流作用。

（3）明确了岩性、断层对裂缝发育的影响。岩性是决定裂缝发育程度的基础，相同岩性情况下，岩石的矿物成分也是影响裂缝的发育程度的重要因素，浅色矿物中的裂缝线密度高于深色矿物。从断层上来看，从JHZK2井、JHZK7井裂缝密度纵向分布可知，随着深度的加深，距离断层的距离越远，裂缝的线密度越小，所以随着深度的加深裂缝密度大体呈现出下降的趋势。

（4）运用多信息融合的常规测井裂缝识别方法，对研究区的50口井进行常规测井解释，岩心观察与裂缝常规测井识别相吻合，裂缝发育段比值与岩心裂缝密度正相关，裂缝识别吻合率达64.02%。结果可靠，并对裂缝发育段比值及裂缝发育厚度进行平面分布规律进行预测，通过对预测结果和取心井获得的单井裂缝密度进行对比分析，其相对误差较小，在10.59%左右，其预测结果可信。