李进步，吴小宁，赵忠军，李浮萍，王　龙，冯　敏，罗文琴

(1．中国石油长庆油田分公司 苏里格气田研究中心，陕西 西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3.斯伦贝谢长和油田工程有限公司，陕西 西安 710018)



苏里格气田上古生界裂缝特征及成因探讨*

李进步1，2，吴小宁1，2，赵忠军1，2，李浮萍1，2，王龙1，2，冯敏1，2，罗文琴3

(1．中国石油长庆油田分公司 苏里格气田研究中心，陕西 西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3.斯伦贝谢长和油田工程有限公司，陕西 西安 710018)

为研究鄂尔多斯盆地苏里格气田上古生界烃源岩及储集层中裂缝发育特征及成因机理，采用野外露头、岩心、铸体薄片及成像测井等资料，通过裂缝观察与描述，对苏里格气田上古生界砂岩及泥岩中普遍发育的裂缝进行系统研究，总结了不同沉积结构岩石中裂缝发育特征及组合类型，并结合构造应力场背景及岩石力学性质，对裂缝形成机制进行了探讨。研究表明裂缝在苏里格气田上古生界砂岩、泥岩中普遍发育，在泥质岩、层面结构发育的砂岩以及岩性界面处常发育平行层面裂缝，并伴有低角度斜向裂缝。在层面结构不发育、结构比较致密或均一的砂岩中主要发育近垂向裂缝。裂缝的形成受构造应力场与沉积岩结构共同控制，水平方向的构造挤压与岩石层面平行是导致平行层面裂缝、低角度斜向裂缝形成的主要原因；剪切作用是导致厚层致密砂岩中形成近垂向裂缝的主要原因，此外盆地剥蚀作用对形成裂缝具有一定影响。 研究成果对天然气输导体系及成藏机理研究具有理论指导意义。

苏里格；裂缝；分布特征；岩石结构；构造应力场；形成机制；鄂尔多斯盆地

2.NationalEngineeringLaboratoryforExplorationandDevelopmentofLowPermeabilityOilandGas，Xi’an710018，China；

3.SCPOilfieldServicesCo.,Ltd.，Xi’an710018，China)

0　引　言

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北部，勘探面积 5.5×104km2，是发育在上古生界碎屑岩系中的大型致密砂岩岩性圈闭气藏[1-2]。截止2015年底，气田累计探明、基本探明地质储量超过4万亿m3，是中国陆上最大的天然气田，也是致密砂岩气藏典型代表。气藏烃源岩为上石炭统本溪组、下二叠统太原组与山西组的煤和泥岩，主力含气层段为二叠系石盒子组盒8段和山西组山1段[3-4]。前人通过对烃源岩空间分布、生烃强度以及储层沉积微相、成岩作用等方面开展研究，在有效储层控制因素及分布特征方面取得了大量认识，然而对气藏烃源岩及致密砂岩储层中普遍发育的裂缝尚未开展过系统研究[5-6]。

对于苏里格气田而言，开展裂缝发育特征及形成机制方面研究尤为重要。一方面在致密砂岩气藏中，裂缝既是流体运移的主要通道，又是天然气的储集空间，它不仅控制着气藏的分布特征，而且是气藏开发方案研究的重点[7-8]。另一方面苏里格气田经过建产初期的直井/丛式井开发以及近年来水平井为主的开发，目前产能规模已经超过200亿方/a，气田开发由快速上产阶段转变为长期持续稳产阶段，该阶段面临的主要问题是如何提高气田采收率，这对储层精细描述提出了更高要求，因此开展裂缝发育特征及分布规律研究显得尤为迫切。

裂缝的研究可追溯至20世纪60年代，美国西部白恶系储层和中东油气产层中发现天然裂缝后，国内外学者如Price，王仁等在构造、节理研究的基础上，提出了具体的裂缝研究方法。20世纪70年代以来，国外许多学者对天然裂缝的成因、形成机理及分布预测方法做了大量研究工作，中国则是在开发玉门油田过程中发现了天然裂缝对注水的控制作用后开展了裂缝研究工作，目前对裂缝的研究主要集中于裂缝的成因机制、影响因素、类型划分、识别与预测等方面[9-11]。

笔者通过大量野外露头、岩心观察、成像测井资料，并结合岩石薄片镜下研究，首次对苏里格气田储层及烃源岩中普遍发育的裂缝特征进行系统研究，总结了不同岩性中裂缝发育特征及组合类型；同时结合区域应力场及岩石力学性质分析，探讨了沉积岩从松散沉积物到固结成岩演化过程中碎屑颗粒的变化及裂缝形成的机制。

1　裂缝类型划分

前人根据不同的分类标准提出了多种裂缝分类方案[12-15]，如按照导致岩体破裂的地质因素将地层裂缝分为构造缝和非构造缝；按照引起构造裂缝的局部构造类型可以分为与断层相关的裂缝、与褶皱相关的裂缝和与其它构造相关的裂缝；按照裂缝形成与盆地演化关系可将其分为盆地沉降过程中与垂向载荷增加相关的裂缝和盆地抬升过程中与垂向载荷减小相关的裂缝；按力学性质分为张性缝、剪性缝和张剪性缝等。

综合前人研究成果，在对苏里格气田上古生界裂缝发育特征总体研究基础上，按照裂缝规模大小将其分为宏观缝和微观缝，宏观缝可以在岩心上直接观察和描述，微观缝则需借助显微镜来观察研究。宏观缝进一步以岩层层面为基准，按照裂缝产状与岩层层面的空间关系，划分为分平行层面缝、低角度斜向缝(与岩层层面的夹角一般小于45°)和近垂向缝(与岩层层面的夹角大于45°，一般大于70°)。微观缝根据其发育特征与碎屑颗粒关系进一步分为粒内缝、粒缘缝和穿粒缝，具体情况见表1.

表1　苏里格气田上古生界裂缝综合分类表

2　裂缝发育特征

裂缝发育特征描述一直是地质学家面临的难点[16]，文中宏观裂缝的研究借助于露头观察、岩心描述、测井资料等手段，微观缝的研究则主要借助显微镜来观察和描述，不同的识别方法从不同侧面反映了裂缝的不同特性。

2.1宏观裂缝发育特征

利用露头信息可以揭示宏观裂缝长度、开度、间距、方位、密度及裂缝网络的相互连通性等特征[17]。文中对前人拍摄的鄂尔多斯盆地周缘21条石炭-二叠系地质剖面中200余张裂缝照片进行了详细对比研究[18]，并重点选取盆地东缘吕梁招贤水、宁武红土沟、保德桥头、府谷、东胜吴四圪堵及西缘千里山、沙巴台共计7条剖面进行裂缝实地考察(图1)。

野外露头中裂缝宏观特征如下：①上古生界砂泥岩互层组合中裂缝普遍发育，不同岩性中裂缝发育程度及组合类型有所不同；②砂岩中以发育近垂直裂缝为主，常成对出现并相互交切，共同组成X型共轭剪节理，缝面平直光滑，可见裂缝切穿砾石而过的现象，裂缝倾角普遍大于70°；③泥岩及砂、泥岩接触界面处常发育平行层面缝，裂缝延伸长度较大；④垂向缝主要在砂岩层内部发育，通常不穿层，平行层面缝与近垂向缝在空间上常组成“工”字型裂缝组合(图2)。

2.2岩心中裂缝发育特征

岩心是来自井下地层最直接、最直观、最真实的样本，岩心观察可以从总体上把握裂缝的发育情况，其结果可以作为裂缝研究的约束条件，因而长期以来一直是裂缝研究的基本方法。

本次研究

图1　鄂尔多斯盆地地层分区及上古生界剖面位置图Fig.1　Location of Upper Paleozoic stratigraphic section and stratigraphic division of Ordos Basin 1.准格尔旗黑岱沟石炭-二叠系剖面　2.府谷海则庙石炭-二叠系剖面　3.府谷天生桥-二叠系剖面　4.保德桥头石炭-二叠系剖面　5.兴县关家崖石炭-二叠系剖面　6.宁武红土沟奥陶-二叠系剖面　7.吕梁招贤水石炭-二叠系剖面　8.东胜吴四圪堵石炭-二叠系剖面　9.乌海千里山石炭-二叠系剖面　10.乌达石炭-二叠系剖面　11.惠农沙巴台石炭-二叠系剖面　12.贺兰苏峪石炭-二叠系剖面　13.同心太阳山二叠系剖面　14.环县石板沟奥陶-二叠系剖面　15.平凉二道沟-三道沟二叠系剖面　16.澄城三眼桥二叠系剖面　17.铜川军台岭二叠系剖面　18.耀县石川河二叠系剖面　19.淳化冶峪河石炭-二叠系剖面　20.麟游紫石崖-二叠系剖面　21.岐山后周公庙二叠系剖面 Ⅰ华北地层大区　Ⅰ2鄂尔多斯地层分区晋西地层小区鄂尔多斯西缘地层小区渭北地层小区鄂尔多斯本部地层分区鄂尔多斯南缘地层小区鄂尔多斯北缘地层小区　Ⅰ2阿拉善地层分区　Ⅰ3阴山地层分区　Ⅱ祁连-秦岭地层大区　Ⅲ新疆北疆-兴安岭地层大区

图2　露头剖面裂缝发育特征Fig.2　Characteristics of fractures on outcrop section (a)惠农沙巴台剖面盒8下裂缝发育特征 (b)府谷天生桥剖面盒8-山1裂缝发育特征 (c)宁武红土沟剖面石盒子组泥岩裂缝特征 (d)乌海千里山剖面本溪组煤层裂缝特征

重点选取苏里格气田23口取心井作为研究对象，取心井位置分布在气田中区、西区、东区及南区(图1)，具有较好代表性。

图3　岩心中裂缝发育特征Fig.3　Characteristics of fractures on cores (a)泥岩中平行层面缝Sd011-104井，石盒子组 (b)碳质泥岩中低角度斜向缝S47-2-42井，山西组 (c)砂岩中近垂直向缝(上：Z59井，石盒子组；下：SD011-104井，石盒子组)

岩心观察表明：不同岩性中裂缝发育程度及类型具有明显差异。砂岩中的裂缝主要有2种，一种为近垂直向缝，主要发育在岩石层面不发育、结构比较致密或均一的较厚层砂岩中，裂缝末端逐渐变细尖灭或截然终止于砂泥岩接触界面处；另一种为平行层面缝，主要发育在薄层砂岩或砂泥

岩界面附近。泥岩及煤层中主要发育平行层面缝和低角度斜向缝，部分缝面具有明显的滑移擦痕及镜面特征，在原始沉积层理面发育的泥岩段中，岩心常被平行层面缝切为博饼状(图3)。

2.3电成像测井中裂缝发育特征

电成像测井是把地层岩性、物性的变化及裂缝、孔洞、层理等地层特征引起的电阻率变化，转换成不同的色度，并把地层的特征通过图像显示出来。在有裂缝的地层中，由于泥浆侵入裂缝中，使得裂缝的电阻率明显较围岩低，在成像图上显示为暗色条纹，因此可以利用电成像资料进行裂缝识别。在成像测井图上，近垂向缝表现为与井轴夹角很小甚至平行的黑色线条；低角度斜向缝表现为黑色正弦曲线[19]。文中通过对苏里格气田9口声电成像测井资料的研究，砂、泥岩中裂缝发育特征与岩心观察基本一致(图4)。以sd23-69为例，该井测量井段2 652.0～3 033.0，所测地层包括石盒子组、山西组、太原组、本溪组，识别裂缝43条，其中砂岩中24条，近垂向缝为主；泥岩中4条，煤层中2条，砂泥岩接触界面处13条，平行层面缝为主。

2.4微观缝特征

微观缝需借助显微镜来观察和描述，其张开度通常小于50 μm，主要在20 μm以内。微观缝的开度与孔喉直径处于同一数量级，虽然其渗流作用不如宏观缝，但它却极大改善了储层孔隙结构和渗流能力。根据苏里格气田微观缝分布特征，可将其分为3种类型：粒内缝、颗粒边缘缝和穿粒缝(表2)[20]。

表2　不同类型微裂缝发育特征

粒内缝主要为石英颗粒内部的裂缝和长石颗粒的解理缝(图5(a))，主要在矿物颗粒内部发育，不切穿颗粒边缘。颗粒边缘缝主要发育在颗粒之间，沿着颗粒边缘发育，其两侧的颗粒呈线性接触(图5(b))。粒内缝和粒缘缝的形成主要与强烈的压实、压溶和构造挤压作用有关。粒内缝和粒缘缝的开度一般小于 10 μm，少数可达 20 μm.穿粒缝规模一般大于粒内缝与颗粒边缘缝，其延伸较长，通常穿越数颗矿物颗粒(图5(c))。微裂缝的发育使致密砂岩储层基质粒间孔和粒内溶孔的连通性变好，增强了储层渗流能力，有利于苏里格致密砂岩气藏的开发。

图4　成像测井裂缝发育特征Fig.4　Characteristics of fractures on the imaging logging (a)Sd23-69井石盒子组2 686～2 696 m裂缝特征图　(b)Sd23-69井石盒子组2 880～2 889 m裂缝特征图

图5　岩石薄片镜下微观缝发育特征Fig.5　Characteristics of micro-fractures on thin section (a)粒内缝，z75井，2 924.1 m，正交偏光，×10 (b)颗粒边缘缝，z52井，2 733.4 m，单偏光，×4 (c)穿粒缝，z12井，3 082.1 m，单偏光，×10

3　裂缝成因分析

沉积岩中的裂缝是成岩过程中及固结成岩以后构造应力场与上覆岩层压力作用于岩石自身的产物，其形成与构造应力场背景及沉积岩微观结构密切相关。

3.1二叠纪以来构造应力场

根据前人构造解析成果，鄂尔多斯盆地二叠纪以来受印支、燕山及喜山构造运动影响，盆地主要受挤压应力场作用[21]。印支期受羌塘-华南板块与华北板块的碰撞以及华南板块向北运动产生的强大挤压，盆地内部主要构造应力场为南北向的挤压，主压应力轴为NNE-SSW向[22]。燕山期受库拉-太平洋板块在晚侏罗世向NW或NWW的俯冲，处于大陆腹地的鄂尔多斯盆地处于挤压收缩状态，最大主压应力轴呈NW-SE向。喜山期构造应力场方向发生变化，挤压方向由NW向转变为NE向。不同构造运动时期主压应力轴方向有所变化，然而自二叠纪以来盆地整体受挤压的构造背景贯穿始终。

3.2沉积岩力学性质

前人研究成果表明：沉积岩力学性质存在明显的各向异性，其主要影响因素为沉积岩微观结构，包括岩石成份、碎屑颗粒大小、孔隙度、岩层厚度、层间非均值性等[23-26]。石英、长石等脆性组份含量越高，碎屑颗粒越细，岩石破裂强度越大。岩石内部层理、沉积间断面、次生面理等结构面为岩石力学薄弱面，其发育程度对沉积岩平行层面方向强度影响较大，力学实验也证实了沉积岩平行沉积层面方向强度小于垂直层理面方向强度。岩石收缩性则受岩性、孔隙度等因素控制，通常情况下，构成岩石的矿物颗粒硬度越大，其压缩系数越小；岩石孔隙度越大，收缩性则越强。

3.3砂、泥岩中裂缝形成机制探讨

鄂尔多斯盆地为典型的的挤压型盆地，沉积岩在埋藏过程中受上覆岩层的垂向压力外，还受到横向挤压，因此沉积岩随盆地沉降过程中表现为垂向压缩和横向收缩，不同结构沉积岩横向收缩性的差异及结构薄弱面的发育程度控制着裂缝形成与发育特征。

泥质岩的沉积层面结构较发育，由于层面为岩石的结构薄弱面[27]，在水平方向的挤压应力场中，岩石容易沿着层面发生滑动破坏形成平行层面缝，当顺层滑移阻力大于外作用力时则产生低角度斜向缝。厚层砂岩结构均一，沉积层面不发育，在水平方向挤压应力场背景下主要表现为岩体的横向收缩，由于岩石剪切强度最小，当水平挤压应力超过其收缩极限及力学强度时，岩石发生剪切破坏形成近垂向缝。致密砂岩与高孔渗砂岩相比，致密砂岩收缩性差，因此更易发生剪切破坏形成近垂向缝。此外，岩性接触界面也是岩石的结构薄弱面，在挤压应力场背景下易发生层间滑移，因此在岩性互层接触面附近也常形成平行层面缝。

3.4剥蚀作用对裂缝形成的影响

剥蚀作用是一种重要的卸载方式，卸载使岩层内部应力平衡受到破坏，应力重新分布过程中在盆地内形成残余拉应力和残余剪应力，必然影响裂缝形成。

一方面碎屑岩不同颗粒间存在弹性差异，其在沉降加载过程中压缩程度不同，因此卸载过程中回弹膨胀程度也就不同，回弹量的差异在颗粒间产生残余拉应力；另一方面，碎屑岩的碎屑颗粒与胶结物在埋藏成岩过程中所受压力不同。胶结物是在碎屑颗粒受到压缩之后形成的，因此剥蚀过程中碎屑颗粒与胶结物卸载回弹程度不同，势必造成颗粒与胶结物之间产生残余拉应力；一旦这个残余拉应力超过岩石抗拉强度，就会在颗粒内部或边缘形成与回弹方向近乎垂直的拉裂面。

盆地范围内不同区域剥蚀厚度的差异势必造成残余剪切应力，剥蚀厚度大的区域岩层回弹应力大，剥蚀厚度小的区域回弹应力小，因此不同区域剥蚀厚度的差异产生的残余剪应力也使得岩层间发生垂向剪切破坏。鄂尔多斯盆地自中生代以来，发生了4次不均匀的抬升剥蚀事件，东西向剥蚀厚度差异大[28-29]，因此由盆地剥蚀厚度的差异造成的残余剪切应力对苏里格气田垂向缝的形成也具有一定影响。

4　结　论

1)裂缝在苏里格气田上古生界砂岩、泥岩中普遍发育，不同岩性中裂缝发育程度及特征存在明显差异。泥岩、层面发育的砂岩以及砂泥岩界面处常发育平行层面裂缝，并伴有低角度斜向裂缝。在结构均一、岩性致密的砂岩中主要发育高角度及垂向裂缝；

2)裂缝的成因受区域应力场背景和岩石结构特征双重影响，水平方向的构造挤压与岩石层面平行是导致平行层面裂缝、低角度斜向裂缝形成的主要原因；剪切作用是导致厚层致密砂岩中形成近垂向裂缝的主要原因。

尽管裂缝发育使致密砂岩储层的地质分析变得困难，但是它们的存在对气藏形成及气田开发有着至关重要的影响，在对低渗透致密气藏的开发过程中不应被忽略掉，而且对其研究任重而道远。

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Characteristics and origin of Upper Paleozoic fractures in Sulige Gas Field

LI Jin-bu1，2，WU Xiao-ning1，2，ZHAO Zhong-jun1，2，LI Fu-ping1，2，WANG Long1，2，FENG Min1，2，LUO Wen-qin3

(1.SuligeGasFieldResearchCenterofChangqingOilfieldCompany，PetroChina，Xi’an710018，China；

This paper has made a systematic study on characteristics and origins of fractures in different kinds of sedimental lithologies in Sulige gas field，based on field outcrop，cores，thin section and imaging logging.It recognized the types of characteristics and combination of fractures in rocks with different sedimentary structures，and analyzed the origins in the aspects of geomechanics and rock mechanics.Fractures are widely developed in mudstone and sandstone in Sulige gas field.Plane-parallel fractures and low-angle oblique fractures appear in the mud rock，on the interface between sandstone and mudstone and in sand rock of different grain sizes.Vertical and high-angle inclined fractures appear in the rock such as tight sand or homogeneous sand rock，where the bed planes are not developed.The fracture type is controlled by regional stress field and textures of rocks.Horizontal compressive stress field and interfaces between different rocks are key factors to cause Plane-parallel fractures and low-angle oblique fractures.Shear stress field is the main factor to cause vertical and high-angle inclined fractures，and denudation basins are prone to the development of factures.This research is a major approach to understanding the gas migration system and reservoir formation.

sulige gas field；fracture；distribution characteristics；rock texture；tectonic stress field；formation mechanism；Ordos Basin

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0319

1672-9315(2016)03-0414-08

2016-01-21责任编辑：李克永

长庆油田油气当量上产5 000万吨关键技术研究(2010E-1306)；致密气藏开发重大工程技术研究(2012E-23)

李进步(1974-)，男，陕西西安人，硕士，高级工程师，E-mail：ljb2_cq@petrochina.com.cn

TE 121

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