罗 斌, 邓虎成, 黄婷婷, 彭先锋, 毕 钰, 张小菊, 欧浩淼, 邹昀廷

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.川庆钻探工程公司 地质勘探开发研究院，成都 610051; 3.大庆市第一中学，黑龙江 大庆 163458)

泾河地区中生界致密油藏天然裂缝发育主控因素及模式

罗 斌1, 邓虎成1, 黄婷婷2, 彭先锋1, 毕 钰1, 张小菊1, 欧浩淼1, 邹昀廷3

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.川庆钻探工程公司 地质勘探开发研究院，成都 610051; 3.大庆市第一中学，黑龙江 大庆 163458)

研究鄂尔多斯盆地南部泾河油田长8油藏天然裂缝的发育主控因素及模式。通过野外露头、岩心、常规测井和成像测井资料，开展井剖面天然裂缝的识别。在数据的处理上，利用单一变量法分别对比工区内断层和裂缝的力学性质、统计裂缝发育指数与相邻断层距离的关系、不同岩性中裂缝的发育情况、裂缝发育指数与砂地比的关系、长8地层的构造曲率与裂缝发育指数的关系，结果表明：断层伴生2组共轭剪切裂缝，只有一组较发育，这些裂缝离断层越近，裂缝发育指数越高；随着泥质含量的增加，岩性逐渐向泥岩转化，天然裂缝的发育程度逐渐降低，平面上看，天然裂缝多发育在砂地比值较高的地方；构造曲率越大，天然裂缝发育的程度越高。泾河地区长8段裂缝发育的主控因素为岩性、构造变形和断层。其中断层对裂缝发育的影响表现在裂缝发育指数随断层距离的增加而减小，并且为控制裂缝发育的最主要因素；岩性中的脆性成分越高，裂缝越发育；构造变形程度越高，构造张裂缝也越发育。

泾河地区；延长组；致密油藏；天然裂缝；主控因素

鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组拥有非常丰富的油气资源，油藏具有低孔、低渗、低压的特征，为典型的致密砂岩油藏[1]。延长组是该区的主力产层，具有烃源岩发育、生储盖组合配套、勘探领域广、潜力大的特点，具有丰富的石油资源[2]。随着区内西峰亿吨级油田的发现，使盆地南部逐渐成为油气勘探的热点地区。

泾河油田位于天环拗陷南部彬长地区(图1)，其长8油藏近些年的勘探开发工作已显露出油藏断裂系统的发育及其对开发的影响。尤其是在泾河17井区长811油藏的开发中所表现出的油气相对高产、稳产与天然裂缝系统密切相关，甚至个别井在未实行压裂措施的情况下就表现出良好的油气产能；但目前对天然裂缝系统的特征及分布规律、天然裂缝系统与油气高产、稳产之间的关系还缺乏深入认识。因此，对该油藏天然裂缝的发育特征及其主控因素的认识成为该油藏深入研究过程中的一个关键问题。

1 构造地质背景

鄂尔多斯盆地处于中国东、西部构造区域的多期、反复交替拉张和挤压作用相互影响、互为补偿的结合区，为多构造体制、多演化阶段、多沉积体系、多原形盆地叠加的复合克拉通盆地。其镶边依次为活动的褶皱山系和地堑系。而盆地内部则构造简单平缓、沉降稳定、断裂较少、活动较弱、地层整合或假整合。盆地内部Ⅰ级构造单元被划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环拗陷和西缘冲断构造带，构造运动、变质作用、岩浆活动和沉积充填记录了它的复杂的演化过程[3]。经历了与周边地体之间的反复拉张、裂解与离散、挤压、聚敛与造山，伴以交替的走滑变形与变位，包括前寒武纪的阜平、吕梁、晋宁等3个造山期和8次重要的构造运动，显生宙以来的加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅等5期大构造旋回和多阶段的拉张-扭动及其反转作用，它们各自大体具有相当一致的构造样式和沉积格架，但又随着时间和地域的不同出现显著的差别，表现出盆地形成与演化的复杂特点[4]。

图1 泾河油田构造位置图Fig.1 Regional tectonic position of the Jinghe oilfield

泾河油田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡、渭北隆起和天环拗陷交接部位。三叠系经历了燕山期和喜马拉雅期构造运动，整体抬升，使得延长组遭受不同程度的剥蚀，北东部较西南部保存完整，构造相对较平缓。研究区内大小断层密集，走向多为北东东-南西西向，总体形态表现为断裂切割的南东高北西低的单斜构造，局部发育鼻隆、断鼻、背斜、向斜等构造[5]。油田主要含油层位为延长组长6、长7、长8油层组，以岩性圈闭为主，油藏条件良好，资源较丰富。目前该区长8油藏已投入开发，效果良好。

2 天然裂缝发育特征

裂缝的有效识别，是研究天然裂缝的基础。在裂缝的识别方面，国内已有很多学者做了大量工作。罗利[6]将常规测井资料和成像测井资料结合，进行裂缝识别和裂缝发育度计算，取得了一定的效果。本次研究识别天然裂缝发育情况的方法如下：(1)野外露头区天然裂缝甄别、产状、力学性质及有效性的研究。(2)以岩心为刻度，提取研究区内井的成像测井数据以及常规测井裂缝响应特征，建立一套有效的井剖面天然裂缝识别技术，对研究区内每口井的裂缝进行统计。

2.1 裂缝力学性质

区内天然裂缝以构造成因的裂缝为主，主要为剪应力形成的剪裂缝。在单井岩心尺度范围内观察统计到多条明显的剪切破裂缝(图2)。3个野外露头剖面上都能够辨别到明显的地层剪切变形成因的剪裂缝，剖面上也可见构造变形、断层派生等形成的张性破裂(图3)。

2.2 裂缝倾角

统计和观察工区内12口取心井岩心的天然裂缝发现：垂直缝占整个岩心观察到150条裂缝的比例为55%，高角度缝为32%，包括低角度斜交缝、水平缝在内的其他类型的天然裂缝所占的比例仅为13%；岩心上观察到的天然裂缝倾角多集中在60°～90°，<60°的天然裂缝不发育；天然裂缝倾角的分布和天然裂缝的类型相对应，都是以垂直缝和高角度斜交缝为主(图4)。

图3 鄂尔多斯盆地南部野外1号剖面Fig.3 The No.1 field cross section in the south of Ordos Basin

2.3 裂缝发育规模

野外剖面实测点所能观察到的天然裂缝纵向延伸长度为1～6 m，可以达到1.2～1.5条/m，以发育贯穿上下层的天然裂缝居多。天然裂缝的野外剖面形态和纵向发育规模、贯穿切割地层能力都表明研究区天然裂缝的纵向发育延伸规模较大，可以在一定程度上起到沟通相邻层段的作用。如果裂缝纵向连续性发育，可以起到油气运移成藏的良好通道；如果纵向发育连续性有限，可以配合断层在局部对油气的运移起调节作用(图5)。

2.4 裂缝有效性

工区内长8段裂缝充填程度可归为3类：充填缝、半充填缝和未充填缝。充填缝和半充填缝均欠发育，未充填裂缝比例高达90.91%；裂缝大多为开启缝，有效性较好。裂缝充填程度低，裂缝的导流能力和沟通能力好。部分开启缝表面有胶结物颗粒，仅少量裂缝被方解石或泥质完全充填。在成像测井上裂缝填充性同样为开启缝，表现为高导缝。

3 天然裂缝发育的主控因素

前人研究认为，构造应力强度大容易导致岩层弯曲，使之曲率变大，更易形成裂缝；岩石本身的性质也是影响裂缝形成最基本的因素，不同岩性与不同粒级的岩石样品抗压强度存在明显差异，导致裂缝的发育程度的差异[7-8]；断层则是控制裂缝分布最主要的因素，研究断层对裂缝发育的影响是对天然裂缝分布预测的关键。

图4 岩心上不同类型天然裂缝和不同角度分布图Fig.4 Distributions of different types and different angles of natural fractures from the drilling cores

图5 鄂尔多斯盆地南部野外剖面上裂缝纵向规模Fig.5 Vertical scale of fractures in outcrop

3.1 断层对裂缝发育的控制作用

一般来说，裂缝的力学性质和相邻断层的力学性质相似，它们形成于同一应力场，具有相同的力学性质[9]。研究区长8段整体构造平缓，但在燕山期和喜马拉雅期构造运动及构造应力的作用下，局部构造复杂，大小断层密集。研究区内目前主要发育2类断层：Ⅰ类断层(主断裂)延伸长度在10～25 km，主要延伸方向为北东东-南西西向，倾角>80°；Ⅱ类断层(次生断裂)与主断裂相伴生，延伸方向与主断裂基本一致，为北东东向，倾角>80°。2类断层均成带状分布，倾角近直立。

从断裂形成机理分析，区内断层主要为Ⅲ型地应力场条件所致[10]，中间主应力取垂直方向，断面近直立，有共轭2组剪性断裂，一组发育，另一组不发育。本区发育的裂缝产状主要为垂直缝和高角度缝，且为共轭的2组剪裂缝，只有一组占优势，与区内的主要断层力学性质相同(图6)。

图6 裂缝走向玫瑰花图Fig.6 The rose diagram showing the strike of fractures

统计区内5口井共计48个测量点的成像测井裂缝组系数据，长8段砂岩裂缝走向主要为：NE向、NEE向、NNE和NW向4组构造裂缝；成像测井表明研究区内裂缝组系主要为北东-南西组系。绘制这5口井的成像测井裂缝走向玫瑰花图，可以看出：工区裂缝整体走向为“北东-南西”(图7)。

叠合研究区内成像测井解释所得的裂缝走向与地震解释的断层分布，工区内裂缝走向和断裂带走向具有较好的一致性(图8)。

为了充分考虑裂缝段的储、渗特性，引入“裂缝发育指数”这一参数[11]。根据岩心资料和测井资料解释，统计了研究区内断层及其附近单井的裂缝发育指数(表1)。所选取的均是砂地比值相差不大且构造变形不大的数据点，砂地比值和构造变形对裂缝发育的影响可以忽略，基本上只有断层对其作用大，因此按单一变量讨论裂缝发育指数与其相邻断层距离的关系(图9)。从图中可以看出，断层对裂缝发育的影响因素有2个：其一是与断层相距的远近，其二是相邻断层的发育规模。于是将区内的断层分为2类：Ⅰ类大断层有效控制的距离范围为800 m，Ⅱ类小断层有效控制的距离范围为200 m。随着与断层距离的增大，裂缝发育指数在递减，并且距断层越近，裂缝的发育程度越高。建立单井的裂缝发育指数与距断层的距离的关系式，发现断层附近的裂缝密度分布符合幂函数递减关系，拟合出的关系式分别为

图7 裂缝走向玫瑰花图Fig.7 The rose diagram showing the strike of fractures

图8 成像测井裂缝走向和断层走向叠合图Fig.8 Diagram showing the coincidence of fault strike with imaging logging fractures

表1 部分井的裂缝发育指数及与相邻断层间的距离Table 1 The fracture development index and the distance between the drilling wells and adjacent faults

图9 裂缝发育指数与相邻断层距离关系图Fig.9 The relationship between the fracture development index and adjacent fault distance

y=0.9362 exp(-8×10-4x)

(1)

y=1.2331x-0.197

(2)

式中：x为与断层间的距离(m)，y为裂缝发育指数。

拟合式(1)为Ⅰ类大断层所控制的裂缝发育指数关系式，式(2)为Ⅱ类小断层所控制的裂缝发育指数关系式。

3.2 岩性对裂缝发育的控制作用

利用岩心三维扫描照片统计裂缝在不同岩性中的发育情况：垂直缝的延伸多停止于岩性界面，裂缝在砂岩中发育程度高于泥岩，天然裂缝在细砂岩中延展分布，却终止在细砂岩和泥岩的界面(图10)。这是由于砂岩的泊松比小、弹性模量大，泥岩的泊松比大、弹性模量小，两者在受到相同作用力处于相同变形条件下，砂岩比泥岩更易发生断裂损伤，产生破裂现象，天然裂缝在砂岩中产生向泥岩中垂向延展。在受力不足以在泥岩中产生变形的条件下，研究区目的层易出现天然裂缝在砂岩中发育，延展止于泥岩的现象(图11)。

图10 不同岩性裂缝发育情况Fig.10 Fracture development in different lithology

图11 JH9井长8段不同岩性裂缝发育情况Fig.11 Fracture development of different lithology of Chang 8 in the Well JH9

目的层内天然裂缝主要发育于细砂岩中(图12)，随着泥质含量的增加，天然裂缝的发育程度逐渐降低。泥岩中的天然裂缝比例较高，仅次于细砂岩的58.28%，为28.48%，这是由于在泥岩中见细微顺层发育的水平缝。这些水平缝面新鲜、无充填物，多数为取心时沿碳质层薄弱面卸载形成，岩心上水平破裂绝大多数不是天然裂缝，多为诱导裂缝、卸载缝和岩心饼裂现象造成的“裂缝”。

图12 天然裂缝发育程度与四周岩性关系图Fig.12 The relationship between the fracture development and surrounding lithology

综合岩心资料和测井解释资料，在单井内每200 m统计一次砂地比值和裂缝发育指数。为排除断层和构造变形干扰观察岩性对裂缝的单一影响，只选取离断层远和构造变形小的数据点，这些数据点上断层和构造变形的影响可以忽略，这样可按单一变量讨论目的层的砂地比与天然裂缝发育指数的关系(图13)。砂地比与裂缝指数呈指数关系，拟合度为0.85，其拟合关系式为

y=0.0041 e4.0637x

式中：x为砂地比；y为裂缝发育指数。

裂缝发育指数与砂地比成正相关关系，随着砂地比的增大，目的层天然裂缝发育程度增高(图14)。

图13 砂地比与水平井裂缝发育指数关系图Fig.13 The relationship between fracture development index and the ratio of sand and formation

3.3 构造变形对裂缝发育的控制作用

局部的构造变形会产生纵向上的张性裂缝[13]，而张性裂缝也是研究区发育的裂缝类型之一。在构造演化过程中，地层岩石受水平方向的构造应力作用而产生变形，构造变形强度的差异性是造成不同区域裂缝发育程度差异的一个因素。根据彬长地区三叠系演化过程中发生的主要构造运动及目的层长8段储层顶部构造地形的变化情况，研究区内的构造变形具有“南弱北强”的特征。

图14 裂缝发育指数与砂体平面分布图Fig.14 Diagram showing the fracture development index and the distribution of sand bodies

通常，岩层变形强度用反映岩层倾角变化率的曲率表示。根据研究区内各井的长8段顶部海拔高度资料，绘制研究区目的层顶面构造线，从而计算出构造变形曲率。为了更加精确地观察构造变形对裂缝的影响，在统计出每口直井的天然裂缝发育指数和构造曲率后，只选取其中砂地比值接近和与断层距离中等的数据点，在这些数据点中岩性和断层的影响差异不大，在此基础上将天然裂缝发育指数和构造曲率进行拟合(图15)，可以建立地层的构造曲率单一因素对裂缝发育指数的影响关系。研究表明：构造曲率和裂缝发育指数成“指数”关系(y= 0.3392 e149.93x，式中x为构造曲率，y为裂缝发育指数)；研究区内构造曲率越大，天然裂缝发育的程度越高。

图15 构造曲率与裂缝发育指数关系图Fig.15 Relationship between structural curvature and fracture development index

4 天然裂缝发育模式

在实际中，影响裂缝发育的不可能只有一个因素，往往是多因素的叠加效应；因此，综合3种因素建立了天然裂缝发育的模式，更加清晰地观察各因素在实际中对裂缝的影响。

在工区内作一条剖面，在剖面上既有砂地比高值也有砂地比低值、既有构造变形程度高也有构造变形程度低、既有离断层近也有离断层远的地方(图16)，在这条剖面上，能清晰地看到3种因素的相互干扰及叠加。高产的JH17P18井穿过2条断层，砂体厚度较大，裂缝特别发育；JH51井位于区内构造曲率较高的地方，且附近有2条断层，裂缝特别发育；JH23井的砂体厚度大，砂地比值高，位于断层带附近，构造曲率不高，裂缝较为发育；JH49井和JH17P50井的砂体厚度小，砂地比值不高，构造变形不大，且离断层较远，裂缝不发育。可以看出：断层是控制工区天然裂缝发育的首要控制因素；储层岩性特别是储层的砂地比是裂缝发育的第二控制因素；工区内的局部构造产生的构造弯曲变形作用，仅为工区天然裂缝发育的一个次要因素。

图16 研究区天然裂缝发育模式图Fig.16 Model showing nature fracture development in the study area

5 结 论

a.断层对天然裂缝发育不仅影响了裂缝发育的规模，还影响裂缝发育的走向。断层对裂缝发育的影响表现在2个方面：其一是与断层相距的远近，离断层越近，裂缝发育指数越高；其二是断层的发育规模、不同延伸长度对其附近裂缝的控制程度也不同。

b.岩性对天然裂缝的控制主要在于岩石当中脆性成分的含量高低。在砂岩中不同类型的天然裂缝，随着含泥量的变化，不同类型的天然裂缝所占的比例也不同，天然垂直缝所占比例随着泥质含量的增加逐渐减小；整体上，随着泥质含量的增加，天然裂缝的发育程度逐渐降低；平面上看，天然裂缝多发育在砂地比值较高的地方，并且砂地比值越高，裂缝发育程度也越高。

c.一般来说，岩层越弯曲，曲率越大，说明岩层所受的构造应力越大，在这样的地方，天然裂缝发育程度较高。本文也通过研究表明，构造曲率越大，天然裂缝发育的程度越高。

[1] 张哨楠,丁晓琪.鄂尔多斯盆地南部延长组致密砂岩储层特征及其成因[J].成都理工大学学报(自然科学版),2010,37(4):386-394. Zhang S N, Ding X Q. Characters and causes of tight sandstones of Yanchang Formation in southern Ordos Basin, China[J]. Journal of Chengdu University of Technology (Science & Technology Edition), 2010, 37(4): 386-394. (In Chinese)

[2] 何自新.鄂尔多斯盆地演化与油气[M].北京：石油工业出版社,2003. He Z X. Evolution and Oil Gas in Ordos Basin[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2003. (in Chinese)

[3] 王云.鄂尔多斯盆地下古生界古岩溶表生期演化模拟与油气储层形成[D].北京:中国地质大学档案馆,2011. Wang Y. Formation of Carbonate Reservoir and Evolution Simulation of Lower Paleozoic Paleo-Karst During Exposed Period in Ordos Basin[D]. Beijing: The Archive of China University of Geosciences, 2011. (in Chinese)

[4] 罗桂滨.鄂尔多斯西部麻黄山延长组储层裂缝评价[D].成都：成都理工大学档案馆,2008. Luo G B. Evaluation of Fracture Reservoir for Yanchang Formation in Mahuang Mountain of the West Ordos Basin[D]. Chengdu: The Archive of Chengdu University of Technology, 2008. (in Chinese)

[5]李江涛.鄂尔多斯盆地南缘构造特征及下古生界天然气勘探前景[J].石油勘探与开发,1996,23(2):11-15. Li J T. Structural characteristics and natural gas potential of Lower Paleozoic in the south magin of Ordos Basin[J]. PED, 1996, 23(2): 11-15. (in Chinese)

[6]罗利.低孔砂岩孔隙度计算方法及裂缝识别技术[J].测井技术,1999,23(1):33-37. Luo L. Porosity calculation and fracture identification for low porosity sandstone[J]. WLT, 1999, 23(1): 33-37. (in Chinese)

[7] 白斌,邹才能,朱如凯,等.四川盆地九龙山构造须二段致密砂岩储层裂缝特征、形成时期与主控因素[J].石油与天然气地质,2012,33(4):526-53. Bai B, Zhou C N, Zhu R K,etal. Characteristics, timing and controlling factors of structural fractures in tight sandstones of the 2ndmember of Xujiahe Formation in Jiulong Mountain structure, Sichuan Basin[J]. Oil & Gas Geology, 2012, 33(4): 526-53. (in Chinese)

[8] 张博,袁文芳,曹少芳,等.库车坳陷大北地区砂岩储层裂缝主控因素的模糊评判[J].天然气地球科学,2011,22(2):250-253. Zhang B, Yuan W F, Cao S F,etal. Fuzzy-synthetical evaluation of main factors of formation fracture in Dabei gas field[J]. Nature Gas Geoscience, 2011, 22(2): 250-253. (in Chinese)

[9] 高玉飞,钟建华,艾合买提江,等.塔河油田四区奥陶系裂缝特征及其成因机制研究[J].中国地质,2009,36(6):1257-1267. Gao Y F, Zhong J F, Ai H M T J,etal. Characteristics and formation mechanism of fissures in Ordovician strata of No.4 block, the Tahe oilfield[J]. Geology in China, 2009, 36(6): 1257-1267. (in Chinese)

[10] 王平.地质力学方法研究——不同构造力作用下地应力的类型和分布[J].石油学报,1992,13(1):1-12. Wang P. A geomechanical technique: Types and distriburion of geostress under various tectonic forces[J]. Acta Petrolei Sinica, 1992, 13(1): 1-12. (in Chinese)

[11] 匡建超,徐国盛,王允诚,等.致密碎屑岩储层裂缝和产能预测的单井建模——以XZ气田沙溪庙组为例[J].矿物岩石,2001,21(2):62-67. Kuang J C, Xu G S, Wang Y C,etal. The modeling for single well of prediction of fractures and production capacity in compact clastic reservoir rock example for Saximiao Formation in XZ gasfield[J]. Mineral Petrol, 2001, 21(2): 62-67. (in Chinese)

[12] 刘岩.低渗储层裂缝特征及其对油气富集的控制作用[D].成都：成都理工大学档案馆,2013. Liu Y. Fracture Characteristics of Low Permeability Reservoirs and the Control Action of the Accumulation of Oil and Gas: A case study of Member Chang 8 in the Red River Oilfield[D]. Chengdu: The Archive of Chengdu University of Technology, 2013. (in Chinese)

[13] 邓虎成,周文,周秋媚,等.新场气田须二气藏天然裂缝有效性定量表征方法及应用[J].岩石学报,2013,29(3):1087-1097. Deng H C, Zhou W, Zhou Q M,etal. Quantification characterization of the valid natural fractures in the 2ndXu Member, Xinchang gas field[J]. Acta Petrologica Sinica, 2013, 29(3): 1087-1097. (in Chinese)

Study on the main controlling factors and development models of Mesozoic natural fractures in the Jinghe oilfield, South of Ordos Basin, China

LUO Bin1, DENG Hucheng1, HUANG Tingting2, PENG Xianfeng1, BI Yu1, ZHANG Xiaoju1, OU Haomiao1, ZOU Yunting3

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.GeologyandExplorationResearchInstituteofCCDC,CNPC,Chengdu610051,China;3.DaqingNo.1MiddleSchool,Daqing163458,China

The development of natural fractures in the typical tight sandstone reservoir of Jinghe oilfield is the key to the high yield of this kind of reservoir. The identification of natural fractures in drilling well profile is carried out through the studies of field outcrop data, drilling core data, conventional logging data and imaging logging data. Based on the comparison of the mechanical properties of faults and fractures and the analysis of relationship between fracture development index and the distance of adjacent faults in work area, two sets of conjugate shear fractures are identified. One set of fracture is close to the fault with higher fracture development index and is well developed than the other set. Comparison in different lithologies of the fracture development and analysis of fracture development index and ratio of sandstone with strata thickness shows that with the increase of clay content, lithology are gradually changed to mudstone, fracture development degree is reduced gradually, and fractures are usually developed in place with higher ratio of sandstone to strata thickness. The relationship between the structural curvature of the Chang-8 strata and the fracture growth index is analyzed. It is indicated that the larger the structural curvature is, the higher the degree of the development of the fractures. The understanding of development characteristics of natural fractures in Chang-8 reservoir of Jinghe oilfield and its main controlling factors are of important significance on the evaluation of the reservoir, and on the future production development strategy and development plan.

Jinghe area; Yanchang Formation; tight sandstone reservoir; nature fracture; main controlling factor

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.01.08

1671-9727(2017)01-0057-10

2015-11-25。

国家自然科学基金项目(41202096)。

罗斌(1992-)，男，硕士研究生，油气田开发地质专业, E-mail:ybxwlb@foxmail.com。

TE122.23

A