低渗透砂砾岩储层裂缝发育特征及主控因素

2015-02-23李绍华何汶锶吴育鹏

西部探矿工程 2015年1期

关键词：砂砾岩性岩层

李绍华，何汶锶，吴育鹏

（1.西南石油大学，四川成都610500；2.中石油长庆油田公司第六采油厂，陕西西安710200）

低渗透砂砾岩储层裂缝发育特征及主控因素

李绍华*1，何汶锶2，吴育鹏2

（1.西南石油大学，四川成都610500；2.中石油长庆油田公司第六采油厂，陕西西安710200）

在低渗透砂砾岩储层中裂缝既是油气渗流的主要通道也是重要的储集空间，研究裂缝的发育程度和分布特征对油田的生产开发有重要意义。大量的研究成果表明：构造裂缝是影响低渗透储层油气勘探开发的主要裂缝类型；延伸长度和高度较大的裂缝，一般密度较小、间距较大；裂缝的发育程度随着岩性的不同会发生变化；断层作用影响着构造裂缝的形成；裂缝的发育程度随岩石埋藏深度的增加而减弱。

低渗透砂砾岩；裂缝；发育特征；主控因素

砂砾岩在我国广泛分布，一般是在靠近物源的位置快速堆积，由多期扇体叠置而成，纵向上沉积厚度以及岩相的变化显著，储层非均质性较强，岩石成分成熟度和结构成熟度较低，岩石孔隙空间小渗透性差，为致密储层。裂缝是低渗透砂砾岩储层中的主要渗流通道，甚至可作为油气的重要储集空间，对裂缝发育规律的研究直接影响着油气田开发方案的部署和开发效果。本文对砂砾岩储层裂缝发育特征进行了系统总结，探讨其影响因素，从而为低渗透砂砾岩油气藏勘探与开发提供参考。

1 裂缝发育特征

1.1 裂缝类型

根据成因机理可将裂缝分为成岩裂缝和构造裂缝[1]。构造裂缝的特征主要有成组平行出现、分布规则、矿物充填、方向性明显等。成岩裂缝具有弯曲、断续、分枝、尖灭等特点，通常发育于泥质岩类中，由于地下开度小，规模不大，渗透性差，在砂砾岩油气田开发中影响较小。构造裂缝通常具有较大规模可作为油气聚集空间以及运移的主要通道，对低渗透砂砾岩储层油气勘探开发起主导作用。成岩裂缝虽有储集空间的限制，但其面密度较大，在储层中可以起到渗流通道的作用。

砂砾岩中裂缝广泛发育，随着岩性的改变其中发育的裂缝类型也会随之变化。相对疏松砂砾岩中主要形成水平缝、交织网状缝以及低角度斜交缝；而以砾岩、砂岩或细砂岩呈夹层分布的互层状岩性剖面中的裂缝主要为直劈缝和高角度斜交缝。

1.2 裂缝倾角

低渗透砂砾岩储层中存在的基本为构造裂缝，以及顺层面发育的成岩裂缝和滑脱裂缝。地层倾角是影响构造裂缝倾角的主要因素，近直立角度的裂缝基本存在于地层较平缓的油气田储层，倾斜角度的裂缝多发育在地层角度较大的油气田储层。中国大多数低渗透砂岩储层中的裂缝多为高角度裂缝，低角度裂缝相对较少[2]。高角度裂缝大致分为两种，一种为与最大主压应力平行的扩张裂缝，另外就是与伸展正断层相关的中—高角度裂缝。高角度裂缝的特点主要为缝面粗糙不平、延伸距离短以及产状不稳定。而低角度裂缝大多为低角度剪切裂缝和顺层滑脱裂缝。低角度剪切裂缝缝面光滑平顺，产状平稳，有突出的磨光镜面及擦痕，少数缝面两侧有部分的剪切错动，并且具有阶步，方解石等矿物填充在部分缝面。顺层滑脱裂缝大多发育于泥岩或粉砂质泥岩中，产状和岩层产状基本无异，缝面平整度较低，矿物基本不填充在缝内，密度分布不均，开度不大。

1.3 裂缝密度

裂缝密度通常指与裂缝面垂直的单位长度岩石段内所能观察到的裂缝条数。因为岩芯中的裂缝面基本很少与岩芯柱垂直，故定义裂缝视密度为在岩芯上观测到的单位长度的裂缝条数。影响裂缝视密度值的因素除了实际裂缝密度外，还包括钻井轨迹以及裂缝产状。由于分辨率的限制，利用成像测井技术只能识别出缝宽较大的裂缝，因此模拟出的裂缝发育程度可能存在一定的误差。岩芯观察统计得到的裂缝密度比利用成像测井得到的裂缝密度高，说明砂砾岩储层裂缝实际的发育程度可能比测井预测结果更好。

1.4 裂缝高度与延伸长度

裂缝的延伸长度和高度通常用来评价其三维分布。由于岩石力学层影响着裂缝的形成，故常规上是在划分岩石力学层后再在岩芯上对其高度进行统计。研究表明，裂缝分布随断层分布而改变，二者具有自相似性[3-4]。因此，可以根据断层高度与长度的相关性对裂缝的延伸长度进行判断。相同的受力条件下，越薄的砂砾岩越容易产生构造裂缝，且裂缝开度、密度和孔隙度均越大，但砂砾岩裂缝在泥岩中延伸长度受砂砾岩厚度的影响很小[5]。

2 裂缝发育的主要控制因素

2.1 岩性对裂缝发育的影响

储层岩性及岩性剖面组合的属性控制了砂砾岩油气藏裂缝的微观分布模式。由于不同岩相的岩性和物性具有一定的差异，因此其岩石力学性质不同，抗剪、抗拉能力也有一定的差异。因此，在相同构造应力场的作用下的裂缝在不同岩性中发育程度明显不同。岩石成份及结构、构造、颗粒大小对低渗透储层裂缝发育的岩性影响作用显著。脆性组分（石英、方解石、白云石等）含量的高低及成岩作用的强弱是岩石破裂难易程度以及裂缝密度高低的重要影响因素。脆性组分越多，成岩作用越强，岩石的强度和弹性模量会越大，岩石越容易破裂，即较小的应变就会产生裂缝。

2.2 层厚对裂缝发育的影响

岩层厚度对裂缝发育程度具有较大的作用。裂缝通常以与岩层垂直的形态存在于岩层内，最终结束于岩性界面上。岩层的抗压强度由于薄层岩石的层理而降低，易于集中应力，因此裂缝容易在受力时产生，反之厚层岩石以整体形式存在，受力均匀而应力难以集中，故基本不产生裂缝。裂缝的平均间距与岩层厚度在一定层厚范围内具有线性相关关系，即在相同条件下，厚岩层中的裂缝发育程度低于薄岩层；而岩层厚度和裂缝间距呈正相关关系，在相同岩层中，岩层厚度变大时，裂缝规模增大，但密度降低；反之也成立。

2.3 构造部位对裂缝发育的影响

一般认为，裂缝的发育程度与构造部位密切相关，断层附近、断鼻、褶皱和断块轴向交点部位是裂缝发育的最佳部位。

如果岩性、岩相基本相同，裂缝的发育程度受构造形态和构造部位影响。这是由于区域上的构造应力主要为水平侧向挤压，在纵向弯曲过程中，岩石受到中和面的上下拉伸和压缩发生破裂，从而形成裂缝，这一现象表现最为明显的区域为构造转折段、局部构造高点、断层末梢及陡缓变异带等受力较强的部位[6-7]。

2.4 深度对裂缝发育的影响

裂缝发育程度随着岩石埋藏深度的增加明显降低，裂缝分布的这种特征与挤压构造作用有关。破裂方式随深度和岩石强度的增加而转变，最终形成的压剪性、剪切性破裂是由张剪性和张性破裂变化而来的，而脆性碎裂流动和塑性流动将出现在更深处。此外，裂缝宽度和孔隙度会随深度增加而变小，而围压则会增大。围压的增大会使得岩石的极限强度和韧性随之增大。岩石在围压较低时表现为脆性，在发生弹性变形或者少量韧性变形后就会被破坏。不同的岩石韧性和极限强度受围压的影响是不同的。在裂缝的发育过程中存在一个极限深度，超过极限后裂缝就不再开启，从而不能作为有效的油气藏储层。

3 裂缝对砂砾岩储层产能的贡献

大量的实验分析结果表明，砂砾岩储层岩石水平渗透率与垂直渗透率存在明显差异。结合岩芯裂缝观察分析可知：当储层中不发育裂缝时，孔隙度极低，渗透率基本不存在差异；反之发育裂缝时，水平、垂直渗透率差异变大；说明较多的裂缝为渗透率做出了贡献。在砂砾岩储层中，孔隙度和渗透率的相关性较小，尤其在高渗透地层中的相关关系基本可以忽略。由岩石镜下孔喉特征分析和岩芯裂缝观察可知，孔隙度与渗透率基本不存在线性相关关系，主要是由于储层中存在大量裂缝。孔、渗二者之间的相关关系随裂缝发育程度的降低而增强。由此可见，裂缝对提高致密储层渗透性有十分重要的作用。对于微裂缝而言虽然渗透率值较大，提高了储层的渗透性，但由于在延伸距离上的限制、相互之间不能够连通，很难形成有效的油气运移的网络系统，从而对于油气产量影响很小，但当微裂缝与宏观裂缝叠加形成网络时，对于储层渗透性的改善会起到很大贡献。