东濮凹陷泥页岩油气藏裂缝发育主控因素分析

2018-06-22杨东兴

石油地质与工程 2018年3期

杨东兴

（中国石化中原油田分公司物探研究院，河南郑州 450000）

东濮凹陷存在丰富的非常规油气藏，主要为深层致密砂岩油气和泥页岩油气。泥页岩裂缝油气藏作为一种特殊隐蔽油气藏类型[1–4]，在东濮凹陷的勘探历程上屡有发现[5–8]。前人对东濮凹陷泥页岩油气藏的研究较笼统，主要偏向于裂缝特征观察描述，而泥页岩成藏的关键是裂缝成因，但泥页岩裂缝的发育受到多种因素控制，预测难度很大。本文深入剖析了影响泥页岩裂缝发育的因素及特征，对泥页岩油气藏地质特征认识进行了补充。东濮凹陷泥页岩油气藏裂缝发育控制因素主要有构造因素和非构造因素。

1 构造因素分析

构造因素形成的裂缝为构造缝，是由构造应力引起的。东濮凹陷是一个张性断裂发育的盐湖盆地，古近系时期：区域构造应力场为右旋构造应力场，最大主应力为北东–南西向，最小主应力为北西–南东向，中间应力为垂直方向；沙三中–沙二时期：受北东向挤压应力场的作用，沙三下盐岩上隆，沙三中在PS18–1井区附近形成鼻状构造；东营末期：区域构造反转期，产生近东西向挤压应力场，地层形成强超压。裂缝的走向分布，与构造应力场分布基本一致，主要为北东、北西向裂缝（图1）。

东濮凹陷构造应力存在两种类型，即水平应力和垂直应力，这两种应力影响着裂缝的发育。水平应力形成的构造缝相对较早，主要表现为开启裂缝，多见油气浸染，或见方解石、沥青充填，以横张垂直裂缝和高角度剪裂缝发育为主。水平构造应力裂缝在PS18–1井附近发育，而PS18–8井附近欠发育，这与 PS18–1井较靠近断层有关，靠近断层构造应力大，裂缝相对发育（图1）。

垂向构造应力场的形成主要与膏盐上隆有关，形成时间稍晚于水平构造应力缝。主要形成纵张垂直缝，极少数垂向“X形”剪裂缝。纵张垂直缝呈延伸短、V字形垂向形态，且多为方解石或石膏充填，少见油气显示。PS18–1井纵张裂缝发育，而PS18–8井相对欠发育这类裂缝，与该井偏离鼻状构造轴部有关（图1）。

图1 东濮凹陷构造应力缝走向玫瑰图

对目前已知的主要泥页岩裂缝发育井层段进行统计分析表明，构造位置相对较高、构造曲率相对较大的地方（最大主曲率一般大于 0.2）构造缝较发育。

2 非构造因素

2.1 岩性和矿物成分

不同岩性的岩石强度和力学性质不同，在相同构造应力场作用下裂缝的发育程度不一致。岩石脆性组分含量高，则岩石的脆性强，裂缝就更可能发育。泥页岩中脆性矿物成分含量是控制裂缝发育的重要因素。

沉积岩脆性组分多为石英、方解石和白云石等。根据PS18–1井的X衍射矿物分析，沙三上段盐间泥页岩脆性矿物主要为石英、方解石和白云石，脆性矿物的平均含量为 42.05%（表 1），与美国Appalachia 盆地泥盆系泥页岩中确定的脆性指数临界值相当，远高于东营凹陷脆性矿物平均含量（18%～20%）。同时钻井过程中发现泥页岩容易破碎，岩心很难钻取岩心柱，说明东濮凹陷沙三上段盐间段泥页岩的脆性很大，有利于天然裂缝的发育。

表1 PS18–1井盐间泥岩段X衍射资料数据

PS18–1和PS18–8井沙三上段盐间泥页岩段共38条裂缝发育的岩性资料表明，裂缝发育主要岩性为含钙（云）泥岩、含膏泥岩或含泥膏岩、含泥灰（云）岩三类。这三类岩性代表着碎屑岩、硫酸盐岩和碳酸盐岩。含钙（云）泥岩中裂缝最为发育，62.5%的裂缝主要发育在该类岩性之中；其次为含膏泥岩或含泥膏岩，28.1%的裂缝发育在该类岩性之中；含泥灰（云）岩中的裂缝发育程度最低，只有9.4%的裂缝发育在该类岩性之中（图2）。这说明泥页岩裂缝的发育程度与灰质成分的含量有很大关系，即泥页岩中方解石和白云石越多，越有利于裂缝的发育。

岩心资料分析表明，东濮凹陷膏盐或含泥膏盐、含膏泥岩较为发育，沙三上盐间泥页岩段构造缝的发育受内部石膏纹层的控制，构造缝通常垂直或者高角度相交岩层，并终止于石膏纹层界面上。当石膏纹层较薄，构造缝也有可能切穿石膏纹层；纹层较厚，构造缝通常终止于石膏纹层。因此，石膏纹层的发育程度也决定了泥页岩裂缝发育的程度，即硫酸盐岩矿物会抑制裂缝发育。

图2 不同岩性裂缝发育频率分布

2.2 有机质富集程度

东濮凹陷盐间泥页岩通常为钙质及含膏泥页岩，其有机质富集程度与碳酸盐岩、硫酸盐岩矿物含量有一定关系[9–10]。有机质富集程度与泥页岩中的钙质含量关系相对复杂，当碳酸盐岩含量小于45%时，泥页岩中的有机质富集程度与碳酸盐岩含量呈正相关关系；而碳酸盐岩含量大于45%时，泥页岩中的有机质富集程度与碳酸盐岩含量呈负相关关系（图3a）。泥页岩中的有机质富集程度与泥页岩中的石膏、硬石膏含量呈负相关关系，当石膏、硬石膏含量增大时，泥页岩中的有机质含量降低（图3a）。由于泥页岩裂缝的发育与碳酸盐岩、硫酸盐岩有重要关系，所以泥页岩中有机质富集程度与裂缝发育程度也有关。有机碳含量随裂缝密度增加而增加，但裂缝密度超过4条/m时，有机碳含量下降（图3b）。

图3 泥页岩有机质富集程度与裂缝发育程度和矿物含量关系

出现上述现象的原因为：当碳酸盐岩含量低于45%时，随着碳酸盐岩矿物含量增加，即泥页岩的脆性矿物含量增加，泥页岩发育裂缝的可能性增大，因而裂缝密度变大。泥页岩中碳酸盐岩矿物含量增加，表明盐湖湖水盐度增加，底部水体近于停滞, 造成各种生物大量死亡，钙质泥页岩有机质含量增加。而裂缝密度超过一定值时，碳酸盐岩矿物含量过高，则黏土含量变低，不利于有机质吸附，有机质含量相对变小。

2.3 异常高压

异常高压形成的裂缝[11–12]主要指岩石在一定埋深处于封闭条件下, 由于烃类生成、黏土矿物脱水、水热增加、自生矿物充填孔隙、胶结作用等产生异常高压，当其达到岩石临界破裂压力时产生的裂缝。超压导致地层破裂可在没有构造作用的情况下完全由超压引起，亦可在构造作用的诱导下发生。在伸展构造应力背景下，超压产生破裂垂直缝，这些裂缝在平面上无明显方向性，呈蠕虫状，随机分布。东濮凹陷多年勘探证实，由于盐岩发育、生烃作用等多种原因，高压油气藏分布广泛，尤其是沙三段地层超压带分布更为广泛。这些超压带分布区往往是良好烃源岩分布区，若出现厚层泥页岩, 很容易形成一定规模的泥页岩裂缝性油气藏。