应力垂向分带对储层的控制作用——以库车前陆冲断带为例

刘 春 赵继龙 章学歧 王俊鹏 周 鹏 曾庆鲁

1.中国石油杭州地质研究院 2.中国石油塔里木油田公司

0 引言

近年来，随着库车前陆冲断带油气勘探的不断突破[1-3]，掀起了对区内储层研究的热潮[4-9]。然而由于前陆冲断带储层受到横向构造挤压与垂向埋藏压实的双重影响，储层岩石总体已变得较为致密，基质物性变差，使得在一定程度上致密储层中只有发育裂缝，才能成为油气运移的良好通道，改善储层渗滤性能[5-6]。前人对该区构造挤压对储层的影响进行了大量的研究，总体认为构造应力对前陆冲断带储层性质有重要影响，不同的应力环境造就了显著的储层品质差异[10-11]；构造侧向挤压对砂岩成岩压实有重要影响, 随着古构造应力值的增大, 砂岩的孔隙度与渗透率明显降低[12-13]；储层垂向差异分布受构造挤压显著控制[14-15]；构造成岩作用已成为该区致密砂岩新的研究方向[16-17]。但纵观前人研究成果不难发现，有关应力与砂岩储层性质关系研究大量侧重于不同构造样式下储层性质差别对比研究、古构造应力对储层的挤压减孔效应以及同构造带不同构造位置或不同构造带同构造位置应力大小与储层性质的相关性分析[18-21]，对应力垂向分布差异及其对储层性质的连续性影响缺乏系统研究及机理探索。在前人研究基础上，以库车前陆冲断带深部区某构造高部位钻井为例，参考Ramsay（1987）中和面褶皱形变模式，定量分析应力垂向分带差异在横向上和纵向上对储层性质的综合影响，进而探索应力垂向分带性的油气勘探意义，以期对前陆冲断带的储层研究和油气勘探提供可类比借鉴依据。

1 地质背景

库车前陆盆地位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区境内（图1），构造上位于塔里木盆地北部，属于喜马拉雅期南天山造山带向南推覆挤压形成的再生型前陆盆地[22-23]。受喜马拉雅运动晚期构造挤压影响，产生区域性的由北向南的挤压应力场，使得库车前陆冲断带发育一系列东西向的前展式逆冲断裂和大型背斜。区内已发现克深2、克深8、克深5、大北3 等一批深层－超深层大型背斜－断背斜气藏[3]。白垩系巴什基奇克组发育的巨厚砂岩储层与上覆由古近系库姆格列木群盐岩、膏岩和含膏泥岩组成的优质盖层构成区内良好的储盖组合。巴什基奇克组主要是一套辫状河三角洲沉积体系[24]，砂体垂向相互叠置，横向大面积连片，但储层基质孔隙度仅为1.5%～5.5%，渗透率为0.01 ～0.10 mD，已属典型致密砂岩储层[5-6]。

图1 库车前陆冲断带区域地质图

2 应力垂向分带性的提出

当岩层受到顺层挤压力作用时，岩层的弯曲必然引起层内各部质点的相对变位[25]。从Ramsay（1987）的应力中和面褶皱模式可以看出，当岩体受到横向挤压时，其外弧伸长、内弧缩短，在接近岩层中部有一个既无伸长亦无缩短的无应变面称为中和面，其面积或横剖面上层的长度在应变前后保持不变，层内各点应变量的大小与其中和面的距离呈正比，各点的应变椭球体的压扁面在中和面外侧平行于层面呈弧形排列，在中和面内侧垂直于层面呈正扇形排列（图2）[26]。中和面内外应力性质的这种差异我们就称之为应力垂向分带性。根据这种应力分带差异，任何褶皱都存在一个中和面，中和面外侧受到拉张应力影响，中和面内侧受到挤压应力的影响。

图2 中和面褶皱模式（修自Ramsay，1987）

由于储层的形成演化有着复杂的沉积成岩过程，因此讨论应力性质差异对储层影响的前提是各类沉积成岩条件基本一致。此外，储层现在表现出的性质是应力作用综合作用的结果，由于现有技术手段也没法恢复储层遭受应力作用的全过程，因此主要着眼于现有应力状态条件下储层的综合响应和过程推演。

3 应力计算与微观实验

在地球上地应力是客观存在的，只是在不同的地区其强弱程度和方向不同。传统的测量地应力的方法有水压致裂法、应力解除法、差应变法、Kaiser 效应法等，但是这些方法都是对单一样品的分门别类的测试，要获取一个连续的地应力剖面，不但成本较高，系统测试也较为困难，且并非所有地层均可进行地应力实测[27-29]。目前获取地应力数据的手段主要还是通过计算得出，再用实测地应力数据去检验与标定地应力计算结果，得到连续分布的地应力剖面。经验证这一方法切实可行，尤其是可充分利用测井资料提供的大量信息，方便、快速地得到沿井深连续分布的地应力剖面，对没有进行地应力实测的地层可计算得到较为准确的地应力数值[30-33]。前人对库车前陆冲断带做了较多的地应力实际测量和测井计算校正[31-35]，目前较多使用的是王成龙等考虑了地层弹性和地层倾角的高陡地层地应力的测井计算方法[33]，该方法计算出的地应力值与实验测试值误差较小，基本可以满足应用要求。根据该计算方法，选择区内取心较多、间隔较大且位于背斜核部的库车前陆冲断带深层区某构造的一口评价井进行了应力的计算（图3）。其计算公式如下：

式中Sv、SH、Sh分别表示垂向应力、最大水平应力、最小水平应力，MPa；μ表示泊松比，无量纲；pP表示地层孔隙压力，MPa；β1、β2表示最大、最小主应力方向的构造应力系数，无量纲，区内β1=0.843，β2=0.431；DIP表示地层倾角，（°）；α表示有效应力系数（Boit 系数），无量纲；ρb、ρma表示地层、岩石骨架体积密度，g/cm2；Δtc、Δts表示地层纵波、横波时差，μs/ft（1 ft=0.304 8 m,下同）；Δtmc、Δtms表示岩石骨架纵波、横波时差，μs/ft。

在应力计算基础上取样进行相关的宏观和微观实验，①是对该井的四筒取心进行详细的裂缝观察与描述。②分筒钻取169 个岩心柱塞，用三氯甲烷去除了岩样中所残留的储层沥青，干燥后对这批样品进行氦孔隙度和空气渗透率测定。③对抽稀数量后的90 个岩心柱塞切取片状岩块制作铸体薄片（用红色环氧树脂浸透样品、亚硝酸钴钠对薄片进行染色），根据标准的薄片描述岩石学方法，在LEICA显微镜下观察鉴定砂岩成分、孔隙分布、面孔率等。④再次对样品进行抽稀后的30 个柱塞样品钻取小块岩石（约指甲盖大小）表面镀金，使用FEI Inspect S50 型扫描电子显微镜对储层微观结构进行观察比对。

4 结果与讨论

4.1 地应力大小及储层物性响应

根据应力计算结果，该井整个巴什基奇克组砂岩层三轴应力状态总体为SH>Sv>Sh，水平最大主应力SH为143 ～185 MPa，平均163.8 MPa；垂向应力Sv为153.9 ～160 MPa，平均157.2 MPa；水平最小主应力Sh为120 ～159.8 MPa，平均138.8 MPa。通过对不同方向应力和应力差（最大水平主应力减去最小水平主应力）与储层总体的孔隙度、渗透率分析来看（图4～5），应力总体上对孔隙度影响明显，其中以最大主应力和应力差与孔隙度、渗透率的正相关性良好，而最小主应力和垂向应力对储层孔隙度、渗透率相关性较差，这可能是在埋藏6 000 m 以下垂向应力对储层孔渗的影响已变得微乎其微，水平方向表现为最大主应力的影响，最小主应力已无明显相关性。

图3 实例井地应力控制储层综合柱状图

4.2 中和面的确定及储层物性差异

根据Ramsay（1987）应力中和面模式，应力的中和面在不同应力作用强度阶段应该是处于不同的深度位置，一个受横向挤压连续作用的褶皱，其中和面应该是逐步下移，现今的中和面位置应该是现有应力条件下的综合反映，由于在天然气勘探过程中只考虑现今状态，因此仅以现今状态的中和面位置分析储层差异较为现实。通过对地应力剖面的观察发现，自6 475 m 开始，水平最大主应力和最小主应力出现了明显的大台阶增大，自该台阶开始水平最大主应力整体超越垂向应力（图3），结合欧阳健（1999）对克拉2 气田地应力性质的判断关系认为：自该深度开始，向下挤压应力增大，为挤压应力带，向上为张应力带。根据Ramsay 褶皱中和面模式，认为该深度为该井应力垂向分带的中和面，其中6 374 ～6 475 m 为张应力段（101 m），其水平最大主应力为142.4 ～175.5 MPa，平均159 MPa；垂向应力为153.9 ～157 MPa，平均155.5 MPa；水平最小主应力为119.8 ～148.5 MPa，平均135.9 MPa。6 475 ～6 605 m 为挤压应力段（130 m），其水平最大主应力为150 ～185.6 MPa，平均168.3 MPa；垂向应力为157 ～160.4 MPa，平均158.7 MPa；水平最小主应力为121.8 ～160 MPa，平均141.7 MPa。总体表现为挤压应力带三轴应力大于张性应力带。

图4 实例井三轴应力与孔隙度的相关性图

从张性段与挤压段储层测井孔隙度、渗透率分布频率直方图来看（图6）：张性应力段测井孔隙度分布在0.1%～9.6%之间，平均4.5%；渗透率分布在0.001 ～0.112 mD,平均0.038 mD。挤压应力段测井孔隙度分布在0.1%～7.0%之间，平均3.1%；渗透率分布在0.001 ～0.072 mD,平均0.024 mD。张性压力段储层物性明显高于挤压应力段，且张性段均在有效储层孔隙度范畴之列，而挤压段为差储层—非储层。

图5 实例井三轴应力与渗透率的相关性图

图6 实例井张性段与挤压段储层测井孔隙度、渗透率频率分布直方图

此外，从应力剖面和测井曲线比对发现（图3），6 475 m 的这个水平最大主应力增大台阶与电阻率存在明显的可对比性，即电阻率在该处也出现了一个大台阶变大，最大水平主应力与电阻率存在明显的正向相关性（图7），其最大水平主应力与电阻率回归公式如下：

这为对构造区内其他井中和面快速确定和各井应力分带性的划分统计创造了便利条件，部分井无须进行应力计算便可根据常规电阻率曲线进行应力分带性划分。

图7 实例井最大水平主应力与电阻率的相关性图

4.3 储层裂缝发育差异及成因

详细的取心裂缝观察表明：张性段裂缝以张性高角度－近直立缝为主，倾角一般70 ～90°（图8-a），岩心裂缝开度普遍为0.1 ～0.3 mm 之间，最大可达1.0 mm，裂缝贯穿长度普遍受岩心断块长度的影响，总体上裂缝贯穿长度在0.05 ～0.95 m 之间，平均0.3 m 左右，由于受裂缝倾角的影响，实际的裂缝贯穿长度应该大大超过这个数值，裂缝走向主要为北西—南东向。裂缝延伸方向总体与其现今水平最大主应力方位相一致,其原因是构造裂缝往往呈多组共同产出，延伸具多个方向，地下水平主应力为挤压应力，只有那些平行或低角度斜交于水平最大主应力方向的裂缝才能保留，而正交或近于正交的裂缝往往受压闭合。此外，从微观薄片分析来看，张性带普遍发育切穿颗粒的颗粒贯穿缝和粒缘缝，缝宽一般在1 ～10 μm 之间（图8-b）。总体上裂缝具有开度大、延伸长、密度小、充填性低等特征。

挤压段裂缝以剪性低角度裂缝为主，一般都小于30°，多期次的裂缝互相交织，呈现网状分布特征（图8-d），根据岩心、露头构造裂缝切割关系挤压段构造裂缝主要可以划分两期，早期裂缝倾角小、开度小，基本被泥质或膏质全充填，排列方式较为紊乱；中期裂缝开度较大，被泥质和少量方解石半充填－少量充填，以高角度为主，裂缝开度约0.3 ～3.0 mm，排列方式以雁列、斜交为主。微观薄片观察表明，挤压带则相对发育粒内缝和粒缘缝，颗粒内部纳米级裂隙宽度普遍小于1 μm（图8-e）。总体上，挤压段裂缝往往开度小、延伸短、密度大、充填性高等特点。

图8 张性带与挤压带裂缝及基质孔隙发育特征图

张性应力段和挤压应力段存在的这种裂缝差异是不同性质应力作用的结果。当岩层呈韧性变形的条件下，褶皱岩体的外侧受侧向拉张而垂直层面方向变薄，拉开了颗粒间的距离，形成大量粒缘缝，但是胶结物的存在还是有效地保持了完整性，而内凹部分由于垂直层面受压扁而加厚，形成了不同应变椭圆之间的剪切而形成剪切缝，脆性颗粒内部则容易压碎形成压碎缝。随着挤压的继续，当拉张应力超过岩石韧性，中和面外侧受拉张破裂而形成垂直层面的张性高角度缝，并伴生了不同方向的颗粒贯穿缝，而内侧则是连续挤压，应力逐渐向早期裂缝形成后较稳定的断块转移并最终在这些块体上形成挤压性的裂缝，与早期裂缝交织呈网状分布。在整个岩层逐渐弯曲变形过程中，随着外侧张性缝的向内发展，中和面逐渐向内迁移，直至最后形成切穿整个岩层的宏观裂缝带。

4.4 储层基质孔隙差异及成因

微观实验分析来看：张性段储层颗粒主要以点—线接触为主，基质孔隙普遍发育原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔，总体物性好，储层表现为孔隙型储层为主（图8-c）。挤压段颗粒以线接触为主，基质孔隙发育较差，主要是一些粒内溶孔和粒间杂基微孔隙，储层表现为裂缝孔隙性或者裂缝型为主（图8-f）。

这种孔隙类型与发育程度的关系从应力层面上来看，张性应力段受拉张应力的影响，抵消了大量埋藏压实导致的孔隙缩小，拉张应力拉大了颗粒间的距离增大粒间孔隙，张性段发育的裂缝为溶蚀孔隙的发育提供了媒介，提高了孔隙度。挤压应力段则由于受到持续挤压应力的影响，特别是水平主应力差值的增加，颗粒受挤压变形强烈，呈现镶嵌接触关系，使得颗粒排列更加紧密，胶结物也发生塑性变形，孔隙空间大大缩小。水平主应力差的增加，表明有效水平挤压应力的增强，减小吼道直径，使裂缝逐渐闭合，隔断了大规模溶蚀增孔的可能，降低了孔隙度和渗透率。

5 测试响应与勘探意义

5.1 生产测试响应

该井第一次对6 500 ～6 562 m（属挤压应力段）完井酸化，5 mm 油嘴，油压 45.515 MPa，折产气 16 144 m3/ d ；第二次对6 370 ～6 562 m（属张性应力段+挤压应力段）完井压裂，8 mm 油嘴，油压76.605 MPa，折产气659 916 m3/d，表明张性段对天然气产量贡献远超挤压段，总体上认为这是张性应力段裂缝网络与孔隙网络优势匹配的结果。

5.2 钻井深度预测

根据生产测试结果，气井产量主要是张性应力段的贡献，由于挤压段储层差、对产量贡献低，因此在低油价降本增效的大背景下，在气藏完成探明后，其后期的生产井和部分评价井，在钻完张性段储层即可完钻，而无需完全钻穿这个白垩系巴什基奇克组。按照库车前陆冲断带深层区钻井成本2×104元/m 的成本核算，目前对区内张性段的预测最大厚度232 m（图9）与区域巴什基奇克组厚度330 m 之间尚存在近100 m 的钻井成本核减空间，即200×104元/井，既能提高效益，又能节约钻井成本，也降低了深层钻井复杂性。

由于中和面上下的张性应力带厚度与挤压应力带厚度大小主要受控于断背斜几何形态及断层活动。因此，不同断背斜和断背斜的不同部位构造应力中和面位置不尽相同，往往在构造轴线上、构造高部位张性段储层厚度较大，受构造变形曲率影响。其流程是根据不同背斜和断背斜的实际情况，首先通过对典型应力测算，大致确定中和面附近应力和电阻率递变关系，再结合构造等高线分布趋势即可对张性应力段的厚度进行预测，从预测的结果来看，库车前陆冲断带深层区自北向南张性应力带逐步变薄。在向南部更深地区钻探过程中，张性应力带的精确预测能大大降低钻井成本。

5.3 远景勘探区储量预测

通过对库车前陆冲断带克深区带已突破气藏钻井的张性应力段厚度与构造等高线相关性可以看出，总体高部位钻井张性段厚度大（图10-a）。据此可以进行新圈闭钻前张性应力带的预测，并根据平均张性应力段厚度与气藏地质储量丰度的正比关系（图10-b），即可粗略估测气藏地质储量丰度，结合对气藏圈闭面积的预测的即可对该气藏实现预测地质储量的粗略快速测算。

6 结论

1）应力垂向分带性对库车前陆冲断带储层影响明显，其中水平最大主应力和应力差与储层孔隙度、渗透率呈明显正相关关系。

图9 库车前陆冲断带克深区带白垩系巴什基奇克组张性应力段厚度等值线图

图10 气藏张性段平均厚度与构造等高线、气藏地质储量丰度的相关性图

2）张性应力段受拉张应力影响，储层发育高角度—近直立天然构造裂缝，裂缝具有开度大、延伸长、密度小、充填性低等特征。基质孔隙普遍发育原生粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔，物性好，对产量贡献大。挤压应力段受挤压应力影响，储层多期低角度裂缝交织呈网状，裂缝具有开度小、延伸短、密度大、充填性高等特征。孔隙发育较差，主要是一些粒内和粒间微孔，物性差，对产量贡献低。

3）前陆冲断带张性应力带的确定既能节约钻井成本，提高钻探效益，又能对断带新的勘探圈闭进行钻前地质储量评估，指导天然气勘探。

致 谢

论文在思路及成稿过程中得到中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院孙雄伟、唐雁刚、周露以及中国石油杭州地质研究院张荣虎、陈戈等同志的热情帮助，在此表示感谢。