鄂尔多斯盆地合水地区延长组裂缝发育特征及控制因素

屈雪峰，赵中平，雷启鸿，刘建，高武斌

(1.长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710021; 2.北京爱能泰克科技有限公司，北京 100012)

0 引言

近年来鄂尔多斯盆地超低渗透储层中的天然裂缝对注水开发的影响愈来愈引起了油田开发工作者的重视[1-5]。据公开发表的文献显示，鄂尔多斯盆地众多区域已开展了裂缝研究工作，包括姬塬—元城、麻黄山、庆城—合水、沿河湾、五谷城、白豹、华庆、定边、镇原—泾川、侯市—杏河、胡尖山、陇东、宁县、靖安—安塞、吴旗、盆地中东部、盆地中西部、鄂南(延长油矿)等地区[6-30]。这些研究成果表明，除仅在盆地西南缘天环坳陷内红河油田发现了与断层伴生的裂缝系统[31]外，其他成果均认为盆地内三叠系延长组裂缝主要为区域性水平构造应力场作用下形成的区域构造裂缝，其研究对象主要为岩心中钻遇的天然小尺度裂缝。

长期以来，鄂尔多斯盆地被认为是稳定的、弱构造活动的构造单元， 盆地内延长组地层是不发育断层的[32]。然而，越来越多的资料和证据表明盆地伊陕斜坡内延长组地层发育有不同规模的断层，对于超低渗透储层仅研究小尺度裂缝是不全面的，裂缝与断层之间的关系以及裂缝研究和预测方法需要重新审视。本文以合水地区延长组为例，探讨断层存在的证据、裂缝发育特征及控制因素。

1 断层、破碎带及小尺度裂缝组成复杂的断裂系统

合水地区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西南部(图1)，近期综合利用地震、钻井、测井、岩心等资料在该区延长组地层中发现了典型的断层、破碎带以及小尺度裂缝。

1.1 断层

通过详细分析合水地区的钻井和二维地震资料后，在延长组地层中发现了数条最大断距可达110 m以上的走滑逆断层(图2a～图2d),部分断层平面延伸长度可达7 km以上。较大断距断层在研究区内中部及东南部呈雁列式分布，断层总体呈近NW—ES向展布，形成近NNW—SSE展布的主断层带(图2e)。

图1 研究区位置图Fig.1 Schematic location of the study area

1.2 断层破碎带

与断层伴生的断层破碎带内岩石被众多的裂缝切割而碎裂成小块，裂缝密度大，裂缝异常发育，裂缝条数难以统计；而且破碎带不受岩性界面控制，与断层一样穿层发育[33]。合水地区长63水平井在钻井过程中发生了不同程度的钻井液漏失现象，其中部分井区漏失严重，漏失段为低电阻率、高时差特征的断层破碎带(图3a)。相对于直井而言，水平井更易钻遇破碎带。统计表明，区内258口水平中有116口井水平段钻遇了破碎带；在观察岩心的50口直井中仅有3口井、4段取到了破碎带岩心(图3b )。研究区发现的破碎带岩心与在其他地区的典型裂缝性油气藏中发现的破碎带岩心特征是一致的。

a—开发区断层分布图；b—过W1井二维地震剖面；c—过W3井二维地震剖面；d—1～5井长6地层对比剖面；e—合水地区长7底断层分布a—fault distribution in development zone;b—2D seismic profile through the W1 well;c—2D seismic profile through the W3 well;d—Chang 6 formation correlation section from well 1 to well 5;e—fault distribution map at Chang 7 formation bottom in Heshui area图2 断层证据及断层分布Fig.2 The faults development evidence and distribution map

a—断层破碎带电测曲线特征;b—断层破碎带岩心;c—水平井开发区钻遇的破碎带与构造叠合分布a—log curve characteristics of fault damage zone;b—the cores of fault damage zone;c—the overlap map of the drilled fault damage zone in horizontal well development area and the structure map图3 断层破碎带特征及其在水平井开发区的平面分布Fig.3 The characteristics of fault damage zone and its distribution in horizontal wells development area

研究区水平井钻遇的破碎带主要分布在研究区西北部及南部断层末端延伸处，中部及东南部大断层发育区破碎带不发育(图3c)。

1.3 天然小尺度裂缝

岩心中发现的小尺度裂缝按照力学性质划分，张扭缝较发育,占53%，剪切缝占47%;按成因类型可划分为区域构造应力作用下普遍发育的受小层所限的裂缝和与断层相关的裂缝两类,前者受岩性、机械层等控制，纵向上裂缝通常终止于岩性界面处(图4a)，表现为“小切深、低密度”特征,后者往往能够切穿不同岩性段、不受机械层控制、裂缝密度较大。如某井第2次取心79～96块共2.2 m岩心中发育了10条裂缝，其中第86～88块、94～95块发育的裂缝切穿了不同的岩性段(图4b)。岩心观察中见到的多为受小层所限的裂缝，很少见到与断层相关的穿层裂缝。

总之，合水地区延长组发育由断层—破碎带—小尺度裂缝组成的复杂断裂系统，它们共同作用影响地下储层的非均质性、渗流能力，从而对油气生产产生重要影响。

a—受岩性界面控制的小尺度裂缝;b—与断层伴生的小尺度裂缝a—small-scale fractures controlled by lithologic interface;b—small-scale fractures associated with faults图4 两种类型的小尺度裂缝Fig.4 Two types of small-scale fractures

2 影响裂缝发育程度的主控因素

2.1 小尺度裂缝发育程度与岩性及地层厚度的关系

统计表明，岩心中发现的裂缝主要分布在细砂岩中，其次为粉砂岩(图5a)，大段块状含油砂岩中少见裂缝。岩芯中发现的天然裂缝几乎均为小层所限的小尺度裂缝，上下终止于岩性界面处。因此裂缝切深反应了裂缝发育段的岩层厚度；总体上岩层越薄裂缝越发育，10 cm左右厚度的岩层中裂缝最发育(图5b)。

2.2 小尺度天然裂缝纵向分布特征

对50口井3 200 m岩心中发现的500余条天然小尺度裂缝统计分析表明，纵向上天然裂缝主要发育在砂体顶部、底部的砂泥互层层段中，其次为砂体内部的薄层以及钙质胶结砂岩中；大段块状砂岩内总体裂缝不发育(图6)。众多吸水剖面资料也表明，注水井尖峰状吸水段也主要分布在砂体顶部、底部的砂泥互层层段中。这一特征表明天然裂缝在纵向上的分布具有一定的优势层位，这为天然小尺度裂缝发育段的横向预测提供了依据。

a—发育程度与岩性的关系;b—裂缝切深分布直方图a—the relationship between fracture development and lithology;b—the histogram of fracture height图5 裂缝发育程度与岩性及层厚的关系Fig.5 The relationship between fracture development degree and lithology and bed thickness

a—某井天然裂缝纵向分布;b—纵向不同位置小尺度裂缝分布频率统计a—longitudinal distribution of natural fractures in a well;b—statistics on the distribution frequency of small scale fractures at different longitudinal position图6 天然裂缝纵向发育特征及不同位置分布频率统计Fig.6 The longitudinal development characteristics of small-scale fractures and its distribution frequency in different zones

2.3 破碎带与小尺度裂缝平面分布特征

岩心裂缝线密度饼图与破碎带及断层分布的叠合图(图3c)表明，平面上岩心中裂缝发育密度与破碎带分布具有很好的一致性。在水平井钻遇的破碎带较发育区，总体裂缝线密度和裂缝发育段比例相对较高。在研究区中部、东南部大断层发育区，破碎带总体不发育，岩心裂缝线密度和裂缝发育段总体比例较低；在这一区带内，其中有一口井的岩心中未发现裂缝，另一口井中发现3条裂缝，而其他两口井中仅各见1条裂缝。

由此可见，小断层末端延伸方向往往破碎带密集发育，大断距断层附近破碎带和裂缝相对不发育，破碎带发育区小尺度天然裂缝较发育。

2.4 破碎带、小尺度裂缝发育程度与构造曲率的关系

破碎带和裂缝较发育处，构造起伏大、曲率高；破碎带和裂缝不发育处，构造较平缓，曲率低。另外，生产中裂缝型见水的水平井主要分布在鼻状隆起两翼的低洼部位，这说明构造曲率对裂缝发育具有一定的控制作用。

长7底界特征明显、是良好的区域对比标志层，根据编制的长7底界构造图，计算了构造曲率(图7)。对比和统计表明(表1)，破碎带和小尺度裂缝发育程度与构造曲率具有很好的相关性。研究区内雁列式大断层发育带构造曲率最低，该带内总体破碎带明显不发育；破碎带发育区主要位于较高的构造曲率区，较高构造曲率区内天然小尺度裂缝也较发育。因此，合水地区长7底界的构造曲率属性可以作为定量预测破碎带和小尺度裂缝分布的重要属性。

图7 水平井开发区钻遇破碎带与长7底构造曲率叠合图(图例同图3)Fig.7 Overlapped map of the fault damage zones distribution and Chang7 bottom structure map in horizontal wells development area(legends are the same as figure3)

表1 不同曲率区裂缝发育程度统计Table 1 Statistics of small-scale fractures development degree in different curvature area

综上所述，天然小尺度裂缝的发育明显受机械层控制，断层、破碎带、小尺度裂缝之间存在着成因联系；构造曲率可以很好地预测破碎带和小尺度裂缝的发育程度；具有明显断距的走滑逆断层发育带总体裂缝发育程度低，其外围裂缝总体较发育。这一认识为研究区裂缝定量预测提供了思路和依据。

3 几点启示

本次研究表明，合水地区延长组地层发育由断层、断层破碎带和天然小尺度裂缝组成的复杂断裂系统；断层破碎带受断层控制、裂缝特别发育，纵向和横向均能延伸一定的距离，对油井生产有一定的影响；相对于断层破碎带，普遍发育的天然小尺度裂缝切深小，受岩性界面控制，主要发育在砂层顶底薄层砂泥互层中，其密度较低、难以提供有效的等效渗透率，对油水井生产的直接影响是有限的。此前公开发表的有关鄂尔多斯盆地伊陕斜坡内延长组的裂缝研究，主要围绕的是天然小尺度裂缝，没有认识到断层和断层破碎带的存在。因此，在今后合水地区乃至整个鄂尔多斯盆地伊陕斜坡内研究超低渗透储层的裂缝时，应充分重视断层和破碎带的各种响应特征，重点研究断层破碎带对油水井生产的影响，将断层、破碎带和天然小尺度裂缝当作一个系统来研究，而不应仅研究天然小尺度裂缝。

在断层—破碎带—小尺度裂缝这一复杂系统中，断层可以利用二维地震、钻井资料来确定，其分布是确定的；破碎带受断层控制，而对于小尺度天然裂缝而言，能够直接用于描述其分布特征的资料是十分有限的，其分布具有很大的不确定性。分析三者之间的关系，有助于较准确地预测这一复杂断裂系统的分布特征，提高裂缝预测精度，减小裂缝分布的不确定性。

目前在超低渗透油藏开发过程中储层均要经过大规模水力压裂改造，如何更好地利用超低渗透储层中发育的天然复杂断裂系统，应是今后类似油藏高效开发的一个重要课题。因此，本区的裂缝研究给了我们以下几点启示，也具有一定的指导意义。

1)水平井是开发此类储层的最优方式。天然构造裂缝、破碎带均以高角度为主，因此直井钻遇裂缝的概率是非常低的；而水平井的水平段与天然构造裂缝、破碎带近于垂直，因此钻遇的概率非常高；而且可以钻遇多段破碎带或天然裂缝，沟通更多的储层。所以，水平井是开发这类储层的最优井型。本次研究发现的破碎带，除了50口直井岩芯观察井中有3口井发现4段破碎带外，其余的均为水平井钻遇。如果研究区内没有这些水平井，仅利用斜井或直井资料，则难以认识到破碎带的普遍存在。

2)选择最优化的完井方式。目前合水地区套管水泥固井的完井方式导致大多天然裂缝和破碎带未能直接与井底沟通，其对油水井生产的影响可能有限。建议今后针对类似储层开展水平井完井方式优化研究并现场试验，如裸眼筛管完井方式等。

3)水平段方位优化。目前完钻水平井水平段方位均垂直于现今最大主应力方向，没有考虑其它的因素。发育的断层破碎带延伸方位与邻近断层方位一致，其与现今最大主应力方向NE75°有一定夹角。因此，建议今后开展水平井水平段方位优化工作，考虑利用断层破碎带。

4)采用合理的压裂改造规模。对不同裂缝发育程度区，超低渗透储层应采用不同的压裂改造规模。破碎带及天然小尺度裂缝不发育区，应加大储层的压裂改造规模；破碎带及天然小尺度裂缝发育区，应减小储层的压裂改造规模。

4 结论

1)研究表明，合水地区延长组地层发育由断层—破碎带—小尺度裂缝组成的复杂断裂系统，因此，鄂尔多斯盆地伊陕斜坡内延长组地层的天然裂缝研究应将断层、破碎带和天然小尺度裂缝作为一个系统来考虑分析，而不应仅针对天然小尺度裂缝进行研究。

2)小尺度裂缝的发育明显受机械层控制，断层、破碎带、小尺度裂缝之间存在着成因联系，而构造曲率可以很好地预测破碎带和小尺度裂缝的发育程度。

3)如何更好地利用超低渗透储层中发育的天然复杂断裂系统，应是今后类似油藏高效开发的一个重要课题。