西湖凹陷西部斜坡带花港组、平湖组储层裂缝发育特征及有效裂缝测井识别

赵志兴, 徐国盛, 赵林海, 张 武, 苗 清

(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.中海石油(中国)有限公司 上海分公司,上海 200030)

东海陆架盆地西湖凹陷作为中国近海油气资源丰富且具有较大勘探潜力的凹陷之一[1-2]，其致密砂岩储层油气资源量巨大，是近年来东海油气勘探开发的主体[3-4]。20世纪70年代以来，对古近系花港组、平湖组致密砂岩气的勘探开发取得重要成果，且在断裂附近裂缝发育带新获高产工业气流，使油气勘探远离断层的传统思想向近断层找裂缝发育带转化[5]。裂缝作为油气运移的通道和油气储集的空间，可提高油气产量，是致密砂岩气稳定高产的关键因素[6]。西湖凹陷西斜坡花港组、平湖组裂缝较为发育，勘探已钻遇裂缝-孔隙型储层。

前人对于西湖凹陷油气地质做过大量研究，且取得了丰富的成果，但对于致密砂岩储层有效裂缝测井识别的研究相对薄弱。因此，本文将展开对西湖凹陷西部斜坡带花港组、平湖组的致密砂岩储层有效裂缝测井识别预测研究，探求该地区的裂缝识别方法，预测裂缝-孔隙型储层分布的层段。

1 区域地质概况

东海陆架盆地处于欧亚板块东南边缘，现今为“东西分带、南北分块”[7-8]的构造格局。西湖凹陷位于东海盆地东北部，属于东海陆架盆地东部拗陷带的次级凹陷[4]。西湖凹陷东邻钓鱼岛褶皱带，西接海礁隆起以及渔山东低隆起，北、南分别与福江凹陷和钓北凹陷相连接，总面积约4.6×105km2，总体构造走向呈北北东向，南北长约460 km，东西宽约100 km。现今西湖凹陷构造格局主要受NNE和NW向两组基底断裂系统的控制，其中NNE向基底断裂造成了凹陷整体呈“两洼夹一隆”的构造形态，而NW向基底断裂则造成了凹陷整体格局[9]。西湖凹陷自西向东为西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹、东部断阶带(图1)。本项研究的目的层位为古近系渐新统花港组和中上始新统平湖组[10-12]。花港组为灰色泥岩与粉细砂岩互层；平湖组为灰-深灰色泥岩与粉砂岩、细砂岩不等厚互层，夹沥青质煤。

图1 西湖凹陷区域构造位置及地层综合柱状图Fig.1 Regional tectonic location and stratigraphic comprehensive histogram in Xihu Sag

2 裂缝发育特征及影响因素

2.1 裂缝发育特征

通过对西湖凹陷西部斜坡带古近系花港组、平湖组致密砂岩储层16口井的岩心裂缝观察(表1)，其中包括75条层理缝(或含有破裂面)、20条构造缝、13条成岩收缩缝及极少量砾缘缝、砾内缝(图2)，表明研究区内主要发育层理缝、构造缝和少量成岩收缩缝，并且成岩收缩缝在泥岩取心段普遍发育，砾缘缝和砾内缝在砾岩和含砾砂岩中广泛发育(图3)。B2、E1、F1井岩心裂缝数分别为15、19、11条，指示裂缝较为发育。

图2 研究区岩心裂缝类型Fig.2 Fracture types in drilling cores in the study area

2.1.1 裂缝类型

按成因分类，研究区岩心观察到的裂缝类型主要为层理缝和构造缝。层理缝是由沉积韵律变化所形成的一种缝隙[13-14]，主要为水平缝和低角度缝(图3-A、B)，是研究区的主要裂缝类型。构造缝可能与局部的构造或断层活动有关[15-16]，研究区的构造缝主要为垂直缝和高角度缝(图3-C、D)。研究区内还发育少量成岩收缩缝和砾缘缝、砾内缝，由于量少且为局部发育，因此在以下的裂缝发育特征分析研究中将其忽略不计。

2.1.2 裂缝产状

通过对研究区16口井(表1)岩心进行观察，可观察到水平缝、垂直缝、低角度斜交缝和高角度斜交缝(表2、图3)。研究区共计95条裂缝(75条层理缝和20条构造缝)，层理缝主要为水平缝和低角度斜交缝，有少量高角度斜交缝(图4)，分别为38、33、4条，占总裂缝的40.0%、34.7%、4.2%；构造缝为高角度斜交缝和垂直缝，分别为15、5条，占总裂缝的15.8%、5.3%。

表1 研究区单井岩心资料及裂缝观察统计结果Table 1 Single well core data and statistics of fracture observation in the study area

表2 裂缝产状分类Table 2 Classification of fracture occurrence

2.1.3 岩心裂缝充填特征

裂缝按其被其他物质充填状况分为未充填缝、半充填缝和充填缝[13]，其中前两者为有效裂缝，对储层有直接影响，后者为无效裂缝，对储层无影响。对研究区岩心进行观察，将裂缝分为充填缝和未充填缝(图3)。

图3 研究区常见裂缝类型照片Fig.3 Photographs showing common crack types in the study area (A)层理缝,未贯穿,浅灰色细砂岩，低角度缝，泥质充填，B3井，深度4 225.74 m; (B)浅灰色细砂岩，多条层理缝，泥炭质充填，水平缝,B2井，深度4 054.26～4 054.20 m; (C)构造缝，浅灰色细砂岩，充填，错断层理缝，高角度缝,E1井，深度4 337.04～4 336.90 m; (D)构造缝，浅灰色细砂岩，未充填，错断层理缝, F1井，深度3 684.63～3 684.36 m; (E)构造缝,浅灰色细砂岩，方解石充填, F1井，深度3 683～3 683.43 m; (F)砾缘缝、砾内缝，含砾砂岩，泥砾发育,B5井， 深度4 400.93～4 400.66 m

图4 研究区岩心裂缝产状分布图Fig.4 Distribution of core fracture occurrence in the study area

研究区的构造裂缝中，充填缝和未充填缝分别为11条、9条，占比分别为55%和45%；层理缝以充填缝为主，有74条充填缝，仅有1条未充填缝，占比分别为98.7%、1.3%(图5)。对充填物类型统计得出：被充填的层理缝中，充填物质以泥质、泥炭质为主，少量裂缝被炭质充填；被充填的构造缝中，充填物质主要为泥质和少量泥炭质、方解石。由于被充填的构造缝数量相对层理缝较少，仅有11条，所以统计结果不具有代表性(图6)。

图5 不同类型岩心裂缝充填特征Fig.5 Filling characteristics of different types of core fractures

图6 不同产状岩心裂缝充填特征Fig.6 Filling characteristics of different types of core occurrences

2.2 裂缝发育影响因素

2.2.1 岩性对裂缝发育的影响

岩性是裂缝发育的基础因素，不同的岩石具有不同的性质(包括岩性、物性以及力学性质等)，不同的性质导致裂缝的发育程度也不同。即使在相同应力场环境下，岩石所含脆性矿物越多，越容易发生破裂，形成裂缝越多，即裂缝密度越高，因此岩性对岩石裂缝发育的影响较大。通过观察岩心得出：层理缝均发育在砂岩中；构造缝大部分发育在砂岩中，仅有1条发育在泥岩中。同样，从成像测井裂缝识别中观察到的构造缝仅有2条发育在泥岩中，其余71条均发育于砂岩中(图7)，所以，砂岩是裂缝发育的主要载体。

图7 研究区砂岩和泥岩中裂缝发育数量统计Fig.7 Statistics of fracture development in sandstone and mudstone in the study area

2.2.2 单层厚度对裂缝发育的影响

单一岩层厚度越小，越容易发生破裂，裂缝密度越高，即岩层越薄，裂缝发育指数越高(裂缝发育指数=有效裂缝发育单层厚度/单层岩性厚度)。由于不同岩性的岩石破裂能力不同，所以裂缝不会贯穿单一岩性的岩层[18-19]。通过对研究区16口单井中识别出的30条裂缝进行统计分析，发现裂缝发育指数与单层厚度存在较好的负相关性(图8)，单一岩层厚度越大，裂缝越不发育，相关系数R=0.903，说明单一岩层厚度是影响研究区裂缝发育的重要因素之一。

图8 单层厚度与裂缝发育指数关系图Fig.8 Relationship between single layer thickness and fracture development index

2.2.3 断裂对裂缝发育的影响

在研究区内，利用13口井的数据进行了单井距断层距离与裂缝发育指数的相关性研究。受断裂发育规模的影响，东部地区裂缝更为发育(表1)。研究发现：在距离断层0～2 km的范围内裂缝发育，且距离越远裂缝发育越少。裂缝发育指数与单井距断层的距离之间存在明显的负相关性(图9)，单井距断层越远，裂缝越不发育，相关系数R=0.853，说明裂缝发育程度明显受断裂影响，单井距断层的距离是裂缝发育的重要影响因素之一。

图9 单井距断层的距离与裂缝发育指数关系图Fig.9 The relationship between the distance of a single well and the fracture development index

2.2.4 地应力对裂缝发育的影响

地层中的构造应力会导致地层发生形变，形变过大会导致地层破裂进而形成裂缝；外界构造应力越大，裂缝的发育程度及分布情况越会随之改变。本文通过差应变实验和古地磁实验对研究区裂缝发育情况受地应力作用的影响进行研究。差应变实验中通过对岩心加压进行不同方向的差应变分析，得到最大与最小主应力在空间的方向；古地磁实验中利用岩心样品测定磁性矿物中的黏滞剩磁特征，确定岩石中最大主应力方向与黏滞剩磁方向的关系，获得了真实地应力方向(表3)。

表3 差应变及古地磁实验结果Table 3 Experiment results of differential strain and paleomagnetics

根据上述实验结果确定了C构造的水平最大主应力大小及方向：水平最大主应力约为110 MPa，方向约为N80°E。以研究区C1井构造为例(图10)，从C1井成像测井资料中发现在深度为4 478～4 480 m之间有2条天然高阻构造缝呈亮色正弦曲线，均发育于泥岩中(GR高值)；通过计算，2条裂缝的走向分别为N95°E与N70°E，与实验得出的水平最大主应力方向基本一致，说明地应力对裂缝发育有重要影响。

图10 C1井构造裂缝识别图Fig.10 Identification diagram of structural fractures in Well C1

3 有效裂缝测井识别预测

有效裂缝为未充填裂缝，无效裂缝/非裂缝为充填裂缝和无裂缝地层[19]。有效裂缝的分布规律控制着油气藏的分布规律，进而影响油气井的产能；因此，准确识别有效裂缝对油气藏的勘探开发具有重要价值。研究区发育的裂缝主要为层理缝和构造缝。层理缝由于被其他物质所充填，裂缝有效性差，因此本文以构造缝为主要研究对象，并取少量层理缝样本数据，进行有效裂缝测井识别预测。选取样本时，裂缝发育段样本和裂缝不发育段样本各选一半，并将选取的样本分为有效裂缝(19条)和无效裂缝或非裂缝(17条)。对2类裂缝的测井数据进行定性分析，预测单井有效裂缝的发育层位，为预测储层分布提供依据。

3.1 交会图法

常规测井方法识别有效裂缝的应用中，电阻率测井(深浅侧向测井、微电阻率测井)、密度测井、声波测井和中子测井这4种方法对识别有效裂缝有较好的效果；因此本文利用测井参数(声波时差、自然伽马、深侧向电阻率及深浅侧向电阻率差的绝对差值等)对研究区36条岩心裂缝进行两两交会做散点图，选出可区分有效裂缝与无效裂缝或非裂缝的测井参数，并划出有效裂缝与无效裂缝或非裂缝的界限，从而达到区分有效裂缝与无效裂缝或非裂缝的目的。

有效裂缝的声波时差值(Δt)主要为61.16～67.52 μs/ft(1 ft=0.304 8 m)，平均值为64.35 μs/ft，变化范围小，分布较稳定；无效裂缝的声波时差值主要为62.42～79.39 μs/ft，平均值为70.34 μs/ft，分布范围较大，分布不稳定：两者有较明显的区别，表明声波时差对区分有效裂缝与无效裂缝或非裂缝效果很好。有效裂缝的GR值(γ)主要为48.31～68.54 API，平均值为59.73 API，变化范围大，分布不稳定；无效裂缝的GR值主要为58.39～79.61 API，平均值为71.36 API，变化范围大，分布不稳定；但两者界限较为明显，表明GR值可以区分部分有效裂缝与无效裂缝或非裂缝。两者的深侧向电阻率(ρd)及深浅侧向电阻率差的绝对差值(|ρd-ρs|)变化范围很大，且无明显边界，表明ρd、|ρd-ρs|对两者的区分效果不明显(图11)。

图11 测井裂缝识别图版Fig.11 Logging fracture identification chart

3.2 定量预测模型

测井响应所受影响因素众多，对于裂缝层段如果受其他因素(如井眼、围岩、钻井液、测量、记录等)影响过大而掩饰了裂缝对测井响应信号的作用，则裂缝的识别就会变得很困难，因此要采用数理统计的方法进行测井裂缝识别研究。本文运用逐步判别法对典型样本进行判别，具体做法是通过多元统计分析软件(SPSS)，对36个裂缝样本的测井参数(其中有效裂缝样本19个，非有效裂缝样本17个)，分别采用Y1、Y2进行标识，使用逐步判别法，通过不断引入新的变量和不断剔除无用变量，最终优选出自然伽马值、声波时差、深侧向电阻率与浅侧向电阻率的差值3个常规测井参数。2种类型样本的判别函数如表4。

表4 分类函数系数Table 4 Classification function coefficient

Y1=1.371γ+4.370 Δt-0.140|ρd-ρs|-181.074

(1)

Y2=1.566γ+4.667 Δt-0.069|ρd-ρs|-213.649

(2)

式中：Y1为有效裂缝判别函数；Y2为无效裂缝和非裂缝判别函数；γ为自然伽马值；Δt为声波时差测井值；|ρd-ρs|为深、浅侧向电阻率差的绝对值。

运用判别函数对研究区36个样本数据进行判别，结果显示判错了5个，回判率为86.1%，表明此方法判别效果良好。

在判别分析识别有效裂缝的基础上，引入“概率因子”进行二次识别，使得最终有效裂缝判别结果既考虑岩性(泥岩)对裂缝识别的影响，也提高裂缝识别的准确性；但只有当有效裂缝判别概率大于0.7时，才能将其判断为有效裂缝。有效、无效裂缝概率判别函数如下:

有效裂缝概率=

(3)

无效裂缝概率=

(4)

计算出研究区36个样本数据的有效/无效裂缝判别概率，并对Y1值与Y2值进行概率学统计，得出如图12所示的概率分布图。图中表明两者具有明显的界限，有效裂缝判别概率值在0.75以上基本为有效裂缝，即最终有效裂缝发育的概率下限为0.75。

图12 研究区裂缝概率分布图Fig.12 Crack probability distribution diagram in the study area

4 预测结果及评价

前文运用定性、半定量的裂缝识别方法(交会图法、概率判别法)对研究区有效裂缝发育层段进行识别，均取得较好的结果。综合考虑研究区岩心、成像裂缝资料，最终确定采用概率判别法对有效裂缝发育层段进行识别预测。综合考虑研究区所有的单井测井资料的完成度，以C1井、C2井和F1井为典型井进行裂缝识别及预测(图13、图14、图15)，其预测结果与实际观测结果吻合度较高。以下仅以C1井为例做解释。

图13 C1井(3 700～4 700 m)有效裂缝综合识别剖面图Fig.13 Comprehensive identification profile of effective fractures in Well C1

图14 C2井(2 800～4 300 m)有效裂缝综合识别剖面图Fig.14 Comprehensive identification profile of effective fractures in Well C2

图15 F1井(3 250～4 150 m)有效裂缝综合识别剖面图Fig.15 Comprehensive identification profile of effective fractures in Well F1

C1井在3 700～4 700 m深度范围内可识别出多条裂缝，其中以平湖组上段(3 731～3 762 m)、中段(4 309～4 335 m、4 365～4 383 m)和下段(4 513～4 555 m、4 587～4 643 m)部分层段为有效裂缝识别效果显著层段。以平湖组下段 4 513～4 555 m深度为例，该层段岩性主要为细-中砂岩和粗-中砂岩，有效裂缝判别值在1左右，远大于有效裂缝发育的概率下限0.75，结合伽马、中子、密度、深侧向和浅侧向等测井参数，综合识别出该层段有效裂缝发育。

5 结 论

a.岩心裂缝观察表明，西湖凹陷花港组、平湖组主要发育层理缝和构造缝；层理缝在研究区广泛分布；构造缝在研究区局部发育且数量相对较少。岩心裂缝主要发育于砂岩中，泥岩中偶见极少量构造缝。层理缝为水平缝和低角度缝，构造缝主要为高角度缝和垂直缝。构造缝中被充填与未充填的数量大致相当，层理缝绝大部分都被充填。充填物以泥炭质为主。

b.岩性对裂缝发育有一定程度的影响，砂岩是裂缝发育的重要载体；裂缝发育指数与单层厚度呈负相关性；裂缝发育指数与单井距断层的距离呈负相关性；裂缝走向与水平最大主应力方向基本一致。

c.常规测井有效裂缝识别方法分交会图法和概率判别法2种。交会图法中，伽马、声波时差等测井参数对研究区有效裂缝与无效裂缝/非裂缝具有一定的区分效果；概率判别法中，通过建立有效裂缝判别函数以及引入“概率因子”对有效裂缝进行二次识别，当有效裂缝概率大于75%时，将其判为有效裂缝，反之为无效裂缝。运用此预测方法，最终确定有效裂缝发育层段为花港组下段和平湖组中下段。