吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储集层裂缝成因及耦合关系

2021-10-30梁成钢谢建勇陈依伟刘娟丽何永清赵军王伟王良哲

新疆石油地质 2021年5期

梁成钢，谢建勇，陈依伟，刘娟丽，何永清，赵军，王伟，王良哲

（中国石油新疆油田分公司吉庆油田作业区，新疆昌吉 831100）

前人主要针对吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩储集层裂缝的主控因素、精细表征及形成期次进行研究，且多是针对单一裂缝，忽略了裂缝之间的相互影响。本文结合野外露头观察、岩心观察、薄片观察、扫描电镜、成像测井、油气运移物理模拟实验、三轴压裂实验等，在识别、表征裂缝的基础上，研究多成因多尺度的裂缝耦合关系，为研究区页岩油开发提供理论依据。

1 研究区概况

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起，面积为1 278 km2，北以吉木萨尔断裂为界与沙奇凸起相接，南以三台断裂为界与阜康断裂带相接，西以青1 井南1 号断裂和西地断裂为界与北三台凸起相邻，东为古西凸起[3]。整体为东高西低的箕状凹陷，地层倾角为3°～5°，断裂不发育，局部发育小型鼻状构造[4]（图1）。

图1 研究区构造位置及芦草沟组裂缝玫瑰花图Fig.1.Tectonic location of the study area and rose diagram of the fractures in Lucaogou formation

准噶尔盆地主要经历了海西运动、印支运动、燕山运动以及喜马拉雅运动[3-6]，吉木萨尔凹陷形成于早二叠世，是准噶尔盆地的大型沉积中心之一[7]，从三角洲相—滨浅湖相逐渐过渡到浅湖相—滨湖相，水体逐渐加深，沉积颗粒逐渐变细[8]。二叠系芦草沟组纹层和层理较发育，生物化石丰富，泥岩干酪根含量较高，生烃能力较强。吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储集层以致密砂质岩和致密白云质岩为主，孔隙度和渗透率均较泥岩高、较砂岩低[9-14]。芦草沟组可以划分为4 段，页岩油主要分布在上甜点芦二段和下甜点芦一段。

2 宏观尺度裂缝成因及耦合关系

野外露头观察是宏观尺度研究裂缝的有效方法之一，选取准噶尔盆地南缘大龙口剖面、小龙口剖面和石长沟剖面进行观察。研究区芦草沟组存在3 组裂缝，其中，北东东—南西西向裂缝分布在凹陷的中部和南部，近南北向裂缝主要分布在凹陷的北部和东部，北北西—南南东向裂缝主要在凹陷中部和东部发育（图1）。根据现场观察的裂缝形态及横切关系判断出裂缝的形成顺序：首先形成近南北向张性裂缝，走向为0°～27°；其次形成北东东—南西西向剪切裂缝，走向为45°～63°；最后形成北北西—南南东向剪切裂缝，走向为317°～345°。

2.1 裂缝野外露头特征

吉木萨尔凹陷大龙口剖面出露芦草沟组上段，地层倾角为70°～80°，发育巨厚黑色油页岩和粉砂质泥岩。构造缝主要为剪切缝和扩张缝（图2a、图2b），围压相对较大时，容易形成剪切缝，其产状较稳定，延伸距离较长，裂缝面见擦痕，常见2 条裂缝呈X 状相交，裂缝尾端常有菱形结环；围压相对较小时，容易形成扩张缝，且越接近地表，扩张缝越易形成，其产状没有构造缝稳定，延伸距离较短，裂缝面粗糙不平，扩张缝在压应力的作用下形成，通常与剪切缝同时出现。此外，层理缝十分发育（图2c、图2d），在地层中广泛分布，沉积时多因成分或结构的差异而成为薄弱带，经过成岩作用进一步差异化和薄弱化，抬升到地表后较易遭受风化剥蚀，裂缝更加清晰。

图2 研究区大龙口剖面芦草沟组裂缝野外露头Fig.2.Outcropped fractures in Lucaogou formation on Dalongkou section in the study area

2.2 油气运移物理模拟实验

物理模拟实验是研究油气成藏机理的重要手段之一，能清晰再现油气运移过程进而分析油气成藏机理。采用中国石油大学（北京）非常规研究院油气成藏与富集模拟实验室的构造变形与油气运移物理模拟实验装置。基于研究区层理缝大量发育且构造缝发育较少的实际情况设计了实验物理模型（图3a），模型中层设置注油口，用以模拟烃源岩，上层和下层均为致密储集层。模型上层左侧发育层理缝，右侧发育构造缝，构造缝沟通了层理缝与烃源岩；模型下层只发育层理缝。用煤油模拟页岩油，将煤油从注油口注入，用以模拟生烃过程，烃源岩中充满煤油后，煤油向上、下两层的致密储集层运移，对比分析不同裂缝发育区页岩油的成藏效果（图3b—图3e）。

图3 油气运移物理模拟实验各阶段不同裂缝发育区页岩油分布特征Fig.3.Shale oil distribution in different zones with developed fractures at different stages of physical simulation experiment

根据实验结果可知，层理缝和构造缝对页岩油成藏，尤其是对页岩油充注效率以及储集层含油饱和度的影响较大，模型可划分为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区共3个区域（图3e）。Ⅰ区为构造缝与层理缝的耦合区域，两者分别作为油气的横向运移通道和纵向运移通道，还可以提供大量油气储集空间，两者的耦合作用可大幅提高原油充注效率和储集层含油饱和度。Ⅱ区只发育构造缝，原油充注到构造缝内，再向周围的致密储集层充注，原油可长距离运移，距离构造缝近的储集层含油饱和度较高，距离构造缝远的储集层含油饱和度较低，成藏效果较Ⅰ区差。Ⅲ区只发育层理缝，由于致密储集层紧邻烃源岩层，其出现油迹的时间较早，但两者压差较大，且没有构造缝的沟通，原油很难进行长距离运移，只能在致密储集层中弥漫式面状充注，因此，即使此区域发育大量层理缝，充注效果较其他区域差。

3 中观尺度裂缝成因及耦合关系

中观尺度的裂缝又称为岩心尺度裂缝，裂缝长度一般在米级以下[15]。通过对研究区11 口井开展岩心观察以及测井资料解释，统计裂缝条数为778 条，其中，层理缝622 条，构造缝156 条。以开度小于1 mm的裂缝为主，层理缝线密度约2 条/m，构造缝线密度均小于1条/m。

混凝土自身对局部现浇强度的影响体现为混凝土自身的强度以及混凝土的收缩徐变[10].现浇混凝土宜选用与预制墩柱相同强度的混凝土，以使二者有良好的相容性.现浇混凝土在初期一般与预制节段之间会有很好的黏结性能，但是随着现浇混凝土收缩，会导致接触界面上的应变逐渐增大，致使黏结发生破坏，所以对于现浇混凝土宜选用收缩小的材料，以保证局部现浇段在后期有良好的黏结性能.

3.1 岩心与成像测井资料识别裂缝特征

成像测井能够反映地层中较大范围的裂缝，连续性强且清晰度高。研究区吉176 井二叠系芦草沟组取心井段为3 130.91—3 131.74 m，岩心长0.83 m，从上到下发育深灰色泥岩、灰色灰质泥岩、深灰色灰质粉砂岩和灰色泥灰岩。灰质粉砂岩中发育3 条高角度裂缝，缝宽1～2 mm，缝长0.2～0.8 cm，裂缝面较平整，未充填脉体，未见溶孔。成像测井显示在泥岩中出现层理缝及直劈缝特征，与岩心中高角度直劈缝对应性较好。

3.2 三轴压裂实验

岩石具有典型的各向异性特征，平行层理面方向性质相近，垂直层理面方向性质差异较大[16]。当最大主应力方向与层理面平行时，层理面两侧形成的扩张应力使其开裂形成层理缝，还会产生低角度剪切构造缝，追踪层理缝；当最大主应力方向与层理面垂直时，产生高角度构造缝，当裂缝开裂至层理面时，应力顺层理面释放并产生层理缝。分别在平行层理面和垂直层理面方向取心，使最大主应力方向分别平行和垂直于岩心层理面进行三轴压裂实验。得到岩石的应力—应变曲线，确定各种裂缝产生的临界条件，得到岩石的弹性模量、泊松比、破裂强度等参数，明确层理缝与构造缝的成因与耦合模式。

平行层理面方向岩心随着轴向挤压应力的增大，轴向应变和径向应变不断增大，曲线连续大幅度上升，轴向挤压应力增大至261 MPa（A点），岩心的承载能力达到峰值，应力—应变曲线转折，应变出现波动，说明岩心内部结构开始发生破坏，微裂缝进入扩展阶段。从A点到B点，轴向挤压应力从261 MPa减至258 MPa，轴向应变从1.16增至1.22，径向应变从0.40增至0.55，应力下降幅度小，岩心形变程度低，应力—应变曲线出现负刚度现象，岩心承载能力小幅下降，说明岩心局部发生破裂产生微裂缝，裂缝规模小，没有相互贯通。从B点开始曲线呈断崖式下跌，轴向挤压应力从258 MPa减小至92 MPa，轴向应变从1.22 增至1.40，径向应变从0.55 增至1.10，说明大量微裂缝相互贯通形成了贯穿岩心的裂缝，总体来看只发生了1 期宏观破裂（图4a）。由岩心中层理缝和构造缝的形成机制可知，当层理发育的岩心受到平行层理面方向的挤压应力时，会在岩层薄弱面的层理面两侧形成扩张应力，导致层理面开裂形成层理缝，同时会产生追踪层理缝的低角度剪切构造缝，形成裂缝期次少、以层理缝为主的裂缝系统（图4b、图4c）。

图4 研究区芦草沟组平行层理面方向岩心三轴压裂实验结果及裂缝形成机制Fig.4.Results of triaxial fracturing experiment in the direction parallel to beddings and fracture forming mechanism of Lucaogou formation core in the study area

垂直层理面方向岩心随着轴向挤压应力的增大，轴向应变和径向应变不断增大，曲线连续大幅度上升，轴向挤压应力增至232 MPa（A点），岩心的承载能力达到峰值，曲线呈断崖式下降，轴向挤压应力减至223 MPa（B点），曲线再次出现断崖式下降，轴向挤压应力减至204 MPa（C点），曲线出现第3 次断崖式下降，应力减至16 MPa。表明在A点、B点和C点，岩心都发生了宏观破裂，产生了裂缝，应力得到释放后应力值减小，因此，推断实验过程中岩心发生3 期大型破裂，形成3期裂缝（图5a）。

图5 研究区芦草沟组垂直层理面方向岩心三轴压裂实验结果及裂缝形成机制Fig.5.Results of triaxial fracturing experiment in the direction vertical to beddings and fracture forming mechanism of Lucaogou formation core in the study area

观察岩心可知，垂直层理面方向岩心在轴向挤压应力作用下，首先产生夹角小于90°的X 形构造裂缝趋势，由于应力垂直于层理面，层理面不会破裂形成层理缝。随着挤压应力增大，具有X 形构造裂缝趋势的区域容易发生破裂形成构造缝，但往往只显现其中一组（显剪切缝）。随后构造应力沿剪切缝传递至相对薄弱的层理面时，应力转向沿相对薄弱的层理面传递，导致层理面破裂形成层理缝。最终形成裂缝期次多、构造缝与层理缝相互连通的裂缝系统（图5b、图5c）。

根据三轴压裂实验可知，在平行层理面方向挤压应力作用下，层理发育区易形成以层理缝和低角度构造缝为主的相对简单的裂缝网络系统，裂缝形成期次少，裂缝系统连通性差；在垂直层理面方向挤压应力作用下，层理发育区易形成以中—高角度构造缝与层理缝构成的复杂网络系统，裂缝形成期次多，裂缝系统连通性好（图6）。

图6 研究区芦草沟组层理发育区裂缝形成模式Fig.6.Fracture forming model in the bedding development zone of Lucaogou formation in the study area

4 微观尺度裂缝成因及耦合关系

4.1 裂缝发育特征

微观尺度裂缝通常长度小于0.05 mm，开度小于40 μm[15]。由于非常细小，必须借助扫描电镜、偏光显微镜等对其进行研究。微观尺度的构造缝一般由小规模的构造运动产生，或者距发生大规模构造运动的区域较远，延伸性好，部分可切穿岩石颗粒，可与其他裂缝沟通形成裂缝网，进而提高页岩储集层的渗透率[17]。观察研究区微裂缝可知，构造缝较平直，开度小于10 μm，部分切穿层理，且多数构造缝都被方解石、石英、白云石、泥质等充填（图7a、图7b）。利用扫描电镜观察构造缝可知，构造缝缝面较平直，断面呈锯齿状，开度变化不一。石英、长石等脆性较高的矿物容易产生构造缝，而黏土矿物等脆性较低的矿物不易产生构造缝。

微观尺度的层理缝通常发育在层理面附近，且与层理面近平行，多数层理面都是岩层的薄弱面，若受到的应力超过其破裂极限时，层理面发生错动形成剪切缝；若受到储集层内部的压力时（如有机质生烃导致储集层压力升高），压力会优先沿层理面释放，使层理面张开形成扩张缝，因此，在页岩储集层中，纹层发育的层段往往容易发育层理缝。镜下观察吉251 井薄片可知，层理缝通常一头较宽，向另一头逐渐尖灭，部分层理缝绕过矿物颗粒（图7c、图7d）。层理缝开度一般小于5 μm，长度变化较大，为0.10～10.00 mm。多数层理缝易被石英、长石、方解石等矿物充填，充填程度可达80%。

图7 研究区芦草沟组微观裂缝特征Fig.7.Microscopic fracture characteristics in Lucaogou formation in the study area

4.2 岩石破裂过程

根据岩石力学变形特点，将岩石的变形破裂过程分为5 个阶段（图8）。OA段为弹性变形阶段，曲线略向下凹，应力增加缓慢，岩石的孔隙和微裂缝因外界应力的挤压而闭合，产生非线性变形，若卸载应力，岩石的内部结构可恢复原状。AB段为弹性变形阶段，曲线可近似看作直线，应力增大至一定程度产生应变，应变与应力呈线性相关，若卸载应力，岩石可恢复原状。BC段为塑性变形阶段，随着应力增大，岩石内部开始产生新的微裂缝，裂缝的延伸方向平行于最大主应力方向。CD段应力持续增大，岩石内部形成大量微裂缝，D点对应的应力为岩石的破裂应力，岩石开始产生宏观破裂。DE段大量宏观裂缝产生，表现出应变软化特征。

图8 典型应力—应变曲线（据文献［18］修改）Fig.8.Typical stress⁃strain curve(modified from Reference[18])

微裂缝具有结构简单、壁面光滑的特点，能够增强低渗透储集层的渗透能力。前人研究表明，鄂尔多斯盆地延长组储集层微裂缝孔隙度仅为基质孔隙度的2.74%，而微裂缝渗透率却是基质渗透率的12.15 倍[19]。因此，微裂缝是决定致密储集层渗透率的关键因素，通常微裂缝数量越多，储集层渗透率越高。由于钻井很难获得微裂缝岩心，本文通过三轴压裂实验制造富含微裂缝的岩心以研究其特性，并用渗透率表征微裂缝的发育情况。采用压力脉冲衰减法测量渗透率，测试介质为氮气，适合测量超低渗岩心，测量稳定时间长。

从吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储集层同一块全直径岩心上取6 块样品，平行层理面方向钻取3 块样品，编号分别为h1、h2 和h3；垂直层理面方向钻取3 块样品，编号分别为v1、v2和v3。测量上述6块样品的初始渗透率，设定围压为10 MPa，开展三轴压裂实验。参照前文三轴压裂实验中岩心产生宏观裂缝时对应的破裂压力，将应力加载到210 MPa 时停止实验，此时样品并未发生宏观破裂。再次测量样品渗透率，将实验后渗透率和原始渗透率进行对比。

由表1 可知，平行层理面方向样品的原始渗透率普遍高于垂直层理面方向。通过三轴压裂实验进行人工造缝后，垂直层理面方向样品的渗透率明显升高，平行层理面方向样品的渗透率升高不显著。根据前文中岩石宏观破裂特征可知，垂直层理面方向样品更易形成复杂的宏观裂缝网络，微观裂缝也遵循相同的规律。因此，垂直层理面方向样品的渗透率之所以升高更显著，主要是因为后期人造微构造缝与岩心层理面开裂形成的微层理缝相互耦合，形成了复杂的微裂缝网络。当储集层受到平行层理面方向的挤压应力时，产生的微裂缝少且连通性差，微构造缝与微层理缝的平行耦合对储集层渗透率的提升无显著影响；当储集层受到垂直层理面方向的挤压应力时，产生的微裂缝多且连通性好，微构造缝与微层理缝的垂直耦合可使储集层渗透率明显升高。

表1 研究区芦草沟组平行和垂直层理面方向岩心样品渗透率变化Table 1.Changes of core permeability in directions parallel and vertical to beddings in Lucaogou formation in the study area