鄂尔多斯盆地西部古峰庄地区三叠系延长组长7—长9段裂缝特征及油气意义

郭 惠，赵红格，李 莹，雷琳琳，汪 建，李 俊，邵晓州

1.西北大学 地质学系，西安 710069；2.西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安 710069；3.中国石油 长庆油田公司 勘探开发研究院，西安 710021；4.中国石油集团测井有限公司 测井地质研究院，西安 710077

鄂尔多斯盆地三叠系延长组作为重要含油层系，以致密性储层为特色，油气勘探素有“磨刀石上找油”之称，天然裂缝的广泛发育对油气成藏意义重大[1-10]。研究表明，裂缝对前期石油勘探评价和后期注水开发、井网部署以及相关技术政策的制定非常重要，尤其是裂缝的分布规律和活动期次一直是油藏勘探开发关注的重点[5-16]。目前，国内外油气勘探开发中裂缝的研究方法主要有野外观测、岩心描述、成像测井、古地磁、岩石声发射、裂缝充填物碳—氧同位素、流体包裹体等方法[12-20]。随着勘探程度的加深，三维地震属性、蚂蚁体分析和构造应力场数值模拟等分析方法得到了广泛运用[21-25]，多种方法的综合运用已成为限定裂缝特征、分布规律、期次和成因研究的发展趋势。我国裂缝性油藏分布非常广泛，裂缝对油藏，尤其是对致密油藏储层性能的改善、油藏开发方案的制定和产量的提高具有重要作用。在鄂尔多斯盆地姬塬、陇东、安塞等地区勘探中取得了非常显著的实际应用效果[2-5,7-12,23]；另外，一些裂缝发育的井会出现初产高—降产快、低产、产水，或在油田注水开发中出现油井暴性水淹、部分注水不见效等不理想的状况[1,5,7,9,15]。由此可见，天然裂缝特征的研究依然是裂缝性油藏开发的关键，仍需继续深入研究。

目前为止，前人已对鄂尔多斯盆地姬塬、陇东、镇泾以及陕北等地区延长组裂缝发育特征做了大量研究[1-3,7-8,12-15,24-26]，认为延长组主要发育NEE、NE、NW和NWW向4组优势裂缝，裂缝活动时期主要为印支期、燕山期和喜马拉雅期3期，并指出裂缝的存在是低渗透、致密储层中油气运移重要渗流通道，对储层的连通性和渗透性至关重要，其发育特征及分布规律对石油的富集和开发具有重要作用，这些认识为盆地裂缝研究和油气勘探奠定了良好的基础。古峰庄地区是近年来鄂尔多斯盆地西缘增储上产的重要区域，属油气勘探新区(图1)，钻井、测井资料揭示延长组天然裂缝较为发育，而前人对该地区裂缝研究的成果较少，对其不同层段裂缝特征、分布规律和活动时期认识不清，进而制约着该区的油气勘探。随着该区油气勘探层系从延长组浅层向长7、长8、长9段等深层系转移，F2、Y293、F21、F34等井取得了显著的勘探成效，长8、长9油层组相继获得20 t/d以上的高产工业油流，特别是F21、F34井长9段获121.72 t/d、56.27 t/d高产工业油流，表明该区延长组深层系油气资源丰富，勘探潜力巨大，迫切需要对深层系油藏形成的主控因素展开探讨。

本文通过岩心、成像测井、裂缝充填物碳—氧同位素、流体包裹体和岩石声发射实验，并结合构造应力和断裂活动，对该区长7—长9段储层天然构造裂缝特征、分布规律、形成期次及成因展开研究，探讨裂缝与油藏之间的关系，为研究区延长组深层系油气勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地中生代延长期是盆地富烃凹陷的发育阶段，盆地周围水系发育较多，形成了向盆地中心发育的一系列河湖三角洲相，湖盆中沉积物以湖泊体系为主，自下而上依次为河流中—粗砂岩沉积、河流—三角洲及湖泊为主砂泥互层沉积、河流相砂泥岩沉积[27]。由于长9、长8段发育于湖盆初扩张期，水体较浅，以三角洲前缘沉积为主。长9段分上下两段，在盆地边缘下段为一套厚层状中细粒长石砂岩夹灰绿色—深灰色泥岩，上段为深灰色泥岩、碳质泥岩夹油页岩夹薄层粉细砂岩。长8段，盆地绝大部分区域由上、下两套巨厚层河流相和三角洲平原亚相浅灰色灰质中砂岩—细砂岩韵律层组成，层理构造发育；主要为灰色中细粒长石石英砂岩、泥质砂岩，夹薄层泥岩以及暗色泥岩。长7段，是湖盆发展演化的鼎盛时期，全区湖水伸展范围最大，以浅湖—深湖相沉积为主。中上部为暗色泥岩、油页岩、夹薄层粉—细砂岩，下部为薄层砂岩与暗色泥岩。灰黑色泥页岩和油页岩为延长组的主要生油岩[7]。

古峰庄地区行政隶属宁夏盐池县青山乡，构造上位于鄂尔多斯盆地天环坳陷西北部，西邻西缘逆冲带，地质条件相对复杂，断层发育。近年来钻井成果表明，该地区延长组油气资源丰富，具有多层系及小而富的成藏特点(图1)。

2 裂缝发育特征

构造裂缝的发育和分布对油气成藏和产能高低具有显著的作用[24-26]。本文以古峰庄地区延长组13口岩心观察井、18口成像测井资料、13口井碳氧同位素分析、3口井包裹体测试及2口井岩石声发射分析为依据，对天然构造裂缝发育特征、分布和形成期次展开了深入研究。

2.1 岩心裂缝特征

从13口长7—长9段钻井岩心(图2a-e)中普遍可见特征不同的裂缝。按照力学成因，裂缝类型以剪切裂缝为主，部分为张裂缝。岩心裂缝以垂直裂缝和高角度裂缝为主，裂缝纵向延伸长短不一，最短为3 cm，最大可达90 cm。裂缝部分充填方解石脉体(图2a，e)，脉体宽度可达0.5 cm，长度可达1.1 m，部分脉体中可见油迹；裂缝面多平直，可见多条不规则裂缝相互穿插和少量构造擦痕(图2d)，表明裂缝具有多期性。扫描电镜观察分析表明，层状有机质、砂质纹层和矿物颗粒内均可形成微裂缝(图2f-g)，开度在40 μm内，虽然裂缝面和裂缝之间有少量自生矿物和黏土矿物充填，但裂缝仍以半充填—未充填为主，具有较高有效性。

岩心观察和成像测井统计表明(图3)，裂缝充填程度主要为未充填和半充填，占裂缝总数的59%以上，表明裂缝有效性较高。其次为方解石全充填，沥青、泥质充填较少。裂缝面和部分脉体中可见油斑、油迹及油侵等明显油气运移的痕迹，F21井长8段包裹体片荧光照射，微裂缝荧光颜色为棕红色，是油气成熟度和油气沿裂缝运移的重要指证(图2h)。以上现象证明了裂缝不仅仅是油气运移的良好通道，也是油气储集的空间。

2.2 裂缝分布特征

2.2.1 成像测井裂缝表征

通过对研究区18口成像测井长7—长9段天然裂缝的特征分析和统计(图4)，筛选出长9段206条、长8段407条、长7段574条，共计1 187条天然裂缝(图5)。裂缝以长7段最发育，其次为长8段、长9段，充填程度以开启(未充填)裂缝为主，占80%以上。闭合(充填)裂缝图像上呈亮色高阻正(余)弦曲线，如F34井长7段2 334.2 m、F21井长9段2 485.9 m处各发育一条NEE向高角度闭合裂缝。开启(未充填)裂缝图像上呈暗色高导正(余)弦曲线，如F34井长7段、F21井长8段、长9段以NEE、NE向高角度开启裂缝。以统计学方法统计钻井岩心和成像测井中不同岩性、岩层厚度中裂缝发育程度，表明裂缝在细砂岩和泥质粉砂岩中大量发育，岩层厚度越薄，裂缝越发育。

2.2.2 裂缝纵向分布特征

根据成像测井分析结果绘制研究区长7—长9段相应的走向玫瑰花图和倾角直方图(图5)。长7—长9段各层天然裂缝平均走向为73.47°～72.05°，走向主体为NEE向，其次为NE向，少量的NWW、NW向。自下而上不同段裂缝走向分布稍有差异，长9段除了NEE优势方向之外，还发育NWW、NE向裂缝，长7段、长8段优势裂缝分布特征相似，都以NEE为主，NE向次之，此外，长7段NWW向较长8段发育。研究区天然裂缝走向整体以NEE向为优势方位。

根据王允诚[28]裂缝倾角分类，对研究区长7—长9段各层裂缝进行了分类，绘制裂缝倾角直方图(图5)。裂缝倾角主要有45°～75°和75°～90°两个峰值，表明裂缝以高角度裂缝(42.6%)和垂直裂缝(53.6%)为主，低角度裂缝欠发育(3.8%)，水平裂缝基本不发育。长7段与长9段裂缝倾角特征相似，以垂直裂缝和高角度裂缝为主；长8段以垂直裂缝为主。

2.2.3 裂缝平面分布特征

裂缝平面分布特征是确定裂缝活动时期和成因的重要依据。通过对不同钻井长7—长9段裂缝走向进行统计，编制单井裂缝走向平面分布图，可直观分析裂缝平面特征(图6a-c)，古峰庄地区长7—长9段天然裂缝平面走向与其纵向分布特征基本吻合，主体以NEE为主，NE向次之，少量NW、NWW向。Y156井以近SN向为主。长9段裂缝与长8段相似，以NEE、NE向为主，NWW、NW次之，局部近SN向；长7段裂缝方向较长8、长9段方向变化大，呈现出多方向趋势，以NEE、NE向为主，NWW、NNE次之外，NNW、NW以及近SN向裂缝增多。裂缝走向由南部向北部逐渐由NEE向NNE偏移，这可能受到38°南北构造带的影响。综合分析表明，该区裂缝发育具有多期性。

通过长7—长9裂缝与断裂叠合图分析(图6d)，裂缝在断裂附近和断裂交会处最发育。如F23井、Y226井距离断裂最近，裂缝发育密度最高；Y226井、Y373井、F53井距离断裂近且靠近NEE向断裂，裂缝不仅发育，其展布方向的变化也增多；裂缝走向与断裂的方向整体有较好的一致性，如NEE、NE向裂缝与NEE向断裂方向一致；NW(Y76井长7段)、NWW向裂缝与NW向断裂方向一致；Y156井位于西缘近SN向断裂带，裂缝发育NNW向与近SN向断裂方向一致。裂缝主体走向与NEE向断裂方向一致或微角度斜交，NEE向裂缝与NEE向断裂可能具有同期性。

由长7—长9段裂缝线密度分布(图6d)可知，裂缝发育程度高的区域都集中在古峰庄中部及北部，向南部裂缝发育程度减弱，裂缝平面发育区与断裂分布区较吻合。总体裂缝高密度区沿NEE向断裂展布，NEE向断裂对裂缝的影响可能更强，可能是断裂通过控制其附近的局部构造应力的分布影响着裂缝的分布。Y156、Y189井位于NEE向断裂和近SN向断裂交会处，紧邻西缘逆冲断裂带，由于西缘逆冲带变形强度大，裂缝发育处于裂缝欠发育和裂缝极发育破碎带的状态，造成Y156、Y189井裂缝发育程度较低。

3 裂缝形成期次划分与成因分析

钻井岩心和成像测井资料分析表明裂缝具有多期性，结合裂缝充填物碳—氧同位素分析、裂缝充填物流体包裹体分析、岩石声发射实验对裂缝形成期次进行划分，并结合区域构造应力和断裂活动展开裂缝成因探讨。

3.1 裂缝期次划分

3.1.1 裂缝切割关系

从岩心观察分析，裂缝为多期形成。依据为：(1)早期形成的裂缝会限制晚期裂缝发育，(2)晚期形成的裂缝会错断早期裂缝，(3)裂缝充填与不充填，未充填的裂缝形成时间较晚[15,30]。如图2d中，Y120井长9段裂缝①被裂缝②错断，裂缝①早于裂缝②；Y156井长7段(图2b)、Y125井长8段(图2c)、Y120井长9段(图2e)裂缝未充填，F34井长7段(图2a)、Y120井长9段(图2d)裂缝充填方解石脉体，未充填裂缝形成时间晚于充填裂缝。由此可得古峰庄地区裂缝至少存在 3 个形成期次。

3.1.2 裂缝充填物碳—氧同位素分析

裂缝中方解石充填物形成时期是判断裂缝期次的常用方法[15-18,30]。选取研究区21件岩心裂缝方解石脉体充填物样品，对其进行碳—氧稳定同位素测试分析。据氧同位素值分布可将样品分为4个区，所对应的氧同位素平均值分别是-15.75‰，-17.5‰，-18.73‰，-21.65‰(图7a)。根据EPSTEIN[29]提出的氧测温方程式，可计算出裂缝的形成温度，再将形成温度与埋藏深度公式[16]折算，估算出裂缝形成的埋深深度，然后结合该区埋藏—热演化史，就可探讨裂缝的形成期次。氧测温方程式：

t=31.9-5.55(δ18O-δ18Ow)+0.7(δ18O-δ18Ow)2

(1)

式中:t为裂缝充填脉体的形成温度，℃；δ18O为测定样品的氧同位素值，‰；δ18Ow为地层水介质的氧同位素值，‰。

古峰庄地区延长组属于湖相—河流沉积体系的湖水环境，一般地层水介质的氧同位素值为-10‰[15]。根据测温方程式计算裂缝的形成温度分别为87，113，131，161 ℃。161 ℃为非正常地层埋藏温度，可能记录的是早白垩世发生的异常热事件和基底热液活动[31-34]，故忽略不计。取古地表平均温度20 ℃，古地温梯度平均值4.0 ℃/km[31]，进行裂缝形成时的埋深折算，得裂缝形成时的埋深深度分别为1 675，2 338，2 785 m。结合该区埋藏—热演化史(图7c)，裂缝形成时期分别为晚侏罗世晚期、早白垩世早期和早白垩世晚期。

3.1.3裂缝充填物包裹体分析

裂缝充填物流体包裹体是研究裂缝形成时间的有效手段[14-16,35]。通过测定裂缝充填物流体包裹体的均一温度，将均一温度与埋藏深度公式[16]折算，结合埋藏史，可推断出裂缝的形成时期。

本次对研究区F34、Y155井长7段和Y120井长9段岩心样品展开裂缝充填包裹体分析，测得38个与油包裹体伴生的盐水包裹体均一温度值，并绘制了包裹体均一温度柱状图(图7b)，得90～100℃、120～130℃两个峰值。将均一温度峰值90～100 ℃、120～130 ℃与埋藏深度换算公式折算，取古地表平均温度20 ℃，古地温梯度4.0 ℃/hm[31]，计算得捕获流体包裹体深度分别为1 750～2 000 m、2 500～2 750 m，结合埋藏—热演化史(图7c)，可知90～100 ℃峰值对应140～132 Ma，为早白垩世早期；120～130 ℃峰值对应112～104 Ma，为早白垩世晚期，即裂缝活动时期具有早白垩世早期和早白垩世晚期两期。流体包裹体均一温度与埋藏深度换算公式为：

H=(T-T0)/G×100

(2)

式中：H为捕获包裹体时的深度，m；T为测定的包裹体均一温度，℃；T0为包裹体形成时的地表温度，℃；G为古地温梯度，℃/hm。

3.1.4 岩石声发射实验

地层中的岩石对所受的古地应力具有记忆，当再次受到应力或受到的应力值超过历史古应力值时，岩石会产生 Kaiser 效应点，这些点与地质历史时期时岩石破裂的期次相对应，此时Kaiser效应点便是岩石当时的破裂期次[16-19]。邵晓州等[15]通过对古峰庄地区Yu3、F34井长 8段岩心样品进行岩石声发射实验，分析了岩石的破裂期次。根据测试实验数据，建立的加载时间和声发射特征参数关系分析(图8)，声发射曲线有3～4个Kaiser效应点。由此推断古峰庄地区裂缝发育期次至少存在3期。

3.2 裂缝成因探讨

裂缝的形成与断裂和构造活动密切相关[34-36]。依据前人研究[37-44]，研究区中、新生代主要受到印支期近SN向、燕山期近EW向、喜马拉雅期NE-SW向3期构造应力影响。同时根据地震切片(图8a)和地震剖面(图8b)分析，认为古峰庄地区断裂活动具有多期性，NW向、近SN向和NEE向断裂主要形成时期分别为晚三叠世、晚侏罗世、早白垩世以来，分别对应印支期、燕山期和喜马拉雅期三期构造运动。

印支期(晚三叠世)在扬子板块与华北板块自东向西碰撞下，研究区区域主应力方向为近SN向，导致NW向基底断裂重新活动，发生左旋走滑，形成NW向雁列式张剪断裂，并伴生了少量NW向裂缝(图10)。燕山期(晚侏罗世)受特提斯域洋闭合、拉萨块体向西北的挤压和古太平洋构造域板块俯冲共同作用，研究区整体处于近东西向构造挤压应力背景之下。研究区西缘逆冲推覆构造带强烈活动，产生了近SN向逆冲断裂(图9)，并形成近SN向、NWW向及部分NEE向裂缝。喜马拉雅期在印度—欧亚板块碰撞和青藏高原快速隆升的远程效应强烈影响下，研究区处于NE—SW向挤压应力环境，且NEE、NE向裂缝是研究区最主要的裂缝，与研究区NEE向断裂活动相关，在构造应力作用下，形成NEE、NE向裂缝(图9)。

综合岩心、成像测井、裂缝充填物碳—氧同位素和包裹体、岩石声发射以及构造应力和断裂活动分析，认为古峰庄地区长7—长9段裂缝活动期次具有印支期、燕山期和喜马拉雅期3个期次，主要活动时期为燕山期和喜马拉雅期。

4 裂缝与油藏的关系

4.1 裂缝改善了储层性能

古峰庄地区油藏分布于整个延长组，平面上呈多油层叠合发育，纵向上呈串珠状，储层孔隙结构差、渗透率相对较低、砂体整体致密，属典型的低渗透储层[45-46]。前文研究表明研究区长7—长9段裂缝发育，且未充填的垂直裂缝和高角度裂缝广泛发育，有效性高；通过大量储层物性数据统计分析表明，裂缝发育段储层孔隙度、渗透率比裂缝不发育段明显提高(表1)。以长9段为例，F21井裂缝不发育段(2 450～2 454 m)平均孔隙度为12.45%，平均渗透率为1.68×10-3μm2，2 456～2 460 m裂缝发育密度为0.5条/m，平均孔隙度为15.55%，平均渗透率为6.59×10-3μm2；Y373井2 501～2 509 m裂缝不发育，平均孔隙度为9.34%，平均渗透率为0.24×10-3μm2；2 518～2 533 m段裂缝发育密度为0.26条/m，平均孔隙度为13.98%，平均渗透率为1.40×10-3μm2。可见有效性裂缝的发育对改善低渗透储层物性具有一定的作用。

4.2 裂缝活动对石油成藏的作用

前文研究表明，研究区长7—长9段裂缝发育，岩心裂缝见油侵、油迹、油斑等不同级别石油运移后保留的明显痕迹；裂缝充填物包裹体测试表明，裂缝内存在油气包裹体，特别是方解石脉体中可见烃类包裹体，证实了裂缝沟通源储，是石油运移的重要通道；裂缝活动时期与石油大规模排烃、运移—成藏期密切相关[3,7,46]。

通过钻井裂缝与油气显示分析(图6，表1)，裂缝对改善储层物性和油气成藏具有重要作用，但不同井裂缝发育段油气显示变化较大，可能与裂缝的活动时期和有效性相关。研究区延长组裂缝长度主要分布在0.20 m以内，占88.1%[15]，这类裂缝主要起到改善储层物性和为油气聚集成藏提供储集空间的作用；大于0.20 m的裂缝占11.9%，最长裂缝达1.71 m[15]，这类裂缝延伸长度较大，在垂向上能沟通上下地层，有利于延长组油气垂向上向更远的储层运移成藏；或使已经形成的油气沿着裂缝/断裂向上逸散，或在延长组上部层位和延安组再次成藏；或造成穿层，沟通底水，底水快速突进，造成水淹。以F34、Y377井长9段为例，F34井产油层上部2 469～2 476 m段依次发育长为0.2 m的NEE向垂直开启裂缝、0.35 m的NW向高角度开启裂缝和0.55 m的NEE向垂直开启裂缝，裂缝发育密度为0.43条/m。根据前述裂缝期次和成因分析，其形成于印支期和燕山期，改善了储层性能并有助于成藏，在该位置测试求产获56.27 t/d的高产工业油流(图10a)；Y377井测井解释2 514～2 518 m为油水同层，在其上部2 502～2 504 m处依次发育长为0.5 m的NE向垂直开启裂缝、0.35 m的NEE向垂直开启裂缝和1.2 m的NE向垂直开启裂缝，裂缝发育密度为0.25条/m，平均孔隙度为11.69%，平均渗透率0.64×10-3μm2，但试油结果为产水。根据裂缝期次和成因分析，裂缝主要形成于喜马拉雅期，不利于油气保存导致油气逸散(图10b)。

由此可见，印支期、燕山期和喜马拉雅期3期有效性裂缝对油藏的控制作用不尽相同。印支期裂缝发育早、数量少，在一定程度上改善了储层性能。燕山期裂缝大量发育，与长7段烃源岩大规模排烃期一致，促进了生成的油气沿裂缝垂向运移至长7段和下部储层合适位置聚集成藏，同时裂缝使其物性进一步变好，形成长7、长8、长9段等多层系油藏。喜马拉雅期裂缝活动对已形成的油藏具有后期调整或破坏作用，使得已经形成的油气沿着裂缝/断裂向上逸散，或在延长组上部层位和延安组再次成藏。可见，裂缝发育特征和活动时期对油气运移、聚集成藏和改造具有重要作用。

需要注意的是，研究区邻近西缘逆冲带，构造复杂，断层发育，砂体、构造位置、断层也是控制油气运移和聚集的重要因素，裂缝并不是唯一的成藏控制因素。因此，在今后的勘探开发中，应综合考虑岩性、构造位置、断裂、裂缝等因素，不断深化它们对油气成藏的作用研究，才能实现深层系油气勘探在复杂构造区获得更大突破。

此外，岩心裂缝、裂缝充填物碳—氧同位素和流体包裹体分析裂缝期次中，由于样品在成像测井段无该样品裂缝信息以及在采样过程中未测量该裂缝走向，成为本文裂缝期次研究的遗憾和不足，希望在今后的研究工作中各位研究者们能够重视该方面的研究。

5 结论

(1)古峰庄地区三叠系延长组长7—长9段天然裂缝发育，以长7段最发育，长9段较少；裂缝以高角度和垂直缝为主，走向以NEE向为主，NE向次之，少量NW和NWW向；裂缝面较平直，可见明显过油痕迹；裂缝以未充填和半充填为主，有效性高。

(2)根据钻井岩心观察、成像测井、裂缝充填物碳—氧同位素、流体包裹体及岩石声发射实验，并综合研究区构造背景、断裂活动期次分析，古峰庄地区裂缝形成具有多期性，至少具有印支期、燕山期和喜马拉雅期3个期次，主要活动时期为燕山期和喜马拉雅期。印支期近SN向构造应力产生了少量NW向裂缝；燕山期EW向构造应力，形成近SN、NWW及部分NEE向裂缝；喜马拉雅期NE向构造应力产生了NEE、NE向裂缝。

(3)不同时期形成的有效裂缝改善了储层物性，为石油运移形成长7、长8、长9段等多个层系油藏提供重要通道。