普光气田大湾-毛坝构造飞仙关组天然裂缝发育规律

祖克威

（中国石化中原油田分公司勘探开发科学研究院，河南 濮阳 457001）

1 地质概况

普光气田位于四川盆地东北缘宣汉-达县地区，构造上处于川东断褶带与大巴山前缘构造带的交汇部位，为向西开口的收敛双弧构造，面积约1 100 km2［1-2］，是我国近50 年来发现的最大的海相碳酸盐岩层系气藏，同时也是我国最大的高含硫气田［3］。普光气田主力开发层系为海相上二叠统长兴组生物礁储层和下三叠统飞仙关组滩相储层，其中飞仙关组根据滩体类型可进一步分为飞仙关组一段、二段（简称飞一二段）的台缘滩和飞仙关组三段（简称飞三段）的台内滩，台缘滩云化程度高，储层物性好，厚度大，平面展布连续，地质储量丰富。受多期次构造运动的影响，普光气田飞仙关组平面上形成一系列北西—南东向和北东—南西向断层，将气田进一步分为多个构造单元（见图1。其中①为米仓山，②为川东断褶带）［1-2］。其中，大湾-毛坝构造处于普光气田中部，东临普光主体，西接分水岭构造，为北东向逆断层控制的长轴背斜。飞仙关组滩体发育在大湾-毛坝构造中部-北部，平均孔隙度为8.9%，平均渗透率为11.7×10-3μm2，为中孔-中渗储层。该区块自2012 年投产以来，已稳产11 a，截至2023 年7 月底，日产气1 260×104m3，已累计生产天然气380.36×108m3，目前处于开发稳产末期。地震资料结合地层倾角测井结果显示，构造内部靠近断层附近的地层倾角最大为70°，强烈的构造变形产生了大量的天然裂缝，大大改善了储层的物性，但同时形成了高渗通道；随着气藏进入开发中后期，滩体边部水体沿高渗通道突进，导致开发井关停，严重影响了气藏的采出程度。因此，针对大湾-毛坝构造飞仙关组开展天然裂缝发育规律研究，可以有效地指导开发井的调整和复产措施的制定。

图1 普光气田构造单元分布Fig.1 The tectonic unit distribution in Puguang Gas Field

本次研究利用地质和地球物理资料明确大湾-毛坝构造天然裂缝参数特征和影响天然裂缝发育的控制因素，开展叠前宽方位各向异性预测天然裂缝的空间展布规律，尝试探讨针对大湾-毛坝地区（构造）飞仙关组储层物性特征，结合气水分布和天然裂缝发育规律，评价天然裂缝在开发中后期的应用。

2 天然裂缝类型与参数特征

对野外露头、岩心和薄片资料的统计分析结果表明，大湾-毛坝地区飞仙关组天然裂缝分为构造裂缝和成岩裂缝。根据构造裂缝的成因、与主体构造在形成时间和空间上的关系，可将大湾-毛坝地区的构造裂缝进一步分为区域型构造裂缝［4-7］和局部型构造裂缝。区域构造裂缝形成于地层变形初期，是在区域内发育的与地层高角度或垂直相交的剪切裂缝，裂缝产状受地层产状控制，规律性强（见图2a）。局部构造裂缝为受局部构造应力作用所形成，通常与断层、褶皱伴生，在不同地区和构造部位，裂缝的方位变化大，区域上规律性差，可进一步分为断层相关裂缝和褶皱相关裂缝（见图2b）［8］。成岩裂缝为成岩过程中形成的裂缝，主要有缝合线和层理缝（见图2c、图2d），由于形成时间早，成岩裂缝多被充填，局部地区成岩裂缝受溶蚀改造或强烈构造作用，会重新开启。

图2 普光气田大湾-毛坝构造不同类型天然裂缝Fig.2 Different types of natural fracture in Dawan-Maoba structure,Puguang Gas Field

对大湾-毛坝构造16 口取心井和13 口成像测井的统计结果表明，由于构造变形严重，断裂发育，长兴组—飞仙关组天然裂缝的走向受局部构造影响，不同部位发育4 组走向不同的裂缝——近东西向、近南北向、北东向和北西向裂缝，以近东西向为主要裂缝发育的优势方位。天然裂缝以斜交-高角度裂缝为主，垂向延伸长度主要分布在1.2～3.0 m，天然裂缝发育密度通常不超过3.00 条/m，主要集中在1.60～1.70 条/m，裂缝开度通常小于0.03 mm（见图3）。

图3 大湾-毛坝构造飞仙关组天然裂缝参数统计Fig.3 The natural fracture parameter statistics in Feixianguan Formation of Dawan-Maoba structure

3 天然裂缝发育控制因素

3.1 构造作用

构造作用是影响天然裂缝发育的主要因素。构造类型、构造样式以及构造部位影响着天然裂缝发育的性质、类型和程度［9-11］。普光地区下三叠统自沉积以来经历了印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动，天然裂缝主要形成于3 期［2，9，12］，即燕山运动晚期、喜马拉雅运动早期和晚期，有效裂缝主要形成于喜马拉雅运动早期和晚期。构造对裂缝的控制作用主要包括断层对裂缝的控制作用和褶皱对裂缝的控制作用。断层对天然裂缝的影响，主要体现在断层在形成时期对其附近地层的应力扰动所产生的断缝带，不同规模的断层，扰动断缝带宽度不同［13］。褶皱对裂缝的控制作用，主要体现在地层变形过程中变形强度的差异引起的天然裂缝发育程度的差异［13］。

利用叠后多种属性，对研究区断缝带进行识别和刻画，统计毛坝-大湾地区8 条构造带边界断层和15条构造带内部断层。结果表明，断缝带宽度随断距和断层规模的增大而增加，控边断层断缝带宽度集中在175～350 m，大湾构造内部伴生断层断缝带宽度集中在25～150 m。提取曲率属性分析，结合单井成像测井裂缝解释结果进行评价，认为天然裂缝发育密度整体上与地层曲率呈正相关，当曲率值大于0.2 km-1时，才能产生天然裂缝（见图4）。

图4 最大曲率和天然裂缝密度的关系Fig.4 The relationship between maximum curvature and natural fracture density

3.2 岩性影响

岩性对裂缝发育强度的影响，主要是不同岩性的岩石成分和结构、构造、颗粒大小及物性的差异，导致岩石力学性质不同，因此，即使在相同的应力或应变条件下，天然裂缝的发育程度也不同［14-16］。

成像测井统计表明，白云岩中天然裂缝发育密度整体上优于灰岩，但随着泥质含量的增加，白云岩中天然裂缝密度从2.10 条/m 降低至0.52 条/m（见图5）。

图5 天然裂缝密度与岩性的关系Fig.5 The relationship between natural fracture density and lithology

由于白云岩的弹性模量大于灰岩，脆性更强，如和灰岩经受相同的变形强度，则更容易产生破裂。泥质在岩石内部颗粒间表现为塑性，在受到挤压作用下，泥质含量越高，岩石内部的脆性颗粒越容易通过泥质组分形变和脆性矿物的旋转来吸收岩石应变，因此，泥质含量越高，天然裂缝越不发育。

3.3 沉积微相影响

沉积微相对裂缝的影响，主要是通过岩性组合、层厚、粒度等因素控制天然裂缝的发育程度［14，17］。本文利用成像测井对大湾-毛坝构造不同沉积微相天然裂缝发育程度进行研究。飞仙关组发育台缘滩、滩间、台缘斜坡、潟湖和灰坪微相，长兴组发育礁盖、礁核、礁基、礁间和礁后滩微相。统计结果表明，飞仙关组滩体和长兴组的礁盖以及礁后滩为天然裂缝发育的优势相带，天然裂缝密度分别为1.94 条/m 和2.06 条/m，潟湖和灰坪天然裂缝不发育（见图6）。

图6 天然裂缝密度与沉积微相的关系Fig.6 The relationship between natural fracture density and sedimentary microfacies

3.4 成岩作用

成岩作用是碳酸盐岩中影响天然裂缝发育程度的重要因素［2，18-20］，它主要通过在成岩过程中对岩层的力学性质的影响来控制天然裂缝发育程度。大湾-毛坝地区碳酸盐岩的成岩演化序列特征表明，该地区影响岩石力学性质的成岩作用主要体现在压实作用、充填作用和胶结作用。本文基于13 口成像测井和16 口取心井的薄片资料开展研究。

3.4.1 压实作用

对飞仙关组成像测井识别的不同深度裂缝发育密度进行统计，其主力滩体位于海拔-3 300～-4 300 m，随深度增加，天然裂缝密度变化无规律。这反映了大湾-毛坝构造滩体平面和纵向岩性组合复杂，非均质性强。

3.4.2 胶结作用

利用薄片观察对研究区长兴组—飞仙关组不同胶结类型的天然裂缝出现的频率进行统计（见图7）。整体上，滩相岩石以方解石胶结为主，其次为白云石和石膏胶结。当发生方解石和白云石胶结时，天然裂缝出现的概率明显增加，其中白云石胶结裂缝出现的概率优于方解石胶结。胶结作用导致孔隙减小，储层更为致密，在受到挤压作用时，岩石内部矿物与胶结物直接接触，通过破裂作用，吸收构造形变，因此，胶结作用更有利于天然裂缝发育。

图7 裂缝出现概率与胶结作用的关系Fig.7 The relationship between fracture probability and cementation

3.4.3 充填作用

薄片资料统计表明，大湾-毛坝构造长兴组—飞仙关组礁滩相储层岩石中，充填类型可以分为脆性矿物充填、有机质充填以及两者的混合充填。整体上，有机质充填的薄片中天然裂缝出现概率大，随着有机质充填程度增加，薄片中天然裂缝发育程度有增加的趋势，脆性矿物充填程度与天然裂缝出现概率相关性差。

4 天然裂缝分布预测

目前，国内外常用的对天然裂缝发育强度的空间预测方法有应力场数值模拟法和地球物理法［21-38］。

应力场数值模拟法常用的算法包括有限元法、离散元法和边界元法等，该方法基于地质力学理论，综合考虑了构造、沉积、岩石力学性质和构造应力演化，通过正演方式开展数值模拟计算［38-42］。该方法需要明确裂缝的形成机理，实验成本高；模型单元为非连续单元，预测结果精度取决于模型精度；模型的应力边界条件以及断裂带内的岩石力学参数需要反复调试。该方法适用于地质资料较少的勘探初期。

地球物理法根据地震的分辨率和天然裂缝的参数特征，主要是对天然裂缝发育带开展预测，根据数据类型分为叠前预测和叠后预测。叠前预测主要是宽方位各向异性法，基于地震波在穿越裂缝发育带时，速度、振幅、频率在不同方位角的变化来检测裂缝。该方法既可以预测天然裂缝的发育方位，也可以预测天然裂缝的发育强度［43-46］。叠后预测常用的方法有相干、曲率、蚂蚁体、最大似然等属性的分析和提取。该方法分辨率相对较高，能够反映地下岩性的连续变化，但由于地震资料多解性强，利用该方法预测裂缝，需要对预测结果进行评价分析。

本次研究利用大湾-毛坝构造处理的OVT 资料，采用叠前宽方位各向异性法对天然裂缝的发育方位和密度进行预测。将10 口成像测井识别的长兴组—飞仙关组天然裂缝走向进行比对，符合率达80%。对识别的天然裂缝密度和各向异性值回归分析，得出其相关系数（0.77）。根据回归分析结果，进一步将计算各向异性值转化为毛坝-大湾构造天然裂缝密度值。

预测结果表明，天然裂缝发育方位和强度受构造控制明显，整体上发育4 个方位的天然裂缝，以近东西向为主，全区广泛分布，褶皱枢纽附近发育北西向和北东向裂缝，近南北向天然裂缝发育程度最低。

在白云岩滩相储层发育区，裂缝发育密度受构造控制明显。毛坝构造褶皱顶部相对紧闭，褶皱枢纽部位和断层附近为天然裂缝发育区；大湾构造褶皱顶部相对宽缓，褶皱顶部弱变形，天然裂缝密度低，不超过1.50条/m，褶皱顶部-翼部坡折带附近天然裂缝发育，密度最高为3.60 条/m。平面上，大湾构造天然裂缝发育高值区主要集中在dw1，dw4 井区及dw2 井区东北部；毛坝构造则主要位于褶皱枢纽和断层附近、mb9 井区及南部，其天然裂缝密度为2.40～2.80 条/m（见图8）。

图8 大湾-毛坝构造飞一二段天然裂缝发育密度预测平面分布Fig.8 The prediction plane of natural fracture density in the first Member and second Member of Feixianguan Formation in Dawan-Maoba structure

5 天然裂缝预测在开发调整中的应用

天然裂缝的发育特征在油气开发中的影响，体现在对开发井网的布置、对水平井方位的部署、对压裂改造效果和对注水管理等方面［26］。滩相气藏在开发中后期，受水侵影响明显，造成气井停喷，天然裂缝是气藏边部水体快速突进的高渗通道。因此，明确天然裂缝的发育规律，可以为下一步气井的调整和控水政策的制定提供重要的地质依据。

大湾地区dw402 井区位于大湾构造中部，dw402-2H 井钻遇飞一二段储层99 层、750.4 m，未见水。该井2012 年4 月分3 段投产，日产气量稳定在50×104m3以上。2019 年10 月，该井发生水淹，导致停喷。

利用高频梯度衰减法对井区含气性开展预测，结合临井实钻气水界面作为约束条件，评价dw402-2H井原始气水界面在海拔-4 700 m。天然裂缝预测结果表明，该井在井底钻遇天然裂缝发育带与下部水体沟通，随着开发过程中地层压力下降，水体沿天然裂缝高渗通道从井底突进，造成该井发生水淹。根据对井区水侵机理的分析结果，建议针对dw402-2H 井第3 段采用堵水措施，对第1 段和第2 段进行试采。

6 结论

1）大湾-毛坝构造天然裂缝以构造裂缝为主，发育4 组裂缝，以近东西向为优势方位，以斜交-高角度裂缝为主，垂向延伸长度为1.2～3.0 m，密度集中在1.60～1.70 条/m，裂缝开度通常小于0.03 mm。

2）大湾-毛坝构造天然裂缝发育特征受构造、岩性、沉积微相和成岩作用控制。主要体现在断层和褶皱对裂缝发育强度的控制，白云岩中天然裂缝发育密度大于灰岩。方解石和白云石的胶结作用和有机质充填有利于天然裂缝的发育。

3）天然裂缝发育方位和强度受构造控制明显，整体上以近东西向为主，褶皱枢纽附近发育北西向和北东向裂缝，裂缝发育强度高值区集中在断层附近、毛坝构造褶皱枢纽附近和大湾构造褶皱枢纽-翼部坡折带，密度最高为3.60 条/m。大湾构造天然裂缝发育高值区主要集中在dw1，dw4 井区及dw2 井区东北部，毛坝构造则主要位于褶皱东翼、mb9 井区及南部，天然裂缝密度在2.40～2.80 条/m。

4）利用含气性预测结合天然裂缝预测结果，可以更为准确地明确气井的水侵规律，进而指导制定合理的气井复产措施。