滨里海盆地东缘北特鲁瓦油田石炭系碳酸盐岩储层裂缝网络连通性评价

李长海，赵 伦，刘 波，赵文琪，王淑琴，李建新，郑天宇，李伟强

（1.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100029；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；3.北京大学地球与空间科学学院，北京 100871；4.中国石油杭州地质研究院，杭州 310023）

0 引言

碳酸盐岩储层中的原油地质储量约占世界原油地质储量的40%，天然气地质储量约占世界天然气地质储量的60%［1-3］。碳酸盐岩储层中的高产油气井均与裂缝有关，因此裂缝的研究是碳酸盐岩储层研究的重点［4］。以往学者针对裂缝的识别、分类、成因及预测等开展了大量研究［5-7］，但有关裂缝网络连通性的问题则研究较少且属于初级探索阶段。邬光辉等［8］通过统计交点和端点的比值研究了塔中奥陶系碳酸盐岩储层的裂缝网络连通性；李玮等［9］基于拓扑学理论研究了松辽盆地南部下白垩统青山口组一段和二段页岩裂缝的网络连通性；Ghosh等［10］研究了不同裂缝连通体对储层连通性的贡献；Sævik 等［11］和Sanderson 等［12］将裂缝线的节点划分为X 型、Y 型和I 型，并基于拓扑学理论提出了计算裂缝网络连通性评价参数的方法。虽然研究人员针对裂缝网络连通性提出了使用诸如拓扑学理论等技术方案，但目前尚缺少对油田裂缝网络连通性分析的系统性评价方法。

滨里海盆地东缘北特鲁瓦油田发育裂缝-孔隙型碳酸盐岩储层，大量高角度裂缝和低角度裂缝并存［13］，地下裂缝相互连通形成裂缝网络系统，油田地下水及注入水沿着裂缝网络迅速推进，生产井在短时间内快速见水，油田水窜问题严峻，井网部署及调整极其困难［14］。由于高角度裂缝和低角度裂缝切割非常发育，裂缝网络系统极其复杂，仅通过裂缝预测确定裂缝分布特征难以有效解决水窜问题。基于岩心、成像测井及裂缝网络建模结果，对滨里海盆地东缘北特鲁瓦油田石炭系碳酸盐岩储层裂缝网络连通性进行评价，并对影响裂缝网络连通性的主控因素进行分析，以期为解决该区油田水窜问题提供一定借鉴。

1 地质概况

北特鲁瓦油田位于哈萨克斯坦西部，构造上属于滨里海盆地东缘的延别克—扎尔卡梅斯古隆起东斜坡的中央地区，为断背斜构造（图1a），发育一条北东—南西向的大断层及大量裂缝（图1b）。该油田石炭系KT-Ⅰ和KT-Ⅱ油层组是重要的产油层，KT-Ⅰ油层组自上而下发育蒸发台地、局限台地和开阔台地相沉积［15］，可划分为A2，A3，b1，b2，B1，B2，B3，B4 和B5 共9 个小层，其中A2 和A3 小层主要发育白云岩，其他小层以灰岩为主；KT-Ⅱ油层组发育开阔台地相沉积，以灰岩沉积为主（图1c）。研究区目的层储层物性较好，KT-Ⅰ油层组孔隙度平均为16.9%，渗透率平均为84 mD；KT-Ⅱ油层组孔隙度平均为12.1%，渗透率平均为35.9 mD［16］。北特鲁瓦油田于2013 年转注水开发，目前综合含水率为30%，单井含水率为0～98%。

图1 滨里海盆地构造单元划分（a）、北特鲁瓦油田顶面构造图（b）及石炭系岩性地层综合柱状图（c）Fig.1 Tectonic unit division of Precaspian Basin（a），top structure of North Truva Oilfield（b）and stratigraphic column of Carboniferous（c）

2 裂缝网络连通性评价

2.1 裂缝切割类型划分

Zhao 等［17］根据裂缝的产状将裂缝划分为高角度裂缝（>60°）、斜缝（30°～60°）和低角度裂缝（≤30°）。北特鲁瓦油田裂缝切割类型多且复杂，难以对该油田的复杂裂缝网络开展有效评价。裂缝网络的复杂性主要是由于低角度裂缝发育，因而需要重点考虑低角度裂缝对裂缝网络连通性的影响。为了分析研究区裂缝切割关系，将裂缝划分为高角度裂缝（>30°）和低角度裂缝（<30°），并将裂缝切割类型划分为高高切割、高低切割和低低切割。高高切割是指高角度裂缝与高角度裂缝相互切割的地质现象，该切割类型主要出现在岩心垂直于井轨迹的横截面上。高低切割是指高角度裂缝与低角度裂缝切割的地质现象，主要见于平行于井轨迹的岩心上。低低切割是指低角度裂缝与低角度裂缝切割的地质现象，主要见于平行于井轨迹的岩心上。该套裂缝切割关系的划分方案相对简单，同时可满足不同类型的裂缝对裂缝网络连通性评价的需求。由图2可看出，在岩心上可识别出上述3 种裂缝切割类型，但成像测井上仅识别出高高切割和高低切割，未识别出低低切割。

图2 北特鲁瓦油田石炭系KT-Ⅰ油层组不同裂缝切割类型Fig.2 Different fracture cutting types of Carboniferous KT-Ⅰformation set in North Truva Oilfield

2.2 裂缝切割的空间分布特征

2.2.1 裂缝切割的平面分布特征

裂缝切割线密度是指单位长度上发育的裂缝切割交点的数目。根据研究区裂缝交点的数目，统计单井裂缝切割线密度，并将单井裂缝切割线密度的统计结果投影到平面图上，分析裂缝切割类型的平面分布特征。图3、图4 中圆的直径代表裂缝切割线密度的大小，不同颜色扇形的面积代表不同裂缝切割类型发育的比例。由表1、图3、图4 可看出，高低切割是研究区主要的切割类型，高高切割和低低切割主要发育在构造高部位。研究区构造高部位和构造低部位单井发育裂缝切割的比例基本一致，但由于构造高部位裂缝更发育，因此构造高部位裂缝网络连通性更好。

表1 北特鲁瓦油田单井裂缝切割发育的比例Table 1 Proportion of different types of fracture cutting of single well in North Truva Oilfield %

图3 北特鲁瓦油田KT-Ⅰ油层组不同裂缝切割类型的平面分布特征Fig.3 Plane distribution of different types of fracture cutting of KT-Ⅰformation in North Truva Oilfield

图4 北特鲁瓦油田KT-Ⅱ油层组不同裂缝切割类型的平面分布特征Fig.4 Plane distribution of different types of fracture cutting of KT-Ⅱformation in North Truva Oilfield

2.2.2 裂缝切割剖面分布特征

岩心和成像测井虽然可以对裂缝切割特征进行评价，但存在一定缺陷。岩心只能反映局部井段裂缝切割的发育特征，成像测井因受分辨率限制，对裂缝切割关系的响应相对较差，因此本文综合岩心和成像测井资料来分析研究区的裂缝切割特征。

由表2 可见，B1—B5 小层缺少取心资料，所以缺少裂缝切割的相关信息，A2，A3，G2，G3，G4 小层裂缝切割线密度相对较大，裂缝连通性较好，这与北特鲁瓦油田A2，A3 及G4 小层水窜问题严峻的结果一致。G1 小层在成像测井上裂缝切割十分发育，但在岩心上却不发育，由于岩心是局部井段统计结果，因而认为G1 小层裂缝切割较发育，而G6小层在岩心上裂缝切割十分发育，但在成像测井上裂缝不发育，由此认为该层裂缝切割不发育。

表2 北特鲁瓦油田不同切割类型裂缝切割线密度Table 2 Density of different types of fracture cutting in North Truva Oilfield

由表3 可看出，A2，A3，G1，G2，G3，G4，G5 及G6 小层裂缝切割较为发育，结合裂缝切割线的密度（表2）可知，A2，A3，G1，G2，G3 及G4 小层裂缝切割较为发育。

表3 北特鲁瓦油田不同切割类型裂缝切割发育的比例Table 3 Proportion of different types of fracture cutting in North Truva Oilfield %

3 裂缝网络切割特征评价

3.1 评价指标

裂缝网络连通性的评价不仅可以基于岩心和成像测井进行分析，还可以基于裂缝网络建模结果进行分析。本文利用裂缝连通体面积占比和裂缝体密度评价裂缝网络连通性对研究区的影响，并提出利用裂缝的平均长度和平均节点数评价裂缝网络的连通程度。连通体面积占比是指连通体面积占研究区总面积的比值；裂缝体密度是指单位体积内发育的裂缝片的面积［18］（图5）。

图5 裂缝网络表征体系［19］Fig.5 Fracture network characterization system

根据裂缝平均长度和裂缝平均节点数可以对裂缝网络中不同裂缝的连通程度进行评价。裂缝平均节点数是指所有裂缝节点数与裂缝总长度的比值。确定裂缝平均节点数首先需要确定裂缝切割的类型，裂缝切割可以划分为X 型、Y 型和I型［12］（图6）。通过连通体面积占比、裂缝体密度、裂缝的平均长度和平均节点数可定量化评价裂缝网络的连通性。

图6 裂缝切割类型划分［12］Fig.6 Classification of fracture cutting types

3.2 实例分析

3.2.1 裂缝网络连通性定量评价

根据裂缝长度可以确定裂缝发育的尺度，裂缝长度大于500 m 为大尺度裂缝，裂缝长度100～500 m 为中尺度裂缝，裂缝长度小于100 m 为小尺度裂缝。大尺度裂缝数据体可通过蚂蚁追踪技术处理地震资料获得［20］，中尺度裂缝可通过对成像测井和岩心资料的随机模拟来预测［21］，小尺度裂缝可通过岩心和成像测井进行统计。北特鲁瓦油田石炭系高角度裂缝最大延伸长度达4 250 m，低角度裂缝最大延伸长度仅40 m［22］，因此研究区低角度裂缝均为小尺度裂缝。根据裂缝尺度，建立研究区不同的裂缝网络模型，即大尺度裂缝网络模型、中尺度高角度裂缝网络模型、中尺度斜缝网络模型、小尺度高角度裂缝网络模型、小尺度斜缝网络模型及小尺度低角度裂缝网络模型（图7）。

图7 北特鲁瓦油田A2 小层不同尺度裂缝网络建模结果Fig.7 Fracture network modeling results of sublayer A2 in North Truva Oilfield

基于Fracman 软件对裂缝网络连通性进行分析，以评价北特鲁瓦油田不同小层裂缝网络的连通程度。裂缝聚类中包含的最小裂缝数需要确定一个合理的值，如果该值过大会使很多连通体信息丢失，而该值过小则最小连通体很小，小连通体连通能力较弱，对该类连通体开展分析则无意义。本文将裂缝聚类中包含的最小裂缝数设置为1 000 条（图8）

图8 北特鲁瓦油田A2 小层裂缝连通单元Fig.8 Fracture connecting units of sublayer A2 in North Truva Oilfield

通过分析研究区A2 小层的裂缝体密度与连通体面积的占比可知，A2 小层连通体的面积占比为72.48%，其中8 号、3 号和1 号连通体面积均大于10%，对研究区裂缝网络连通性有较大影响，裂缝平均长度相对较大，且平均节点数较多，裂缝网络连通性较好（图9、图10）。

图9 北特鲁瓦油田A2 小层裂缝体密度与连通单元面积占比交会图Fig.9 Crossplot of fracture volume density and fracture connecting unit area of sublayer A2 in North Truva Oilfield

图10 北特鲁瓦油田A2 小层裂缝平均节点数与平均长度交会图Fig.10 Crossplot of average fracture node number and average fracture length of sublayerA2 in NorthTruva Oilfield

3.2.2 裂缝网络连通性的分类

根据裂缝连通体面积大小，可将研究区连通体划分为小连通体、中连通体和大连通体。连通体面积占比小于1%为小连通体，对研究区连通性贡献有限；连通体面积占比为1%～10%的是中连通体，对研究区连通性具有一定贡献；连通体面积占比大于10%的为大连通体，对研究区连通性具有较大影响。本文以裂缝体密度0.005 m-1和0.010 m-1为界限将研究区裂缝体密度分为高、中、低3 种类型（图11）。

图11 北特鲁瓦油田裂缝连通体分类方案Fig.11 Classification scheme of fracture connecting units in North Truva Oilfield

根据连通体面积大小、裂缝体密度大小及裂缝类型对研究区连通体进行命名。若连通体以高角度裂缝为主，高裂缝体密度且为大连通体，则将该连通体命名为“高高大连通体”，A2 小层所有的连通体的命名如表4 所示。

表4 北特鲁瓦油田A2 小层连通体命名Table 4 Name of fracture connecting units of sublayer A2 in North Truva Oilfield

通过分析不同连通体的裂缝体密度，发现A2小层连通体以低角度裂缝为主，发育6 个以低角度裂缝为主的连通体，其次是高角度裂缝，发育3 个以高角度裂缝为主的连通体，而斜缝的连通体仅发育2 个。A2 小层主力产油区以3 号连通体和8 号连通体为主，3 号连通体以高角度裂缝为主，而8 号连通体以低角度裂缝为主，但是不同倾角的裂缝体密度均占总裂缝体密度的33%（图12）。

图12 北特鲁瓦油田A2 小层连通单元裂缝体密度Fig.12 Fracture volume density of fracture connecting units of sublayer A2 in North Truva Oilfield

3.3 裂缝网络连通性对油田开发的影响

基于示踪剂检测结果，综合储层基质渗透率分布特征，分析裂缝网络连通性对油田水窜的影响。研究结果表明：研究区543 井与532 井、184 井与555 井之间发育裂缝带，出现水窜现象；555 井与765 井之间储层物性较好，出现水窜（图13）。水窜现象是裂缝网络连通性和储层物性综合影响的结果，且裂缝网络连通性是水窜现象最主要的决定因素。

图13 裂缝网络连通性对北特鲁瓦油田开发的影响Fig.13 Influence of fracture network connectivity on the developmen of North Truva Oilfield

裂缝网络连通性取决于裂缝网络的切割程度，裂缝切割程度主要受裂缝长度和裂缝体密度的影响。由图10 可看出，随着裂缝长度增大，裂缝平均节点数增多，因此裂缝长度越大，越容易发育裂缝切割。基于岩心资料分析裂缝切割特征与岩心裂缝切割线密度的关系，结果表明高高切割与高角度裂缝的发育具有一定的相关性，高低切割与高角度裂缝和低角度裂缝的发育均存在一定相关性，低低切割与低角度裂缝不存在显著相关性。这主要是由于低角度裂缝发育角度相近，裂缝相互平行的情况居多，因而相互切割的情况显著减少（图14）。

图14 北特鲁瓦油田裂缝切割与裂缝切割线密度的关系Fig.14 Relationship between fracture cutting and cutting density in North Truva Oilfield

由于裂缝切割线密度受到构造位置、岩性、断层和地层厚度等因素的影响［6，23］。构造高部位裂缝更为发育，裂缝网络连通性更好。岩性对裂缝连通性的影响可以基于北特鲁瓦油田KT-I油层组进行分析。研究区KT-I油层组主要发育灰岩和白云岩，白云岩中高高切割更发育，灰岩中高低切割和低低切割更发育，这主要是由于白云岩脆性特征更明显，主要发育高角度裂缝，而灰岩塑性特征明显，低角度裂缝更发育（图15）。

图15 不同岩性中裂缝切割类型发育特征Fig.15 Characteristics of fracture cutting types in different lithologies

4 结论

（1）岩心和成像测井上裂缝的切割类型可划分为高高切割、高低切割和低低切割，该分类考虑了低角度裂缝对裂缝网络连通性的影响，实现了对复杂裂缝网络连通性的评价。北特鲁瓦油田平面上在构造高部位裂缝切割更为发育，剖面上A2，A3，G1，G2，G3 及G4 小层裂缝切割更为发育，研究区主要以高低切割为主。

（2）利用裂缝连通体的面积占比、裂缝体密度的评价、裂缝的平均长度和平均节点数对裂缝网络连通性进行了定量化评价。根据连通体面积大小、裂缝体密度大小及裂缝类型对裂缝连通体进行了命名，命名规则为“裂缝类型+裂缝体密度+连通体面积”，从而实现了对裂缝网络连通体的定性描述。研究区A2 小层主要发育低低大连通体、高中大连通体和高高大连通体。

（3）裂缝切割主要受裂缝长度和裂缝体密度的影响，裂缝长度和裂缝体密度越大，越容易发育裂缝切割。构造位置、岩性、断层和层厚等因素可影响裂缝切割线密度，进而影响裂缝网络的连通性。