川西地區須五段儲層裂縫特征及分布評價

姚　勇，劉　義，張城瑋，徐　浩

(成都理工大學能源學院，四川成都 610059)

川西地區須五段儲層裂縫特征及分布評價

姚勇，劉義，張城瑋，徐浩

(成都理工大學能源學院，四川成都 610059)

摘要：四川盆地西部地區須五段是新的勘探開發層位，儲層巖性主要為致密砂巖和泥頁巖，天然裂縫的存在大大提高了其儲集能力和滲透特征。通過巖心觀察和薄片鑒定須五段裂縫，總結出須五段裂縫以構造成因類型為主，剪切縫主要發育在砂巖中，張性縫主要發育在泥頁巖中，產狀類型以斜交縫為主，有效程度較高；運用多元判別概率法和分形分維數值計算法并結合測井響應特征分別對砂巖和泥頁巖地層建立裂縫識別標準。最后綜合考慮巖性、構造、斷層等地質因素建立了裂縫評價模型，評價結果認為裂縫發育區和較發育區主要位于區域內構造高點位置以及東部斷裂帶附近。

關鍵詞：四川盆地；須五段;裂縫特征；裂縫評價；致密砂巖；泥頁巖

川西地區即四川盆地西部，位于鴨子河-孝泉-新場-合興場-豐谷東東向構造帶中段，東接東泰、合興場構造，西鄰鴨子河構造，北至梓潼凹陷，南到彭州-德陽向斜。區內經歷了多期構造運動，斷層發育[1-3]。須五段可分為上、中、下三個亞段，主要發育濱淺湖相沉積，巖性以黑色泥頁巖、黑色碳質泥頁巖、細砂巖、灰色細砂巖及粉砂巖為主，在縱向上表現為泥頁巖與粉細砂巖互層，巖性較為復雜，泥頁巖厚度較大，局部夾黑色煤線。該區地層巖性致密，天然裂縫為油氣在地層中滲流提供了有利通道。多年的勘探開發實踐表明，裂縫往往與高產密切相關，因此，對須五段天然裂縫的研究正是當前急需解決的問題[4-5]。

1裂縫特征

1.1巖心裂縫特征

通過對研究區5口取心井共165條巖心裂縫的觀察與統計，須五段裂縫主要為構造成因類裂縫，以斜交縫為主，平均傾角為35.97°，整體上水平縫和垂直縫不發育。構造裂縫按力學成因可分為張性縫和剪切縫，剪切縫主要發育在砂巖層段，占砂巖中裂縫總數的89.01%，其縫面常見順縫面方向的擦痕等縫面構造，而張性縫主要發育在泥頁巖層段，占泥頁巖裂縫總數的87.84%，這類裂縫在巖心上多呈組系性產出。須五段裂縫以晚期裂縫為主，未充填和半充填裂縫占觀察裂縫總數的83.03%。通過對巖心裂縫的測量，須五段巖心裂縫寬度主要分布在0～0.5 mm，最大可達1 cm。水平縫和低角度縫寬略大于高角度斜交縫和垂直縫，但整體上裂縫的寬度變化不大。不同產狀的裂縫寬度分布也大致相同。須五段中砂巖層段巖心裂縫線密度為0.83條/m，泥頁巖層段裂縫線密度為0.57條/m，雖然二者相差不大，但是分布趨勢不同。砂巖中裂縫線密度從上亞段到下亞段呈現逐步增加趨勢，而泥頁巖恰好與之相反，從上亞段到下亞段泥頁巖裂縫線密度呈減小趨勢。

1.2微觀裂縫特征

與巖心觀察獲取的巖心裂縫特征相比，通過對鏡下薄片觀察得到的微裂縫特征更接近于地下裂縫的真實情況。通過研究區鏡下薄片的觀察鑒定，須五段微裂縫的分布與巖性相關，在泥頁巖層段微裂縫較為發育，而砂巖層段微裂縫相對不發育。雖然兩種巖性中微裂縫的數量相差較大，但二者的性質較為相近，具有相同的充填特征以及微裂縫參數特征。薄片觀察結果顯示須五段微裂縫多平行于層理分布，在部分薄片中可見到有裂縫間存在切割配套關系(圖1)。微裂縫細而短小，大多呈未充填狀，少部分被泥質或鐵質充填。此外，薄片中還見到有溶縫發育，其縫寬變化較大(0.1～0.8 mm)縫內充填有粉砂和泥質，在溶縫不連通處可形成石英粉砂與泥質的似透鏡體，縫內泥質被方解石交代。泥頁巖層理中分布有較多的黑色炭屑，呈粒狀～細長條狀順層分布，與泥質混合構成黑色炭泥質紋層。巖石經早成巖期出現較多的微晶方解石，呈半自形粒狀，交代泥質，局部還見細短的溶縫，縫寬為0.05～0.2 mm。薄片觀察到的裂縫充填比例很低，未充填裂縫最多，而半充填裂縫很少，裂縫有效程度比較高。微裂縫寬度小于0.01 mm的裂縫占15.38%，寬度分布為0.01～0.02 mm的微裂縫占23.08%，0.02～0.05 mm的微裂縫占26.92%，0.05～0.1 mm的微裂縫占11.54%，0.1 mm以上的微裂縫占23.08%。總體來看，裂縫寬度集中在0.01～0.05 mm，約占裂縫總數的65.4%，表明微觀裂縫是以小裂縫為主，大裂縫相對較少。

1.3測井裂縫特征及裂縫識別

圖1　裂縫薄片照片

天然裂縫在FMI測井成像圖上有其具體的影像特征，通過這些影像特征能夠對裂縫進一步識別，同時還能獲得其產狀以及充填性質等信息[6]。在成像圖上，水平縫表現為水平影像，垂直縫表現為垂直影像，斜交縫表現為一條正弦函數圖像，并且根據正弦函數圖像可大致判斷斜交縫的角度。未充填裂縫為連續傳導縫，由于有效程度高，在鉆井過程中容易被泥漿侵入，表現為高電導率異常，在成像圖上波形曲線完整，甚至可以切穿井筒，影像為深色；半充填裂縫為不連續傳導縫，也表現為高電導率異常，在成像圖上波形曲線不連續、不規則且模糊，影像為深色；充填裂縫為連續高阻縫，通常為高電阻率異常，在成像圖上波形曲線完整，影像為連續亮色。

通過成像測井識別，須五段天然裂縫主要為沿交錯層理細層面裂開而形成的低角度裂縫和斜交縫，大多為未充填或半充填縫，影像表現為正弦低阻高導暗色影像或不連續正弦暗色高導影像。產狀主要分布在小于40°和大于60°的區間，且小于40°的裂縫占了絕大部分。在成像圖上僅識別出了1條充填縫，充填物為方解石，并且被高導近垂直縫切割(圖2)。

圖2　低角度縫與近垂直縫成像測井影像特征

除成像測井外，利用常規測井資料來識別地下天然裂縫也是識別裂縫的重要方法[7]。通過巖心刻度常規測井資料，在砂巖中提取了32個典型裂縫樣本和非裂縫樣本，泥頁巖中提取了42個典型裂縫樣本和非裂縫樣本。交會分析結果表明須五段砂巖中裂縫的測井響應特征大多不明顯，僅聲波時差測井系列對裂縫和非裂縫具有一定的區分效果，裂縫樣本聲波時差值一般大于64 μs/ft；泥頁巖中裂縫的測井響應特征則較砂巖中裂縫更為明顯，裂縫表現為密度測井值降低，聲波時差大于77 μs/ft，深側向電阻率小于26 Ω·m，中子測井值大于24%。

在裂縫識別的過程中，常規測井往往容易受到巖性、物性、井壁、儀器測量、響應信號處理等眾多因素的影響，每一種方法的識別結果都可能與真實地下裂縫情況有所偏差，因此為了提高裂縫識別精度，可將多種方法綜合起來建立一套適合研究區的裂縫識別標準，在此標準下克服各種方法的不足，保證裂縫識別的可靠性。結合須五段裂縫在常規測井上的響應特征，用多元判別概率以及基于變形尺度分形法計算的龜裂系數和次生空間發育程度等參數可建立起研究區須五段砂泥頁巖的裂縫識別標準[8](表1)。

表1　有效裂縫識別標準

2裂縫分布評價

2.1裂縫分布評價需要考慮的地質因素

(1)巖性。須五段地層縱向和橫向上巖性變化的非均質性極強，單巖層厚度變化也較大，巖性變化加劇了巖石本身巖石力學性質的變化。實驗表明研究區巖石強度抗張-抗剪-抗壓逐漸增大，在砂巖中這一趨勢為6.00-13.18-191.51 MPa，泥頁巖為3.7-9.3-94.9 MPa；同類巖性產生破裂次序為張破裂或剪破裂-擴張破裂。泥頁巖的塑性大，破裂產生的條件要求變高。巖石抗剪強度比抗壓強度小，而砂巖/泥頁巖抗剪強度比約1.4，泥頁巖地層更易發生剪破裂。但是由于縱向上巖性變化劇烈，泥頁巖和砂巖不等厚互層，在劇烈的構造和斷裂活動的過程中更易發生不同類型的破裂。根據巖心觀察描述的裂縫發育特征、測井識別結果等可以知道砂泥頁巖互層巖性組合(砂地比30%～50%)裂縫最為發育，組合類單層厚度越薄，裂縫越發育；富砂型組合(砂地比50%～60%)由于泥頁巖段較薄易產生大量裂縫，砂巖層由于泥頁巖層的影響巖性變化劇烈，巖石力學性質易受到削弱，容易產生較大規模的張性破裂，并貫穿至泥頁巖層。

(2)構造。構造運動是研究區須五段巖石發生破裂的主要原因，須五段構造高點與構造低點之間存在數百米高差，構造變形較大，巖層的變形和擠壓加劇了巖石的破裂。為了定量考慮構造變形作用對巖石破裂的影響，可以考慮對須五段構造頂面進行趨勢面擬合，求取構造主曲率。

(3)斷層。斷層形成時，其兩盤在構造作用下相對錯動，并且在構造活動過程中，其派生應力能夠導致臨近地層產生新破裂。因此，斷裂帶附近是天然裂縫優勢發育帶。斷層附近的裂縫系統往往與其和斷層間的距離及斷層規模相關。須五段斷層主要位于研究區東部，主要由2條逆斷層構成，測井識別裂縫發育指數與到斷層的距離呈負相關關系，即距斷層的距離越近，裂縫越發育；斷層規模越大，裂縫也越發育，其余零星的小型斷層對裂縫的形成影響不大。

2.2評價思路及結果

根據對須五段裂縫影響因素的分析和考慮，基本確定須五段裂縫為構造和巖性控制下的發育模式。東部地區可考慮斷裂帶對巖石的破裂作用,巖性的考慮是裂縫預測的重點。考慮巖性變化時需做相應處理：由于砂泥頁巖層厚度越大裂縫越不發育，厚度過大的砂巖或者泥頁巖層對裂縫的評價具有一定影響，因此這里根據前述巖層厚度與裂縫發育密度之間的相關關系進行厚度剔除，即將砂泥頁巖單層厚度大于4 m的巖層剔除，再計算相應的巖性變化系數[9]。斷裂帶則主要考慮斷層規模和距斷層的距離對巖石破裂的影響。根據這一思路，建立全區離散化的巖性變化系數分布，構造曲率分布和斷裂帶伴生裂縫密度分布，并對離散化的各評價指標進行歸一化處理，最后依據對裂縫發育影響的大小而設定權值，建立裂縫綜合評價系數方程(公式1)，并最終以120 m×80 m的網格密度來建立須五段的裂縫綜合評價系數的平面分布[10]。

Zf=a1x1+a2x2+a3x3

(1)

式中：x1,x2,x3分別為巖性、構造和斷層評價指標；a1，a2，a3分別為巖性、構造和斷層的評判權值。

綜合巖心裂縫特征、微觀裂縫特征、測井裂縫識別結果、裂縫綜合評價系數平面分布圖和須五段測試產量等資料，確定Zf>0.28為裂縫發育區，0.20

圖3　須五段裂縫分布評價平面圖

3結論

(1)川西地區須五段巖心裂縫主要為構造縫，剪切縫主要發育于砂巖層段，張性縫主要發育于泥頁巖層段，裂縫產狀以斜交縫為主，多為未充填和半充填縫，裂縫有效程度較高。薄片觀察顯示微觀裂縫特征與巖心裂縫特征吻合，裂縫寬度主要范圍為0.01～0.05 mm。

(2)成像測井結果表明裂縫主要組系方向為北東-南西向以及近東西向。裂縫的常規測井響應特征為：砂巖層段聲波時差增大，其他單一測井系列無明顯響應；泥頁巖層段聲波時差增大，密度測井值降低，中子測井值略增加，電阻率略微降低。

(3)在考慮巖性、構造、斷層等地質因素的情況下對裂縫進行分布評價，評價結果顯示裂縫發育區和較發育區主要位于區域內構造高點位置以及東部斷裂帶附近靠近斷層2 km左右的區域。

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編輯：吳官生

文章編號：1673-8217(2016)01-0076-04

收稿日期：2015-06-16

作者簡介：姚勇，1989年生，2013年畢業于成都理工大學石油工程專業，在讀碩士研究生，研究方向：油氣田開發。

中圖分類號：TE112.23

文獻標識碼：A