鄂尔多斯盆地樊学油区长8砂岩裂缝平面展布及控制因素

赵 希，张小莉，杨 振，李亚军，卢俊辉，王晓琳，钟高润

(西北大学地质学系/二氧化碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心/大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)

0 引言

裂缝是低渗透储层油气运移的重要通道，对油田注水开发也有较大影响。低渗透砂岩储层孔渗性差，排替压力较大。砂岩与裂缝的复合输导模式使储层与烃源岩更好地连通，油气可沿裂缝发育区进行运移与调整(万永平等，2010；杨伟伟等，2013；李成等，2016；王怀厂等，2018)。同时，储层裂缝影响水平井压裂施工(杨志浩和李治平，2017；李达等，2019；赵向原等，2020)以及注水驱油过程中产生的水淹层厚度、水淹级别、水窜方向，微观上影响油水两相渗流关系进而影响油井采收率(宋晓威等，2015)。因此，对储层裂缝发育程度及其平面展布特征认识是低渗油藏高效注水开采的关键。

樊学油区位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中部，西紧邻天环坳陷。该地区主力含油层系为三叠系延长组(赵鹏飞等，2015)。近年来，随着对延长组下组合长7～长10油层组勘探的不断深入，发现了长8大型岩性油藏(王变阳等，2014；马海勇等，2016)。根据沉积旋回特征，长8地层可划分为长82、长81两个小层。樊学油区长8储层有效孔隙度平均9.65%，渗透率平均0.65×10-3μm2，为典型低孔特低渗储层(魏晨阳等，2012)，但是由于地层能量不足，所有均需要人工压裂和注水开发才能开采。樊学油区周边的同类油藏投产油井中，砂岩裂缝发育区油井大多含水上升较快，裂缝的侧向油井受效程度低(路向伟等，2018)。所以，明确长8砂岩裂缝主要发育方向，分析砂岩裂缝形成的控制因素，对研究区注水开发具有一定指导意义。

1 砂岩裂缝识别

1.1 岩心观察裂缝特征

岩心观察是对宏观裂缝进行观测与描述的第一手资料。根据樊学油区取心井岩心观察与描述资料统计，砂岩裂缝以垂直缝和高角度缝为主，未充填居多。粉砂岩和细砂岩中裂缝分布频率较高，裂缝延伸长度0.05～0.5 m，缝宽0.1～0.3 cm，倾角多为70°～90°(见图1)。

图1 樊学油区长8岩心裂缝特征

1.2 成像测井识别砂岩裂缝

成像测井可有效揭示裂缝类型、产状以及充填程度等相关信息(陈翠雀等，2009)。根据樊学油区2口成像井解释裂缝统计，研究区长8储层多发育斜交、高角度天然裂缝，局部发育井筒与地应力不平衡所致的应力释放缝，少数天然裂缝被半充填。成像测井图像上天然裂缝表现为暗色正弦曲线(见图2a，图2b)，裂缝被半充填或充填时，显示为暗色正弦曲线局部被亮色充填(见图2c)，如图2d所示，应力释放缝表现为多组接近180°对称分布的雁列状缝。

图2 樊学油区长8电成像测井的裂缝响应特征

1.3 常规测井综合识别砂岩裂缝

利用岩心和成像测井资料标定常规测井，得到裂缝段与非裂缝段常规测井参数并进行对比分析。结果发现微电极和八侧向测井曲线对樊学油区长8砂岩裂缝的响应最为敏感，表现为高值背景上的相对低值，其他测井曲线敏感性表现为声波测井>自然伽马>自然电位>双感应>井径。为了更有效识别砂岩裂缝，主要采取以下步骤：

首先，优选出微电位、微梯度、八侧向、声波时差4条对裂缝响应明显的测井曲线，同时根据不同曲线的敏感程度对曲线进行加权，分别计算出异常幅度算术加权裂缝指数、异常幅度几何加权裂缝指数、曲线变化率裂缝指数、分形维数裂缝指数、微电极幅度差裂缝指数等表征参数。

其次，通过成像资料标定其他表征参数(图3)，确定出微电极幅度差裂缝指数下限值为0.01，分形维数裂缝指数下限值为1，变化率裂缝指数下限值为0.01。

图3 定4548-3井砂岩裂缝识别效果图

最后，选取对裂缝响应敏感的异常幅度表征参数构建裂缝识别指数，并根据微电极幅度差、分形维数、变化率裂缝下限值对裂缝识别指数进行过滤，得到最终的裂缝识别综合指数，对裂缝可能发育段进行判识。

图3为对具有成像测井资料的定4548-3井长8储层裂缝表征参数处理结果，其常规测井砂岩裂缝识别效果与成像测井解释砂岩裂缝特征基本相符。

进而，对樊学油区220口井长8储层进行了常规测井资料裂缝识别处理。

2 砂岩裂缝平面展布

依据樊学油区220口井砂岩裂缝处理统计结果，长8储层中裂缝性砂岩主要分布在研究区的东北部、东南部以及西南部，其他地区的少数井中裂缝仅零星分布；砂岩裂缝展布优势方位主要为北东东向，次为北北西向(图4)。

图4 樊学油区长81-长82裂缝性砂岩厚度、裂缝展布方位及断裂叠合图

3 砂岩裂缝发育控制因素

鄂尔多斯盆地延长组不同层段均发育裂缝，表明大规模裂缝体系可能与统一构造应力场的作用有关，并且其裂缝发育程度受盆地构造应力场、砂体厚度、岩层组合等因素综合影响。同时，不同时期的构造应力场控制裂缝的组系、产状、力学性质和展布特征(高金栋等，2018)。

3.1 盆地构造应力场与砂岩裂缝展布

前人通过对盆地周缘出露地层的大型及小型雁行状、X共轭状节理的构造解析，认为延长组储层裂缝体系与盆地的基底断裂以及其中新生代以来的构造活动有关(见图4)(赵文智等，2003；汪泽成等，2005；邸领军，2006；梁晓伟等，2009；马润勇等，2009；董敏等，2019)。

三叠纪以来，鄂尔多斯盆地经历了多期区域构造应力作用(徐黎明等，2006)。中生代晚期的燕山运动在盆地内派生了北西-南东向的挤压应力场，使研究区北东向基底断裂被激活，延长组地层中北东东向与北西向裂缝大量发育(见图5)。喜山期受来自西南方向青藏高原隆升的侧向挤压，盆地内北西向基底断裂重新活动，形成北北西向与北东向裂缝(见图5)。

图5 姬塬-元城地区燕山、喜山期构造裂缝与最大主应力优势方位关系图(据高金栋等，2018)

综合鄂尔多斯盆地的航磁、重力、大地电磁、卫星照片以及盆地构造演化等多种资料(赵希刚，2006；李明和高建荣，2010；刘震等，2013)，樊学油区处于2条北东向断裂及3条北西向断裂控制范围内(见图4)，该区长8储集层北东东向和北北西向砂岩裂缝比较发育，裂缝的形成受燕山期、喜山期两期构造运动的综合影响(王金月等，2016)。

3.2 砂体厚度对裂缝的影响

砂岩厚度与裂缝线密度呈负相关关系，即砂岩厚度越薄越容易产生构造裂缝(戴俊生等，2011)。当砂体厚度较薄时，岩石粒度较细，裂缝发育程度较高；当砂体单层厚度较大时，岩石粒度也较粗，裂缝相对不发育。

利用自然伽马曲线对长8储层粒度进行表征，同时把常规测井识别的裂缝加载到研究区，构建砂岩裂缝空间展布透视图。如图6所示，色标由紫色至红色，表征岩石粒度逐渐变粗。砂岩裂缝发育程度与砂体厚度具有一定的关系，砂岩裂缝主要分布在砂泥岩互层中，厚层砂体中裂缝相对不发育。

3.3 岩层组合对裂缝的影响

在相同受力条件下，脆性的砂岩地层比塑性较强的泥岩地层更容易产生裂缝，构造裂缝首先在砂岩中产生并逐渐向泥岩扩展形成裂缝网络。单层砂岩或泥岩的厚度越小，裂缝越发育(王珂等，2013；商琳等，2015)。研究区成像测井中往往可以见到切穿多层砂泥岩薄互层的裂缝(见图2c)，砂岩裂缝空间展布透视图中也可看到砂泥岩互层中裂缝发育程度较高(见图6)，因而砂泥岩薄互层更容易产生穿层裂缝，从而沟通上下砂岩层，形成连续的油气储集空间。

图6 樊学油区长8砂岩裂缝空间分布透视图(从南方向俯视)

4 裂缝对生产开发的影响

有效的裂缝系统可作为良好渗流通道沟通储集层与生产井，影响生产井的产量(Lorenz et al.,2002)，裂缝体系对储层改造中的压裂、注水等增产措施也十分重要。通过对比分析研究区内裂缝较发育地区和裂缝不发育地区生产井产量曲线，发现裂缝较发育地区油井具有初期产量高、产量递减快的特点(图7)，裂缝不发育地区油井相对稳产，但产量较低(图8)。

图7 裂缝发育区典型井D4103-7生产曲线

图8 裂缝不发育区典型井D4100生产曲线

由于沿裂缝方向渗透率和传导能力强，容易形成方向性水窜。裂缝发育区需要严格控制注水压力和注水强度，防止注入水沿裂缝窜进。根据裂缝优势展布方向选择合适的注采井网，可通过适当放大裂缝延伸方向井距来延缓角井见水时间，对于暴性水淹油井后期可以转为注水井。采用缩小注采排距的方式来增大注入水波及面积，在经济允许的情况下，可通过加密井网的方式来缩短排距，提高裂缝侧向油井的受效程度(刘子良等，2003)。

5 结论

(1)樊学油区长8砂岩主要发育垂直和高角度构造缝，裂缝以未充填居多。砂岩裂缝主要分布于樊学油区的东北部、东南部和西南部，裂缝展布的优势方位为北东-南西向和北西-南东向。

(2)研究区砂岩裂缝的发育受盆地构造应力场、砂体厚度以及岩层组合等因素的综合影响，多发育小规模的砂泥岩薄互层裂缝，岩心和成像资料中少见延伸长度大于2 m的较大规模裂缝，可知樊学油区整体处于弱构造变形区域。

(3)樊学油区裂缝发育地区油井具有初期产量高、产量递减快的特点。在实际生产开发中，要根据裂缝优势展布方位选择合适的注采井网，尽量采用大井距、小排距的方式来提高裂缝侧向油井的水驱效率。