大牛地气田奥陶系风化壳气藏裂缝发育特征及影响因素

贾　俊，孟云涛，孟军田，雷　涛

(1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；2.中国石化华北油气分公司勘探开发研究院)

大牛地气田奥陶系风化壳气藏裂缝发育特征及影响因素

贾俊1,2，孟云涛1，孟军田2，雷涛2

(1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川成都 610500；2.中国石化华北油气分公司勘探开发研究院)

摘要：大牛地气田下古生界奥陶系风化壳气藏属于特低孔低渗地层-岩性圈闭隐蔽气藏。受构造、风化淋滤和化学溶蚀作用，马五5及以上地层普遍发育裂缝，且裂缝发育程度对天然气富集高产有重要影响。通过对区内20口井钻井取心、薄片观察、岩石力学实验以及测井分析，明确了裂缝的三种成因类型、四种裂缝产状和裂缝参数、裂缝岩性分布及充填特征。同时，结合区域构造、古地貌研究成果，分析储集层裂缝发育的影响因素。结果表明，裂缝发育受多重因素综合影响，其中尤以岩层厚度、构造变形强度以及岩溶古地貌影响明显。

关键词：鄂尔多斯盆地；大牛地气田；奥陶系；风化壳；裂缝；岩溶；构造变形强度

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地北部，构造位置处于伊陕斜坡北部东段。自1999年以来，在“上古为主，兼探下古”勘探思想指导下，大牛地气田上古致密碎屑岩储集层不断取得突破。同时，下古生界奥陶系风化壳连续高产工业气流的发现，证实其具有良好的勘探开发潜力[1]。

研究表明[2-7]，鄂尔多斯盆地北部在加里东运动晚期整体抬升，奥陶系地层暴露出地表遭受了长达150 Ma的风化淋滤和化学溶蚀作用,在马五段上部地层形成了具有不同发育程度的次生孔洞缝储集系统。由于马五段属于特低孔、低渗致密储集层[8]，裂缝的发育对于改善储集层渗透性，控制有利储集层分布具有重要影响。

选取大牛地气田奥陶系风化壳气藏裂缝为研究对象，以露头、钻井岩心裂缝等资料为基础，结合薄片观察、力学实验等岩石物理手段，对裂缝的产状、岩性分布、充填特征等进行了研究。同时从岩性、物性、岩层厚度等方面对裂缝发育影响因素进行了分析，以期弄清裂缝发育对开发的影响，为全面认识风化壳气藏成藏规律提供依据。

1基本地质特征

大牛地气田总体为一北东高、西南低的平缓单斜，平均坡降6～9 m/km。在平缓的构造背景上发育低幅度褶皱，以北东向为主，断层不发育[9]。气田下古生界奥陶系分上、下马家沟组，其中，上马家沟组分为两个岩性段(马五段和马四段)。马五段自上而下可细分为10个亚段，位于风化壳顶部的马五1-马五3亚段均受到不同程度剥蚀，马五4及以下地层保存相对完整，本次研究以马五4、马五5亚段为主，包括马五4以上层位。马五4、马五5亚段岩石类型以白云岩、石灰岩为主，其他包括微晶云岩、泥晶灰岩、膏化微晶白云岩。储集空间主要为晶间孔、晶间溶孔、膏溶孔以及裂缝，其中晶间溶孔最为发育，是主要的储集空间[9]。储集层平均孔隙度2.66%，平均渗透率0.434×10-3μm2，属于特低孔、低渗致密储集层。

2裂缝发育特征

2.1裂缝成因类型

根据岩心和薄片观察，大牛地奥陶系马五1-马五3亚段主要发育构造裂缝、风化裂缝及成岩缝。

构造裂缝是本区主要发育的裂缝类型，马五1至马五5各亚段均有发育。构造裂缝主要形成于构造变形期(鼻轴形成期)，即燕山至喜山期形成的构造裂缝。此类裂缝延伸长度及裂缝宽度均较大，有效性受后期改造作用影响明显。图1a为典型构造裂缝，受后期改造作用小，未被充填，有效性较好。

图1b显示一条受构造和古岩溶综合作用形成的构造溶蚀缝，裂缝宽度约0.6 mm，该缝被方解石、地开石所充填，有效性较差。后期受构造作用影响，又形成一近垂直裂缝(裂缝宽度约0.018 mm)，切割了被方解石-地开石充填的溶破裂缝。

受表层风化、岩溶坍塌及岩溶陡壁拉张作用影响，风化破裂缝主要发育在马五3以上层位，此类裂缝延伸长度及宽度一般，多为充填-半充填(图1c)，具有一定的渗流能力。

成岩缝是在古岩溶作用所形成的水平洞穴在后期充填的砂砾岩中形成的成岩微裂缝。这种缝形态受充填洞穴产状及充填物-砂砾岩的分布所控制,裂缝延伸较短，宽度有限，且多为充填状态(图1d)，对储集层渗流能力贡献较小。

图1　大牛地奥陶系马五亚段裂缝类型

2.2裂缝产状

按照裂缝产状分类标准[10]，研究层段发育裂缝以垂直缝和高角度缝为主，在岩心观察到的693条裂缝中，见及垂直缝239条，约占34%；高角度裂缝(倾角85°～90°)214条，约占31%；低角度缝(倾角5°～45°)152条，约占22%；水平缝(倾角0～5°)88条，约占13%。此外，在岩心中也可见缝合线，在灰岩和白云岩中分布约40条，倾角多在0～30°之间，缝合柱的幅度为0.1～5.0 mm，其多为泥质充填。

2.3裂缝参数

根据岩心裂缝参数的测定和统计，岩心裂缝参数有如下特征。

(1)岩心裂缝长度：岩心观察中可测量的裂缝主要为垂直裂缝，约75.5%的裂缝长度在20 cm以下,仅7.8%的裂缝长度大于50 cm,最长可达1.55 m。

(2)岩心裂缝宽度：不同产状的裂缝宽度主要分布在0.1～1.0 mm，约占裂缝总数的59.1%。裂缝宽度变化较大，裂缝最宽可达2 cm。各产状裂缝宽度分布图表明，裂缝宽度随裂缝角度变小(图2)。

图2　各产状裂缝宽度分布图

(3)岩心裂缝线密度:从小层裂缝发育线密度来看，马五5裂缝最为发育，裂缝密度为5.53条/m，马五4为2.05条/m。从各岩性的裂缝发育密度来看，马五5地层的黑色灰岩裂缝最为发育，裂缝线密度高达6.9条/m，其次为其他灰岩类，裂缝线密度为2.9条/m，泥岩中裂缝线密度为1.8条/m，白云岩中裂缝线密度为1.5条/m。其中，有效裂缝线密度在白云岩和黑色灰岩中较发育。

2.4裂缝的岩性分布

研究区裂缝主要发育在马五5地层的黑色灰岩中(约占裂缝总数的47.5%)，其次分别为白云岩(约占裂缝总数的26.1%)、灰岩(约占裂缝总数的18.9%)，泥岩中裂缝约占裂缝总数的7.5%。泥岩段中发育的裂缝多为低角度缝，该类裂缝中有部分是沿泥碳质纹层的破裂缝，缝面可见不同程度的擦痕。其他岩性中的裂缝多为高角度缝和垂直缝。

2.5裂缝充填特征

岩心统计表明，研究区裂缝以充填缝为主，其中以方解石充填为主(约占69.4%)，其次为方解石半充填(约占5.5%)、泥炭质充填(约占10.1%)以及白云石充填(约合计占0.6%)；未充填裂缝仅占14.4%。

从岩性上的充填特征来看，黑灰岩中主要为发育充填裂缝(约占裂缝总数的47.5%，占充填裂缝的58.5%)，同时，也发育了一定比例的半充填裂缝和未充填缝。白云岩中未充填裂缝较为发育(约占未充填缝的77.4%和约占岩心裂缝总数的15.3%)，此类裂缝有效性较好，对天然气的渗流具有积极意义。从裂缝产状分析，水平缝的充填率最高，低角度缝充填率次之，垂直缝和高角度缝充填率最低。

3裂缝发育影响因素分析

3.1岩性影响

不同岩性地层，在相同的应力环境下破裂程度不同。岩心岩石力学测试结果表明(表1)，黑灰岩的抗拉强度最低，平均为5.23 MPa，白云岩岩石抗拉强度平均为7.01 MPa，即黑灰岩相对白云岩更易产生张性破裂；同时，黑灰岩的单轴抗压强度及弹性模量也低于白云岩相关参数，这表明在相同的地质力学条件下，黑灰岩相对于白云岩更容易产生破裂。岩心观察结果也证实，裂缝主要发育于灰岩地层中，其次为白云岩地层，泥岩中裂缝发育相对较少。

表1　马五段不同岩性岩心岩石力学测试

3.2物性因素

岩石物性(孔隙度、密度等参数)对岩石的裂缝发育情况有明显影响。岩心岩石力学参数(单轴抗压强度、单轴抗拉强度)与岩石体积密度之间关系表明，随着岩石密度的增加，岩石的单轴抗张、抗压强度呈增加趋势，说明随着物性条件变差，岩心破裂所需要的应力更高，更不易产生破裂。

3.3岩层厚度

据岩心观察统计，马五5及以上地层岩心裂缝线密度与岩层厚呈明显负相关趋势(图3a)，岩层厚度越薄，岩心裂缝密度越高，随着层厚的增加，裂缝线密度急剧降低，当层厚达到一定数值，岩心裂缝线密度基本就保持在1.5条/m，变化趋势平缓。

同时，常规测井计算裂缝发育指数[11-12]与层厚关系表明(图3b)，随着岩层厚度增加，裂缝发育指数呈指数关系降低，岩层厚度对裂缝发育影响明显。

图3　岩心裂缝发育与岩层厚度关系

以裂缝最发育的马五5为例，岩层厚度与常规测井识别的裂缝发育指数叠合分布图显示(图4)，整体上裂缝的发育程度受到了地层厚度的影响，除西南部和东北部地层相对较厚外，其他大部分区域相对较薄，而这些区域裂缝较为发育。但部分区域地层厚度薄但裂缝不发育,或地层较厚裂缝也较为发育，这也预示马五地层在一定程度上还受到其他因素的影响。

3.4构造变形强度

构造变形强度对裂缝的发育与分布起着决定作用。采用曲率法研究岩层发生形变与曲率的关系可以预测张裂缝的分布：曲率越大，张应力也越大，张裂缝也越发育[13-14]。通过对研究区奥陶系顶界构造图网格化处理，并进行构造趋势面拟合，当拟合度达到精度要求时，获得趋势面方程，并计算主曲率值。根据平面上各参考点的最大主曲率值编制研究区奥陶系顶面构造曲率分布图，并叠加常规裂缝发育指数和岩心裂缝线密度(图5)。

图4　马五5地层厚度与常规裂缝指数叠合分布图

由于研究区构造相对平缓、断裂不发育，构造曲率高值主要分布在构造鼻状隆起部位，即低幅高点，在这些区域其构造变形相对较强。总体上，裂缝发育状况受区域的构造变形强度控制明显，构造变形越强，裂缝发育指数越高。如研究区北部和南部地区处于构造曲率值较大的区域，对应的常规测井裂缝发育指数以及取心井裂缝线密度值均较高；而D14、D12-27、 D2、D66-97等井位于构造曲率较低的地区，裂缝发育指数相对偏低。但D53，D48,E1,D50等井，虽然处于构造变形强度较弱的区域，但裂缝发育指数仍较高，这表明以上地区构造变形强度并非主控因素。

3.5岩溶古地貌

大牛地气田奥陶系风化壳气藏是受古构造、岩相古地理及岩溶古地貌制约的地层-岩性圈闭隐蔽气藏，岩溶古地貌主要包括斜坡残丘、残台和斜坡凹地。研究证实[6、15-16]，风化壳古地貌影响储集层发育并控制其空间展布，可以通过常规测井识别研究区各井所处的古地貌位置，并叠合裂缝发育指数和岩心裂缝线密度进行分析(图5)。

图5　大牛地奥陶系顶部构造曲率、岩溶古地貌与　　　常规裂缝发育指数、岩心裂缝线密度叠合图

本地区古地貌位置中斜坡凹地裂缝发育指数略高于斜坡残丘和斜坡残台，但在局部地区，如D93、D12-39、 D61-27等井位于斜坡残台或残丘上，其裂缝发育指数相对较高。这表明岩溶古地貌对裂缝的发育情况具有一定的影响作用，但部分斜坡残丘(台)受构造变形或者岩层厚度等因素影响，裂缝发育指数较高。

4结论

大牛地气田奥陶系风化壳马五5及以上地层受构造、风化淋滤及化学溶蚀作用综合影响，发育构造缝、风化裂缝及成岩缝。裂缝产状以垂直缝和高角度斜交缝为主，主要发育于黑色灰岩中，次为白云岩。裂缝以充填裂缝为主，充填物以方解石为主，其余充填少见，随着裂缝倾角降低，充填率逐渐增高。

研究区裂缝发育受岩性、物性、岩层厚度、构造变形强度及岩溶古地貌等多种因素影响，其中尤以岩层厚度、构造变形强度以及岩溶古地貌影响较大，应综合考虑上述因素开展裂缝发育程度综合评价。

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编辑：吴官生

文章编号：1673-8217(2016)01-0032-05

收稿日期：2015-10-22

作者简介：贾俊，工程师，1982年生，2005年毕业于西南石油大学石油工程专业，现从事石油地质、岩石物理科研工作。

基金项目：中国石化华北分公司科技先导项目“大牛地气田下古储层裂缝发育规律研究”(KJ-12-01)部分研究内容。

中图分类号：TE111.2

文献标识码：A