趙志興, 徐國盛, 趙林海, 張 武, 苗 清

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059； 2.中海石油(中國)有限公司 上海分公司,上海 200030)

東海陸架盆地西湖凹陷作為中國近海油氣資源豐富且具有較大勘探潛力的凹陷之一[1-2]，其致密砂巖儲層油氣資源量巨大，是近年來東海油氣勘探開發(fā)的主體[3-4]。20世紀(jì)70年代以來，對古近系花港組、平湖組致密砂巖氣的勘探開發(fā)取得重要成果，且在斷裂附近裂縫發(fā)育帶新獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，使油氣勘探遠(yuǎn)離斷層的傳統(tǒng)思想向近斷層找裂縫發(fā)育帶轉(zhuǎn)化[5]。裂縫作為油氣運(yùn)移的通道和油氣儲集的空間，可提高油氣產(chǎn)量，是致密砂巖氣穩(wěn)定高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[6]。西湖凹陷西斜坡花港組、平湖組裂縫較為發(fā)育，勘探已鉆遇裂縫-孔隙型儲層。

前人對于西湖凹陷油氣地質(zhì)做過大量研究，且取得了豐富的成果，但對于致密砂巖儲層有效裂縫測井識別的研究相對薄弱。因此，本文將展開對西湖凹陷西部斜坡帶花港組、平湖組的致密砂巖儲層有效裂縫測井識別預(yù)測研究，探求該地區(qū)的裂縫識別方法，預(yù)測裂縫-孔隙型儲層分布的層段。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東海陸架盆地處于歐亞板塊東南邊緣，現(xiàn)今為“東西分帶、南北分塊”[7-8]的構(gòu)造格局。西湖凹陷位于東海盆地東北部，屬于東海陸架盆地東部拗陷帶的次級凹陷[4]。西湖凹陷東鄰釣魚島褶皺帶，西接海礁隆起以及漁山東低隆起，北、南分別與福江凹陷和釣北凹陷相連接，總面積約4.6×105km2，總體構(gòu)造走向呈北北東向，南北長約460 km，東西寬約100 km?，F(xiàn)今西湖凹陷構(gòu)造格局主要受NNE和NW向兩組基底斷裂系統(tǒng)的控制，其中NNE向基底斷裂造成了凹陷整體呈“兩洼夾一隆”的構(gòu)造形態(tài)，而NW向基底斷裂則造成了凹陷整體格局[9]。西湖凹陷自西向東為西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東次凹、東部斷階帶(圖1)。本項(xiàng)研究的目的層位為古近系漸新統(tǒng)花港組和中上始新統(tǒng)平湖組[10-12]。花港組為灰色泥巖與粉細(xì)砂巖互層；平湖組為灰-深灰色泥巖與粉砂巖、細(xì)砂巖不等厚互層，夾瀝青質(zhì)煤。

圖1 西湖凹陷區(qū)域構(gòu)造位置及地層綜合柱狀圖Fig.1 Regional tectonic location and stratigraphic comprehensive histogram in Xihu Sag

2 裂縫發(fā)育特征及影響因素

2.1 裂縫發(fā)育特征

通過對西湖凹陷西部斜坡帶古近系花港組、平湖組致密砂巖儲層16口井的巖心裂縫觀察(表1)，其中包括75條層理縫(或含有破裂面)、20條構(gòu)造縫、13條成巖收縮縫及極少量礫緣縫、礫內(nèi)縫(圖2)，表明研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育層理縫、構(gòu)造縫和少量成巖收縮縫，并且成巖收縮縫在泥巖取心段普遍發(fā)育，礫緣縫和礫內(nèi)縫在礫巖和含礫砂巖中廣泛發(fā)育(圖3)。B2、E1、F1井巖心裂縫數(shù)分別為15、19、11條，指示裂縫較為發(fā)育。

圖2 研究區(qū)巖心裂縫類型Fig.2 Fracture types in drilling cores in the study area

2.1.1 裂縫類型

按成因分類，研究區(qū)巖心觀察到的裂縫類型主要為層理縫和構(gòu)造縫。層理縫是由沉積韻律變化所形成的一種縫隙[13-14]，主要為水平縫和低角度縫(圖3-A、B)，是研究區(qū)的主要裂縫類型。構(gòu)造縫可能與局部的構(gòu)造或斷層活動有關(guān)[15-16]，研究區(qū)的構(gòu)造縫主要為垂直縫和高角度縫(圖3-C、D)。研究區(qū)內(nèi)還發(fā)育少量成巖收縮縫和礫緣縫、礫內(nèi)縫，由于量少且為局部發(fā)育，因此在以下的裂縫發(fā)育特征分析研究中將其忽略不計(jì)。

2.1.2 裂縫產(chǎn)狀

通過對研究區(qū)16口井(表1)巖心進(jìn)行觀察，可觀察到水平縫、垂直縫、低角度斜交縫和高角度斜交縫(表2、圖3)。研究區(qū)共計(jì)95條裂縫(75條層理縫和20條構(gòu)造縫)，層理縫主要為水平縫和低角度斜交縫，有少量高角度斜交縫(圖4)，分別為38、33、4條，占總裂縫的40.0%、34.7%、4.2%；構(gòu)造縫為高角度斜交縫和垂直縫，分別為15、5條，占總裂縫的15.8%、5.3%。

表1 研究區(qū)單井巖心資料及裂縫觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Single well core data and statistics of fracture observation in the study area

表2 裂縫產(chǎn)狀分類Table 2 Classification of fracture occurrence

2.1.3 巖心裂縫充填特征

裂縫按其被其他物質(zhì)充填狀況分為未充填縫、半充填縫和充填縫[13]，其中前兩者為有效裂縫，對儲層有直接影響，后者為無效裂縫，對儲層無影響。對研究區(qū)巖心進(jìn)行觀察，將裂縫分為充填縫和未充填縫(圖3)。

圖3 研究區(qū)常見裂縫類型照片F(xiàn)ig.3 Photographs showing common crack types in the study area (A)層理縫,未貫穿,淺灰色細(xì)砂巖，低角度縫，泥質(zhì)充填，B3井，深度4 225.74 m; (B)淺灰色細(xì)砂巖，多條層理縫，泥炭質(zhì)充填，水平縫,B2井，深度4 054.26～4 054.20 m; (C)構(gòu)造縫，淺灰色細(xì)砂巖，充填，錯(cuò)斷層理縫，高角度縫,E1井，深度4 337.04～4 336.90 m; (D)構(gòu)造縫，淺灰色細(xì)砂巖，未充填，錯(cuò)斷層理縫, F1井，深度3 684.63～3 684.36 m; (E)構(gòu)造縫,淺灰色細(xì)砂巖，方解石充填, F1井，深度3 683～3 683.43 m; (F)礫緣縫、礫內(nèi)縫，含礫砂巖，泥礫發(fā)育,B5井， 深度4 400.93～4 400.66 m

圖4 研究區(qū)巖心裂縫產(chǎn)狀分布圖Fig.4 Distribution of core fracture occurrence in the study area

研究區(qū)的構(gòu)造裂縫中，充填縫和未充填縫分別為11條、9條，占比分別為55%和45%；層理縫以充填縫為主，有74條充填縫，僅有1條未充填縫，占比分別為98.7%、1.3%(圖5)。對充填物類型統(tǒng)計(jì)得出：被充填的層理縫中，充填物質(zhì)以泥質(zhì)、泥炭質(zhì)為主，少量裂縫被炭質(zhì)充填；被充填的構(gòu)造縫中，充填物質(zhì)主要為泥質(zhì)和少量泥炭質(zhì)、方解石。由于被充填的構(gòu)造縫數(shù)量相對層理縫較少，僅有11條，所以統(tǒng)計(jì)結(jié)果不具有代表性(圖6)。

圖5 不同類型巖心裂縫充填特征Fig.5 Filling characteristics of different types of core fractures

圖6 不同產(chǎn)狀巖心裂縫充填特征Fig.6 Filling characteristics of different types of core occurrences

2.2 裂縫發(fā)育影響因素

2.2.1 巖性對裂縫發(fā)育的影響

巖性是裂縫發(fā)育的基礎(chǔ)因素，不同的巖石具有不同的性質(zhì)(包括巖性、物性以及力學(xué)性質(zhì)等)，不同的性質(zhì)導(dǎo)致裂縫的發(fā)育程度也不同。即使在相同應(yīng)力場環(huán)境下，巖石所含脆性礦物越多，越容易發(fā)生破裂，形成裂縫越多，即裂縫密度越高，因此巖性對巖石裂縫發(fā)育的影響較大。通過觀察巖心得出：層理縫均發(fā)育在砂巖中；構(gòu)造縫大部分發(fā)育在砂巖中，僅有1條發(fā)育在泥巖中。同樣，從成像測井裂縫識別中觀察到的構(gòu)造縫僅有2條發(fā)育在泥巖中，其余71條均發(fā)育于砂巖中(圖7)，所以，砂巖是裂縫發(fā)育的主要載體。

圖7 研究區(qū)砂巖和泥巖中裂縫發(fā)育數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of fracture development in sandstone and mudstone in the study area

2.2.2 單層厚度對裂縫發(fā)育的影響

單一巖層厚度越小，越容易發(fā)生破裂，裂縫密度越高，即巖層越薄，裂縫發(fā)育指數(shù)越高(裂縫發(fā)育指數(shù)=有效裂縫發(fā)育單層厚度/單層巖性厚度)。由于不同巖性的巖石破裂能力不同，所以裂縫不會貫穿單一巖性的巖層[18-19]。通過對研究區(qū)16口單井中識別出的30條裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)裂縫發(fā)育指數(shù)與單層厚度存在較好的負(fù)相關(guān)性(圖8)，單一巖層厚度越大，裂縫越不發(fā)育，相關(guān)系數(shù)R=0.903，說明單一巖層厚度是影響研究區(qū)裂縫發(fā)育的重要因素之一。

圖8 單層厚度與裂縫發(fā)育指數(shù)關(guān)系圖Fig.8 Relationship between single layer thickness and fracture development index

2.2.3 斷裂對裂縫發(fā)育的影響

在研究區(qū)內(nèi)，利用13口井的數(shù)據(jù)進(jìn)行了單井距斷層距離與裂縫發(fā)育指數(shù)的相關(guān)性研究。受斷裂發(fā)育規(guī)模的影響，東部地區(qū)裂縫更為發(fā)育(表1)。研究發(fā)現(xiàn)：在距離斷層0～2 km的范圍內(nèi)裂縫發(fā)育，且距離越遠(yuǎn)裂縫發(fā)育越少。裂縫發(fā)育指數(shù)與單井距斷層的距離之間存在明顯的負(fù)相關(guān)性(圖9)，單井距斷層越遠(yuǎn)，裂縫越不發(fā)育，相關(guān)系數(shù)R=0.853，說明裂縫發(fā)育程度明顯受斷裂影響，單井距斷層的距離是裂縫發(fā)育的重要影響因素之一。

圖9 單井距斷層的距離與裂縫發(fā)育指數(shù)關(guān)系圖Fig.9 The relationship between the distance of a single well and the fracture development index

2.2.4 地應(yīng)力對裂縫發(fā)育的影響

地層中的構(gòu)造應(yīng)力會導(dǎo)致地層發(fā)生形變，形變過大會導(dǎo)致地層破裂進(jìn)而形成裂縫；外界構(gòu)造應(yīng)力越大，裂縫的發(fā)育程度及分布情況越會隨之改變。本文通過差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)和古地磁實(shí)驗(yàn)對研究區(qū)裂縫發(fā)育情況受地應(yīng)力作用的影響進(jìn)行研究。差應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中通過對巖心加壓進(jìn)行不同方向的差應(yīng)變分析，得到最大與最小主應(yīng)力在空間的方向；古地磁實(shí)驗(yàn)中利用巖心樣品測定磁性礦物中的黏滯剩磁特征，確定巖石中最大主應(yīng)力方向與黏滯剩磁方向的關(guān)系，獲得了真實(shí)地應(yīng)力方向(表3)。

表3 差應(yīng)變及古地磁實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experiment results of differential strain and paleomagnetics

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了C構(gòu)造的水平最大主應(yīng)力大小及方向：水平最大主應(yīng)力約為110 MPa，方向約為N80°E。以研究區(qū)C1井構(gòu)造為例(圖10)，從C1井成像測井資料中發(fā)現(xiàn)在深度為4 478～4 480 m之間有2條天然高阻構(gòu)造縫呈亮色正弦曲線，均發(fā)育于泥巖中(GR高值)；通過計(jì)算，2條裂縫的走向分別為N95°E與N70°E，與實(shí)驗(yàn)得出的水平最大主應(yīng)力方向基本一致，說明地應(yīng)力對裂縫發(fā)育有重要影響。

圖10 C1井構(gòu)造裂縫識別圖Fig.10 Identification diagram of structural fractures in Well C1

3 有效裂縫測井識別預(yù)測

有效裂縫為未充填裂縫，無效裂縫/非裂縫為充填裂縫和無裂縫地層[19]。有效裂縫的分布規(guī)律控制著油氣藏的分布規(guī)律，進(jìn)而影響油氣井的產(chǎn)能；因此，準(zhǔn)確識別有效裂縫對油氣藏的勘探開發(fā)具有重要價(jià)值。研究區(qū)發(fā)育的裂縫主要為層理縫和構(gòu)造縫。層理縫由于被其他物質(zhì)所充填，裂縫有效性差，因此本文以構(gòu)造縫為主要研究對象，并取少量層理縫樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)行有效裂縫測井識別預(yù)測。選取樣本時(shí)，裂縫發(fā)育段樣本和裂縫不發(fā)育段樣本各選一半，并將選取的樣本分為有效裂縫(19條)和無效裂縫或非裂縫(17條)。對2類裂縫的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行定性分析，預(yù)測單井有效裂縫的發(fā)育層位，為預(yù)測儲層分布提供依據(jù)。

3.1 交會圖法

常規(guī)測井方法識別有效裂縫的應(yīng)用中，電阻率測井(深淺側(cè)向測井、微電阻率測井)、密度測井、聲波測井和中子測井這4種方法對識別有效裂縫有較好的效果；因此本文利用測井參數(shù)(聲波時(shí)差、自然伽馬、深側(cè)向電阻率及深淺側(cè)向電阻率差的絕對差值等)對研究區(qū)36條巖心裂縫進(jìn)行兩兩交會做散點(diǎn)圖，選出可區(qū)分有效裂縫與無效裂縫或非裂縫的測井參數(shù)，并劃出有效裂縫與無效裂縫或非裂縫的界限，從而達(dá)到區(qū)分有效裂縫與無效裂縫或非裂縫的目的。

有效裂縫的聲波時(shí)差值(Δt)主要為61.16～67.52 μs/ft(1 ft=0.304 8 m)，平均值為64.35 μs/ft，變化范圍小，分布較穩(wěn)定；無效裂縫的聲波時(shí)差值主要為62.42～79.39 μs/ft，平均值為70.34 μs/ft，分布范圍較大，分布不穩(wěn)定：兩者有較明顯的區(qū)別，表明聲波時(shí)差對區(qū)分有效裂縫與無效裂縫或非裂縫效果很好。有效裂縫的GR值(γ)主要為48.31～68.54 API，平均值為59.73 API，變化范圍大，分布不穩(wěn)定；無效裂縫的GR值主要為58.39～79.61 API，平均值為71.36 API，變化范圍大，分布不穩(wěn)定；但兩者界限較為明顯，表明GR值可以區(qū)分部分有效裂縫與無效裂縫或非裂縫。兩者的深側(cè)向電阻率(ρd)及深淺側(cè)向電阻率差的絕對差值(|ρd-ρs|)變化范圍很大，且無明顯邊界，表明ρd、|ρd-ρs|對兩者的區(qū)分效果不明顯(圖11)。

圖11 測井裂縫識別圖版Fig.11 Logging fracture identification chart

3.2 定量預(yù)測模型

測井響應(yīng)所受影響因素眾多，對于裂縫層段如果受其他因素(如井眼、圍巖、鉆井液、測量、記錄等)影響過大而掩飾了裂縫對測井響應(yīng)信號的作用，則裂縫的識別就會變得很困難，因此要采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行測井裂縫識別研究。本文運(yùn)用逐步判別法對典型樣本進(jìn)行判別，具體做法是通過多元統(tǒng)計(jì)分析軟件(SPSS)，對36個(gè)裂縫樣本的測井參數(shù)(其中有效裂縫樣本19個(gè)，非有效裂縫樣本17個(gè))，分別采用Y1、Y2進(jìn)行標(biāo)識，使用逐步判別法，通過不斷引入新的變量和不斷剔除無用變量，最終優(yōu)選出自然伽馬值、聲波時(shí)差、深側(cè)向電阻率與淺側(cè)向電阻率的差值3個(gè)常規(guī)測井參數(shù)。2種類型樣本的判別函數(shù)如表4。

表4 分類函數(shù)系數(shù)Table 4 Classification function coefficient

Y1=1.371γ+4.370 Δt-0.140|ρd-ρs|-181.074

(1)

Y2=1.566γ+4.667 Δt-0.069|ρd-ρs|-213.649

(2)

式中：Y1為有效裂縫判別函數(shù)；Y2為無效裂縫和非裂縫判別函數(shù)；γ為自然伽馬值；Δt為聲波時(shí)差測井值；|ρd-ρs|為深、淺側(cè)向電阻率差的絕對值。

運(yùn)用判別函數(shù)對研究區(qū)36個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，結(jié)果顯示判錯(cuò)了5個(gè)，回判率為86.1%，表明此方法判別效果良好。

在判別分析識別有效裂縫的基礎(chǔ)上，引入“概率因子”進(jìn)行二次識別，使得最終有效裂縫判別結(jié)果既考慮巖性(泥巖)對裂縫識別的影響，也提高裂縫識別的準(zhǔn)確性；但只有當(dāng)有效裂縫判別概率大于0.7時(shí)，才能將其判斷為有效裂縫。有效、無效裂縫概率判別函數(shù)如下:

有效裂縫概率=

(3)

無效裂縫概率=

(4)

計(jì)算出研究區(qū)36個(gè)樣本數(shù)據(jù)的有效/無效裂縫判別概率，并對Y1值與Y2值進(jìn)行概率學(xué)統(tǒng)計(jì)，得出如圖12所示的概率分布圖。圖中表明兩者具有明顯的界限，有效裂縫判別概率值在0.75以上基本為有效裂縫，即最終有效裂縫發(fā)育的概率下限為0.75。

圖12 研究區(qū)裂縫概率分布圖Fig.12 Crack probability distribution diagram in the study area

4 預(yù)測結(jié)果及評價(jià)

前文運(yùn)用定性、半定量的裂縫識別方法(交會圖法、概率判別法)對研究區(qū)有效裂縫發(fā)育層段進(jìn)行識別，均取得較好的結(jié)果。綜合考慮研究區(qū)巖心、成像裂縫資料，最終確定采用概率判別法對有效裂縫發(fā)育層段進(jìn)行識別預(yù)測。綜合考慮研究區(qū)所有的單井測井資料的完成度，以C1井、C2井和F1井為典型井進(jìn)行裂縫識別及預(yù)測(圖13、圖14、圖15)，其預(yù)測結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果吻合度較高。以下僅以C1井為例做解釋。

圖13 C1井(3 700～4 700 m)有效裂縫綜合識別剖面圖Fig.13 Comprehensive identification profile of effective fractures in Well C1

圖14 C2井(2 800～4 300 m)有效裂縫綜合識別剖面圖Fig.14 Comprehensive identification profile of effective fractures in Well C2

圖15 F1井(3 250～4 150 m)有效裂縫綜合識別剖面圖Fig.15 Comprehensive identification profile of effective fractures in Well F1

C1井在3 700～4 700 m深度范圍內(nèi)可識別出多條裂縫，其中以平湖組上段(3 731～3 762 m)、中段(4 309～4 335 m、4 365～4 383 m)和下段(4 513～4 555 m、4 587～4 643 m)部分層段為有效裂縫識別效果顯著層段。以平湖組下段 4 513～4 555 m深度為例，該層段巖性主要為細(xì)-中砂巖和粗-中砂巖，有效裂縫判別值在1左右，遠(yuǎn)大于有效裂縫發(fā)育的概率下限0.75，結(jié)合伽馬、中子、密度、深側(cè)向和淺側(cè)向等測井參數(shù)，綜合識別出該層段有效裂縫發(fā)育。

5 結(jié) 論

a.巖心裂縫觀察表明，西湖凹陷花港組、平湖組主要發(fā)育層理縫和構(gòu)造縫；層理縫在研究區(qū)廣泛分布；構(gòu)造縫在研究區(qū)局部發(fā)育且數(shù)量相對較少。巖心裂縫主要發(fā)育于砂巖中，泥巖中偶見極少量構(gòu)造縫。層理縫為水平縫和低角度縫，構(gòu)造縫主要為高角度縫和垂直縫。構(gòu)造縫中被充填與未充填的數(shù)量大致相當(dāng)，層理縫絕大部分都被充填。充填物以泥炭質(zhì)為主。

b.巖性對裂縫發(fā)育有一定程度的影響，砂巖是裂縫發(fā)育的重要載體；裂縫發(fā)育指數(shù)與單層厚度呈負(fù)相關(guān)性；裂縫發(fā)育指數(shù)與單井距斷層的距離呈負(fù)相關(guān)性；裂縫走向與水平最大主應(yīng)力方向基本一致。

c.常規(guī)測井有效裂縫識別方法分交會圖法和概率判別法2種。交會圖法中，伽馬、聲波時(shí)差等測井參數(shù)對研究區(qū)有效裂縫與無效裂縫/非裂縫具有一定的區(qū)分效果；概率判別法中，通過建立有效裂縫判別函數(shù)以及引入“概率因子”對有效裂縫進(jìn)行二次識別，當(dāng)有效裂縫概率大于75%時(shí)，將其判為有效裂縫，反之為無效裂縫。運(yùn)用此預(yù)測方法，最終確定有效裂縫發(fā)育層段為花港組下段和平湖組中下段。