趙蘭

（中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006）

杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶二疊系下石盒子組、山西組主力氣層為特低?超低滲透儲集層，近年來的勘探開發(fā)表明，目的層內(nèi)存在相對高滲的儲集層段，微裂縫是改善儲集層物性的重要因素[1]，可以作為油氣儲集空間，也可以溝通各孔隙間的聯(lián)系，極大提高儲層的滲透性[2]，因此，對于存在微裂縫的油氣藏，特別是致密砂巖油氣藏，開展儲層微裂縫的認識和研究，明確微裂縫對儲層物性的影響，是致密儲層綜合評價的重要內(nèi)容。

根據(jù)裂縫劃分級次并結(jié)合不同級別裂縫在油氣田勘探開發(fā)中的作用，將開度大于50 μm 的裂縫定義為宏觀裂縫[3]，系指可以在露頭、巖心以及測井曲線上直接觀察和描述的裂縫。將開度小于50μm 的裂縫定義為微觀裂縫[4]，該裂縫需借助顯微鏡、電鏡才能進行觀察和描述。國內(nèi)外學(xué)者對微裂縫的特征、分布、參數(shù)計算、形成機理以及其對儲層的影響開展了一些研究工作，但主要集中在頁巖、低滲透砂巖儲層，目前對致密砂巖儲層中微裂縫的成因及主控因素尚缺少系統(tǒng)研究[2?5]。以杭錦旗地區(qū)十里加汗區(qū)帶致密砂巖儲層為例，對微裂縫的發(fā)育特征、成因類型、控制因素以及其對儲層的貢獻進行研究，為油氣勘探開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，橫跨伊盟隆起、伊陜斜坡和天環(huán)坳陷3 個構(gòu)造單元[6?7]。十里加汗區(qū)帶位于杭錦旗地區(qū)中部、泊爾江海子斷裂以南，區(qū)內(nèi)三、四級小斷層較發(fā)育（圖1）。研究區(qū)主要目的層為上古生界二疊系山西組山2 段與下石盒子組盒1 段，地層厚度為75～110 m，構(gòu)造埋藏深度為2 650～3 200 m，沉積環(huán)境為辮狀河和三角洲平原，發(fā)育多套碎屑巖沉積，儲層厚度較大，非均質(zhì)性強。目的層以巖屑石英砂巖為主，其次為巖屑砂巖；砂巖成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度中等，填隙物為泥質(zhì)雜基、碳酸鹽和硅質(zhì)膠結(jié)物，膠結(jié)類型以孔隙膠結(jié)和接觸膠結(jié)為主；顆粒支撐，點—線接觸為主，少量凹凸接觸；儲層平均孔隙度為8.3 %，平均滲透率則小于1×10?3μm2，屬致密砂巖儲層；儲集空間以粒內(nèi)溶孔、粒間溶孔為主，可見晶間微孔和微裂縫，偶見少量粒間孔和鑄?？?。微裂縫是該區(qū)致密砂巖儲層有效儲集空間的重要組成部分，其發(fā)育程度對產(chǎn)能具有重要的控制作用。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及地層柱狀圖Fig.1 Structural location and stratigraphic histogram of study area

2 微裂縫的類型及特征

研究區(qū)平均每塊裂縫薄片中有2～3 條微裂縫，反映該區(qū)致密砂巖儲層微裂縫較為發(fā)育。

按照巖心常規(guī)薄片、鑄體薄片中微裂縫與顆粒的接觸關(guān)系，可將致密砂巖儲層的微裂縫分為粒內(nèi)縫、粒緣縫和穿?？p。研究區(qū)以粒緣縫為主，含粒緣縫的薄片占51.9 %，平均開度為12.5 μm，平均面密度為0.51 cm/cm2。含穿?？p的薄片占22.2 %，開度主要分布于10～25 μm，少數(shù)可達50 μm，平均面密度為0.43 cm/cm2。含粒內(nèi)縫的薄片占25.9 %，平均開度為5.6μm，平均面密度為0.25 cm/cm2（表1）。

表1 接觸關(guān)系分類的微裂縫特征統(tǒng)計Table 1 Statistics of microfracture characteristics in contact relation classification

按照微裂縫的充填程度則可分為未充填縫、不完全充填縫和完全充填縫，其中以未充填縫為主，占比達53.2 %，其次為完全充填縫，占比為26.1 %，不完全充填縫占比為20.7 %，反映該區(qū)微裂縫充填程度中等（表2）。

表2 充填程度分類的微裂縫特征統(tǒng)計Table 2 Statistics of microfracture characteristics classified by filling degree

2.1 接觸關(guān)系分類

1）粒內(nèi)縫：發(fā)育在顆粒內(nèi)部，常見于石英或長石顆粒中。此類裂縫延伸長度小，終止于顆粒內(nèi)部或邊緣，開度一般小于10μm。因規(guī)模受限，粒內(nèi)縫互不連通，即使該裂縫較發(fā)育，其對儲層的滲透性貢獻也?。▓D2a）。

2）粒緣縫：沿顆粒邊緣發(fā)育，相互連通性好。此類裂縫規(guī)模中等，延伸中等，其開度一般小于15μm，粒緣縫多呈網(wǎng)狀分布（圖2b）。粒緣縫是研究區(qū)最主要的微裂縫類型。

3）穿?？p：不受顆粒限制，表現(xiàn)為切穿巖石顆粒和基質(zhì)。此類裂縫規(guī)模相對較大，延伸較長，平均開度為20μm，少數(shù)達50μm，常具斷續(xù)、分支等分布特征，可與粒緣縫交織呈網(wǎng)狀，從而增加儲層滲透性（圖2c）。

2.2 充填程度分類

1）未充填縫：微裂縫未被礦物充填，可作為儲集空間或滲流通道（圖2d）。

2）不完全充填縫：微裂縫沒有完全被礦物充填，充填物內(nèi)仍存在孔隙空間，部分可作為儲集空間或滲流通道。該類型的裂縫可以是早期未充填完全，也可以是充填完全后再次裂開的裂縫（圖2e）。

3）完全充填縫：微裂縫形成以后，完全被礦物充填。充填物內(nèi)無孔隙空間，不可作為儲集空間或滲流通道，即無效縫（圖2f）。

圖2 微裂縫類型薄片F(xiàn)ig.2 Thin sheet showing microfracture types

3 微裂縫成因及期次探討

3.1 微裂縫成因

微裂縫在成因上可分為原生、成巖和構(gòu)造成因的微裂縫。

原生微裂縫是指儲層沉積以前的母巖中已形成的裂縫，它們絕大部分已經(jīng)被礦物全充填，屬于無效裂縫[8?10]。研究區(qū)原生成因的粒內(nèi)縫大多被泥質(zhì)完全充填（圖2a）。

成巖微裂縫是在成巖過程中形成，由沉積物壓實失水，顆粒之間相互擠壓而形成。成巖成因的粒內(nèi)縫以裂縫與顆粒間的接觸面垂直為特征，多為不規(guī)則形狀，一般顆粒間以線—凹凸接觸方式易形成此類裂縫（圖3a）。機械壓實作用形成的粒緣縫、穿粒縫則相對較少。

構(gòu)造微裂縫是受構(gòu)造應(yīng)力控制的裂縫，方向性明顯[11]。研究區(qū)以構(gòu)造成因的微裂縫占主導(dǎo)，鑄體薄片上可觀察到大量構(gòu)造成因的粒內(nèi)縫與構(gòu)造成因的粒緣縫、穿?？p近平行，或是構(gòu)造成因的粒緣縫、穿?？p相互伴生（圖3b）。

圖3 微裂縫成因薄片F(xiàn)ig.3 Thin sheet showing origin of microfractures

3.2 微裂縫期次

微裂縫的充填序列和切割關(guān)系可為裂縫的形成期次和形成時間提供地質(zhì)依據(jù)[12?14]。通過觀察薄片中微裂縫的充填及切割現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)既有原生裂縫充填（圖4a），又有成巖裂縫充填以及成巖后溶蝕形成的裂縫（圖4b），以及前期充填的裂縫二次裂開形成的構(gòu)造縫（圖4c），同時，觀察到一組構(gòu)造縫切割另一組構(gòu)造縫（圖4d）。

圖4 微裂縫形成期次薄片F(xiàn)ig.4 Thin sheet showing microfracture formation stage

綜合研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造演化及巖心薄片分析：原生裂縫是由早期差異性壓實作用形成，當(dāng)成巖演化到一定階段，由油氣充注時產(chǎn)生的酸性流體物質(zhì)改造形成溶蝕縫，到了晚期，研究區(qū)主要經(jīng)歷兩期較強的構(gòu)造運動，分別是燕山期的強烈擠壓和喜山期的張扭反轉(zhuǎn)作用，致使前期充填的裂縫二次裂開或是晚期形成的裂縫切割早期裂縫。

基于上述特征，總結(jié)出研究區(qū)至少存在三期微裂縫：第一期為早期泥質(zhì)或碳質(zhì)充填在原生裂縫中；第二期為瀝青、黏土充填在成巖裂縫中或部分微裂縫進一步溶蝕形成溶蝕縫；第三期為晚期瀝青充填的成巖裂縫再次裂開或成巖過程中被方解石交代的礦物裂開形成的構(gòu)造裂縫。

4 微裂縫發(fā)育控制因素

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景，研究區(qū)內(nèi)斷層較為發(fā)育。在構(gòu)造應(yīng)力作用下，區(qū)內(nèi)宏觀、微觀裂縫廣泛發(fā)育，在不同地層不同沉積相帶中均可見微裂縫，其形成與構(gòu)造作用有關(guān)。同時，微裂縫的發(fā)育還與碎屑巖的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同砂巖粒度、巖石碎屑成分、巖屑和填隙物含量以及顆粒間的接觸關(guān)系控制著微裂縫的發(fā)育程度?？傮w上，研究區(qū)微裂縫的發(fā)育可歸為內(nèi)在和外在兩類控制因素。

4.1 內(nèi)在控制因素

砂巖粒度：較粗的顆粒相互間接觸面積小，單位面積上所受上覆巖層壓力和側(cè)向壓力較大[15?16]，利于微裂縫發(fā)育，反之，粒度小的砂巖，微裂縫則不發(fā)育。顆粒大小的均勻程度同樣控制著微裂縫的發(fā)育程度：分選好的砂巖顆粒間接觸面積小，利于微裂縫發(fā)育，反之，則不發(fā)育。對研究區(qū)鑄體薄片進行微裂縫統(tǒng)計，微裂縫主要發(fā)育在含礫粗砂巖、中—粗砂巖中，粒徑主要分布區(qū)間為0.50～0.83 mm，且粒度越粗、分選越好，微裂縫越發(fā)育（圖5）。

圖5 不同砂巖粒度微裂縫發(fā)育直方圖Fig.5 Histogram of microfracture development in sandstone with different grain sizes

巖石碎屑成分：研究區(qū)裂縫薄片中部分巖石碎屑含灰質(zhì)、鈣質(zhì)等脆性成分，在相同應(yīng)力條件下，相對脆性的顆粒相互擠壓，所受應(yīng)力較為集中，易破裂而形成微裂縫。

巖屑和填隙物含量：當(dāng)硬度較高的石英、長石和含量較高的軟性巖屑、填隙物在上覆壓力和側(cè)向壓力作用下，由于橫向和縱向上軟、硬物質(zhì)的壓實速率不同，易在軟硬物質(zhì)的接觸處，即石英和長石顆粒周邊發(fā)生相對位移和錯動，形成粒緣縫[17]，研究區(qū)目的層砂巖以巖屑石英砂巖為主，其次為巖屑砂巖，可見巖屑含量相對較高，粒緣縫為該區(qū)主要微裂縫類型（表1）。而當(dāng)砂巖中填隙物含量較低時，在受到外力作用時，因石英、長石顆粒及巖屑周邊缺少塑性組分的抗壓，則易在顆?；驇r屑中形成粒內(nèi)縫和穿粒縫。

顆粒間的接觸關(guān)系：研究區(qū)顆粒間以點—線接觸為主，偶見凹凸接觸。點—線接觸有利于粒內(nèi)縫、粒緣縫發(fā)育（圖2b），線—凹凸接觸則有利于穿?？p發(fā)育，而其他接觸方式未見微裂縫發(fā)育。

4.2 外在控制因素

研究區(qū)二疊系山西組山2段與下石盒子組盒1段的微裂縫的發(fā)育具有普遍性。受區(qū)域構(gòu)造作用的控制，盆地在經(jīng)歷海西期及印支期的穩(wěn)定沉積后，燕山期地層受強烈的擠壓和隆升，形成一系列逆沖斷層、節(jié)理構(gòu)造，由于巖石內(nèi)在因素的控制，抗壓性的不同，導(dǎo)致地層中發(fā)育不同特征的微裂縫[18]，如方向性明顯的構(gòu)造微裂縫（圖2d）、網(wǎng)狀交織的構(gòu)造微裂縫（圖2b）等。后期受喜山運動的拉張作用，發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，發(fā)育張扭性斷層，并導(dǎo)致裂縫的二次裂開（圖4c）或切割現(xiàn)象（圖4d），多期構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)合作用結(jié)果形成了當(dāng)前的微裂縫展布格局。

5 微裂縫對儲層的控制作用

5.1 儲層物性

根據(jù)研究區(qū)20口井1 571塊巖心物性資料分析，同等滲透率的巖心樣品，含微裂縫的孔隙度明顯低于不含微裂縫的孔隙度，而同等孔隙度的巖心樣品，滲透率高的微裂縫發(fā)育程度明顯高于滲透率低的樣品。砂巖孔隙度主要介于4.3%～23.9%，平均孔隙度8.3%，滲透率主要介于（0.01～2.61）×10?3μm2，平均滲透率0.89×10?3μm2，為典型的致密砂巖儲層。其中，不含微裂縫的巖心樣品平均孔隙度7.0 %，平均滲透率0.31×10?3μm2，孔滲正相關(guān)性較好（圖6a）；含微裂縫的巖心樣品平均孔隙度11.0 %，平均滲透率3.23×10?3μm2，孔滲幾乎無相關(guān)性（圖6b）。以上統(tǒng)計結(jié)果說明，微裂縫主要影響儲層滲透率，對儲層孔隙度影響較滲透率小，主要起溝通孔隙的作用。

圖6 滲透率與孔隙度關(guān)系Fig.6 Relation between permeability and porosity

研究區(qū)致密砂巖儲層未充填的微裂縫可以溝通各孔隙間的聯(lián)系，極大提高儲層的滲透性。裂縫形成以后，在后期成巖過程中往往被黏土、瀝青充填，不完全充填縫的裂縫體積變小，有效性變差，而完全充填縫則無可測孔隙空間，對儲層滲透率不起作用。另外，瀝青完全充填的微裂縫因構(gòu)造作用再次裂開以及部分微裂縫進一步溶蝕，這些微裂縫使儲層孔隙得以溝通，滲透性增強[19]。研究區(qū)未充填縫與不完全充填縫共占73.9 %，反映該區(qū)多數(shù)裂縫有效性好，對儲層滲透率貢獻作用較大。

5.2 孔喉結(jié)構(gòu)

通過分析研究區(qū)13 口井71 塊壓汞樣品的平均喉道半徑與滲透率的相關(guān)性關(guān)系，對比微裂縫發(fā)育的巖心樣品和微裂縫不發(fā)育的巖心樣品的滲透率差別，進而分析微裂縫對儲層物性的影響。

圖7可看出，對樣品的平均喉道半徑和滲透率值均取對數(shù)后，兩者符合線性關(guān)系。微裂縫不發(fā)育的樣品相關(guān)系數(shù)達0.945，說明在致密砂巖儲層中，平均喉道半徑對滲透率起主要控制作用[20?21]，且平均喉道半徑越大，滲透率越高；反之，滲透率越小。微裂縫發(fā)育的樣品直線斜率大于微裂縫不發(fā)育的樣品，這說明微裂縫發(fā)育的樣品與不含微裂縫的樣品喉道半徑相當(dāng)時，前者滲透率更高。同時，微裂縫發(fā)育的樣品相關(guān)系數(shù)為0.724，低于微裂縫不發(fā)育的樣品，主要是滲透率低值區(qū)，樣品較分散。表明隨著微裂縫的發(fā)育程度降低，其對滲透率的貢獻也隨之變?nèi)?，?dǎo)致滲透率值降低，而其他因素如微觀均質(zhì)系數(shù)、相對分選系數(shù)等因素對滲透率的影響則越大，受多因素影響，故滲透率低值區(qū)樣品變得分散。

圖7 滲透率與平均喉道半徑關(guān)系Fig.7 Relation between permeability and average throat radius

6 結(jié)論

1）研究區(qū)盒1段致密砂巖按照接觸關(guān)系可分為粒內(nèi)縫、粒緣縫和穿粒縫，按照充填程度可分為未充填縫、不完全充填縫和完全充填縫；根據(jù)成因分析，研究區(qū)至少存在三期微裂縫，分別為早期原生縫，成巖后溶蝕縫以及晚期形成的構(gòu)造縫。

2）微觀裂縫的發(fā)育程度主要受內(nèi)因（砂巖粒度、巖石碎屑成分、巖屑和填隙物含量以及顆粒間的接觸關(guān)系等）和外因（構(gòu)造應(yīng)力）的聯(lián)合控制。粒度較粗、分選較好、碎屑含脆性成分、點—線與凹凸接觸以及較強的構(gòu)造應(yīng)力作用有利于微裂縫發(fā)育。

3）微裂縫對儲層物性的影響主要體現(xiàn)在對滲透率具有重要貢獻，對儲層孔隙度影響較小，主要起溝通孔隙的作用。平均喉道半徑對儲層滲透率起主要控制作用，且平均喉道半徑越大，滲透率越高；反之，滲透率越小。