Development Characteristics and Controlling Factors of Natural Fractures in Chang 7 Shale Oil Reservoir, Longdong Area, Ordos Basin
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摘要: 鄂尔多斯盆地陇东地区长7页岩油储层天然裂缝类型多样,裂缝是影响页岩油富集和产能的关键因素.为了指导该地区的勘探开发,综合利用野外露头、岩心、薄片、成像测井等资料,分析天然裂缝的成因类型和发育特征.研究区的天然裂缝按照成因可分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝三大类,其中构造裂缝主要包括高角度剪切裂缝、低角度剪切裂缝和张裂缝;成岩裂缝以层理缝为主,发育少量缝合线;异常高压裂缝发育较少.在此基础上进一步研究影响裂缝发育的控制因素,研究表明构造裂缝主要受到岩性、岩石力学层厚度和构造应力场的控制,层理缝的发育程度与有机碳含量和纹层有关,异常高压裂缝主要受异常高压的影响.Abstract: There are various types of natural fractures in Chang 7 shale oil reservoir in Longdong area, Ordos Basin, which are the key factors affecting shale oil enrichment and productivity. In order to guide the exploration and development of this area, the genetic types and development characteristics of natural fractures were analyzed by comprehensively utilizing various data of outcrops, cores, thin sections and imaging logging. Natural fractures in the study area can be divided into three types according to their origin, including tectonic fractures, diagenetic fractures and abnormal high pressure fractures. The tectonic fractures mainly include high-angle shear fractures, low-angle shear fractures and tensile fractures. Diagenetic fractures are mainly bedding fractures with a few sutures. Abnormal high pressure fractures are less developed. On this basis, the controlling factors affecting fracture development are further studied. The results show that tectonic fractures are mainly controlled by lithology, rock mechanical layer thickness and tectonic stress field. The development degree of bedding fractures is related to organic carbon content and lamina, and abnormal high pressure fractures are mainly affected by abnormal high pressure.
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Key words:
- shale oil /
- natural fracture /
- development characteristic /
- controlling factor /
- Ordos Basin /
- petroleum geology
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0. 引言
随着我国常规油气资源勘探开发进程的不断推进,近些年页岩油逐渐成为我国油气勘探的热点(杨雷和金之钧,2019;金之钧等,2021).我国页岩油分布广泛,在鄂尔多斯盆地三叠系延长组、松辽盆地白垩系青山口组、渤海湾盆地古近系潜江组以及准噶尔盆地二叠系芦草沟组等层系都有发育,初步估算资源量高达203亿吨(黎茂稳等,2020).天然裂缝是指由多种成因形成的宏观不连续面,裂缝的发育程度是决定页岩储层能否获得高产及稳产的关键因素(Zeng et al.,2013,2016;丁文龙等,2015;Gong et al.,2019;鞠玮等,2020).
鄂尔多斯盆地三叠系长7段是典型的陆相页岩储层,页岩油储量丰富,勘探开发潜力大,是近年来长庆油田增储上产的重要领域.通过野外露头、岩心和薄片观察发现,长7段天然裂缝类型多样,一方面页岩发育的层理缝是重要的储集空间;另一方面构造裂缝可以作为主要运移通道对油气的聚集和散失起到关键性作用(贺振建等,2011;罗群等,2017;Liu et al.,2020,2021;田鹤等,2020).此外,页岩油储层由于粘土矿物含量高和处于中低成熟度的特性,可动性差,天然裂缝发育有利于通过体积压裂形成复杂的缝网体系,实现页岩油的规模开发(金之钧等,2019).开展研究区页岩天然裂缝发育特征和控制因素的研究,对指导页岩油储层的勘探开发具有重要的现实意义.
1. 地质背景
鄂尔多斯盆地构造位置上处于华北克拉通,北临阴山山脉,南至秦岭山脉,西接贺兰山和六盘山,东靠吕梁山,面积约为37×104 km2;整体轮廓呈现为矩形,包括伊盟隆起、西缘逆冲带、天环凹陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带及渭北隆起6个二级构造单元,从剖面上来看东缓西陡、北缓南陡,呈现出不对称箕状向斜特征(久博等,2018;冯艳伟等,2021;刘全有等,2022)(图 1a).陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部,区内构造条件稳定,为西低东高的单斜构造,平均倾角小于1°,局部发育小规模鼻状隆起,受西南和东北两大物源方向控制,在长7段沉积期形成了大套富有机质页岩层系(曾联波等,2008;刘翰林等,2021).
图 1 鄂尔多斯盆地构造区划及延长组综合柱状图a.据付金华等(2020)修改;b.据冯雪等(2021)修改Fig. 1. Tectonic division of Ordos Basin and stratigraphic column of Yanchang Formation受印支运动和燕山运动的影响,鄂尔多斯盆地在中生代发生了大规模的内陆坳陷,形成了以上三叠统延长组为主的含油层系,延长组是一套内陆河流‒三角洲‒湖泊陆源碎屑沉积体系,自上而下分为长1到长10共10个油层组(图 1b),经历了湖盆的形成、扩张、收缩、直至消亡整个演化过程(付金华等,2020;冯雪等,2021;李程善等,2021;李彦录等,2022).长7油层组是湖盆鼎盛时期形成的一套以优质湖相暗色泥岩和黑色页岩为主、厚达100 m以上的生油岩系,自上而下可分为长71、长72和长73共3个亚段,其中长71亚段和长72亚段广泛发育砂岩夹层,砂泥岩互层共同构成了页岩油储层,是长庆油田页岩油勘探开发的重要层位(付锁堂等,2021).
2. 裂缝特征
2.1 裂缝类型
通过对鄂尔多斯盆地张家滩地区野外相似露头的观察和成像测井资料裂缝识别,以及对典型井长7段岩心和普通薄片的详细观察,按照成因将天然裂缝分为构造裂缝、成岩裂缝以及异常高压裂缝三大类,其中构造裂缝广泛发育在整个长7段,而成岩裂缝中的层理缝在长73亚段的发育程度远大于长71和长72亚段.
2.1.1 构造裂缝
构造裂缝是研究区的主要裂缝类型,是区域构造应力或者局部构造应力超过岩石的破裂压力时形成的裂缝类型(曾联波等,2007).露头上的构造裂缝分布广泛、产状稳定、方位变化小,裂缝面两侧无明显水平错动,具有区域性裂缝的分布特点,不受局部构造控制(曾联波等,2008);在平面上多同时发育两组,走向为近南北向和近东西向,夹角为100°左右,间距为85 cm;在层面上相互切割成棋盘状,构成良好的裂缝网络,对油气富集具有重要意义(图 2a、2b).
岩心上构造裂缝非常发育,主要包括高角度剪切裂缝、低角度剪切裂缝以及张裂缝3种类型.高角度剪切裂缝分布在细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等多种岩性中,多呈组系出现;同组裂缝呈雁列式排列,与层面垂直或高角度相交,穿层较深,延伸较远,缝面平直光滑,多见油迹,裂缝充填程度较低,部分被石英或方解石充填(图 3a、3b).低角度剪切裂缝多发育于在泥岩中,一般为水平或低角度,多数情况在裂缝面可观察到镜面、擦痕、阶步等典型特征(图 3c);该类裂缝是在拉张或挤压构造应力背景下,由与层面平行的剪切应力顺层滑脱形成(曾联波和肖淑蓉,1999;王濡岳等,2016).此外,还发育少量张裂缝,通常呈现纺锤形,延伸较短,且被方解石全充填(图 3d).薄片中也可以观察到大量构造缝,多为低角度,裂缝面平直,有切穿层理、穿过矿物颗粒的现象,地表状态下裂缝宽度在1~100 μm之间,多数被方解石、石英等矿物充填(图 4a~4d).
图 3 鄂尔多斯盆地长7段岩心裂缝发育特征a. Z40井,直立剪切缝,缝面含油,1 405.8 m;b. Z107井,高角度剪切缝被方解石全充填,1 164.4 m;c. G347井,滑脱裂缝,见镜面和擦痕,2 407.75 m;d. G347井,张裂缝被方解石全充填,2 423.8 m;e. YY1井,层理缝,228.07 m;f. L211井,层理缝面见碳质,2 378.8 m;g. W336井,异常高压缝,1 957.9 m;h. YY1井,缝合线,219.84 mFig. 3. Fracture development characteristics of Chang 7 Member core in Ordos Basin2.1.2 成岩裂缝
研究区的成岩裂缝主要是层理缝,还发育少量缝合线和异常高压裂缝.层理缝是沿层理或者近平行于层理方向破裂形成的天然裂缝,有多种成因机制(曾联波等,2022).有些学者认为层理面是力学的薄弱面,构造抬升导致压力卸载使层理面裂开,但并不是所有的层理都会形成层理缝,只有层理面中的泥岩含量适中、作用于层理面的应力达到临界强度才会剥离开启(Dewhurst et al.,2011;Jiu et al.,2013;Xu et al.,2015;刘冬冬等,2017;Zhang et al.,2019,2020);有些学者认为层理缝是在成岩演化过程中的压实、压溶等成岩作用下沿沉积界面形成的,一般分布不连续,侧向连通性差(Zeng and Li,2009);此外,还有学者认为有机质生烃过程中会产生异常高压导致层理面开启,或者伴生的有机酸会溶蚀层理界面上的碳屑,从而形成层理缝,如果后期烃类注入会使层理缝得到良好的保存(贺振建等,2011;Zeng et al.,2013;Wang et al.,2017;张云钊等,2018).
野外露头观察到的层理缝多发育在泥岩中,且被方解石等矿物充填(图 2a).岩心中层理缝也非常发育,多发育在纹层边界处,但并不是所有的纹层边界都会形成层理缝(图 3e).薄片中的层理缝多平行于沉积界面,绕过矿物颗粒(图 4e),地表状态下裂缝宽度多小于50 μm,部分层理缝存在弯曲分叉等现象,一条层理缝会分裂成两条近似平行的次级缝.图 3f中沿层理缝裂开的裂缝面可见碳质充填,图 4f中可见层理缝中石油充填,这些现象都表明层理缝曾经作为油气的运移通道或者储集空间,烃类的充注反过来又可以使层理缝得以良好保存.
缝合线是压溶作用下形成的一种成岩裂缝(李长海等,2021),除了广泛发育在碳酸盐岩中,在细粒沉积岩中也有分布,其倾角多为近水平方向.研究区岩心中可观察到少量缝合线,与层面斜交,缝面弯曲,可见白色晶体析出,推测是早期由于构造作用先形成裂缝、后期由于压溶作用再形成缝合线(图 3h).
2.1.3 异常高压裂缝
异常高压裂缝是指泥页岩由于欠压实、有机质生烃等作用导致孔隙内流体产生异常高压,当超过岩石的抗张强度时发生张性破裂形成的一种裂缝类型(曾联波等,2022).图 3g中的异常高压缝,长度达20 cm,缝宽最大达1 cm,向一端尖灭,并在末尾出现细小的簇状分支.薄片中异常高压缝的分布规律性差,既可与层理面近平行,也可以垂直或者斜交,通常表现为中间宽、向两侧尖灭的透镜状,多被矿物充填.图 4f中的异常高压缝早期被方解石充填,后期由于构造活动沿力学薄弱面重新裂开形成新的裂缝,这种裂缝分布杂乱无章、规律性差,具有明显的不定向性,并且被黑色有机质充填.
2.2 裂缝发育特征
根据野外露头和成像测井资料,研究区长7段主要发育NEE-SWW向、NW-SE向、近E-W向、近N-S向4组构造裂缝,其中NEE-SWW向和近EW向两组裂缝最为发育(图 5).裂缝走向在不同构造位置会出现轻微变化,平面上多呈现为两组优势发育近正交的裂缝分布样式(图 2b).根据岩心裂缝参数的统计,构造裂缝的倾角多大于70°,其中小于20°的多为发育在泥岩中的低角度剪切裂缝(图 6a).由于页岩的岩石力学层厚度小,页岩裂缝的规模普遍较小,构造裂缝的高度多小于10 cm,达到了70%以上,大于10 cm的为高角度的穿层剪切裂缝(图 6b).
裂缝的充填性是反映裂缝有效性的关键参数,岩心资料显示研究区的裂缝60%以上未被充填,微电阻率成像测井上识别出的高角度构造裂缝表现为连续或半闭合的暗色(低电阻)正弦曲线(图 7),这些特征都反映出大部分裂缝是开启有效的,只有少量裂缝被方解石、碳质、石英等矿物充填.
3. 裂缝发育的控制因素
通过前面对野外露头、岩心、薄片多种资料的分析,鄂尔多斯盆地长7页岩油储层天然裂缝发育程度受到多种因素控制.构造裂缝主要受到岩性、岩石力学层厚度以及构造应力场的控制,层理缝的发育程度与有机碳含量和纹层有关,异常高压裂缝主要受异常高压的影响.
3.1 岩性
不同岩性由于矿物组分、粒度、结构等因素的差异,会影响岩石力学性质,进而影响天然裂缝的发育程度(王濡岳等,2016;刘冬冬等,2017).野外露头、岩心和薄片资料表明研究区主要发育细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩5种岩性.根据岩心裂缝的统计结果,不同岩性的构造裂缝发育程度具有明显差异,粉砂岩构造裂缝线密度最大,其次为细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩,其中粉砂岩和细砂岩发育的构造裂缝以高角度剪切裂缝为主,泥岩以低角度剪切裂缝为主(图 8).
3.2 岩石力学层厚度
岩石力学层控制了构造裂缝的形成与分布(曾联波等,2020;吕文雅等,2021).岩石力学层是指由岩石力学界面限定的一套岩石力学性质(强度、脆性等)相近的地层,通常与岩性层一致,但不完全对应,天然裂缝的形成与分布受到岩石力学层的控制(曾联波等,2020).统计研究区野外露头中层内剪切裂缝间距与岩石力学层厚度的关系,结果显示二者具有良好的正相关性,表明岩石力学层厚度越大,裂缝越不发育(图 9).穿层剪切裂缝往往不受岩石力学层的影响,可以穿过多个岩石力学层界面.
3.3 构造应力场
构造应力场控制了构造裂缝的形成时间、构造裂缝性质及其产状(曾联波等,2008).根据构造裂缝相互切割关系以及裂缝脉体包裹体测温,结合前人成果认识,研究区4组裂缝主要是在燕山期和喜马拉雅期的挤压应力作用下形成(曾联波等,2008;李彦录等,2022).侏罗纪末期,鄂尔多斯盆地受到NWW-SEE向水平构造挤压应力作用,形成了近E-S向和NW-SE向两组高角度共轭剪切裂缝(图 10a);白垩纪末期到古近纪,鄂尔多斯盆地受到NNE-SSW向水平构造挤压应力作用,形成了NEE-SWW向和近N-S向两组高角度共轭剪切裂缝(图 10b).由于沉积和成岩作用造成研究区长7段岩石力学性质的各向异性,抑制了NW-SE向和近N-S向裂缝的发育程度,使NEE-SWW向和近EW向两组裂缝最为发育,这两组裂缝具有区域性分布特征,构成良好的裂缝网络,对油气富集具有重要意义.此外,研究区现今构造条件稳定,为西低东高的单斜构造,局部发育小型断层和褶皱;野外露头观测结果显示,断层上盘比下盘裂缝更发育,靠近断层面的部位裂缝更发育,褶皱核部比翼部的裂缝更发育,这是由于断层上盘、断层面附近以及褶皱核部的应力更集中.现今构造应力场会影响裂缝在地层条件下的开启与闭合,通常与最大水平主应力呈小角度相交的裂缝有效性好,现今地应力对页岩油的井网部署和压裂改造极为重要(鞠玮等,2020).
3.4 有机碳含量
有机碳含量对层理缝的发育程度具有明显的控制作用(刘冬冬等,2017;田鹤等,2020).研究区泥岩样品有机碳含量测试结果表明,长7段泥岩有机碳含量为0.21%~32.6%,其中有机碳含量大于2%的超过65%.长73亚段有机碳含量主体在8%以上,层理缝线密度与有机碳含量呈现良好的正相关关系,这与有机质生烃过程中伴生的有机酸溶蚀作用或者产生的异常高压有关(图 11).
3.5 纹层
研究区长7段发育有机质、长英质、凝灰质等多种类型的纹层,层理缝的发育情况与纹层密切相关(李彦录等,2022).通过岩心和薄片观察,层理缝多发育在纹层边界处,但并不是所有的纹层边界都会裂开形成层理缝,这与纹层的类型、厚度以及组合方式有关(图 12).有机质纹层的有机碳含量在10%左右,厚度多小于0.5 mm,层理缝最为发育.薄片下的有机质纹层经常和草莓状黄铁矿条带伴生,岩心上沿纹层裂开的层理缝面也可见黄铁矿,此外研究区泥岩样品的黄铁矿含量与有机碳含量存在良好的正相关关系,这是因为黄铁矿通常指示缺氧还原环境,有利于有机质的保存,高的有机碳含量可以进一步促进层理缝的形成(图 13);长英质纹层的长石、石英总量一般大于75%,厚度在0.5~2.0 mm之间,长石颗粒呈定向排列,并发育冲刷面和重荷模等多种沉积构造,这种沉积界面是力学的薄弱面,有利于形成层理缝,但由于长英质纹层厚度较大和岩石力学性质的差异,层理缝发育程度较差;凝灰质纹层厚度多小于0.5 mm,呈透镜状,沿长轴方向顺层面排列,多形成于水体较浅的氧化环境中,不利于有机质的保存,层理缝发育程度一般.综上所述,由于有机质纹层厚度小、密度大,有机碳含量高,层理缝发育程度最高.
3.6 异常高压
泥页岩由于欠压实、有机质生烃或粘土矿物转化等作用会导致孔隙流体形成异常高压,当这种压力超过岩石的破裂压力时,会形成层理缝、张裂缝多种类型的异常高压相关裂缝(吕文雅等,2020;曾联波等,2022).前人的研究成果表明,鄂尔多斯盆地在早白垩世末期存在异常高压事件,压力系数最大为1.65,正好处于生排烃高峰期,这种异常高压对页岩油储层裂缝的形成和分布具有重要意义(吕文雅等,2020).一方面,异常高压可以形成新的裂缝,另一方面也可能使早期闭合的裂缝重新开启,由于流体的注入又可以使裂缝更好地保存,大大提高储层的渗透率,对页岩油的富集具有重要意义.
4. 结论
(1)研究区的天然裂缝类型按照成因可分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝3大类,其中构造裂缝主要包括高角度剪切裂缝、低角度剪切裂缝和张裂缝;成岩裂缝以层理缝为主,发育少量缝合线;异常高压裂缝发育较少.
(2)研究区主要发育NEE-SWW向、NW-SE向、近E-W向、近N-S向4组构造裂缝,其中NEE-SWW向和近EW向两组裂缝最为发育;构造裂缝倾角多大于70°,由于页岩的岩石力学层厚度小,构造裂缝的规模普遍较小,裂缝高度多小于10 cm;岩心和成像测井资料显示60%以上的天然裂缝未被充填,反映出大部分裂缝是开启有效的.
(3)研究区天然裂缝的发育受到岩性、岩石力学层厚度、构造应力场、有机碳含量、纹层和异常高压多种因素的影响.粉砂岩的构造裂缝最为发育;岩石力学层厚度越小,构造裂缝越发育;研究区4组构造裂缝主要是在燕山期和喜马拉雅期的挤压应力作用下形成;有机碳含量越高、有机质纹层越发育,层理缝发育程度越高;异常高压裂缝主要受异常高压的影响.
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图 1 鄂尔多斯盆地构造区划及延长组综合柱状图
a.据付金华等(2020)修改;b.据冯雪等(2021)修改
Fig. 1. Tectonic division of Ordos Basin and stratigraphic column of Yanchang Formation
图 3 鄂尔多斯盆地长7段岩心裂缝发育特征
a. Z40井,直立剪切缝,缝面含油,1 405.8 m;b. Z107井,高角度剪切缝被方解石全充填,1 164.4 m;c. G347井,滑脱裂缝,见镜面和擦痕,2 407.75 m;d. G347井,张裂缝被方解石全充填,2 423.8 m;e. YY1井,层理缝,228.07 m;f. L211井,层理缝面见碳质,2 378.8 m;g. W336井,异常高压缝,1 957.9 m;h. YY1井,缝合线,219.84 m
Fig. 3. Fracture development characteristics of Chang 7 Member core in Ordos Basin
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