勘探开发实践表明,裂缝性油藏是我国含油气盆地中重要的油气藏类型,合理高效地开发此类油藏对我国石油工业的持续发展及能源战略安全具有重要意义(袁士义等,2004； 李新景等,2007； 曾联波等,2010； 王珂等,2015)。由于油藏中普遍发育复杂的裂缝系统,裂缝不但影响着油气的储集和运移,而且对不同阶段的生产开发也产生着重要影响(梁官忠等,2001； 杨永林等,2004； 曾联波等,2007； 陈淑利等,2008； 李跃纲等,2012； 赵向原等,2015),科学评价裂缝发育特征,明确其形成机理、 控制因素及分布规律,可为有效开发裂缝性油气藏提供地质依据。渤海海域Z油田沙一下生物灰岩油藏为典型的裂缝性油藏,油藏地质条件复杂,注采矛盾突出。前人并没有对该区天然裂缝展开系统研究,对影响开发效果的裂缝类型及其特征认识不清。为此,本文综合利用岩心、 成像测井及分析测试等资料,对裂缝的发育特征进行了研究,并在研究区构造演化特征的基础上,对裂缝的成因机理进行了分析。

渤海湾地区是我国华北含油气盆地的重要组成部分,位于华北克拉通东北缘,属于新生代裂谷盆地(杨明慧,2009； 滕长宇等,2014； 陈飞等,2015； 李理等,2015)。该地区囊括渤中坳陷、 黄骅坳陷、 济阳坳陷和下辽河坳陷海域部分等多个渤海湾盆地次级构造单元带以及多个二级构造单元。这些不同级别构造单元在盆地结构上存在较大差异,根据这种差异性又可将该区划分为辽东湾区、 渤南区、 渤西区及渤中—渤东区4个区带(杨中轩,1984； 李涛等,2009； Huang et al., 2012)。渤海Z油田位于渤海湾渤西区,地处歧口凹陷,是渤海湾地区有利的石油富集区之一(图 1)。该区新生界地层从下至上包括孔店组、 沙河街组、 东营组、 馆陶组、 明化镇组及平原组,其中古近系沙河街组是Z油田主力含油气层系,该组地层从上至下划分为3段,分别为沙一段、 沙二段、 沙三段,沙一段又分为上、 下两部分,其中沙一下底部为一套湖相碳酸盐沉积,厚度约为35 m,富含油气,是主力产油气层之一,主要由生物石灰岩、 鲕粒石灰岩、 灰泥石灰岩和泥粉晶白云岩等组成(肖丽华等,2005； 朱筱敏等,2007； 杨有星等,2012； 李燕等,2014)。受构造演化影响,该地区断层交错,构造复杂(王光奇等,2003； 陈斌等,2005； 许立青等,2015),储层中裂缝发育。

图 1(Fig. 1)

图 1 渤海湾地区区域构造划分 Fig. 1 Tectonic divisions and locations of study area in Bohai Bay Basin

渤海Z油田沙一下生物灰岩地层由于地貌原因无法进行露头观察,研究天然裂缝特征主要依靠岩心资料进行。根据31口井岩心裂缝描述及薄片观察,按照裂缝成因类型,该区生物灰岩储层发育构造裂缝和成岩裂缝两种类型,其中以构造裂缝为主。按照裂缝力学性质,可将沙一下储层构造裂缝进一步划分为剪切裂缝和扩张裂缝两类。剪切裂缝形成时,岩石破裂方向平行于裂缝面方向,裂缝面相对平直光滑,规模较大,产状稳定,缝面上可见擦痕、 阶步及羽饰构造等现象(图 2a、 图 2b、 图 2c)； 不同于剪切裂缝,扩张裂缝形成时岩石破裂方向垂直于裂缝面方向,缝面粗糙不平,产状不稳定,延伸较短,发育程度有限,在岩心上比较少见,薄片上可见扩张裂缝具有明显的上述特征,并表现为明显的绕颗粒的分布特点(图 2d、 图 2e、 图 2f)。该区成岩裂缝主要为沉积物在成岩过程中由于压实和压溶等地质作用形成的规模较小的裂缝系统,如在薄片上可见层理缝一般为毫米至厘米级,多顺微层理面发育,呈锯齿状延伸,具有弯曲、 断续、 尖灭的特点(图 3a)； 有些溶蚀裂缝呈不规则带状或串珠状展布(图 3b)。此外,还可见缝合线构造(图 3c),多与微层面平行展布,呈锯齿状展布,大多数被泥质或有机质充填。

图 2(Fig. 2)

图 2 沙一下储层岩心及薄片观察构造裂缝特征 a. A1井， 灰岩岩心发育一条中高角度构造剪切裂缝， 缝面清晰可见划痕及阶步， 依据划痕判断形成该裂缝时剪切方向为沿裂缝倾向； b. A2井， 灰岩岩心发育一条高角度构造剪切裂缝， 缝面可见划痕及阶步， 依据划痕及陡坎判断形成该裂缝时剪切方向为沿裂缝走向； c. A3井， 泥灰岩岩心发育一条高角度构造剪切裂缝， 缝面可见羽饰构造； d. A4井， 灰岩薄片可见一条被蓝色铸体充填的张裂缝， 缝面粗糙， 绕颗粒分布， 具有分叉特征； e. A5井， 灰岩薄片可见一条被矿物充填的张裂缝， 缝面粗糙， 绕颗粒分布， 具有分叉特征； f. A6井， 灰岩薄片可见一组被矿物充填的雁 列式张裂缝， 每一条裂缝中间开度较大， 向两侧呈弯曲状分布并逐渐尖灭 Fig. 2 Characteristic of the structural fractures in cores and thin section in Lower Member 1 Shahejie reservoir

图 3(Fig. 3)

图 3 沙一下储层薄片观察成岩裂缝特征 a. A7井， 被矿物充填的层理缝； b. A8井， 被蓝色铸体充填的溶蚀缝； c. A9井， 被蓝色铸体充填的缝合线 Fig. 3 Characteristic of the diagenetic fractures in thin section in Lower Member 1 Shahejie reservoir

上述构造裂缝和成岩裂缝由于成因机制和发育特征不同,对储层中流体的储集及渗流能力的影响存在较大差别,因此在注水开发过程中应区别加以对待。研究区构造裂缝规模较大,延伸范围广(平面上可达十几米至几十米),各向异性特征明显,对注水开发的影响最大,若注入水沿构造裂缝流动,极易引起方向性水窜甚至造成油井水淹,降低开发效果； 成岩裂缝规模较小,但在某些部位发育数量较多,对改善储层的储集性能作用明显,而注水过程中主要影响着局部渗流,对开发的影响相对构造裂缝来说较弱。根据这种差别,为了提高注水开发效果,须对构造裂缝发育特征进行深入研究,以为研究区制定有效的开发方案提供地质依据。

根据岩心及成像测井资料,Z油田沙一下储层主要发育北东—南西向、 北西—南东向及近东西向3组构造裂缝,以前两组为主(图 4),绝大多数构造裂缝为高角度缝,其中倾角大于60°的裂缝所占比例在80％以上,低角度构造缝基本不发育(图 5)。裂缝规模上(纵向高度、 平面长度及地下开度),由于岩心及成像测井均不能观测到裂缝的全貌且缺乏露头,若要获取相关参数需要采取其他方法： 1)裂缝纵向高度,实际工作中裂缝高度参数的获取可在划分岩石力学层之后直接在岩心上进行统计(曾联波, 2004,2008),根据这种方法得到该区构造裂缝高度一般小于170 cm,主要分布在10～30 cm以内,反映出裂缝主要在岩层内发育的特点； 2)裂缝平面长度,由于随机分布的裂缝平面长度具有分形特征(Pan et al., 2010； Parashar and Reeves, 2012),采取数学分形理论可求取裂缝长度,通过这种方法预测沙一下储层裂缝平面长度主要分布在35 m以内,某些规模较大裂缝的长度可达68 m； 3)裂缝地下开度,岩心或薄片观察可测得某些裂缝的地表开度,但这并不能代表地下环境的裂缝真实开度,需要对其进行校正,据高温高压三轴试验可知,裂缝开度与其所受的静封闭压力有关,随着裂缝面所受到的静封闭压力增大,裂缝开度呈负指数函数递减(曾联波等,1998),用这种关系可以间接获取裂缝地下开度； 通过统计沙一下储层岩心及薄片裂缝开度并进行校正,可知该区微裂缝开度在100 μm以内,主要分布在50 μm以内,部分规模较大的宏观裂缝开度可达几百微米甚至毫米级,这可能与灰岩裂缝的规模及溶蚀作用有关。

图 4(Fig. 4)

图 4 沙一下储层构造裂缝走向玫瑰花图 Fig. 4 Strike rose diagrams of structural fractures in Lower Member 1 Shahejie reservoir

图5(Fig. 5)

图 5 沙一下储层构造裂缝倾角分布频率图 Fig. 5 Frequency graph of fracture dip-angle distributions in Lower Member 1 Shahejie reservoir

研究表明,Z油田沙一下储层裂缝的发育特征受岩性、 岩层厚度、 断层等地质因素控制作用明显。1)岩性的差异决定了岩石力学性质的差异,从而影响了裂缝的发育程度(曾联波等,1998)。根据岩心裂缝观察可知,该区白云岩类岩层裂缝发育程度最高,其次为白云质灰岩和泥灰岩类岩石,生物灰岩裂缝发育程度相对较差(图 6),这是由于随着岩石中方解石、 白云石等脆性矿物的含量越高,岩石脆性程度越大,裂缝的发育程度越高,而生物灰岩由于其物性最好,在相同构造应力场作用下容易产生塑性变形,不易形成构造裂缝。2)岩层厚度控制了天然裂缝规模,这是由于裂缝的发育受岩石力学层控制(Huang and Angelier, 1989),一般情况下岩石力学层与单一岩性层具有较好的对应关系,在一定的岩层厚度范围内,随着岩层厚度不断增大,裂缝规模越大,但裂缝线密度减小(图 7)。3)裂缝发育程度与断层的分布密切相关。通过对断层不同部位取心井裂缝统计表明,裂缝在断层上盘比下盘发育,在断层端部及转换部位比在断层中部更发育； 在距断层一定的距离范围内,裂缝发育程度较高,随着与断层面距离增大,裂缝发育程度变弱直至趋于稳定,这表明断层带附近不同部位由于受断层附近应力扰动的影响使得裂缝发育程度存在明显的差异。

图 6(Fig. 6)

图 6 沙一下储层不同岩性构造裂缝平均密度分布图 Fig. 6 Structural fracture density distribution in different lithology in Lower Member 1 Shahejie reservoir

图 7(Fig. 7)

图 7 沙一下储层构造裂缝密度与岩层厚度关系图 Fig. 7 Relationship between structural fracture intensity and rock thickness in Lower Member 1 Shahejie reservoir

由于研究区构造裂缝对注水开发的影响较大,因此本文主要从地质角度分析构造裂缝的成因机理,为研究裂缝的分布规律提供依据。根据岩心观察可知,该区沙一下储层构造裂缝并不是只在一期构造应力场作用下形成,主要有以下两方面的证据：

(1)从岩心构造裂缝倾角及缝面上的擦痕特征来看存在两种情况,即缝面两侧岩石的运动方向要么沿着裂缝倾向,要么沿着裂缝走向,说明裂缝的形成是在两种不同的构造应力环境下形成,反映裂缝至少存在两个形成时期。 图 2a显示裂缝面两侧的运动方向平行于裂缝面倾向,表明该组裂缝形成时的应力状态为最大主压应力垂直,中间主应力和最小主应力水平,在该应力状态下形成了与最大主压应力方向呈锐夹角的高角度剪切裂缝,为正断层型裂缝； 图 2b显示裂缝面两侧的运动方向沿裂缝走向,表明裂缝形成时最大主压应力为水平方向,与 图 2a中裂缝形成时的应力环境完全不同。

(2)从岩心及薄片观察来看,构造裂缝之间存在明显的切割、 限制及充填差异等关系,反映裂缝在不同时期形成的特点。如 图 8a所示A10井岩心发育3组构造裂缝相互切割,其中有两组裂缝明显近垂直相交特征,反映出至少在两期构造应力环境下形成； 图 8b所示薄片观察早期构造裂缝形成被矿物充填后,在后期的构造应力作用下再次形成晚期裂缝并切割早期裂缝,晚期裂缝无充填(被蓝色铸体充填),充分证明了裂缝是在两期不同的构造应力背景下形成。

图 8(Fig. 8)

图 8 沙一下储层裂缝切割关系图 Fig. 8 Fracture cutting relation in Lower Member 1 Shahejie reservoir

那么上述构造裂缝分别是在哪几期构造应力场作用形成的呢？这需要根据裂缝特征并结合该区的构造演化背景进行分析。歧口凹陷位于黄骅坳陷中部,而黄骅坳陷是渤海湾新生代盆地的一级坳陷,该区在新生代始新世开始接受沉积,构造演化上经历了古近纪断陷和新近纪—第四纪拗陷两大阶段(吴元燕等,2000； 马寅生等,2002； 李燕等,2014)。其中始新世孔店期开始,在北西西—南东东向伸展(北北东—南南西向挤压)应力作用下,在盆地进入断陷初期,发育一系列北北东向同沉积断裂； 至渐新世早期(沙三段),构造应力逐渐右偏为北西—南东向伸展(北东—南西向挤压)作用转变,此时北东东向断裂活动加剧,裂陷进入扩张期,翘倾断块开始形成,发育大型的断鼻、 背斜及斜坡构造； 至沙二段—沙一段时期,进入断陷发育稳定期,此时同沉积断裂的方向以北东向为主； 至渐新世晚期(东营组),同沉积断裂活动逐渐减弱,断陷发育进入了衰退期； 至古近纪末期,即东营组沉积期及以后,断陷活动结束,此期间构造应力继续右偏,转变为北北西—南南东向伸展(北东东—南西西向挤压)作用,但伸展作用减弱,挤压作用增强,盆地发生反转,早期断裂活动由引张转变为走滑,并发育走滑断裂系统(马寅生等,2002； 周立宏等,2011)。新近纪时期开始,受水平方向拉伸和走滑应力控制的断陷及走滑作用被重力控制的热沉降作用所取代,盆地进入了裂后拗陷阶段。

根据上述分析可知,沙一段储层沉积以后,经历了始新世—渐新世裂陷中后期北西—南东向引张应力场及东营末期北东东—南西西向反转挤压构造应力场两期构造应力作用,综合沙一下储层构造裂缝特征分析判断,该区构造裂缝主要在以上两期构造应力场下形成。其中,成因类型为 图 2a的裂缝为早期裂缝,主要在始新世—渐新世裂陷中后期北西—南东向引张应力场作用下形成,与断层同生,其方位一般为北东—南西向,尤其在断层附近发育,裂缝走向与断层走向基本一致(图 9a)； 成因类型为 图 2b的裂缝为晚期裂缝,主要在东营末期北东东—南西西向反转挤压构造应力场下形成,方位包括北东—南西向、 北西—南东向,为剪切裂缝,除这两组裂缝外,该期构造应力场还可以形成以近东西向为主的扩张裂缝(图 9b)。由于现今北东—南西向裂缝的形成经过了早、 晚两期裂缝的叠加,因此表现为该区优势裂缝方位(图 4)。

图 9(Fig. 9)

图 9 沙一下储层不同时期构造应力作用下形成的裂缝方位示意图 a. 早期构造应力作用下形成的裂缝； b. 晚期构造应力作用下形成的裂缝 Fig. 9 Sketch map of fracture direction formed in different periods of tectonic stress in Lower Member 1 Shahejie reservoir

(1)渤海湾地区Z油田沙一下生物灰岩油藏主要发育构造裂缝及成岩裂缝两种类型,其中构造裂缝又分为剪切裂缝及扩张裂缝两类。大多数构造裂缝为高角度缝,主要方位为北东—南西向、 北西—南东向及近东西向； 裂缝纵向高度一般小于170 cm,裂缝平面长度主要分布在35 m以内,裂缝开度主要在100 μm以内； 裂缝发育特征受岩性、 岩层厚度、 断层等地质因素控制。

(2)根据裂缝的发育特征及构造演化特征综合分析可知,研究区构造裂缝主要在始新世—渐新世裂陷中后期北西—南东向引张应力场及东营末期北东东—南西西向反转挤压应力场两期构造应力作用下形成,其中早期裂缝主要方位为北东—南西向,晚期裂缝为北东—南西向、 北西—南东向及近东西向。