低渗透砂岩油气储层裂缝

低渗透砂岩油气储层裂缝及其渗流特征*

曾联波

(石油大学油气成藏机理教育部重点实验室北京󰀁102249)

摘󰀁要󰀁综合分析了不同地区低渗透砂岩油气储层裂缝的发育规律、渗流特征及其控制因素,发现低渗透砂岩储层裂缝以高角度构造裂缝为主,裂缝的间距一般呈对数正态函数分布,并与岩层厚度呈正线性相关关系。裂缝的发育受岩性、岩层厚度、沉积微相、构造和应力等因素控制。裂缝渗透性受现应力场的影响,通常与现应力场最大主应力方向近平行裂缝的渗透性最好,但其它方向裂缝的渗流作用不容忽视。裂缝提高了低渗透砂岩储层的可动油饱和度,同时又影响井网部署和注水开发效果。关键词󰀁裂缝󰀁发育规律󰀁渗流特征󰀁低渗透砂岩储层中图分类号:TE122󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁文章编号:0563-5020(2004)01-0011-07低渗透砂岩储层一般是指空气渗透率<50󰀁10-3󰀁m2的含油气砂岩储层(李道品,1997)。由于其岩石致密,脆性大,在成岩过程和后期构造变动中,在非构造作用力和构造

作用力影响下可产生各种微断裂和裂隙(本文统称为裂缝),成为裂缝性低渗透砂岩储

层。在低渗透砂岩储层中,裂缝所起的储集作用较小,裂缝的孔隙度通常<0.5%。裂缝主要是提高储层的渗透率或造成储层渗透率强烈的非均质性,裂缝的渗透率通常比基质

渗透率高1~2个数量级。因此,研究低渗透砂岩储层裂缝及其渗流特征,对提高这类油

气田的开发水平,改善开发效果,提高采收率具有十分重要的意义。

1󰀁裂缝发育规律

(1)裂缝间距及其与层厚关系

通过不同构造类型露头区和岩心研究,低渗透砂岩储层裂缝的间距常服从对数正态

函数分布。从准噶尔盆地火烧山油田及其附近相似露头区上二叠统平地泉组垂直同一组系裂缝走向的间距测量表明,无论是在全区范围内对所有裂缝进行测量统计,还是在

与岩心直径相同的10cm直径圆的小范围内对裂缝进行测量统计,裂缝间距都服从对数

正态函数分布规律,只是10cm直径圆内的裂缝平均间距小一个数量级(图1)。这表明在相同地质条件下,不同尺度裂缝分布具有较好的自相似性特征,因此可以用分形几何

方法来定量描述裂缝的分布规律。

裂缝受岩层控制,裂缝通常分布在岩层内,与岩层垂直,并终止于岩性界面上。通过

对火烧山油田和陕甘宁盆地靖安油田三叠系延长组相似露头区裂缝间距测量统计(图2)

󰀁*本研究受到石油科技中青年创新基金项目(编号:03E7010)和国家重点基础研究发展规划项目(编号:G19990433)资助。曾联波,男,1967年11月生,副教授,石油地质学专业。2001-07-01收稿,2002-03-25

改回。󰀁2004年1月地󰀁质󰀁科󰀁学CHINESEJOURNALOFGEOLOGY󰀁39(1):11󰀁17,在一定层厚范围内,裂缝的平均间距与裂隙化的岩层厚度呈较好的线性相关关系,随着裂隙化岩层厚度增大,裂缝间距相应增大,密度减小(HuangandAngelier,1989;Narr,1991;

NarrandSuppe,1991)。

图1󰀁火烧山油田及其附近相似露头区低渗透砂岩储层裂缝间距分布图左.全区内统计结果;右.10cm直径圆的小尺度范围内统计结果Fig.1󰀁Distributionoffissurespacinginlow󰀁permeabilitysandstonereservoirintheHuoshaoshanoilfield

图2󰀁低渗透砂岩储层裂缝间距与岩层厚度关系图左.火烧山油田相似露头区裂缝统计结果;右.靖安油田相似露头区裂缝统计结果Fig.2󰀁Relationshipbetweenfissurespacingsandlayerthicknessinlow󰀁permeabilityreservoir

(2)裂缝与岩性关系

岩性是影响储层裂缝发育的内部因素,岩石中脆性成份高,颗粒细,孔隙度低,在相12地󰀁质󰀁科󰀁学2004年󰀁同应力作用下,其裂缝更发育(Nelson,1985;Narr,1991;NarrandSuppe,1991;曾联波等,1997)。值得注意的是,在一些低渗透砂岩储层的泥岩夹层中,由于含钙质、白云质等脆性

成份,极大地提高了泥岩的脆性程度,使泥岩中裂缝较发育。泥岩中不同组系的高角度

构造裂缝和近水平成岩裂缝相互连通,组成裂缝网络,使泥岩层的渗透性增大,分隔性变

差。因此,这类低渗透砂岩储层的泥岩夹层通常不能起真正的隔层作用,应划分为准储层,其裂缝发育部位甚至可获得较高的产量。如火烧山油田岩心统计的泥岩夹层中平均

宏观裂缝线密度为2.92条/m,平均微观裂缝面密度为0.62cm/cm2,有28口井的31个非

油层井段出油,产量达15.2t/d。这类油气藏常表现出明显的块状特征,它们具有统一的

压力系统、水动力系统和统一的油水界面。低渗透砂岩储层泥岩夹层中裂缝分布对勘探开发有重要意义,一方面可以寻找低渗

透储层中的泥岩裂缝性储集体;同时,它影响开发层系的划分、开发井网部署及注水效

果,引起层间水淹水窜,甚至引起泥岩层滑脱,产生套管变形或断裂,这在低渗油田开发

中应引起重视。(3)裂缝与沉积微相关系

沉积微相通过控制不同部位低渗透砂岩储层的岩石成份、粒度及层厚来控制其裂缝

发育程度。例如:对松辽盆地大安油田下白垩统泉头组岩心裂缝统计,在河流三角洲沉

积相的水道间和前缘席状砂等微相,由于岩石颗粒细,砂体单层厚度小而累积厚度大,其裂缝最发育;其次是分支河道和河口坝等微相,岩石颗粒变粗,单层厚度变大,因而虽然

其累积砂体厚度大,但裂缝的整体发育程度变差;而在泛滥淤泥和河漫滩等微相中,以泥

质沉积为主,裂缝发育最差(表1)。

表1󰀁大安油田扶余油层不同沉积微相中裂缝密度分布表Table1󰀁FissuredensityindifferentsedimentarymicrofaciesintheDa󰀁anoilfield

沉积微相三角洲前缘席状砂、水道间分支河道、河口坝泛滥淤泥相河漫滩相

宏观裂缝线密度/条󰀁m-11.431.120.550.52微观裂缝面密度/cm-10.520.280.240.21󰀁󰀁宏观裂缝密度据24口取心井500多米岩心统计,微观裂缝密度据117块薄片统计。

(4)裂缝与构造关系

在不同构造部位,由于局部应力分布的不均一性,使其裂缝的发育程度不同。在褶皱构造中,轴部、倾伏端等构造主曲率较大部位,应力集中,裂缝密度大;而在翼部等构造

主曲率较小的部位,裂缝发育

程度相对较弱(Nelson,1985;李道品,1997;曾联波等,1998a)。

在断层附近,由于应力分布的分带,使裂缝分布具分带性(Rawnsleyetal.,1992;曾联波等,1997)。在断裂带附近的应力扰动带,通常是裂缝发育带。裂缝在断层上盘一般较

下盘更发育。在由断层组成的各种断块中,以󰀁地堑式󰀁断块中裂缝最发育,其次为󰀁书斜

式󰀁(domino)断块,而󰀁地垒式󰀁断块中裂缝发育相对较弱(表2)。(5)裂缝与应力和岩石力学性质关系

对火烧山油田和大安油田18块细砂岩和粉砂岩在三轴岩石力学实验仪上作破坏和131期曾联波:低渗透砂岩油气储层裂缝及其渗流特征非破坏性试验发现,当岩石受力达到其破坏强度的50%时,开始产生扩容现象;受力到破坏强度的70%时,开始在一些缺陷部位沿主压应力方向产生微破裂;受力到破坏强度的

80%时,开始出现较大尺度破裂;达到破坏强度时,在微裂缝发育的软弱面产生宏观破

裂。在近地表条件下,岩石主要为脆性破坏,形成张性破裂。随着围压增大,岩石向半脆

性甚至半延性破坏转变,并形成张剪性和剪切破裂。

表2󰀁大安油田断层不同部位岩心裂缝密度分布表Table2󰀁FissuredensityinvariedpositionsoffaultintheDa󰀁anoilfield裂缝密度断层上盘断层下盘地堑式断块书斜式断块地垒式断块

裂缝线密度/条󰀁m-10.950.771.010.910.75单位岩心裂缝层厚度/m0.570.550.610.560.54

剪切破裂的发育情况受岩层非均质性控制(Nelson,1985)。在非均质性较强的岩样

上,主要形成一组与受力方向斜交的剪切破裂,岩层的非均质性通常抑制了共轭剪切破

裂中的一组,而留下另一组主要的破裂,从而使共轭剪切破裂系中两组破裂的发育程度不一致。只有在非均质性较弱的岩层中,两组共轭剪切破裂才同等发育。

2󰀁裂缝渗流特征

(1)裂缝渗透率与现地应力关系

裂缝渗透率是裂缝间距和开度的函数,裂缝渗透率可表示为(Nelson,1985):

Kf=e3i12Di󰀁cos󰀁i(1)

式中,Kf为裂缝渗透率(单位:md);Di为第i组裂缝的平均间距(单位:mm);󰀁i为流体压

力梯度与第i组裂缝的夹角;ei为第i组裂缝的地下开度(单位:󰀁m),它是裂缝面所受静封闭压力的函数,随着裂缝面所受静封闭压力的增大,裂缝地下开度呈负指数函数减小

(曾联波等,1998b)。裂缝地下开度可表示为:

ei=f(Pi)(2)

Pi=󰀁1-󰀁󰀁h󰀁󰀁S󰀁sin󰀁+H󰀁󰀁S󰀁cos󰀁-H󰀁󰀁W

+󰀁1󰀁sin󰀁󰀁sin󰀁+󰀁3󰀁sin󰀁󰀁cos󰀁(3)

式中,Pi为作用于第i组裂缝面上的静封闭压力(单位:MPa);󰀁为岩石泊松比;H为埋藏

深度(单位:km);󰀁S、󰀁W分别为上覆地层岩石和地层水的容重(

单位:kg/m);󰀁1、󰀁3分别为

现应力场的最大、最小主应力(单位:MPa);󰀁为裂缝倾角;󰀁为现应力场的最大主应力与裂缝走向的夹角。

根据裂缝描述所获得的裂缝参数和实测的地应力大小与方向,用(3)式可求出作用

于裂缝面上的静封闭压力。再根据裂缝地下开度与静封闭压力关系,可求出裂缝的地下

开度。然后根据不同组系裂缝的开度和间距,用(1)式可求取不同组系裂缝的渗透率。由此可见,不同组系裂缝的渗透率受现应力场的影响,现应力场通过影响各组裂缝开度

影响其渗透性。14地󰀁质󰀁科󰀁学2004年与现应力场最大主压应力近平行分布的裂缝呈拉张状态,连通性好,开度大,渗透率高;与现应力场最大主压应力近垂直分布的裂缝呈挤压状态,连通性差,开度小,渗透率

低;而与现应力场最大主压应力斜交的裂缝介于上述两者之间(表3)。因此,在大多数低

渗透砂岩油田中,虽然各组裂缝密度不同,由于受现应力场的影响,常存在一个与现应力

场最大主应力方向近平行的主渗透方向,但其它方向裂缝的渗透性不容忽视,这对油田开发井网部署至关重要(李松泉等,1998)。

表3󰀁低渗透砂岩油田不同组系裂缝渗透率数据表Table3󰀁Permeabilitiesofdifferentfissuresinlow󰀁permeabilitysandstoneoilfields裂缝方位平均裂缝线密度/条󰀁m-1平均裂缝渗透率/10-3󰀁m2火烧山油田大安油田火烧山油田大安油田近SN向裂缝4.42.76885.645.0近EW向裂缝3.52.19184.0360.0NW向裂缝3.832.04646.4208.3NE向裂缝3.142.38632.0106.7现应力场最大主应力方向近SN向近EW向

(2)裂缝渗透率的压力敏感性特征