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第30卷 第4期 2023年8月 Vol.30 No.4 Aug.,2023 收稿日期：2023-03-01 改回日期：2023-05-04 基金项目：四川省科技计划杰出青年科技人才项目“页岩气储层天然裂缝评价”（2020JDJQ0058）第一作者：齐宏伟（1982），男，高级工程师，主要从事油气藏开发生产经营工作。E-mail： 通信作者：沈杰（1999），男，硕士，主要从事油气田开发地质研究。E-mail： 48 世界石油工业World Petroleum IndustryG 地质勘探Geology Exploration文章编号：10060030(2023)040048007 DOI:10.20114/j.issn.1006-0030.20230301001 定北地区上古生界裂缝发育特征及影响因素 齐宏伟1，沈杰2（1.中国石化华北油气分公司，河南 郑州 450006；2.成都理工大学能源学院，四川 成都 610059）摘要：鄂尔多斯盆地定北地区上古生界储层天然裂缝发育，而天然裂缝既是油气储集空间又是油气运移的通道，对于油气富集和产能影响重大。为指导该地区的勘探开发，综合利用了岩心、成像测井及常规测井资料对研究区储层裂缝进行了识别与解释，统计并分析天然裂缝的发育特征，在此基础上，进一步探讨研究区储层天然裂缝发育的影响因素。结果表明，研究区天然裂缝发育，平均密度为0.65条/m；主要发育构造张性缝，占比72%；以垂直缝为主，占比58%；研究区80%以上的裂缝未被充填，裂缝开启度较好。分析结果表明，研究区储层天然裂缝发育程度主要受断层和岩性的影响，断层附近裂缝更为发育，可以根据断层定性评价裂缝发育程度；而在不同岩性中，粗砂岩内裂缝最为发育。通过该研究，对定北地区上古生界储层天然裂缝进行识别，明确裂缝发育特征及影响因素，为研究区储层后续的勘探开发工作提供重要依据。关键词：鄂尔多斯盆地；定北地区；天然裂缝；裂缝识别；发育特征；影响因素 中图分类号：P631.8 文献标识码：A Fracture development characteristics and influencing factors of Upper Paleozoic in Dingbei area QI Hongwei1,SHEN Jie2(1.Sinopec North China Oil and Gas Company,Zhengzhou,Henan 450006,China;2.College of Energy,Chengdu University of Technology,Chengdu,Sichuan 610059,China)Abstract:Natural fractures are developed in the Upper Paleozoic reservoirs in Dingbei area of Ordos basin,which are not only oil and gas storage space but also oil and gas migration channels,and have great influence on oil and gas enrichment and produc-tivity.In order to guide the exploration and development in this area,this paper comprehensively uses the core,imaging logging and conventional logging data to identify and explain the reservoir fractures in the study area,makes statistics and analysis on the development characteristics of natural fractures.On this basis,discusses the influencing factors of the development of natural fractures in the study area.The identification results show that natural cracks are developed in the study area,with an average density of 0.65/m.Tectonic tensile joints are mainly developed,accounting for 72%,and vertical seam is the main one,accounting for 58%.The crack opening degree is good,and more than 80%of the cracks in the study area are not filled.In addition,the analysis results show that the development degree of natural fractures in the reservoir in the study area are mainly affected by faults and lithology.The fractures near the fault are more developed and the degree of crack development can be qualitatively evaluated according to the fault.Among the different lithology,the cracks in coarse sandstone are the most developed.Through this study,the natural fractures of Upper Paleozoic reservoirs in Dingbei area are identified,and the fracture development charac-teristics and influencing factors are clarified,which provides an important basis for the subsequent exploration and development of reservoirs in the study area.Keywords:Ordos basin;Dingbei area;natural fracture;fractures identification;developmental characteristic;influencing factor 鄂尔多斯盆地致密气资源丰富，盆地内致密气资源量为13.321012 m3，拥有中国60以上的致密气资源，主要分布在上古生界石炭系二叠系1。经过20多年的勘探开发，鄂尔多斯盆地上古生界逐第30卷 第4期 2023年8月 齐宏伟 等：定北地区上古生界裂缝发育特征及影响因素 49 渐形成了一系列的成藏理论，包括生烃特征、富集体系、高产条件、成藏模式等各个方面，并且发现了榆林、苏里格、大牛地等大气田2。定北地区位于鄂尔多斯盆地中西部，与苏里格气田南部相接，地理位置十分接近，两者拥有类似的成藏条件3，具备一定的勘探潜力。该区太2段已探明储量549.65108 m3，盒1段控制储量614.59108 m3，表现出了良好的资源前景。该区断层和裂缝广泛发育，并且差异性较大，裂缝发育系统复杂4，掌握裂缝的发育特征及分布规律对于储层研究至关重要。裂缝的存在会直接影响储层中的各种参数，包括区域应力场特征及地层坍塌压力、破裂压力等5。现有的裂缝研究主要是对裂缝的表征和预测，裂缝研究方法主要包括常规地质方法、测井识别方法、构造应力场模拟法等，常规地质方法中的岩心识别法是最简单、最直接的识别方法，测井识别方法中的成像测井识别技术是目前最为牢靠的识别方法6。裂缝研究方法众多，但现有的储层裂缝研究方法均存在一定的优劣性及局限性，没有一种单独的技术或方法可以全方位地表征裂缝发育特征，故在进行裂缝研究时应当综合运用多种方法7。本文以岩心资料识别为主，结合成像测井及常规测井资料作进一步的表征和预测，明确了研究区天然裂缝的发育特征及分布规律。1 研究区概况 定北区块位于鄂尔多斯盆地中西部，受华北板块运动及阿拉善刚性地块挤压等影响，在加里东期喜山期该区依次经历了近南北向、北东南西向和北西南东向应力挤压的叠加控制，区域构造运动复杂8。区域内以发育北西南东向的哈巴湖断裂为主，并见有多成因期次发育的断裂。按照断裂规模与成因可将研究区划分为7个断裂带区，其中哈巴湖、北大池与柳杨堡断裂带主要受溶塌作用影响（见图1）。定北地区上古生界地层为本次研究的主要层段，具体包括盒1段、山西组以及太2段。其中盒1段底部以“骆驼脖砂岩”为标志，该砂岩的顶部通常发育有桃花泥岩；山西组底部以“北岔沟砂岩”为标志，发育有一定煤层；太2段底部以发育灰岩为特征9。据此可对研究区不同层段进行划分，以便进行后续的研究工作。图1 定北地区主要断裂分布图 Fig.1 Distribution map of main faults in Dingbei area Vol.30 No.4 Aug.,2023 50 世界石油工业World Petroleum IndustryG地质勘探 Geology Exploration 2 裂缝识别与解释 2.1 岩心裂缝识别与解释 岩心观察是识别裂缝最简单直接的方法，通过对定北地区的120块岩心进行观察，发现有裂缝发育的取心井共计13口，取心长度共计372.6 m，共计识别和解释出天然裂缝232条。2.1.1 裂缝成因特征 定北地区上古生界地层以砂岩和泥岩为主，包含砂泥岩互层和部分煤层。该区经历了多期构造运动，天然裂缝发育系统复杂。根据岩心识别结果，构造裂缝是研究区最主要的裂缝类型，对储层中渗流作用的影响较大。研究区构造裂缝主要包括张性缝和剪切缝，其中张性缝共167条，占全部裂缝的72%，缝面粗糙不平，常呈组系发育（见图2a）；剪切缝共计45条，占全部裂缝的19%，缝面较为光滑，沿着薄弱面常呈共轭“X”型成对出现10（见图2b）。此外，研究区部分裂缝为层间滑脱缝或组合形成的复杂缝网等，占全部裂缝的9%。图2 研究区构造裂缝岩心照片 Fig.2 Core photos of structural fractures in the study area 2.1.2 裂缝产状特征 依据裂缝倾角可将研究区裂缝类型划分为4类（见表1），岩心上可见不同类型裂缝（见图3）。通过对研究区13口取心井共计232条天然裂缝的描述和统计，研究区内裂缝以垂直缝为主，共计识别出垂直裂缝134条，约占全部裂缝的58%；而高角度缝、低角度缝以及水平裂缝三者相差不大，分别占比12%、17%和13%。其中水平裂缝多为张性缝，垂直缝和斜交缝多为剪切缝。由于研究区垂直缝发育，可有效沟通上下岩层，为油气在垂直方向上的运移提供通道。表1 裂缝类型划分表 Tab.1 Classification table of fracture types 裂缝产状 裂缝倾角/（o）垂直裂缝 7590 高角度斜交裂缝 4575 低角度斜交裂缝 1545 水平裂缝 15 图3 研究区不同类型裂缝岩心照片 Fig.3 Core photos of different types of fractures in the study area 2.2 测井裂缝识别与解释 测井识别裂缝的方法主要包括常规测井识别裂缝以及成像测井识别裂缝。常规测井法主要通过常规测井曲线响应特征对裂缝进行识别，该方法所需资料容易获取且成本较低。由于地层裂缝特征复杂多变，因此，单一使用常规测井识别裂缝精度难以保证，通常需要综合采用其他裂缝识别方法对其进行验证和分析11。成像测井是目前最为可靠的裂缝识别方法，具有分辨率高、全井周扫描、直观成像的特点，还可以反映井周的宏观地质现象。但成像测井费用昂贵，难以用于大范围的裂缝识别12，并且在利用成像测井识别裂缝时，还应当注意区别各类地质结构与天然裂缝的成像机理与特征13。因此，定北地区测井裂缝识别采用成像测井以及常规测井资料结合的方式进行裂缝识别。2.2.1 成像测井识别裂缝 地层中存在裂缝、孔洞、层理等各类地质特征，导致电阻率或声阻抗产生一定差异，而成像测井可将其转化为图像。不同的地质特征，在成像测井图第30卷 第4期 2023年8月 齐宏伟 等：定北地区上古生界裂缝发育特征及影响因素 51 像上呈现出不同的颜色及形态的变化14。根据研究区成像测井影像特征，结合裂缝的充填特征，可将天然裂缝划分为3种类型15（见表2）。表2 不同类型裂缝的影像特征 Tab.2 Image characteristics of different types of cracks 裂缝类型 影像特征 连续传导缝（未充填裂缝）深色完整正弦波形 不连续传导缝（半充填裂缝）与连续传导缝类似，但其影像较为模糊且不规则、不连续 连续高阻缝（充填裂缝）亮色完整正弦波形 利用成像测井图像对研究区天然裂缝发育情况作进一步的识别与表征。如图4a、图4b所示，研究区定北23井4 050.84 053.1 m层段处可观测到3条高角度未充填裂缝，而在4 071.34 071.9 m层段处可观测1条高角度半充填裂缝，两者影像特征类似，皆表现为暗色正弦波形，但半充填裂缝图像有所断续，并且较为模糊；研究区定北23井4 019.24 019.6 m层段处可观测到1条低角度充填裂缝，影像亮色连续，裂缝有效性低（见图4c）。2.2.2 常规测井识别裂缝 常规测井识别裂缝方法众多，本文主要采用交会法分析不同裂缝发育层段的测井响应曲线，并依此建立判别方程进行裂缝识别。根据岩心资料结合成像测井识别出的裂缝样品，将裂缝所在层段因裂缝造成测井响应的样品抽取出来，依据裂缝发育程度分为裂缝发育段及裂缝较发育段，并将通过岩心及成像测井观察未见任何裂缝的层段定为非裂缝段。通过上述样品分类方法，将所有样品分为裂缝发育段、裂缝较发育段、非裂缝段这3类。利用常规测井提取所有样品所在层段的测井数据，包括声波时差（AC）、密度（DEN）、中子（CNL）、深侧向电阻率（RLLd）以及浅侧向电阻率（RLLs）等。图4 定北23井不同层段成像测井图 Fig.4 Imaging logging map of different layers in Dingbei 23 well Vol.30 No.4 Aug.,2023 52 世界石油工业World Petroleum IndustryG地质勘探 Geology Exploration 采用逐步判别的思想，不断剔除与引入变量，建立各参数之间的测井响应值交会图。通过响应特征，最后优选出建立判别方程的2个测井参数：声波时差（AC）和 深、浅 侧 向 电 阻 率 差 的 绝 对 值（|RLLsRLLd|）。如图5所示，声波时差和深、浅侧向电阻率差的绝对值能较好地区分3类样品。利用Fisher线性判别式函数，建立了不同类型样品的判别方程为 1LLsLLd1.6656.49970.899YACRR=（1）2LLsLLd1.2382.39540.175YACRR=（2）3LLsLLd0.9995.56429.447YACRR=（3）式中：Y1为裂缝发育段判别函数；Y2为裂缝较发育段判别函数；Y3为非裂缝段判别函数；AC为声波时差值，s/ft*；RLLsRLLd为深、浅侧向电阻率差的绝对值。图5 声波时差值和深、浅侧向电阻率差绝对值 测井响应交会图 Fig.5 logging response crossplot for AC|RLLsRLLd|根据上述判别方程，选取了研究区内裂缝较为发育的定北31井、定北26井、定北7井等作为判别参考井来验证该方程有效性。以定北31井为例，判别结果在单井剖面上以不同的颜色显示，其中亮红色为识别出的裂缝发育段，绿色为裂缝较发育段，其他为非裂缝段（见图6）。识别结果表明，定北31井盒1段裂缝最为发育，太2段次之，山西组裂缝少量发育。将识别结果与岩心及成像测井识别结果进行对比，三者一致性较好，证明其可应用于研究区地层裂缝识别的研究。3 裂缝发育特征及影响因素 3.1 裂缝发育特征 综合上述裂缝识别结果，观测到研究区发育有天然裂缝的井共计13口，对各井天然裂缝密度进行统计，结果表明：研究区内裂缝密度为0.301.83条/m，平均为0.65条/m。其中定北12、定北14、定北17、定北27等井裂缝密度差异不大，定北20井裂缝密度相对较低，定北31井裂缝密度相对较高（见图7）。裂缝在研究区内普遍发育，且多为中小尺度裂缝，缝长从几厘米至几米不等，可作为储集层渗流通道。此外，裂缝是否有效，其充填程度至关重要。通过岩心及成像测井资料进行观察，结果表明，研究区裂缝开启程度较好，80%以上的裂缝显示为未充填，仅有少量裂缝被方解石、石英等矿物充填。3.2 裂缝发育影响因素 裂缝有效地改善了研究区储层物性，但同时也增大了压裂时窜层的风险。因此，有必要对研究区裂缝发育影响因素作进一步的探究，更好地明确研究区裂缝发育情况。天然裂缝发育机理复杂，其发育程度通常受到多种因素影响。分析裂缝密度与断层的关系，统计不同岩性的裂缝发育程度。结果表明，研究区天然裂缝发育程度主要受到断层和岩性的影响。3.2.1 断层的控制作用 定北地区位于鄂尔多斯盆地，经历了多期构造运动，断层在研究区内普遍发育。通过上述裂缝密度统计情况，绘制研究区裂缝密度平面分布图（见图7）。从图7可以看出，13口取心井绝大部分位于断层附近，其中定北31井极为靠近哈巴湖主断裂，其裂缝密度相对最高，而定北20井远离主断裂带以及周边其他断裂带，裂缝密度相对最低。整体而言，研究区断层附近裂缝更为发育，但裂缝发育程度与距断层距离并不满足严格的对应关系，通过判断断层是否存在仅能定性评价裂缝发育程度。3.2.2 岩性的影响 研究区岩性以砂岩和泥岩为主，其中砂岩又可根据粒度大小分为4种岩性。一般来说，岩石粒度 *非法定计量单位，1 ft=0.304 8 m，下同 第30卷 第4期 2023年8月 齐宏伟 等：定北地区上古生界裂缝发育特征及影响因素 53 图6 定北31井裂缝识别图 Fig.6 Fracture identification diagram of Dingbei 31 well 图7 定北地区裂缝发育密度平面分布图 Fig.7 Plane distribution map of fracture development density in Dingbei area Vol.30 No.4 Aug.,2023 54 世界石油工业World Petroleum IndustryG地质勘探 Geology Exploration 的不同，会导致其岩石力学性质产生变化。而当泊松比较小且弹性模量较大时，岩石更容易破裂从而形成裂缝16。统计研究区不同岩性的岩心裂缝密度，结果表明，粗砂岩中裂缝密度相对较高，泥岩及粉砂岩中裂缝密度相对较低（见图8），总体呈现为随着岩石粒度的增大，裂缝越发育。图8 研究区不同岩性裂缝密度分布直方图 Fig.8 Histogram of fracture density distribution of different lithology in the study area 4 结论 （1）研究区天然裂缝主要为构造裂缝，并以垂直缝为主，可有效沟通上下岩层，为油气在垂直方向上的运移提供通道。（2）根据裂缝在测井曲线上的响应特征，利用声波时差值和深、浅侧向电阻率差绝对值测井曲线作为识别裂缝的方法。结果表明，裂缝在研究区内普遍发育，平均为0.65条/m，并且开启程度较好，80%以上的裂缝显示为未充填。（3）研究区天然裂缝主要受到断层和岩性的影响。断层附近裂缝更为发育并且可以根据断层定性的评价裂缝发育程度；不同岩性中裂缝发育程度存在差异，总体表现为随着粒度的增大，裂缝越发育。参考文献：1 贾爱林,位云生,郭智,等.中国致密砂岩气开发现状与前景展望J.天然气工业,2022,42(1):83-92.JIA A L,WEI Y S,GOU Z,et al.Development status and prospect of tight sandstone gas in China J.Natural Gas Industry,2022,42(1):83-92.2 魏国齐,张福东,李君,等.中国致密砂岩气成藏理论进展J.天然气地球科学,2016,27(2):199-210.WEI G Q,ZHANG F D,LI J,et al.New progress of tight sand gas accumulation theory and favorable exploration zones in China J.Natural Gas Geoscience,2016,27(2):199-210.3 陈培,邓虎成,伏美燕,等.定北地区上古生界低丰度气藏天然气充注模式C/第32届全国天然气学术年会,重庆,2020.CHEN P,DENG H C,FU M Y,et al.Natural gas charging model of low abundance gas reservoirs in Upper Paleozoic in Dingbei area C/Proceedings of the 32nd National Natural Gas Academic Annual Conference,Chongqing,2020.4 张威,卢涛.定北地区断裂系统对气水分布的控制作用J.科技与创新,2019,(16):81-82.ZHANG W,LU T.Controlling effect of fault system on gas-water distribution in Dingbei area J.Science and Technology&Innovation,2019,(16):81-82.5 王学成,乔东宇,刘灵,等.柴达木盆地西北地区井壁失稳要因分析J.世界石油工业,2022,29(6):63-71.WANG X C,QIAO D Y,LIU L,et al.Analysis on the main factors of wellbore instability in northwest Qaidam basin J.World Petroleum Industry,2022,29(6):63-71.6 李辉,肖克,伍友佳,等.裂缝研究方法综述J.内蒙古石油化工,2006,(7):80-82.LI H,XIAO K,WU Y J,et al.Fracture research technique summary J.Inner Mongolia Petrochemical Industry,2006,(7):80-82.7 南煜,张金功,王晔,等.储层裂缝识别方法研究综述J.地下水,2014,36(3):204-206.NAN Y,ZHANG J G,WANG Y,et al.Review on methods for reservoir fracture identification J.Ground Water,2014,36(3):204-206.8 徐黎明,周立发,张义楷,等.鄂尔多斯盆地构造应力场特征及其构造背景J.大地构造与成矿学,2006,30(4):455-462.XU L M,ZHOU L F,ZHANG Y K,et al.Characteristics and tectonic setting of tectono-stress field of Ordos basin J.Geotectonica et Metallogenia,2006,30(4):455-462.9 琚惠姣.苏里格气田西区苏48区上古生界储层特征及其主控因素研究D.西安:西北大学,2011.JU H J.A study on the reservoir characteristics and dominated （下转第72页）Vol.30 No.4 Aug.,2023 72 世界石油工业World Petroleum IndustryE能源工程 Energy Engineering 28 温庆志,胡蓝霄,翟恒立,等.滑溜水压裂裂缝内砂堤形成规律J.特种油气藏,2013,20(3):137-139,158.WEN Q Z,HU L X,ZHAI H L,et al.Study on the rule of forming sand bank in fractures of slickwater fracturing J.Special Oil&Gas Reservoirs,2013,20(3):137-139,158.29 任伟,张宝岩,王贤君,等.变黏滑溜水裂缝内携砂运移特征研究J.石油化工高等学校学报,2022,35(2):22-28.REN W,ZHANG B Y,WANG X J,et al.Sandcarrying migration characteristics of variable-viscosity slick water in fractureJ.Journal of Petrochemical Universities,2022,35(2):22-28.XIONG Y,NAN C.Study on the Dynamic sand carrying capacity and large-scale physical simulation cracking performance of medium and low viscosity slick waterJ Int J Sci Res,2022,11(8):8086.30 石阳,许可,邹存虎,等.降阻剂聚集形态与降阻性能研究J.钻井液与完井液,2022,39(6):776-786.SHI Y,XU K,ZOU C H,et al.Study on aggregation morphology and resistance reducing properties of drag reducing agentsJ.Drilling Fluid&Completion Fluid,2022,39(6):776-786.31 SUN H,WOOD B,STEVENS R F,et al.A Nondamaging friction reducer for slick water frac applicationC/SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference.2011:1-11.32 KOT E,BISMARCK A.Polyacrylamide containing weak temperature labie Azo links in the polymer backboneJ.Macromolecules,2010,43(15):6469-6475.33 KOT E,SAINI R,NORMAN L R,et al.Novel drag-reducing agents for fracturing treatments base on polyarylamide containing weak labile links in the polymer backboneJ.SPE J,2012,17(3):924-930.34 MICHAEL S,KYLE F,STEVE T.Dry Polyacrylamide friction reducer:not just for slick waterC/SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference,2016.（编辑:李丽君）（上接第54页）factors of the Upper Paleozoic at Well Su48 area in the west area of sulige gas field D.Xian:Northwest University,2011.10 杜晓宇,金之钧,曾联波,等.鄂尔多斯盆地陇东地区长 7 页岩油储层天然裂缝发育特征与控制因素J/OL.地球科学,2022-6-22.https:/ X Y,JING Z J,ZENG L B,et al.Characteristics and controlling factors of natural fractures in Chang 7 shale oil reservoir in Longdong area of Ordos Basin J/OL.Earth Science,2022-6-22.https:/ 朱兴娇,赵军龙.致密砂岩储层天然裂缝测井识别方法研究J.云南化工,2022,49(4):112-116.ZHU X J,ZHAO J L.Study on logging identification method of natural fractures in tight sandstone reservoir J.Yunnan Chemical Technology,2022,49(4):112-116.12 蒲静,秦启荣.油气储层裂缝预测方法综述J.特种油气藏,2008,15(3):9-13,106.PU J,QIN Q R.An overview of fracture methods for oil and gas reservoirs J.Special Oil&Gas Reservoirs,2008,15(3):9-13,106.13 李忠平.深层致密砂岩气藏裂缝特征描述、识别及分布评价D.成都:成都理工大学,2015.LI Z P.Fracture characteristics,identification and evaluation of the distribution for deep tight sandstone gas pool D.Chengdu:Chengdu University of Technology,2015.14 吕晶.陆相泥页岩地层岩石力学特征及地应力场评价技术D.成都:成都理工大学,2017.LYU J.Continental facies shale formation rock mechanical characteristics and stress field evaluation technique D.Chengdu:Chengdu University of Technology,2017.15 杨睿.红河油田红92井区延长组致密砂岩有效储层评价D.北京:中国石油大学(北京),2019.YANG R.The effective reservoir evaluation of tight sandstone of Yanchang formation in Honghe92 prodution field of honghe oilfield D.Beijing:China of Petroleum University(Beijing),2019.16 王濡岳,丁文龙,龚大建,等.渝东南黔北地区下寒武统牛蹄塘组页岩裂缝发育特征与主控因素J.石油学报,2016,37(7):832-845,877.WANG R Y,DING W L,GONG D J,et al.Development characteristics and major controlling factors of shale fractures in the lower Cambrian Niutitang formation,southeastern Chongqing-northern Guizhou area J.Acta Petrolei Sinica,2016,37(7):832-845,877.（编辑:许静 叶薇）