低渗透砂岩储层裂缝特征及控制因素——以莺歌海盆地L气田黄流组为例

张冠杰，吴孔友，范彩伟，何小胡,刘敬寿，雷新

1 中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室；2 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院；3 中海石油（中国）有限公司湛江分公司；4 中海石油（中国）有限公司海南分公司

0 前 言

随着我国油气勘探开发的快速发展，低渗透砂岩油气的重要性日益升高［1］。低渗透砂岩储层常具有脆性高、厚度大以及岩相变化幅度较大和内部裂缝发育情况复杂的特点［2］，在注水开发过程中，常因裂缝发育段的高渗透性与基质的低渗透性产生矛盾［3-4］，而且储层裂缝是衔接地质甜点与工程甜点的桥梁［1］，所以针对低渗透砂岩储层裂缝的研究应贯穿整个勘探开发过程［5］。

莺歌海盆地L 气田［6］是近年来我国海上勘探开发的重点气田，深部中新统黄流组是勘探的重点层位［7］。L 气田黄流组埋藏深、基质孔渗性差，裂缝对储层的改造至关重要，但关于区内储层裂缝综合表征及储层裂缝发育影响因素的分析研究还比较缺乏。本文通过对成像测井、钻井岩心以及薄片等不同尺度裂缝的观察统计，结合全岩矿物和岩心孔渗分析，对黄流组低渗透砂岩储层裂缝特征进行了定量表征，研究了地层曲率、断裂位置、岩石力学参数、岩性、单砂体厚度以及基质物性对裂缝发育的影响，在此基础上进一步分析了不同盆地砂岩储层构造裂缝主控因素的差异性，以期对L 气田的储层裂缝预测提供指导，并对L 气田下一步的勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

莺歌海盆地位于南海北部被动大陆边缘，是新生代走滑-伸展盆地［8］，经历了古近纪裂陷期和新近纪—第四纪裂后热沉降期［9-10］。L 气田位于莺歌海凹陷中央底辟带与莺东斜坡带之间的过渡区南部（图1a），由多个岩性气藏组成（图1b），为近年来新发现的千亿方级大气田［6,10-11］。受莺东断裂、1 号断裂影响，气田区在断陷阶段发育箕状断陷，在坳陷阶段发育雁列式的大型底辟构造［12］；在底辟背斜形成过程中发育了一系列张性隐伏断裂［13］，断裂在剖面上呈类花状分布，平面上以底辟为中心向四周呈放射状展布，将背斜分隔成不同断块。近年勘探发现，在底辟及周边深部存在大量微裂缝，它们构成了L 气田高温高压背景下天然气运移的重要通道［14］。

图1 莺歌海盆地L气田构造位置及钻井分布图（引自文献［6］，有修改）Fig.1 Tectonic location and well distribution of L Gasfield in Yinggehai Basin (cited from reference［6］,modified)

L 气田钻遇的地层从下到上为渐新统崖城组、陵水组，中新统三亚组、梅山组、黄流组，上新统莺歌海组及第四系乐东组，主要的含气层位为黄流组、梅山组。本文研究的目的层为黄流组。黄流组主要发育浅海浊积扇，主要的沉积微相包括浊积水道、水道间漫溢沉积以及天然堤［15］，其中浊积水道砂岩为研究区主要的储集体。黄流组砂岩岩性主要为粉—细砂岩和中砂岩，单砂体厚度较薄，主要分布在0~30 m 之间，储集空间主要为粒间孔、粒内溶孔以及微裂缝。岩样测试表明：黄流组砂岩孔隙度为8.5%~12.3%，渗透率为（0.04~10）×10-3μm2，储层物性较差，属特低—低渗储层［16］。

2 储层裂缝发育特征

2.1 不同尺度视域下的裂缝特征

L 气田黄流组低渗透砂岩储层发育不同级次的裂缝，本文从成像测井（FMI）、岩心、薄片镜下3个尺度进行研究。

2.1.1 FMI图像裂缝特征

根据研究区7 口井FMI 图像的正弦曲线形状、颜色以及形态特征，精确识别了天然裂缝的主要类型及其组合形式，并定量拾取出裂缝走向、倾角等信息。解释出的73 条天然裂缝中主要发育高导缝（45 条，占61.64%），其次为高阻缝（18 条，占24.66%），再次为溶蚀缝（10 条，占13.70%）。构造裂缝存在4 种组合形式（图2）：平行式（图2a），2 条或2 条以上裂缝产状近似；网状式（图2b），多条裂缝相互交织，产状无明显规律；共轭式（图2c），2 条裂缝倾角大小相似，倾向相反、走向相同；“Y”字形（图2d），2 组裂缝呈角度相交，平面上呈现“Y”字形状。研究区主要发育低角度（15°＜θ＜45°）裂缝（54 条，占73.97%），局部发育少量高角度(45°＜θ＜75°)裂缝（12 条，占16.44%）和直立(θ＞75°)裂缝（3 条，占4.11%）(图3a)。构造裂缝的走向以NW—SE 向为主，少量为近E—W 向、NE—SW 向以及近S—N 向，走向分布较为集中（图3b）。

图2 莺歌海盆地L气田黄流组二段FMI图像构造裂缝发育特征Fig.2 FMI images showing structural fracture characteristics of the Huangliu Member 2 in L Gasfield,Yinggehai Basin

图3 莺歌海盆地L气田黄流组FMI图像构造裂缝产状统计图Fig.3 Statistics of structural fracture occurrence in FMI images of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

基于构造裂缝产状，对构造裂缝的线密度、视开度、孔隙度等特征参数进行了定量计算［17］及统计分析（图4），可更为直观地了解区域裂缝发育程度，并为讨论裂缝发育的主控因素以及裂缝与含气性的关系提供准确的基础资料［18］。

图4 莺歌海盆地L气田黄流组FMI图像构造裂缝特征参数直方图Fig.4 Histograms of structural fracture parameters in FMI images of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

裂缝线密度普遍偏低（图4a），大于0.25 条/m 的主要为局部密集发育的高导缝，小于0.2 条/m 的主要为高阻缝；裂缝视开度主要集中在0~50 μm 范围内（图4b），其中20~30 μm 范围内29 条、占39.73%，0~20 μm 范围内24 条、占32.88%，仅少部分大于35 μm；裂缝孔隙度主要集中在0~0.1%之间（图4c），其中0.02%~0.05%范围内34 条、占46.58%，0.08%~0.1%范围内17 条、占23.29%，0.05%~0.08%范围内12条、占16.44%。

2.1.2 岩心裂缝特征

通过系统的岩心观察，可见L 气田黄流组低渗透砂岩的裂缝类型主要包括构造裂缝与非构造裂缝。构造裂缝以剪性裂缝为主，该类裂缝开度较小，裂缝倾角从水平、低、高到直立均有见到，其裂缝面较为平直，在岩心上的延伸长度变化较大（0~20 cm）；充填程度较低，大部分未充填，仅少数呈半充填、全充填状态（图5a）。张性裂缝发育较剪性裂缝少，裂缝面弯曲不平，开度较剪性缝大，在岩心上呈波浪状延伸，产状变化较剪性裂缝大（图5b）；可见裂缝被方解石、黄铁矿等矿物充填，并伴有少量的矿物溶蚀现象（图5c，5d）。非构造裂缝主要为成岩裂缝，包括溶蚀缝和层理缝。层理缝多被方解石充填，这种裂缝延伸有限，缝面弯曲呈不规则状，宽度较窄，对储层物性改善作用较小。

图5 莺歌海盆地L气田黄流组砂岩岩心裂缝特征Fig.5 Core photos showing fracture characteristics of sandstone of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

对观察到的23 条岩心裂缝进行统计分析，结果表明：构造裂缝在岩心裂缝中的占比最大（82.33%），裂缝发育深度分布均匀，黄流组各段均有裂缝发育；以低角度裂缝为主（占比63.55%），高角度裂缝次之，水平以及直立裂缝发育较少；与成像测井解释结果相似，构造裂缝中剪性裂缝在岩心上延伸较长，长度区间分布较为均匀；受岩心尺寸限制，非构造裂缝开度较小，以0~1 mm 为主，张性裂缝开度较大，主要集中在1~2 mm 范围；以未充填、半充填为主，所占比例超过90%，充填物主要为泥质和方解石，石英、黄铁矿较少，且常与方解石共生。

2.1.3 薄片镜下裂缝特征

镜下微裂缝观察结果显示，黄流组以发育构造裂缝为主，可见明显的早期裂缝被后期裂缝切割的现象（图6）。构造裂缝中主要发育剪性裂缝（图6a），裂缝面较为平直，开度集中在0.02~15 μm之间，延伸数十微米，多为宏观裂缝伴生或派生裂缝；可见部分裂缝被方解石充填，并常在后期构造变形中被错断(图6b)，多切穿石英、长石等矿物颗粒。少数样品中可观察到层理缝等非构造成因裂缝，其裂缝面弯曲，张开度较小，呈不规则的弯曲状(图6c)。此外，部分薄片上可以观察到裂缝密集发育，裂缝相互交切形成网状裂缝系统(图6d)。微裂缝对改善低渗透砂岩储层的储渗性能具有重要意义［19］，微裂缝集中发育大大增加了储层生产周期，使采收率更高。

图6 莺歌海盆地L气田黄流组镜下微裂缝特征Fig.6 Microscopic characteristics of microfractures of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

2.2 裂缝充填程度

对L 气田黄流组岩心以及镜下观察到的109 条裂缝的充填类型进行统计，裂缝以未充填或半充填为主（图7），仅发育少量全充填裂缝。这与成像测井识别的高导缝占比较高、高阻缝占比较低相一致。从成因类型来看，剪切缝中的未充填裂缝所占比例最大（图7a）；从裂缝倾角来看，低角度裂缝中的未充填裂缝所占比例最大，高角度裂缝中的半充填裂缝所占比例较高（图7b）。

图7 莺歌海盆地L气田黄流组不同类型与产状裂缝的充填程度直方图Fig.7 Histograms of fracture filling degree of different types and occurrences in Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

2.3 裂缝形成期次

基于岩心及薄片观察，根据裂缝之间的切割、组合关系判断裂缝形成的先后顺序，认为研究区至少存在2期天然裂缝（图6a，6d）。

裂缝充填物中的流体包裹体代表了裂缝形成时的原始流体样品（图8，主要范围）。

图8 莺歌海盆地Y-1井埋藏史曲线及流体包裹体均一温度分布范围Fig.8 Burial history curve and fluid inclusion homogenization tempera⁃ture distribution in Well Y-1,Yinggehai Basin

观察发现：研究区黄流组砂岩裂缝中分布较多的气液两相盐水包裹体，形态呈椭圆状、不规则状，气液比为4%~7%。选取18 个盐水包裹体样品进行流体包裹体测试，测得的均一温度主要有2 期：第1期为120~135 ℃，第2期为150~160 ℃。进一步结合研究区构造演化和地层埋藏史，推测区内至少发育2 期天然裂缝，形成期次分别为新近纪晚期—第四纪前，第四纪早期—中晚期。

3 储层构造裂缝发育的影响因素

3.1 构造因素

构造裂缝是由局部构造应力形成的，与构造样式、地层力学性质等密切相关［20］。在众多断层相关褶皱中，地层曲率是影响构造裂缝发育程度的重要参数［21-22］。对L 气田不同井位处黄流组的地层曲率进行计算，依据成像测井资料计算测点处的裂缝平均线密度，对两者进行交会分析发现：研究区构造裂缝线密度与地层曲率之间具良好的线性相关关系（图9），地层的曲率越大，构造裂缝越发育。

图9 莺歌海盆地L气田黄流组构造裂缝线密度与地层曲率关系图Fig.9 Relationship between structural fracture line-density and strati⁃graphic curvature of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

莺歌海盆地经历了多期构造运动，研究区发育一系列底辟断裂以及斜坡区的隐伏断裂，在断裂附近或断裂带的拐点、交切部位应力集中，构造裂缝发育。Y-1 井、Y-2 井靠近1 号断裂，同时周边发育多条四级断裂，构造裂缝的发育程度较高：2 口井的构造裂缝密度分别为0.296 条/m、0.345 条/m；这2 口井中碎裂带极其发育，并具有一定方向性，是剪应力与张应力共同作用的结果。

3.2 岩石力学参数

由于海上区块钻井取心较少，本文利用阵列声波测井资料计算岩石动态力学参数（图10）。进一步结合成像测井裂缝解释的结果，统计岩石力学参数与构造裂缝线密度之间的关系（图11）。统计发现：①研究区构造裂缝发育程度随杨氏模量增大呈现先增大后减小的趋势（图11a）。杨氏模量越大，岩石的弹脆性越强［23］。在一定范围内，岩石具有较高杨氏模量时岩石显示出高脆性［24］，受到相同构造应力时容易产生破裂。但当岩石杨氏模量过高时，岩石具有较高的应变能，在应力作用下，大量的能量用于快速突破围压做功，导致岩体破裂（由微裂缝转为较大裂缝，较大裂缝间常有较高的连通性，导致岩石产生宏观破碎，岩石基体破坏），因此构造裂缝发育程度呈现出随杨氏模量的增大而先增大后减小的规律。②研究区裂缝发育程度与泊松比无明显规律（图11b），在泊松比较高的情况下，也有较密集构造裂缝产生。根据岩石弹性力学研究，在受到相同的外部应力时，岩石的应变能与杨氏弹性模量和泊松比紧密相关，由于岩石泊松比的绝对数值较小，同一区域内岩石泊松比相差不大，因此岩石的应变能主要由杨氏模量决定。

图10 莺歌海盆地L气田L-6井黄流组岩电综合柱状图Fig.10 Rock-electricity comprehensive column of Huangliu Formation in Well L-6 of L Gasfield,Yinggehai Basin

图11 莺歌海盆地L气田黄流组砂岩杨氏模量、泊松比与构造裂缝线密度关系图Fig.11 Relationships of Young's modulus and Poisson's ratio with structural fracture line-density of sandstone of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

3.3 基质孔隙度与渗透率

当基质孔隙度与渗透率处于合适的值域时，岩石的抗压强度、临界破裂值及微裂缝的延伸能力才能达到最优组合［25］，从而促进构造裂缝的发育。对研究区黄流组岩心物性与成像测井裂缝解释进行交会发现：构造裂缝线密度与基质孔隙度、渗透率均呈两段式关系（图12）。如图12a 所示：当基质孔隙度小于9.1%时，孔隙度与构造裂缝发育程度呈正相关关系；当基质孔隙度大于9.1%时，两者呈负相关关系。如图12b 所示：当基质渗透率小于1.34 ×10-3μm2时，渗透率与构造裂缝发育程度呈正相关关系；当基质渗透率大于1.34 ×10-3μm2时，两者呈弱负相关关系。总体看，当基质孔隙度介于8%~10%、基质渗透率介于（1.3~1.5）×10-3μm2时，构造裂缝最发育。

图12 莺歌海盆地L气田黄流组砂岩基质孔隙度、渗透率与构造裂缝线密度关系图Fig.12 Relationships of matrix porosity and permeability with structural fracture line-density of sandstone of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

3.4 岩矿特征

在低渗透砂岩储层中，岩石矿物组分、岩石结构决定了构造裂缝的发育程度［26］。岩心、薄片观察发现，L气田黄流组构造裂缝主要发育在中砂岩和细砂岩中（图13a），其次为含砾砂岩和泥岩，含凝灰碳质泥岩和泥质粉砂岩中较少。全岩X衍射表明，研究区中砂岩的石英含量达到了50%~60%，方解石等碳酸盐矿物含量达10%~30%，脆性矿物含量较高。而且，中砂岩层段较细砂岩层段更多地以薄层夹在两套厚泥岩层之间的方式发育，当受应力作用时，应力更易在中砂岩层段集中而产生破裂，造成构造裂缝发育。泥岩、泥质粉砂岩和含凝灰碳质泥岩含有较多的塑性成分，而且研究区常发育大套厚层的泥岩，当受应力作用时，大量能量消耗于岩石的塑性形变，且应力更为分散，不易产生破裂，对储层物性的改善作用较小。

图13 莺歌海盆地L气田黄流组岩性、岩石组分、岩层厚度与构造裂缝线密度关系图Fig.13 Relationships of lithology,rock composition and stratum thick⁃ness with structural fracture line-density of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

随着石英、碳酸盐矿物等脆性矿物含量的增加，岩石脆性增强，岩石抗张强度、抗压强度降低，受应力作用时容易产生破裂，而且产生的裂缝更易扩张、延伸。据L-6 井、L-5 井、L-10 井黄流组岩心样品X 衍射矿物组分分析，矿物组分中石英质量分数最大，方解石次之，黏土矿物最小。统计发现，研究区构造裂缝线密度与脆性矿物含量呈正相关关系（图13b），其中与石英含量呈较强正相关性，与长石、方解石含量呈弱正相关性，这表明岩石脆性越强，裂缝越发育。另外，石英具有特定的晶形且硬度较高，在后期的构造运动中可有效抵御外力作用，使前期形成的裂缝与孔隙得以保存。随着黏土矿物含量的增加，岩石的塑性逐渐增高，当受应力作用时，岩石的塑性形变消耗了大量应变能，导致裂缝发育程度降低（图13b）。

3.5 岩层厚度

对于同一类岩性，岩层厚度越大，在相同应力作用下岩石破裂发生的位置越分散［27］；随着裂缝发育段单层厚度的增加,不同构造裂缝的间距增大、密度减小［28］。基于研究区成像测井解释结果，对岩层厚度与构造裂缝线密度进行交会，从图13c 可以看出，随着岩层厚度的增加，构造裂缝线密度逐渐降低。当岩层厚度从0.2 m增加到4.7 m时，裂缝线密度显著降低，约从2.5 条/m降低到0.2 条/m；当岩层厚度大于4.7 m时，裂缝发育程度低，二者几乎无相关性。整体而言，当岩层厚度小于5 m时，构造裂缝较发育，裂缝线密度基本大于0.5 条/m；当岩层厚度大于5 m时，构造裂缝不发育，裂缝线密度显著降低。

4 裂缝发育程度与油气产能的关系

在低渗透砂岩储层中，构造裂缝是沟通储层孔隙空间、增强基质连通性和渗透性的重要桥梁［4］，随着裂缝发育程度的增大，储层中流体的流动性变好、饱和度增大［29］。L气田黄流组低渗砂岩含气量与构造裂缝发育程度的相关性分析（图14）表明：随着构造裂缝线密度的增加，总含气量呈上升趋势。

图14 莺歌海盆地L气田黄流组含气量与构造裂缝线密度关系图Fig.14 Relationship between gas content and structural fracture linedensity of Huangliu Formation in L Gasfield,Yinggehai Basin

因此，准确预测裂缝发育段，可以为压裂开发作业以及构造裂缝发育段储层的保护性开采等提供有利依据。

5 与陆上盆地的对比

为了更系统地认识构造裂缝的主控因素，对陆上三大盆地（四川盆地三叠系，鄂尔多斯盆地三叠系，塔里木盆地白垩系）的相关研究成果［30-39］进行了调研分析（图15）：①在各盆地砂岩储层中通常发育高角度裂缝或垂直裂缝［25］（图15a）。例如，鄂尔多斯盆地三叠系高角度裂缝和垂直裂缝占80%以上［30-34］，塔里木盆地白垩系占到了70%以上［25，29，35-36］。②岩性是影响裂缝发育的重要因素。一般认为细砂岩因颗粒较细，岩石脆性较强，构造裂缝较为发育，如塔里木盆地大北气田细砂岩构造裂缝线密度达到了7.4 条/m（图15b），而颗粒较粗的中砂岩构造裂缝线密度仅为4.2 条/m［25］，这一现象具有一定的普遍性。通常认为泥岩因含有较多的塑性矿物成分，受应力作用时不易破裂，但在塔里木盆地库车坳陷的大北气田、克深气田，白垩系泥岩、泥质粉砂岩中构造裂缝更发育（图15b），裂缝线密度超过细砂岩、中砂岩。③构造裂缝线密度随岩层厚度增大皆存在先快速下降后基本稳定的趋势（图15c）。尽管不同盆地的岩层厚度尺度不同，但存在岩层厚度小于2 m时，构造裂缝普遍较为发育这一规律，如鄂尔多斯盆地三叠系的绝大部分油田［30-34］。④构造裂缝发育程度随基质孔隙度的增大呈现先增大后减小的趋势（图15d），但是不同地区的趋势转折点的基质孔隙度值有所不同，一般小于2%，裂缝发育程度即开始有下降趋势。⑤构造机制上，陆上各盆地燕山期以来经历了多期强挤压应力改造，主要形成与褶皱、断层有关的裂缝［31,35,37］。

图15 陆上三大盆地构造裂缝倾角及主控因素对比Fig.15 Comparisons of dips and main control factors of structural fracture of the three major continental basins in China

如前所述，莺歌海盆地新近系黄流组构造裂缝以低角度为主（图3a），与陆上盆地相比具有一定特殊性，这与近海海域的构造-沉积背景密切相关。新近纪以来南海海域进入拗陷期，莺歌海盆地发生快速沉积，深层普遍存在强烈的欠压实（超压作用），底辟构造广泛发育。底辟构造一般上拱幅度较低，其剖面形态为低幅度背斜，由于底辟活动时上拱作用力较弱，上覆巨厚地层在局部刺穿事件中会产生裂缝；此外，在盆地边界断层晚期右旋走滑伸展的作用下，底辟活动及地层拱张形成了局部张性应力场，发育部分伴生的张性裂缝。莺歌海盆地黄流组发育大套的砂岩、泥岩层（图10），平均厚度为5~20 m，厚层泥质岩中多见砂岩薄夹层。构造裂缝主要发育于中砂岩、细砂岩等脆性矿物含量高的岩类（图13a），特别是厚层泥质岩所夹的砂岩薄层，在相同构造应力作用下破裂较为集中。在岩层厚度小于4.7 m 时，构造裂缝发育程度随层厚的增加快速降低（图13c）；在砂岩基质孔隙度大于10%的情况下，裂缝发育程度有明显下降（图12a）。综合分析可知，区别于陆上盆地燕山期以来多期次的强烈挤压改造，南海海域莺歌海盆地新近纪以来进入快速沉降期，缺少大规模的断层、褶皱活动，而快速沉积造成的地层欠压实则导致深层底辟活动广泛发育，相对较弱的地层上拱作用导致低角度裂缝发育，且集中于脆性的砂岩夹层中。

6 结 论

（1）通过观察分析不同尺度（成像测井、岩心、薄片镜下）的裂缝特征，揭示莺歌海盆地L气田黄流组低渗透砂岩储层主要发育构造裂缝，构造裂缝主要包括剪性裂缝和张性裂缝，裂缝倾角以低角度为主，非构造裂缝主要为溶蚀缝，部分裂缝被方解石、黄铁矿等矿物充填。

（2）构造裂缝随着地层曲率的增大，发育程度逐渐增高；受断裂影响，在断裂附近构造裂缝发育程度较高；中砂岩中的构造裂缝最为发育，其次为细砂岩和含砾砂岩；当单层厚度小于4.7 m 时，单层厚度与构造裂缝发育程度呈显著负相关，大于4.7 m后几乎无相关性；当基质孔隙度介于8%~10%、渗透率介于(1.3~1.5)×10-3μm2时，构造裂缝最为发育；构造裂缝发育程度受岩石弹脆性和应变能影响，表现为随着岩石弹性参数杨氏模量的增高，裂缝发育程度具有先增高后降低的规律。储层裂缝对油气产能有一定的提升作用，但在油气开发过程中,需对储层采取保护,以避免产能快速下降。

（3）新近纪以来莺歌海盆地快速沉降，深层的底辟构造广泛发育，较弱的地层上拱导致黄流组厚层泥质岩所夹的砂岩薄层集中产生独特的低角度裂缝。