研究区上古生界大面积富砂, 其中盒8段砂地比大于70%, 区内砂体经过一系列成岩作用, 储层物性多演变成低孔、低渗致密储层, 其构造平缓, 砂体横向上连片分布, 垂向上叠置发育, 厚度较大。在气藏性质、运移动力等因素相同的背景下, 油气多沿物性优、砂体连通性好、阻力较小的方向运移。以孔隙为主的输导体系在不同岩性里其输导性能有所差异, 研究区输导层岩性可分为孔隙性砂岩和孔隙性泥岩。

研究区上古生界地层埋藏深度大于2 000 m, 上覆地层压力大, 部分刚性突出的储层在海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动的共同作用下, 会产生一些微裂缝和小型裂缝。在这些裂缝发育部位的储层物性要优于同时期沉积的裂缝不发育的储层。裂缝对研究区致密储层起到一定的改善作用, 形成其气藏运移的优势通道。

研究区上古生界储层岩性主要分为细、中和粗砂岩。根据气藏运移的方向, 主要对其平行层面和垂直层面的孔渗进行研究。通过对3组不同粒度砂岩样品进行相应的实验, 分别得到平行层面以及垂直层面的孔隙度和渗透率。

根据实验结果, 细砂岩样品颗粒的磨圆度和分选性较差, 基底式胶结, 平行层面方向颗粒呈定向性排列, 垂直层面方向颗粒杂乱无序; 中砂岩样品颗粒分选性较好, 但磨圆度中等, 垂直和平行层面方向的颗粒皆呈定向性排列; 粗砂岩样品颗粒分选性、磨圆度好, 颗粒空间上呈定性向排列（图2）。

图2

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	图2 不同粒度砂岩平行和垂直层面方向孔隙结构特征

上古生界不同粒度砂岩孔隙度不受层面方向的影响, 而平行层面的渗透率要大于垂直层面的渗透率（表1）。由此可知, 孔隙性砂岩的输导性能主要受其与层面的关系影响, 受影响的主要是渗流能力。气体在储层中会优先在同一岩性的平行层面内运移。

表1

表1

表1 不同粒度砂岩平行层面与垂直层面孔隙度和渗透率 岩性 渗透率/mD 孔隙度/% 平行层面 垂直层面 平行层面 垂直层面 细砂岩 0.048 0.039 0.013 0.021 中砂岩 0.181 5 0.072 0.075 0.056 5 粗砂岩 3.845 1.335 10 10

表1 不同粒度砂岩平行层面与垂直层面孔隙度和渗透率

研究区具有一定输导性能的泥岩为粉砂质泥岩, 同样对其平行层面和垂直层面方向的孔渗进行测定。从镜下微观的角度看, 粉砂质泥岩的泥质矿物占比大于砂质矿物, 泥质矿物越多其输导性能越差, 平行层面和垂直层面方向的孔渗差距越小, 受层面的影响也越小。当砂质矿物占比大于40%时, 平行层面方向的碎屑颗粒多为定向排列, 单位面积上喉道较多, 连通性较好, 渗流能力较强, 而垂直层面方向多为杂乱排列, 孔渗较小, 连通性较差, 输导性能亦差。

由此可见, 在孔隙性输导层内储层物性为研究区气藏运移的主控因素, 而在岩性相同条件下输导性能主要受其与层面关系的控制, 平行层面方向的输导性能要优于垂直层面方向。所以在以孔隙为主的输导层中, 气藏优先充注于平行层面方向的孔隙, 垂向运移能力较弱, 多为近源成藏。

研究区虽构造相对较平缓, 大断裂不发育, 但区域所受应力各不相同, 部分埋藏较深, 岩性趋于刚性的地区, 易发育微裂缝或小型裂缝。

根据前文, 针对平行层面裂缝发育砂岩、平行层面以及垂直层面方向裂缝不发育砂岩的输导性能进行研究, 选取研究区不同粒度且平行层面裂缝发育的取心井砂岩样品, 对其平行层面裂缝发育部位、平行层面以及垂直层面方向裂缝不发育部位砂岩样品的渗透率进行测定发现：在裂缝不发育的部位, 细砂岩、中砂岩以及粗砂岩垂直层面方向的输导性能均弱于平行层面方向; 在裂缝发育的部位, 渗透率受砂岩粒度影响不大且远高于裂缝不发育部位（表2）。

表2

表2

表2 平行层面裂缝发育、平行层面与垂直层面裂缝不发育砂岩渗透率 岩性 渗透率/mD 平行层面裂缝发育 平行层面裂缝不发育 垂直层面裂缝 不发育 细砂岩 23 000 0.052 0.036 中砂岩 24 500 0.45 0.38 粗砂岩 27 000 3.88 1.56

表2 平行层面裂缝发育、平行层面与垂直层面裂缝不发育砂岩渗透率

针对研究区垂直层面裂缝发育的取心井砂岩样品进行渗透率测定发现：无论是粗砂岩、中砂岩还是细砂岩, 其垂直层面裂缝发育样品渗透率要远大于平行层面以及垂直层面裂缝不发育样品渗透率（表3）。

表3

表3

表3 垂直层面裂缝发育、平行层面与垂直层面裂缝不发育砂岩渗透率 岩性 渗透率/mD 垂直层面裂缝发育 平行层面裂缝不发育 垂直层面裂缝 不发育 细砂岩 13 600 0.051 0.03 中砂岩 24 000 0.69 0.32 粗砂岩 32 000 3.97 2.56

表3 垂直层面裂缝发育、平行层面与垂直层面裂缝不发育砂岩渗透率

裂缝发育部位的输导性能要远高于裂缝不发育的部位。将不同粒度砂岩垂直层面和平行层面方向裂缝发育部位进行对比研究, 发现裂缝的输导性能与其层面关系不大（图3）, 但裂缝发育部位的渗透率与裂缝不发育部位的差距甚大。裂缝发育能够改善储层的输导性能, 尤其是其垂直层面方向的输导性能, 所以垂向裂缝为气藏垂向运移的主控因素。

图3

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	图3 不同粒度砂岩不同方向裂缝渗透率

4.3.1 构造曲率法识别微裂缝

根据前人论证, 在褶曲构造上主应力和构造主曲率方向是一致的, 在主曲率大的地方裂缝较发育（应用构造主曲率和倾角）。根据目的层的构造形态, 用确定的曲面来计算其构造挠度。

通常选取曲率面上过一点的两个互相垂直截面上扭率为零的曲率的点, 设定其最大主曲率为1/R₁, 最小主曲率为1/R₂, 则与之相对应的两个主应力σ ₁、σ ₂分别为：

σ ₁=（Eh/（2× （1-υ ²）））（1/R₁+υ /R₂）

σ ₂=（Eh/（2× （1-υ ²）））（1/R₂+υ /R₁）

式中：σ ₁为最大主曲率主应力, MPa; E为岩石杨氏模量, MPa; h为目的层厚度, m; υ 为泊松比, 无量纲; σ ₂为最小主曲率主应力, MPa。

在求出各点主应力的基础上, 计算各点弹性应变能量（E_ε ）：

E_ε = 12E（σ ₁²+σ ₂²-2υ σ ₁σ ₂）

式中：E_ε 为弹性应变能量, MPa。

而弹性应变能量与裂缝发育密度关系呈指数相关（图4）, 弹性应变能量越大, 裂缝越发育。应用构造曲率法将上古生界古构造应力场看作稳定应力场, 以研究区盒8段为例, 根据其构造形态计算出的弹性应变能量, 与其裂缝发育程度耦合度较高, 符合率达到65%以上。

图4

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	图4 弹性应变能量与裂缝发育密度相关图

4.3.2 裂缝的平面分布特征

绘制研究区盒8段弹性应变能量平面分布图（图5）, 由图5可见, 其弹性应变能量呈网状分布, 局部井区连片, S 76-20-26、S 76-17-28X、S 78井等都位于弹性应变能量较强的区域。同时, 取心资料表明（如S 76-17-28X井）, 其盒8段裂缝发育。由此可知, 研究区盒8段弹性应变能量在一定程度上可以表征其裂缝发育程度, S 76-1-9X井区、S 78井区以及S 76-17-28X井区裂缝较发育, 分布范围较广, 区块中部裂缝局部集中发育。

图5

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	图5 盒8段弹性应变能量平面分布图

4.3.3 R/S分析法识别纵向微裂缝

R/S分析法是赫斯特提出的一种分形统计方法, 研究证明R/S分析法对一维分形变量分析是有效的, 其基本原理为某一时间序列里全段极差R_（n）与标准差S_（n）之比。

${{R}_{n}}=\frac{\text{max}}{0<u<n}\left[ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,Zi-u/n\underset{j=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,Zj \right]-\frac{\text{min}}{0<u<n}\left[ \underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,Zi-u/n\underset{j=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,Zj \right]$

${{S}_{n}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,Zi{{}^{2}}-{{\left[ \frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathop \sum }}\,Zi \right]}^{2}}^{\frac{1}{2}}$

序列满足统计, 则有：

R_（n）/S_（n）=Cd^H

对方程两边取对数：

log（R_（n）/S_（n））=lgC+Hlgd

式中：n为时间序列个数; u为0~n之间依次增加的标度个数; i、j为采样点个数的变量; Z为序列值; C为某一常数; d为延迟距离, m; H为赫斯特指数。

将R_（n）/S_（n）比值与采样点n一一对应, 建立R/S与n的散点图, 可知R/S与n之间存在线性关系。其斜率为赫斯特指数（H）, 分形维数D=2-H, 分形维数D值的大小可用来揭示该时间序列变化规律。

前人将该统计方法应用于储层裂缝识别, 基于常规测井, 通过对相应层的声波时差进行R/S分析, 识别微裂缝。在裂缝发育层段, 储层非均质性强, R/S曲线出现明显的下凹, 分形维数D值距离1趋远; 而在裂缝不发育的层段, R/S分析曲线基本无变化且分形维数D值接近于1。该方法能够较好地识别储层微裂缝^{[13, 14]}。

本文应用R/S分析法来表征纵向微裂缝的发育情况。已知在裂缝发育地区, 无论裂缝是平行层面还是垂直层面, 其渗透率都为储层裂缝不发育地区的6× 10³~6× 10⁴倍, 表明储层非均质性强。以研究区盒8段为例, 分析取心井S 76-17-28X井裂缝发育层段声波时差R/S曲线上的响应特征, R/S散点图出现较明显的变化, 赫斯特指数为0.695, 分形维数D值为1.305（图6）, 而在裂缝不发育的层段, 其声波时差R/S曲线散点拟合图上, 赫斯特指数为0.986, 分形维数D值为1.014, 基本无变化。通过计算分析, 裂缝发育井位其分形维数D值通常大于1.20。

图6

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	图6 S 76-17-28X井裂缝发育层段声波时差R/S分析曲线

通过对研究区已钻井盒8段声波时差R/S进行统计分析, 绘制盒8段分形维数D值等值线平面图（图7）。将分形维数D值等值线平面图与盒8段弹性应变能量平面分布图（图5）进行叠合, 得到D值等值线与构造曲率法等值线叠合图（图8）。叠合后发现两者能够较好地耦合, S 76-17-28X井区、S 76-1-9X井区以及S 78井区分形维数较高, 反映其非均质性较强, 裂缝较发育。区块发育3个南北向分形维数高值条带, 与盒8段南北向河道展布一致。通过验证, 应用该方法表征裂缝, 符合率达到73%。

图7

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	图7 盒8段分形维数D值等值线平面图

图8

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	图8 盒8段D值等值线与构造曲率法等值线叠合图

4.3.4 裂缝的纵向分布特征

通过R/S分析法, 分别对研究区上古生界山西组山1段、山2段, 石盒子组盒8上亚段、盒8下亚段的声波时差进行统计分析。统计结果表明, 研究区上古生界不同层段分形维数D值大于1.20, 占已钻井的比例分别为：山1段35%、山2段41%、盒8下亚段43%、盒8上亚段38%。山1段和山2段裂缝发育程度整体上略低于盒8段, 山西组裂缝相对比较发育, 盒8下亚段裂缝最为发育。山西组山2段泥岩厚度大, 储层局部发育, 山1段储层特征与山2段相似, 砂体厚度整体较薄, 裂缝作为气藏运移通道, 有利于气藏垂向运移。盒8段垂向叠置发育厚砂体, 储层整体较致密, 裂缝的发育能够改善储层渗流能力, 形成优势通道, 便于气藏在储层中聚集。