吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”页岩裂缝发育主控因素及评价*

王俊超 陶先高 李佳琦 贾海正 张腾 佟亮

（1.新疆油田公司工程技术研究院 新疆克拉玛依 834000；
2.北京远望景盛科技发展有限公司 北京 100083）

随着页岩油勘探的广泛开展，中国鄂尔多斯盆地［1］、松辽盆地［2］、准噶尔盆地［3］、渤海湾盆地［4］和北部湾盆地［5］等均发现了页岩油气资源，具有广阔的勘探前景。国内外众多页岩油勘探案例表明，页岩油藏通常无明显圈闭界限，具有源储一体、连续分布、自生自储特征，储层孔隙度小、岩石致密，致使单井自然产能一般很低，难以达到工业油流下限，但在一定经济条件和技术措施下可获得工业油流，这些措施包括直井缝网压裂、水平井体积压裂等［5-7］。天然裂缝很大程度上提高了页岩储层物性（孔隙度和渗透率）；
同时，压裂措施能够促使天然裂缝相互连通形成三维立体裂缝网络，为页岩油的渗流提供更多、更顺畅的通道［8-10］。可见，裂缝不仅直接影响开采效益，也决定产能大小、开采周期等。因而，页岩裂缝发育主控因素及预测方法研究对页岩甜点区预测、井位部署及制定、调整开发方案等具有非常重要的指导意义。

前人在页岩裂缝成因、发育特征与分布规律等方面开展了大量研究，认为页岩储层构造裂缝主要受控于水平构造挤压和构造抬升剥蚀，而层理缝则主要是构造、成岩和生烃排酸溶蚀成因，裂缝发育分布受储层因素和构造因素的双重控制［11-17］。页岩储层裂缝研究主要基于岩心描述、测井及地震评价等。岩心描述侧重于裂缝成因、形成期次分析等［18-20］；
测井评价主要利用电阻率成像测井识别并计算出裂缝参数，如裂缝孔隙度、裂缝宽度、裂缝密度等［21-23］；
地震评价主要通过曲率属性、各向异性方位属性等进行裂缝相对发育情况对比［24-28］。但目前在页岩不同类型裂缝发育主控因素分析及定量预测方面不够深入。因此，笔者以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油“上甜点段”为例，在裂缝类型识别分类基础上，通过不同类型裂缝发育程度的影响因素分析，着重探讨对储层压裂改造效果贡献较大的中—高角度构造缝，以及层理缝发育程度的定量评价模型。

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部隆起西南端，是形成于中石炭统褶皱基底上且具有西断东超特征的箕状凹陷。凹陷北界为吉木萨尔断裂，西以西地断裂等为界，南以三台断裂为界，东部为逐渐抬升的斜坡，勘探面积约1 278 km2（图1a）。盆地东部主要经历了中晚期海西运动、燕山运动及喜马拉雅运动等多期构造运动的隆升剥蚀和构造沉降。海西运动中晚期，凹陷处于张性构造背景，构造抬升遭受剥蚀，产生了强烈的SN向挤压应力；
燕山运动早期，构造主应力由SN向转换为NE—SW向，晚期时，博格达山前陆凹陷在构造应力作用下发生持续的褶皱带活动，产生NW—SE向的强烈挤压应力；
喜马拉雅运动期，基本继承了燕山期的构造格局，构造主应力方向没有明显变化。吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油是中国陆相页岩油的典型代表［29-30］，近年实施的多口水平井和直井，获得了重大进展，揭示了良好的勘探前景，其中页岩储层厚度大于200 m的页岩油有利区面积高达806 km2，含油气层段埋深主要分布在3 000～4 000 m，是新疆油田页岩油主力建产区。

吉木萨尔凹陷芦草沟组是浅湖—深湖相沉积，主要发育泥页岩、白云质泥岩、白云质粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质白云岩和白云岩等［31-34］，地层厚度100～350 m，发育上、下两个主力“甜点段”［35-36］，平面上主要分布在凹陷中部，纵向上单层厚度薄（0.5～2 m），多期叠置，累计厚度20～60 m（图1b），含油饱和度为60%～95%。目前多口钻井获工业油流。

图1 吉木萨尔凹陷芦草沟组顶面构造及综合柱状图Fig.1 Top structure and stratigraphic column of Lucaogou Formation，Jimsar sag

吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油主要富集在云质粉砂岩、砂质白云岩、泥质粉砂岩等3类岩性体中，常规物性分析表明储层为典型的低孔—特低渗特征，孔隙度0.1%～27.8%，中值7.82%，渗透率0.004～9.82 mD，中值0.4 mD。当含有裂缝时，渗透率明显增大［20］（图2），裂缝的存在极大地增强了储层渗流能力，并且增加了储集空间。J10025井和J174井岩心观察表明，沿着层理裂缝面存在非常明显的原油外渗现象（图3），多分布在粉砂岩中，全取心井段376 m共计高达100余处，录井剖面也在裂缝发育井段显示出良好的含油气性。

图2 吉木萨尔凹陷芦草沟组泥页岩储层物性［20］Fig.2 Physical properties of shale reservoir in Lucaogou Formation，Jimsar sag［20］

图3 吉木萨尔凹陷J10025井芦草沟组岩心原油沿层理外渗现象Fig.3 Permeated oil along bedding fracture of core from Well J10025 in Lucaogou Formation，Jimsar sag

页岩油开采时采用的压裂改造技术，要求尽可能最大限度沟通天然裂缝，产生最大体积空间的理想立体缝网系统，进而最大限度地提高产量［37-38］。天然裂缝的类型对储层改造效果的影响很大。通过对J10025井和J174井等典型井岩心系统观察，将裂缝划分为层理缝（成岩缝的一种）、构造缝（包括直劈缝、高角度缝、低角度缝）、异常高压缝3种类型［6，39］。据此裂缝分类方案，本次研究基于岩心观察描述结果与电阻率扫描成像测井资料，对研究区27口井页岩油“上甜点段”裂缝进行识别，并分别统计发育情况。

2.1 类型

2.1.1 层理缝

成岩缝包括层理缝和缝合线，岩心观察表明研究区成岩缝较发育，主要为层理缝（图4a、b），缝合线少见。层理缝通常沿层理面低角度或水平延伸，多与构造缝伴生形成相互切割的网状裂缝，大大提高了储层的孔渗性能，并提供了通畅的运移通道［18，39］。镜下观察发现，层理缝一般不会穿过矿物颗粒，裂缝宽度0.1～5μm，常呈楔形，裂缝长度0.1～10 mm，地层条件下多数裂缝呈闭合状态。早期裂缝形成时若被烃类充注，则裂缝成为有效的储集空间，得以保存；
若没有被充填，则会成为地层水的主要运移通道，在一定的温压条件下，经历长时间水岩作用，大量成岩矿物会发生过饱和沉淀，如泥质、铁质、石英、长石、方解石等矿物，这些沉淀矿物堵塞了岩层内流体的渗流空间，使得裂缝的有效性降低。芦草沟组岩心、测井和试油资料表明，层理缝发育位置与含油性层具有良好的对应关系，这与层理缝的开启性及烃类充注有关。

图4 吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩裂缝Fig.4 Shale fractures in Lucaogou Formation，Jimsar sag

根据开启性及充填物不同，层理缝在成像测井图像上表现为黑色或白色线条［40］。J10025井3 756.3～3 756.7 m成像测井图像显示出7条未充填层理缝，钻井液侵入导致低电阻响应，成像测井图像相应为黑色条带（图5），裂缝产状虽与层理一致，但层理缝的线条宽度不一，这也是与层理的典型区别。反之，当层理缝被云质脉体充填，导致电阻率增加，成像测井图像显示为亮白色条带。

图5 吉木萨尔凹陷J10025井层理缝岩心、电阻率成像测井图像Fig.5 Core photos and FMI images of bedding fracture from Well J10025，Jimsar sag

2.1.2 构造缝

构造缝的形成主要受构造运动控制，发育位置与构造应力分布相关［18，41］。野外露头观察显示，构造缝主要为剪切缝和扩张缝。扩张缝的产状多变，延伸较短，裂缝面粗糙不平；
剪切缝最常见，呈X状，产状稳定，延伸较远，裂缝面平直且光滑，岩心上常有擦痕（图4c）。岩心观察结果表明，芦草沟组页岩未充填构造缝占比约为62.3%，裂缝张开度0.1～5 mm。构造缝往往为高角度裂缝，裂缝倾角一般大于70°，长度0.1～20 cm（图4d）。铸体薄片上发现绝大多数构造缝表现为平直、切割层理，宽度0.1～100μm，长度0.1～10 mm（图4e～g），70%的裂缝被石英、方解石、泥质等充填（图4h）。

岩心和电阻率成像测井图像显示研究区构造缝以高角度裂缝为主，直劈缝次之，多与层理缝相互切割交叉，形成有效的裂缝网络。岩心观察显示，J10025井3 787.12～3 787.68 m、3 787.92～3 788.72 m、3 789.63～3 790.08 m、3 790.78～3 791.28 m井段，出筒岩心由于应力释放等原因均被一分为二，且延伸距离较长（图6），为高角度或直劈裂缝的特征。成像测井图像显示J10025井3 786.52～3 791.28 m可清晰识别出4条构造缝，裂缝角度均超过85°（图6），其中夹多条低角度层理缝。电成像测井图像显示裂缝与岩心具有高度一致性。

图6 吉木萨尔凹陷J10025井构造缝岩心、电阻率成像测井图像Fig.6 Core photos and FMI images of structural fracture from Well J10025，Jimsar sag

2.1.3 异常高压缝

研究区异常高压缝主要为泄水缝。裂缝发育于泥质岩中，表现为裂缝脉群，不规则状分布，裂缝张开度变化较大，单条裂缝宽度0.2～10 mm，裂缝延伸长度为数毫米至数厘米。通常被方解石、白云石等矿物充填，极大削弱了裂缝的渗流能力，致使含油性差，甚至不含油（图4i），在本区对页岩油产量基本无贡献。

2.2 裂缝密度

研究区芦草沟组“上甜点段”27口井成像测井资料解释裂缝统计结果表明：层理缝密度主要为0.5～1.25条／m（图7a），构造缝密度主要小于0.3条／m（图7b）。电阻率成像测井共解释出裂缝8 299条，其中层理缝为6 564条、占比79.1%，构造缝1 735条、占比20.9%，层理缝密度整体高于构造缝。

图7 吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”裂缝密度分布Fig.7 Distribution of fracture density in shale section of Lucaogou Formation，Jimsar sag

层理缝是芦草沟组页岩储层发育最多的裂缝类型，与含油性层具有良好的对应关系，构造缝次之。层理缝的倾角以低角度、水平缝为主，一般不超过30°，而构造缝的倾角则普遍高于60°。页岩储层压裂改造实例及大量理论模拟分析表明，页岩储层压裂改造过程中，相对于含油性较好的低角度层理缝而言，中—高角度构造缝却能够极大程度地扩展沟通上下岩层的连通性，形成更加复杂的立体裂隙网络［37-38］，对储层渗流能力提升的贡献远超层理缝。

前人研究认为地应力分布、断层、沉积背景、矿物种类、成岩作用、有机质丰度等影响页岩裂缝发育且相互作用［3，18，20］。不同类型裂缝影响因素不同，如水平构造挤压是构造缝的主要原因，层理缝则与成岩作用、生烃排酸溶蚀密切相关［18，39，42］。本文在前人研究基础上，将影响因素分为储层因素和构造因素两大类，即影响页岩储层裂缝发育的内因和外因。

3.1 储层因素

影响页岩储层裂缝发育的储层因素复杂，包括不同类型矿物含量、有机碳含量、页岩层厚、岩石力学性质、异常高压、成岩作用（压实、压溶）、风化淋蚀作用等因素的影响［39，41-42］，综合分析多个盆地研究成果认为，脆性矿物含量、有机碳含量和单页岩层厚是影响页岩储层裂缝发育的重要因素。

3.1.1 脆性矿物

脆性矿物含量高的岩性，如页岩层系中的粉砂岩、白云岩或砂岩夹层是裂缝主要发育段。研究区J174井芦草沟组“上甜点段”87个页岩储层样品全岩X衍射数据显示：白云石平均含量35.6%，石英平均含量24.3%，长石（主要是斜长石，钾长石较少）平均含量27.9%，黏土矿物含量较小，平均仅为10.2%，其他矿物（黄铁矿、菱铁矿等）含量均低于3.0%。其中石英和白云石具有高弹性模量、低泊松比和低断裂韧性的特点，是典型的脆性矿物；
黏土矿物的力学参数与此相反，是典型的塑性矿物；
长石和方解石的脆性中等。衍射数据分析可知，白云石、石英及长石是研究区主要的脆性矿物，这些脆性矿物含量总和与测井解释裂缝密度关系如图8，裂缝密度随着脆性矿物含量的增加呈现明显增大的趋势，表明脆性矿物含量的高低，是影响研究区页岩储层裂缝发育程度的重要内在因素。

图8 吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”脆性矿物含量与裂缝发育关系Fig.8 Relationship between brittle mineral content and fracture density in upper dessert section of Lucaogou Formation，Jimsar sag

3.1.2 有机碳含量

芦草沟组“上甜点段”沉积相以滨浅湖为主，页岩层系中含有大量泥岩，绝大部分泥岩是有效烃源岩，在大致相同的应力背景下，有机质丰度会对储层裂缝发育产生重要影响。研究区有效烃源岩有机碳含量0.16%～13.86%。以“上甜点段”4小层为例，有机碳含量与裂缝密度呈现正相关（图9），裂缝密度随着有机碳含量的增大而增大，表明有机碳含量对页岩储层裂缝发育有较强的促进作用。这是由于生烃过程中产生较多的有机酸溶蚀相邻矿物而产生溶蚀缝，或是生烃增压而产生的裂缝，或是生烃消耗孔隙水形成收缩缝［14，16］。

图9 吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”有机碳含量与裂缝密度关系Fig.9 Relationship between organic carbon content and fracture density in upper dessert section of Lucaogou Formation，Jimsar sag

3.1.3 单岩层厚度

页岩储层裂缝通常发育在脆性成分含量较高的岩层并终止于该层的顶底界面［24］，使得单岩层厚度成为影响泥页岩裂缝发育的一个重要因素。研究区芦草沟组不同岩性单岩层厚度与裂缝密度（其中构造缝多为高角度缝，切穿岩层较多，此处未参与统计）的关系表明：中厚层中，泥页岩裂缝较粉砂岩、白云岩发育，薄层中情况相反；
整体上，随着单岩层厚度的增加裂缝密度呈现明显的降低趋势（图10）。这与前人研究结果基本一致［18，20］。

图10 吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”层理缝密度与不同岩性单岩层厚度的关系Fig.10 Relationship between bedding fracture density and thickness of single lithologic layer in upper dessert section of Lucaogou Formation，Jimsar sag

3.2 构造因素

吉木萨尔凹陷位于盆地中心，距离断裂发育带较远，在多次历史演化时期表现为整体抬升与沉降，地层基本未发生变形或大规模的水平位移，致使研究区大规模的构造裂缝相对较少发育，这与岩心观察结果基本一致。但在研究区断层附近，构造裂缝密度相对较大。研究表明，当构造应力以挤压作用为主时，岩层破裂成缝的概率极大提高，而且裂缝的开启程度较高，裂缝走向与挤压应力方向基本一致。

4.1 评价模型构建

4.1.1 层理缝

层理缝发育主要受储层因素的影响，各储层因素之间又相互作用，若同时考虑多种因素，则难以建立有效实用的定量评价模型。因此，本次研究在系统分析各储层因素基础上，综合考虑各储层因素的因果制约关系以及获取的难易度、准确度，提出利用测井解释的孔隙度（φ）作为储层因素的表征参数。理由如下：①各储层因素的差异本质上均与储层岩性相关，如脆性矿物含量、岩石力学性质、有机碳含量等，但这些参数难以大量准确获取；
②直接应用储层岩性不能建立定量的评价模型；
③孔隙度作为重要的储层参数之一，其值大小体现了所有储层因素对岩石特性的综合效应。测井解释的储层孔隙度数据多且较为准确，并在一定程度上能够反映岩性的差异。研究表明孔隙度越小，岩石越致密，弹性模量越高，相同地应力条件下，当其大于岩层起裂压力时，裂缝发育程度越强［43］。本次研究以单岩层为单元计算，单岩层厚度不小于0.5 m，若小于该厚度，则采取向上合并原则。吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩层理缝与所在位置的测井解释孔隙度相关系数为0.826 3（图11），其数学关系为：

图11 吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”单层岩性体层理缝密度与测井解释孔隙度关系Fig.11 Relationships between bedding fracture density and logging interpretation porosity of single lithologic body in upper dessert section of Lucaogou Formation，Jimsar sag

式（1）中：Db为层理缝线密度，条／m；
φ为测井解释孔隙度，%。

在吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩层理缝发育程度评价模型基础上，充分利用声波曲线、密度曲线以及反演波阻抗数据，实现了由井点到平面的预测，获得研究区页岩层理缝密度平面分布图（图12）。与研究区储层岩性的平面分布对比［14，20］，层理缝密度分布整体上受储层岩性的制约，如研究区西南、西北部及东部J27井区云质粉砂岩的层理缝密度较高，与前人研究成果有较高一致性［39，42-44］，这验证了本预测方法模型的合理性。

图12 研究区芦草沟组“上甜点段”层理缝密度平面分布Fig.12 Planar distribution of bedding fracture density in upper dessert dection of Lucaogou Formation in study area

4.1.2 构造缝

构造裂缝发育程度评价，不仅要考虑构造应力变化，也要考虑岩性分布。与层理缝评价相比，构造缝评价侧重于平面分布，单井点获取的岩性虽然准确，但井间岩性因素难以直接表征。利用岩石弹性参数可以预测岩性，三维地震资料为岩石弹性参数的获取提供了资料保障［24-28］。因此，本次研究选择岩石弹性参数作为构造缝发育程度评价中岩性因素的表征参数。

利用三维地震资料，定量评价页岩构造缝发育程度的具体步骤：

1）利用蚂蚁体属性，精细刻画出芦草沟组“上甜点段”中的断层和微断层（图13）。

图13 研究区芦草沟组“上甜点段”地震解释蚂蚁体Fig.13 Seismic interpretation of ant body in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area

2）利用27口钻井的测井解释构造缝密度、储层岩性对应的岩石力学参数［45］及井点位置与断裂的距离，采用多元非线性回归方法，确定出构造裂缝发育程度的评价模型，实现井点位置裂缝发育程度的定量评价，其数学表达式为：

式（2）中：Ds为构造缝密度，条／m；
Lf为井点至断层的垂直距离，m；
E为杨氏模量，MPa；
p为抗压强度，MPa；
a、b、c为对应参数的系数；
d为数学调整值。利用SPSS数值软件多元非线性拟合，得出式（2）中的各系数分别为：a=-0.002 32、b=-0.354、c=0.149 7、d=-15.72（表1）。

表1 构造裂缝评价模型多元线性回归分析结果Table 1 Results of multiple linear regression analysis of structural fracture evaluation model

3）提取地震数据中与裂缝发育相关的几种地震属性体，包括倾角、构造曲率、相干、结构张量、均方根振幅、弧长、瞬时频率，并采用面元距离加权平均法，计算出井点位置的上述地震属性，然后通过Kendall指示法［46-47］，计算井点各地震属性有效数（表2）。有效数是指地震属性相对于测井特征（单层砂体的平均储层参数，如泥质含量、孔隙度、渗透率等）的有效性，有效数大，表明地震属性与测井特征之间可能存在比较明确的关系；
有效数小，说明两者之间存在比较复杂的关系。

表2 井点地震属性有效数及权重系数Table 2 Validity and weight coefficient of seismic attributes in well point

4）为了降低单一地震属性评价裂缝发育程度的多解性，利用有效数大于0.6的地震属性（倾角、构造曲率、相干、结构张量、弧长），采用加权平均方法获得融合属性。其中各地震属性的权重系数通过各自有效数确定（表1），其中权重系数的数学计算公式为：

式（3）中：Wi为第i中地震属性的权重系数，无量纲；
ySLi为第i中地震属性的有效数，无量纲；
i为地震属性的个数（1，2，3，…，N），无量纲。

5）依据Strata和Land Mark软件拟合融合属性与井点位置的裂缝发育程度的数学关系，将地震属性转换为构造裂缝发育程度定量评价图（图14）。

图14 研究区芦草沟组“上甜点段”构造缝密度分布Fig.14 Tectonic fracture density distribution in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area

4.2 模型有效性分析与讨论

4.2.1 层理缝评价模型分析

为了验证层理缝评价预测模型的准确性，利用式（1）模型预测未参与建模的22处页岩储层的裂缝密度，将层理缝密度预测结果与测井解释统计结果进行对比，平均相对误差27%（表2）。因此，对于吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储层，基于储层孔隙度参数建立的层理缝发育程度预测方法是比较可靠的。

4.2.2 构造缝评价模型分析

根据构造裂缝发育程度的评价模型及技术流程，预测出吉木萨尔凹陷芦草沟组“上甜点段”构造裂缝密度的分布（图14）。与前人研究结果相比［20，42］，本文结果展示出整体一致、局部刻画精细的显著优势。以研究区芦草沟组“上甜点段”为例评价该模型的有效性，当构造缝密度大于0.09条／m时，构造缝预测结果与测井解释统计结果具有良好的线性相关性，相关系数达0.802 6；
但当构造缝密度小于0.09条／m时，二者偏差较大，如图15中蓝色数据点。构造缝预测模型的整体应用效果较好，当构造缝密度较小时，还需要进一步深化研究，以期获得更佳的预测效果。

图15 研究区芦草沟组“上甜点段”构造缝预测结果与测井解释统计结果对比Fig.15 Comparison between the prediction results of structural fractures and the statistical results of logging interpretation in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area

表3 研究区芦草沟组“上甜点段”层理缝预测结果与测井解释统计结果对比Table 3 Comparison between the prediction results of bedding fractures and the statistical results of logging interpretation in upper dessert section of Lucaogou Formation in study area

1）吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储层层理缝最发育，构造缝其次，异常高压缝较少。层理缝沿层理面低角度或水平延伸，构造缝以高角度缝为主，与层理缝相互切割交叉，形成有效的裂缝网络。层理缝发育程度高于构造缝。异常高压缝主要为泄水缝，常被方解石、白云石填充，含油性差，对产量无贡献。不同类型裂缝往往伴生发育，空间上相互切割交叉，形成了复杂的裂缝网络系统。

2）吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩储层层理缝发育程度主要受岩性、有机碳含量、单岩层厚度因素控制，发育程度随脆性矿物含量、有机碳含量的增大而呈明显的增强趋势，但随单岩层厚度的增大而减弱。除此之外，构造缝发育程度还受断层发育及构造位置因素的影响。

3）以储层孔隙度为主要评价参数，构建层理缝发育评价模型，预测结果比较可靠。利用至断层的距离和岩石弹性参数，构建构造缝发育程度预测模型，当构造缝密度大于0.09条／m时，方法模型的应用效果良好。

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