鄂尔多斯盆地广泛分布构造裂缝^[1~2], 构造裂缝是沟通孔洞形成优质储集层的重要因素，是气井高产的重要原因，“甜点区”和裂缝发育区有着必然的联系。从世界各国低渗透油气藏储集层研究结果来看，低渗油气层多为致密岩石，这种性质的岩层在不同构造应力场作用下大都表现为脆性变形，形成不同规模不同程度的裂缝系统。与孔隙相比，可以认为这些裂缝是极好的运移通道和储集空间。超低渗气田之所以具有开采价值，与储集层中存在多种级别的裂缝系统有着密切的关系^[3~5]。

1.   区域地质背景

天环拗陷位于鄂尔多斯盆地西侧，为东翼宽缓、西翼陡窄、不对称的拗陷构造，衔接了西缘逆冲带和伊陕斜坡，为盆地构造格架中重要的组成部分(见图 1)。上古生界为一套海陆过渡相的碎屑岩系。自下而上依次发育石炭系的本溪组，二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组六套地层，总沉积岩厚度在700 m左右，其主要含气层段位于太原组、山西组和下石盒子组。天环拗陷本溪组、太原组及山西组为煤系烃源岩，具有广覆式生烃特征。研究目的层山西组和下石盒子组发育了一套河流－三角洲相沉积，砂体发育，但储层物性较差，具有低孔低渗特征。

图  1  研究区位置图

Figure  1.  Location map of the study area

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2.   构造裂缝发育特征

2.1   露头区宏观构造裂缝特征

通过对千里山、呼鲁斯太、太阳山三条二叠纪野外地质剖面的地质调查，发现裂缝成组、成带分布，多为“X”型共轭剪切裂缝系统；裂缝发育规模不一，从数毫米至百余米级(见图 2)。测得10余点共计1139组构造裂缝的产状，其中裂缝的优势走向为北东向、北西向、北东东向、近南北向，不同层位发育的裂缝走向略有不同；裂缝倾角以高角度裂缝为主(见图 3)。

图  2  天环坳陷上古生界露头区宏观构造裂缝特征

Figure  2.  Characteristics of macroscopic tectonic fractures in upper Paleozoic outcrop area in the Tianhuan Depression

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图  3  天环地区野外剖面裂缝的组系和方位玫瑰花图

Figure  3.  Rose diagrams of groups and orientations of the fractures in the field profile of the Tianhuan area

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2.2   钻孔岩芯宏观构造裂缝特征

对天环地区53口井岩芯进行了观察描述，对发现裂缝的30口取芯井做了构造裂缝统计分析，为正确评价、预测和研究裂缝的形成机制提供了可靠资料。钻孔取芯结果证实天环地区上古生界发育一定程度的构造裂缝，以高角度缝为主，占70.65%(见图 4)。裂面力学性质表现为以张性或张剪性为主。呈充填或半充填，充填物多为硅质、钙质和泥质，这一类型裂缝为有效裂缝，为流体的运移通道。泥岩及煤层中也见有压扭性裂缝，裂面光滑，发育斜向擦痕、阶步等微构造行迹，显示出岩石受到挤压扭动的构造应力场作用(见图 5)。

图  4  天环地区岩芯裂缝分类直方图

(92组数据点)

Figure  4.  Histogram of core fracture classification in the Tianhuan area

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图  5  天环地区岩芯裂缝照片

Figure  5.  Photos of core fractures in the Tianhuan area

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2.3   显微裂缝特征

铸体薄片显微裂缝观察发现天环地区储层微裂缝主要发育两种类型。(1)非构造成因的粒间缝、粒内缝：分布于岩石颗粒边缘之间、颗粒内。这是由于颗粒机械碎裂产生的微裂隙，含量少，连通性差。(2)构造成因微裂缝：多切穿岩石颗粒，部分微裂缝切穿于泥质杂基中，力学性质表现为张性、张剪性(见图 6)。微构造裂缝视宽度一般在0.01~0.02 mm左右；主要充填伊利石、高岭石、铁方解石及泥质等。

图  6  天环地区镜下显微裂缝照片

Figure  6.  Microscopic photos of fractures in the Tianhuan area

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2.4   成像测井裂缝解释分析

成像测井资料显示：天环地区构造裂缝多数以高角度为主，主要发育于砂岩地层中(见图 7)，受泥岩层段岩石力学性质的影响，裂缝垂向延伸性较差，主要是因为泥岩塑性阻碍了致密砂岩岩石的脆性破裂扩展^[6~9]。

图  7  天环地区A2井岩芯及成像裂缝对比图

Figure  7.  Comparison chart of core and imaging fracture of the A2 well in the Tianhuan area

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对天环地区18口成像测井资料进行了裂缝分析与描述，发育裂缝的井占14口、共统计670组数据。本区构造裂缝优势走向为北东东－南西西、北东－南西及近东西走向三组优势发育方向。盒8上段单井裂缝线密度平均0.12条/m；盒8下段裂缝线密度平均0.26条/m；山1段裂缝线密度平均0.37条/m(见图 8)；剖面裂缝发育规律表现为为山1＞盒8下段＞盒8上段。

图  8  天环地区成像测井解释裂缝线密度柱状对比图

(670组数据点)

Figure  8.  Comparison chart of fracture line density columnar by imaging logging interpretation in the Tianhuan area

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3.   裂缝对气水分布的影响

3.1   裂缝对气水剖面分布的影响

研究表明高角度构造裂缝系统为本区天然裂缝的主要类型之一。裂缝沟通烃源岩与储层，在垂向上大大增加了天然气输导体系的输导效率，影响并控制了天然气成藏的层位和富集程度，尤其在砂、泥岩交互层间存在高角度构造缝系统与砂体组合或低角度和水平裂缝系统的相互交织，这一类型构造裂缝系统加强了天然气的侧向输导。总体上天环北部地区砂岩与裂缝体系的复合输导使储层连通性变好，输导效率变高，有利于天然气的运移与富集^[10~11]。裂缝产状特征与天然气富集关系在本区有以下表现：

(1) 高角度裂缝不发育时，天然气一般在正韵律砂体底部孔渗较好的中－粗粒砂岩相中富集，主要是因为，来源于下部地层的天然气由于缺失垂向构造裂缝的沟通不容使天然气向上输导，导致天然气富集在储集层的下部相对粗粒砂岩岩相之中^[12~14]。如D1井3660~3672 m储层段，成像测井显示裂缝不发育，天然气赋存于正韵律砂体底部，顶部为干层显示(见图 9)。

图  9  天环地区D1井测井解释及成像测井综合图

Figure  9.  Comprehensive chart of well logging interpretation and imaging logging in the D1 well in the Tianhuan area

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(2) 高角度裂缝发育时，天然气易于在砂层顶部富集，或通过切穿盖层的构造裂缝渗流到上部地层，形成浅层气藏。D3井成像测井显示3472~3505 m储层段的顶部及底部均发育多条高角度裂缝，测井显示均为含气层，射孔井段位于储层底部，由于天然裂缝发育，压裂后裂缝有效沟通水层并产生气水分异，天然气向储层顶部聚集，导致底部射孔段高产水，日产水量达到62.4 m³/d(图 10)。

图  10  天环地区D3井测井解释及成像测井综合图

Figure  10.  Comprehensive chart of well logging interpretation and imaging logging in the D3 well in the Tianhuan area

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天环北部地区上古生界山西组储集体处于烃源岩中，属于自生自储式的源内成藏，有利相带为三角洲前缘水下分流河道砂体；中部地层(盒8下)储集砂体紧邻烃源岩，属于近源成藏；上部(盒8上)组合远离烃源岩，属于远源成藏。该区气藏运移富集主要受控于构造裂缝系统，天然气富集在以烃源岩和裂缝系统网络配置组合的运聚体系内，构造裂缝系统对浅部地层气藏形成及输导效率方面的作用相对下部地层对天然气的输导作用更加明显^[15~17]。

3.2   裂缝对气水平面分布的影响

裂缝能改善储层的储集空间，提高储层的渗流能力，使天然气向高孔渗的裂缝发育区聚集^[18~19]。如C18、A4、B5、C5等井均位于裂缝发育的条带上，日产天然气达到4×10⁴~20×10⁴m³/d的较高产能；而F1、C21、E1、C19等井处，裂缝相对不发育，储层物性较差，基本为干层或低产气层，日产天然气均在1×10⁴m³/d以下(见图 11)。

图  11  天环地区北部裂缝密度分布平面图

Figure  11.  Plane map of the distribution of fracture density in the north of the Tianhuan area

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天环地区高产气井与裂缝线密度呈指数正相关关系，相关系数达到0.8365(见图 12)，中－低产气井与裂缝线密度呈近似线性相关，相关系数为0.4231。裂缝线密度高值区试气相对产量高，低值区产量低。如B4井宏观及微观裂缝、溶孔均发育，物性较好，位于孤立砂体的构造高部位，获得20.24 m³/d的无阻流量。天环地区储层裂缝相对较为发育，在改善渗流作用方面起着重要作用。在气藏内部，裂缝沟通了邻近的气层、水层，对气水分布起到了调整作用。

图  12  裂缝线密度与日产气交汇图

(36组数据点)

Figure  12.  Rendezvous map of fracture line density and daily gas (36 sets of data points)

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4.   结论

(1) 通过野外、岩芯、镜下及成像测井资料与气井测、录井资料的综合研究分析认为：天环地区上古生界致密砂岩地层均发育不同程度的高角度为主的构造裂缝系统。这些裂缝系统是该区上古生界天然气发生垂向运移的主要通道，它们改善了流体的渗流方式，提高了流体的输导效率。

(2) 产气、产水井与构造裂缝线密度均具有较好的相关性。裂缝线密度高值区试气相对产量高；构造裂缝发育的差异性对气水分布起到了一定的调整作用，是导致本区气、水分布复杂化的主要原因之一。