扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式:以泌阳凹陷东南部古近系核三段为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.6.21

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 139-155.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.21

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扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式:以泌阳凹陷东南部古近系核三段为例

尹帅¹(), 张子阳¹, 张星星², 王景辰³, 胡伟⁴, 丁文龙⁵, 李虎⁶

1.西安石油大学地球科学与工程学院, 陕西西安 710065
2.中国石油青海油田公司采气二厂, 甘肃敦煌 736202
3.中国石油塔里木油田公司监督中心, 新疆库尔勒 841000
4.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院, 新疆库尔勒 841000
5.中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083
6.西南石油大学地球科学与技术学院, 四川成都 610500

收稿日期:2023-11-15 修回日期:2024-04-11 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
作者简介:尹帅(1989—),男,博士,副教授,从事深部非常规油气地质理论与应用技术、储层地质力学、储层测井评价及岩石力学基础实验研究工作。E-mail: speedysys@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(42302167);陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-QN-0355);西安石油大学研究生创新基金项目(YCX2411002)

Fracture development mode in fan delta front unconventional tight oil reservoirs: A case study of Paleogene He-3 in southeastern Biyang Depression

YIN Shuai¹(), ZHANG Ziyang¹, ZHANG Xingxing², WANG Jingchen³, HU Wei⁴, DING Wenlong⁵, LI Hu⁶

1. School of Earth Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China
2. No.2 Gas Production Plant, Qinghai Oilfield Company of PetroChina, Dunhuang 736202, China
3. Engineering Supervision Center, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla 841000, China
4. Research Institute of Exploration and Development, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla 841000, China
5. School of Energy Resources, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
6. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China

Received:2023-11-15 Revised:2024-04-11 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

泌阳凹陷东南部位于古湖盆短轴陡坡一侧,发育牵引流驱动的扇三角洲前缘复杂沉积体系,不同类型砂体中裂缝的定量刻画对非常规致密油勘探开发具有重要指导作用。该地区古近系核桃园组三段属典型的“凹中隆”背景下的扇三角洲前缘沉积,目前对于该类沉积及构造背景下的天然裂缝发育规律的认识仍存在不足。本文以该地区核三段从Ⅱ到Ⅵ砂组非常规陆相致密油储层为例,利用大量岩心、物性、常规、成像测井资料和数值模拟方法,系统研究了致密砂岩储层裂缝特征及分布规律,提出了该地区扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式。研究结果表明,岩性、砂体厚度、沉积作用和构造均对致密砂岩储层裂缝分布有显著的控制作用。薄层单砂体或其复合砂体中更容易发育裂缝,当单砂体厚度大于6 m时,砂体中裂缝通常相对欠发育。裂缝主要发育于水下分流河道前缘、侧向加积河道单翼、河口坝和远砂坝中。将河道类型划分为均质河道和非均质河道。侧向快速堆积形成的非对称型非均质河道中砂体叠置厚度较大,可超过18 m,裂缝较为发育;对于均质河道前缘,即靠近扇三角洲前缘河口坝微相区域,其在垂向上通常发育于靠近河口坝顶部的沉积序列中,代表较强的水动力条件,裂缝也较为发育。裂缝与油气聚集有密切的关系,工区核三段裂缝主要形成于新近系坳陷期。通过DFN离散裂缝模拟,恢复了主力小层裂缝三维空间展布。结果显示,核三段主要发育E-W和NE向两组共轭裂缝,且局部以发育其中一组为主,这些裂缝多平行或垂直于隆起构造痕线分布。天然裂缝在背斜低部位和翼部相比顶部更为发育。此外,多条共轭剪切缝相交或同走向一侧单翼裂缝相连接可形成“裂缝嵌合带”,其可能为压驱过程中长距离水窜产生的直接诱因,因而在后期压驱中要规避“裂缝嵌合带”。

关键词: 泌阳凹陷, 非常规致密油储层, 沉积, 构造, 裂缝发育规律

Abstract:

The southeastern Biyang Depression is located on the steep slope of the short axis of a paleolake basin, with a complex sedimentary system of fan delta front driven by traction flow in the Paleogene. Quantitative characterization of fractures in different fabric sand bodies plays an important role in guiding unconventional tight oil exploration and development. The third member of the Paleogene Hetaoyuan Formation (He-3) in the southeastern Biyang Depression belongs to fan delta front deposit under an “uplift in depression” setting, and natural fractures have a direct influence on the adjustment of infill well pattern and the scientific formulation of enhanced oil recovery scheme. In this paper, taking the shallow middle-layer (Ⅱ-Ⅵ oil formation) continental tight sandstones of He-3 as an example, the fracture characteristics and distribution law are systematically studied using core, physical property, conventional and image logging data and numerical simulation method; the pattern of fracture development in unconventional tight oil reservoirs at the front edge of the fan delta of the study area is proposed. Lithology, sand body thickness, sedimentation and structure have significant control on fracture distribution in shallow, middle-layer tight sandstone reservoirs. Fractures are more likely to develop in single or composite thin sand bodies. Usually fractures are relatively underdeveloped when the single sand body thickness is greater than 6 m. Shallow, middle-layer fractures are mainly developed at the front of underwater distributary channel, single wing of lateral accretion channel, estuary bar and far sand bar. The river channel types are divided into homogeneous and heterogeneous. The superimposed thickness is larger in asymmetrical heterogeneous channels formed by rapid lateral accumulation, which can exceed 18 m, and the fractures are relatively developed. The homogeneous channel front, that is, the microfacies area near the fan delta front of the estuary bar, usually develops vertically in the sedimentary sequence near the top of the estuary bar, indicating strong hydrodynamic conditions and relatively developed fractures. Fractures are closely related to oil and gas accumulation. Fractures in He-3 are mainly formed in the Neogene depression period. The three-dimensional distribution of the main small-layer fractures is restored through DFN simulation. The results show that two groups of conjugate fractures are mainly developed in the E-W and NE directions, and one group is mainly developed locally. These fractures are mostly distributed parallel or perpendicular to the uplift structure. Natural fractures are more developed in the lower parts and wings of an anticline compared to its crest. In addition, the intersection of multiple conjugated fractures can form a “fracture chimeric zone,” which may be the direct cause of long-distance water channeling in the pressure flooding process, so the “fracture chimeric zone” should be avoided in the flooding process.

Key words: Biyang Depression, unconventional tight oil reservoir, deposition, structure, fracture development law

中图分类号:

尹帅, 张子阳, 张星星, 王景辰, 胡伟, 丁文龙, 李虎. 扇三角洲前缘非常规致密油储层裂缝发育模式:以泌阳凹陷东南部古近系核三段为例[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 139-155.

YIN Shuai, ZHANG Ziyang, ZHANG Xingxing, WANG Jingchen, HU Wei, DING Wenlong, LI Hu. Fracture development mode in fan delta front unconventional tight oil reservoirs: A case study of Paleogene He-3 in southeastern Biyang Depression[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 139-155.

图/表 18

图1 泌阳凹陷构造特征及含油气区分布图

Fig.1 Structural characteristics and distribution of oil/gas-bearing areas in the Biyang Depression

图2 泌阳凹陷东南部地区地层综合柱状图

Fig.2 Comprehensive strategraphic column diagram of the southeastern Biyang Depression

图3 研究区核三段Ⅱ到Ⅵ油层组致密砂岩孔隙度与渗透率关系

Fig.3 Porosity-permeability relationship in tight sandstone of oil layers Ⅱ-Ⅵ in He-3

图4 研究区古近系核三段岩心发育特征 a—A9井,2 989.8~2 990.2 m,中-细砂岩,垂直缝;b—A2132井,2 786.8~2 787 m,细-粉砂岩,垂直缝;c—A2132井,3 044.7~3 045 m,半充填垂直缝;d—B99井,2 633.2~2 633.3 m,泥质粉砂岩,水平缝;e—B99井,2 633.3~2 633.36 m,滑脱面,缝面光滑;f—B254井,泥岩,2 898.81~2 898.86 m,植物叶片化石;g—B261井,含砾砂岩,3 007.46~3 007.6 m,可见巨砾,砾石直径可达10 cm。

Fig.4 Characteristics of fracture development in cores from Pleogene He-3 in the study area

图5 研究区核三段成像测井裂缝观察结果图 a—B252井,垂直缝;b,c—A2井,水平缝及层理面。

Fig.5 Image logs revealing fracture characteristics in He-3

图6 研究区A2132井裂缝发育特征及测井参数剖面 GR—自然伽马;SP—自然电位;CAL—井径;AC—声波时差;RT—电阻率;DEN—岩石密度;CNL—补偿中子相对强度。

Fig.6 Image log interpretation from well A2132 showing fracture development characteristics in the study area

图7 研究区A65井裂缝发育特征及测井参数剖面 GR—自然伽马;SP—自然电位;CAL—井径;AC—声波时差;RT—电阻率;DEN—岩石密度;CNL—补偿中子相对强度。

Fig.7 Stratigraphical chart and well log profiles of well A65 showing fracture development characteristics in the study area

图8 研究区目的层地质力学层厚度及裂缝参数特征

Fig.8 Geomechanical analysis revealing positive correlation between geomechanical layer thickness and fracture spacing in the target layer

图9 工区过A35井到B3井连井砂体剖面图

Fig.9 Cross-well profile

图10 扇三角洲前缘沉积模式示意图(据文献[28]修改)

Fig.10 Fan-delta front depositional modes. Modified after [28].

表1 扇三角洲前缘相低能砂体和高能砂体的沉积、测井响应和裂缝发育特征的对比表

Table 1 Comparison of sedimentation, logging response, and fracture development characteristics between low- and high-energy sand bodies in fan delta front facies

砂体类型	沉积特征	测井响应特征	裂缝发育程度
高能砂体	中-细砂岩,发育块状均质层理,处于河口坝中部及顶部或分流河道中部及底部的沉积序列,指示强水动力条件	高幅平滑箱形或钟形曲线,低伽马、较低密度值	较发育
低能砂体	中-细砂岩及粉砂岩,发育波状及砂纹非均质层理及水平层理,常见泥质条带,处于分流河道顶部或河口坝底部的沉积序列,指示较弱水动力条件	中低幅齿状、钟形或指状曲线,相对较高的伽马和密度值	发育

图11 研究区核三段 Ⅱ 8 1及 Ⅵ 3 2主力小层沉积微相及裂缝耦合关系图

Fig.11 Coupling relationship between microfacies and fractures in main sublayers Ⅱ 8 1 and Ⅵ 3 2 of He-3

图12 泌阳凹陷构造演化背景 a—华北板块及周缘构造单元(据文献[31]);b—泌阳凹陷古近系主断陷早期及晚期区域应力方向(据文献[25]);c—泌阳凹陷新近系坳陷期区域应力方向(据文献[33]);d—新近系坳陷期区域应力作用下形成的两组共轭剪切裂缝示意图。

Fig.12 Tectonic evolution of the Biyang Depression

图13 研究区核三段 Ⅱ 8 1及 Ⅵ 3 2主力小层裂缝分布 a— Ⅱ 8 1主力小层顶面构造及裂缝平面展布;b— Ⅵ 3 2主力小层顶面构造及裂缝平面展布。

Fig.13 Fracture distribution of main sublayers Ⅱ 8 1 and Ⅵ 3 2 of He-3 in the study area

图14 致密砂岩中不同尺度垂直裂缝的实例图片 a—怀俄明州马迪峡谷地区致密砂岩大尺度垂直缝(据文献[36]);b—鄂尔多斯盆地延河剖面延长组致密砂岩不同尺度裂缝(据文献[37])。 AF—层面终止缝;IF—层内终止缝;TF—层间终止缝。

Fig.14 Photos showing vertical fractures of different scales in tight sandstone

图15 不同破裂方式的应力莫尔圆分析 a—岩石有效正应力与剪应力关系分析图解;b—近垂直破裂盘岩石有效正应力与剪应力关系;c—近垂直破裂盘莫尔圆移动对岩石破裂的影响。σn—有效正应力;τ—剪切应力;S—有效正应力为0时岩石的初始剪切应力;φ—内摩擦角;φF—破裂岩体内摩擦角;θ—破裂面倾角。

Fig.15 Stress Mohr circle analysis for different rupture modes

图16 研究区核三段致密油储层裂缝发育模式

Fig.16 Developmental patterns of fractures in tight oil reservoirs in the He-3 Member of the study area

图17 岩石破裂尖端变化路径模式图(据文献[36]) a—Ⅰ类单一张开破裂平面扩展路径;b —Ⅱ类剪切扭转破裂平面扩展路径;c — Ⅲ类剪切错断破裂平面扩展路径。φ及θ为裂缝面产状变化后与中垂面之间的夹角。

Fig.17 Rock fracture propagation paths. Adapted from [36].

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