地学前缘

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“致密储层裂缝表征与分布规律” 主题专辑目次

2024, 31(5): 0.

摘要 ( 82 )

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页岩储层构造裂缝活动期次及开启性研究进展与展望

丁文龙, 王垚, 张子游, 刘天顺, 程晓云, 勾通, 王生晖, 刘霆锋

2024, 31(5): 1-16.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.11

摘要 ( 1027 )

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PDF(7879KB) ( 176 )

随着我国在非常规油气领域的研究不断深入和技术手段不断提高,页岩油气勘探开发工作取得了显著进展。大量生产实践结果表明:页岩储层裂缝是影响油气富集、高产和稳产的关键因素,页岩储层中裂缝的存在不仅可以改善储层的物性,还有利于后期的压裂改造。特别是储层中发育的构造裂缝,其活动期次与开启性的研究对于揭示页岩油气富集规律、保存条件等具有重要意义。早期对于页岩储层裂缝的研究集中在裂缝分类、识别与表征、裂缝发育主控因素分析与分布预测及建模等方面,而对于裂缝的形成时间与活动期次厘定、裂缝开启性的主控因素、裂缝开启与闭合机理、裂缝开启程度定量表征研究相对薄弱,制约了我国盆内页岩油气的高效勘探开发。为此本文在充分调研了国内外页岩储层构造裂缝研究成果的基础上,围绕页岩储层构造裂缝活动期次及开启性这一主题,重点梳理了页岩裂缝期次划分、充填脉体定年、开启性主控因素分析及开启程度定量表征方面的研究进展。裂缝活动期次的划分方法可分为两类:地质定性分析和裂缝充填物地球化学示踪分析。在实际应用中,上述方法只能得到裂缝活动期次相对的先后顺序,且会受到埋藏史、热史等基础地质资料精度的影响,其应用存在一定局限性。裂缝中脉体多为碳酸盐岩矿物和石英,高精度微区原位U-Pb定年技术的出现,使得厘定不同组系裂缝脉体形成的绝对年龄成为可能,避免了由于热史、埋藏史认识差异带来的流体活动时间的多解问题。影响构造裂缝开启性的主控因素较多,不仅受到岩石本身特性的影响,还受到现今地应力、地层流体压力等因素的控制。裂缝中广泛分布的纤维状充填物岩石学特征记录了晶体的生长过程,此类特殊的晶体形态是裂缝曾经存在多期活动的证据,揭示了裂缝多次开启-闭合的演化过程。目前主要应用开度这一参数来表征裂缝的开启程度,或是通过计算及实验获取裂缝开启压力间接表征其开启性。在总结并分析上述研究成果后指出了页岩储层构造裂缝活动期次及开启性研究中存在的关键问题及发展趋势,旨在丰富和完善页岩油气储层研究的理论和方法体系,为我国页岩油气的构造保存条件和富集机理研究提供重要的科学依据。

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川东北营山-平昌地区凉高山组页岩天然裂缝发育特征及其形成演化模式研究

何建华, 曹红秀, 邓虎成, 印长海, 朱彦平, 李厂, 李勇, 尹帅

2024, 31(5): 17-34.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.16

摘要 ( 607 )

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川东北营山-平昌地区侏罗系凉高山组页岩油气显示活跃且多口井获得工业油气流,其油气资源勘探潜力巨大,而侏罗系页岩油气的富集程度及开发效果受控天然裂缝特征明显。本文综合利用野外、成像、岩心、薄片和CT扫描等多尺度裂缝表征手段,并结合脉体包裹体、碳氧同位素、岩石声发射和脉体U-Pb定年实验测试,重点揭示了研究区不同尺度天然裂缝的发育特征,明确了不同成因天然裂缝的形成期次并构建了其演化力学模式。结果表明:凉高山组页岩主要发育剪切缝、层面滑移缝、层理缝和流体超压缝等力学成因裂缝;构造变形区以发育NW和NE向高角度剖面剪切缝和网状张剪复合缝为主,裂缝密度高,纵向穿层规模大;平稳稳定区主要发育层理缝和流体超压缝及少量近EW和NNE向平面剪切缝,密度低,多充填。侏罗系主要经历了4个天然裂缝形成期:燕山早—中期(170~140 Ma)侏罗系快速埋藏形成以近SN和NE向垂直或水平的水力超压裂缝为主,纤维状方解石全充填;燕山晚期(100~80 Ma)发育NNE与近EW共轭平面剪切裂缝、NE向扩张缝和生烃超压缝;喜马拉雅早—中期(67~32 Ma)持续发育平面剪切缝、NW向剖面剪切缝和张性缝,以及层理缝;喜马拉雅晚期(15~6 Ma)表现为先存裂缝的活化和新生成少量近NNE向张性缝。受喜马拉雅晚期应力调整,早期形成近EW和NW向剪切缝开启有效,新生成的NNE向张性缝未充填较有效。该研究对于侏罗系多期构造复合下有效裂缝的定量预测和页岩油气富集有利区优选提供了重要支撑。

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苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段页岩油储层裂缝形成机制及对烃类赋存的影响

高玉巧, 花彩霞, 蔡潇, 白鸾羲, 卢葭

2024, 31(5): 35-45.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.30

摘要 ( 850 )

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苏北盆地溱潼凹陷阜二段是页岩油勘探开发的有利层段,页岩天然裂缝发育,是页岩油的重要储集空间和渗流通道,对页岩油的开采与增产有重要影响。综合利用岩心观察、成像测井、薄片观察和实验分析测试等资料,应用先进环境扫描电镜、激光扫描共聚焦显微镜等仪器,对溱潼凹陷阜二段页岩天然裂缝的成因类型、发育特征、形成机制、赋存状态和对油气赋存的影响开展了研究。溱潼凹陷阜二段天然裂缝以构造裂缝和沉积成岩裂缝为主,沉积成岩裂缝主要以层理缝为主,发育少量缝合线;构造裂缝包括穿层剪切裂缝、顺层剪切裂缝和层内张裂缝。在纵向上阜二段各小层裂缝发育特征差异较大,从Ⅰ亚段到Ⅴ亚段,裂缝发育类型逐渐单一,裂缝密度逐渐减小,裂缝的延伸长度逐渐增大,并且裂缝的填充性逐渐减弱。阜二段页岩天然裂缝受沉积成岩、构造和异常高压等多种因素作用形成复杂的缝网,沟通储层基质孔隙形成了立体的孔-缝系统,为页岩油的储集提供了良好的空间,也极大地提升了储层的渗流能力。环境扫描电镜和激光扫描共聚焦显微图像显示阜二段页岩油主要以游离态和吸附态两种赋存形式存在,游离油主要以液态油滴形式赋存于孔隙和微裂缝中,吸附油以油膜形式包裹于矿物颗粒表面。裂缝中原油主要以轻质组分为主,孔隙中既有轻质组分又包含重质组分。天然裂缝发育,明显提高了页岩的储集物性,有利于后期压裂改造,是溱潼凹陷阜二段页岩油得以富集并实现高产的重要保障。

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鄂尔多斯盆地西北缘海相页岩裂缝孔隙发育特征与页岩气富集模式:以奥陶系乌拉力克组为例

陈如彪, 王玉满, 黄正良, 李维岭, 闫伟, 梁峰, 郭玮

2024, 31(5): 46-60.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.14

摘要 ( 839 )

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鄂尔多斯盆地西北缘奥陶系乌拉力克组是华北板块页岩气勘探的新领域,其成藏条件和富集特征与中国南方海相页岩气田差异较大。本文以钻井岩心、测井和分析测试等地质资料为基础,重点开展乌拉力克组裂缝发育特征研究,探索西北缘海相页岩气聚集模式,并获得4点认识:(1)乌拉力克组受多种沉积微相控制,发育硅质页岩、钙质硅质混合页岩和黏土质硅质混合页岩,局部为碳酸盐岩(主要为角砾灰岩、泥灰岩)和钙质页岩,在不同区块岩相组合差异大,但下段整体富含硅质,脆性与龙马溪组下段相近,在前陆冲断席分布区有利于储层造缝;(2)乌拉力克组发育高角度充填缝和低角度顺层缝等两期裂缝,但以开启状顺层微-小裂缝为主,且南段较北段发育;(3)乌拉力克组下段总孔隙度一般为2.46%~7.08%,与四川盆地龙马溪组基本接近,其中基质孔隙度占比为34.0%~90.0%(平均61.1%),裂缝孔隙度占比为10.0%~66.0%(平均38.9%);(4)乌拉力克组天然气赋存以游离气为主(占比超过64%),在本层无机孔隙和顺层缝系统中存在初次运移和二次运移。综合分析认为,受裂缝发育程度影响,马家滩-上海庙探区主体为受构造控制的裂缝型页岩气聚集区,裂缝发育期与生气高峰期同步,有利于天然气在乌拉力克组内高效聚集成藏;铁克苏庙区块则为混合型页岩气聚集区。

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苏北盆地高邮凹陷阜二段页岩天然裂缝发育特征及其对页岩油富集和保存的影响

孙雅雄, 梁兵, 邱旭明, 段宏亮, 付茜, 周进峰, 刘世丽, 仇永峰, 胡慧婷, 巩磊

2024, 31(5): 61-74.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.17

摘要 ( 621 )

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苏北盆地高邮凹陷古近系阜宁组二段(阜二段)页岩油勘探获得重大突破,是下一步增储上产的重要领域。页岩层系中天然裂缝发育复杂,其对页岩油富集和保存的影响认识不清,制约了下一步勘探部署。综合来自HY1、H101、HY7、S85X等井的岩心、录井、测井和镜下薄片、扫描电镜、大视域扫描电镜拼接(Maps)、微区矿物扫描(Qemscan)、冷冻岩心有机地球化学分析等资料,结合HY1HF、HY3HF等井的生产动态资料,系统分析了阜二段页岩层系中天然裂缝发育特征,进一步揭示了不同类型天然裂缝对页岩油富集和保存的影响。结果表明,阜二段页岩层系主要发育穿层构造裂缝和层控构造裂缝,以及层理缝和收缩缝等非构造裂缝。其中,穿层构造裂缝发育程度与岩性及构造部位密切相关;层控构造裂缝主要发育在白云石条带、砂质/白云质混合条带和顺层方解石脉等脆性层;层理缝主要为异常高压成因,发育集中在阜二段中下部Ⅲ~Ⅴ亚段。层理缝与顺层方解石脉、白云石条带和砂质/白云质混合条带中发育的层控构造-溶蚀缝洞既是页岩油的有利储集空间,也是高效渗流通道,有利于页岩油富集;穿层构造裂缝有效性较好,相对于页岩的基质更为富集页岩油(S₁),但其纵横向连通性较好,因而也是页岩油逸散的高效通道,对阜二段Ⅴ亚段“Ⅴ下”甜点层保存条件不利,对Ⅳ亚段甜点层影响较小,平面上与断层距离越小,断层规模越大,构造裂缝越发育且越不利于页岩油保存。

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川南天宫堂构造带五峰组—龙马溪组页岩不同纹层内部结构差异及其控制机理

赵圣贤, 李博, 陈鑫, 刘文平, 张成林, 季春海, 刘永旸, 刘东晨, 曹埒焰, 陈玉龙, 李佳峻, 雷越, 谭静强

2024, 31(5): 75-88.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.31

摘要 ( 790 )

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天宫堂地区位于四川盆地南部,发育大规模沉积稳定性与连续性好的海相页岩,是页岩气勘探开发的热点地区。本研究以五峰组-龙马溪组纹层状富有机质页岩为对象,基于岩心尺度描述与大薄片观察,系统分析了页岩纹层的发育特征,并对纹层组合进行了分类与定量表征。通过有机地球化学、矿物学、岩石学、孔隙结构和场发射扫描电镜等分析,表征了页岩的孔隙结构,揭示了页岩的储集物性特征。结合纹层分析结果,揭示了不同类型纹层组合内部结构差异及其控制机理。研究表明,川西南缘天宫堂构造五峰-龙一1亚段页岩主要发育递变型、块状型和砂泥互层型3类纹层组合。递变型纹层组合页岩和互层型纹层组合页岩水平渗透率远高于块状型页岩,块状型页岩的垂直渗透率最高,整体递变型纹层组合页岩物性最好。且三者孔体积和微孔比表面积均呈现由递变型纹层组合页岩、块状型页岩到互层型纹层组合页岩递减的趋势。受沉积环境和成岩作用的共同控制,具有较高TOC和发育有机质-黏土纹层的递变型纹层组合页岩相较于具有较低TOC和发育厚粉砂纹层组和黏土纹层为主的泥纹层组的互层型纹层组合页岩,有效孔隙空间更大,孔隙连通率更高,表现为孔体积更大。而相对较高的有机质含量和无序的矿物孔粒组合排列共同导致块状型页岩有效储集空间优于砂泥互层型纹层组合页岩,而劣于递变型纹层组合页岩。

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页岩储层多尺度天然裂缝表征与三维地质建模:以四川盆地平桥构造带五峰组-龙马溪组页岩为例

乔辉, 张永贵, 聂海宽, 彭勇民, 张珂, 苏海琨

2024, 31(5): 89-102.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.13

摘要 ( 957 )

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天然裂缝是页岩储层重要的储集空间和渗流通道,查明天然裂缝类型及其空间展布特征是页岩气勘探开发的重要基础之一。基于地震、露头、岩心观察、测井和微观测试分析等资料,重点考虑裂缝对页岩气富集高产的控制作用,将页岩储层天然裂缝分为大尺度、中小尺度和微尺度3类,明确了各尺度裂缝表征与建模方法和应用效果。(1)大尺度裂缝通过叠后地震属性表征,中小尺度裂缝以岩心、成像测井和地震属性预测相结合的方法表征,微尺度裂缝通过岩心描述、扫描电镜观测等方法表征,明确了各尺度裂缝发育密度、开度、产状和充填状况等特征。(2)大尺度裂缝通过输入叠后地震属性表征参数,采用确定性建模方法建立大尺度裂缝DFN模型;中小尺度裂缝以单井成像测井解释数据为先验信息,以多信息融合的裂缝概率体为空间约束建立裂缝密度体,采用随机模拟方法建立中小尺度裂缝DFN模型;微尺度裂缝建模以微观测试分析获取的微裂缝参数为基础,井资料与TOC等主控因素属性体结合建立微裂缝密度体,采用随机模拟方法建立微裂缝DFN模型。(3)以四川盆地平桥构造带页岩气为例,开展了页岩储层不同尺度裂缝表征与三维地质建模工作,明确了不同尺度裂缝的发育位置、规模和产状特征,刻画了不同尺度裂缝的空间位置、倾角、方位角、几何尺寸、发育密度等属性特征,形成了多尺度页岩储层天然裂缝表征与建模技术,为页岩气藏数值模拟提供了较可靠的模型依据。该方法建立的平桥构造带页岩储层三维地质模型及其模拟结果与地质认识、生产数据吻合较好,对页岩气田开发具有参考价值。

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鄂尔多斯盆地庆城油田长7页岩油储层多尺度裂缝三维地质建模

刘艳祥, 吕文雅, 曾联波, 李睿琦, 董少群, 王兆生, 李彦录, 王磊飞, 冀春秋

2024, 31(5): 103-116.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.29

摘要 ( 483 )

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页岩油储层普遍发育多尺度天然裂缝,天然裂缝是页岩油储层主要的储集空间和渗流通道,多尺度天然裂缝分布规律制约着页岩油气储层高效开发。本文以鄂尔多斯盆地庆城油田长7页岩油储层为例,结合地表露头、岩心、薄片、测井和地震等资料,在划分多尺度裂缝的基础上,明确了多尺度裂缝的发育特征,形成了多尺度裂缝建模方法,建立了典型区块X井区长7₁储层多尺度裂缝三维离散网络模型。根据蚂蚁体叠后地震属性明确了大尺度裂缝分布特征,用确定性方法建立了大尺度裂缝地质模型;结合储层地质力学方法和常规测井裂缝解释结果,建立了中、小尺度裂缝发育强度约束体,然后以发育强度约束体为约束,协同中、小尺度裂缝参数,采用随机建模方法分别建立了中、小尺度裂缝地质模型。最终将大、中、小尺度裂缝网络模型融合形成多尺度裂缝网络模型,并建立裂缝等效属性模型。结果表明X井区长7₁大尺度裂缝发育于该区东北部,中尺度裂缝和小尺度裂缝多发育于该区西部、西南部和东北部大尺度裂缝发育位置。建立的多尺度裂缝模型与单井裂缝发育规律和实际生产动态数据吻合,可为庆城地区X井区页岩油气增储上产提供地质依据。

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基于CT试验的黔北凤冈地区牛蹄塘组含方解石脉页岩的力学行为研究

邬忠虎, 孟祥瑞, 蓝宝锋, 刘敬寿, 巩磊, 杨玉翰

2024, 31(5): 117-129.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.15

摘要 ( 933 )

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通过黔北地区牛蹄塘组页岩的岩心观察显示,方解石脉作为天然裂缝的充填物,并在很大程度上影响着页岩的破坏模式,研究含方解石脉页岩的破坏特性对水力压裂过程中裂缝的起裂、扩展行为的预测与工程设计有重要意义。为揭示方解石脉对页岩力学特性和破裂特征的影响,进行0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°7种倾角的单轴压缩和声发射试验,并结合CT扫描技术、有限元计算,构建了三维细观数值模型,讨论不同角度方解石脉对页岩的细观破坏过程和力学性能的影响,分析页岩微裂纹的时空演化规律。结果表明:(1)不同方解石脉角度页岩的声发射和应力-应变曲线形态变化基本相同,均经历压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段等4个阶段,各阶段区分明显,特征强度的变化曲线整体呈“U”形,变化程度不断加快,θ为75°时为最低值;(2)方解石脉显著影响页岩的破坏模式,随着角度的提高,由劈裂破坏转变为劈裂型剪切破坏再到剪切滑移破坏,最终变为劈裂张拉破坏;(3)重构的三维模型和物理试验的表现较为一致,并且能够观察到页岩内部和表面裂纹扩展与贯通过程,声发射的空间分布反映了不同阶段下的压缩、张拉和剪切破坏的单元类型,从微观角度揭示了含方解石页岩的破裂机制;(4)页岩的宏观力学特征同时受方解石和基质的影响,体现了明显的各向异性特征,方解石角度越高,对滑移导向作用越强,试件的力学性能越弱。

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复杂构造变形区断控裂缝发育分布模式

鞠玮, 杨慧, 侯贵廷, 宁卫科, 李永康, 梁孝柏

2024, 31(5): 130-138.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.20

摘要 ( 508 )

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天然裂缝是油气重要的储集空间和渗流通道。在复杂构造变形区,裂缝明显受断层影响控制,但其规律和模式尚不清晰。为此,本次研究以库车坳陷为例,通过现场地质观测、成像测井裂缝解译和理论分析,计算断控裂缝系数,揭示走滑断层、逆冲断层控制复杂构造变形区天然裂缝的规律,提出断控裂缝发育分布模式。结果表明:(1)逆冲断层对天然裂缝产状和发育程度均具有明显的控制作用,裂缝密度与距断层距离呈现负指数关系,距断层由近及远可以划分为断层强控制裂缝带、断层弱控制裂缝带和区域裂缝带。(2)走滑断层包括调节走滑断层和逆冲-走滑断层。调节走滑断层与地层走向近垂直或大角度斜交,发育断层控制裂缝带,其受断层规模影响显著;逆冲-走滑断层与地层走向近平行或者小角度斜交,天然裂缝主要局限于断层带内,沿断层走向断裂带宽度发生变化。(3)定义断控裂缝系数(K),即断层强控制裂缝带宽度与断层断距(滑距)的比值,通过分析,库车坳陷逆冲断层K值为1.50~1.80,走滑断层K值为0.125~0.150。研究成果对复杂构造变形区油气勘探开发具有理论和实践指导意义。

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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, 张子阳, 张星星, 王景辰, 胡伟, 丁文龙, 李虎

2024, 31(5): 139-155.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.21

摘要 ( 661 )

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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”。

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川东北元坝地区上三叠统须家河组天然裂缝发育特征与主控因素

潘磊, 杜红权, 李雷涛, 龙涛, 殷雪峰

2024, 31(5): 156-165.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.12

摘要 ( 757 )

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川东北元坝地区上三叠统须家河组致密砂岩储层物性较差,天然裂缝的发育改善了储层物性。天然裂缝是主要的储集空间和渗流通道,对天然气的运移、成藏和高产有着重要的影响。本文根据地表露头、岩心、薄片和成像测井等资料,对元坝地区须家河组天然裂缝成因类型及发育特征进行研究,并分析控制天然裂缝发育的主控因素。结果表明,研究区主要发育构造成因的低角度和高角度剪切裂缝,主要方位为NW-SE(300°±10°)和NEE-SWW(70°±5°)向,有效性好;裂缝充填程度较低,有效性好。构造部位、岩性和岩层厚度为影响裂缝发育的主要因素。鼻状构造部位及断层上升盘距离断层面400 m以内、垂直断距在60~120 m之间、北西向断层延伸线拐点附近为裂缝发育的有利部位,有利于天然气高产;中-细粒石英砂岩和细粒长石岩屑砂岩中裂缝最为发育;高能量环境规模砂体(高石英含量,低泥质含量)更有利于裂缝发育;裂缝发育程度与岩层厚度呈明显的负相关关系,当岩层厚度小于1 m时,裂缝密度大,发育程度高。

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超深层致密砂岩裂缝测井识别深度核方法

董少群, 曾联波, 冀春秋, 张延兵, 郝静茹, 徐小童, 韩高松, 徐辉, 李海明, 李心琦

2024, 31(5): 166-176.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.22

摘要 ( 380 )

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裂缝是超深层致密油气运移的主要渗流通道,对超深层油气勘探开发至关重要。高温高压环境下的岩石物理性质更为复杂,裂缝测井响应弱且多解性强。针对这一难题,本文提出一种基于深度核方法(DKM)的超深层致密砂岩裂缝测井识别方法,该方法通过核主成分分析提取裂缝非线性特征,通过深度学习级联结构深度挖掘用于裂缝识别的不同尺度测井响应特征,通过无梯度优化算法自动确定最优模型结构及参数,避免了深度学习需要进行的超参数调整的问题。以塔里木盆地克深气田下白垩统巴什基奇克组的超深层致密砂岩储层为例,对所提方法进行了实例应用和验证,在测井裂缝响应敏感性分析的基础上,优选了6种测井曲线用于裂缝识别,前3种DEN、RD和RM为实测测井数据,后3种RSD、nT1和nT2是为了获取更多裂缝信息而重构的曲线,并厘清了裂缝段与无裂缝段在测井参数方面的差异。裂缝识别结果与岩心裂缝描述对比表明,深度核方法可以较为准确地识别超深层致密砂岩裂缝,相比常规多核方法,精度可以提升5%以上,在实际单井裂缝识别工作中具有较强的适用性。

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库车坳陷应力状态转换特征及其地质与力学响应

张辉, 张冠杰, 徐珂, 尹国庆, 王志民, 罗洋, 王海应, 张滨鑫, 梁景瑞, 袁芳, 赵崴, 张玮, 卢星

2024, 31(5): 177-194.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.6.25

摘要 ( 329 )

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PDF(22422KB) ( 65 )

结合最新的钻井、测井和地震资料,采用数值模拟手段,明确了塔里木盆地库车坳陷喜马拉雅晚期古应力状态转换特征。通过有限元数值模拟方法揭示了库车坳陷克拉苏构造带巴什基奇克组喜马拉雅晚期应力场三维分布并准确地厘定了古应力状态。通过分析古应力状态与宏观构造样式、裂缝产状及储层物性的关系,系统揭示了古应力状态转换的地质与力学响应,最后利用离散元数值模拟,揭示了古应力状态转换对储层物性的影响机制。综合分析认为:研究区在喜马拉雅晚期6 500~7 500 m的深度区间逐渐由逆冲型应力场转换为走滑型应力场;6 500 m之上为逆冲型应力场,压实减孔量随埋深增大而增大,应力状态与岩石强度均不利于裂缝发育;7 500 m之下为走滑型应力场,有利于储层孔隙保存和岩石破裂成缝。研究结果深化了对库车坳陷构造、储层和岩石力学性质的认识,并认为古应力状态转换是克拉苏构造带超深部储层具备形成大-中型油气田的力学基础,其发现对克拉苏构造带下一步的油气勘探、开发具有指导意义。

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复杂构造区全层系地质力学建模及其地质与工程应用

徐珂, 刘敬寿, 张辉, 张冠杰, 张滨鑫, 王海应, 张禹, 来姝君, 钱子维, 强剑力

2024, 31(5): 195-208.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.28

摘要 ( 322 )

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PDF(7698KB) ( 63 )

受区域挤压、岩性和构造形态等多种因素的综合影响,复杂构造区具有地应力非均质性和各向异性强、现今地应力场在空间变化大的特征,严重制约了该类地区油气勘探开发进展。为解决复杂构造区地质力学建模难度大、精度低,且现有三维地应力建模方法在复杂构造连片建模中的不准确问题,以库车坳陷博孜大北地区为例,提出了复杂构造区地质体全层系逆向有限元地质力学建模方法,通过对部分起伏较大、跨度大的长条连体背斜迭代扫描,准确建立断层与岩体复杂交切关系,实现了复杂构造区地应力网格建模和误差追溯。明确了博孜大北地区现今地应力分布特征,揭示了博孜大北地区深层储层地应力强非均质性和强各向异性的主控因素,进而通过逆向有限元建模方法明确了钻井过程中产生应力扰动范围。研究结果表明:(1)逆向有限元地质力学建模法是复杂构造区全层系地质力学建模的有效方法,建模结果与实际的勘探开发生产需要吻合度高;(2)明确了盐上岩石力学层结构和浅部高陡地层产状是影响博孜大北地区储层地应力强非均质性和各向异性的关键;(3)逆向有限元地质力学建模法是明确钻井过程中应力扰动范围的有效方法,是保障油气高效勘探开发的重要手段。

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塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层裂缝表征与主控因素分析

韩鹏远, 丁文龙, 杨德彬, 邓光校, 王震, 马海陇, 吕晶, 耿甜

2024, 31(5): 209-226.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.18

摘要 ( 396 )

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PDF(13649KB) ( 59 )

文章利用岩心、薄片、扫描电镜和成像测井等资料,系统研究了塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层天然裂缝的发育特征,深入分析了该地区天然裂缝发育的主控因素。研究结果表明:塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层天然裂缝可分为构造裂缝(张性裂缝、剪切裂缝)、表生裂缝(风化缝)、成岩裂缝(缝合线、层理缝)和复合成因裂缝(构造-风化裂缝、构造-成岩裂缝)4大类7小类,其中构造裂缝在天然裂缝占据主导地位。裂缝走向以NE-SW、NW-SE和NNE-SSW向为主,倾向为NNW、NE和SEE倾,倾角多为大于70°,线密度介于1.5~3.5条/m之间。根据裂缝充填特征和交切关系可以将裂缝分为3期,第1期充填裂缝中的微裂缝镜下荧光反应强烈,证实充填裂缝并非完全无效的裂缝,内部微裂缝的发育依旧可以使其具有有效性。第2期裂缝内部被大量沥青质充填,有效性较差。第3期裂缝开度大、有效性强,但其内部并无荧光显示。碳酸盐岩储层裂缝的形成和发育受构造应力场、断裂、岩性和岩溶作用4个因素的控制。裂缝形成期构造应力场的大小和方向决定了裂缝的形成规模及分布模式。在走滑断裂的显著影响下,断层伴生裂缝大量发育,裂缝产状同走滑断裂带基本一致。距断裂带2 048.56 m为单条走滑断裂带控缝作用的最大有效影响范围,其中0~308.25 m属于断控裂缝强发育区,超过308.25 m断控裂缝强发育程度显著降低。走滑断裂张扭段和断裂带端部裂缝发育程度好,主动盘裂缝密度高,油气充注更丰富。裂缝发育程度同脆性矿物含量呈明显正相关趋势,并显著受控于杨氏模量和泊松比值的影响,白云岩裂缝发育程度最高,灰岩小类中砂屑灰岩裂缝发育程度最好。岩溶地貌中以岩溶台地下的丘从洼地无论浅层及纵向上均有较强的裂缝发育规模,平均裂缝线密度在2.67条/m,对储层的改善效果强。

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塔河油田走滑断裂与古岩溶耦合关系研究及其对奥陶系储层发育的影响

马海陇, 杨德彬, 王震, 张娟, 巫波, 张世亮, 袁飞宇

2024, 31(5): 227-246.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.24

摘要 ( 433 )

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PDF(24983KB) ( 57 )

走滑断裂与古岩溶作用耦合关系方面的研究报道较少。本文通过对TH12518走滑断裂在奥陶系一间房组地层内构造样式时空叠加改造特征和不同期岩溶作用的研究,明确不同期次走滑断裂内幕结构与古地貌、古水系间的耦合关系。在TH12518走滑断裂在多期构造活动改造下,一间房组地层构造样式多次差异叠加,形成5种分段类型:Ⅰ型,拉分+平移+拉分段;Ⅱ型,拉分+平移+平移段;Ⅲ型,平移+挤压+拉分段;Ⅳ型,平移+挤压+平移段;Ⅴ型,逆冲推覆改造段。即加里东中期Ⅰ~Ⅲ幕形成平移段和拉分段;加里东晚期形成平移+挤压段、拉分+平移段、逆冲推覆段3种样式;海西早期发生“弯曲效应”,形成平移+挤压+平移段、拉分+平移+平移段、平移+挤压+拉分段、拉分+平移+拉分叠加构造样式。不同期岩溶地貌差异大。加里东中期Ⅰ幕岩溶台地水系欠发育;加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕,北部抬升形成岩溶准平原,南部岩溶斜坡区发育近南北向地表水系及暗河;加里东晚期,岩溶斜坡区发育多组水系,沿北东东向断裂新形成北东东向暗河和地表水系。海西早期,岩溶斜坡发育大型曲流河。一间房组地层在不同岩溶期,不同区域不同类型段的岩溶作用不同。加里东中期Ⅰ幕整体发育开发式裸露型岩溶,沿断裂带下渗溶蚀,北北东向断裂拉分段溶蚀较强。加里东中期Ⅱ-Ⅲ幕北部发育开发式裸露型岩溶,南部为半开放式承压型岩溶,拉分段溶蚀进一步增强,Ⅱ幕还发育“下降型”埋藏断控岩溶。加里东晚期发育开发裸露型岩溶、半开放承压岩溶和“下降型”埋藏断控岩溶,北部受岩溶基准面控制,向下在寒武系顶面-白云岩岩性界面岩溶作用受阻。南部不受基准面控制,向下至少溶蚀至寒武系阿瓦塔格组顶面,纵向上岩溶缝洞体分层明显。海西早期,发育半开放式承压型岩溶,除弯曲效应拉分段外,岩溶作用较弱。在空间上存在某一区域储层由某一期或多期关键岩溶期和关键岩溶方式控制决定,如覆盖区加里东中期Ⅱ幕“下降型”埋藏断控岩溶作用是奥陶系一间房组顶面缝洞型储层形成的关键因素。研究成果有助于为滚动开发实践提供地质依据。

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塔北隆起南斜坡带三道桥气田寒武系裂缝型白云岩储层裂缝期次差异与分布规律

孟庆修, 曹自成, 丁文龙, 杨德彬, 马海陇, 刁新东, 王明, 韩鹏远, 王欢欢

2024, 31(5): 247-262.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.23

摘要 ( 620 )

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塔里木盆地北部三道桥气田在深层寒武系发育典型的裂缝型白云岩储层。在岩心、显微镜下、成像测井等多尺度多视角下均显示白云岩储层溶蚀作用弱,构造裂缝是研究区白云岩储层储集空间及物性的主控因素。本研究综合岩心、镜下、显微CT视角下的裂缝交切关系、声发射实验对古构造强度的分析以及区域成岩与埋藏史,得到了研究区主要发育的两期裂缝的差异特征。结果显示:第一期为雁列式高角度裂缝,裂缝宽度大,缝面粗糙,充填胶结严重,主要形成期为加里东晚期—海西早期;第二期呈中-高角度裂缝,裂缝宽度小,缝面平直,多呈半充填,推测形成期为海西晚期—印支期;第二期裂缝交切了先期裂缝,局部错位位移现象明显。通过岩心裂缝线密度和单井裂缝发育段定量参数的统计分析,定量表征了不同构造部位白云岩储层裂缝发育程度,指出了在三道桥气田寒武系白云岩古潜山的挤压褶皱背斜翼部高部位具有最高的裂缝发育程度,挤压褶皱背斜的翼部低部位与挤压向斜裂缝发育程度较低,并建立了研究区非对称挤压褶皱剖面裂缝发育模式。本研究对裂缝期次差异和分布规律的认识可为区域上的裂缝发育期次、有效裂缝识别及特征、裂缝定量分布预测和有利区的评价起到一定的参考意义。

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顺北地区走滑断裂带奥陶系碳酸盐岩裂缝分布预测与主控因素研究

李云涛, 丁文龙, 韩俊, 黄诚, 王来源, 孟庆修

2024, 31(5): 263-287.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.27

摘要 ( 712 )

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PDF(23272KB) ( 63 )

构造裂缝是碳酸盐岩的主要储集空间之一,能为致密灰岩提供油气运移的良好通道和储集空间。构造裂缝的发育受构造位置、岩性、地层厚度、温度、围压和构造破裂等多种因素的影响,其中区域构造应力场的局部构造应力导致的构造破裂是控制构造裂缝发育的主导因素。针对碳酸盐岩储层的特点与裂缝发育特征,采用在单井动态岩石力学参数标定下,基于三维地震数据体的岩石力学参数反演功能获取非均质岩石力学模型,以提升应力场模拟中模型力学参数的真实性和准确性;引入自适应边界条件约束方法,以自动获取模拟结果与实测结果误差最小时的最优边界条件,从而显著提升应力场模拟的精度与可靠性。并在此基础上,通过储层张破裂率、剪破裂率、综合破裂率、水平两向应力差、应力非均质系数和断裂面滑动趋势系数等参数,定量表征了SHB16号断裂带及邻区的储层裂缝发育特征与活动性。储层裂缝的发育特征与断裂的活动关系密切,故定性或定量研究了水平两向应力差、距断裂的距离和断裂的垂向活动强度等参数对储层裂缝发育特征的控制作用,用斯皮尔曼等级相关系数定量研究变量之间的相关性。在明确储层裂缝发育的控制因素的基础上,构建奥陶系碳酸盐岩储层规模储集体发育指标,将奥陶系碳酸盐岩储层划分为从最优至最差的I~IV类储集体,并明确了走滑断裂的变形方式和规模储集体发育程度的相关性,进一步建立了不同类型储集体中钻井奥陶系碳酸盐岩储集体发育的地质模式。该地质模式不仅提升了基于应力场模拟的裂缝发育特征及多参数分布定量预测的准确性和可靠性,而且对碳酸盐岩储层裂缝发育的控制因素的定性或定量研究、规模储集体发育指标的构建以及单井储集体发育的地质模式的建立、对碳酸盐岩储集体的勘探与开发进程的加快,具有重要的参考价值。

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川东南地区典型走滑断裂带特征及断控缝洞型储层发育潜力

石司宇, 李毕松, 李让彬, 邹玉涛

2024, 31(5): 288-300.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.32

摘要 ( 657 )

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PDF(15032KB) ( 52 )

受中-小尺度基底走滑断裂带内部构造破裂作用控制,塔里木盆地顺北地区发育典型的断控缝洞型储层,近年来已于多条断裂带实现勘探突破。近期研究发现,四川盆地川东南地区NW向基底断裂也具有典型的走滑作用特征,需进一步针对是否发育断控缝洞型储层进行分析。本文基于连片三维地震资料,从基底走滑断裂几何学和运动学特征入手,对比分析塔里木顺北地区与川东南地区典型走滑断裂带附近不同时期地层变形特征。同时根据走滑断裂运动方向、不同构造层断裂活动的同步性分析,结合构造背景还原川东南地区基底断裂形成演化过程,并与顺北地区进行对比。最终参考顺北地区已证实的储层地震反射特征,对川东南地区典型走滑断裂带附近地震异常进行梳理,综合分析储层发育潜力。分析认为,川东南地区NW向基底走滑断裂带相关几何学、运动学特征参数与顺北地区类似;顺北地区经历多期同向叠加走滑作用,涪陵地区走滑断裂经历3期不同性质的活动。此外川东南地区也可识别出与顺北地区典型储层对应的地震反射特征,综合认为涪陵地区典型走滑断裂带断控缝洞型储层发育潜力较大,綦江地区也具有一定发育潜力。

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考虑流固耦合作用的超深缝洞型碳酸盐岩储层连通性表征:以塔里木盆地富满油田满深区块为例

蔡振忠, 赵海涛, 王彭, 李静, 徐国金

2024, 31(5): 301-312.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.33

摘要 ( 466 )

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PDF(6790KB) ( 47 )

超深缝洞型碳酸盐岩储层埋藏深,压力高,储集空间复杂多样,流体流动渗流、自由流并存,储层连通性表征困难,而储层连通性的精确表征是寻找油气富集区、储量精确预测、井网优化和井位部署的关键所在。为此,以塔里木盆地富满油田超深缝洞型碳酸盐岩储层为研究对象,考虑流固耦合作用,建立缝洞型储层应力-渗流-自由流耦合数学模型,采用岩石渗透率演化试验和数值模拟相结合的方法,系统开展了超深缝洞型碳酸盐岩储层连通性研究。研究结果表明:随着围压、轴压的增加,岩石渗透率逐渐降低,岩石连通性减弱;低围压条件下,轴压对岩石渗透能力和连通性影响显著;随着裂缝开度和倾角的增加,储层连通性逐渐增强;裂缝连通溶洞能够显著改善储层连通性;随着溶洞体积的增加,流体流速与等效渗透率增大,显著改善储层连通性;而单纯增加溶洞数量,会减弱自由流(Stokes)效应,改善储层连通性效果不明显。研究成果可为深层碳酸盐岩储层精确评价,提高油气高效勘探开发效果提供技术支撑。

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塔北-塔中地区中、下寒武统岩性组合与变形特征及其对油气输导影响

谷雨, 吴俊, 樊太亮, 吕峻岭

2024, 31(5): 313-331.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.9.5

摘要 ( 506 )

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PDF(27397KB) ( 60 )

塔里木盆地塔北-塔中地区寒武系勘探生产实践揭示,油气分布严格受控于断裂,不同断裂段之间油气差异性显著,断裂带具有重要的垂向输导作用。因此,加强塔北-塔中地区中、下寒武统的岩性组合与变形特征研究,对判定整体地层变形情况和厘清影响油气输导效率的因素具有重要意义。本研究以塔里木盆地塔北-塔中地区中、下寒武统为研究对象,基于岩心、钻/测井、3D地震及生产动态数据等资料,首先开展岩石类型划分和岩性组合分析,然后通过井-震标定及区域地震剖面追踪,明确岩性组合的地震响应特征,最后指明断裂作用下目的层变形特征,揭示岩性组合与构造变形特征对油气输导效率的影响。研究结果表明:(1)研究区共发育白云岩类、含膏岩类和含泥白云岩类等3种岩石类型,根据叠置样式分为上下分段型、对称型和互层型三种岩性组合;(2)不同岩性组合的地震反射特征存在显著差异性,上下分段型岩性组合对应于上部弱振幅、下部强振幅,呈现席状平行-亚平行反射特征,对称型岩性组合表现为具有中-强振幅且连续性较好的地震反射之间夹持着弱振幅、连续性中等的席状平行反射的特征。互层型岩性组合表现为强振幅、高频率和连续性好的地震反射特征;(3)在不同的应力分段作用下,目的层变形特征分为膏岩层厚度减小、厚度增大及厚度稳定共3种类型。研究揭示出岩性组合与构造变形联合控制着油气输导,顺北区块岩性组合的叠置样式呈现明显的区域差异性,西部以对称型叠置为主,东部以上下分段型-对称型为主。对称型岩性组合的变形程度较高有利于油气输导,上下分段型岩性组合在拉分段更为有利。

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变质岩潜山多尺度裂缝发育特征及裂缝网络结构模式:以渤中Z变质岩潜山为例

巩磊, 秦欣楠, 高帅, 付晓飞, 宿晓岑, 王杰

2024, 31(5): 332-343.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.19

摘要 ( 727 )

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天然裂缝是变质岩潜山储层重要的储集空间和有效的渗流通道。多尺度裂缝组合在空间形成连通性良好的连续网络是致密变质岩形成优质连片储层和获得高产、稳产的关键因素。综合利用成像测井、岩心、薄片和扫描电镜等资料,对变质岩潜山储层中不同尺度裂缝进行精细表征,建立了多尺度裂缝的幂律分布规律,明确了不同尺度裂缝对储层的贡献,分析了裂缝网络空间结构模式及其对产能的影响。结果表明:不同尺度裂缝系统相关参数发生规律性变化,随着裂缝规模的降低,裂缝发育程度呈幂律函数增加。宏观裂缝的规模大,连通性好,为致密储层提供重要的渗流通道,但裂缝密度相对较低,为储层提供的孔隙度有限。微观裂缝密度大,可以为致密储层提供储集空间,但裂缝规模较小,裂缝连通性有限,主要起到沟通基质孔隙的作用。根据不同尺度裂缝的空间组合模式,建立了5种缝网结构。其中,多尺度-高密度-多组系缝网和大尺度-中密度-多组系缝网能够形成大面积连续型优质储层,可以获得高产和稳产;小尺度-高密度-多组系缝网和大尺度-低密度-多组系缝网需要压裂改造才能获得稳产;小尺度-低密度-单组系缝网不能有效改善致密储层,很难获得工业油气流。

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深层煤岩微构造对现今地应力的控制机理

唐志潭, 刘敬寿, 闫霞, 冯延青, 蒋恕, 张滨鑫, 张冠杰, 付一鸣

2024, 31(5): 344-357.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.26

摘要 ( 617 )

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深部煤层气的勘探开发不能简单套用浅部煤层气的勘探开发理论,原因之一在于深煤层地应力制约了煤层气的吸附/解析、渗流等过程,决定了煤层裂隙的有效性,并影响着水平井轨迹设计。因此,开展深部地应力变化规律研究对煤层气的勘探开发具有重要意义。本文以鄂尔多斯盆地大吉区块为例,利用阵列声波测井、微地震监测数据和岩心测试等资料,综合考虑深层煤岩微构造类型与产状、边界应力条件和顶底板岩石力学性质组合等因素,利用ANSYS有限元软件,建立微构造三维地质力学模型,全面分析了微构造的类型、产状和对煤层应力的控制机理。研究结果表明:煤层微构造越平缓,应力分布越均匀,反之应力越容易集中;煤层微构造产状对煤层应力的影响主要为:随着煤层微构造曲率的增大,挠曲处水平应力差会随之增大,且挠曲处周缘水平最小主应力也会越集中。由微构造类型与煤层力学性质、顶底板岩性、边界应力条件等因素交叉模拟得到,正向微构造下的煤层应力与泊松比呈正相关,与杨氏模量呈负相关,而负向微构造则相反。当顶板为灰岩时,煤层应力大小受微构造类型变化影响比顶板为砂岩时更显著。区域应力大小对深部煤层应力的影响相对较小。论文研究成果可为深部煤层地应力成因机制分析、煤层气高效开发和地质工程一体化实践提供有益的参考。

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岩溶碳汇原理、过程与计量

曹建华, 杨慧, 黄芬, 张春来, 张连凯, 朱同彬, 周孟霞, 袁道先

2024, 31(5): 358-376.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.6

摘要 ( 660 )

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岩溶生态系统碳循环由陆地生物碳循环(植物光合作用驱动)和岩溶碳循环(碳酸盐岩溶解风化驱动)两部分组成。岩溶碳循环与陆地生物碳循环存在协同作用,岩溶碳循环过程对陆地淡水生态系统产生显著影响。岩溶碳汇主要发生在岩溶和生物紧密联系的植物根系-土壤-岩石相互融合的表层岩溶带,在快速交互的地下水系统和地表水系统中发生迁移转化过程。当前流域岩溶碳汇计量存在至少3个方面的问题:(1)全岩溶流域中来源于碳酸盐岩的碳和来源于大气/土壤中的碳比例不清;(2)部分岩溶流域碳酸盐岩和硅酸盐岩风化溶解产生碳汇的量如何区分;(3)水生植物光合作用生产的内源有机碳与陆地生态系统的外源有机碳的贡献大小如何。建议岩溶碳汇计算要以流域为单元,通过确定流域边界,查明地质结构,分析土地覆被配置,揭示岩溶碳循环及碳汇效应影响的主控因子,建立反演和正演模型,估算流域岩溶和生物碳汇的贡献,填补岩溶碳汇服务价值评估的空白。

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亚热带季风区边缘坡立谷河流水化学特征及外源水的增汇效应:以广西马山县清波河流域为例

张春来, 杨慧, 黄芬, 邱成, 朱同彬

2024, 31(5): 377-386.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.14

摘要 ( 683 )

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雨热同期的亚热带季风气候促进了岩溶碳汇的发生,受外源水补给的边缘坡立谷是岩溶区碳酸盐岩溶蚀作用强烈的区域,对该区不同类型水的水化学特征研究有助于加深对岩溶固碳作用规律的认识。本文运用数理统计、Piper三线图、Gibbs图和主要离子比值等多种方法,对亚热带典型边缘坡立谷的河流水化学特征、成因及其碳汇效应等进行了分析。结果显示:(1)边缘坡立谷的河水类型主要有外源水、外源水补给的地表河、外源水补给岩溶地下河和岩溶地下水等,其总离子浓度呈递增趋势,岩溶地下水的Ca²⁺浓度平均值为91.06 mg/L,分别是外源水补给地下河水、外源水补给地表水和外源水的2.3、4.3和12.4倍,其中外源水补给的地表河水化学离子浓度变化较大;(2)外源水进入岩溶区后,Ca²⁺和$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度逐渐升高,方解石饱和指数逐渐偏正。在亚热带季风区大量降雨导致的水循环加快的情况下,外源水对碳酸盐岩具有较强的侵蚀性;但外源水无论以补给岩溶地下河还是以地表水进入岩溶区后,其与碳酸盐岩的反应时间或接触面积不足,影响了岩溶碳汇增汇的提升。

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岩溶水库藻源性有机质来源对表层沉积物有机碳矿化过程的影响

黄思宇, 蒲俊兵, 潘谋成, 李建鸿, 张陶

2024, 31(5): 387-396.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.7

摘要 ( 636 )

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岩溶水生环境富含$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$,有利于内源藻类发生生物碳泵作用,形成大量藻源有机质沉积到库底。丰富的藻源性有机质在沉积物中发生矿化作用,影响有机质埋藏过程,影响岩溶水生环境碳循环过程和碳汇潜力。为探究藻源性有机质对矿化作用的影响和岩溶水生环境碳循环稳定性的影响,以岩溶地下水补给型水库(广西大龙洞水库)为研究对象,初步分析从上游到下游不同区域藻源有机质对表层沉积物有机质矿化过程的影响。结果表明:大龙洞水库有机质主要来源为内源藻类(20.9%~65%)和外源土壤(11.8%~53.4%)且具有一定的空间差异,水库上游以土壤来源为主,下游以藻类来源为主。大龙洞水库表层沉积物矿化过程在空间上呈现上游潜在矿化量高于下游潜在矿化量,产生差异的主要因素是在岩溶高溶解无机碳水环境中,藻源性有机碳对微生物矿化过程具有抑制性,降低矿化强度。在生物碳泵作用和无机碳保护下,以藻源性来源为主的岩溶水库表层沉积物有机碳潜在埋藏总量略高于岩溶区土壤的潜在埋藏总量,表明岩溶水库沉积物有着稳定的有机成分积累。

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西南岩溶小流域水体中微量元素地球化学特征及其指示意义

吴庆, 黄芬, 郭永丽, 肖琼, 孙平安, 杨慧, 白冰

2024, 31(5): 397-408.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.10

摘要 ( 721 )

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微量元素在岩溶区资源环境研究中具有重要的指示意义。本文选择我国典型峰丛洼地区岩溶地下河为例,解译水体中微量元素的地球化学特征及其在岩溶空间结构和岩溶水文等方面的指示意义。毛村地下河流域水体中Sr、Cr、Ni、Co和Mn等微量元素,主要来源于碳酸盐岩的溶解。强降水条件可驱动深层水,弱降水条件驱动能力差。微量元素ρ(Ni)/ρ(Co)、ρ(Sr)/ρ(Ca²⁺)和ρ(Sr)/ρ(Mg²⁺)的时空变化,指示LLS和BY子系统内岩溶发育差,SGY至MC岩溶发育程度较高。ρ(Sr)/ρ(Ca²⁺)和ρ(Sr)随ρ(SiO₂)的变化斜率值可作为指示岩溶发育程度的指标,均随着岩溶作用强度的增大而增大。ρ(Sr)的时空变化特征与地层岩性特征密切相关,可将岩溶流域按照地质背景分为非岩溶区、非岩溶区-岩溶区过渡带和岩溶区。基于非岩溶区至岩溶区ρ(Sr)的变化特征,利用质量守恒定律,计算出旱季SGY、SWQ、LLS和BY泉水接收岩溶区补给的平均比例分别为51.50%、50.46%、65.48%和22.16%。微量元素可指示岩溶发育程度和定量计算岩溶水源比例,为解决岩溶区复杂的资源环境问题提供科学指导。

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长江流域水体稳定同位素分馏特征及碳水循环

原雅琼, 孙平安, 于奭, 何师意

2024, 31(5): 409-420.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.8

摘要 ( 784 )

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岩溶碳循环具有快速的动力学反应过程,对环境变化敏感,水循环可影响岩溶碳循环的两个驱动因子(水和CO₂),是岩溶碳循环的重要影响因素。通过2016年6月和10月长江干流、主要支流、水库、湖泊的采样测试,分析了δD、δ¹⁸O、无机碳含量和同位素分馏特征及控制因素,揭示了长江流域水循环对岩溶碳循环的影响特征。结果表明:长江流域水体δD和δ¹⁸O的空间变化表现出大陆效应、纬度效应和海拔效应,并随降雨的季节性变化而变化;无机碳主要源自碳酸盐岩风化,δ¹³C_DIC值主要受碳酸风化碳酸盐岩和硫酸/硝酸风化碳酸盐岩对$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的贡献比例控制。长江流域水文过程可显著影响岩溶碳循环,上游冻土区土壤冻结时,幔源和大气源CO₂参与碳酸盐岩风化使δ¹³C_DIC值显著增加;夏秋季季风期降雨爆发,降水导致δD和δ¹⁸O急剧下降,同时利于土壤CO₂累积和碳同位素值下降,并使得水体δD、δ¹⁸O和δ¹³C_DIC值均下降;水文过程可影响“生物碳泵”作用,平水期“生物碳泵”作用更强,水库的分层效应也更显著。

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开放系统下铅锌对地质碳汇的影响研究

李亮, 姜志伟, 吴秉津, 韦栋文, 王文海

2024, 31(5): 421-429.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.12

摘要 ( 455 )

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自工业革命以来,资源需求量不断增加,矿产资源被过度开采引起一系列地质环境问题,针对采矿学者研究主要集中在地质环境灾害、矿山的修复技术方法和采矿暴露出的重金属对人类身体健康造成的危害等方面,鲜有学者研究采矿中重金属元素与地质碳汇的关系,随着双碳目标成为国家战略,重金属与地质碳汇机理研究对双碳战略目标有重要的科学意义。本文通过研究不同岩样在不同浓度铅、锌溶液中的溶解特征来探究开放系统条件下铅锌对地质碳汇的影响,研究发现:(1)随着实验时长的增加,所有组别的pH值呈下降趋势,电导率呈上升趋势。(2)0.5 mg/L的铅溶液可能会抑制岩石的溶解,$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的浓度在第10天时突然变大随后又逐渐减小,而当加入灵川县铅锌矿场的铅锌矿粉末后溶液中$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度倍增。0.1 mg/L铅溶液中加入铅锌矿粉末后,其水溶液中的$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度明显少于未加入铅锌矿粉末的对照组。故认为铅可能作为抑制剂影响岩样在溶液中的溶解。(3)在1和5 mg/L锌溶液中加入铅锌矿粉末,无论其浓度高低,灰岩、角岩和灰岩+角岩3个实验组别$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$浓度将明显高于未加入铅锌矿粉末的对照组,故认为锌可能起催化作用。(4)通过对干燥后的岩样进行非原位SEM图像扫描发现,无论低浓度还是高浓度铅溶液,其溶蚀坑较无铅溶液明显增多,溶蚀台阶也明显呈无规则状,但在高浓度的铅溶液中更加突出,并且伴随着置换反应的发生,由低浓度到高浓度的铅溶液中可以观察到一些孔隙的发展和裂缝的形成。

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沉水植物对岩溶碳汇稳定性影响研究

孙彩云, 郑冰清, 李俊, 符洪铭, 孙荣卿, 刘红豪, 廖祖莹, 江红生, 吴振斌, 夏世斌, 王培

2024, 31(5): 430-439.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.9

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岩溶碳汇是实现碳中和的重要手段,其稳定性是亟待解决的关键科学问题。地球上每年约45%的光合作用发生在水环境中,而岩溶区沉水植物如何影响岩溶碳汇稳定性仍不明确。以3条岩溶区河流中的沉水植物为研究对象,利用样方法、pH-drift技术和元素化学计量学,从定性和定量角度开展了沉水植物对岩溶碳汇稳定性的影响研究。结果表明:ZDR中沉水植物有8种,CTR中沉水植物有5种,HXR中沉水植物有7种,Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数的趋势均为ZDR>HXR>CTR。在3条河流中沉水植物的优势种为苦草、海菜花、竹叶眼子菜和黑藻,且均具有利用$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$的能力。ZDR、HXR和CTR中沉水植物的年固碳量分别为8.56×10³、4.83×10³ 和3.88×10³ g·m^-2·a^-1,平均值为5.76×10³ g·m^-2·a^-1,分别是草地的37.65倍和人工林的40.56倍。3条河流中沉水植物多样性越高,其固碳量也越高。总的来说,在岩溶水生态系统中沉水植物发挥着碳泵的作用,进而提高了岩溶碳汇的稳定性。

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滇南喀斯特地区不同石漠化程度下优势灌木生物量及分配特征

杨化菊, 李灿锋, 杨克好, 张熙璐, 王传宇, 王兴荣, 何旭, 彭雪峰, 张连凯

2024, 31(5): 440-448.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.11

摘要 ( 748 )

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灌木在喀斯特石漠化区植被恢复过程中具有重要作用,其生物量大小直接决定了石漠化修复与碳收支情况。为探究喀斯特地区优势灌木树种响应石漠化演替的生物量特征及分配格局,以滇南喀斯特地区不同石漠化程度下3种优势灌木树种华西小石积(Osteomeles schwerinae)、沙针(Osyris lanceolata)和车桑子(Dodonaea viscosa)为研究对象,通过分析其冠幅、树高、基径、各器官(根、茎、叶和花/果)生物量和根冠比等响应特征,并构建各器官、地上和总生物量的异速生长模型。结果表明:(1)不同石漠化梯度下,华西小石积和车桑子的平均生物量呈现“倒V”趋势,而沙针则与前两者不同;(2)不同石漠化梯度下,3种优势灌木各器官生物量的分配大小顺序为茎>根>叶>花/果;(3)3种灌木生物量估测效果较好的是线性函数和幂函数,最佳预测变量以基径(D)、基径平方和树高乘积(D²H)为主。本研究为喀斯特石漠化地区的植被恢复和生态系统碳收支功能的研究提供基础数据。

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典型岩溶小流域碳酸盐岩风化过程及其碳汇效应

陈发家, 肖琼, 胡祥云, 郭永丽, 孙平安, 张宁

2024, 31(5): 449-459.
DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.2.13

摘要 ( 688 )

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碳酸盐岩风化过程是一个吸收大气CO₂的过程,具有碳汇效应。利用岩溶区水体的水文地球化学特征揭示碳酸盐岩风化过程、计算流域岩溶碳汇通量是全球变化研究的一个重要方面。以广西柳州官村地下河流域(GGW)为例,2021年4个季度的监测结果表明:(1)$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$和Ca²⁺是主要的阴阳离子,阴阳离子当量浓度和TDS浓度反映了碳酸盐岩强烈的风化作用;(2)水化学时空分布特征显示,GGW的水化学类型为HCO₃-Ca型,水岩作用过程除了H₂CO₃风化碳酸盐岩外,还有H₂SO₄和HNO₃风化碳酸盐岩;(3)在研究H₂CO₃、H₂SO₄和HNO₃共同参与的水岩作用过程中,用δ¹³C_DIC计算H₂CO₃风化碳酸盐岩的CO₂消耗量为2.38 mmol·L^-1,CO₂净消耗量用[$\mathrm{HCO}_{3}^{-}$]_mol-[Ca²⁺+Mg²⁺]_mol表示,平均净消耗量为1.98 mmol·L^-1,用CO₂净消耗量计算出的GGW无机碳汇强度(以CO₂计)C_m为86.37 t·km^-2·a^-1;(4)不考虑外源酸作用,利用水化学径流法计算出的GGW无机碳汇强度(以CO₂计)C_m为94.49 t·km^-2·a^-1,CO₂净消耗量是水化学径流法计算的CO₂汇量的91.41%;(5)碳汇强度为2008年的1.91倍,研究结果可为人工干预增加岩溶碳汇潜力评估提供一定的参考和借鉴。

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