胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营

收稿日期：2022年1月12日；录用日期：2022年2月18日；发布日期：2022年2月25日

摘要

泥页岩中裂缝识别是一个难题，制约了济阳坳陷页岩油的发现。为了较为精确预测泥页岩裂缝，利用岩心、薄片、测井、数理统计等多种方法综合判识济阳坳陷泥页岩裂缝，预测构造缝、层理缝和超压缝在东营、沾化凹陷的分布范围。构造缝主要分布在断距大于100 m，距离断层上盘小于1.2 km的区域；层理缝主要发育在纹层状岩相内地层倾角大于6˚的区域；超压缝主要发育在压力系数 > 1.38和TOC > 2的叠合区域。通过构造缝、层理缝和超压缝分布范围进行叠合，把裂缝发育区分为I类，II类发育区，为下一步寻找页岩油甜点打下基础。泥页岩裂缝是常规油藏、页岩油气形成的中转站；泥页岩裂缝是济阳坳陷页岩油富集高产的关键因素；泥页岩裂缝的存在有利于泥页岩储层的压裂。该成果对东部陆相断陷盆地页岩油勘探开发有一定指导作用。

关键词

泥页岩，构造缝，层理缝，超压缝，综合判识，分布，济阳坳陷

Synthetical Identification and Distribution of Shale Fractures in Jiyang Depression

Yue Duan

Exploration and Development Institute, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying Shandong

Received: Jan. 12^th, 2022; accepted: Feb. 18^th, 2022; published: Feb. 25^th, 2022

ABSTRACT

Fracture identification in shale is a difficult problem and restricts the discovery of shaleoil in Jiyang depression. By means of core, thin slice, logging, mathematical statistics methods, fractures are identified, and the distribution of structural fractures, interlayer fractures and overpressure fractures in Dongying and Zhanhua sag is predicted. The structural fractures are mainly distributed in the area where fault throw is more than 100 m and distance away from the fault is less than 1.2 km, the interlayer fractures develop mainly in the areas where the dip angle of layer is greater than 60 in the laminated lithofacies, and the overpressure fractures develop mainly in the superimposed areas with pressure coefficients > 1.38 and TOC > 2. According to the superimposed distribution range of structural fractures, interlayer fractures and overpressure fractures, the fracture development areas are divided into I grade, II grade, which lay the foundation for finding the shale oil sweetspots. Shale fractures are a transit station for conventional reservoir and shale oil and gas formation; shale fractures are key factor for the enrichment and high output of shale oil in Jiyang depression; the existence of shale fractures is beneficial to fracturing of shale reservoir.

Keywords:Shale, Structural Fracture, Interlayer Fracture, Overpressure Fracture, Synthetical Identification, Distribution, Jiyang Depression

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1. 引言

在油气勘探开发实践中，人们逐渐认识到泥页岩裂缝在油气运移成藏中起双重作用，既是油气初次运移通道，又是油气重要的储集空间 [1] [2] [3]。近年来，随着人们对页岩油气的关注，泥页岩裂缝在页岩油中的作用日益引起了人们的重视。前人主要对泥页岩裂缝成因、主控因素、发育特征及常规、成像测井资料识别裂缝进行了研究 [4] - [9]。但一直没有形成综合判识裂缝的方法，识别裂缝精度低。本文在借鉴前人研究方法的基础上，采用岩心、测井、薄片、数理统计等多方法综合判识泥页岩裂缝，预测它的分布范围，明确它的石油地质意义，提高了泥页岩裂缝的预测精度，对页岩油气的勘探开发具有重要意义。

岩心、薄片、成像测井虽然能够有效识别裂缝，但资料太少，必须建立常规测井资料识别裂缝的方法。本文探索通过岩心、成像测井标定，明确常规测井裂缝发育特征，通过常规测井确定裂缝发育范围，然后通过数理统计方法确定构造缝、层理缝和超压缝的分布范围。

2. 裂缝的综合判识

济阳坳陷沙四上亚段–沙三下亚段泥页岩裂缝非常发育且有多种成因类型，以构造缝、层理缝和超压缝为主 [10] [11] [12] (图1)。

图1. 泥页岩裂缝照片

2.1. 裂缝岩心、薄片特征

构造缝发育在断层附近和构造转折端，是在构造应力作用下形成的裂缝 [13]。牛页1、樊页1和罗69井三口系统取心井统计结果表明，济阳坳陷构造裂缝受构造应力场控制，裂缝的走向与现今最大水平主应力的方向一致(图2)。在岩心、薄片上，构造缝缝面较平直，通常会有纹层错断，有些裂缝局部或全部被方解石充填。一般具有以下特点：裂缝成组出现；边缘比较平直延伸较远；具穿层性，能在缝合线等非构造缝之间穿行或切割；具有多期次性 [14]。

图2. 济阳坳陷构造缝和地应力走向图

层理缝主要指层间页理缝，是泥页岩在成岩过程中形成的平行页理之间的裂缝 [15]。泥页岩间的页理为力学性质薄弱的界面，极易剥离，形成层理缝。岩心和薄片上，层理缝与岩层平行，较连续，长度大，开度小，开度为几微米。

超压缝是在异常压力作用下使岩石破裂而形成的裂缝，在有机碳含量较高的泥页岩中普遍发育 [16] [17]。在岩心上，超压缝方向与大的构造应力场无关，一般缝面不规则，呈蛇曲状，长度较短，裂缝中有油充填，通常没有纹层错断，在薄片中也可以明显观察到裂缝的分叉现象，微裂缝中有油充填。

2.2. 裂缝测井响应及判识

裂缝在测井上具有不同程度的响应特征，因此，利用测井方法识别泥页岩裂缝是一种行之有效的方法。

成像测井能够有效识别泥页岩裂缝，完整的泥页岩裂缝在FMI图像上是一条深色正弦曲线。根据正弦曲线的分布和特征，可以确定泥页岩裂缝的三维分布特征。例如，牛页1井的泥页岩裂缝在成像测井图像上为一条深色的正弦曲线，地层错动明显可见，断距较小 [18] (图3)。

岩心、成像测井资料较少不能识别全区泥页岩裂缝，而济阳坳陷常规测井资料非常丰富，实现用常规测井资料识别泥页岩裂缝具有重要现实意义。原理是先用岩心、成像测井识别出裂缝发育段，再分析裂缝发育段在常规测井上的响应特征。通过对比发现，井径(CAL)、声波时差(AC)、中子(CNL)、电阻率(R25)、密度(DEN)、伽马(GR)等6种测井曲线综合识别裂缝较好。在济阳坳陷沙三、沙四段发育的泥页岩段，泥页岩裂缝发育段测井响应特征具有以下特点：扩径、高声波、高中子、高电阻率，低密度、低伽马值(图3)。

图3. 牛页1井泥页岩裂缝测井识别图

2.3. 数学方法判识裂缝

应用常规测井资料，可勾画出济阳坳陷裂缝发育范围。但常规测井不能识别裂缝类型，本文探索在常规测井识别出裂缝发育范围的基础上，通过数理统计方法预测构造缝、层理缝和超压缝的分布范围。

2.3.1. 构造缝

构造缝受构造应力场控制，主要分布在断层附近。构造缝发育程度与断层级别、断距、位于断层上盘或下盘、距离断层的远近有关，一般来说断层级别越高，断距越大，位于断层上盘、距离断层越近的区域裂缝越发育。采用裂缝发育系指数判断构造缝的发育范围。裂缝发育指数是指断层断距与统计点距最近断层上盘距离的比值 [19]。统计结果表明，断层断距大于100 m，距断层上盘距离小于1.2 Km的区域，构造缝发育。

2.3.2. 层理缝

利用实测资料统计层理缝发育部位与岩相类型的关系，层理缝发育程度与岩相类型具有较好的相关性，富有机质纹层状泥质灰岩/灰质泥岩相层理缝最为发育，含有机质纹层状泥质灰岩/灰质泥岩相次之，层状岩相层理缝较差，块状岩相不发育层理缝。在济阳坳陷纹层状岩相中，特别是碳酸盐纹层和粘土纹层接触处，力学性质差异较大，极易形成层理缝。由于纹层状岩相多发育在半深湖相斜坡区，地层产状与泥页岩层理缝的有一定关系，综合应用地层产状和纹层状岩相分布判识层理缝。

在地层倾向与裂缝倾向一致或接近、地层倾角与裂缝倾角接近的前提下，统计地层倾角大小与裂缝发育程度的关系表明，地层倾角与裂缝发育程度呈正相关关系，地层倾角 > 6˚时，泥页岩层理缝更为发育(图4)。因此，纹层状岩相和地层倾角大于6˚的区域是层理缝发育的最有利区域。这可能是层理缝受上覆岩层压力的影响，当地层有一定角度(大于6˚)时，上覆岩层压力的分量作用在下伏岩层上，不足以使泥页岩层理缝闭合。而当地层水平时，上覆岩层压力完全压在下伏岩层上，使层理缝闭合。

图4. 济阳坳陷层理缝发育程度与地层倾角关系图

2.3.3. 超压缝

由于超压缝主要在有机碳含量高的泥页岩中发育，利用地层破裂压力，结合有机质分布特征判识超压缝的分布。定量计算破裂压力的公式有多种，据国内外资料，Eaton法效果最好 [20]。根据东营凹陷实测数据，采用Eaton法计算东营凹陷岩层破裂下限的压力系数平均约为1.38。利用地层破裂压力系数 > 1.38和TOC > 2就可以确定超压缝的分布范围。

3. 泥页岩裂缝的分布

在构造缝、层理缝、超压缝综合判识的基础上，预测了东营、沾化凹陷不同类型裂缝的分布。在东营凹陷，泥页岩裂缝主要发育在沙四上亚段2层组和沙三下亚段3层组，构造缝主要分布在利津–胜北断裂带、中央构造带、高青平南断裂带、八面河断裂带附近；层理缝分布的区域是富有机质纹层状泥质灰岩/灰质泥岩发育区和地层倾角 > 6˚的叠合区域，主要分布在博兴洼陷–中央构造带；超压缝在压力系数 > 1.38和TOC > 2的叠合区域发育，主要分布在博兴洼陷及其以北的广大地区(图5)。

图5. 东营凹陷沙三下亚段3层组不同类型裂缝分布预测图

图6. 东营凹陷沙三下亚段3层组裂缝发育区预测图

在沾化凹陷，泥页岩裂缝主要发育在沙三下亚段3层组，构造缝主要分布在义东断裂带、孤西断裂带、罗家鼻状构造带附近；层理缝主要分布在罗家地区富有机质纹层状泥质灰岩/灰质泥岩发育区和地层倾角 > 6˚的区域；超压缝主要分布在四扣洼陷、渤南洼陷–罗家地区压力系数 > 1.38和TOC > 2的区域。

构造缝、层理缝、超压缝三种类型裂缝叠合部位裂缝最发育，为I类发育区，两种类型裂缝叠合部位裂缝较为发育，为II类发育区。东营凹陷裂缝I类发育区主要分布在中央构造带–博兴洼陷，II类发育区主要分布在陈官庄、利津–胜北断裂带附近(图6)。沾化凹陷裂缝I类发育区主要分布在罗家地区和新义深9井北，II类发育区主要分布在义深4–罗4井区。根据泥页岩裂缝发育有利区，结合其它页岩油富集要素，可确定页岩油甜点发育的有利区。

4. 石油地质意义

4.1. 泥页岩裂缝是常规油藏、页岩油气形成的中转站

泥页岩裂缝是常规油藏、页岩油气形成的中转站。济阳坳陷的油气是在一个封闭环境–压力封存箱中形成的，生烃产生的异常超压导致了压力封存箱破裂，形成了大量泥页岩裂缝，油气大量排出，进入并储存在泥页岩裂缝中。当泥页岩裂缝与断层沟通时，油气沿断层、骨架砂体、不整合等输导体系进入构造圈闭、地层圈闭、岩性圈闭中形成常规油藏。当压力释放、大部分裂缝闭合、尚开启的泥页岩裂缝不与其它输导体系沟通时，油气则沿泥页岩裂缝相对富集在烃源岩中的较大孔隙或构造缝、层理缝和超压缝交织在一起的区域，形成页岩油气甜点(图7)。

图7. 常规油藏、页岩油气形成模式图

4.2 泥页岩裂缝是济阳坳陷页岩油富集高产的关键因素

泥页岩裂缝是济阳坳陷页岩油富集高产的关键因素。这是因为裂缝既增大了泥页岩的储集空间和储集能力，又增加了油气渗流能力，使游离态和可动性好的页岩油气增多 [21] [22]。罗69薄片观察表明，40%~50%的泥页岩储集空间是泥岩裂缝提供的，且泥页岩裂缝中页岩油赋存状态以游离态为主，可动性好 [23]。

4.3. 泥页岩裂缝的存在有利于泥页岩储层的压裂

由于泥页岩储层低孔隙度，低渗透率的特点，在页岩油开采中需要借助水平井分段压裂造缝技术。国外页岩油气开发经验表明，泥页岩裂缝的存在有利于泥页岩的压裂。一方面没有裂缝的泥页岩破裂强度是有先存裂缝泥页岩2倍，因此有裂缝存在的泥页岩易于破裂 [22]。另一方面，在泥页岩压裂的过程中，压裂液沿着天然裂缝更易进入储层 [9] [24]。

5. 结论

1) 利用岩心、薄片、测井、数理统计等多种方法综合识别了济阳坳陷泥页岩裂缝，预测构造缝、层理缝和超压缝在东营、沾化凹陷的分布范围。构造缝主要分布在断距大于100 m，距离断层上盘小于1.2 km的区域；层理缝主要发育在纹层状岩相内地层倾角大于6˚的区域；超压缝主要发育在压力系数 > 1.38和TOC > 2的叠合区域。构造缝、层理缝、超压缝三种类型裂缝叠合部位裂缝最发育，为I类发育区，两种类型裂缝叠合部位裂缝较为发育，为II类发育区。

2) 泥页岩裂缝在常规油藏形成和页岩油气形成、富集和开发中起着重要作用。因此，在济阳坳陷寻找页岩油气，一个现实方向就是在泥页岩裂缝发育区内结合其它地质条件和工艺条件寻找。

基金项目

国家专项《大型油气田及煤层气开发》子课题“济阳坳陷页岩油勘探开发目标评价”(2017ZX05049-004)。

文章引用

段 悦. 济阳坳陷泥页岩裂缝综合判识与分布
Synthetical Identification and Distribution of Shale Fractures in Jiyang Depression[J]. 地球科学前沿, 2022, 12(02): 221-229. https://doi.org/10.12677/AG.2022.122022

参考文献