裂縫油氣藏

裂縫性油氣藏是指儲集層的儲集空間和滲濾通道主要為裂縫的油氣藏。儲集層一般為非滲透性和滲透性很差的緻密、性脆的岩層，如緻密灰岩、泥灰岩、泥岩等。裂縫的成因多樣，但以構造裂縫為主，因此將裂縫性油氣藏劃入構造油氣藏大類，如果油氣藏構造圖為背斜型，也可稱為裂縫性背斜油氣藏。

基本介紹

• 中文名：裂縫油氣藏
• 外文名：fractured reservoir
• 學科：石油及天然氣地質學
• 別稱：裂縫性背斜油氣藏
• 保護方法：物理方法和化學方法

裂縫成因類型及分布規律

裂縫，是指岩石發生破裂作用而形成的不連續面，或者說裂縫是由於岩石受力而發生破裂作用的結果。同一時期、相同應力作用產生的方向大體一致的多條裂縫稱為一個裂縫組;同一時期、相同應力作用產生的兩組和兩組以上的裂縫組則稱為裂縫系；多套裂縫組系聯通在一起稱為裂縫網路。

（1）剪裂縫

成因：三個主應力都為擠壓應力時，派生的剪下應力大於岩石的抗剪強度時所形成的裂縫。

特徵：位移方向與破裂面平行；破裂面與 ~ 面銳角相交；一般為閉合縫；破裂面上可見擦痕和階步；兩組剪下縫共軛。

（2）張裂縫

成因： 三個主應力派生的張應力大於岩石的抗張強度時所形成的裂縫。

特徵：位移方向與破裂面垂直；破裂面與 ~ 面平行；一般為張開縫；

（3）張剪縫

成因：派生的剪應力和張應力先後作用於岩石所形成的裂縫。

特徵：介於兩者之間。

裂縫的地質成因類型及分布規律

（1）構造裂縫

構造裂縫指由局部構造作用所形成或與局部構造作用相伴生的裂縫，主要是與斷層和褶曲有關的裂縫。

① 與褶皺相伴生的裂縫

裂縫發育程度主要取決與應力強度、岩性變化的不均勻性、地層厚度以及裂縫形成的多次性。

② 與斷層有關裂縫

斷層和裂縫的形成機理一致，裂縫是斷層形成的雛形。對於正斷層可形成高角度或垂直的張裂縫以及平行於斷層和斷層共軛的剪裂縫。與逆斷層相伴生的主要為近於水平的張裂縫以及平行於斷層和與斷層共軛的剪裂縫。

（2）非構造裂縫

①區域裂縫

指的就是那些在區域上大面積內切割所有局部構造的裂縫。集合形態簡單且穩定，裂縫兼具相對較大，多為垂直縫。

②收縮裂縫（成岩收縮縫）

指岩石總體積減小相伴生的張性裂縫。

1）乾縮裂縫

通常在地表的泥裂。

2）脫水收縮裂縫

脫水作用是沉積物體積減少的一種化學過程。發育這種裂縫課形成良好的油氣儲層。

3）礦物相變裂縫

主要是由於碳酸鹽岩或者粘土礦物相變引起的體積減少而形成的裂縫。

4）熱力收縮裂縫

受熱岩石在冷卻過程中發生收縮形成裂縫。如火成岩（玄武岩）中的柱狀節理。

③ 卸載裂縫

由於上覆地層的侵蝕而有到的裂縫。

④ 風化裂縫

指那些在地表或近地表與各種和化學風化作用如：凍融循環、小規模岩石崩解、礦物蝕變和成岩作用及塊體坡移有關裂縫。

⑤ 層裂縫

具剝離線理的平行層理紋層面間的孔縫為沉積作用形成。

分類

根據成因類型的不同，可將裂縫分為人工誘導裂縫和天然裂縫。其中天然裂縫還可分為構造裂縫（由構造作用或構造運動形成的裂縫，按構造序次又可進一步分為伴生裂縫和誘導裂縫）和非構造裂縫（由成岩作用、乾裂、風化、重結晶作用以及壓溶作用形成的裂縫）。

天然裂縫是油氣勘探過程中要重點研究的類型。 裂縫型儲層是指以裂縫為主要儲集空間、滲流通道的儲集層，有的也對儲集層中分散、孤立的孔隙起連通作用，增加有效孔隙度，一般具有高滲透特徵。裂縫型儲層的分類方法多種多樣，有人按儲集層岩性將裂縫性儲集層分為三種儲集層類型，即碳酸鹽岩裂縫性儲集層、砂泥岩裂縫性儲集層及其它岩類裂縫性儲集層。

也有人把裂縫型儲層分成另外三種類型：一類是緻密岩類，如四川盆地下二疊統（陽新統），其岩石基質孔隙度小於1%，滲透率小於0.1 毫達西，因其構造裂縫發育形成而形成了有效的儲、滲空間；第二類是古風化殼溶蝕孔、洞儲集層，滲透率極低，一般小於0.01 個毫達西，但與後期構造裂縫搭配，形成了裂縫—孔洞（穴）型儲層，如四川盆地的震旦系和奧陶系儲集層；第三類是低孔隙儲集層，如四川東部的石炭系碳酸鹽岩（孔隙度3%～4%）、上三疊統須家河組砂岩（孔隙度5%～6%），他們的基質孔隙滲透率很低，一般在0.01 毫達西左右，只有當構造裂縫發育的地區，才能形成裂縫—孔隙型儲集層，形成工業性的天然氣藏。

構造運動、構造應力場以及岩石力學性質等多種因素共同制約了天然裂縫的特徵和分布規律。就外因來說，地層斷裂體系、構造變形、層面曲率、構造位置等與地層應力相關的因素影響了裂縫的發育程度和橫向展布特徵。相對而言，與斷層的距離越近，構造裂縫可能越發育；構造變形越嚴重，層面曲率越大，如地層發生褶皺的位置，構造裂縫也會越發育，並且裂縫的發育過程不僅伴隨褶皺彎曲變形的整個過程，而且還會持續至褶皺形成之後。就儲層本身的岩石特徵和力學特徵而言，儲層厚度、岩石成分、顆粒、結構等因素均影響裂縫的發育。儲層厚度越小，越容易形成裂縫；岩石顆粒越大，越易發育微裂縫。岩性控制岩石的力學性質，不同岩性的儲層，其裂縫發育程度也不同。另外，溶蝕作用對裂縫的縱向分布特徵有影響。

裂縫性油氣藏損害機理

打開油氣層後，外來流體的侵入打破油氣藏原有的穩定狀態，在重力、固相表面范德華力、雙電層以及流體動力和基質過濾等的作用下，引起油氣藏的絕對滲透率和烴滲透率降低，從而造成難以恢復的損害。

油氣藏損害機理就是儲層損害的原因。雖然裂縫性碳酸鹽岩油氣藏、裂縫性砂岩油氣藏和裂縫性泥岩油氣藏的基質各不相同，損害機理有差別，但是由外來流體引起的潛在損害因素與孔隙性地層損害的潛在因素很相似，主要分為岩石特性造成的物理損害和外來流體與地層流體不匹配造成的化學損害。

1、岩石特性造成油氣藏損害的潛在因素

岩石特性造成油氣藏損害主要是由岩石本身或外來固相的固相微粒堵塞了油氣藏岩石孔喉，微粒被認為是粒徑為0.5～37μm，其成分為粘土礦物、石英、無定形矽、長石、雲母、碳酸鹽和重晶石等。Leone和Scott等人

進行的大量研究表明：導致微粒堵塞的機理是同溫度、注入速度、注入流體成分、pH值和岩石礦物等重要變數有關，這些變數既有化學因素的影響，也有物理及力學方面的影響。從而引起滲透率下降。其潛在損害因素如下：

（1）細粒運移。在正壓差作用下，岩石本身細小顆粒在岩石裂縫或孔隙結構內部移動，導致孔喉橋塞或堵塞。

（2）固相顆粒侵入。鑽井液中的加重劑、粘土礦物或固相顆粒侵入裂縫或孔隙結構內部造成堵塞。

（3）負壓差急劇變化造成的油氣藏損害。過大的負壓差誘發儲層出砂及微粒運移，從而造成油氣藏滲流通道的堵塞。特別是裂縫性地層，過大的負壓差易引起井壁表面的裂縫閉合，產生應力損害。

2、外來流體造成油氣藏損害的潛在因素

外來流體造成油氣藏損害主要是由外來流體侵入油氣藏後，與油氣藏內的流體可能發生的化學變化引起的滲透率下降。其潛在因素包括：

（1）外來流體與地層內流體不配伍。如水基鑽井液濾液與地層液體生成沉澱物，與油氣藏中的碳氫化合物生成乳狀液。油基鑽井液濾液與地層水之間產生乳狀液等。

（2）外來流體與岩石的不配伍性。如水基鑽井液的勢能不平衡造成膨脹性蒙脫石粘土或高嶺石粘土的接觸，就可能嚴重降低儲層的滲透率。

（3）相捕捉或封堵。水基鑽井液在氣藏儲層岩石中的侵入和捕獲。 （4）化學吸附潤濕反轉。乳化劑的吸附使地層潤濕性和流體性質改變。

（5）聚合物吸附。鑽井液中聚合物處理劑侵入油氣藏後，其鏈狀分子在孔喉處形成多點吸附，對滲透率下降有很大影響。

此外還有生物活動引起的油氣藏損害，一些菌體進入儲層後產生多糖聚合物粘液，降低油氣藏滲透率。

裂縫性油氣藏由於其基質滲透率一般很低，裂縫是主要儲集空間和滲流通道，對裂縫性油氣藏損害機理與裂縫張開度大小相關性較大。國內外學者對裂縫性油氣藏的研究機理主要在碳酸鹽岩裂縫性油氣藏和低滲透氣藏的損害機理，而研究表明：中-小裂縫油氣藏損害機理是由固相顆粒、微粒、粘土礦物、岩石的水敏和速敏關係密切；微裂縫油氣藏損害機理主要由水鎖引起的損害占主導地位。這是因為外來流體使得近井地帶儲層的含水飽和度急劇增加，由於緻密的基質和微裂縫儲層的高毛細管力，阻礙油氣的通過，如同低孔低滲油氣藏一樣易引起水鎖效應。

裂縫性油氣藏保護措施

通過對油氣藏損害機理的研究，目的是要形成相應的保護措施，使其對油氣藏進行有效保護，從而達到及時發現油氣藏的目的。針對上述油氣藏損害機理，目前進行油氣藏保護措施主要有兩種：物理方法和化學方法。

1、物理方法

物理方法即保護油氣藏禁止暫堵法，屬於顆粒堆積和理想充填理論的範疇。它的著眼點是根據已知油氣藏孔隙尺寸及其分布特點，通過在鑽井液中加入合適粒徑的暫堵劑在油氣藏井壁極淺部位快速形成緻密的泥餅，使油氣藏滲透率急劇下降至一個很小的值，以防止鑽井液的固相和液相進一步侵入油氣藏，同時形成的緻密泥餅，並確保在油井投產前易於清除。它的基本方法是根據油氣藏的孔隙分布特點選擇不同粒徑分布，以形成緻密的泥餅。遵循的方法主要有1/3～2/3架橋原理、幾何分形理論、D90理論、廣譜型暫堵原理。

對於裂縫性油氣藏而言，通過“九五”的技術攻關，認為在孔隙性油氣藏的鑽井完井液配方中加入纖維狀暫堵劑，其作用機理是纖維狀粒子以十幾或幾十個粒子相互交聯，形成絮團狀，這種絮凝團比同等大小的球狀顆粒更易沉積在裂縫表面；絮凝團狀粒子在裂縫表面沉積後，不是點接觸，而是多點接觸，甚至是面接觸，具有較高的穩定性，可形成穩定的架橋；絮凝團的強度較低，在壓差下容易變形，可以填充任何形狀的裂縫，配合剛性顆粒，可變形顆粒，可在裂縫入口處形成有效封堵。

1/3～2/3架橋原理：該理論認為：當架橋粒子粒徑為孔隙平均孔徑的2/3匹配時，它在地層孔喉處的架橋最為穩定，不會再發生微粒運移現象，而架橋粒子粒徑為孔喉平均孔徑的1/3匹配時，形成的橋堵形態實質上系顆粒在孔喉處的堆積，仍有顯著微粒運移現象。並且在一定正壓差作用下，鑽井液體系中一定量的與地層孔喉相匹配的架橋粒子和填充粒子在儲層井壁上形成禁止環（內泥餅），從而達到禁止暫堵的作用。鑽井液體系中一定量的架橋粒子和填充粒子通常要求橋堵固相顆粒的濃度不應低於3%，填充粒子的濃度（包括可變形粒子）不應低於2%。

對於裂縫性儲層運用“1/3～2/3粒徑架橋理論”，選擇各種暫堵劑的原則是:剛性暫堵劑的平均直徑應為儲層裂縫平均張開度的2/3，充填暫堵劑和可變形暫堵劑的平均顆粒直徑應為儲層裂縫平均張開度的1/3。

幾何分形理論：儲層孔隙尺寸分布和暫堵劑顆粒分布均在自相似範圍內具有分形特徵。儲層孔隙分布分維值和暫堵劑顆粒尺寸分布分維值表示了砂岩孔隙空間和顆粒尺寸分布的複雜程度, 能夠較好地反映孔隙和顆粒尺寸的真實分布情況。因此,可以根據油氣藏砂岩孔隙分布的分維值, 選取具有相同或相近顆粒分布分維值的暫堵劑作為此油氣藏優選的暫堵劑。形顆粒暫堵劑的平均顆粒直徑。

2、化學方法

從鑽井液本身著手對油氣藏進行保護是重要的。常用的保護油氣藏鑽井液有甲酸鹽鑽井液完井液、矽酸鹽鑽井液完井液、聚合醇鑽井液完井液、合成基鑽井液完井液和欠平衡鑽井液完井液。

甲酸鹽鑽井液完井液：這是因為甲酸鹽鑽井液完井液採用可溶的甲酸鹽體系組成中無膨潤土，惰性固體含量低，抑制防塌能力強，可用較低的鑽井液完井液密度解決井壁穩定問題，甲酸根的二價鹽無沉澱，與油氣層流體配伍性好，因此有利於發現油氣層，與油氣層流體配伍性好。但是它的高成本，制約了它的進一步發展。

矽酸鹽鑽井液完井液：該鑽井液完井液體系不僅具有良好的保護儲層作用，還能起到較好的穩定井壁作用。這是因為一定模數的矽酸鹽鑽進儲層時在油氣藏井壁上形成的封固層，可用破碎劑來破壞或身孔穿破，恢復油氣藏的滲透率。它穩定井壁的作用是在水中能形成不同形式的顆粒，這些顆粒以吸附、擴散等途徑結合到井壁上，封堵地層孔隙與裂縫；進入地層中的矽酸鹽與岩石表面或地層中的鈣鎂離子起作用形成矽酸鈣沉澱覆蓋在岩石表面起封堵作用。

3、隔離膜鑽井完井液技術

無論採用物理方法還是化學方法對油氣藏保護都有一定的局限性，這是因為地層岩石的非均質性很強，通過局域獲得的岩石物性並不能完全正確地表達在地下的狀況，因而帶有一定的盲目性。

孫金聲等提出隔離膜水基鑽井液完井液技術，該項技術是通過聚合物吸附或化學反應在井壁上形成一層隔離膜，即在井壁的外圍形成保護層，阻止鑽井液進入地層，有效防止地層水化膨脹、封堵地層層理裂縫，達到防止井壁坍塌、保護油氣層的目的。

這項技術在理論上認為,在水基鑽井液中,通過加入一到幾種成膜劑,可以使鑽井液體系在泥頁岩等類地層井壁表面形成較高質量的膜。阻止鑽井液濾液進入地層,從而在保護油氣層和穩定井壁方面發揮優異的作用。

這種成膜技術避免了地層物性的不確定性和最大限度避免了鑽井液、完井液濾液對儲層的損害，這種隔離膜在完井過程中可以通過化學、物理或射孔等方法消除。