0 引言
前陆盆地山前构造带往往经历了长期的沉积埋藏和构造活动，深层—超深层致密砂岩储层呈现低孔低渗、成岩作用强烈、天然裂缝发育等特征，天然裂缝的发育是改善储集性能、影响单井产能的关键［7］。博孜—大北地区下白垩统致密砂岩巴什基奇克组和巴西改组为油气勘探的重要层位，具有巨大的油气勘探潜力［8］，其埋深一般处于6 000 m以深，天然裂缝发育［9-10］。前人针对该地区开展了裂缝分布规律、成因和控产预测等方面的研究，认为该地区构造裂缝产生的主要动力来源是挤压构造作用［5， 11］，逆冲断层及部分地区的被动走滑是裂缝发育的主控因素［12］；同时，裂缝的发育程度受到岩性、层厚、距断裂距离和应力场扰动的共同影响［13-16］。在裂缝与产能的关系方面，有学者认为裂缝对产能的贡献主要是对渗透率的贡献［17-18］；考虑裂缝长度、开度和发育特征等因素，将裂缝划分为三级组合，认为多尺度的缝网能够有效沟通砂体，提高储层的渗流能力，同时构建了控产裂缝的分类评价工作［19-20］。此外，针对深埋藏致密储层天然裂缝的准确预测，也采用了一系列相关技术方法开展研究，可划分为直接观察法（岩心、露头等观察分析）、岩石力学测试及物理模拟法、地球物理法、数值模拟分析法、动态生产资料间接表征法等［21-25］。
目前针对裂缝的研究是将裂缝系统作为一个整体进行刻画研究，复杂的裂缝系统往往由多成因、多期次裂缝叠加形成，不同地质历史阶段所形成的裂缝在成因、产状和有效性方面存在差异。另外，目前针对富集控产、能够为单井产能提供切实增量的优势裂缝刻画较为欠缺，对单井产能的控制作用虽然主要通过裂缝有效性与产量之间的关系开展探索性的研究，但结论有明显局限性，难以开展广泛应用。因此，本文基于成像测井资料、钻井岩心、野外剖面调查详细厘定裂缝各项参数信息，结合碳氧稳定同位素、包裹体测试、岩石声发射实验，并耦合产能数据分析，详细刻画了博孜—大北地区下白垩统巴什基奇克组和巴西改组致密砂岩储集层构造裂缝特征，并阐述了其分布规律；通过对多期次裂缝系统的组合研究，基于无阻流量、米采气指数、停泵压降速率等单井动静态生产资料与裂缝特征耦合分析，构建研究区目的层富集控产优势裂缝评价标准，并应用于现场勘探开发中。
1 地质背景
博孜—大北地区位于克拉苏构造带西段，断层或背斜长轴整体上呈NEE向展布，博孜西部的地质构造特征显著，为复杂的“阶梯状”高度叠加的逆冲推覆构造，向东过渡至博孜东和大北段，构造特征逐渐转变为复合楔形叠瓦状构造形态 ［29］（图1）。下白垩统巴什基奇克组（K1 bs）和巴西改组（K1 bx）埋藏深度大（5 300~8 200 m），平均孔隙度约为6%~7%，平均渗透率约为（0.2~0.3）×10-3 μm2，构造裂缝发育，被视为典型深层—超深层裂缝型致密砂岩储层［5］。巴西改组与下伏舒善河组（K1 sh）整合接触，巴什基奇克组与上覆古近系库姆格列木群（E1-2 km）膏泥岩层角度不整合接触。巴什基奇克组以厚层中—细砂岩、中厚—厚层状细砂岩、含砾细—中砂岩为主，上部含有少量含膏细砂岩，中间夹薄层粉砂质泥岩和泥岩；巴西改组以薄—中层泥岩、中砂岩、细砂岩为主［9］（图2）。
2 多期次裂缝特征及分布规律
2.1 成像测井裂缝识别
成像测井是通过收集井壁的电阻率或声波图像来揭示岩石的物理性质和结构特征。成像测井技术能够提供高分辨率的井壁图像，这些图像可以显示出岩石的裂缝、层理和其他结构细节。天然裂缝会在成像测井资料中表现出特定的电阻率或声波速度异常，产生线性影像（弦曲线）的响应特征，通过分析特征可以推断出裂缝的位置、方向、开度、密度和连通性等信息。博孜—大北地区目的层成像资料天然裂缝的弦曲线响应特征根据色彩可划分为亮色和暗色弦曲线，根据组合特征可划分为单一线性、相互平行、共轭相交以及较为杂乱的网状组合，其地质成因解释如图3所示。
由于电成像资料钻井泥浆的不同（水基泥浆和油基泥浆），天然裂缝在成像测井图片中的呈现特征有较大差异。在水基泥浆钻井中，当裂缝中充填泥浆或泥质等导电性好的物质时，图像会显示出相对围岩较暗色的弦曲线特征；在油基泥浆钻井中，当裂缝中充填泥浆、方解石和石英等导电性差的物质时，则会显示出相对围岩较亮色的弦曲线特征。在对博孜—大北地区单井岩心精准归位的工作基础之上，利用岩心裂缝与成像图像特征进行精确对比，厘定了研究区不同产状、不同充填性裂缝在水基、油基泥浆背景下特征，形成了目的层天然裂缝发育特征在电、声成像的识别图版（图4）。
2.2 裂缝发育分布特征
在成像测井和岩心资料对裂缝开展精细化识别的基础上，绘制博孜—大北裂缝走向平面分布图。考虑研究区东西分段、南北分带的特点，以及天然裂缝的优势走向在不同区域存在差异，对研究区天然裂缝优势走向进行区域划分（图5）。构造裂缝走向优势方位主要分为3组：NNE向、SN向和NNW向，其中，NNE向裂缝最发育。构造裂缝的发育主要受区域构造和局部构造控制。博孜—大北地区新生代水平最大主应力方向整体近SN向，不同区域有小角度偏转［31］。此外，不同时期应力场方向的转变会影响裂缝的开启程度和有效性，偏转方向相关组系的裂缝有效性更好，整体呈协调型发育［32］。区域构造控制的裂缝走向总体上以NNE向和NNW向共轭为主，与水平最大主应力方向呈小锐角相交。而局部发育的裂缝易受局部构造变形及断裂扰动应力场的控制，受局部应力扰动场控制的裂缝走向易出现多个方位。
2.3 裂缝形成主要期次
库车坳陷主要受海西末—印支期、燕山期、喜马拉雅期3期构造运动影响，其中以燕山、喜马拉雅期对研究区的影响最为重要。天然裂缝的形成与地质构造运动密切相关，基于岩心裂缝充填性、裂缝相互切割关系、岩石声发射测试、裂缝充填物包裹体均一温度及稳定C—O同位素分析，并结合该区块前期相关研究成果［32］，进一步明确了研究区裂缝形成关键期次：基于岩心裂缝充填性和相互切割关系［图8（a）］，中期全充填裂缝切割早期全充填裂缝，早期裂缝面产生相对位移，晚期裂缝则以未充填为主。Kaiser效应的产生源于地下岩石因受古构造运动而普遍产生微裂纹，通过对样品持续施加载荷，当岩石受到的压力达到或超过其历史上所经历的最大古应力水平时，原先存在的微裂纹会重新开启，这一现象被称为Kaiser效应点，岩石会展现出明显的应力释放特征（具体表现为其内部应力波发射的次数和强度急剧增加）。随着应力值的不断积累与增强，由多期地质构造活动形成的微裂纹会逐渐引发一系列强度各异的Kaiser效应点。因此，分析岩石声发射实验典型响应曲线图，从而准确判断岩石在历史上所经历的古构造运动的期次以及这些运动的强度［31］。图8（b）显示了研究区下白垩统自燕山晚期以来经历了3次明显的构造运动，并计算3个
声发射信号点的最大有效古应力值分别为46.71 MPa、61.59 MPa、74.23 MPa，与前人对不同构造时期古构造应力的研究结果［13］对比分析，确定该3个信号点应力值分别对应燕山晚期—喜马拉雅早期、喜马拉雅早期—中期、喜马拉雅中期—晚期。岩心裂缝充填物包裹体均一温度测试结果显示其呈2个明显峰值分布：分别为100~120 ℃和130~160 ℃，少量包裹体均一温度在170~180 ℃之间［图8（c）］，指示充填裂缝主要形成于构造活动明显的2个地质历史时期，还存在少量裂缝充填于构造活动相对较弱时期。此外，通过对岩心裂缝中充填物方解石进行稳定C—O同位素分析［图8（d）］，并依据FRITZ等［31］提出的氧同位素测温公式，可以做到对每个裂缝样品形成时的温度进行计算：
T=31.9-5.55(δ18O-δ18Ow)+0.7(δ18O-δ18Ow)²
式中：T为填充物形成时的温度，℃；δ18O为填充物氧同位素值，‰，VPDB；δ18Ow代表矿物形成时的水介质氧同位素值，‰，VPDB。
3 控产优势裂缝
3.1 井筒裂缝发育组合
通过钻井岩心分析、成像测井等技术手段获取的裂缝数据显示，博孜—大北气田超深层致密砂岩储层裂缝之间呈现多种组合配置关系。前期研究认为，目的层裂缝的形成主要有3种成因机制：区域构造裂缝、构造变形裂缝和断层派生裂缝［27］，3类成因裂缝经历多期构造活动后叠加形成复杂裂缝组合模式。根据博孜—大北地区成像测井裂缝的组合特征，将裂缝组合模式划分为复杂共轭式、网状式、平行式、低密度共轭式和孤立式（图10）。复杂共轭式，特征为1组主要裂缝，与数条平行的次级伴生裂缝共轭组合，主要为剪切性质裂缝［图10（a）］；网状式，主要靠近小断裂附近发育，数条剪切裂缝杂乱分布形如网状［图10（b）］；平行式，由数条等间距平行裂缝排列而成［图10（c）］；低密度共轭式，与复杂共轭式相比，裂缝发育密度较低［图10（d）］；孤立式，单条裂缝独立发育，与周边裂缝相隔较远［图10（e）］。
3.2 裂缝对单井产能控制作用
产能可一定程度上反映裂缝发育程度及其有效性，本文采用无阻流量和米采气指数定量表征单井裂缝发育程度和有效性对产能的影响，对富集控产优势裂缝进行厘定和参数提取评价。其中，压裂段米采气指数计算公式如下［36］：
图13 有效裂缝与水平最大主应力方向不同夹角下米采气指数和裂缝发育密度关系（a）水平最大主应力方向与裂缝夹角<5°；（b）水平最大主应力方向与裂缝夹角5°~15°；（c）水平最大主应力方向与裂缝夹角15°~30°；（d）水平最大主应力方向与裂缝夹角30°~45°；（e）水平最大主应力方向与裂缝夹角45°~60°；（f）不同夹角下压裂段裂缝密度与米采气指数系数 Fig.13 Relationship between gas production indices and natural fracture density under different angles of effective fracture and horizontal maximum principal stress direction |
图14 有效裂缝与水平最大主应力方向不同夹角下停泵压降速率和裂缝发育密度关系（a）水平最大主应力方向与裂缝夹角<5°；（b）水平最大主应力方向与裂缝夹角5°~15°；（c）水平最大主应力方向与裂缝夹角15°~30°； （d）水平最大主应力方向与裂缝夹角30°~45°；（e）水平最大主应力方向与裂缝夹角45°~60°；（f）不同夹角裂缝密度与停泵压降速率系数图 Fig.14 Relationship between pump shutdown pressure drop rates and fracture density under different angles of effective fracture and horizontal maximum principal stress direction |
另外，闭合裂缝和全充填裂缝是否会重新开启还会受到应力场控制。当闭合裂缝或全充填裂缝与现今水平最大主应力呈一致或小角度相交时，这些裂缝在应力场的影响下可展现出张开或者重新张开状态，从而为油气的迁移提供了有效通道。因此，当水平最大主应力场方向与早期裂缝呈小角度相交时，相关组系的裂缝有效性更好。在井筒裂缝组合模式识别的基础上，对研究区开展各类裂缝组合模式与无阻流量关系分析，结果表明复杂共轭式和网状式有效裂缝发育密度呈较好正相关，与平行式和低密度共轭式关系一般，与孤立式裂缝之间没有明显关系（图15）。
基于成像测井裂缝和单井产能分析结果，显示出在现今地应力场控制下，单井主要有效裂缝走向与现今水平最大主应力方向一致或呈现小角度相交。经过对研究区内裂缝有效性的深入分析，得到研究区西部有效裂缝优势分布方向为NWW—SEE向和近SN向，研究区中部有效裂缝优势分布方向为NW—SE或NNW—SSE向，研究区东部有效裂缝优势分布方向为NNE—SSW向，均与区域构造应力场方向呈协调一致发育。在该有效裂缝发育分布特征的基础上，构建了博孜—大北地区巴什基奇克组和巴西改组致密砂岩储层富集控产优势裂缝的量化评价标准，如表1所示。影响单井产能的有效裂缝划分为优势裂缝、较优势裂缝和非优势裂缝3类，综合考虑了井筒裂缝发育组合模式、有效裂缝发育密度、有效裂缝主要组系走向以及裂缝与水平最大主应力夹角。
表1 优势裂缝评价标准Table 1 Evaluation criteria for dominant fractures |
| 优势裂缝类型 | 项目及指标 | |||
|---|---|---|---|---|
| 井筒裂缝发育模式 | 井筒有效裂缝 密度/（条/m） | 有效裂 缝走向 | 主要裂缝与最大主应力夹角/（°） | |
| 优势 裂缝 | 网状式 复杂共轭式 | >0.35 | SN、NNE | <45 |
| 较优势 裂缝 | 复杂共轭式 平行式 中低密度共轭式 | 0.2~0.35 | SN、NNE、NNW | <45 |
| 非优势 裂缝 | 孤立式 | <0.2 | EW、NE | >45 |
4 结论
（1）塔里木盆地博孜—大北地区构造裂缝走向优势方位主要分为3组：NNE向、SN向和NNW向，其中，NNE向裂缝最发育。博孜—大北地区下白垩统地层主要形成了3期构造裂缝，其中早期、中期裂缝全充填，分别形成于燕山晚期—喜马拉雅早期和喜马拉雅中期，晚期裂缝主要为半充填和未充填，形成于喜马拉雅晚期阶段。在区域构造和局部构造控制下，研究区裂缝有效性整体表现为“中部有效程度高，过渡至两侧构造带裂缝有效性呈降低趋势”。
（2）基于单井裂缝精细识别和发育特征，形成了5类有效裂缝组合模式，通过研究区动、静态生产资料与裂缝特征耦合分析，认为控产优势天然裂缝主要受天然裂缝组合模式、有效裂缝发育密度、井周裂缝延伸分布范围以及裂缝与应力夹角大小的影响和控制。
（3）研究区多期构造活动的叠加影响情况下形成了现今优势裂缝分布配置系统，本文基于此构建了博孜—大北地区超深层致密砂岩储层控产优势裂缝评价标准、方法和流程，对超深层致密砂岩裂缝性储层的勘探开发评价工作具有切实的参考价值。
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