基于中国的勘探实践，通常将东部平原及沿海地区深度大于4 500 m地层定义为超深层；西部地区深度大于6 000 m的地层定义为超深层^[1]。超深层蕴含丰富的油气资源，是实现油气资源增储上产的重点领域^[2]。中国超深层油气勘探主要集中在塔里木盆地、准噶尔盆地和四川盆地^[3]。塔里木盆地库车坳陷天然气资源丰富，是“西气东输工程”的重要气源地，随着近几年勘探开发的深入，相继建成克深、大北、博孜等大型超深层天然气田，累计探明天然气地质储量超万亿立方米^[4]。

致密砂岩气储层表现出覆压孔隙度低于10%、覆压渗透率低于0.1×10^-3 μm²、含气饱和度低于60%等特征^[5]。受多阶段的构造作用以及多期次的岩石—流体相互作用的影响，超深层致密砂岩储层整体呈现出超低孔、超低渗、成岩作用强烈、天然裂缝发育、强非均质性等特征^[6-7]。天然裂缝作为有效的储集空间和渗流通道，能大幅提高储层质量。因此，天然裂缝富集区往往蕴含大量的油气资源^[8]。然而，随着开发的不断深入，生产形成的压降导致边底水向气藏侵入。相对于基质孔隙的渗流能力，天然裂缝则成为了水侵的主力通道^[9-10]。受控于差异的缝网系统，边底水的侵入呈现出极强的非均质性，往往表现出舌进型、锥进型、突进型、窜进型等不同水侵模式^[11-12]。对于大尺度裂缝，边底水沿裂缝快速“水窜”至井底，产能在短时间内快速下降；对于小尺度裂缝或微细裂缝发育带，边底水沿着裂缝缓慢推进，气井可带水生产^[10]。因此，明确天然裂缝的发育特征及对水侵的影响，有助于气藏的高效开发。

库车坳陷克深气藏是典型的超深层有水裂缝性致密砂岩气藏，其埋深大、超高压、高温、储层基质致密、天然裂缝发育、气水关系复杂^{[7, 13-14]}。长期的研究和勘探成果表明，天然裂缝对基质渗透率的提高可达1 000倍，是气井高产的重要因素^[13]。然而，随着气藏陆续投产数年，气井不同程度见水，严重影响单井的产能和气藏的采收率^{[9, 14-15]}。前人针对克深气田超深层裂缝发育特征、主控因素、有效性、纵横向分布规律及预测、产能控制等方面开展了大量的研究^[16-21]；针对裂缝性致密砂岩储层的微观渗流机理、气水分布模式及气藏水侵模式等方面亦开展了驱替实验和数值模拟等相关工作^{[9-10, 15, 22-23]}。冯异勇等^[22]通过数值模拟总结了裂缝性底水气藏水侵的多种模式，即水锥型、纵窜型、横侵型和复合型。贾爱林等^[23]基于气水分布模式和裂缝发育的差异性，建立了克深气田群的3种水侵类型，即边底水整体抬升侵入型、边底水沿微细裂缝带指进型和边底水沿大裂缝锥进型。然而，受控于复杂的构造背景，差异化的构造—成岩作用强度导致气藏内部天然裂缝的发育亦呈现极强的非均质性^[24-26]。不同尺度、发育程度及走向的缝网系统呈现出差异化的渗流能力^[27-28]，从而导致了气藏的非均质水侵。本文综合岩心、薄片、成像测井、生产数据、泥浆漏失、初期无阻流量、试井解释等资料，以克深气田某气藏为解剖对象，基于“动静结合”的思想，系统研究了储层裂缝的发育特征和水侵动态特征，在此基础上，深入分析了不同缝网系统对气藏水侵的影响，以期为同类型气藏后期的高效开发及防控水政策制定提供一定的理论指导。

1.   地质背景

库车坳陷位于中国西北部塔里木盆地北缘，北邻南天山造山带，南接塔北隆起区，整体呈NEE向展布，面积约为2.7×10⁴ km^2[29](图 1a)。自晚二叠世以来，受燕山运动和喜马拉雅运动影响，库车坳陷先后经历了前陆盆地、拗陷盆地、挠曲盆地和陆内前陆盆地4个演化阶段，呈现出“四带两凹”的格局，即北部单斜带、克拉苏—依奇克里克构造带、秋里塔格构造带、南部斜坡带、阳霞凹陷和拜城凹陷。克拉苏构造带是库车坳陷的第二排构造，受强烈的构造挤压作用的影响，克拉苏构造带总体呈近NEE—SWW向展布，主要发育叠瓦冲断型断裂和平行排列的长条形断片(图 1a)。克拉苏构造带由西向东可分为阿瓦特区段、博孜区段、大北区段和克深区段。

图  1  塔里木盆地库车坳陷克深气田区域位置(a)、构造剖面(b)及地层柱状图(c)

据参考文献[16]修改。

Figure  1.  Regional location (a), structural profile (b) and stratigraphic column (c) of Keshen gas reservoir in Kuqa Depression, Tarim Basin

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克深气田发育于自晚燕山期以来形成的前展式逆冲推覆构造中^[30]。受北部的南天山构造挤压的影响，克深气田的北部区块最先变形，并逐渐向南部区块延伸^[31]。差异化的构造背景塑造了多种断背斜(图 1b)，分别为北部的高陡式断背斜、中部的突发式断背斜、南部的宽缓式断背斜及位于克深—大北转换处的压扭式断背斜^[31-32]。钻井揭示克深气田地层自下而上为下白垩统巴什基奇克组，古近系库姆格列木群、苏维依组，新近系吉迪克组、康村组、库车组，第四系(图 1c)。巴什基奇克组的厚层砂岩是最主要的含气层系；上覆的库姆格列木群与巴什基奇克组呈不整合接触，发育巨厚的膏盐岩沉积，为优质的区域性盖层^[33]；三叠系—侏罗系的厚层湖相煤系烃源岩具有高成熟度和强生烃能力^[4]，三者构成了克深气田良好的生储盖组合。巴什基奇克组沉积期的物源主要为北部的南天山造山带，经短距离的搬运，沉积物快速入湖，形成了巨大的扇体。平面上，砂体厚度大，延伸远，大范围稳定连片展布；垂向上，多期砂体相互叠置，可细分为巴一段(K₁bs¹)、巴二段(K₁bs²)和巴三段(K₁bs³)。巴一段和巴二段为辫状河三角洲沉积，巴三段为扇三角洲沉积。受晚白垩世构造抬升的影响，巴一段遭受不同程度的剥蚀。巴什基奇克组主要为中、细粒的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩；储集空间以残余原生粒间孔、粒间溶孔为主，次为微裂缝。实测岩心孔隙度为0.89%~8.93%，渗透率为(0.006~0.223)×10^-3 μm²；试井解释的渗透率为(0.18~65.6)×10^-3 μm²，表明天然裂缝对基质渗透率的提升作用巨大，是天然气产出及边底水侵入的主力通道作用。

2.   裂缝发育特征

2.1   裂缝类型及特征

克深气田天然裂缝按照成因可分为构造裂缝、成岩裂缝和异常高压裂缝^[34-35]。基于研究区3口取心井的岩心裂缝观察和5口成像测井资料的解释，研究区主要发育构造裂缝。构造裂缝以高角度(45°~75°)或近直立(≥75°)的剪切裂缝为主，次为张性裂缝，占比分别为90%和10%(图 2，图 3a-b)。剪切裂缝垂向上延伸较远，常穿层发育，其裂缝面平直光滑，可见擦痕和阶步(图 2a)；剪切裂缝整体为无充填，部分被矿物全充填(图 2b)。张性裂缝延伸较短，常终止于层系界面；其裂缝面弯曲不平，易被矿物充填(图 2c-d)。微观的剪切裂缝切穿颗粒发育，裂缝宽度在几十微米到几百微米不等(图 2e)。微观张性裂缝绕颗粒发育，裂缝面两侧颗粒完好(图 2f)。镜下可见裂缝被硅质局部充填或裂缝面颗粒发生溶蚀，导致局部宽度变化。

图  2  塔里木盆地库车坳陷克深气藏巴什基奇克组天然裂缝宏观岩心及微观镜下特征

a.直立剪切裂缝，垂向贯穿多组层系，可见阶步，M井，7 545.28~7 545.50 m；b.全充填剪切裂缝，A井，7 507.08~7 507.18 m；c.张性裂缝，I井，7 345.30~7 345.42 m；d.全充填张性裂缝，M井，7 635.56~7 635.68 m；e.被硅质半充填的剪切裂缝，I井，7 343.75 m；f.张性裂缝，I井，7 345.85 m。

Figure  2.  Macroscopic cores and microscopic characteristics of natural fractures in the Bashijiqike Formation, Keshen gas reservoir, Kuqa Depression, Tarim Basin

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图  3  塔里木盆地库车坳陷克深气藏巴什基奇克组构造裂缝参数统计

Figure  3.  Parameters of tectonic fractures in the Bashijiqike Formation of Keshen gas field, Kuqa Depression, Tarim Basin

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由于研究区沉积时为偏碱性水介质成岩环境，裂缝充填物多为白云石和硬石膏^[31]。同时，来自上覆膏岩层的成岩流体沿着不整合面注入储层^[20]，目的层形成了垂向上的充填裂缝发育带。巴一段全充填裂缝占比49%，巴二段全充填裂缝占比23%，巴三段几乎不可见全充填裂缝(图 3c)。

构造裂缝的走向整体受控于近N—S向的古构造应力场^[30]，局部可受断层、褶皱的应力扰动而发生改变。成像解释结果表明，构造裂缝主要为近E—W向、NWW—SEE向和NNW—SSE向(图 3d)。

2.2   裂缝有效性及发育规模

裂缝有效性指在覆压条件下，裂缝保持开启状态，并能为流体流动提供空间的程度^[36]。研究区主要为电成像测井，所有单井均为直井，且钻井液为油基泥浆。裂缝表现为无充填、半充填和全充填。无—半充填裂缝可提供流体运移的空间，视为有效裂缝；全充填裂缝是流体运移的屏障，视为无效裂缝^[28]。对于油基泥浆条件下的电成像测井，有效裂缝通常表现为暗色低阻正弦曲线；无效裂缝表现为亮色高阻正弦曲线(图 4a)。有效裂缝的发育规模包含发育程度和开度。发育程度是通过成像解释的裂缝线密度表征。裂缝线密度是指单位长度上裂缝的条数。裂缝开度的求取是基于李军等^[37]提出的双侧向测井资料的裂缝宽度计算方法和模型。

图  4  塔里木盆地库车坳陷克深气藏成像解释的无效裂缝和有效裂缝(a)及有效裂缝线密度、开度、走向、测井解释平均孔隙度分布(b)

Figure  4.  Ineffective and effective fractures interpreted from imaging logging (a), distribution patterns of linear density, aperture, strike of effective fractures and average porosity interpreted from well logging (b) of the Keshen gas reservoir in Kuqa Depression, Tarim Basin

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基于成像解释和裂缝开度计算结果，气藏西部E井的有效裂缝线密度为0.2条/m，平均裂缝开度为75.1 μm，有效裂缝的走向主要为NNW—SSE向和NEE—SWW向。气藏东部I井、J井、K井、M井的有效裂缝线密度均小于0.1条/m，平均裂缝开度依次为12.0、29.1、68.5和64.5 μm，有效裂缝的走向为近E—W向、NWW—SEE向和近N—S向(图 4b)。自晚燕山期以来，研究区整体受控于近N—S向挤压的古构造应力场，NNW—SSE向裂缝与最大水平主应力夹角最小，其裂缝面所受有效正应力最小^{[21, 28]}；反之，近E—W向裂缝与最大水平主应力夹角最大，其裂缝面所受有效正应力最大。因此，气藏西部有效裂缝的平均开度要大于东部。

由于成像测井资料有限，本文结合生产动态资料分析气井有效裂缝发育规模。无阻流量是指油管绝对压力为0.1 MPa时的气井产量。在钻井工艺、生产措施等相似的条件下，无阻流量主要受气藏压力、储层厚度和渗透率影响。因此，同一研究区内气井的初期无阻流量能反映井周有效裂缝的发育程度。单井初期无阻流量为(0~290)×10⁴ m³/d，西部平均初期无阻流量为167×10⁴ m³/d，东部平均初期无阻流量为132×10⁴ m³/d。特别是I井以东，气井的初期无阻流量为72.4×10⁴ m³/d，整体偏低，反映有效裂缝相对欠发育(图 5a)。排除钻井施工的原因，研究区泥浆漏失是因钻遇裂缝性地层所致，其大小可间接反映有效裂缝的发育程度。此外，泥浆漏失能更好地反映大尺度裂缝的发育情况，对微—小尺度裂缝响应差。气井的泥浆漏失量为0~482 m³，西部平均泥浆漏失为295.7 m³，远高于东部的76.2 m³。对于I井以东钻井，气井的平均泥浆漏失为7.8 m³，整体偏低(图 5a)，亦表明有效裂缝整体欠发育。D井压力导数曲线受井间干扰引起的实测压力下降影响，未能体现渗流特征，对应解释的渗透率为20.01×10^-3 μm²(图 5b)。E井、F井的压力恢复试井双对数曲线中压力导数曲线后期均具有明显的上翘直线段，反映井周的双重介质渗流特征^[38]，对应解释的渗透率分别为26.11×10^-3和65.6×10^-3 μm²(图 5b)。K井的压力导数曲线后期呈现平直段，反映井周相对均质的特征，对应解释的渗透率为0.18×10^-3 μm²(图 5b)。

图  5  塔里木盆地库车坳陷克深气藏气井泥浆漏失直方图和初期无阻流量折线图(a)及D井、E井、F井和K井的压力恢复双对数曲线(b)

Figure  5.  Histogram of mud loss and line chart of initial open flow for gas wells (a), double logarithmic curves of the pressure build-up test for wells D, E, F and K (b) of the Keshen gas reservoir in Kuqa Depression, Tarim Basin

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综合动静态资料，气藏西部有效裂缝以NNW—SSE向为主，有效裂缝整体更发育，且有效性更高。气藏东部有效裂缝以近E—W向、NWW—SEE向为主，有效裂缝的发育规模整体偏低，特别是I井以东，气井的初期无阻流量、泥浆漏失量整体急剧下降，有效裂缝的发育规模快速下降。

3.   裂缝对水侵的影响

3.1   水侵特征

气藏共3口气井(D井、K井、M井)见水，D井的日产水量达180 m³，K井日产水量约为18 m³，M井日产水量约为7 m³(图 6)。构造顶面显示3口见水井位于不同的构造部位(图 4b)，表明研究区气井见水与构造位置无明显联系，反映有效裂缝的发育特征是影响水侵的主要因素。

图  6  塔里木盆地库车坳陷克深气藏D井、K井和M井的日产水量和氯离子浓度变化曲线

Figure  6.  Variation curves of daily water production and chloride ion concentration for wells D, K and M of the Keshen gas reservoir in Kuqa Depression, Tarim Basin

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从投产到见水，气井日产水量和氯离子浓度经历了动态的演化，反映了不同类型地层水的产出。周鹏等^[39]总结了克拉苏构造带白垩系储层地层水的赋存状态为边底水、封存水、过渡带水、凝析水和非地层水。综合水气比和氯离子浓度，将研究区地层水的赋存状态归纳为封存水、凝析水、可动水和纯地层水(表 1)。气井生产整体经历了封存水—凝析水—可动水—纯地层水的动态演化，不同气井间存在差异。生产曲线亦反映，气井生产过程中，可动水转变为纯地层水的时间间隔存在较大差异，氯离子浓度的增长也总是先于日产水量的增长(图 6)。

表  1  塔里木盆地库车坳陷克深气藏不同类型地层水的特征、氯离子浓度及水气比

Table  1.  Characteristics, chloride ion concentration, and water-gas ratio of different formation waters of the Keshen gas reservoir in Kuqa Depression, Tarim Basin

地层水类型	特征	氯离子浓度/(mg/L)	水气比/(10-4 m3/m3)
封存水	未能及时驱替被局部封存的地层水	30 000~110 000	0.18~0.44
		30 000~70 000	0.44~0.50
凝析水	天然气中溶解的气态水	< 5 000	< 0.1
可动水	一定压差下地层孔隙中可流动的水	< 80 000	0.10~0.17
		< 30 000	0.17~0.38
纯地层水	边底水	>70 000	>0.38

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3.2   有效裂缝的发育对水侵的影响

投产初期，部分气井呈现出封存水产出的特征。WANG等基于饱和水气驱的核磁共振实验，阐明了克深气田微观气水两相渗流机理^[15]。结果表明，储层基质大孔隙和高角度裂缝的发育是提高气驱效率、降低束缚水饱和度的主要因素。测井解释的平均孔隙度反映各气井整体介于5.40%~7.72%，西部平均为6.27%，东部平均为6.78%(图 4b)。由于储层孔隙度整体相差较小，因此，有效裂缝的发育是影响束缚水饱和度的关键。D井有效裂缝更发育，且平均开度大(图 4b)，因此整体束缚水饱和度较低，投产初期地层水呈凝析水产出；反之，K井和M井的有效裂缝欠发育、开度小，且局部呈现均质，因而束缚水饱和度高，投产初期束缚水以封存水的形式产出。

生产过程中，氯离子浓度在介质中的运移受控于浓度差引起的离子扩散作用。相较于地层水侵入的快慢极易受有效裂缝发育程度、开度以及走向的影响，扩散作用的进程受其影响较小。同时，随着缝网系统渗流能力的减弱，水侵和扩散作用的差异更显著。因此，对于D井，其氯离子浓度的增长与日产水量增长的间隔时间远小于K井和M井(图 6)。

综合有效裂缝发育程度、开度、走向以及生产动态特征，将3口见水井的水侵特征归纳为不同的水侵模式。由于D井缺少成像解释资料，且其初期无阻流量和泥浆漏失量与邻近的E井相似(图 5a)，因此对D井的分析参考E井的成像解释结果。D井的初期无阻流量高，泥浆漏失量大，反映其有效裂缝发育，开度大；试井解释的渗透率是基质的数百倍(图 5b)，南部发育一条切穿气水界面的断裂(图 7a)。投产初期，D井产水量和氯离子浓度稳定，随着地层水沿断层、密集的有效裂缝系统快速窜进，日产水量急剧上升，气井快速水淹；NNW—SSE向的有效裂缝与水侵方向一致，进一步加快水侵速度。综上，D井呈现出边底水沿断层/密集裂缝快速窜进的水侵模式。K井的有效裂缝发育程度低，开度较大，试井解释反映井周为均质；南北部地层水沿着近N—S向稀疏的有效裂缝缓慢锥进，而近E—W向的有效裂缝阻碍了地层水的推进，从而日产水量上升缓慢且水量小(图 7b, e)。综上，K井呈现出边水沿稀疏裂缝缓慢锥进的水侵模式。M井的有效裂缝相对欠发育，开度小；气井的避水高度为3 m，边底水抬升侵入风险大。东部边水沿NEE—SWW向及NWW—SEE向有效裂缝缓慢推进，而近N—S向的有效裂缝延缓水侵速度(图 7c)；南部的边水沿NNW—SSE向的有效裂缝缓慢推进，而NEE—SWW向及NWW—SEE向有效裂缝延缓水侵速度(图 7d)。综上，M井呈现出边底水缓慢抬升侵入的水侵模式。

图  7  塔里木盆地库车坳陷克深气藏水侵模式

a.D井南北向剖面; b.K井南北向剖面; c.M井东西向剖面; d.M井南北向剖面; e.气井水侵模式平面图。

Figure  7.  Water invasion patterns of the Keshen gas reservoir in Kuqa Depression, Tarim Basin

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研究区水侵形势日益加剧，依据有效裂缝发育特征以及见水井的水侵模式制定相应的防控水政策是实现气藏高产的关键。对于气藏西部，D井因地层水的快速窜进而水淹，可带水生产或作为排水井，能够有效延缓地层水向邻井的侵入。并且NNW—SSE向有效裂缝亦进一步阻碍了D井井周地层水向两侧窜进。对于气藏东部，K井和M井水侵不严重，可适当降低配产，延缓水侵速度。同时，由于K井、L井、M井的产能低，而东部普遍发育的近E—W向、NWW—SEE向的有效裂缝极易形成连通的高速水侵通道，使得地层水向东部主体区侵入。因此，可将K井和M井作为排水井，并在K井和I井之间部署近N—S向的水平井或大斜度井用以排水，以保证主体区气井的产能。

4.   结论

(1) 研究区构造裂缝以高角度和近直立的剪切裂缝为主，次为张性裂缝。裂缝充填物主要为白云石和硬石膏。垂向上，巴一段以全充填裂缝为主，巴二段和巴三段半—无充填裂缝占比高。平面上，气藏西部有效裂缝更发育，有效性更好，主要为NNW—SSE向；东部有效裂缝相对欠发育，有效性较差，主要为近E—W向和NWW—SEE向。

(2) 研究区缝网系统的发育程度是控制水侵的主要因素。依据水气比和氯离子浓度变化，地层水呈现出封存水、凝析水、可动水及纯地层水等赋存状态。气藏最东部的气井投产初期以封存水产出，气藏西部气井投产初期则为凝析水产出。气井生产过程中，氯离子浓度增长的起始时间总是先于产水量增长的起始时间。

(3) 有效裂缝的发育程度、开度、走向影响了气井的非均质水侵。对于井周有效裂缝发育程度高且有效性好的井，其越不发育封存水，氯离子浓度增长与日产水量增长的时间间隔越短，产水量急剧上升。同时，有效裂缝的走向与水侵方向一致会加快水侵，反之则延缓水侵。研究区不同气井的水侵模式可归纳为边底水沿断裂/密集裂缝快速水窜型、边水沿稀疏裂缝缓慢锥进型和边底水缓慢抬升侵入型。