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储层构造裂缝预测方法及其应用

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第21卷第3期1999年9月地震地质1 999储层构造裂缝预测方法及其应用*宋惠珍 曾海容 孙君秀 兰印刚(中国地震局地质研究所,北京100029)黄辅琼(中国地震局分析预报中心,北京100063)摘要 根据构造裂缝的力学成因,对储层构造裂缝系发育强度及方向进行了估计,通过实例对该方法进行了检验。结果表明:(1)用有效张应力描述张裂缝和张剪裂缝发育程度是一个切实有效的方法;(2)在储层的同一层位上,影响张裂缝和张剪裂缝的主要因素是古构造面的曲率和扭率及断层运动性质(逆冲、正断或平推),自古隆起顶部向坡底,裂缝由张性向张剪性和剪切性裂缝发展;(3)自储层顶界面(古隆起构造面)往下,随深度增加,张裂缝和张剪裂缝发育程度降低;(4)裂缝预测的不同模型和方法,反映不同方面的特征和优势,根据储层占有资料和目的要求选择合适的裂缝预测模型和方法比较有效。主题词:数学模拟裂隙有效张应力储层1 引言国内外油气勘探实践业已证明,海相碳酸盐岩能够发育优质碳酸盐岩储层(989;纳尔逊,1991)。构造裂缝及沿裂缝扩溶作用形成的裂缝孔隙和裂缝孔洞,不但是流体渗流的主要通道,也是碳酸盐岩储层的主要储渗空间。构造裂缝产生的结果,不但改善了储层的储渗性能,还为随后的埋藏溶蚀作用和新的裂缝孔隙系统的形成创造了有利条件。本文在古构造应力场研究(宋惠珍等,1999)的基础上,根据格里菲斯理论提出预测储层裂缝分布方法,并在轮南地区奥陶系灰岩储层开展了实际应用和检验。2裂缝定量预测模型和方法2.1在压缩载荷下格里菲斯破裂准则格里菲斯针对脆性材料的破坏提出了格氏强度理论(964)。格氏认为含有大量微细的、似椭圆状的裂隙的脆性材料在应力场作用下:椭圆裂隙周边将产生切向拉应力集中,_旦裂隙周边端部附近某处的切向拉应力高度集中达到材料的分子内聚强度值时,则材料将在该处开始沿某一确定方向发生脆性破坏(耶格等,1981;华东水利学院等,1984)。当约定张为正时(下同),格里菲斯破裂准则表达式如下(964;宋惠珍,1999):*国家“八五”攻关项目(85101050303)和“九五”重点项目(96111010106);中国地震局地质研究所论著9980027。万方数据206 地震地质 21卷(1)当(盯。+3盯,)≤O,破裂准则为(+8(口l+仃2)听一. (听一一东南)(2)当(仃。+3口,)≥O,破裂准则为口 (2)式中,晰为岩石单向拉伸试验的抗拉强度;卢为椭圆裂隙长轴与主压应力轴之间的夹角。若发生新的破裂,新生裂隙方向应指向椭圆裂痕边界的法线方向。用妒表示新裂隙与原裂隙长轴之间夹角(图1),据上述破裂准则(1)与(2)可分别得到下面两式:妒一一2卢 (3)妒一O (4)由(3)式指出,新生裂隙与原椭圆裂隙长轴之间夹角为2卢,新裂隙方向在自主压应力轴顺时针转1)。(4)式说明新裂隙沿原椭圆裂缝延伸(耶格等,1981;华东水利学院等,1984)。图1椭圆裂隙端部开始破裂扩展方向(华东水利学院等,1984) at cr∞k(984).2.2三维格里菲斯破裂准则格里菲斯准则忽略了中间主应力吧的影响。说明中间主应力有重要影响,其表达形式如下(et 1963;耶格等,1981;982):(1)(口。+3m)≤o,破裂准则为(盯+(+(盯+24听(仃l+3)=0 )(2)(%+3口。)≥o,破裂准则为吼2听6)式中,之间的夹角。根据推广的格氏破裂准则(5)式和(6)式,在三维主应力空间的破裂面是一个具有口,一一方面,在(5)式中置口。一o,则口。一一12听;也就是说,在主应力空间坐标系中格氏理论的强度曲面抛物面与最大主压应力轴o,o,一12晰)。而在二维主应力坐标平面中,格氏理论的强度曲线抛物线与最大主压应力轴口。的交万方数据3期 宋惠珍等:储层构造裂缝预测方法及其应用 207点为(o,一8钾)(宋惠珍,1999)。由此可见,在二维空间,由格氏强度理论所确定的抗压强度为抗拉强度的8倍,而在三维空间,为抗拉强度的12倍。当岩层应力状态必须用三维描述时,其破裂准则需要采用(5)式和(6)式。应力场通过三维有限单元方法的应力分析获得。2.3有效张应力概念与定义格里菲斯强度理论指的是在脆性材料抗张强度确定条件下,应力场(盯。,嘞)满足(1)式、(2)式或(d。,。)满足(5)式、(6)式时,发生张性或张剪性破坏。由于地壳内岩石的局部抗拉强度和应力场均未知,不能直接用(1)式、(2)式或(5)式、(6)式预测壳内地层的张裂缝或张剪裂缝。然而,根据(1)式和(2)式或(5)式和(6)式,把岩石的局部抗拉强度晰在岩层内的分布视为应力场(仃。,。)的函数。岩层的盯,,死,层古应力场的数值模拟”中的数值模拟技术获得。假设岩石破裂时的局部抗张强度为研’,则通过(1)式和(2)式或(5)式和(6)式计算的岩层内任意点处的晰值与卿7对比,当研一钉7≈,表示该点处岩石趋于破裂或已经破裂,虽然听’未知,得不到确切的破裂判据,可根据晰大小判断破裂的相对程度,研值愈大,裂缝愈发育。但此时的晰值已不代表该点处岩石的局部抗拉强度,而是表示该点处岩石所承受的应力状态。这个应力状态包含远场应力、地层构造变形及岩石性质的综合因素响应。晰值的含义是表征岩层内张性状态相对发育程度,听值越大,产生张性破坏的可能性越大。显然,若岩性均匀,抗张强度相差不大,研值越高,张性破坏越发育。这样一来,把此处的研值作为描述岩层张裂缝和张剪裂缝发育程度的一个特征参数,称其为有效张应力,计算公式为(1)式和(2)式或(5)式和(6)式。。 上述格里菲斯破裂准则(1)式及(2)式和(5)式及(6)式与有效张应力概念一起可直接用于潜在张裂缝或张剪裂缝的预测。由于油气储集空间主要依赖于开启裂缝,以张裂缝和张剪裂缝为主要预测对象。2.4储层裂缝预测方法裂缝预测方法不是指某一条裂缝,而是针对储层内裂缝集合构成的裂缝系而言。由于岩层内格氏椭圆裂痕分布是随机的,在统一应力场作用下,破裂方向和破裂形式主要取决于局部应力场和局部格氏裂痕分布,但优势方向仍受统一应力场的控制,因此,裂缝预测的含义指裂缝群或裂缝集合的发育程度和优势发育方向。2.4.1储层裂缝发育程度预测裂缝预测的第一步是计算储层古应力场,然后选择(1)式和(2)式或(5)式和(6)式计算储层有效张应力晰。按研的相对大小,将储层潜在张裂缝和张剪裂缝分为3级,即级和别表示裂缝发育区、比较发育区和发育较差区。储层岩石的实际抗张强度未知,且不同模型反映的主要影响因素不同,计算的听值相差较大,裂缝发育级别只能是相对的。2.4.2储层裂缝方向预测据文献(宋惠珍等,1999)中的板、组合单元及三维模型计算的储层应力场,分别用(1)式和(2)式及(5)式和(6)式确定裂缝方向。需要指出的是,除卢一。以外(即沿原裂隙方向破裂扩展),由(1)式或(5)式计算的||9值为双解士p,即有两组可能的方向。3塔里木盆地轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层裂缝预测及其检验轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层属基质孔隙度很低的裂缝性油气储集层,据岩心裂缝观测,万方数据208 地震地质 21卷裂缝以高角度缝和垂直缝为主,低角度缝和水平缝次之,部分被方解石、泥质充填或半充填。岩心观测和测井解释表明,轮南地区奥陶系碳酸盐岩属于下奥陶统上丘立塔克群海相灰岩,基质孔隙度1.o%左右,基质渗透率极低,为基质孔、渗条件很差的致密灰岩。中奥陶统地层泥质含量明显高于下奥陶统。其顶部风化壳以下大约200成油气的主要储渗空间。但裂缝分布差异较大,连通性差,各自成为独立系统,在储层内裂缝发育不清楚。根据储层古应力计算的3种模型和格氏破裂准则(宋惠珍等,1999),对轮南地区碳酸盐岩储层顶部200于裂缝方向缺乏实际资料检验,仅给出裂缝发育程度预测。3.1板模型预测结果3.1.1趋势法预测结果根据板模型计算的轮南奥陶系灰岩储层应力场(宋惠珍等,1999),并利用(1)式和(2)式计算出有效张应力钾的分布(图2)。沿轮南断垒轴部裂缝最发育,朝向两坡底部减弱。设晰≥3≤3o≤研2<2o<晰<15级裂缝发育区仅沿轮南断垒和桑塔木断垒分布,在两断垒上又形成局部集中,广阔的轮南鼻状隆起斜坡带为500此深度上,范围比o~100图5与图2~4对比,用三维位错有限单元模型预测裂缝发育的特征是,开断垒带裂缝发育程度迅速衰减,这是由于断层运动所致。由此认为,沿断背斜构造带,在背冲的断层上盘裂缝最发育,离开断层带裂缝发育程度迅速衰减。图5三维位错有限单元模型计算的轮南奥陶系灰岩储层o~100m(a)和100~200m(b)内裂缝预测图 of 00m(a)00~200 m(b)D .3.2对三维位错有限单元模型裂缝预测的检验根据试井、岩心观测、测井解释资料,在储层o~100于中高产井有10口,低产井4口;又据岩心裂缝观测,在低产井中有1口井裂缝很发育。在储层00于中高产井8口,低产井3口,干井上所述,利用3种数学模型和格氏破裂准则,对轮南奥陶系碳酸盐岩储层顶部古应力场万方数据212 地震地质 21卷和裂缝进行了计算与分析,给出了裂缝发育级别的划分①。目前所得到的生产实践检验如下:(1)内部符合检验效果据轮南油田钻穿预测层位的井有38口,其中高或比较高产井(包括油、气、水)大部分落在产井和干井基本落在测与产能符合不好或完全不符合的有6口井,约占16%,也就是说,预测与产能符合率好和比较好的占84%。(2)经酸化后的产能符合率检验效果1996~1997年对轮南油田奥陶系灰岩储层的老井进行酸化后,原来是低产井或干井,经酸化后上升为高产井,说明原构造裂缝发育,但被后期充填。现场对高产井(只包括油和气)进行了统计,共有15口(包括酸化井)。其中6口井位于口井位于占67%。3口井落在口井落在裂缝不发育区,约占33%。(3)新钻井检验效果 1997年在轮南油田奥陶系灰岩储层设计3口探井,它们分别是裂缝发育区。到目前为止,该3口井一直是稳产高产井。以上实际生产检验,证实本文对轮南奥陶系灰岩储层构造裂缝横向和纵向分布预测效果比较好,预测方法可供使用或参考。4对3种模型裂缝预测精度评价及其实用价值从上述3种模型4种方法预测的裂缝图可以看出,在主要构造上预测的结果基本重叠,但不同的方法均表现出各自的特征和缺点,评价每种模型和计算方法对裂缝预测的实用价值,应结合目的层具备的资料和对预测的目的要求,不需对模型和方法分等级。概括起来说,根据不同构造类型选用不同的力学数学模型:(1)简单背斜、断背斜、穹隆构造,储层薄,选用板模型趋势法,简单易推广,精度能满足要求;(2)复合构造,构造之间幅差大,储层薄,选用板模型有限差分法,简单易推广且效果好;(3)构造复杂,断层多,储层厚,岩性变化大,有薄夹层,构造面起伏大,选用组合单元模型效果好,但手工劳动量和计算量大,不易推广;(4)断层多,构造之间幅差小,储层厚,岩性变化大,断层运动不能忽略,选用三维位错有限单元模型效果好,但计算量大,手工劳动量比较大,具有中等程度的推广性。致谢:在研究过程中,得到欧阳健和贾承造的大力支持和帮助,李良辰、魏涛、肖承文、吴远东等帮助完成现场资料分析工作,在此一并致以衷心感谢。. (1998年11月收稿,1999年5月改回)参考文献何远碧.1992.试论轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层裂缝类型及其发育规律.见。童晓光,粱狄刚主编.塔里木盆地油气勘探论文集.乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社.439~447.① 国家地震局地质研究所,1994,轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层裂缝发育的综合定量研究,‘塔里木盆地油气资源》成果报告。万方数据3期 宋惠珍等:储层构造裂缝预测方法及其应用 213华东水利学院,成都科学技术大学.1984.岩石力学.北京:水利电力出版社.纳尔逊R A.1991.天然裂缝性储集层地质分析.北京:石油工业出版社.宋惠珍.1999.脆性岩储层裂缝定量预测的一种尝试.地质力学学报,5(1):76~84.宋惠珍,孙君秀,刘利华.1989.地震危险区划中的数值模型.中国地震,5(2):81~90.宋惠珍,孙君秀,任金卫.1996.轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层构造应力场与构造裂缝的数值研究.见:童晓光,梁狄刚,贾承造主编.塔里木盆地石油地质研究新进展.北京:科学出版社.188~195.宋惠珍。曾海容,孙君秀,等.1999.储层古应力场的数值模拟.地震地质。21(3):193~204. D.1989.裂缝油藏工程基础.陈钟祥,金玲年,秦同洛译.北京:石油工业出版社.耶格J C,库克N G W.1981.岩石力学基础.中国科学院工程力学所译.北京:科学出版社. F.1982..of ∞ C.1964.r∞0船, A F.1963.A fr∽of s of “ta,,髓63~577.ND rI’s 耐豇讲£办姐&括扰,上泖伽g 100029)锄二盯/务山口枷豇口雄d l,吼办搬鼢以喀豇耐占扯,凇“,上踣泓g 1 is an in of of to of A of is he )to e—is (2)To a of to or F“)In to f is to 3)of or (4)£)of It be to by of ey l 宋惠珍, 曾海容, 孙君秀, 兰印刚, 黄辅琼, 宋惠珍,曾海容,孙君秀,兰印刚,国地震局地质研究所,北京,100029), 黄辅琼,国地震局分析预报中心,北京,100063)刊名: 地震地质英文刊名: (期): 1999,21(3)被引用次数: 28次参考文献(14条) 天然裂缝性储集层地质分析 都科学技术大学 岩石力学 论轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层裂缝类型及其发育规律 塔里木盆地油气资源》成果报告 塔里木盆地油气资源》成果报告 A F A of of on C F Z. ;库克N G W;中国科学院工程力学所 岩石力学基础 D;陈钟祥;金玲年;秦同洛 裂缝油藏工程基础 海容;孙君秀 储层古应力场的数值模拟[期刊论文]999(03)君秀;任金卫 轮南地区奥陶系碳酸盐岩储层构造应力场与构造裂缝的数值研究 君秀;刘利华 地震危险区划中的数值模型 1989(02)性岩储层裂缝定量预测的一种尝试[期刊论文]999(01)引证文献(29条)同坐标系中裂缝渗透率的定量计算[期刊论文]011(1)噶尔盆地新生代构造应力对石炭纪火山岩构造裂缝发育的控制[期刊论文])噶尔盆地新生代构造应力对石炭纪火山岩构造裂缝发育的控制[期刊论文])应力与构造裂缝参数间的定量关系[期刊论文]010(1)层裂缝多参数定量预测及在闵桥油田的应用[期刊论文]然科学版) 2010(3)密碎屑岩裂缝性储层预测方法综述[期刊论文]010(14)酸盐岩裂缝预测方法研究[期刊论文]然科学版) 2008(3)构造应力场有限元数值模拟的应用及展望[期刊论文]008(3)层构造裂缝预测研究[期刊论文]007(6)油气盆地低渗透储层构造裂缝定量预测方法和实例[期刊论文])造应力场、流体势场对柴达木盆地西部油气运聚的控制作用[期刊论文]006(9)气盆地低渗透储层裂缝预测研究现状及进展[期刊论文]006(6)气盆地低渗透储层裂缝预测研究现状及进展[期刊论文]006(6)气田开发阶段的构造地质学研究[期刊论文]006(4)孔介质构造应力驱油的固流耦合分析[期刊论文]006(1)于地震属性的储层预测方法研究及初步应用[学位论文]硕士 科技成功开发哈国盐下高压低渗油藏[期刊论文]005(2)限元数值模拟法在裂缝性油气藏中的应用[期刊论文]005(2)率域相干属性分析及多分量瑞雷波信号提取与应用研究[学位论文]博士 濮凹陷户部寨沙四段上部裂缝性气藏储层地质模型研究[学位论文]硕士 濮凹陷户部寨沙四段上部裂缝性气藏储层地质模型研究[学位论文]硕士 杂断块低渗致密砂岩气藏裂缝发育规律研究——以东濮凹陷户部寨气田为例[学位论文]博士 疆三塘湖盆地二叠系构造裂缝研究[学位论文]硕士 气盆地储层构造裂缝定量预测研究方法及其应用[期刊论文]球科学版) 2004(1)立油田低渗透裂缝性砂岩油藏表征及综合评价[学位论文]博士 辽盆地北部低渗透油田裂缝、地应力分布特征与油田注水开发[学位论文]博士 层构造裂缝定量预测研究及评价方法[期刊论文])层构造裂缝定量预测研究及评价方法[期刊论文])同坐标系中裂缝渗透率的定量计算[期刊论文]011(1)本文链接:
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