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裂缝性储层预测新方法和新技术55285970

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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裂缝 性储 层预测 新方 法和新 技术西南石油大学 胡明二 00八年 十一 月目 目 目 目 录 录 录 录前言、裂缝性 储层 研究及 预测 现状1、 裂缝性储层的概念2、 国外研究现状3、 国内研究现状一、裂缝研究 在油 气田勘 探开 发中的 意义 二、有关裂缝 的基 础理论 1、 裂缝类型2、 裂缝分类3、 裂缝成因及与构造的关系4、 裂缝的成因模式三、裂缝研究 与预 测方法 简介 四、物理模拟 法预 测裂缝 五、构造曲率 法预 测碳酸 盐岩 储层1、碳酸盐岩储层裂缝的预测2、裂缝三维定量参数场形成及模型的建立六 构造曲率法进 行裂 缝发育 带预 测实例1寒武系洗象池组气藏裂缝特征2、裂缝分布特征3、洗象池组储层综合预测七、构造应力 模拟 法预测 裂缝 的原理 1、 裂缝成因机制2、 古构造应力模拟3、 相似性原理在构造应力场及裂缝预测数值模拟中的重要性4、 裂缝判据的确定5、 破坏接近程度及其在裂缝预测中的应用6、 裂缝指标的标定7、 尚不能解决的问题8、 方法的关键技术9、 构造应力模拟法预测裂缝所需的资料八、构造应力 模拟 法预测 裂缝 的应用 实例 简介 1、 火山岩裂缝的预测研究2、 碳酸盐岩裂缝的预测研究3、 四川威远构造寒武系洗象池组裂缝预测主要参考文献前言 前言 前言 前言 裂缝性储层研究及预测现状 裂缝性储层研究及预测现状 裂缝性储层研究及预测现状 裂缝性储层研究及预测现状随着石油天然 气资 源的开 发利 用,常 规孔 隙性油 气藏 储量日 益减 少,开发难度逐渐增大,石油与天然气勘探方向逐渐由浅部转向深部、由常规油气藏转 向特殊油气藏。作为油气储集的重要场所 — 储层的研究也将从常规的孔隙性储层的研究逐渐发展到其他各种类型的储层研究 (图 1)。 特 别 是 裂 缝 性 储 层 近 年来引起了广大石油地质工作者的广泛兴趣,出现了较多的研究成果。图 1 油 气储 集层 的 主要 类 型1裂 缝性 储层 的 概念裂缝性储层是 指以 裂缝为 主要 储集空 间、 渗流通 道的 储集层 ,有 的也对储集层中分散、 孤 立的孔隙起连通作用, 增 加有效孔隙度, 一 般具有高渗透特征 。裂缝性储层一 般 有 3种类型:一类 是致 密岩类 ,如 四川盆 地下 二叠统 (阳新统), 其 岩石基质孔隙度小于 1%, 渗 透率小于 因 其构造裂缝发 育形成而形成了 有效 的储、 渗空 间;第 二类 是古风 化壳 溶蚀孔 、洞 储集层 ,渗透率极低, 一 般小于 但 与后期构造裂缝搭配, 形 成了裂缝 — 孔 洞(穴) 型 储层, 如四川盆地的震旦系和奥陶系储集层; 第 三类是低孔隙储集层 ,如四川东部的石炭系碳酸盐岩 ( 孔隙度 3%~ 4%)、 上 三 叠 统 须 家 河 组 砂 岩 ( 孔 隙度 5%~ 6%), 他们的基质孔隙渗透率很低,一般在 有当构造裂缝发育的地区,才能形成裂缝 — 孔隙型储集层,形成工业性的天然气藏。地层裂缝的影 响因 素众多 ,不 外乎归 结为 内因和 外因 。所有 裂缝 的形成都是这两大因素的综合结果。 评 价地层裂缝发育与否, 都 是相对的。 就 内因而言 ,包括地层的岩 石类 型、岩 性、 矿物成 分、 结构和 构造 特征、 岩石 强度、 岩石力学性质、厚度 等。 而外因 则包 含沉积 和成 岩环境 ,构 造应力 的性 质、方 向、大 小,区域构造背景,边界条件等。一般情况下, 在 同一地质背景条件下, 刚 性岩类比塑性岩类, 致 密的比疏 松的岩性,质纯 的比 含有杂 质的 ,细结 构的 比粗结 构的 ,沉积 构造 发育的 比不发 育的,薄层的比厚层的等等,前者的裂缝均比后者发育。从外因上看, 准同 生期易 于暴 露的比 淹于 水下环 境的 ,成岩 作用 易溶蚀的比非溶蚀的, 表 生期遭受风化剥蚀的比非表生期的 …… , 前 者的非构造裂缝 均比后者发育。在构造应力作 用下 ,达到 破裂 变形的 比未 破裂变 形的 地层, 构造 应力集中或应 力 释 放 部 位 比 应 力 非 集 中 或 非 释 放 部 位 等 , 前 者 的 裂 缝 要 比 后 者 的 发 育。另外 , 构 造 应 力 作 用 的 滑 脱 层 或 刚 性 边 界 以 及 同 一 地 层 的 埋 藏 深 度 ( 浅 与 深)等,都对地层中裂缝发育的程度产生重要的影响。 总之,研究具 体的 地层裂 缝发 育特征 、规 律,要 从具 体的对 象出 发,注意区域构造、局 部构 造位置 及其 古构造 演化 特征的 分析 ,依据 地层 露头、 岩心观 察、岩石样品试验、地球物理特性等,并利用力学分析方法,互相验证。在国外,一些盛产石油的国 家也逐渐重 视致密低渗 透岩石中裂 缝性储层的研究。 据 美国能源部预测: 在 2010年前, 约 20%的天然气将产自碳酸盐岩和 致密砂岩等 裂 缝性 储层 ; 在 2030年以前, 美 国国 内一 半 以上 的天 然 气产 量将来自低渗透的裂缝性储层。 在国内, 今 后一段时期内, 致 密储层中的裂缝性油气藏将是主要勘探开发 目标。目前在四川、华北、长庆、塔里木、克拉玛依、胜利、吉林、辽河、青海、玉门等许多油田都发现了裂缝性油气田。裂 缝性油气藏的储集体几乎都是致密 岩体, 其 共同的特点是基质孔隙度和渗透率都很低, 如 四川油气的主要产层 —— 二叠茅 口 组 灰 岩 , 其 基 质 孔 隙 度 大 多 低 于 1%,基 质 渗 透 率 甚 至 小 于 西 。在这样致密的岩体中, 如 果没有裂缝的储集和导流作用, 不 可能形成有效的油 气藏和高产油气流。 裂缝性油气藏勘探、 开 发的最大难点, 是 对储层岩体中裂缝发育程度和分 布范围的预测。 目 前在国内各油田用于裂缝探测 ( 地震、 测 井) 研 究的费用, 每 年在 50亿元以上,但由于缺乏有效的预测手段,对裂缝发育和分布规律的研究不够准确,而使油气井钻探和油气田开发方案达不到预期目的, 从而造成的间接损失更是难以完全统计。如克拉玛依的小拐油田,因对裂缝预测研究认识不足, 油田建设投入的数十亿元资金基本上全部落空。 裂缝(特别是 地下 岩体中 的裂 缝)分 布复 杂、规 律性 差,又 受到 观测、探测手段以及研究方法的限制,所 以对这个题目的研究国内外起步都较晚。但 从 50年代末期以来,随着世界上裂缝性油气藏的不断发现,关于裂缝的研究工作在 国内外地质界逐渐开展起来,并取得了一系列成果,为进一步深入研究奠定了良好的基础。下面主要介绍国内外关于裂缝性储层研究的一些现状。 2国 外研 究现 状1968年, 梁 ” , 用 几何方法导出了 剖面曲 率 值 与 裂 缝 孔 隙 度 之 间 的 计 算 公 式 , 对 裂 缝 作 了 初 步 定 量 研 究 。 1971年 ,他进 行 了 关 于 构 造 主 曲 率 和 裂 缝 发 育 的 关 系 的 研 究 。 1982年日 本 的 80年 代 初 ,美 国 的 范 拉特才写成了关于裂缝油藏工程的专著,基 本形成了裂缝型储层研究 的理论和方法,但专著却不是针对裂缝本身的研究。上世纪 70年代,随着分 形几 何学概 念的 提出, 国外 学者逐 渐把 这一理 论引入储层裂 缝 研究 领域 。 1980年 明分 形理 论 可用于碳酸盐岩地区裂缝的研究, 并 介绍了用分形理论建立裂缝分布的实际模型。 随后 1985)、 989)、 989)、990)、 990)等人又把这一理论用于其他岩石 裂缝的研究, 并 在断层几何形态的描述、 裂 缝数与裂缝长度、 裂 缝宽度和密度、 裂缝平面分布的研究方面取得了较大进展。到 1995年 , ,当裂缝的分维 缝就能构成互相渗流的裂缝网络。除了理论上的发展外, 国 外专家学者在储层裂缝的识别上也作出了突出的 贡献。 90年代后,国外 在裂 缝的测 井识 别、地 震识 别上取 得了 长足的 进步 。测井方面新方法和新设备主要体现在: 电 磁测向仪、 环形声波测井、 成 像测井 ( 全 井眼地层微电阻率成像 ( 像仪和井下电视仪 (,这些方法和设备能测量出储层裂缝的倾角、走向、宽度、 长 度、 视 孔隙度, 以 及裂缝的充填与开启程度, 甚 至能识别出微裂缝及 亚微观裂缝。3国 内研 究现 状国内对储层裂缝研究工作开展得较早, 技 术手段处于较先进的水平, 具 体 表现在以下几个方面: ( 1)定性 分析和生产 经验总结的 预测裂缝方法50年代后期开始,四川油气田的地质工作者根据构造形态特征和断层部位等构造组合特征, 提 出寻找裂缝的 “ 一占一沿 ” (即布置油气井位置时要占褶 皱构 造 的 高 点 , 沿 褶 皱 的 长 轴 ,), “ 三占三沿 ” (占高点、沿 长轴 ,占鞍 部、 沿扭曲 , 占 鼻 突 、 沿 断 裂 ), “ 三打三不打 ” (打凸不打凹, 打拱不打弯,对断层打 上盘不打下盘) 等经 验方法 。这 种方法 主要 是基于 构造 特征定 性分 析和生 产经验 总结的预测裂缝方法。( 2)利用 测井手段和 地震信息识 别和预测裂缝80年代以来,由于国际交流与合作加剧,国内大量引进了国外先进的仪器和设备。在引 进国 外先进 技术 与设备 的同 时,国 内专 家学者 也在 数据的 处理上有 所 发 展 , 如 在 分 析 处 理 地 震 析 资 料 上 , 国 外 提 出 了 旋 转 方 法(983)、偏 振 法 (985)、旋 转 相 关 法 (987)和纵 横 比方法 (989)四种 方 法 , 而 在 国 内 也 相 应 提 出 了 四 种 方 法 , 即 最 大 似 然 法 、最大特征向量法、波形算法和自适应慢 用测井和地 震手 段来识 别裂 缝,准 确地 说不能 叫预 测裂缝 。同 时测井与地震识别裂缝费用也高,且存在多解性,很难对裂缝进行准确的定量预测。 ( 3)非线 性理论方法 检测和识别 地下裂缝和国外一样, 非 线性理论也主要应用分形理论、 神 经网络等技术方法对 裂缝进行检测和 识别 ,但总 体来 说也不 成熟 。 如 1992年赵阳升在研 究煤 岩体裂缝分布规律后指出, 小 尺寸岩体与大尺寸岩体裂缝数存在一种自相似性。 1995年彭仕宓等利用分形理论对 柴达木盆地 南翼 山 出裂缝发育与构造及断层有着直接关系。 ( 4)据构 造应力的分 析研究预测 裂缝构造应力作用 是裂 缝形成 的根 本原因 ,根 据对构 造应 力研究 来预 测裂缝的发育分布,应 该是 裂缝预 测的 主要方 向。 国内不 少学 者对此 问题 作过探 索,但 对于构造应力 的求 解方式 、构 造应力 与裂 缝的关 系问 题上, 以及 相关方 法的适用性方面,也存在较大分歧或问题。 1982年和 1988年, 成 都理工大学曾锦光教授先后提出了 “ 应用构造面主 曲率研究油气藏裂缝问题 ” 和 “ 用屈曲薄板模拟纵弯褶皱的力学模型 ” , 建 立了 分析褶皱 应 力 场 的计 算 方 法 。随 后 在 1994年他建 立 了 断 层古 应 力 场 解析 计 算方法,从而提出了断层裂缝系统分布的预测方法。这些工作,为用力学理论来解 决裂缝预测问题提供了一个良好的开端。但 由于其基础或理论依据过于理想化 ,所使用的解析计算方法在实际应用中存在的问题,实际使用效果不太理想。 上世纪 80年代末 90年代初,随着计算机技术的发展,构造应力的研究和数值模拟计算取得了重大进展,国内的殷有泉、陈子光、安欧、宋惠珍、黄润秋、胡明和秦启荣等人在这一领域里做了大量的工作,推动了相关学科的发展。 90年代末至今, 越来 越多的 人开 始从构 造应 力场的 角度 应用数 值模 拟方法研究裂缝的定 量预 测,但 这些 工作大 都是 针对单 个构 造进行 ,或 是仅为 储层渗流的目的来研究裂缝 [。而系统、全面地从理论角度研究应用构造应力场进行区域性裂缝预测 却很 少,所 以, 今后主 要要 在这一 方面 进行研 究, 进而摸 索出一 套进行区域性古构造应力场数值模拟的带规律性的理论与方法。一、 裂缝 研究 在油气 田勘 探开发 中的 意义1、 裂缝 的研 究 在下 面几 个 方面 有 着非 常重 要 的意 义*油气 勘探 油气 勘探 油气 勘探 油气 勘探 *寻找裂缝型油气藏*确定定向井的钻井井位和钻井靶区*油气 田开发 油气 田开发 油气 田开发 油气 田开发*开发注采井网的部署*注水方式的确定*酸化压裂方案的设计*石油 钻井 石油 钻井 石油 钻井 石油 钻井*定向井井斜方位的确定及井眼轨迹的设计*套损和井壁失稳的机理研究及其预防措施的制定*套管以及套管组合设计2、 裂缝 (节 理 )研 究在 其 他方 面 的意 义节理的研究在理论上和实践上都具有重要意义, 就 石油行业而言, 对 节理 的研究更为重要。�节理常是石油和天然气的主要运移通道和储集场所,在某些致密的储集 层中,节理几乎是唯一的运移通道和储集场所。�节理发育的密度和开启程度,不仅影响油气的渗透运移和聚集,还会影 响油气的采收率。�随着石油勘探开发的深入,相对简单的背斜型均质油藏已越来越少,而 较复杂的非均质裂缝型油藏是今后一段时期内勘探的主要目标之一。�节理对地下水及其它一些矿床的分布有着重要影响。�构造节理的产状、性质和分布规律与褶皱、断层有密切的成因联系。二、 有关 裂缝的 基础 理论1、 裂 缝类 型*人 工诱 导裂 缝 (非 天然 裂 缝) *钻井诱导裂缝*水压致裂缝*天然裂缝非 构造 缝*原生缝 (成岩过程 中形成的) *收缩缝 (火山岩的柱状节理、沉积岩中的干裂等 )*层间缝 (层面、层理等 )*压溶缝 (缝合线,有的缝合线并非原生的、而是构造成因的 )*风化缝 (席理、 球状风化缝 、根劈缝等 )*非构造缝特点:形成不受构造运动和构造力的影响,分布规律性较差,不受构造影响构 造缝裂缝( 节理) 缝合线 构造缝合线原生缝合线构造缝特点: 形成完全受构造运动和构造作用力的影响,分布规律性较好,与其他构造(如褶皱、断层等)在成因上和几何关系上均有联系。2、 裂 缝分 类( 1) 裂缝 的几 何 关系 分类*按裂缝与主构造 (褶皱断层 )的关系分类(图 2)*横向缝*纵向缝*斜向缝*按裂缝与岩层产状的关系分类(图 2)*走向缝*倾向缝*斜向缝*顺层缝图 2 裂缝的 几何关系分 类( 2) 、按 裂缝 与 岩芯 中 线垂 直面 的 夹角 (裂 缝倾 角 )分 类*测井界 (赵良孝 )的分类*高角度缝 (75º~ 90º)*斜交缝 (15º~ 75º)*低角度缝 (0º~ 15º)*王允诚的分类 *垂直缝 (75º~ 90º)*高角度斜交缝 (75º~ 45º)*低角度斜交缝 (45º~ 15º)*水平缝 (0º~ 15º)( 3) 、按 张开 程 度分 类*张开缝*闭合缝(4)、按 充填 程度 分 类*充填缝*半充填缝*未充填缝( 5) 、按 裂缝 的 有效 性 分类*有效缝*较有效缝*无效缝( 6) 、按 力学 性 质分 类*张裂缝*剪裂缝节理按 其形成时的 力学性质, 可分为张节理和剪节理 两类 。 他们的 主要特 征的异同 点见下表( 表 1) :张、剪 裂缝(节理 )特征对比 表 表 1( 7) 、按 成因 和 分布 分 类*区域构造缝: 区 域性有规律展布的裂缝, 一 般会被后期裂缝利用改造, 仅 少数的能保留下来剪节理 张节理剪节理是由剪应力作用产生的破裂面 张 节 理 是 由 张 应 力 作 用 而 产 生 的 破 裂面产状较稳定 , 沿 走向延伸较远、 沿 倾 向延伸较深。 产状不太稳定 , 延 伸不远, 节 理面短 而弯曲。节理面平直光滑 , 常 见滑动擦痕; 节 理两壁之间常是闭合的。 节理面粗糙不平 ,无擦痕切穿砾石和砂粒: 发育在砾岩和砂岩 中的剪节理, 常 切穿砾石和砂粒而不改 变方向。 绕 过 砾 石 :在 砾 岩 和 砂 岩 中 的 张 节 理,常绕过砾石和砂粒; 即 使切穿砾石, 破裂面也凹凸不平共 轭 “ X” 型节 理 系 : 常常 成 对 出 现 ,共同组成共轭 “ X” 型 节 理 系 。 “ X” 型剪节理发育良好时, 可 将岩石切割成 棋盘格状或菱形 节理面两壁多张开, 常 被矿脉充填, 矿脉宽度变化较大,脉壁不平直。羽列现象: 主剪裂面常由许多羽状微 裂面组 成 , 微 裂 面 走 向 相 同 , 首 尾 相 接,与主剪裂面呈一定的交角, 这 就是所 谓的羽列现象。 沿 节理走向向前观察, 若后一 微 裂 面 重 叠 在 前 一 微 裂 面 的 左 侧,则称 之 为 左 旋 ( 也 叫 左 行),反之 为右 旋( 或 叫 右 行)。利用 剪 节 理 的 这 种羽列现象, 可 判断破裂面两侧岩块的相 对运动方向张节理有时呈不规则状, 有 时也可构 成一定的几何形 态, 如追踪 “ X” 型剪节理而形成的锯齿状张节理, 单 列或共 轭雁列式张节理等。*局部构造缝:与局部褶皱和断层有联系的裂缝 *与褶皱有关的局部构造缝 *褶皱伴生缝:剖面剪切缝*褶皱派生缝 *横张裂缝*纵张裂缝*斜向共轭剪切缝*顺层剪切缝( 8) 、与 断层 有 关的 局 部构 造缝 *断层伴生缝:一般为两组剪切缝,分布于断层两侧,一组与断层面平行,另一组与断层面斜交*断层派生缝:有两种类型派生张裂缝:在 断层两侧成羽状排列分布,与 主断层斜交 (一般为 45° )。派生剪切缝: 分 布于断面的两侧, 共 有两组, 一 组与断面小角度相 交(10000缝 成因及其与 构造的关系*( 1)、区 域构造裂缝 (层面 “ X” 型剪裂缝 )*早期区域性构造应力作用而形成。*产生于主构造形成之前,或构造活动轻微的地区。*分布在一定区域内都具有规律性, 与 局部构造 (褶皱、 断 层 )没有成因上的联系 ,因此分布不受构造部位的控制,但与岩性、层厚等因素有关,具体表现为裂 缝的方位比较一致,往往是两组裂缝等间距切割岩层,成棋盘格子状;裂缝面 平直,延伸远,缝面平直。*( 2)、褶 皱伴生缝( 剖面 “ X” 型剪裂缝 ) :*由形成褶皱的局部构造应力作用而形成的*形成于褶皱产生的早中期*分布于褶皱的核部周围*纵张裂 缝 :*由褶皱转折端的局部派生拉张应力作用而形成*形成于褶皱的中晚期*分布于背斜转折端*横张裂 缝 :*由褶皱转折端的局部派生拉张应力作用而形成*形成于褶皱的中晚期*褶皱的倾伏端裂缝 宽度 中缝 15度斜缝 ɑ=15为趋势面所反映的变化是显著的。反之亦然。考虑到裂缝分布不均一, 且 大小各异, 所 以在实际计算时常采用多项式分 析和调合趋势面分析来研究区域上裂缝的总体分布。 表 5- 1四川盆地各层岩石力学测定参数和平均厚度资料( 3)临界曲率值的确定在进行裂缝发育区判断前, 还 要确定研究区的临界曲率值大小。 由 岩石力 学可知,形成裂缝所需的最小应力(即最小破裂应力)可以表示为岩石弹性模量( E)、 产 层 厚 度 ( H)和曲率的关系式:地 层 代号 岩性岩层 平均 厚度(m )抗拉强 度 ×105( 氏模 量 ×109( 界曲率 × 101/m ) 地 层 代号 岩性岩层 平均 厚度(m )抗拉强 度 ×105( 氏模 量 ×109( 界曲 率 × 101/m )岩 1生物灰 岩 岩 石灰岩 白云岩 岩 岩 串珠体 页岩 灰岩 2- 6)22 ⎞>⎜ ⎟⎝ ⎠当已知岩石抗拉强度时,则可根据( 2- 6)式计算出极限曲率值。表 2- 1是四川盆地各层岩石力学测定参数和平均层厚资料 [8]。但在实际工作中, 此 值与通常的经验值相比常常偏小, 原 因是地下岩层处 于高温、高压状态且并非完全弹性,另外应力作用时间的长短也与破裂作用有关。因此一个地区的邻界曲率值通常采用实际地质资料 ( 岩心调查和生产测试) 来 确定。 数 场形成 及模 型的建 不同的储集空间其裂缝发育及其分布 特征存在很大差异。 如 果在裂缝地质建模过程中, 对 不同成因、 不 同储集空间的 储层采用一套特征参数, 将 其作为一个单元来模拟, 则 可能混淆不同单元的实际 地质规律, 导 致所建模型不能客观地反映地质实际。 因 此确定裂缝表征参数是裂 缝地质模型建立的基础和第一步。 经 过研究, 筛 选出影响储渗能力和在开发中起 重要作用的几个裂缝参数来表征碳酸盐岩储层裂缝的统计特征 .,称之为裂缝表征参数。它们是裂缝间距(密度)、 长度(延伸)、 宽度、高度(切深)、 倾角、方 位、 裂 缝孔隙度和渗透率 。 其 中裂缝孔隙度和渗透率是评价裂缝对开发效果影 响的关键因素,同时也是极难获得的参数。 裂缝高度、 倾 角等裂缝参数可以通过岩心和测井及地震资料统计得到。 这 里我们将重点阐述裂缝长度、宽度、密度、间距、裂缝孔隙度和裂缝渗透率。( 1)长度岩心上无法测得裂缝平面延伸长度。 但 根据地面露头裂缝长度的统计, 可 以认为地下裂缝平面延伸长度的主要范围与露头统计资料相似。需要注意的是,把 露头上统计而得到的裂缝参数应用于地下裂缝评价时应 该十分谨慎。这是因为露头裂缝研究区与地下裂缝研究区有 3方面的重要区别数[15], ① 风化作用; ② 围岩压力、 温 度; ③ 构造位置。 在 地表条件下, 岩 石脆性 强 ,裂缝发育, 且 往往夸大了硬岩层的裂缝, 掩 盖了软岩层的裂缝。 研 究表明, 地 面观测到的裂缝延伸长度、 纵 向切深对地下类似构造位置同类储层而言, 可 视为 最大值,具有参考价值。 ( 2)宽度裂缝宽度与裂缝孔隙度、 渗 透率直接相关, 是 评价裂缝对开发效果影响的 重要因素之一, 同 时也是极难获得的参数之一。 可 以从 4个方面确定碳酸盐岩裂 缝的宽度范围。1)岩心实测岩心上所量取的裂缝宽度为视宽度,要根据测量面与缝面的夹角进行换算,得到真实的裂缝宽度。( 3- 1)' =— 裂缝面真实宽度, ε—— 裂缝面视宽度, 'ε—— 测量面与裂缝面的夹角( º) 。θ通过对裂缝宽度数据的统计, 作 出其分布图。 这 个参数是定量描述裂缝的 重要参数[1]。2)缝宽与围压的关系研究表明, 随 围岩压力增大, 裂 缝宽度迅速变小。 但 到一定围压 ( 埋深) 时 ,缝宽随围压变化很小,且砂岩变化剧烈,泥岩变化平缓。 3)实验室模拟根据实验室模拟地下情况对碳酸盐岩样品压裂测试其缝宽。4)地面露头测量通过实测地面露头裂缝缝宽, 来 确定地下裂缝宽度的上限, 推 测地下裂缝 宽度一般不会超过该范围。( 3)方位确定地下裂缝方位, 应 用了 7个方面的资料: ① 与褶皱有关的裂缝理论分 析方位; ② 断层系统所显示的裂缝方位; ③ 岩心实测裂缝方位; ④ 裂缝测井解释 的裂缝方位和现今地应力方位; ⑤ 古地磁测定及微电阻率扫描确定的裂缝方位; ⑥露头测量的裂缝方位; ⑦ 曲率分析、 有 限元法及断裂力学方法计算得到的裂缝 分布方位。( 4)裂缝孔隙度裂缝孔隙度 是指裂缝总体积 3- 2)/f f 3- 2是衡量裂缝体积的参数。岩心裂缝孔隙度是指单位体积基质岩心上的总裂缝体积。值在储集层评价和资源生产上的意义或重要性取决于所涉及的裂缝性储17]。在 那些裂缝系统既提供了主要的孔隙度又提供了主要渗透率的 裂缝性储集层中, 早 期计算裂缝孔隙度或单井控制的裂缝体积是非常重要的。 为 了恰当的评价储集层,我们 必须尽早地知道这一体积,并 在早期生产的整个过程 中 ,必须运用资料许可的尽可能多的方法对这一参数进行不断的修正。裂缝孔隙度一般小于 最大可大至 6%左右。其值虽然很小,但若存在大范围的巨厚储层 ( 其累计裂缝体积就大了) 或 基质孔隙度很小时, 裂 缝孔 隙度就显得重要了。此外由于裂缝是连通的,因此它对渗透率的影响是非常大的,裂缝孔隙度相对较小的增加都会对渗流起重大作用。 ( 5)裂缝渗透率裂缝性储层存在两种渗透率, 即 基质渗透率和裂缝渗透率。 一 般裂缝渗 透率 用岩石薄片鉴定可以计算裂缝渗透率 [4],这是全苏地质勘探科学研究所提出的方法,简称薄片法。( 3- 3)3=式中 A— 系数,它的数值取决于岩石中裂缝组系的几何形状;— 薄片中实测的裂缝宽度, m m ;—— 薄片中的裂缝长度, m m ; 薄片面积, m 响宏观构造裂缝渗透率的最主要的因素是它的开度和间距(或密度)。素我们这里之所以要讨论裂缝间距,是 因为裂缝间距是预测储集层裂缝孔隙 度和裂缝渗透率的一个重要参数,它的变化对裂缝孔隙度和渗透率有着剧烈的影响 。图 3- 1和图 3- 2表示了裂缝间距和裂缝宽度对这两个储集层参数的综合 影响的特征。图 5 是由于相当于裂缝间距或基块来 讲地下取样方法所观察的范围较小, 从 而造成裂缝间距定量化的困难。 此 外, 天 然裂缝系统经常具有复杂的交叉切割结构, 因 此很难正确地确定其平均间距。 要 对碳酸盐岩储层裂缝间距进行预测,首先要分析影响其裂缝间距的各种因素。 影响碳酸盐岩裂缝间距的主要因素如下:( 1) 成 分: 1980) 曾 指出裂缝密度与岩性的关系: 岩 石的脆性 越大, 裂 缝密度越大, 间 距越小。 岩 石中的脆性成分主要是石英、 长 石、 白 云岩 和方解石等,裂缝的发育程度依白云岩、灰质白云岩和石灰岩的顺序依次降低。图 5物成分和粒度)的关系( 2)孔隙度:岩石强度随着孔隙度的增加而降低,因而在其他条件相同的情况下,孔隙度低的岩石裂缝密度大,间距变小。 ( 3)层厚:大量资料表明,若其它条件相同,裂缝间距随着层厚的减薄而减小,薄层比厚层岩石具有更大的裂缝密度。 根据大量野外露头观测, 裂 缝间距和层厚的经验统计关系是: 裂 缝间距与 裂缝所在层的层厚成线性关系,并定义层厚( T)与间距( S)之比为裂缝间距指数( I), 即 : I= T/S ( 3- 4)此外, 存 在上述关系的条件是裂缝垂直层面, 以 及层厚小于 2m ( 984,1991) 。( 4)构造部位、边界及边界上受力方向和大小: 1966)指出,裂缝的密度与应变能有关, 在 岩层厚度相同的情况下, 应 变能相对高的岩石具有较 大的裂缝密度。应变能密度可表示为: ( 3- 5)1/2w σε= i( )式中 —— 应变能;w—— 应力分量;σ—— 应变分量。ε对于线弹性体,由于 ( 3- 6)2/2w )故构造裂缝的密度与研究区应力和应变的分布有关。 而 应力、 应 变的分布 又与岩石力学性质、构造部位和边界及边界上受力的方向和大小有关。 此外, 当 岩层弯曲产生纵张裂缝时, 裂 缝密度也与构造部位有关, 在 岩层 曲率和倾角变化率较大处,裂缝密度较大。在石油地质勘探与开发的自始至终,人 们直接接触到的资料主要来源于两 个方面: 其 一是大量的岩芯资料; 其 二是地震和测井资料。 目 前多数学者或是仅 从岩芯资料 ( 包括测井资料) 简 单地描述裂缝的发育程度, 在 单井中划分出若干 裂缝发育层段;或是仅利用构造面根据薄板弯曲模型对裂缝发育进行理论上的研 究。 前 者立足于实际, 可 信度高, 但 获得的成果往往只能反映某一井的局部层 段裂缝发育程度, 而 无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。 后 者能从理论上研 究区域性裂缝的发育状况及大体展布规律,但 不能回答所得到的成果与实际的符 合度,即无法回答可信度的大小 。因此, 现 在面对的问题是, 如 何将这两种方法有机地结合起来, 以 达到既 能预测区域性裂缝的发育程度,又能回答所得到的结果与实际情况的相关性。 根据已有资料,对寒武系洗象池组气藏裂缝进行了初步研究,其方法如下: 对研究区域的所有取心井进行观察研究,对 发育有裂缝的层段除描述其类 型外, 还 要测量其裂缝间距。 由 于各井所处的局部构造部位及相对高程不同, 裂 缝发育层段的间距也不相同。 统 计各井的裂缝间距后, 便 可建立相应的裂缝发育 模型。通过对控制构造裂缝间距的几个重要地质参数(成分、孔隙度、岩层厚度、构造位置等) 的 分析, 能 预测相对裂缝间距。 首 先将这些影响因素与岩心资料 得到的裂缝间距建立对应关系, 然 后将数据标准化或级差化, 将 标准化的数据进 行数学地质处理, 结 果表明, 影 响构造裂缝最发育的因素是构造曲率, 其 次是岩 层厚度、孔隙度。其多元统计回归模型为:2 2 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10(, , )ay az + + + + + + + + +( 3- 7)式中: —— 裂缝间距( m ) ; —— 构造曲率( 1/; —— 岩层(, , )x —— 孔 隙 度 ( % )。井间等)裂缝间距的变化。 时也是解决目 前数值模拟过程中采用均一裂缝参数的关键之一。在本文引用了 岩层受拉张应力产生弯曲裂开后的一个单元 (图 3- 4),此 时 该 单 元 的 裂缝孔隙度可据图上的几何形态计算出来( ), 即 : ( 3- 8)221(2 )21(2 )2f + ∆−∆= + ∆式中: —— 裂缝孔隙度,%; 中性面以上岩层的厚度, m ;R—— 曲率半径, m ;岩层弯曲后所形成裂缝间隔之间的夹角,( º) ;θ∆—— 半径为 R、夹角为 时的弧长, m 。S∆ θ∆因为 = R,所以上式简化为:S∆ θ∆ ( 3- 9)2f +图 5裂缝渗透率可以由曲率半径、 裂 缝的间距 e、 生产层的流动界 面之间建立如下关系式:( 3- 10)3 32 22 148 48f K ⎛ ⎞ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠式中: —— 裂缝渗透率, 10 裂缝间距, m ;R—— 曲率半径, —— 中性面以上岩层厚度, m 。这样裂缝孔隙度和渗透率就成为岩层厚度、 裂 缝间距和曲率的函数了。 通 过求取构造面的曲率值,即可形成储层裂缝孔隙度和渗透率的三维定量参数场。 1)建立模型方法由岩心、测 井或地震资料得到的裂缝各项表征参数往往只能反映部分井的 局部层段裂缝发育特征,而无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。裂缝地质建模实际上是表征储层裂缝结构及其参数的定向分布和变化特征,建模的核心问题为井间预测, 在 原定资料前提下, 提 高裂缝模型精细度的主要 方法即是提高井间预测精度。 井 间预测有两种途径, 即 确定性建模和随机建模。 确定性建模对井间未知区给出定性的预测结果,即 试图从已知确定性资料的控制 点如井点出发, 推 测出控制点间确定的唯一的真实的储层参数; 而 随机建模则是 对井间未知区应用随机模拟方法得出多种可能的等概率的预测结果。此次建模我们选择确定性建模方法,也即选择插值法进行建模。 井间插值方法很多,大 致可分为传统的统计学插值方法和地质统计学估值 方法(主要是克里金方法)。 由于传统的数理统计学插值方法(如反距离平方法)只考虑观测点与待估点之间的距离,而 不考虑地质规律所造成的储层参数在空 间上的相关性, 因 此插值精度很低, 实 际上, 这 种插值方法不适用于地质建模。 为了提高对储层参数的估值精度,人们广泛应用克里金方法来进行井间插值。克里金方法是地质统计学的核心,它 是随着采矿业的发展而产生的一门新 兴的应用数学的分支。克 里金方法主要是应用变异函数和协方差函数来研究在空 间上既有随机性又有相关性的变量即区域化变量。 在 本文研究方面, 从 岩心、 测 井资料中获取的裂缝参数如宽度、间距、长度等均为区域化变量。 克里金法估值, 是 根据待估点周围的若干已知信息, 运 用变异函数特有的 性质,对待估点的未知值做出最优(即估计方差最小)、 无偏(即估计值的均值与观测值的均值相同)的估计。 应用克里金法进行井间 ( 点间) 估 值时, 首 先是确定待估点周围的已知数 量点的参数对待估点的贡献大小 ( 即加权值), 然 后进行估值计算, 其 一般表达式 :( 3- 1)1*( ) ( )n i X==λ∑式中: —— 待估点的克里金法估计值;*( ) 待估点周围某点 处的观测值, = 1, 2··, n;( )iX 加权系数,表示各信息点对待估点估值的贡献大小。iλ 如 简单克里金、 普 通克里金、 泛 克里金、 因 子克里金、 协同克里金、指示克里金等。这些方法可用于不同地质条件下的裂缝参数预测。克里金方法是一种光滑内插方法, 实 际上是特殊的加权平均法。 它 难于表 征井间参数的细微变化和离散性, 同 时, 克 里金为局部估值方法, 对 参数分布的 整体结构性考虑不够, 因 而, 当 储层连续性差、 井 距大且分布不均勾时, 则 估值 误差较大。 因 此, 克 里金方法所给出的井间插值点虽然是确定的值, 但 并非真实 的值,仅 是接近于真实的值,其 误差大小取决于方法本身的适用性及客观地质条 件 。然而, 就 井间估值而言, 克 里金方法比传统的数理统计方法更能反映客观地质 规律,估值精度相对较高,是定量描述裂缝储层的有力工具。
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