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裂缝储层

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裂缝
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储层地质学及油藏描述,裂缝性储集层,徐守余中国石油大学地球资源与信息学院2018年6月,储层地质学及油藏描述,裂缝性储集层以其形成条件和分布规律的特殊性、油气藏形成的复杂性、油气井钻探的风险性而吸引了众多的石油地质、开发地质工作者。,储层地质学及油藏描述,裂缝储集层概述裂缝形成的地质背景和影响因素裂缝性储集层的发育条件裂缝识别与描述裂缝预测,储层地质学及油藏描述,一、裂缝储集层概述,储层地质学及油藏描述,1、裂缝裂缝是一种岩石间丧失结合力的空间面。裂缝两侧的岩石发生了显著位移则称为断层。而没有发生较大位移则称为节理。裂缝的存在是裂缝性储集层形成的必要条件。裂缝的空间分布影响储集层的非均质性和油水运动规律,最终影响油气采收率。裂缝研究是储层研究的重要内容之一。,储层地质学及油藏描述,2、裂缝的类型不同的分类依据有不同的分类方案。裂缝的成因力学成因:张性裂缝、压性裂缝、扭性裂缝地质成因:构造裂缝、地层裂缝、其他裂缝裂缝的几何性质几何形态:走向缝、倾向缝、垂直缝、水平缝大小:微裂缝、裂缝裂缝的孔隙特征充填程度:无充填、半充填、充填充填物质:方解石、白云石等,储层地质学及油藏描述,3、裂缝的作用裂缝可以使一些不具备孔隙的岩层变成储层和生产层。开启裂缝的存在可提高储层的渗透率、使一些低渗透率油层具有开采价值。张裂缝穿过盖层并破坏其封闭性,开启的裂缝可成为油气散失的通道。裂缝能改善储层的渗透率,加快采油速度,但总的来说对于提高采收率是不利的。裂缝延伸越远,与基质孔隙的渗透率差别大的裂缝,越是对提高采收率不利。,储层地质学及油藏描述,4、裂缝储集层类型纯裂缝储集层裂缝-孔隙型储集层孔隙-裂缝型储集层孔隙-洞穴-裂缝型储集层裂缝-洞穴-孔隙型储集层裂缝-溶洞型储集层孔隙型储集层,储层地质学及油藏描述,5、裂缝油藏类型裂缝非均质油藏石油储量主要赋存于孔隙中,裂缝中不储存有意义的储量,裂缝有一定的流体渗流能力,而加剧了储层的非均质性。纯裂缝性油藏石油全部储存在裂缝中,并全部依赖裂缝流动。双孔隙度油藏在裂缝和孔隙中都有一定的石油储量,但开采中石油必须依赖裂缝渗流往井中供油,孔隙中的油只能通过裂缝产出。双渗透率油藏在裂缝和孔隙中都有一定的石油储量,开采中裂缝和孔隙都可以分别向井中供油。,储层地质学及油藏描述,6、裂缝描述与研究的内容裂缝产状:倾角、走向,与储层产状关系裂缝规模:纵向穿切深度,横向延伸长度,分布密度裂缝开启程度,充填程度及有效开启程度裂缝力学性质识别裂缝组系及油藏内发育分布规律裂缝的储油能力(φ)和渗流能力(K)裂缝的成因裂缝综合评价及预测,储层地质学及油藏描述,二、裂缝形成的地质背景和影响因素,储层地质学及油藏描述,1、裂缝形成的地质背景裂缝是在特定的地质背景下形成的,概况起来包括如下几方面:1)与水平挤压作用有关的褶皱在水平挤压作用下,层状岩石会发生褶皱。裂缝一般发育在褶皱的顶部。常见的有三组裂缝,一组为与最大水平应力平行的张性裂缝,是区域应力直接作用下形成的;第二组为与水平最大压应力成一角度的一组剪切裂缝,也是在区域应力作用下直接造成的;第三组裂缝为垂直于最大水平应力方向上的张裂缝,是由于褶皱时在背斜顶部由于岩层弯曲造成的局部应力场而形成的张性裂缝.,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,2)垂直于岩层层面向上的局部应力可使沉积岩产生弯曲,形成穹隆或隆起等正向构造,这类构造可在张性环境下形成。裂缝的发育从与下伏基底或地垒岩块直接接触的岩层向上延伸,形成垂直裂缝,并在其边缘形成倾斜的裂缝。3)伴随断层发育的裂缝。任何大的断裂带都是由许多不连续的、规模不大的小的断层系组成的,纵横相联的断层相互交错形成复杂的断裂带。裂缝的密度和强度通常随远离断层而变小。,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,4)与流体压力有关的裂缝是非构造应力变形情况下常见的张性裂缝。岩石孔隙压力的增加可大大降低岩石的极限压力。由于岩石的抗张极限强度较抗压极限强度要低得多。因此,岩石孔隙压力在某些情况下可超过围压并使岩石产生张性裂缝。5)由于盆地内部的差异运动或其他原因使沉积盆地的一部分或全部上升,上覆部分地层被剥蚀,使上覆压力降低。上覆压力的释放可以在岩层中产生平行于岩层方向的裂缝。此外由于盆地地形变化,地形抬高处含水层中的地层水向盆地深部流动,当地层深处地层中的水压超过一定程度后,可能产生天然水压裂缝。,储层地质学及油藏描述,6)缝合线构造。缝合线是压溶作用的产物,在骨架孔隙度相对较低的碳酸盐岩中比较常见。缝合线不是开启的裂缝,不具连续的渗透率。缝合线常与一种很短的张性裂缝垂直相交。这组张性裂缝的方向与σ1方向平行,在大多数情况下垂直于岩层层面。当这些张裂缝与压溶相联时便成了缝合线的“牙齿” ,对储层的渗透率有改善。压溶对埋深比较大的碳酸盐岩储层来说是特别重要的。,储层地质学及油藏描述,7)区域裂缝。区域性裂缝是在区域在大面积上发育的裂缝,这种裂缝在大面积内切割所有局部构造,走向相对稳定。破裂面沿裂缝延伸方向无明显水平错位,且大致垂直于层面。区域裂缝与局部构造裂缝的主要差别在于其几何形态简单、稳定,裂缝间距相对较大。8)失水可造成在沉积岩石中产生裂缝。其中由矿物脱水形成的裂缝对储层的孔隙意义最大。脱水是沉积物体积减小的一种化学过程,这些过程包括粘土的失水和体积变小或凝胶或胶体的失水和体积变小。脱水作用所形成的裂缝在沉积物三维空间内发育成三维多边形网络,分布均匀,裂缝的连通性好。这种脱水裂缝可见于泥岩、粉砂岩、砂岩、石灰岩和白云岩中。,储层地质学及油藏描述,9)矿物发生相变可造成体积的缩小而产生微裂缝。便如方解石向白云石转化,蒙脱石向伊利石转化均可导致体积减小,产生裂缝。10)岩石在冷却的过程中会发生收缩而形成裂缝,如玄武岩的柱状节理。11)风化作用(各种机械风化和化学风化)可造成裂缝,这类裂缝对于形成不整合面之下的古风化剥蚀储层特别重要。12)大的陨石与地壳的碰撞可造成大量的裂缝,并在适当的条件下形成油气聚集的场所。,储层地质学及油藏描述,2、裂缝形成的影响因素裂缝的形成是由于受力的作用而使得岩石的结合面发生变化而产生的,因此其影响因素归根结底包括两大类:(1)构造应力作用在岩石上的构造应力的性质、大小、方向和边界条件等直接控制了裂缝的发育。构造运动对裂缝储集层的形成、演化起着重要作用。不管区域性构造运动方式是升降为主还是侧向挤压为主,都会控制和影响裂缝的发育。,储层地质学及油藏描述,(2)岩石性质岩石的物理性质直接影响裂缝的发育程度,脆性岩石易产生裂缝,塑性岩石不易产生裂缝。,储层地质学及油藏描述,,(3)储集层厚度及地层组合储集层厚度也是影响裂缝发育的重要因素。地层厚度越大,裂缝密度越小、宽度越大。当地层为薄层时,常为层间滑动,裂缝发育少。当地层为单厚层时,裂缝穿层明显。,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,三、裂缝性储集层的发育条件,储层地质学及油藏描述,从储集层意义上讲多条微裂缝较单条大裂缝更有价值。这是因为:当裂缝在围压增大时将随之闭合,即使在地表附近较宽大的裂缝在埋藏较深时,其宽度也会减小,而微裂缝的减小幅度相对低。单一宽大裂缝易受地下水的作用而产生充填作用,从而导致有效裂缝快速减小。多裂缝的裂缝面积较单裂缝大,溶蚀效应较单裂缝大。要形成良好的裂缝系统,应具备以下条件:,储层地质学及油藏描述,1、有利的岩石类型脆性岩石有利于裂缝发育,通常胶结致密的碳酸盐岩较孔隙发育的砂岩的脆性强,泥质含量较高时不易产生裂缝。较好的岩石主要有:砂岩中粒度较小的细砂岩、粉砂岩泥质含量较低的亮晶灰岩、白云岩。,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,白云岩裂缝级别层次特别丰富,储层地质学及油藏描述,2、有利的构造部位裂缝时构造运动的结果,裂缝的发育与断层和褶皱密切相关。(1)褶皱上的有利部位,储层地质学及油藏描述,断层附近裂缝发育程度显著增大,储层地质学及油藏描述,(2)与构造作用时期的关系在构造运动的早期,地层变形不太强烈时所产生的裂缝主要在脆性薄地层中,且裂缝产状微垂直与构造走向。构造运动的中晚期,裂缝发育在较厚的地层中,切产状平行于走向。,储层地质学及油藏描述,四、裂缝识别与描述,储层地质学及油藏描述,1、裂缝的识别识别储层中裂缝系统并研究其空间分布特征是油气开发中必不可少的工作。裂缝识别是裂缝描述的重要内容,是一项探索性和综合性很强的工作。裂缝的形成和分布是诸多因素综合作用的结果,这些因素在不同的地质条件下表现不同。目前识别裂缝主要通过如下手段:,储层地质学及油藏描述,(1)岩心裂缝识别岩心裂缝识别于描述是地下储层裂缝最直接的第一性资料,主要描述裂缝的顶深、倾向、倾角、投影长L、中心距H、开度B、裂缝面性质,并对天然裂缝和人工裂缝进行区分。天然裂缝识别、裂缝产状、裂缝力学性质、裂缝形态、裂缝充填物、裂缝组系、微裂缝,储层地质学及油藏描述,天然裂缝与人工诱发裂缝的区别人工诱发裂缝的识别特征:1,断口很不规则或呈贝壳状。2,平行于岩心抓痕或定向刻槽。3,诱发裂缝总是平行岩心轴线。4,岩心在岩心筒内扭转导致螺旋式形状。5,岩心中心线的张性缝。6,岩心与钻头间不稳定摩擦滑脱引起花状缝。天然裂缝的一般特征:1,充填有胶结物、矿物,且与钻井液无关。2,裂缝包含在岩心内部,不延伸达岩心边缘。3,呈平行组系产出。4,具擦痕面,指示运动方向与区域应力方向一致。5,岩心具稳定的方向或方位,符合裂缝分布规律。,储层地质学及油藏描述,(2)利用测井资料识别裂缝裂缝可从对岩心测井资料的分析和解释来实现。参照常规标准岩石物理测井方法的解释,应用倾角测井特别是近年发展起来的地层微扫描(Formation Microscaner)和井下电视测井技术,能在井中发现许多裂缝的踪迹。虽然裂缝的存在不同程度地在不同的测井响应中表现出来,目前尚无特别有效的测井工具能在井下识别裂缝并定量描述其特征。因此用测井资料识别裂缝,应尽可能地收集和参考其它有关资料作为测井解释的辅助证据。,储层地质学及油藏描述,A、变密度测井(Variable Density Log,简称VDL)进入裂缝带,VDL表现为图象的突然变化,变得模糊不清,或出现人字状图形。但应注意,在VDL测井图上,图象模糊不清或出现人字状图形并不一定指示裂缝带的存在。不同岩性的薄互层也可造成这种异常。B、长间距声波测井(Long-Spaced Sonic Log,简称LSS)LSS遇到裂缝后,声波的能量从一种波的形式转换到另一种形式(如从Stoneley波到Pseudo—Ralyleigh波),因此接收到的能量变弱。,储层地质学及油藏描述,C、全波列声波(Array—Sonic) 裂缝的存在会使全波列声波仪器接收到回波的能量降低,这是因为沿裂缝面部分能量被反射,部分被折射,部分可能转换成为其它形式,这种方法对近水平的裂缝比较有效,但对垂直裂缝反应不太明显。全波列声波同时记录横波与纵波,所以可以计算岩石的泊松比。在裂缝发育的岩层中,泊松比与无裂缝带的同类岩石相比要高,故泊松比高是岩层中裂缝存在的标志。D、井径测井(Caliper Log)钻井通过裂缝带时,因裂缝带中的岩石容易破碎而塌落,使井径扩大。若井径沿一个方向上扩径,形成近椭圆形的井筒,其长轴方向可能指示裂缝延伸方向。,储层地质学及油藏描述,全波列测井,剪切波能量明显衰减处指示裂缝,储层地质学及油藏描述,E、温度测井由于裂缝带中钻井泥浆侵入,使得裂缝带发育处地层温度降低。井段中出现温度偏离正常温度趋势的低温段,可能指示裂缝的存在。但应注意其它因素造成的井温异常。F、井下声波电视井下声波电视实际上是一种声波扫描,它利用声波的反射、折射原理用定向高频波对井壁进行360°全方位扫描。接收从井壁上反射来的回波信号(幅度和时间),将回波信号的幅度变换后,成象得井壁图象。无裂缝地段地层对声波能量收吸能力弱,回波信号强,图象为白色,在井壁出现裂缝的地方由于吸收回波能量相对较弱,在图象上呈暗色。所以利用井下声波电视可以直接观察裂缝。,储层地质学及油藏描述,G、地层微电阻率扫描(Formation Microscaner)地层微电阻率扫描采用四个相互垂直的极板测量井壁的电阻率。由于每一个电极板有16个电极,每个极板测出16条电阻率曲线,四个极板的观察值可拼出一幅有间断的井壁电阻率图象。在FMS图象上裂缝比较直观,一般裂缝在图象上为暗色。虽然许多测井响应可不同程度地反应裂缝的存在,但利用任一种测井信息都不可能对裂缝进行有效、定量地描述。,储层地质学及油藏描述,(3)、其它裂缝识别资料与方法定向取心:岩性直接可取得裂缝信息试井:可判别有无裂缝,干扰试井可知裂缝走向示踪剂:判断裂缝程度及走向动态响应:定性及定量判断裂缝,储层地质学及油藏描述,2、裂缝描述裂缝描述是裂缝研究的重要组成部分,描述内容包括:(1) 、裂缝产状裂缝的产状包括裂缝的走向、倾向和倾角。A、定向取心井可直接确定裂缝产状B、非取心井:岩性古地磁定向 岩心中裂缝产状与地层产状建立关系 利用倾角测井资料推算倾向和走向C、野外观测,储层地质学及油藏描述,(2)裂缝力学性质A、张性缝断面粗糙不平直、擦痕少见、平行组系,构造岩多为疏松的角砾岩,张裂带缝洞发育,渗透性好,声波在其中传播多出现反射、折射、绕射和散射等现象,能量衰减快,声波时差较大。,储层地质学及油藏描述,B、压性缝断面光滑平直、擦痕多见、共扼组系,构造岩紧密、坚硬,孔洞不发育,含水性和渗透性较差,常常重结晶或形成新的变质矿物,外来物质相对较少,破碎物质多具定向排列;岩石主要是压碎岩、糜棱岩、压扁岩等,声波时差较小,衰减较慢。,储层地质学及油藏描述,(3)、裂缝形态描述描述裂缝的长度、宽度、开度和密度等A、垂直长度指记量平行裂缝面倾向的铅垂面上的长度。B、宽度指垂直裂缝面方向上两壁的相对位移距离。C、开度指充填物充填后剩余的可作储集空间的宽度。,储层地质学及油藏描述,D、密度为了定量描述裂缝发育的密度,引入线密度、面密度和体密度的概念。线密度:指垂直裂缝面方向上,单位长度岩石的裂缝条数。它描述了裂缝发育的数量特征,当线密度较大,表明裂缝数量较多且密集。面密度:指垂直裂缝面的平面上,单位面积内裂缝的总长度。它全面反映了裂缝的发育特征,不仅反映了裂缝的条数,且反映了裂缝的延伸长度特征。体密度:指单位岩石体积所含的裂缝的面积之和,它从三维空间反映了裂缝发育特征。,储层地质学及油藏描述,影响裂缝密度发育主要有以下四个因素:1)构造应力作用越强,裂缝密度越大;距断层越近,裂缝发育越强烈,密度也越大;褶皱曲率越大,裂缝越多,开口越大。2)岩石成分影响岩石的力学性质,如极限强度和脆性。例如白云岩比灰岩容易发育裂缝。3)岩石的结构。例如,其他条件相同,裂缝在粗晶结构的灰岩中密度小,在细晶结构的灰岩中密度大。4)层理构造,薄层中裂缝密度比厚层中要大。,储层地质学及油藏描述,(4)、裂缝充填性裂缝充填性指裂缝被充填的情况。这对储集层的研究非常重要,只有充填性较差的裂缝系统才具有良好的储集空间和渗流通道。通常按裂缝被充填与否及充填物的多少,将裂缝充填分为全充填、半充填和无充填三种情况。充填物种类:矿物、泥质、古土壤等矿物充填应描述矿物、晶形、结晶体方向与缝面关系、是否有多期矿物充填、是否有包裹体,通过包裹体可确定裂缝张开时的古温度和压力,是判断裂缝形成地质时代的重要依据。,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,晶洞中充填的自形方解石,储层地质学及油藏描述,(5)、裂缝组系1、根据裂缝产状、力学性质及相互交切关系划分裂缝组系2、根据裂缝交切判断形成时间的早晚,被截切位移的组系为早期缝3、注意后期缝沿早期缝再次裂开或扩张延展的识别4、根据裂缝充填矿物的世代判断组系的早晚,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,灰白色灰质云岩中的微裂缝,灰色泥质灰岩中的微裂缝,(6)、微裂缝1、发丝状微裂缝,肉眼不能清晰描述,可根据岩心表面的挥发液或揭片(照相)后描述2、显微裂缝,磨片观察(垂直层面切片,尽可能制大片),储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,(7)、裂缝露头调查露头点的位置、构造位置岩石类型地层走向、倾角厚度裂缝的间距组合关系最大主应力方向裂缝走向、倾向、倾角、长度、形态、力学性质,储层地质学及油藏描述,野外裂缝级别划分数据表,储层地质学及油藏描述,汶南露头大裂缝的宏观特征,储层地质学及油藏描述,储层地质学及油藏描述,小裂缝,微裂缝,储层地质学及油藏描述,碳酸盐岩层状岩石裂缝(裂缝层间终止),储层地质学及油藏描述,四组裂缝发育组系,储层地质学及油藏描述,汶南,九龙山,八陡,五阳山,崮山,总体,露头剖面裂缝走向玫瑰花图,储层地质学及油藏描述,露头大裂缝切层深度分布频率和延伸长度直方图,储层地质学及油藏描述,3、裂缝的孔隙性研究裂缝储集层,要注意区分基质和裂缝各自的特点。特别注意小岩样(甚至包括全直径样品)不能完全代表整个储集层的孔隙和裂缝的空间特征。裂缝的孔隙度被定义为单位体积中的裂缝体积,即,虽然裂缝孔隙度可大到6%,但一般裂缝孔隙度小于1.0%(Howard等,1990),因此,当基岩的孔隙大时,评价Φf的精确性意义不大,只有当基岩的孔隙小时,裂缝孔隙度才很重要。,储层地质学及油藏描述,裂缝孔隙度可通过多种方法估计,例如用裂缝密度和宽度资料计算,也可用三维岩心试验等方法测出。Howard等人(1990)应用以下计算公式计算裂缝的面积孔隙度:,As—取样面积;Li —裂缝的长度;Wi—裂缝的宽度。,储层地质学及油藏描述,4、裂缝的渗透率裂缝储集层由于基质孔隙与裂缝孔隙同在,存在着两种渗透率。裂缝储集层的渗透率是这两种渗透率之和。但通常裂缝渗透率比基质渗透率高出许多(几百倍甚至几千倍以上)。在非常简单的情况下,一条裂缝可以近似地看成为一个薄板。对于一条长度为1,宽度为b,以α角度纵贯横截面为Wh的岩体的裂缝,其纵向上的裂缝渗透率为:,裂缝的渗透率正比于裂缝宽度的三次方,可见裂缝宽度对流体流动的影响很大。,储层地质学及油藏描述,Fritsen Corrigan(1990)在北海Ekofisk油田对多裂缝系统渗透率用下式表示:,βw—沿宽度方向裂缝的平均夹角;βL—沿长度方向裂缝的平均夹角。,储层地质学及油藏描述,Howard等人(1990)根据观察到的裂缝长度和宽度的分布,应用统计方法计算裂缝的渗透率:,对复杂的裂缝及裂缝网络系统,很难对裂缝系统的流体流动过程用简单的数学方程式表达,其裂缝渗透率也很难用简单的公式求出。,储层地质学及油藏描述,五、裂缝预测,储层地质学及油藏描述,1、基本原理裂缝的形成是由于受力的作用而使得岩石的结合面发生变化而产生的,因此,裂缝预测离不开应力的预测、岩石力学参数的判定及岩石破裂准则。,储层地质学及油藏描述,(1)地质模型主要包括裂缝主要形成期的构造形态特征,构造演化,断层活动信息,地层信息(地层岩石组合及其分布),可能的力源等。有效缝形成时期确定裂缝形成期的主要方法有:1)地质构造方法,包括构造变形特征分析,裂缝的交切关系和分期配套等;2)实验室方法,主要测定裂缝充填物中的矿物和包体的年龄。有效裂缝成因古构造模型构造变形特征及岩性组合,储层地质学及油藏描述,(2)岩石力学参数岩石力学参数是裂缝预测的重要参数,主要包括岩石的弹性参数、强度参数及破坏应力等。这些参数一般经实验室测定。,储层地质学及油藏描述,(3)岩石破裂准则库仑-莫尔剪破裂准则剪破裂的发生不仅与破裂面上剪应力有关,还决定于其上的正应力。[τ]=C+σn tanψ格里菲斯准则脆性物体的破坏是由于存在随机分布的微裂缝,当外载荷增加时,在裂缝的末端会产生应力集中而导致裂缝的扩展,从而产生宏观裂缝。,储层地质学及油藏描述,2、裂缝预测实例分析以富台古潜山为例:,八陡组,储层地质学及油藏描述,凤山组,储层地质学及油藏描述,,凤山组裂缝孔隙度为80%的概率模型,冶里-亮甲山-凤山层段裂缝发育程度平面图,储层地质学及油藏描述,3、裂缝综合分析裂缝发育程度(力学性质、岩石类型等)分析裂缝穿层情况编制裂缝地层综合柱状图和裂缝平面分布图裂缝形态综合分析裂缝间距分析裂缝物性估计全油藏裂缝分布的描述和预测,
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