裂缝性储层预测新方法和新技术

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 0.01 毫达西左右，只有当构 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 0.1 毫 达 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
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。
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 S 波分析 资料 上 ，国 外提 出 了旋 转方 法 (Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋转相关法(Bowman,1987)和纵横比方 法(Smith,1989)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 S 波法。 利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 E32 储层裂缝进行了预测，指出 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
2
国外研究现状
1968 年，G.H. Murry 将构造横剖面看作弯曲的“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 Masanobu Oda 引进裂隙张量来研究各向异性裂隙岩体的孔隙性指数。 80 年代初， 美国的范. 高尔夫─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 P.L.Gong Dilland 从理论上证明分形理论可用 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 Barton C.C. (1985)、Hirata(1989)、Thomas and Blin-lacroix(1989)、 Velde B. and Duboes J (1990)、Main(1990)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 ， Barton C.C.通过研究认为 ， 当裂缝的分维 D 大于 1.34，裂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、CT 扫描仪、微 Lambda 测井、环 形声波测井、成像测井(FMI)、全井眼地层微电阻率成像(FMI)、DSI 偶极横波成 像仪和井下电视仪(BHTV)等，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。
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
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 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ห้องสมุดไป่ตู้模拟法预测裂缝 五、构造曲率法预测碳酸盐岩储层
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
* 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
* 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
* 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
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 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。
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。
图1 1 裂缝性储层的概念
油气储集层的主要类型
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 0.1 毫达西，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 0.01 个毫达西，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，
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。