CN104331745B - 油气藏内天然裂缝的分期、分成因预测评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种油气藏内天然裂缝的分期、分成因预测评价方法，具体实施方案为：获取裂缝充填物样品；对样品进行天然裂缝的分期配套分析；开展岩石声发射实验模拟恢复岩石破裂的记忆期次；明确成因类型；确定天然裂缝形成期次和成因类型，将油气藏内的天然裂缝系统划分为多个单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统；对各天然裂缝子系统的预测结果进行综合叠加形成预测结果；将获得的预测结果与裂缝发育情况进行对比分析。采用上述技术方案，将多期次、多成因类型的复杂天然裂缝网络系统通过期次剥离、成因类型确定将其划分为单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统作为基本研究对象，提高了在油气藏天然裂缝预测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝型油气藏勘探开发领域，特别涉及到地质演化历史中多期次、多成因叠加而成的复杂裂缝网络系统的预测和评价领域。
背景技术
天然裂缝是地层中广泛发育的一种地质构造现象，在油气勘探开发过程中，天然裂缝往往起到储存油气和疏导油气的作用，是裂缝型油气藏勘探开发的关键。目前世界油气产量超过40％产于裂缝型油气藏，而裂缝型油气藏的勘探开发关键之一在于对天然裂缝的预测和评价。关于油气藏天然裂缝的研究在国内外已开展了大量工作，对期次、成因相对简单的裂缝网络系统的特征描述和分布预测也取得了很大的进展；但在地质构造演化相对复杂的区域(如我国西部四川盆地、塔里木盆地等)，其地层中天然裂缝的形成往往是多期构造活动所致叠加而成，而且每期裂缝的形成成因也有所不同，这大大增加了天然裂缝的预测评价工作的难度，是目前裂缝型油气藏勘探开发困难的主要瓶颈。
目前国内外针对油气藏内天然裂缝的研究，目前还未提出将多期次、多成因叠加而成的复杂裂缝网络系统根据其形成期次和成因分解成多个相对独立的子系统来进行研究和预测；而还主要是将其作为一个完整的系统进行描述，并采用“基于地球物理的物探预测技术”和“基于地质力学的预测技术”两种技术进行笼统的预测和评价。
物探预测技术是利用采集的地球物理信息提取对油气藏中天然裂缝的响应特征，并找到所对应的地震响应属性或者对属性的组合、处理、变换之后的新变量之间关系，从而完成天然裂缝的预测和评价工作；该技术的主要步骤如下：
1)对含裂缝介质的地震波响应特征进行物理模拟和数值模拟，搞清楚含裂缝介质的地震响应特征，为物探预测提供基础。
2)结合钻井岩心、成像测井裂缝解释段对井剖面地震响应特征进行标定，落实油气藏内天然裂缝发育段典型的地震响应特征和信息。
3)基于不同的地震数据体以及其对油气藏天然裂缝的响应特征，采用各种算法对地震属性或者参数进行组合、提取、处理或者变换(如小波多尺度边缘检测算法、希尔伯特变换边缘检测算法、高斯—拉普拉斯边缘检测算法、地震属性相关性检测法、地震属性相干检测法、小波分形指数算法等)来进行天然裂缝发育带的检测。
4)利用钻井上天然裂缝发育情况及油气生产对天然裂缝的响应特征对地震预测天然裂缝发育带进行吻合性检验，如吻合性不够，结合检验情况返回步骤2)继续获取更有效的天然裂缝地震响应特征，重新设计算法，完成裂缝的预测和评价。
从国内外目前基于物探预测技术对天然裂缝的预测评价工作来看，该方法对大尺度的断层及裂缝系统的识别率比较高，对裂缝形成期次和成因单一的裂缝系统的预测评价往往也具有比较好的效果。但地震资料存在纵横向极限分辨率的限制，通过偏移归位处理，地震资料的纵横向分辨率能达到四分之一波长，而目前国内外能采用的地震资料纵横向极限分辨率也只能接近10米，而油气藏内很大一部分天然裂缝的尺度是小于10米的。另外多期次、多成因天然裂缝的叠加也增加了含裂缝介质对地震信号响应的复杂性，使得地震对这种多期次多成因叠加而成的裂缝系统响应的多解性增强，从而大大降低了预测结果的可靠性。通过物探预测技术预测的天然裂缝是一个笼统的分布，这个分布缺少了对裂缝的组系性、有效性、力学性质等进一步深入研究的信息；而在油气藏的勘探开发中是需要在关心天然裂缝发育的同时，还希望能搞清楚裂缝的组系、有效性、力学性质等；因此针对油气藏内多期次、多成因天然裂缝系统的笼统预测是不能满足油气田勘探开发需要的。
地质力学预测技术也是国内外目前在油气藏天然裂缝预测中用到的主要技术方法之一，其主要思想是将岩石力学、岩石损伤力学等引入，分析油气藏岩石损伤破裂形成天然裂缝的力学原因，然后建立对应方法进行预测，目前主要用到的有构造曲率法、屈曲薄板法、构造滤波法、应力场模拟法等方法。
采用地质力学预测技术的主要步骤如下：
1)构造曲率法和构造滤波法步骤是：①编制目的层位的顶面构造图，并形成矢量化构造面数据体；②计算构造面的面曲率或者通过构造滤波算子获得各个方向的构造变形曲率图；③根据油气藏岩石的岩石力学性质，和构造变形曲率派生的拉张和挤压应力计算获得岩石破裂的临界曲率值；④通过临界曲率值预测天然裂缝的分布；⑤利用钻井天然裂缝的发育情况检验预测结果，如果吻合性不够，回到步骤①重新检查构造图编制的精度、临界曲率计算是否合理，并进行校正，重新进行预测和评价。与本方法相比这两种方法的不足在于一是只能针对构造变形天然裂缝进行预测；二是多数使用者基于的是现今构造图，这也与构造成因的天然裂缝形成时的构造形态不一定完全相符；三是也不适用于多期次、多成因天然裂缝的分布预测和评价。
2)屈曲薄板法的步骤是：①将油气藏看成一个平板，并建立一个平板模型；②选择合适的应力加载方向，逐渐加载使其变形与目前的构造形态达到最佳拟合状态；③计算岩体中的最大、最小、剪切应力分布；④利用岩石破裂准则(通常选择格里菲斯破裂准则)，计算获得天然裂缝的分布；⑤同样利用单井天然裂缝的发育情况进行检验和校正。该技术的不足之处在于一是它需要假设油气藏内天然裂缝形成过程是地层处于一个平板状态变形到目前构造形态时应力状态超过岩石屈服强度是而产生的，这与实际情况有时候是不符的；二是地史演化中，力学环境和岩石力学性质的变化是复杂的，对于多期次多成因天然裂缝的预测评价仍然有其局限性。
3)应力场模拟法的步骤是：①建立油气藏天然裂缝形成前的地质模型和岩石力学模型；②通过区域构造研究成果，确定应力场加载方向及大小并进行加载，获得油藏的地应力分布；③利用岩石破裂准则(通常选择格里菲斯破裂准则)，计算获得岩石的破裂系数，并利用实验室破裂系数来完成油气藏天然裂缝的分布预测评价；④同样利用单井天然裂缝的发育情况进行检验和校正。该技术的不足之处在于应力场模拟通常是认为岩体不发生位移的，因此只能认为天然裂缝是在地层发生变形之前产生的，认为同样没有考虑多期次多成因天然裂缝的评价。
综合来看，地质力学预测技术也是在单一期次和成因裂缝预测研究中具有较好的效果，但在面对多期次、多成因天然裂缝系统时，不能将其分解成单一的天然裂缝系统是难以获得有效的预测评价结果的。
发明内容
由于油气藏内天然裂缝因为多期性和多成因类型叠加的复杂性，本发明针对现有预测评价技术的不适应性，提出了将多期次、多成因类型的复杂天然裂缝网络系统通过期次剥离、成因类型确定将其划分为单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统作为基本研究对象，从而使研究问题简化；另外在预测评价中建立了以追求理论研究与实际地质表现和生产动态资料相吻合为目的，通过循环迭代检验校正逐渐将理论研究认识向实际地质情况进行逼近的研究思路。本发明技术方法在实际应用中已经得到验证，较以往评价技术在油气藏天然裂缝预测精度上得到了明显提高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，步骤如下：
a、采用专业设备对研究工区内的钻井岩心和附近相似露头上钻取基岩标准柱样(直径2.5-5cm、长度5-10cm)和获取裂缝充填物样品；并完成钻井井剖面成像测井裂缝解释。
b、通过步骤a中的钻井岩心和成像测井资料，以及附近相似露头对天然裂缝进行鉴定，并从裂缝之间的切割关系、产状、组系、力学性质等进行天然裂缝的分期配套分析。
c、对步骤a中所取基岩标准柱样开展岩石声发射实验模拟恢复岩石破裂的记忆期次，同时对获取裂缝充填物进行碳氧同位素年代分析和流体包裹体年代分析；综合步骤b对天然裂缝分期配套分析结果及实验获取的期次信息，并结合该工区区域构造和地质力学环境演化历史确定天然裂缝的形成期次。
d、根据步骤c中所确定的天然裂缝期次，恢复每一期天然裂缝当时形成的地质力学环境，通过分析该期天然裂缝发育控制因素，明确由步骤c确定的各期天然裂缝的成因类型。
e、根据步骤c和步骤d所确定的天然裂缝形成期次和成因类型，将油气藏内的天然裂缝系统划分为多个单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统；并针对每一个天然裂缝子系统，根据其成因类型选择对应预测方法完成各个天然裂缝子系统的预测。
f、对步骤e所完成各个天然裂缝子系统的预测结果进行综合叠加形成油气藏内天然裂缝系统的预测结果。
g、将步骤f中获得的油气藏内的天然裂缝系统的预测结果与油气藏内钻井上裂缝发育情况、油气井生产动态特征进行对比分析，评价油气藏内天然裂缝系统预测结果的可靠性，如预测结果达不到实际要求，返回步骤b进行校正和调整直到预测结果达到要求为止。
采用上述技术方案，主要通过实验分析、地质表现推断、地质过程演化恢复相结合，互为佐证，从而确定出油气藏内天然裂缝可靠的形成期次。具体方法是：通过步骤a获取研究工区钻井岩心及野外露头样品，为油气藏天然裂缝形成期次提供了实验研究基础，基于所取基岩样品进行声发射现象测试恢复对岩石破裂期次的记忆序列，基于裂缝充填物的碳氧同位素分析和包裹体分析获得裂缝充填物形成年代，从而从实验上对裂缝形成期次进行分析；通过步骤b以钻井岩心和成像测井资料和研究区附近相似露头为基础对天然裂缝进行鉴定，并从裂缝之间的切割关系、产状、组系、力学性质等进行地质表现推断，获得天然裂缝的分期配套关系；通过步骤c中完成研究区的区域构造和地质力学环境演化历史恢复，从地质过程演化角度确定天然裂缝的形成期次；最后综合上述实验分析、地质表现推断、地质过程演化恢复的匹配分析，确定油气藏天然裂缝的形成期次。这一方法最大程度地规避了天然裂缝形成期次确定的不确定性，为油气藏天然裂缝分期评价提供了基础。
本发明进一步设置为：步骤d中根据对步骤c中所确定的天然裂缝期次，恢复每一期天然裂缝形成时的地质力学环境，采用岩石力学、岩石损伤力学、材料力学理论分析，从成因上确定该期天然裂缝的成因类型。这一方法将地史、构造演化恢复和岩石破裂机理结合起来，从岩石破裂的内外环境、岩石破裂机理上确定了天然裂缝的成因，突破了前人在裂缝成因认识困惑和不足；也为油气藏天然裂缝分成因类型评价提供了基础。
采用上述两方面的技术方案是实现油气藏天然裂缝分期、分成因预测评价的关键，也将为后续的天然裂缝系统分期、分成因划分成子系统提供基础。
本发明更进一步设置为：步骤e中考虑在步骤步骤c和步骤d中确定的油气藏天然裂缝的形成期次和成因类型，对复杂的天然裂缝系统划分为多个单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统，将每一个单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统作为研究的基础对象，使得研究问题简单化，同时也保证采用的评价预测手段和技术在单一期次、单一成因类型的天然裂缝系统研究中的更具适用性；在该步骤中对所划分的各个裂缝子系统进行预测评价后再进行综合叠加便可获得油气藏内天然裂缝系统的预测结果。
上述技术方案是本发明专利的核心思想所在，也是对复杂地质问题通过分解简化的具体思路所在；这也是在前人针对油气藏多期、多成因类型叠加天然裂缝系统不加以分解、剥离而笼统评价技术上的一大进步和重要创新之处。
本发明最后的设置中还考了要遵循地质认识基本规律：即在步骤g中追求理论研究与实际地质表现和生产动态资料的吻合，通过循环迭代检验校正逐渐将理论研究认识向实际地质情况进行逼近；这一技术方案是体现了地质认知辩证思维，确保了油气藏内天然裂缝分期、分成因预测评价的客观性和有效性。
采用上述所以技术方案，对油气藏内天然裂缝预测评价通过分期、分成因划分子系统评价，并采用循环迭代检验校正逐渐将理论研究认识向实际地质情况进行逼近，实现了多期次、多成因类型叠加的复杂天然裂缝系统的预测评价。
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例中岩心裂缝产状分布统计图；
图2为本发明实施例中成像测井须二段裂缝走向玫瑰花图；
图3为本发明实施例中新场须二气藏岩石声发射试验结果图表；
图4为本发明实施例中须家河组地层中裂缝充填方解石碳氧同位素特征示意图；
图5为本发明实施例中包裹薄片及测温位置图；
图6为本发明实施例中包裹体测试均一温度与盐度关系图；
图7为本发明实施例中印支期岩石声发射模拟结果与实测数据对比图表；
图8为本发明实施例中印支期最大古应力场分布图；
图9为本发明实施例中燕山期断层共(派)生成因裂缝发育控制函数关系示意图；
图10为本发明实施例中喜山期断层共(派)生成因裂缝发育控制函数关系示意图；
图11为本发明实施例中燕山期和喜山期断层共(派)生成因裂缝子系统预测结果示意图；
图12为本发明实施例中燕山期构造变形成因裂缝子系统预测结果示意图；
图13为本发明实施例中喜山期构造变形成因裂缝子系统预测结果示意图；
图14为本发明实施例中综合预测结果示意图；
图15为本发明实施例中综合预测结果的吻合性评价示意图。
具体实施方式
案例为“川西地区新场气田须二气藏天然裂缝系统分布预测研究”。该案例涉及的气田位置位于四川省德阳市以北约20km，东经104°17′～27′、北纬31°13′～19′的范围内，处于四川盆地川西坳陷中段孝泉—丰谷北东东向隆起带的西段，为孝泉－新场复式背斜的新场局部圈闭。气田为2000年10月份被发现，开发至今一直受到天然裂缝特征认识模糊和分布规律不清的困扰，先后由中石化西南油气田分公司研究院、德阳分院、西南石油大学等单位采用不同技术进行了研究，最后在生产实践中检验效果均不佳，于2011-2012年本团队基于本上述技术方案进行了研究，最后成果广泛应用到该气田的开发井位部署、开发对策实施中，获得了良好的生产效果和经济效益，并被四川省科技厅组织科技成果鉴定中认定为是一项具有创新性技术成果，达到了国际先进水平。
实施的基本条件：
①案例所选地区具备良好的物探资料、成像测井资料、常规测井资料、取心资料、区域地质基础资料、为本方法研究中提供了全面的基础数据和资料。
②“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室提供了MTS815程控伺服岩石刚性试验机、SAEU2S声发射测试系统、MAT253气体同位素质谱仪、Renishaw inVia激光拉曼光谱仪、THMSG-600型冷热台等配套测试系统可供本方法在实施过程中提供各类实验支持。
案例说明：
针对川西地区新场气田须二气藏天然裂缝系统，采用本技术方案的研究思路为：基于14口钻井岩心获取基岩柱样和裂缝充填物样品开展裂缝期次实验分析，结合14口钻井岩心和成像测井资料反映的天然裂缝之间的切割关系、产状、组系、力学性质等进行天然裂缝的分期配套分析，再考虑川西地区的区域构造和地质力学环境演化历史确定天然裂缝的形成期次；恢复川西地区各期天然裂缝形成时的地质力学环境，通过岩石力学、岩石损伤力学等分析确定每期天然裂缝的成因类型；基于对川西地区新场气田须二段天然裂缝的形成期次和成因类型将该裂缝系统划分为单一期次、单一成因类型的裂缝子系统；对所划分的裂缝子系统根据其成因类型选择对应预测评价方法开展预测评价，并将其进行叠加形成整个裂缝系统的预测结果；最后结合气藏28口井点的裂缝发育情况和生产动态情况对预测结果进行评价和校验获得最佳的裂缝预测识别结果。
实施过程：
裂缝特征研究
通过14口钻井403.42m岩心上对129条天然裂缝的产状、力学性质、有效性、规模特征进行了描述和分析，84张薄片镜下天然裂缝特征的鉴定，14口成像测井1169条天然裂缝产状、有效性、力学性质及规模的描述和分析；获得了天然裂缝特征为：主要发育垂直裂缝及高角度裂缝，并且其有效性高，水平缝不发育(图1)；裂缝组系主要有北东、北西和近南北、东西4个组系(图2)，其中东南倾伏端主要为北东组系，西北陡翼及西南靠近构造核部等位置主要以北西—南东向占优势，断层附近裂缝优势走向与断层走向具有一致性；裂缝成因与断层发育及构造变形密切相关，构造西翼地层陡峭、构造变形大区域裂缝发育，裂缝密度较大，而东翼平缓、构造变形缓处裂缝发育程度相对弱；另外裂缝发育密度与岩性和岩层厚度相关。
确定天然裂缝形成的期次：
通过6组54个标准岩样岩石声发射测试结果(图3)、15个裂缝充填物碳氧稳定同位素分析(图4)以及7个充填物包裹体测温资料(图5、图6)，结合川西地区地层埋藏史分析和构造演化背景，将须二气藏天然裂缝期次划分为印支期、燕山期和喜山期三期，其中印支期和燕山期破裂作用相对较弱，喜山期破裂作用最强。
确定各期次裂缝的成因类型：
根据古构造的恢复，研究工区在印支期基本上未发生变形，该期间的破裂主要受挤压区域构造应力场的作用，其成因单一，为区域构造裂缝成因类型。燕山期强烈构造运动使研究工区地层不均一抬升，形成了南北向为主的断裂，出现构造变形，该期裂缝成因主要为断层共(派)生成因类型和构造变形成因类型。喜山期区域构造应力场向北西方向偏移，该期形成了近东西向断裂，构造变形进一步加剧，因此该期天然裂缝成因类型为断层共(派)生成因类型和构造变形成因类型。
综合上述资料的分析结果，将新场须二气藏多期次、多成因复杂天然裂缝系统划分为5个子系统进行预测评价，即印支期区域构造裂缝子系统、燕山期断层共(派)生成因裂缝子系统、燕山期构造变形成因裂缝子系统、喜山期断层共(派)生成因裂缝子系统、喜山期构造变形成因裂缝子系统。
对每个天然裂缝子系统进行预测：
综合上述5个子系统来看，主要为三类成因裂缝，即区域构造裂缝、断层共(派)生成因裂缝和构造变形成因裂缝。区域构造裂缝选择古应力场的模拟法进行预测；断层共(派)生成因裂缝通过建立断层控制函数法进行预测，由于断层组系和期次之间的关系是明确的，因此建立断层控制函数时不存在期次剥离的问题，因此将燕山期和喜山期断层共(派)生成因裂缝子系统归并成一个子系统来进行预测；构造变形成因裂缝通过构建形成期构造面曲率进行预测。下面是对这些裂缝子系统预测具体思路和预测结果。
(1)印支期区域构造裂缝子系统
以须二段为目的层，按照工区大小、考虑到克服边界效应等的影响，建立长约30km、宽约20km、高约500m地质模型，并根据岩石力学测试和解释结果建立岩石力学模型，并按照印支期区域古构造应力场加载，并与实测古应力点拟合获得研究工区古应力场分布图(图7、图8)；依据该应力场分布图和岩石力学性质，可以计算获得岩石的破裂系数，从而完成该裂缝子系统的裂缝分布。
(2)燕山期和喜山期断层共生成因裂缝子系统
根据断层附近钻井裂缝发育指数与距离断层之间距离的关系可以建立燕山期和喜山期断层共生成因裂缝的控制函数(图9、图10)。然后依据该控制函数，编程计算获得该裂缝子系统的预测结果(图11)。
(3)燕山期构造变形成因裂缝子系统
通过古构造恢复获得燕山期研究目的层顶面构造图，然后给予该构造计算获得面曲率，然后通过岩石力学性质获得临界曲率，从而完成该子系统的预测(图12)。
(4)喜山期构造变形成因裂缝子系统
根据地震资料获得现今构造图，并基于该构造结果计算获得其面曲率，同样依据岩石力学性质获得临界曲率，从而完成该子系统的预测(图13)。
叠加各个裂缝子系统预测结果形成综合预测结果
通过将各个裂缝子系统预测结果进行叠加合成，形成综合预测结果图(图14)。
对预测结果进行评价：
将综合预测结果与钻井生产资料进行对比评价，目前生产实际对裂缝的响应与预测结果吻合率达到90.91％(图15)，表明了预测结果能与实际生产相吻合，可以指导实际的勘探开发工作。
Claims (3)
1.一种油气藏内天然裂缝的分期、分成因预测评价方法，其步骤主要包括如下：
a、采用专业设备对研究工区内的钻井岩心和附近相似露头上钻取基岩标准柱样直径2.5-5cm、长度5-10cm和获取裂缝充填物样品；并完成钻井井剖面成像测井裂缝解释；
b、通过步骤a中的钻井岩心和成像测井资料，以及附近相似露头对天然裂缝进行鉴定，并从裂缝之间的切割关系、产状、组系、力学性质进行天然裂缝的分期配套分析；
c、对步骤a中所取基岩标准柱样开展岩石声发射实验模拟恢复岩石破裂的记忆期次，同时对获取裂缝充填物进行碳氧同位素年代分析和流体包裹体年代分析；综合步骤b对天然裂缝分期配套分析结果及实验获取的期次信息，并结合该工区区域构造和地质力学环境演化历史确定天然裂缝的形成期次；
d、根据步骤c中所确定的天然裂缝期次，恢复每一期天然裂缝当时形成的地质力学环境，通过分析该期天然裂缝发育控制因素，明确由步骤c确定的各期天然裂缝的成因类型；
e、根据步骤c和步骤d所确定的天然裂缝形成期次和成因类型，将油气藏内的天然裂缝系统划分为多个单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统；并针对每一个天然裂缝子系统，根据其成因类型选择对应预测方法完成各个天然裂缝子系统的预测；
f、对步骤e所完成各个天然裂缝子系统的预测结果进行综合叠加形成油气藏内天然裂缝系统的预测结果；
g、将步骤f中获得的油气藏内的天然裂缝系统的预测结果与油气藏内钻井上裂缝发育情况、油气井生产动态特征进行对比分析，评价油气藏内天然裂缝系统预测结果的可靠性，如预测结果达不到实际要求，返回步骤b进行校正和调整直到预测结果达到要求为止。
2.根据权利要求1所述的油气藏内天然裂缝的分期、分成因预测评价方法，其特征在于：所述步骤b和步骤c中综合裂缝期次实验研究、野外和岩心天然裂缝分期配套分析、研究区所处区域构造和地质力学环境演化历史从理论上、实验上、地质表现以及地质演化过程相互佐证,从而获得准确的油气藏天然裂缝形成期次。
3.根据权利要求1所述的油气藏内天然裂缝的分期、分成因预测评价方法，其特征在于：所述步骤d中针对油气藏内每一期天然裂缝形成时的地质力学环境进行恢复，采用岩石力学、岩石损伤力学、材料力学理论分析并明确该期天然裂缝的成因类型。
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