CN106569288B - 基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法，属于裂缝性油气藏储层评价技术领域。本发明利用影响储层裂缝有效性的多种因素，创造性地建立了储层裂缝有效性指数模型，确定储层裂缝有效性指数，在多个储层裂缝有效性影响因素因子的约束下，建立裂缝储层质量与其相对应的表征储层裂缝有效性各影响因素因子的对应关系，定量裂缝性储层质量，为低渗透油气藏的经济有效开发提供科学依据。该评价方法的适应性强，精度高。

Description

基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法，属于裂缝性油气藏储层评价技术领域。

背景技术

目前，世界油气勘探的重心已由常规油气藏转向非常规油气藏，其中裂缝性储层的勘探开发尤为重要。据统计，世界上裂缝性油气藏的储量约占已探明总储量的一半，是未来油气产量增储的重要组成部分。我国的华北裂缝型潜山油气藏、四川缝洞型碳酸盐岩和裂缝性碎屑岩气藏、塔里木盆地奥陶系缝洞型地层岩性油气藏、鄂尔多斯盆地的裂缝性油气藏等都是我国的重要油气生产基地。天然裂缝系统是控制和形成低渗透油气藏的主控因素，没有天然裂缝，低渗透油气藏无法实现经济性开发。

虽然地下广泛发育着天然裂缝，经过后期构造运动和成岩作用的改造，裂缝被充填或者闭合，只有那些未被充填的裂缝，在地下才可以作为储集空间和运移通道。在油气田开发过程中，裂缝性储层质量的好坏取决于储层裂缝的发育状况，而储层裂缝研究的落脚点是对裂缝有效性的评价。储层裂缝的有效性是指裂缝在地下处于开启状态，可以作为流体有效流动的通道，这种有效性不仅仅指裂缝的张开程度，裂缝的发育程度，在开发过程中，裂缝的连通性和裂缝的开启能力同样也是影响裂缝有效性的主要因素。

尽管裂缝有效性的研究始于上个世纪中叶，但是对于裂缝有效性的评价仍处于探索阶段，综合前人的研究成果，裂缝有效性的影响因素包括裂缝走向同地应水平最大主应力方向的关系、裂缝倾角、裂缝开度、裂缝发育强度、裂缝充填性、裂缝连通性、后期溶蚀改造、地层抬升、构造溶蚀以及异常高压等因素。目前，裂缝有效性的评价主要从以下几个方面开展：(1)考虑地应力方向同裂缝走向之间夹角的大小，通常是利用成像测井和微地震等生产实测数据对单井水平最大主应力方向进行分析，确定成像测井识别的有效裂缝方位，两者的夹角越小，裂缝的有效性越高。该评价方法目前为主要的评价方法，但裂缝在空间表现为三维展布，不仅要考虑裂缝走向同主应力方位的关系，同时裂缝的倾角同主应力方位的关系也不能忽略；(2)考虑构造运动对裂缝有效性影响，通过分析裂缝发育的密度来反映裂缝的渗流和沟通能力，即裂缝密度越大，其有效性越好；(3)裂缝的充填性分析，通过分析和统计单井镜下和岩心裂缝的未充填裂缝的比例来反映裂缝的有效性；(4) 溶蚀作用同裂缝有效性的关系，主要应用在碳酸盐岩中，定性的分析识别溶蚀孔洞对储层裂缝的建设性作用。

综上所述，目前储层裂缝的有效性评价方法主要是对各个影响因素进行单一的定性分析，无法综合的评定储层裂缝有效性的有效程度以及不同的影响因素的影响程度。因此，传统的有效性评价方法无法准确的指示裂缝性储层质量的好坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法，以克服现有评价方法受单一因素的局限，只能定性刻画裂缝性储层质量，评价精度低、适用性差的缺陷。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法，利用表征储层裂缝参数和分析计算地应力状态的生产实测数据，确定影响储层裂缝有效性的因素，建立评价储层裂缝有效性的指数模型，依据影响储层裂缝有效性指数模型中各影响因子与储层质量的对应关系，定量评价裂缝性储层质量。具体包括以下步骤：

1)依据研究区基础资料，确定表征影响储层裂缝有效性因素的单井储层的裂缝参数和地应力状态；

2)利用影响储层裂缝有效性因素，建立评价储层裂缝有效性指数模型，确定研究区单井不同井段所对应的储层裂缝的有效性指数；

3)重复上述步骤1)和步骤2)，确定研究区各单井储层裂缝对应的影响储层裂缝的有效性指数；

4)根据研究区各单井储层裂缝对应各单井的产量，对研究区裂缝性储层质量进行分级，利用聚类分析方法建立影响储层裂缝有效性指数模型中各影响因子与储层质量的对应关系，定量评价裂缝性储层质量。

步骤1)中确定表征影响储层裂缝有效性因素的单井储层的裂缝参数和地应力状态的方法为：

表征研究区单井储层裂缝参数的确定：利用研究区单井成像测井或者定向取心井资料确定研究区储层裂缝参数，包括研究区单井储层裂缝发育段的深度对应的表征储层的裂缝产状、裂缝开度或裂缝密度中的至少2种参数；

研究区单井储层地应力状态的确定：利用研究区单井的井径崩落信息和单井钻井诱导缝信息获取储层现今地应力方向，利用单井水力压裂施工曲线或者单井声波测井曲线确定 研究区单井水平最大最小主应力大小。

步骤2)中依据影响储层裂缝有效性的因素，包括表征储层裂缝参数和地应力状态，建立如式1所示的评价储层裂缝有效性的指数模型：

式1：

式中：E为储层裂缝有效性指数，F_i为影响储层裂缝有效性因素的因子，包括裂缝开度因子F_开度、裂缝密度因子F_密度、地应力因子F_地应力、裂缝产状因子F_产状，A_i为各个影响因素因子的加权系数。

步骤2)中确定研究区单井不同井段所对应的储层裂缝的有效性指数，具体为：利用步骤1)确定的单井储层的裂缝参数和地应力状态，并结合上述建立的评价储层裂缝有效性的指数模型进行确定。单井储层裂缝所对应的有效性指数包括F_开度、F_密度、F_地应力和F_产状，计算见式2～5。

式2：F_开度＝(b-b_min)/(b_max-b_min)；

式中：b为单井储层裂缝开度，b_max和b_min分别为研究区储层裂缝开度的最大值和最小值。

式3：F_密度＝(ρ-ρ_min)/(ρ_max-ρ_min)；

式中：ρ为单井储层裂缝密度，ρ_max和ρ_min分别为研究区储层裂缝密度的最大值和最小值。

式4：F_地应力＝(P_max-P_i)/(P_max-P_min)；

式中：P_i单井储层裂缝开启压力，P_max和P_min分别为研究区储层裂缝开启压力的最大值和最小值。

式5：F_产状＝(90-θ)/90；

式中：θ为裂缝法线方向同最小主应力方向的夹角。

步骤4)中各影响因子与储层质量的对应关系见下式：

式6：

式中：P为裂缝有效性指数聚类分析计算确定的储层质量的特征参数，B_i为各单井影响储层裂缝有效性指数的各个影响因子Fi系数，B为常数项。

本发明的有益效果：

本发明利用影响储层裂缝有效性的多种因素，创造性的建立了储层裂缝有效性指数模型，确定储层裂缝有效性指数，在多个储层裂缝有效性影响因素因子的约束下，建立裂缝储层质量与其相对应的表征储层裂缝有效性各影响因素因子的对应关系，定量裂缝性储层质量，为低渗透油气藏的经济有效开发提供科学依据。该评价方法的适应性强，精度高。

附图说明

图1为本发明技术方案流程示意图；

图2为实施例中研究区某层各单井现今水平最大主应力方向图；

图3为研究区某单井声波测井曲线计算的水平最大最小主应力剖面图；

图4为裂缝面法线方向同主应力的关系图；

图5为裂缝有效性指数聚类分析计算结果同储层质量相关性图。

具体实施方式

下述实施例仅对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

以国内东部某裂缝型气藏为例，评价储层裂缝有效性，流程示意图见图1，具体步骤如下：

1.依据研究区实际资料，对所有井裂缝参数进行统计表征和地应力状态的确定，为后面裂缝有效性指标的计算做准备。

1.1裂缝参数的表征和统计

利用研究区单井成像测井或者定向取心井资料确定研究区储层裂缝参数，包括研究区单井储层裂缝发育段的深度对应的表征储层的裂缝倾向、裂缝倾角、裂缝开度和裂缝密度。结合研究区69口井的成像测井解释的不同深度储层裂缝参数的统计信息，研究区地下裂缝最大开度为1.228mm，最小开度为0.001mm，经过裂缝倾角矫正后的裂缝密度最大值为6.92条/m，最小值为0.108条/m。

1.2地应力状态的确定

1.2.1地应力方向的分析

井壁崩落方位同现今水平最大主应力方向垂直，钻井诱导缝方位同现今水平最大主应力方向一致，利用研究区收集到的资料对单井地应力方向进行分析。由附图2所示的研究区某层各单井现今水平最大主应力方向图可知，研究区整体的地应力方位为近东西向，由于断层和岩性差异会引起局部地应力方向发生偏转。

1.2.2地应力大小的计算

利用声波测井对研究区单井水平最大和最小主应力大小进行计算，根据研究区的地质特征，地应力计算模型选取Newberry模型，进行计算。获取如附图3所示的研究区某单井声波测井曲线计算的水平最大最小主应力剖面图。经计算研究区深层裂缝开启压力最大值为141.57MPa，最小值为31.23MPa。

2.裂缝有效性指数的确定

对影响研究区裂缝有效性的因素进行分析选取，考虑裂缝开度、裂缝密度、地应力状态和现今最大水平主应力同裂缝产状的关系，确定单井不同裂缝发育段各影响因素因子的大小，进而根据各影响因素因子的大小乘以加权系数求和即为裂缝有效性指数，即：

其中，E为裂缝有效性指数，Fi为各影响因素因子，Ai为各影响因素的加权系数。当仅考虑裂缝开度、裂缝密度、地应力状态和现今最大水平主应力同裂缝产状的关系四个因素时，上述公式可具体写为：

E＝A₁×F_开度+A₂×F_密度+A₃×F_地应力+A₄×F_产状。

以研究区某单井3277-3283深度段为例，对该井深度段内四种影响因素的因子进行求取，方法如下：

(1)裂缝开度因子

裂缝开度是表征裂缝有效性的重要参数，裂缝开度越大，其连通性往往越好，裂缝对流体的运移能力也越强。定义裂缝的开度指数来反映某一裂缝开度值相对于研究区所有裂缝开度值的大小。对裂缝开度的评价主要根据测井资料对研究区各个井不同深度段的地下裂缝开度解释结果进行统计，将研究区地下裂缝最大的裂缝开度b_max为1.228mm，最小开度b_min为0.001mm，对3277-3283m内裂缝开度成像测井识别结果为0.251，其开度因子计算为：

F_开度＝(b-b_min)/(b_max-b_min)；

因此，F_开度计算结果为0.204。

(2)裂缝密度因子

裂缝的线密度可以体现裂缝的发育程度，裂缝的发育程度越高，裂缝组系之间的连通性通常较好，其渗流能力也越强，因而，其有效性越高。定义裂缝密度因子来反映某一段裂缝密度值相对于研究区不同地区不同深度段所有裂缝密度值的相对大小。将研究区各个 井不同深度段的测井解释裂缝线密度取最大值ρ_max和线密度最小值ρ_min为参考，对于地下深层任意层段的裂缝密度ρ，其密度因子为：

F_密度＝(ρ-ρ_min)/(ρ_max-ρ_min)；

经统计研究区各个单井不同深度段内裂缝密度的最大值ρ_max为6.92条/m，最小值ρ_min为0.108条/m，该单井3277-3283m深度段裂缝密度为0.312条/m。代入公式进行计算，得到该段内F_密度为0.03。

(3)地应力因子

裂缝的渗流能力受地应力状态影响明显，尤其在油气开发过程中，地应力的大小和方向直接决定了地下深层裂缝开启能力的强弱，进而影响裂缝组系间的沟通。定义地应力因子来反映某一深度段内裂缝开启的相对容易程度。根据在致密储层中裂缝开启压力的计算公式：

式中，P_i为裂缝开启压力，μ为岩石泊松比，H为埋藏深度，ρ_s为岩石容重，θ为裂缝倾角，ρ_w为水的比重；σ_H和σ_h分别为水平最大和最小主应力，β为现今水平最大主应力同裂缝走向的夹角。

根据测井计算岩石力学参数计算结果，岩石泊松比μ为0.23，埋藏深度H按平均埋藏深度3280m，岩石容重统一取地层岩石的平均容重2.5g/cm³，裂缝倾角θ为37°，水的比重ρ_w为1g/cm³，水平最大和最小主应力σ_H和σ_h分别为72MPa和55.8MPa，裂缝走向同现今水平最大主应力夹角为20°，代入裂缝开启压力计算公式，可以得到该单井3277-3283m井段的裂缝开启压力P_i为92MPa。

结合研究区测井解释的裂缝产状定量描述成果，对研究区单井不同深度、不同组系的裂缝开启压力进行计算。统计目的层段最大开启压力P_max和最小开启压力P_min，地下深处开启压力越小，裂缝越容易开启，进而越容易形成裂缝网络，增加储层渗流能力。裂缝有效性的地应力因子为：

F_地应力＝(P_max-P_i)/(P_max-P_min)。

经过对研究区不同地区和深度段的裂缝开启压力计算并统计，研究区裂缝开启压力最大值P_max为141.57MPa，最小值P_min为31.23MPa，该单井3277-3283m深度的裂缝开启压力为92MPa，代入公式经计算，F_地应力为0.45。

(4)裂缝产状因子

裂缝倾角一定时，裂缝的有效性主要受到裂缝走向控制，裂缝走向同水平最大主应力方向夹角较小时，即裂缝面法线方向同水平最小主应力方向夹角较小时，裂缝的有效性较好；裂缝走向一定时，裂缝的有效性主要受到裂缝的倾角控制，以研究区为例，在裂缝垂向主应力为最大主应力，高角度裂缝同最大主应力夹角较小，即裂缝面法线方向同水平面夹角较小时，裂缝的有效性较好。研究区最大主应力为竖直方向，中间主应力和最小主应力水平，因此，在三维空间上，裂缝有效性的大小取决于裂缝面法线方向同水平最小主应力的夹角，当夹角越小，裂缝的有效性越好。因此，我们定义裂缝产状指数来反映裂缝面法线方向同现今最小主应力之间的相对大小。

以测井解释的不同深度的裂缝方位数据为基础，结合研究区现今地应力模拟的地应力方位数据，对单井的裂缝法线方向同最小主应力的夹角进行计算。如附图4所示的裂缝面法线方向同主应力的关系图，箭头n为裂缝面的法线方向，裂缝面法线方向同水平最小主应力方向为θ，裂缝面倾向同水平最小主应力夹角为θ₁，裂缝法线同法线在水平面投影的夹角为θ₂，根据空间函数关系，三个角满足公式：

cosθ＝cosθ₁×cosθ₂。

该单井3277-3283m段裂缝面倾向同水平最小主应力夹角θ₁为20°，裂缝面法线同法线所在水平面投影的夹角θ₂为52.7°，由此可以得到裂缝面法线方向同水平最小主应力方向的夹角θ为55.3°。当该夹角越大，裂缝的有效性越低，因此，裂缝有效性的产状因子为：

F_产状＝(90-θ)/90；

将θ代入公式中，可以得到F_产状为0.614。

当已知研究区地下深部某个层段的现今地应力状态、裂缝产状、开度和密度时，便可以计算出四种影响因素的因子。

3.对研究区69口井的裂缝和地应力参数重复上述步骤1和步骤2，计算得到研究区各单井不同井段所有的有效性指数，编制如表1所示的各单井储层裂缝有效性指数与产量之间的对应关系。

4.根据研究区裂缝性储层的产气量，依据上述表1将储层进行分级，对不同层段裂缝有效性指数各影响因素因子同裂缝性储层级别进行聚类分析。得到如式3所述的储层裂缝有效性指数各影响因素因子与储层质量的对应关系，对研究区其他地区的裂缝性储层的储层质量进行评价。

表1不同层段裂缝有效性指数同产气量关系

统计不同层段产气量，根据生产需要，将储层质量分级，研究区将产气量小于1×10⁴m³/d的产气层，定为1级储层，将产气量介于1～10×10⁴m³/d定为2级储层，将产气量大于10×10⁴m³/d定为3级储层(见表1)。将储层质量同相应深度段的裂缝有效性指数影响因子进行匹配，利用SPSS软件进行聚类分析，以获取最优解。分析结果为：

P＝2.90175×F_地应力+2.37337×F_产状+0.657891×F_开度+2.72257×F_密度-1.15316；

式中，P为裂缝有效性指数聚类分析计算确定的储层质量的特征参数，根据分析结果绘制图5裂缝有效性指数聚类分析计算结果P同储层质量相关性图，如图5所示，计算确定的储层质量同实际储层质量具有线性相关关系，相关系数R大于0.9。各个系数的值大小代表各个影响因子的权重，代表了对裂缝有效性影响程度的相对强弱。

综上所述，结合实施例分析表明，影响储层裂缝有效性评价的各因素之间具有相互关联性，在建立储层裂缝有效性评价模型基础上，在评价模型各影响因子的共同约束下，定量评价裂缝性储层质量，评价结果与实际裂缝性储层的分级结果的一致性好。可以满足低渗透油气藏的经济有效开发的需要。

Claims (3)

1.基于储层裂缝有效性聚类分析的裂缝性储层质量评价方法，其特征在于：该方法是利用表征储层裂缝参数和分析计算地应力状态的生产实测数据，确定影响储层裂缝有效性的因素，建立评价储层裂缝有效性的指数模型，依据影响储层裂缝有效性指数模型中各影响因子与储层质量的对应关系，定量评价裂缝性储层质量；

具体包括以下步骤：

1)依据研究区基础资料，确定表征影响储层裂缝有效性因素的单井储层的裂缝参数和地应力状态；

2)利用影响储层裂缝有效性因素，建立评价储层裂缝有效性指数模型，确定研究区单井不同井段所对应的储层裂缝的有效性指数；

3)重复上述步骤1)和步骤2)，确定研究区各单井储层裂缝对应的影响储层裂缝的有效性指数；

4)根据研究区各单井储层裂缝对应各单井的产量，对研究区裂缝性储层质量进行分级，利用聚类分析方法建立影响储层裂缝有效性指数模型中各影响因子与储层质量的对应关系，定量评价裂缝性储层质量；

步骤2)中确定研究区单井不同井段所对应的储层裂缝的有效性指数，具体为：利用步骤1)确定的单井储层的裂缝参数和地应力状态，并结合上述建立的评价储层裂缝有效性的指数模型进行确定；

所述有效性指数包括F_开度、F_密度、F_地应力和F_产状，见式2～5：

式2：F_开度＝(b-b_min)/(b_max-b_min)，

式中：b为单井储层裂缝开度，b_max和b_min分别为研究区储层裂缝开度的最大值和最小值；

式3：F_密度＝(ρ-ρ_min)/(ρ_max-ρ_min)，

式中：ρ为单井储层裂缝密度，ρ_max和ρ_min分别为研究区储层裂缝密度的最大值和最小值；

式4：F_地应力＝(P_max-P_i)/(P_max-P_min)，

式中：P_i单井储层裂缝开启压力，P_max和P_min分别为研究区储层裂缝开启压力的最大值和最小值；

式5：F_产状＝(90-θ)/90，

式中：θ为裂缝法线方向同最小主应力方向的夹角；

步骤4)中各影响因子与储层质量的对应关系见下式：

式6：

式中：P为裂缝有效性指数聚类分析计算确定的储层质量的特征参数，B_i为各单井影响储层裂缝有效性指数的各个影响因子Fi系数，B为常数项。

2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于：步骤1)中确定表征影响储层裂缝有效性因素的单井储层的裂缝参数和地应力状态的方法为：

表征研究区单井储层裂缝参数的确定：利用研究区单井成像测井或者定向取心井资料确定研究区储层裂缝参数，包括研究区单井储层裂缝发育段的深度对应的表征储层的裂缝产状、裂缝开度或裂缝密度中的至少2种参数；

研究区单井储层地应力状态的确定：利用研究区单井的井径崩落信息和单井钻井诱导缝信息获取储层现今地应力方向，利用单井水力压裂施工曲线或者单井声波测井曲线确定研究区单井水平最大最小主应力大小。

3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于：步骤2)中依据影响储层裂缝有效性的因素，包括表征储层裂缝参数和地应力状态，建立如式1所示的评价储层裂缝有效性的指数模型：

式1：

式中：E为储层裂缝有效性指数，F_i为影响储层裂缝有效性因素的因子，包括裂缝开度因子F_开度、裂缝密度因子F_密度、地应力因子F_地应力、裂缝产状因子F_产状，A_i为各个影响因素因子的加权系数。

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