CN106778027B - 一种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法，这种一种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法包括采集天然裂缝数据，包括裂缝的产状、形态、切割关系、充填性、充填矿物以及岩石力学层厚度等；确定裂缝组系，通过裂缝的形态、产状和切割关系等确定裂缝的组系；裂缝开度和裂缝间距的测量，分别从宏观尺度、细观尺度和微观尺度对裂缝开度和间距进行表征；裂缝发育强度的标准化计算及对比，利用不同尺度下获得的裂缝开度数据，在双对数坐标中对进行裂缝发育强度的标准化，建立裂缝发育强度的计算公式，从而可以计算任一尺度下裂缝发育强度。本发明使得不同地区、不同层位、不同尺度下获得的裂缝发育强度具有可对比性。
Description
技术领域
本发明涉及裂缝性油气藏中天然裂缝定量表征与评价相关技术领域，具体涉及一种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法。
背景技术
裂缝是控制地下流体流动的主要因素。地下裂缝的规模（如高度、延伸长度和间距等）往往要比钻井的井眼大得多，对于给定的目的层，钻遇这些天然裂缝的概率是很低的，即使钻遇了部分天然裂缝，也不能采集到全部的参数，要想获得完整的地下裂缝发育特征是极其困难的，因此，取样问题是造成地下天然裂缝发育特征研究最根本的挑战。
为了克服取样问题带来的困难，前人提出了用微观裂缝来替代宏观裂缝的方法，如利用微观裂缝的方位来替代宏观裂缝的方位，利用微观裂缝密度来预测宏观裂缝的密度，但是在很多情况下，微观裂缝和宏观裂缝的方位具有很大的差异性。此外，还有人提出了根据地表露头建立的岩石力学层厚度和裂缝间距之间的关系来预测地下裂缝发育程度，但是对于地下岩石力学层厚度的测量也是没有可靠的方法。上述方法还有一个共同的缺点，那就是没有考虑裂缝的尺寸问题。众所周知，发育在地下的天然裂缝系统的规模（如长度、开度等）分布在很宽的范围内，其差异可达5个数量级，随着裂缝规模的变大，裂缝的数量通常会减小，也就是说，不同规模的天然裂缝具有不同的发育强度。而上述裂缝测量方法则没有考虑裂缝规模的问题，因此造成不同样品上获得的裂缝发育强度不具有对比性。
发明内容
本发明的目的是提供一种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法，这种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法用于解决现有的裂缝测量方法则没有考虑裂缝规模的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法包括如下步骤：
a. 天然裂缝数据的采集：沿线性测线进行天然裂缝相关参数的采集，即记录与测线相交的每一条天然裂缝的参数，天然裂缝的参数包括天然裂缝的产状、形态、切割关系、充填性、充填矿物、岩石力学层厚度；
b. 天然裂缝组系的划分：利用步骤a中获得的各项天然裂缝的参数，通过包括天然裂缝的形态、产状、切割关系在内的天然裂缝的参数确定裂缝的组系，分组系进行天然裂缝发育强度和平均间距的测量；
c. 裂缝开度和裂缝间距的测量：分别从宏观尺度、细观尺度、微观尺度对裂缝参数进行表征，其中，裂缝开度是指同一条裂缝两个裂缝壁之间的垂直距离，裂缝间距是指两条相邻裂缝之间的垂直距离；
d. 不同尺度下裂缝发育强度和裂缝平均间距计算：利用步骤c中测量得到的裂缝开度和裂缝间距数据完成不同尺度下裂缝发育强度和平均裂缝间距的测量，其中裂缝发育强度等于测线上裂缝总数量与测线总长度的比值，平均裂缝间距是所测量的所有裂缝间距的算数平均值，平均裂缝间距是裂缝发育强度的倒数；
e. 裂缝发育强度的标准化：利用步骤c中获得的裂缝开度数据，对裂缝发育强度进行标准化，包括如下步骤：
1）列出步骤c中测量到的所有裂缝开度数据，并从大到小排列；
2）给排好序的裂缝开度进行编号，最大的编号为1，随着裂缝开度的逐渐变小，获得的编号就越大，开度最小的裂缝获得最大的编号，这样就会形成一个裂缝累积频数表；
3）由于所测量的裂缝可能会具有相同的开度，因此，同一开度值对应若干个编号，这时需要删除部分具有相同开度的数据来简化裂缝累积频数表，保留具有最大频数的那组数据即可；
4）标准化裂缝累积频数：将步骤3）中获得编号除以测线长度，代表单位长度测线上所观察到的开度达到某一特定数值的累积裂缝数量，即该裂缝开度下的裂缝发育强度；
5）绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图：在双对数坐标下，以裂缝开度为横坐标，以标准化后裂缝累积频数为纵坐标，绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图；
f. 标准裂缝发育强度的计算：根据步骤e中绘制的裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图，利用最小二乘法，对数据进行拟合，拟合出幂律分布公式，根据该公式，计算任意尺度下裂缝的发育强度；
式中，NB为单位测线长度上开度大于B的裂缝的数量；B为裂缝开度；a、c为分别为系数和指数，通过拟合得到；
g. 不同层位、不同地区裂缝发育强度的对比：利用步骤a-f提供的标准裂缝发育强度计算公式，对不同层位、不同地区的裂缝发育强度进行标准化，选择相同的裂缝开度，计算裂缝发育强度，进行裂缝发育程度对比。
上述方案步骤a中，对于宏观尺度的裂缝，直接用肉眼和直尺对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于细观尺度的裂缝，借助放大镜和比测仪对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于微观尺度的裂缝，借助显微镜对裂缝开度和裂缝间距进行测量。
上述方案中比测仪是一种用于测量细观尺度的裂缝的仪器，它包含有多条宽度逐渐增加的线，其中线宽度最窄的0.05mm，线宽度最宽的5mm，每条线宽度的增量具有相同的倍数，这样可以保证在双对数坐标中数据的均匀性。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明不仅可以准确计算每组裂缝的发育强度，更关键的是通过对裂缝发育强度的标准化，使得不同地区、不同层位、不同尺度下获得的裂缝发育强度具有可对比性，并且也解决了获取地下大尺度样品困难的问题。
2、本发明通过天然裂缝数据的采集、裂缝组系的确定、裂缝开度和裂缝间距的测量、裂缝发育强度的标准化、标准裂缝发育强度的计算等步骤，实现从不同地区、不同层位、不同尺度样品上获得裂缝发育强度的标准化（图1），并实现不同尺度裂缝发育强度的对比。本发明经过保密性实验，在实际天然裂缝发育强度和平均间距测量和对比中进行秘密应用和印证，证实该方法切实可行。
附图说明
图1为本发明中不同尺度下裂缝强度计算方法示意图；
图2为本发明中用到的裂缝开度比测仪；
图3为本发明案例中用来进行裂缝开度和间距测量的裂缝发育情况
图4为本发明案例中不同尺度下观测到的裂缝分布示意图；
图5为本发明案例中露头区天然裂缝发育强度计算示意图；
图6为本发明案例中相邻油田地下天然裂缝发育强度计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
这种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法包括如下步骤：
a. 天然裂缝数据的采集：沿线性测线进行天然裂缝相关参数的采集，即记录与测线相交的每一条天然裂缝的相关参数，主要包括天然裂缝的产状、形态、切割关系、充填性、充填矿物以及岩石力学层厚度等；
b. 裂缝组系的划分：利用步骤a中获得的各项天然裂缝的参数，通过天然裂缝的形态、产状和切割关系等确定裂缝的组系，对于裂缝组系的划分，通常仅仅用裂缝的走向来进行区分，其实，裂缝的形成时期也是划分裂缝组系的重要依据，本发明中裂缝组系的划分参考了裂缝的形成时期，裂缝的形成时期主要是通过裂缝切割关系来确定的，早期形成的裂缝会被晚期形成的裂缝切割，而晚期形成的裂缝会终止于早期裂缝；
c. 裂缝开度和裂缝间距的测量：根据步骤b中裂缝组系的划分，分组系进行天然裂缝开度和间距的测量，分别从不同尺度（宏观、细观和微观尺度）对裂缝参数进行表征，对于宏观尺度裂缝，直接用肉眼和直尺即可对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于细观尺度的裂缝，需要借助放大镜和比测仪（图2）对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于微观裂缝，需要借助显微镜对裂缝开度和裂缝间距进行测量；其中，裂缝开度是指同一条裂缝两个裂缝壁之间的垂直距离，裂缝间距是指两条相邻裂缝之间的垂直距离。比测仪是一种用于测量细观尺度的裂缝的仪器，它包含有多条宽度逐渐增加的线，其中线宽度最窄的0.05mm，线宽度最宽的5mm，每条线宽度的增量具有相同的倍数，这样可以保证在双对数坐标中数据的均匀性。
d. 裂缝发育强度和裂缝平均间距计算：利用步骤c中测量得到的不同尺度下的裂缝开度和裂缝间距数据即可完成裂缝发育强度和平均裂缝间距的测量，其中裂缝发育强度（F）等于测线上裂缝总数量（N）与测线总长度（L）的比值（式1），平均裂缝间距（S）是所测量的所有裂缝间距的算数平均值（式2），它是裂缝发育强度的倒数（式2）；
（式1）
式中，F为裂缝发育强度；N为测线上裂缝总数量；L为测线总长度。
（式2）
式中，S为裂缝平均间距；Si为第i条裂缝与第i+1条裂缝之间的间距；F为裂缝发育强度；N为测线上裂缝总数量；L为测线总长度。
e. 裂缝发育强度的标准化：利用步骤c中获得的裂缝开度数据，对裂缝发育强度进行标准化，主要步骤如下：
（1）列出步骤c中测量到的所有裂缝开度数据，并从大到小排列；
（2）给排好序的裂缝开度进行编号，最大的编号为1，随着裂缝开度的逐渐变小，获得的编号就越大，开度最小的裂缝获得最大的编号，这样就会形成一个裂缝累积频数表；
（3）由于所测量的裂缝可能会具有相同的开度，因此，同一开度值可能会对应若干个编号，这时需要删除部分具有相同开度的数据来简化裂缝累积频数表，仅保留具有最大频数的那组数据即可；
（4）标准化裂缝累积频数：将步骤e的（3）中获得编号除以测线长度，代表单位长度测线上所观察到的开度达到某一特定数值的累积裂缝数量，即该裂缝开度下的裂缝发育强度；
（5）绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图：在双对数坐标下，以裂缝开度为横坐标，以标准化后裂缝累积频数为纵坐标，绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图（图1）；
f. 标准裂缝发育强度的计算：根据步骤e中绘制的裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图，利用最小二乘法，对数据进行拟合，拟合出幂律分布公式（式3），根据该公式，即可计算任意尺度下裂缝的发育强度。
（式3）
式中，NB为单位测线长度上开度大于B的裂缝的数量；B为裂缝开度；a、c为分别为系数和指数，通过拟合得到。
g. 不同层位、不同地区裂缝发育强度的对比：利用步骤a-f提供的标准裂缝发育强度计算公式，对不同层位、不同地区的裂缝发育强度进行标准化，选择相同的裂缝开度，计算裂缝发育强度，即可进行裂缝发育程度对比。
本发明中裂缝发育强度的标准化，对测量获得的裂缝开度数据进行排序、编号，并根据测线长度计算裂缝发育强度，然后在双对数坐标下绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图，并建立标准裂缝发育强度的计算公式，最后进行不同层位、不同地区裂缝发育强度的对比。这里之所以提出在不同尺度下进行测量，是针对样品齐全的条件下，也是为了证实在双对数坐标下，裂缝开度和裂缝发育强度符合幂律分布，实际上，只要在任何尺度下获得裂缝开度数据，利用上述方法就可进行标准裂缝发育强度的计算。
本发明进行了保密性实验，具体实验情况如下：
保密性实验案例为“川西前陆盆地雷口坡组天然裂缝定量表征”。案例涉及的露头位于川西龙门山逆冲推覆带，出露一套厚层的雷口坡组碳酸盐岩地层，该地层出露极好，并且发育有大量的天然裂缝，裂缝绝大部分被方解石或白云石等矿物充填，并且这些裂缝发育特征与邻近油田相同层位裂缝发育情况相似，为研究裂缝发育强度和裂缝间距的表征提供了一个很好的机会。
实验的基本条件：
（1）研究区具有极好的露头出露条件，且天然裂缝十分发育，可以从不同尺度（宏观、细观和微观）获得岩石样品，并且在相邻油田获得了岩心资料，可以用于对比分析，为本方法研究提供了全面的基础数据。
（2）东北石油大学“断裂控藏”实验室具有磨片机、放大镜、比测仪、蔡司显微镜等实验设备。
实验过程：
（1）天然裂缝数据的采集
本次研究选取的露头的岩石力学层厚度为10cm-2m不等，岩石白云岩化较弱，白云石含量为10%-20%。沿垂直于裂缝面方向的线性测线进行天然裂缝相关参数的采集（图3），即记录与测线相交的每一条天然裂缝的相关参数，主要包括天然裂缝的产状、形态、切割关系、充填性、充填矿物以及岩石力学层厚度等；
（2）裂缝组系的划分
通过天然裂缝的形态、产状和切割关系等确定裂缝的组系，对于裂缝组系的划分，通常仅仅用裂缝的走向来进行区分，其实，裂缝的形成时期也是划分裂缝组系的重要依据，本研究裂缝组系的划分参考了裂缝的形成时期，裂缝的形成时期主要是通过裂缝切割关系来确定的，早期形成的裂缝会被晚期形成的裂缝切割，而晚期形成的裂缝会终止于早期裂缝，根据上述原则，将裂缝划分为A组和B组两个裂缝组系（图3）。
（3）裂缝开度和裂缝间距的测量
分别对A组和B组裂缝进行开度和间距的测量，测线分别垂直于每组裂缝，分别从不同尺度（肉眼、放大镜和显微镜）对裂缝参数进行表征，对于宏观裂缝（开度>0.5mm），直接用肉眼和直尺即可对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于细观尺度的裂缝（0.05mm<开度<5mm，需要借助放大镜和比测仪（图2）对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于微观裂缝（开度<0.1mm），需要借助显微镜对裂缝开度和裂缝间距进行测量。下面以某一段1m长的测线来说明具体测量过程：
首先在图4A中，只统计了开度大于0.5mm的裂缝，裂缝开度跨越一个数量级（0.5-5mm），在这种尺度下，在1000mm的样品上观察到了24条裂缝，其裂缝强度为大约24条/m。然而，如果沿着这条测线的前200mm，利用放大镜和开度比测仪（图2、图4B）进行测量，测量最小开度降低到0.05mm，共测量到了28条裂缝，那么裂缝强度为140条/m（图4B），大约比第一种测量方法得到的裂缝强度高一个数量级。此外，利用微观薄片在显微镜线观察到的裂缝强度为830条/m（测量的最小开度降低到0.005mm，在12mm样品上观察到10条裂缝），裂缝发育强度更大了一个数量级。这说明，裂缝强度随着分辨率（伴随观察尺度的变化）的提高而发生变化，因为随着观察阈值的降低，在某一区域内观察到的裂缝数量增加。因此，如果不定量化裂缝的观察阈值，那么裂缝强度表征是没有意义的。本次研究共采集到来自12个地层的1400组裂缝数据。
（4）裂缝发育强度的标准化
利用步骤c中获得的裂缝开度数据，对裂缝发育强度进行标准化，主要步骤如下：
（i）列出步骤a中测量到的所有裂缝开度数据，并从大到小排列；
（ii）给排好序的裂缝开度进行编号，最大的编号为1，随着裂缝开度的逐渐变小，获得的编号就越大，开度最小的裂缝获得最大的编号，这样就会形成一个裂缝累积频数表；
（iii）由于所测量的裂缝可能会具有相同的开度，因此，同一开度值可能会对应若干个编号，这时需要删除部分具有相同开度的数据来简化裂缝累积频数表，仅保留具有最大频数的那组数据即可；
（iv）标准化裂缝累积频数：将步骤e的（3）中获得编号除以测线长度，代表单位长度测线上所观察到的开度达到某一特定数值的累积裂缝数量，即该裂缝开度下的裂缝发育强度；
（v）绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图：在双对数坐标下，以裂缝开度为横坐标，以标准化后裂缝累积频数为纵坐标，绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图（图5）；
（5）标准裂缝发育强度的计算
根据绘制的裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图，利用最小二乘法，对数据进行拟合，拟合出幂律分布公式（式4），根据该公式，即可计算任意尺度下裂缝的发育强度和平均间距。例如，该区开度B大于0.05mm的裂缝发育强度为131条/m，平均裂缝间距为0.76cm；开度B大于0.5mm的裂缝发育强度为27条/m，平均裂缝间距为3.70cm；开度B大于1mm的裂缝发育强度为16.8条/m，平均裂缝间距为5.95cm。
（式4）
式中，NB为单位测线长度上开度大于B的裂缝的数量；B为裂缝开度。
（6）不同层位/不同地区裂缝发育强度的对比
利用上述方法，对相邻油田相同层位（雷口坡组）进行了天然裂缝发育强度和平均裂缝间距的计算（图6、式5），由于岩心样品限制，计算时仅利用了细观尺度下裂缝数据进行拟合，该区开度B大于1mm的裂缝发育强度为2.2条/m，平均裂缝间距为45.45cm。通过对比相同尺度下裂缝发育强度发现，露头区裂缝发育强度要明显大于地下裂缝发育强度。
（式5）
式中，NB为单位测线长度上开度大于B的裂缝的数量；B为裂缝开度。
Claims (3)
1.一种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法，其特征在于：这种不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法包括如下步骤：
a. 天然裂缝数据的采集：沿线性测线进行天然裂缝相关参数的采集，即记录与测线相交的每一条天然裂缝的参数，天然裂缝的参数包括天然裂缝的产状、形态、切割关系、充填性、充填矿物和岩石力学层厚度；
b. 天然裂缝组系的划分：利用步骤a中获得的各项天然裂缝的参数，通过包括天然裂缝的形态、产状和切割关系在内的天然裂缝的参数确定裂缝的组系，分组系进行天然裂缝发育强度和平均间距的测量；
c. 裂缝开度和裂缝间距的测量：分别从宏观尺度、细观尺度和微观尺度对裂缝参数进行表征，其中，裂缝开度是指同一条裂缝两个裂缝壁之间的垂直距离，裂缝间距是指两条相邻裂缝之间的垂直距离；
d. 不同尺度下裂缝发育强度和裂缝平均间距计算：利用步骤c中测量得到的裂缝开度和裂缝间距数据完成不同尺度下裂缝发育强度和平均裂缝间距的测量，其中裂缝发育强度等于测线上裂缝总数量与测线总长度的比值，平均裂缝间距是所测量的所有裂缝间距的算数平均值，平均裂缝间距是裂缝发育强度的倒数；
e. 裂缝发育强度的标准化：利用步骤c中获得的裂缝开度数据，对裂缝发育强度进行标准化，包括如下步骤：
1）列出步骤c中测量到的所有裂缝开度数据，并从大到小排列；
2）给排好序的裂缝开度进行编号，最大的编号为1，随着裂缝开度的逐渐变小，获得的编号就越大，开度最小的裂缝获得最大的编号，这样就会形成一个裂缝累积频数表；
3）由于所测量的裂缝可能会具有相同的开度，因此，同一开度值对应若干个编号，这时需要删除部分具有相同开度的数据来简化裂缝累积频数表，保留具有最大频数的那组数据即可；
4）标准化裂缝累积频数：将步骤3）中获得编号除以测线长度，代表单位长度测线上所观察到的开度达到某一特定数值的累积裂缝数量，即该裂缝开度下的裂缝发育强度；
5）绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图：在双对数坐标下，以裂缝开度为横坐标，以标准化后裂缝累积频数为纵坐标，绘制裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图；
f. 标准裂缝发育强度的计算：根据步骤e中绘制的裂缝开度-标准化后裂缝累积频数图，利用最小二乘法，对数据进行拟合，拟合出幂律分布公式，根据该公式，计算任意尺度下裂缝的发育强度；
式中，NB为单位测线长度上开度大于B的裂缝的数量；B为裂缝开度；a、c为分别为系数和指数，通过拟合得到；
g. 不同层位和不同地区裂缝发育强度的对比：利用步骤a-f提供的标准裂缝发育强度计算方法，对不同层位和不同地区的裂缝发育强度进行标准化，选择相同的裂缝开度，计算裂缝发育强度，进行裂缝发育程度对比。
2.根据权利要求1所述的不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法，其特征在于：所述的步骤a中，对于宏观尺度的裂缝，直接用肉眼和直尺对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于细观尺度的裂缝，借助放大镜和比测仪对裂缝开度和裂缝间距进行测量；对于微观尺度的裂缝，借助显微镜对裂缝开度和裂缝间距进行测量。
3.根据权利要求2所述的不受样品尺寸限制的天然裂缝发育强度表征方法，其特征在于：所述的比测仪是一种用于测量细观尺度的裂缝的仪器，它包含有多条宽度逐渐增加的线，其中线宽度最窄的0.05mm，线宽度最宽的5mm，每条线宽度的增量具有相同的倍数。
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