CN107064193A - 一种裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气资源勘探技术领域，特别涉及一种裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法。包括如下步骤：步骤一：微裂缝发育特征观察；步骤二：纳米级裂缝定量评价与表征；步骤三：微米级裂缝定量评价与表征。本发明首次提出了一套定量表征致密储层微裂缝的方法，丰富了我国致密储层储集机理评价体系；本发明可方便快捷地实现微米级和纳米级裂缝的识别、评价与表征，以期明确不同尺度裂缝对物性的贡献，进而实现裂缝型致密储层的分级定量评价；本发明方案操作简便、可实施性强，能够很好地揭示非常规储层微裂缝的储集机理，为裂缝型致密储层的评价起到了示范效应。
Description
技术领域
本发明涉及油气资源勘探技术领域，特别涉及一种裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法。
背景技术
致密储层中的微裂缝不仅是油气的主要储集场所，同时也是非常重要的运移通道，尤其对致密砂岩和页岩等致密储层而言，微裂缝不仅能提高致密储层有效孔隙度和渗透率，而且天然裂缝的形态、方向、密集程度及封闭性对井网部署、压裂等均有重要影响，是控制致密油气藏开发效果的关键因素。
我国南方海相泥页岩分布较广，但由于其埋深较大，受到强压实作用的影响，其孔隙通常极为致密，多以纳米级为主，不利于油气充注，孔隙中油气多以吸附态存在，油气流动性较差，不利于页岩油气勘探开发。因此，深层页岩油气勘探以找寻微裂缝为勘探目标。
微裂缝储集空间类型及物性方面的研究主要基于薄片、扫描电镜等镜下技术。汪吉林等(汪吉林，朱炎铭，宫云鹏，方辉煌.重庆南川地区龙马溪组页岩微裂缝发育影响因素及程度预测[J].天然气地球科学，2015，26(8)：1579-1586.)通过扫描电镜技术揭示了龙马溪组页岩裂缝发育宽度为百纳米至百微米，并认为阶段进汞量曲线在一定程度上反映了页岩中超微裂缝的发育程度。Ougier-Simonin(Ougier-Simonin,A.,Renard,F.,Boehm,C.,Vidal-Gilbert,S.,2016.Microfracturing and Microporosity in shales.Earth-Science Reviews,162,198-226.)等通过光学显微镜、场发射扫描电镜、同步辐射三维成像技术等刻画了微裂缝的形态及分布特征，但他们认为目前很难实现对微裂缝的全孔径(不同尺度峰宽)表征，主要是因为无法识别不同尺度下微裂缝的非均质性。
然而，在致密储层(包括致密砂岩和泥页岩)微观孔隙结构特征方面却有比较成熟的研究方法。卢双舫等(卢双舫，陈方文，肖红，李建青，何希鹏.页岩储层有机、无机孔隙定量评价研究——以黔南坳陷下寒武统牛蹄塘组为例[R].南京：中国矿物岩石地球化学学会第14届学术年会论文摘要专辑，2013.)利用岩石薄片、SEM成像和成像测井等技术分析了黔南坳陷下寒武统牛蹄塘组泥页岩中的基质孔隙及裂缝发育特征，确定了研究区发育的絮状粒间孔、微通道和微裂缝等三类无机孔隙，并建立了泥页岩有机孔隙评价模型；Schmitt(Schmitt,M.,Fernandes,C.P.,da Cunha Neto,J.A.B,Wolf,F.G.,dos Santos,V.S.S.,2013.Characterization of pore systems in seal rocks using Nitrogen GasAdsorption combined with Mercury Injection Capillary Pressuretechniques.Marine and Petroleum Geology 39,138-149.)利用高压压汞和氮吸附表征了致密岩石孔隙全孔径分布特征，其中高压压汞用于揭示中孔和大孔孔径分布特征，而氮吸附用于表征微孔和中孔孔径分布特征；Li(Li,W.H.,Lu,S.F.,Xue,H.T.,Zhang,P.F.,Hu,Y.,2016.Microscopic pore structure in shale reservoir in the argillaceousdolomite from the Jianghan Basin.Fuel 181,1041-1049.)根据氩离子抛光场发射扫描电镜及物质平衡原理定量表征了页岩储层无机和有机孔隙度，利用高压压汞等技术探讨了孔隙有效性，并根据FIB-SEM技术揭示了孔隙及喉道三维空间分布特征，并表征了储层连通性及非均质性。
尽管表征微观孔隙结构特征的方法可借鉴于研究微裂缝，但是上述方法在研究微裂缝时均存在一定的局限性，不能简单套用，如压汞法在压力超过70MPa后会造成岩石的破裂进而产生孔隙或裂缝，造成检测结果产生偏差。
发明内容
目前针对微裂缝识别与评价多依靠薄片、扫描电镜等直观的镜下技术，然而要明确其储集机制，不仅需要弄清微、纳尺度裂缝缝宽的分布规律，还需要明确不同缝宽的裂缝对物性的贡献，这就需要有一套定量表征微裂缝的方法。有鉴于此，本发明要解决的技术问题是分别从微米级和纳米级的角度定量表征裂缝微观结构特征，并揭示不同尺度裂缝对物性的贡献。本发明提供了一种通过场发射扫描电镜与低温氮吸附定量表征纳米级裂缝微观结构特征及其对物性的贡献，通过普通薄片与高压压汞法定量表征微米级裂缝微观结构特征及其对物性的贡献，实现分级定量表征致密储层微裂缝的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法，包括如下步骤：
步骤一：微裂缝发育特征观察；
步骤二：纳米级裂缝定量评价与表征；
步骤三：微米级裂缝定量评价与表征。
进一步地，步骤一所述的微裂缝发育特征观察方法如下：
通过普通薄片、场发射扫描电镜，镜下观察裂缝形态、发育特征及分布规律。
进一步地，步骤二所述的纳米级裂缝定量评价与表征方法如下：
扫描电镜图像中不同成分的灰度不同，孔隙或裂缝相比岩石的其他部分灰度大，因此能够区分孔隙或裂缝和非孔隙或非裂缝部分，根据该原理，可有效标定纳米级裂缝缝宽；
根据扫描电镜标定结果，缝宽小于300nm的裂缝可根据低温氮吸附法进行表征，缝宽在300nm-1000nm的裂缝则可根据扫描电镜进行表征；低温氮吸附不仅可以表征纳米尺度裂缝缝宽的分布特征，还可以揭示不同缝宽的裂缝对物性的贡献情况，该方法表征的裂缝缝宽可根据BJH方法利用凯尔文方程求得，即：
式中：p为被吸附气体分压；
p0为发生吸附的固体材料饱和蒸汽压；
Rk为临界孔半径；
因此，测定致密储层在不同下凝聚氮气量，绘制出其等温吸脱附曲线，即可计算出纳米级裂缝缝宽、纳米级裂缝的容积等参数，进而可以表征不同尺度缝宽的裂缝对孔隙体积的贡献情况，揭示纳米级裂缝对物性的贡献情况。
进一步地，步骤三所述的微米级裂缝定量评价与表征方法如下：
和扫描电镜原理相同，普通薄片图像中不同成分的灰度不同，孔隙或裂缝相比岩石的其他部分灰度大，因此能够区分孔隙或裂缝和非孔隙或非裂缝部分，根据该原理，可有效标定微米级裂缝缝宽；
由于普通薄片标定微裂缝缝宽的结果正好在高压压汞检测范围内，因此可根据高压压汞法表征微米级裂缝缝宽分布特征，即：
式中：Pc为毛细管压力；
r为裂缝缝宽；
σ为界面张力；
θ为静态接触角；
根据压汞实验得到的进汞量和对应的压力，作出毛细管压力曲线，即可得到微米级裂缝缝宽分布特征，并揭示其对物性的贡献。
与现有技术相比，本发明具有如下优异的技术效果：
(1)本发明首次提出了一套定量表征致密储层微裂缝的方法，丰富了我国致密储层储集机理评价体系；
(2)本发明可方便快捷地实现微米级和纳米级裂缝的识别、评价与表征，以期明确不同尺度裂缝对物性的贡献，进而实现裂缝型致密储层的分级定量评价；
(3)本发明方案操作简便、可实施性强，能够很好地揭示非常规储层微裂缝的储集机理，为裂缝型致密储层的评价起到了示范效应。
附图说明
图1为柳河盆地柳参1井致密储层储集空间类型图；
其中，图1a.754m，下桦皮甸子组，灰色砂砾岩，方解石晶间孔；图1b.400m，亨通山组，粉砂质泥岩，粘土矿物粒间孔；图1c.790m，下桦皮甸子组，凝灰岩，长石溶蚀孔；图1d.175m，亨通山组，粉砂岩，构造微裂缝；图1e.1237m，下桦皮甸子组，含粉砂云质泥岩，“三叉缝”；图1f.789m，柳参1井，下桦皮甸子组，凝灰岩，两期构造裂缝相互切割；图1g.825m，下桦皮甸子组，泥质粉砂岩，成岩缝；图1h.1237m，下桦皮甸子组，含粉砂云质泥岩，成岩缝；图1i.2591.1m，柳参1井，基底，压溶缝。
图2为柳河盆地柳参1井致密储层纳米级微裂缝发育特征图；
其中，图2a.136m，亨通山组，含砾粗砂岩；图2b.321m，亨通山组，灰色中砂岩；图2c.847m，下桦皮甸子组，凝灰质细砂岩；图2d.1039m，下桦皮甸子组，灰色凝灰岩。
图3为纳米级裂缝缝宽分布特征图；
图4为致密岩样低温氮气吸附-解析曲线；
其中，LC1，70m，亨通山组，深灰色泥岩；LC7，313m，亨通山组，凝灰质角砾岩；LC27，483m，亨通山组，泥质粉砾岩；LC45，847m，下桦皮甸子组，凝灰质砾岩；YX1，1146.6m，下桦皮甸子组，深灰色凝灰质泥岩；JB13，1385.1m，下桦皮甸子组，深灰色中砂岩；JB19，1745m，包大桥组，灰色斑岩；LC143，2458m，基底，深灰色凝灰岩；YX11，2625.75m，基底，绿灰色糜棱岩。
图5为致密岩样氮气吸附孔径(缝宽)分布曲线；
图6为柳河盆地柳参1井致密储层微米级裂缝发育特征图；
其中，图6a.LC6，276m，亨通山组，深灰色凝灰岩；图6b.JB9，1237m，下桦皮甸子组，灰色泥岩；图6c.JB20，1846m，包大桥组，凝灰岩；图6d.JB30，2510m，基底。
图7为微米级裂缝缝宽分布特征图；
图8为微米级裂缝缝宽分布特征及其对渗透率贡献(矩形框标注部分)图。
具体实施方式
本发明以柳河盆地致密储层为例，结合附图和具体实施方式，说明具体的实施方案及应用效果。
步骤一：微裂缝发育特征观察；
通过普通薄片、场发射扫描电镜，镜下观察其裂缝形态、发育特征及分布规律。
柳河盆地柳参1井储层较为致密，整体孔隙不发育，镜下可见方解石晶间孔(见图1a)、粘土矿物粒间孔(见图1b)及长石微弱溶蚀形成的溶蚀孔(见图1c)，但孔隙主要发育在埋深小于1000m的致密浅层(见图1)；微裂缝较为普遍，浅层和深层均有分布，为区内主要储集空间类型，其进一步可划分为构造缝(见图1d～图1f)和成岩缝(见图1g～图1i)。值得注意的是，镜下可见沥青充填微裂缝现象(见图1g)，可见微裂缝的发育、分布及物性特征控制着研究区油气的分布。
步骤二：纳米级裂缝定量评价与表征；
纳米级裂缝由于缝宽较小，普通薄片很难观察到，通常根据场发射扫描电镜等技术识别。研究区纳米级裂缝主要为成岩缝(见图2)，由于受到压实作用影响，裂缝缝宽通常较窄，研究区主要分布在几十纳米至几百纳米之间(见图3)。
本发明运用低温氮吸附法定量表征纳米级裂缝。图4为柳参1井9块样品(样品标号分别为LC1、LC7、LC27、LC45、YX1、JB13、JB19、LC143、YX11，样品深度分别对应为70m、313m、483m、847m、1146.6m、1385.1m、1745m、2458m、2625.75m)的低温氮气吸附-解吸曲线，其中随着深度的增加，致密岩石吸附曲线由明显的“S”型逐渐变为反“L”型。在低压下(0<p/p0<0.05，p0为77K下氮气的饱和蒸汽压)，吸附等温线上升缓慢，呈向上凸的形状，为液氮在岩样表面的单分子层吸附或微孔填充；随着相对压力的增加(0.05<p/p0<0.40)，吸附等温线近似呈线性，液氮发生多分子层吸附；线性段以后随着压力的继续升高，等温线急剧上升，呈向下凹的形状，当平衡压力接近饱和蒸汽压时也未出现吸附饱和现象，表明氮气发生毛细孔凝聚。吸附曲线的形状可以定性地评价致密岩石的孔径分布，IUPAC在deBoer迟滞回线分类的基础上推荐了一种新的分类标准，将迟滞回线分为4类：H1型、H2型、H3型和H4型，相应吸附剂的孔喉形状分别为两端开口的圆筒孔、细口广体的“墨水瓶”型孔、平行板结构的狭缝型孔、锥形结构的狭缝孔。
随着埋深的增加，孔隙形态逐渐从H2型转化到H3型(见图4)，即由细口广体的“墨水瓶”型孔逐渐过渡到平行板结构的狭缝型孔。由步骤一的储集空间类型可知(见图1)，研究区大于1000m埋深的致密储层几乎检测不到孔隙，而裂缝在浅层和深层均比较发育，因此，可认为上文所述狭缝型孔即为微裂缝，由于其缝宽主要为纳米级，因此运用低温氮吸附的方法可以很好地表征微裂缝缝宽分布特征。其中样品LC1、LC7和LC27为典型的“墨水瓶”型孔，而LC45、YX1和JB13为过渡性或偏微裂缝型(以微裂缝为主，含少量细口广体的“墨水瓶”型)，JB19、LC143和YX11则代表微裂缝(见图4)。图5揭示了致密储层样品孔径或缝宽的分布特征，其中偏微裂缝型样品(LC45、YX1和JB13)揭示微裂缝缝宽(含少量孔隙)主要分布在2nm-200nm之间，裂缝型样品(JB19、LC143和YX11)缝宽主要分布在2nm-300nm之间。随着埋深的增加，缝宽较大的裂缝所占比例越来越大且对孔隙体积的贡献比例也越来越大。
步骤三：微米级裂缝定量评价与表征；
微米级裂缝通常用普通薄片观察与识别，图6为柳参1井4块样品(样品标号分别为LC6、JB9、JB20、JB30，样品深度分别对应为276m、1237m、1846m、2510m)的微米级裂缝发育特征图，其揭示研究区微米级裂缝主要分布在几微米至一百多微米之间，且微米级裂缝多为构造缝，构造缝的发育与柳河盆地经历的两期构造运动有关(J3-K2早期与K2末期)。随着埋深的增加，微米级裂缝缝宽明显有增大的趋势(见图7)。
由于研究区微米级别裂缝缝宽正好处于高压压汞检测限范围，因此高压压汞技术可有效地表征裂缝的分布规律，并揭示其对物性的贡献。图8揭示研究区孔喉半径主要存在两个分布区间，即小于1μm和大于1μm的两个分布频段，前者为基质孔或纳米尺度微裂缝，而后者为微米级裂缝(埋深小于1000m的致密储层既包含基质孔，同时也存在纳米级裂缝，而大于1000m的致密储层则以微米级裂缝为主)。研究区微米级裂缝缝宽主要分布在10μm-63μm之间(见图8，矩形框标注)，且随着埋深的增加，微米级裂缝所占比例逐渐增大；另一方面，尽管微米级裂缝分布频率远远低于1μm以下纳米级孔缝的分布频率，但其对渗透率贡献却较大(见图8)。
Claims (4)
1.一种裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：微裂缝发育特征观察；
步骤二：纳米级裂缝定量评价与表征；
步骤三：微米级裂缝定量评价与表征。
2.根据权利要求1所述的裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法，其特征在于，步骤一所述的微裂缝发育特征观察方法如下：
通过普通薄片、场发射扫描电镜，镜下观察裂缝形态、发育特征及分布规律。
3.根据权利要求2所述的裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法，其特征在于，步骤二所述的纳米级裂缝定量评价与表征方法如下：
扫描电镜图像中不同成分的灰度不同，孔隙或裂缝相比岩石的其他部分灰度大，因此能够区分孔隙或裂缝和非孔隙或非裂缝部分，根据该原理，可有效标定纳米级裂缝缝宽；
根据扫描电镜标定结果，缝宽小于300nm的裂缝可根据低温氮吸附法进行表征，缝宽在300nm-1000nm的裂缝则可根据扫描电镜进行表征；低温氮吸附不仅可以表征纳米尺度裂缝缝宽的分布特征，还可以揭示不同缝宽的裂缝对物性的贡献情况，该方法表征的裂缝缝宽可根据BJH方法利用凯尔文方程求得，即：
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<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：p为被吸附气体分压；
p0为发生吸附的固体材料饱和蒸汽压；
Rk为临界孔半径；
因此，测定致密储层在不同下凝聚氮气量，绘制出其等温吸脱附曲线，即可计算出纳米级裂缝缝宽、纳米级裂缝的容积等参数，进而可以表征不同尺度缝宽的裂缝对孔隙体积的贡献情况，揭示纳米级裂缝对物性的贡献情况。
4.根据权利要求3所述的裂缝型致密储层微裂缝分级定量表征方法，其特征在于，步骤三所述的微米级裂缝定量评价与表征方法如下：
和扫描电镜原理相同，普通薄片图像中不同成分的灰度不同，孔隙或裂缝相比岩石的其他部分灰度大，因此能够区分孔隙或裂缝和非孔隙或非裂缝部分，根据该原理，可有效标定微米级裂缝缝宽；
由于普通薄片标定微裂缝结果正好在高压压汞检测范围内，因此可根据高压压汞法表征微米级裂缝缝宽分布特征，即：
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<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：Pc为毛细管压力；
此处的r为裂缝缝宽；
σ为界面张力；
θ为静态接触角；
根据压汞实验得到的进汞量和对应的压力，作出毛细管压力曲线，即可得到微米级裂缝缝宽分布特征，并揭示其对物性的贡献。
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