CN107784150B - 一种裂缝封闭性预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种裂缝封闭性预测方法。本发明专利在确定裂缝的形成时期以及油气运聚成藏期次的基础上，确定所模拟应力场时期；以岩石力学实验以及测井解释力学参数为约束，通过地震资料反演目的层位的力学参数，建立不同时期的地质力学模型；依据应力场模拟结果，提取单元体的应力、应变信息，计算裂缝的密度、开启性以及再活动性，建立裂缝封闭性预测模型；不同时期的模型考虑了裂缝的密度、裂缝的活动性、岩层的厚度以及裂缝的充填率等因素，实现裂缝封闭性的准确预测。本发明在裂缝封闭性定量预测方面具有较高的实用价值，实现了不同时期裂缝封闭性定量预测。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种裂缝封闭性预测方法。
背景技术
影响油气保存的因素有很多，包括断裂的密度与规模、裂缝的发育程度、顶底板与区域盖层的厚度、目的层的埋深、构造形态、天然气组分、地层水条件以及地层压力等诸多因素。油气勘探实践表明，断裂是影响油气产能的一个重要因素，是决定油气保存条件的决定性因素。关于储层裂缝，前人已做过大量研究工作，主要侧重研究裂缝作为储集空间以及油气的运移通道。断裂和裂缝对油气聚集具有双重作用，其发育程度和规模是影响储层含气量和油气聚集的主要因素，决定储层渗透率的大小，控制储层的连通程度，进一步控制油气的流动速度、气藏的产能；另一方面，裂缝还决定油气藏的保存条件，裂缝比较发育的地区，油气藏的保存条件较差，天然气易散失、难聚集、难形成油气藏，甚至不能形成油气藏。影响裂缝的封闭性的因素很多，包括裂缝的密度、裂缝的活动性、岩层的厚度、裂缝的充填性(充填率、充填物)以及岩石的塑性。因此，在裂缝封闭性评价中，建立合适的多因素裂缝封闭性评价模型至关重要。依据应力场模拟建立裂缝封闭性计算模型，基于裂缝的形成时期以及裂缝充填物的形成时间，确定应力场模拟的方案，不同时期的模型考虑了裂缝的密度、裂缝的活动性、岩层的厚度以及裂缝的充填率等因素；该模型能够实现不同时期裂缝的封闭性。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种裂缝封闭性预测方法，它实现了不同时期裂缝封闭性的定量预测。
本发明的技术方案为：一种裂缝封闭性预测方法，具体步骤如下：
第一步 确定裂缝的形成时期以及发育规律。
通过野外调查、岩心统计、薄片观测、扫描电镜以及实验分析，并结合构造演化、应力场演化、储层埋藏史，确定裂缝的形成时期，裂缝产状、裂缝充填率以及裂缝力学性质。
第二步 确定油气运聚成藏期次。
通过充填物的流体包裹体分析，确定油气的运聚成藏期次。
第三步 确定模拟应力场的时期。
根据裂缝的形成时期、油气运聚成藏期次以及构造运动期次，确定所模拟应力场晚于裂缝的形成时期、油气运聚成藏时间，结合构造运动时期，确定模拟的构造应力场为S期，由古至今依次标记为第一期、第二期、......、第S期，即第S期为最近一期的应力场。
第四步 建立不同时期的地质力学模型。
以岩石力学实验以及测井解释力学参数为约束，通过地震资料反演目的层位的力学参数。
第五步 确定不同时期模型的边界条件。
通过岩石声发射实验，确定古应力场的大小；通过构造形迹分析，确定不同时期的古应力的方向；通过压裂资料、阵列声波测井、井斜统计、GPS检测、诱导裂缝、微地震检测、井壁崩落以及差应变实验确定现今地应力的大小、方向。
第六步 建立裂缝封闭性预测模型。
依据应力场模拟结果，提取单元体的应力、应变信息，计算裂缝的密度、开启性以及再活动性，进而预测裂缝不同时期的封闭性。
根据弹性力学有关理论，岩石变形时在其内部积聚应变能，岩石内部的应变能大小用应变能密度来衡量，即：
公式(1)中，σ1、σ2、σ3为单元内的三个主应力，ε1、ε2、ε3分别为主应力方向所对应的应变，理论和实验都已证明砂岩、粉细砂岩以及含钙质的粉细砂岩和砂岩都表现出强烈的脆性特征，脆性岩石断裂的最大应变能准则认为：当其内部积累的弹性应变能释放率等于产生单位面积断裂体表面所需要的能量时，该脆性材料即发生断裂。依据能量守恒原理得到：
公式(2)中，
为用于新增断裂表面积的应变能密度，单位N/m2；V为表征单元体的体积，单位m3；J为产生单位面积断裂所需要能量，单位为J/m2。在应变能高值区，岩石发生破裂的概率要更大；反之，岩石破裂的概率小；Dvf为裂缝的体密度。
假定裂缝等间距分布，依据裂缝的线密度与体密度关系，每个单元体内的裂缝面密度表示为：
公式(3)中，Dlf为裂缝线密度，L1，L2，L3分别是沿着σ3，σ2，σ1，方向的单元体长度；θ是岩石的破裂角。
裂缝的封闭性受岩石的密度、开度、活动性、充填率，岩石力学层的厚度控制。裂缝的开度与垂直裂缝面的法向应变有关；裂缝的再活动性与垂向应力以及裂缝面的法向正应力密切相关。裂缝的再活动性表示为：
σv为垂向应力，σn为裂缝面的法向正应力，在第一期应力场中裂缝的封闭性I1表示为：
在第二期应力场中裂缝的封闭性I2表示为：
在第三期应力场中裂缝的封闭性I3表示为：
在第S期应力场中裂缝的封闭性IS表示为：
在某一层位，裂缝的总封闭性I表示为：
公式(5)-(9)中，Ts是第s期构造运动所经历的时期，Ma；C是裂缝的充填率；k是裂缝的间距系数，与裂缝密度呈反比例关系，m；H是岩层的总厚度，m；hi是第i岩石力学层的厚度，m；Ij是第j期构造运动期裂缝的封闭性，m2·Ma；Dlfi是第i层的裂缝的线密度，条/m；εnji是第j期构造运动期，第i层垂直裂缝面的法向应变。
第七步 不同时期裂缝的开启性、再活动性以及封闭性预测。
利用公式(1)-(9)中，求取不同层位、不同时期的裂缝封闭性。
本发明的有益效果是：本发明专利通过判断裂缝的形成时期以及油气运聚时间，确定模拟的应力场时期，不同时期的模型考虑了裂缝的密度、裂缝的活动性、岩层的厚度以及裂缝的充填率，利用该模型能够实现不同时期裂缝的封闭性。本发明在裂缝封闭性定量预测方面具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，可以大量减少人力、财力的支出，对油田勘探开发的实用性强。
附图说明
图1为一种裂缝封闭性预测方法的流程图。
图2为岑巩页岩气区块地理位置图。
图3为岑巩区块地层综合柱状图。
图4为岑巩区块牛蹄塘组天然裂缝观测统计图。
图5为岑巩区块牛蹄塘组埋藏史、应力场演化以及油气运聚时期。
图6为岑巩区块牛蹄塘组力学参数转换关系。
图7为岑巩区块牛蹄塘组不同时期的弹性模量分布。
图8为岑巩区块牛蹄塘组不同时期的应力方向与大小判别图。
图9为岑巩区块牛蹄塘组不同时期的模型边界条件加载示意图。
图10岑巩区块牛蹄塘组裂缝封闭性预测模型。
图11为岑巩区块牛蹄塘组不同时期主应力分布图。
图12为岑巩区块牛蹄塘组裂缝密度分布。
图13为岑巩区块牛蹄塘组不同时期裂缝的开度以及裂缝开启性分布图。
图14为岑巩区块牛蹄塘组不同时期的裂缝封闭性分布图。
图4中，A-C为野外天然裂缝，D-F为岩心裂缝，G-I为薄片裂缝，J为野外统计裂缝走向玫瑰花图，K为野外裂缝倾角统计图，L为成像测井裂缝走向玫瑰花图。图6中，A.动态弹性模量与静态弹性模量关系；B.动态弹性模量与静态弹性模量关系；Ed为动态弹性模量；μd为动态泊松比；E为静态弹性模量。图7中，A.燕山期、喜马拉雅期牛蹄塘组岩石弹性模量分布；B.现今牛蹄塘组岩石弹性模量分布。图8中，A.燕山期活动断层走向玫瑰花图；B.井斜方位统计玫瑰花图；C.GPS检测地块移动方向玫瑰花图；D-E.岩石声发射实验图。图9中，A.燕山期模型边界条件加载示意图；B.喜马拉雅期模型边界条件加载示意图；C.现今模型边界条件加载示意图；σH为水平最大主应力，σh为水平最小主应力。图10中，hi第i岩石力学层的厚度，m；Dlfi是第i层裂缝的线密度，条/m；εji是第j期构造运动期，第i层垂直裂缝面的法向应变。图11中，A.燕山期最小主应力分布图；B.燕山期最大主应力分布图；C.喜马拉雅期最小主应力分布图；D.喜马拉雅期最大主应力分布图；E.现今最小主应力分布图；F.现今最大主应力分布图。图13中，A.燕山期正应变分布图；B.燕山期再活动性分布图；C.喜马拉雅期正应变分布图；D.喜马拉雅期再活动性分布图；E.现今正应变分布图；F.现今再活动性分布图。图14中，A.燕山期裂缝封闭性分布图；B.喜马拉雅期裂缝封闭性分布图；C.现今裂缝封闭性分布图；D.裂缝总封闭性图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
贵州岑巩区块地处贵州省铜仁市的西南部，位于湘黔两省三地(黔东南州、铜仁市、怀化市)交接处，主体位于贵州省岑巩县内。区块以羊桥乡为中心，包括岑巩的天马镇大部，玉屏朱家场镇和官和、民和、大坪的南部地区，面积约为914.633km2(图2)。震旦纪～志留纪发展时期，贵州东部地区出现槽、台分化，地台区为陆表海，多为滨海—浅海环境，沉积以稳定的内源碳酸盐岩和单陆碎屑为主的建造，无岩浆活动发生；北部槽区是陆缘海，为浅—半深海环境，沉积了以半火山活动型火山复陆屑、复陆屑和碳酸盐岩建造。
工区寒武系地层总厚在1800～2500米左右，区内针对页岩气的目的层主要是变马冲组和牛蹄塘组，地层详述如下(图3)：
a.震旦系
南沱组 岩性主要为冰碛砂砾岩、含砾绢云母板岩、变余含砾长石石英砂岩、砂质板岩等，厚0-50m。
陡山沱组 下统陡山沱组相对较薄，厚度为15-30m，主要为白云岩夹少量的炭质泥岩。上统老堡组，与灯影组属同时异相，岩性为黑色硅质岩，深水陆棚沉积，厚度10-25m，与灯影组相比，相对较薄。
灯影组 岩性由浅海相灰岩、薄层细粒白云岩、炭质硅质页岩等组成。厚0-130m。
b.寒武系
牛蹄塘组牛蹄塘组(包括九门冲组)岩性底部为黑色硅质岩及磷块岩夹黑色高碳质页岩；下部为灰黑色钙质页岩、深灰、灰色泥质粉砂岩、灰黑色泥岩与灰黑色页岩呈不等厚互层，见星点状黄铁矿分布；上部为深灰色、灰色中厚层状细晶灰岩，见方解石条带。实钻厚度103m，其中下部优质页岩层段厚45m。
变马冲组自上而下可划分为三个岩性段，即变马冲三段、变马冲二段和变马冲一段。岩性主要为灰黑色页岩与深灰色钙质粉砂岩不等厚互层，夹灰黑色粉砂质泥岩，总厚度198m。
岑巩地区牛蹄塘组裂缝的封闭性评价步骤如下：
第一步 确定裂缝的形成时期以及发育规律。
通过野外调查、岩心统计、薄片观测、扫描电镜以及实验分析，并结合构造演化、应力场演化、储层埋藏史，确定岑巩区块下寒武统牛蹄塘组裂缝大部分为构造裂缝。裂缝以韧性剪切破裂形成的高角度剪切缝和张剪性裂缝为主，其次为沿层理面顺层滑动的剪应力产生的与层理面大致平行的水平及低角度滑脱缝，偶见由水平挤压产生压溶作用形成的构造压溶缝合线。岩心观察的宏观裂缝大部分被充填。主要充填物为方解石充填、黄铁矿充填和泥质充填，其中方解石充填缝牛蹄塘组的全层段都大量发育，裂缝充填率为0.96；裂缝倾角主要以垂直缝和水平缝为主；裂缝以北东向为主，裂缝在燕山早期已经形成。(图4-图5)
第二步 确定油气运聚成藏期次。
通过充填物的流体包裹体分析，确定油气的运聚成藏期次在燕山早期之前。(图5)
第三步 确定模拟应力场的时期。
根据裂缝的形成时期、油气运聚成藏期次以及构造运动期次，确定燕山期、喜马拉雅期以及现今三期应力场模拟方案。
第四步 建立不同时期的地质力学模型。
以岩石力学实验以及测井解释力学参数为约束(图6)，通过地震资料反演目的层位的力学参数。(图7)
第五步 确定不同时期模型的边界条件。
通过岩石声发射实验，确定古应力场的大小；通过构造形迹分析，确定不同时期的古应力的方向；通过井斜统计、GPS检测确定现今地应力的大小、方向(图8)；最终确定不同时期地质力学模型的边界条件(图9)。
第六步 建立裂缝封闭性预测模型。
依据岑巩区块牛蹄塘组应力场模拟结果，提取单元体的应力、应变信息，计算裂缝的密度、开启性以及再活动性，进而预测裂缝不同时期的封闭性。(图10-图13)
第七步 不同时期裂缝的开启性、再活动性以及封闭性预测。
利用公式(1)-(9)中，求取不同层位、不同时期的裂缝封闭性(图14)。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种裂缝封闭性预测方法，步骤如下：
1)确定裂缝的形成时期以及发育规律；通过野外调查、岩心统计、薄片观测、扫描电镜以及实验分析，并结合构造演化、应力场演化、储层埋藏史，确定裂缝的形成时期，裂缝产状、裂缝充填率以及裂缝力学性质；
2)通过充填物的流体包裹体分析，确定油气的运聚成藏期次；
3)根据裂缝的形成时期、油气运聚成藏期次以及构造运动期次，确定所模拟应力场晚于裂缝的形成时期、油气运聚成藏时间，结合构造运动时期，确定模拟的构造应力场为S期，由古至今依次标记为第一期、第二期、......、第S期，第S期为最近一期的应力场；
4)以岩石力学实验以及测井解释力学参数为约束，通过地震资料反演目的层位的力学参数，建立不同时期的地质力学模型；
5)通过岩石声发射实验，确定古应力场的大小；通过构造形迹分析，确定不同时期的古应力场的方向；通过压裂资料、阵列声波测井、井斜统计、GPS检测、诱导裂缝、微地震检测、井壁崩落以及差应变实验确定现今地应力的大小、方向；
6)建立裂缝封闭性预测模型；
岩石变形时在其内部积聚应变能，岩石内部的应变能大小用应变能密度来衡量，即：
公式(1)中，σ1、σ2、σ3为单元内的三个主应力，ε1、ε2、ε3分别为主应力方向所对应的应变；当其内部积累的弹性应变能释放率等于产生单位面积断裂体表面所需要的能量时，该脆性材料即发生断裂；依据能量守恒原理得到：
公式(2)中，
为用于新增断裂表面积的应变能密度，单位N/m2；V为表征单元体的体积，单位m3；J为产生单位面积断裂所需要能量，单位为J/m2；Dvf为裂缝的体密度；
假定裂缝等间距分布，依据裂缝的线密度与体密度关系，每个单元体内的裂缝面密度表示为：
公式(3)中，Dlf为裂缝线密度，L1，L2，L3分别是沿着σ3，σ2，σ1，方向的单元体长度；θ是岩石的破裂角；
裂缝的再活动性表示为：
σv为垂向应力，σn为裂缝面的法向正应力，在第一期应力场中裂缝的封闭性I1表示为：
在第二期应力场中裂缝的封闭性I2表示为：
在第三期应力场中裂缝的封闭性I3表示为：
在第S期应力场中裂缝的封闭性IS表示为：
在某一层位，裂缝的总封闭性I表示为：
公式(5)-(9)中，Ts是第s期构造运动所经历的时期，Ma；C是裂缝的充填率；k是裂缝的间距系数，与裂缝密度呈反比例关系，m；H是岩层的总厚度，m；hi是第i岩石力学层的厚度，m；Ij是第j期构造运动期裂缝的封闭性，m2·Ma；Dlfi是第i层的裂缝的线密度，条/m；εnji是第j期构造运动期，第i层垂直裂缝面的法向应变；
7)不同时期裂缝开启性、再活动性以及封闭性预测。
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