CN107957596A - 一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法。本发明通过不同地区储层矿物含量、TOC含量以及岩石力学测定，分析矿物含量与储层力学参数相关性，进而确定三维力学参数分布，建立有限元非均质地质力学模型，进行古应力释放率模拟，利用建立的裂缝密度计算模型，实现裂缝密度三维分布预测。本发明由严格的数学算法推导组成，利用计算机编程语言开发相应的计算程序，它解决了储层裂缝密度难以准确定量预测的问题。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法。
背景技术
北美海相页岩天然气勘探的成功和中国大量页岩气的发现表明，低孔低渗储层的天然裂缝可以形成重要的渗流通道，另外，储层经过水力压裂后可形成连通裂缝系统，从而成为有效的储集层。目前四川盆地龙马溪组页岩气勘探取得的突破，以及黔北地区邻近地区逐渐吸引地球科学家的关注。近期，重庆下志留统龙马溪组焦石坝页岩气田的商业开发表明，华南地区是中国页岩气储量的重要战略区域。近期页岩气勘探开发表明，龙马溪页岩的物性差，孔隙度低，渗透率低，大部分样品的孔隙度在0.67-1.76％之间(平均值为1.27％)，渗透率在0.0049-0.6912mD之间(平均值为0.1528mD)。因此，裂缝分布的预测对于进一步开发该地区页岩气具有重要意义。
近10年来，页岩裂缝相关理论和方法研究取得重要进展，主要集中于裂缝类型和成因机制、天然裂缝的定性和定量识别、储层裂缝分布的预测以及裂缝和含气能力之间的关系。目前对天然裂缝的研究主要集中在三个方面：(1)宏观裂缝和微裂缝的发展，强调宏观和微观尺度特征的结合；(2)定性和定量地确定裂缝发育的主控因素；(3)重视油藏性能评价和页岩裂缝渗流特征。由于构造裂缝的发育和分布是受力学参数和古构造应力场控制，因此建立详细的地质力学模型，恢复古构造应力场是预测裂缝分布的基础。应用有限元法(FEM)对构造应力场进行分析，目前得到了较好的验证。以前的地质力学建模研究已经考虑到地质单元是单一的同质体或者具有相同力学参数的均质体。然而，这些假设往往与实际地质条件不一致，导致应力场模拟和裂缝预测存在偏差。另外，大多数裂缝预测模型仅考虑主应力或剪切应力的大小，而没有考虑岩石中能量的积累、释放和保存。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法，它解决了储层裂缝密度难以准确定量预测的问题。
本发明的技术方案为：一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法，具体的步骤如下：
第一步不同地区储层矿物含量、TOC含量以及力学参数测试；
通过储层矿物含量、TOC含量以及力学参数分析测试，确定岩石的矿物百分含量、TOC含量以及岩石力学参数；
第二步矿物含量、TOC含量与岩石力学参数相关性分析；
采用相关性分析的方法研究不同力学参数、不同元素以及TOC含量之间的相关性。相关性分析是指对两个或多个的变量进行分析，从而衡量这些变量的相关密切程度。相关系数则是定量评价相关性大小、正负的指标，常用的相关性系数有Pearson相关系数、Kendall相关系数以及Spearman相关系数。
在选择相关系数时，首先应该判断变量是否服从正态分布，统计数据的频率分布如表2所示。正态分布检验主要采用P-P图以及非参数检验方法。P-P图是根据变量的累积比例与指定分布的累积比例之间的关系所绘制的图形。通过P-P图可以检验数据是否符合指定的分布；当数据符合指定分布时，P-P图中各点近似呈一条直线，因此，若点离直线越近，或多数点都在直线上，数据就有较好的正态性。
非参数检验方法包括Kolmogorov-Smirnov检验(D检验)和Shapiro-Wilk(W检验)。Statistical Analysis System中规定：当样本含量N≤2000时，结果以W检验为准，当样本含量N>2000时，结果以D检验为准。若样本不服从正态分布，采用非参数统计方法，即Spearman秩相关系数Rs作为评价变量间的相关性大小，具体计算步骤如下：
(1)编秩:将两变量X、Y成对的观察值分别从小到大顺序编秩。
(2)将数据带入公式计算。
Spearman秩相关系数(Rs)有两个计算公式:
公式(1)-(2)中，di为第i对变量值(X，Y)的秩次之差；n为数据组数；TX(或TY)＝∑t3-t，t为X(或Y)中相同秩次的个数。显然，当TX＝TY＝0时，两式相等。
(3)建立假设检验，确定检验水准。
(4)计算检验统计量。
利用公式(1)-(2)，求取不同变量的相关性大小，其中负值表示两种变量为负相关关系，正值表示两种变量为正相关关系。
通过矿物含量与岩石力学的相关性分析，选取与岩石力学的相关性敏感的矿物含量、TOC含量，建立研究区的泊松比、杨氏模量预测数学模型，结合不同地区的矿物含量、TOC含量分布，得到研究区力学参数的三维分布。
第三步建立有限元非均质地质力学模型；
依据研究区力学参数的三维分布，建立工区的地质模型；利用岩石声发射结果，确定古应力场模拟的水平最大主应力以及最小主应力；利用裂缝、断层的构造形迹分析，确定水平最大主应力的方位；依据研究区力学参数的三维分布，建立有限元非均质地质力学模型；
第四步古应力释放率模拟；
以多点的声发射数据为约束，模拟得到研究区不稳定的古构造应力场，依据安德森准则，σH>σV>σh，此时为强构造活动时期的构造应力场；当σH≈σV>σh时，为弱构造活动时期的构造应力场，为稳定的应力场，在本发明中称之为残余应力场；利用每个单元体中应力的累计变化，实现古应力释放率的模拟。
第五步裂缝密度计算模型；
根据弹性理论和虎克定律，应变能密度表示为：
当脆性材料中积累的弹性应变能等于单位体积单元产生一定数量裂缝所需的能量时，单元中的脆性岩石就会破裂。理论和实践表明，细粒砂岩，致密砂岩，碳酸盐岩以及钙质物质和硅质页岩组成的砂岩具有较强的脆性断裂特征。在这些脆性岩石中，当三维应力条件超过拉伸强度，剪切强度或抗压强度时，将发生断裂以释放应变能。这些能量中的一部分抵消了新裂缝的表面能，其余部分作为弹性波发出。然而，与断裂面能量相比，释放的弹性波很弱，可以忽略不计。因此，我们根据能量守恒定律提出以下公式：
公式(3)-(4)中，Dvf定义为裂缝的体密度，m2/m3；是当前应力下的弹性应变能，J/m3；是产生新裂缝所需的弹性应变能密度，J/m3；是产生裂缝必须克服的弹性应变密度，J/m3；是残余应变密度，可通过模拟残余应力场J/m3获得；V是单元体的体积，m3；Sf是新裂缝的面积，m2；J是单位面积裂缝需要的能量，通过三轴压缩试验获得，E是杨氏模量，σ3最小主应力，σ2中间主应力，σ1最大主应力。
当一个元素足够小时，我们不会注意单元体内裂缝间距的变化。如果有必要研究模型中裂缝间距的变化，地质模型必须更加精细地啮合；因此，我们假设元素中的裂缝以均匀间隔排列，所以裂缝的线密度(Dlf)可以表示如下：
公式(5)，L1，L2和L3分别是单元体在σ3，σ2和σ1方向上的长度；θ是岩石的破裂角。
第六步裂缝密度三维分布预测与模拟结果可靠性对比分析；
利用公式(3)-(5)，结合应力场演化，实现裂缝密度三维分布预测，利用单井或野外剖面的裂缝分布，验证裂缝垂向分布的可靠性；利用不同地区裂缝的线密度，验证裂缝平面分布的可靠性。
本发明的有益效果是：本发明通过不同地区储层矿物含量、TOC含量以及岩石力学测定，分析矿物含量与储层力学参数相关性，进而确定三维力学参数分布，建立有限元非均质地质力学模型，进行古应力释放率模拟，利用建立的裂缝密度计算模型，实现裂缝密度三维分布预测。本发明由严格的数学算法推导组成，可以利用计算机编程语言开发相应的计算程序，实现裂缝密度的准确定量预测。本发明对于裂缝密度的定量预测具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强。
附图说明
图1为一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法流程图。
图2中，A为岩石应力应变曲线，B为岩石破裂过程中的能量转化示意图，C为基于应力释放率的裂缝密度表征单元，D为最大-最小主应力剖面的裂缝线密度与单元体长度的关系。
图3为黔北地区地理位置图。
图4为黔北地区区域构造运动与构造旋回表。
图5为野外、岩心中的龙马溪页岩中的天然裂缝形态。
图6为薄片、扫描电镜的龙马溪页岩中的天然裂缝形态。
图7为黔北地区龙马溪页岩的矿物含量以及TOC含量分布图。
图8中，A为断层走向玫瑰花图，B为裂缝走向玫瑰花图。
图9为黔北地区龙马溪页岩声发射测试结果。
图10为地质力学模型与边界条件。
图11为研究区燕山期古构造应力场。
图12为研究区燕山期残余应力场。
图13为黔北地区龙马溪页岩裂缝密度预测结果。
图14为裂缝线密度模拟结果的垂向对比验证。
图15为裂缝线密度模拟结果的平面对比验证。
在图11、图12中，正值代表挤压应力，负值代表拉张应力，σ3最小主应力，σ2中间主应力，σ1最大主应力。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
本发明专利以黔北地区龙马溪组页岩储层裂缝预测为例，说明本发明专利的具体实施方式。
该区大地构造位置上从属于上扬子板块，构造单元主要包括凤冈北北东向构造变形区、毕节北东向构造变形区东部以及贵阳复杂构造变形区大部。志留系龙马溪组地层受到黔中古隆起的影响，南部地区沉积缺失及剥蚀，地层发育不全；北部地区地层完整。该组下部为灰黑-黑色碳质泥岩，笔石丰富，厚30-120m，向上为深灰-灰色泥岩、粉砂岩夹条带状、透镜状灰岩。黔北地区出露最古老岩层为中元古代梵净山群。自中元代晚期以来的地质历史，按照各种地质事件规律出现反映的地壳演化特点，可分为如下三个发展阶段(图3-图4)。
(1)中元古代晚期～志留纪(加里东构造运动期)发展阶段
该阶段为洋壳向陆壳转变的地质时期。中元古代晚期早阶段，黔北地区处于大洋环境。经过雪峰运动、郁南运动(加里东中期运动I幕)、都匀运动(加里东中期运动II幕)等构造运动，黔北(整个贵州)地壳逐步由活动陆缘向稳定的地台型大陆地壳过渡。到志留纪末的广西运动(加里东运动晚期)后，黔北地区才全部转化为稳定的大陆性地壳。
(2)泥盆纪～晚三叠世中期(印支-海西构造运动期)发展阶段
该阶段为大陆扩张阶段。自早泥盆世中期开始，黔北地区发生区域性海侵。自晚二叠世～中三叠世，地壳继续保持着深水盆地和浅水台地并存的断块性质的构造环境。晚三叠世早期沉积物补偿填充，地壳抬升，海水向西南方向退去。到晚三叠世末研究区结束了大陆扩张的历史。
(3)自晚三叠世晚期以来(燕山-喜山构造运动期)的发展阶段
受太平洋板块向欧亚板块俯冲作用及与印度板块相互碰撞影响。晚三叠世晚期发生了一场上升运动-安源运动(印支运动晚期)，结束了黔北海相沉积历史；侏罗纪时在研究区内形成了大型内陆坳陷湖盆。早白垩世初期由于南北向左旋直扭性质的断块构造活动日益增强，最终导致褶皱的形成。早白垩世晚期～始新世，在褶皱的基础上贵州大部地区形成了众多的小型山间断陷谷地。渐新世以来，随着太平洋板块改变为向北西西方向俯冲及印度和亚洲大陆的碰撞，造成近东西向挤压的构造环境，发生褶皱隆升。
经宏观裂缝观察可知，研究区龙马溪组裂缝发育，可见两期构造缝。早期裂缝以高角度-垂直缝较为发育，缝面总体平直，方解石充填，宽度0.5-2mm；后期裂缝高角度、低角度均可见，泥质充填或未充填，见滑动擦痕及煤镜面光泽(图5)。
通过在电子显微镜下观察大量岩石薄片，发现研究区龙马溪组微裂缝非常发育，微裂缝径直，延伸较远，具有一定的方向性，可与层面垂直或高角度斜交。微裂缝大多被方解石、石英、及粘土与有机质的混合物充填，有的微裂缝切穿岩层面，有的裂缝相互交切。另外，由于岩石组分的差异性，纹层间通常可见顺层分布的层间裂缝。这些裂缝多为部分充填或未充填，连通性较好。微裂缝的相互交切，使得不同的层间缝能够有效连通，为页岩气储层形成了理想的解析-渗流通道(图6)。
对研究区龙马溪组富有机质页岩进行常规扫描电镜SEM观察发现，该岩层微裂缝主要以粘土矿物层间微孔缝为主，粒间(晶间)微孔为次，不同宽度裂缝较发育。主缝、微缝、粘土矿物层间孔缝形成了错综复杂的网络。微裂缝中，主缝近顺层方向，延伸较长，可超过薄片的范围，常成组出现，宽度最大可达10-20um。缝内充填沥青质，但沥青质与基质之间存在残留空间。脆性矿物与粘土矿物颗粒间同样可见丰富微裂缝，缝面绕脆性矿物而弯曲，无充填，宽度一般0.5-5um。粘土矿物以伊利石为主，片状结构，层间微孔缝，大小通常小于1um。经过氩离子剖光后进行场发射电镜观察可知，研究区龙马溪组页岩微裂缝多平行发育，多见未充填缝，部分微裂缝切穿矿物颗粒。微裂缝多与石英、长石等脆性矿物伴生，径直，延伸距离较远。(图6)
第一步黔北地区龙马溪页岩的矿物含量、TOC以及力学参数测试；
通过储层矿物含量分析测试，确定岩石的矿物百分含量、TOC含量以及岩石力学参数(表1、表2、图7)；
表1元素含量与力学参数表。
表2贵州龙马溪页岩的力学性质；
第二步矿物含量、TOC与岩石力学参数相关性分析；
通过矿物含量与岩石力学的相关性分析，选取与岩石力学的相关性敏感的矿物、TOC，建立研究区的泊松比、杨氏模量预测数学模型，结合不同地区的矿物、TOC含量分布，得到研究区力学参数的三维分布(图7)。
表3力学参数，矿物质含量以及TOC的相关性。
在表3中，“*”表示当置信度为0.95时，相关性显着性较低，“**”表示当置信度为0.99时，相关性非常显着，而其他表示法则表示缺乏显着性相关性。
结合表3中的数据，杨氏模量与长石含量的相关性不显着，与TOC，石英，粘土，方解石和白云石的含量高度显着相关：TOC(Rs：0.663)>粘土(Rs：-0.524)>石英(Rs：0.408)>方解石和白云石(Rs：0.298)。因此，在力学参数计算模型中，我们主要考虑TOC，石英，粘土，方解石和白云石含量的变量。使用多元回归分析，力学参数模型可以表示如下：
Y＝4.093X1-0.27X2+0.246X3+0.11X4+19.892 (6)
在公式(6)中，Y是杨氏模量，GPa；X1是TOC，％；X2是粘土含量，％；X3是石英含量，％；X4是方解石和白云石含量，％。
使用公式(6)结合黔北龙马溪页岩中TOC，石英，粘土，方解石和白云岩含量的空间分布，可得到龙马溪页岩的杨氏模量分布，进而建立一个非均质的地质力学模型(图7)。
第三步建立有限元非均质地质力学模型；
依据研究区力学参数的三维分布，建立工区的地质模型；利用岩石声发射结果，确定古应力场模拟的水平最大主应力以及最小主应力(表4、图9)；利用裂缝、断层的构造形迹分析，确定水平最大主应力的方位(图8)，在建立有限元模型的基础上，依据研究区力学参数的三维分布，建立有限元非均质地质力学模型(图10)；
表4贵州龙马溪页岩的声发射实验数据
第四步古应力释放率模拟；
以多点的声发射数据为约束，模拟得到研究区不稳定的古构造应力场(表5)，依据安德森准则，σH>σV>σh，此时为强构造活动时期的构造应力场(图11)；当σH≈σV>σh时，为弱构造活动时期的构造应力场，为稳定的应力场(图12)；利用每个单元体中应力的累计变化，实现古应力释放率的模拟。
表5黔北龙马溪页岩模拟应力场结果与声发射实验数据比较。
第五步黔北地区龙马溪页岩裂缝密度计算模型；
利用应力场的演化，建立研究区的裂缝密度计算模型。
第六步裂缝密度三维分布预测与模拟结果可靠性对比分析；
利用公式(3)-(5)，结合应力场演化，可以实现裂缝密度三维分布预测(图13)，利用单井或野外剖面的裂缝分布，验证裂缝垂向分布的可靠性(图14)；利用不同地区裂缝的线密度，验证裂缝平面分布的可靠性(图15)。
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)
1.一种基于应力释放率的储层裂缝预测方法，预测的步骤如下：
第一步 不同地区储层矿物含量、TOC含量以及力学参数测试；
通过储层矿物含量、TOC含量以及力学参数分析测试，确定岩石的矿物百分含量、TOC含量以及岩石力学参数；
第二步 矿物含量、TOC含量与岩石力学参数相关性分析；
采用相关性分析的方法研究不同力学参数、不同元素以及TOC含量之间的相关性；当样本含量N≤2000时，结果以W检验为准，当样本含量N>2000时，结果以D检验为准；若样本不服从正态分布，采用非参数统计方法，即Spearman秩相关系数Rs作为评价变量间的相关性大小，具体计算步骤如下：
(1)编秩:将两变量X、Y成对的观察值分别从小到大顺序编秩；
(2)将数据带入公式计算；
Spearman秩相关系数(Rs)有两个计算公式:
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公式(1)-(2)中，di为第i对变量值(X，Y)的秩次之差；n为数据组数；TX(或TY)＝∑t3-t，t为X(或Y)中相同秩次的个数；显然，当TX＝TY＝0时，两式相等；
(3)建立假设检验，确定检验水准；
(4)计算检验统计量；
利用公式(1)-(2)，求取不同变量的相关性大小，其中负值表示两种变量为负相关关系，正值表示两种变量为正相关关系；
通过矿物含量与岩石力学的相关性分析，选取与岩石力学的相关性敏感的矿物含量、TOC含量，建立研究区的泊松比、杨氏模量预测数学模型，结合不同地区的矿物含量、TOC含量分布，得到研究区力学参数的三维分布；
第三步 建立有限元非均质地质力学模型；
依据研究区力学参数的三维分布，建立工区的地质模型；利用岩石声发射结果，确定古应力场模拟的水平最大主应力以及最小主应力；利用裂缝、断层的构造形迹分析，确定水平最大主应力的方位；依据研究区力学参数的三维分布，建立有限元非均质地质力学模型；
第四步 古应力释放率模拟；
以多点的声发射数据为约束，模拟得到研究区不稳定的古构造应力场，依据安德森准则，σH>σV>σh，此时为强构造活动时期的构造应力场；当σH≈σV>σh时，为弱构造活动时期的构造应力场，为稳定的应力场，在本发明中称之为残余应力场；利用每个单元体中应力的累计变化，实现古应力释放率的模拟；
第五步 裂缝密度计算模型；
根据弹性理论和虎克定律，应变能密度表示为：
根据能量守恒定律提出以下公式：
公式(3)-(4)中，Dvf定义为裂缝的体密度，m2/m3；是当前应力下的弹性应变能，J/m3；是产生新裂缝所需的弹性应变能密度，J/m3；是产生裂缝必须克服的弹性应变密度，J/m3；是残余应变密度，通过模拟残余应力场J/m3获得；V是单元体的体积，m3；Sf是新裂缝的面积，m2；J是单位面积裂缝需要的能量，通过三轴压缩试验获得，E是杨氏模量，σ3最小主应力，σ2中间主应力，σ1最大主应力；
假设元素中的裂缝以均匀间隔排列，所以裂缝的线密度(Dlf)表示如下：
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公式(4)，L1，L2和L3分别是单元体在σ3，σ2和σ1方向上的长度；θ是岩石的破裂角；
第六步 裂缝密度三维分布预测与模拟结果可靠性对比分析；
利用公式(3)-(5)，结合应力场演化，实现裂缝密度三维分布预测，利用单井或野外剖面的裂缝分布，验证裂缝垂向分布的可靠性；利用不同地区裂缝的线密度，验证裂缝平面分布的可靠性。
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