CN108984804B - 一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，属于油气勘探裂缝预测技术领域。该方法在裂缝形成机理的基础上，恢复各个裂缝形成期次的古地貌，建立各个期次的地质模型，在岩石物理建模的基础上，确定各个裂缝形成期次的地质模型相对应的非均质力学模型，利用应力场数值模拟法，结合岩石力学破裂准则，确定各个裂缝形成期次的破裂率的平面分布特征，通过建立单井裂缝密度和各个期次的破裂率大小的多元回归函数关系，确定现今裂缝密度的平面分布，评价裂缝性储层质量。本发明充分考虑了构造、岩性和各期次裂缝发育程度的关系等因素的影响，裂缝密度预测精度和裂缝性储层的评价质量高。

Description

一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法

技术领域

本发明属于油气勘探裂缝预测技术领域，具体涉及一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法。

背景技术

目前，裂缝性油气藏已成为近年来石油增储上产的重要领域，世界上裂缝性油气藏储层约占已探明油气藏总量的一半，裂缝性油气藏的研究具有良好的勘探前景。国内已经在碳酸盐岩，致密砂岩，火山岩和变质岩中均发现了裂缝性油气藏。比如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型碎屑岩油气藏、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型油气藏等都是我国的重要油气生产基地。

裂缝性储层中的天然裂缝作为储集空间和重要的运移通道，其裂缝通常是经历了多期的构造运动产生的多期次的裂缝，因此，存在缝、孔、洞的共存的现象，致使油气储集空间类型和渗流物理特征的认知难度很大，对裂缝的准确预测目前是国内外科研工作者亟待解决的难题。

裂缝发育密度是表征裂缝性油气藏储层质量好坏的重要特征。目前，基于地质学理论对裂缝发育密度的预测可以分为单井裂缝预测及井间裂缝预测，其中，单井裂缝预测包括岩心观测法和测井资料解释法，井间裂缝预测包括构造曲率法和应力场数值模拟法。

岩心观测法是早期石油工作者认识裂缝、研究裂缝的主要手段，利用井下取出的岩心通过肉眼直接观测岩心的裂缝条数与岩心长度之比，来求取裂缝发育的线密度。Robert Aguilera应用了取芯资料建立了垂直裂缝的裂缝发育密度的数学模型和公式。

测井资料解释法包括利用常规测井资料解释和成像测井资料识别研究裂缝。常规测井主要是通过对不同类型的测井曲线对裂缝的响应特征对裂缝发育段进行识别，成像测井比常规测井更能直观的统计单井的裂缝发育密度。

岩心观测法和测井资料解释法受岩心和测井资料数量的限制，其预测结果属于单井离散的统计，只能用作评价裂缝性储层裂缝密度预测方法精度的参考标准，不能用于表征整个储层在井间的裂缝发育密度的特性。

构造主曲率法预测裂缝主要是基于计算现有构造形态下层面的曲率值，来确定地层在弯曲过程中产生纵张裂缝的密度，曲率越高，纵张裂缝密度和规模越大，但该方法开展裂缝预测的裂缝类型较为单一，仅适用于储层结构均一的岩层中纵张裂缝密度的预测，在地层变形较小的地区，该方法不适用。

应力场数值模拟法是基于地质力学和断裂力学理论，在分析裂缝形成机理的基础上，通过正演的手段，对古地应力场进行计算，根据岩石破裂准则，结合研究区的单井裂缝密度对平面上的裂缝密度进行预测。该方法理论易于理解，是目前裂缝预测技术中应用较为广泛的方法，国内应力场数值模拟通常是利用有限元分析软件ANSYS来实现。如申请公布号为CN104331745A的专利公开了一种油气藏内天然裂缝的分期、分成因预测评价方法，该方法的方案为：获取裂缝充填物样品；对样品进行天然裂缝的分期配套分析；开展岩石声发射实验模拟恢复岩石破裂的记忆期次；明确成因类型；确定天然裂缝形成期次和成因类型，将油气藏内的天然裂缝系统划分为多个单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统；对各天然裂缝子系统的预测结果进行综合叠加形成预测结果；将获得的预测结果与裂缝发育情况进行对比分析。采用上述技术方案，将多期次、多成因类型的复杂天然裂缝网络系统通过期次剥离、成因类型确定将其划分为单一期次、单一成因类型的天然裂缝子系统作为基本研究对象。该技术方案在岩石力学参数的获取方面信息公布不充分，并且忽略了裂缝形成的各个期次之间相互影响。

在过去的研究中，利用应力场数值模拟法计算裂缝密度，在开展数值模拟时，对模型的不同力学单元的非均质性考虑较少，主要是以沉积相为单元，仅仅利用沉积相内有限个岩石力学参数或者以相带内的优势岩性为参考，查阅有关资料进行赋值，该方法往往引起力学模型不准确，同时，由于储层中的裂缝为多期次构造运动的结果，表现为多期次形成的裂缝，针对这种背景下的裂缝发育密度的数值模拟预测研究，研究人员通常对各个期次单独预测或者利用等效的应力对数值模型进行加载作为现今裂缝发育密度的预测结果，忽略了各个期次之间裂缝发育程度的相互影响，这些因素都会引起裂缝密度预测结果的精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，从而克服现有技术忽略了岩石力学参数的平面展布特征同地质模型二者之间的对应关系和多期次裂缝之间发育程度的相互影响，致使构造裂缝数值模拟预测裂缝密度和储层质量的评价精度低的缺陷。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，包括以下步骤：

1)利用研究区的地质特征参数，确定研究区裂缝的形成期次、裂缝的形成时间和各个期次对应的主应力状态，恢复各个裂缝形成期次的古地貌；

2)根据步骤1)所得各个裂缝形成期次的古地貌恢复结果，确定研究区的断层演化序列，构建各个裂缝形成期次的地质模型；

3)利用岩石物理建模方法，构建与步骤2)所得各个裂缝形成期次的地质模型相对应的非均质力学模型；

4)依据步骤1)中划分的研究区裂缝的各个期次的主应力状态和步骤3)中相应的非均质力学模型，利用应力场数值模拟法，结合岩石力学破裂准则，确定各个裂缝形成期次的破裂率的平面分布特征；

5)利用多元回归分析法，建立如式(1)所示的各个裂缝形成期次的破裂率I_i与研究区各个单井裂缝发育密度D之间的对应关系，确定研究区平面裂缝密度分布特征；

式(1)中，D为单井裂缝发育密度，n为裂缝的形成期次个数，A_i为各期次破裂率的加权系数，I_i为各期次的破裂率大小，C为常数项；

6)依据步骤5)确定的研究区平面裂缝密度分布特征评价裂缝性储层质量。

发明人认为，在裂缝发育密度预测过程中，应充分考虑断层、岩石力学参数的平面展布特征和不同期次裂缝破裂率之间的关系等因素对裂缝预测精度的影响。本发明在裂缝形成机理的基础上，恢复各个裂缝形成期次的古地貌，建立各个期次的地质模型，在岩石物理建模的基础上，确定裂缝形成的各个期次地质模型相对应的非均质力学模型，利用应力场数值模拟法，结合岩石力学破裂准则，确定各个裂缝形成期次的破裂率的平面分布特征，通过建立单井裂缝密度和各个期次的破裂率大小的多元回归函数关系，确定现今裂缝密度的平面分布，评价裂缝性储层质量，有助于提高裂缝密度的预测精度和裂缝性储层质量的评价质量。

步骤1)中，各个裂缝形成期次的古地貌恢复包括以下步骤：

1.1利用研究区野外露头裂缝的产状参数和地层产状参数，恢复裂缝产状形成的古地应力方向；

1.2利用研究区岩心和野外采集的样品开展声发射实验，确定裂缝形成的期次和各个期次对应的古地应力的大小；

1.3利用裂缝充填物包裹体均一温度测试结果结合埋藏史曲线，确定各个裂缝形成期次的时间；

1.4利用确定的各个裂缝形成期次的时间，恢复各个裂缝形成期次的古地貌。

步骤3)中，非均质力学模型的构建包括以下步骤：

3.1利用收集到的地层物性参数和研究区各单井常规测井数据建立各单井岩石物理模型；

3.2利用研究区各单井的测井资料确定各单井的岩石力学参数，根据各单井的岩石力学参数表征平面上岩石力学参数的展布特征，划分出基于步骤2)中地质模型的力学单元，构建与步骤2)确定的各个裂缝形成期次的地质模型相对应的非均质力学模型。

本发明的利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，在建立裂缝形成的各期次的地质模型的基础上，利用研究区岩石物理建模方法建立与各个期次的地质模型相对应的非均质力学模型，应用应力场数值模拟法，结合岩石破裂准则，确定各个期次的破裂率，进而建立各个期次破裂率同单井裂缝密度之间的关系，确定研究区裂缝密度平面分布特征。本发明充分考虑了构造、岩性和各期次裂缝发育程度的关系等因素的影响，裂缝密度预测精度和裂缝性储层的评价质量高。

附图说明

图1为本发明的利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法的流程图；

图2为普光地区目的层燕山晚期、喜山早期和喜山晚期的古地貌图；

图3为普光地区MB2井的岩石物理建模横波拟合结果图；

图4为普光地区目的层弹性模量和泊松比平面分布图；

图5为普光地区目的层非均质力学模型及加载方式示意图；

图6为普光地区目的层各个裂缝形成期次总破裂率分布图；

图7为利用多元回归拟合裂缝密度同单井统计裂缝密度相关性分析图；

图8为普光地区目的层现今裂缝发育密度分布预测图；

图9为单井试气产量同拟合裂缝发育密度关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例

本实施例的利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，以我国四川普光地区某层位为例，工作流程图如图1所示，包括以下步骤：

1)利用表征普光地区某层位的地质特征参数，划分普光地区某层位裂缝的形成期次、裂缝的形成时间和各个期次对应的主应力状态，恢复各个裂缝形成期次的古地貌，具体包括：

1.1利用普光地区的野外露头裂缝和地层产状实测数据对裂缝形成时期的最大主应力方向进行恢复，分析结果如表1所示，普光地区目的层的裂缝形成时期的最大主应力方向有两个，即北西向和北东向，表明普光地区的裂缝的形成至少有两个期次；根据野外具有充填现象的裂缝恢复最大主应力方向为北西向，表明北西向的构造挤压作用早于北东向；

表1普光地区野外露头裂缝统计结果和最大主应力方位统计

1.2利用岩心和野外采集的样品开展声发射实验，确定裂缝形成的期次和各个期次对应的古地应力的大小；实验结果表明，普光地区的裂缝主要形成期次有3期，各期次最大主应力为：第一期为21.9-38.7MPa，第二期为42.9-51.7MPa，第三期为61.4-81.3MPa，各期次最小主应力为：第一期为10.6-16.9MPa，第二期为23.4-36.1MPa，第三期为26.3-48.5MPa；

1.3利用普光地区M1井的53组裂缝充填物包裹体均一温度测试结果结合埋藏史曲线确定各个期次的时间；包裹体均一温度测试结果表明，温度主要集中在三个区间，即：75-90℃，100-120℃和145-165℃，反映出裂缝形成于三个时期，结合埋藏史曲线，表明目的层的裂缝形成的三个期次和时间分别为第一期为燕山晚期，第二期为喜山早期，第三期为喜山晚期；

1.4利用确定的裂缝形成的3个期次的时间，绘制如图2所示的普光地区目的层燕山晚期、喜山早期和喜山晚期的古地貌图；

2)利用步骤1.4确定的燕山晚期、喜山早期和喜山晚期的古地貌，确定普光地区断层演化序列，在有限元软件ANSYS中构建燕山晚期、喜山早期和喜山晚期的3个地质模型；

3)利用岩石物理建模方法，构建与步骤2)确定的燕山晚期、喜山早期和喜山晚期3个地质模型相对应的3个期次的非均质力学模型，具体为：

3.1利用收集到的地层物性参数和普光地区27口井的常规测井数据建立各单井岩石物理模型；普光地区目的层有完整常规测井曲线井27口，但仅有3口井具有横波测井曲线。对这3口井通过Wyllie时间平均方程进行基质弹性模量的计算，然后通过K-T模型以及DEM模型进行干岩石弹性模量的计算，最后利用Gassmann模型计算饱和岩石物理模量；通过地层物性参数不断调整、优化参数进行迭代计算横波速度预测，直至得到出如图3所示普光地区MB2井的岩石物理建模横波拟合结果图，利用调整好的模型参数对另外24口没有实测横波资料的井完成横波拟合；

3.2利用普光地区27口井的测井资料确定弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角和抗张强度等岩石力学参数，其中弹性模量和泊松比为影响地应力分布的岩石力学性质中的主控参数，依据如图4所示的普光地区目的层弹性模量和泊松比平面分布图，以研究区弹性模量E为标准，将弹性模量E按照E≥58GPa、58GPa＞E≥54GPa、54GPa＞E≥50GPa和50GPa＞E标准，结合断裂带和工区外部的围岩，划分出基于步骤2)确定的燕山晚期、喜山早期和喜山晚期地质模型的力学单元，绘制如图5所示的与燕山晚期、喜山早期和喜山晚期地质模型相对应的三个非均质力学模型；

4)依据步骤1中形成裂缝的燕山晚期、喜山早期和喜山晚期古地应力状态和步骤3)中相对应的三个非均质力学模型，利用应力场数值模拟法，结合岩石力学破裂准则，确定燕山晚期、喜山早期和喜山晚期的破裂率的平面分布特征；

在图5所示的三个非均质力学模型上，进行单元网格划分，结合步骤1)中形成裂缝的燕山晚期、喜山早期和喜山晚期古地应力大小，结合普光地区的构造演化特征，对燕山晚期的数值模型在北西向一侧施加最大主应力30MPa，对侧进行约束，同时在北东一侧施加最小主应力14MPa，在另一侧进行约束，计算燕山晚期应力场分布状态；对喜山早期的数值模型在北西向一侧施加最大主应力43MPa，另一侧进行约束，在北东向一侧施加最小主应力30MPa，另一侧进行约束，计算喜山早期的应力场分布状态；对喜山晚期的数值模型在北东向一侧施加最大主应力71MPa，对侧进行约束，在北西向一侧施加最小主应力37MPa，对侧进行约束，对喜山晚期的应力场分布进行计算；在三个裂缝形成期次的地应力大小分布的基础上，结合岩石破裂准则，对岩石的破裂率进行计算；其中张应力的计算利用格里菲斯破裂准则：

当σ₁+3σ₂＜0时，张应力的计算为：

σt＝-σ2   (2)；

当σ₁+3σ₂≥0时，张应力的计算为：

剪应力的计算利用库伦-莫尔剪切破裂准则：

式(2)～式(4)中，σ₁为最大主应力，σ₂为最小主应力，σ_t为张应力，σ_n为正应力，τ为剪应力，C为内聚力，

为内摩擦角；

利用上式对张应力和剪应力分别进行计算，利用张应力/抗张强度计算张破裂，利用剪应力/抗剪强度计算剪破裂，张破裂和剪破裂之和为总破裂，得到如图6所示的普光地区形成裂缝的3个期次的破裂率的平面分布特征；

5)利用多元回归分析法，建立如式(6)所示的各个裂缝形成期次的破裂率I_i与普光地区各个单井裂缝发育密度D之间的对应关系，确定研究区平面密度分布特征，具体为：

对普光地区现有的36口井的单井裂缝发育密度D进行统计，并统计对应单井位置的各个期次的破裂率I_i，其中I₁为燕山晚期总破裂率，I₂为喜山早期总破裂率，I₃为喜山晚期总破裂率，利用多元回归分析编制如表2所示各个期次破裂率I_i同单井裂缝发育密度D的关系：

D＝0.63*I₁+0.61*I₂+0.75*I₃-2.24   (6)；

表2单井各个裂缝形成时期的破裂率和单井裂缝密度多元回归分析统计表

利用表2绘制如图7所示的利用多元回归拟合裂缝密度同单井统计裂缝密度相关性分析图，由图7可知，利用式(6)的计算结果同单井实际裂缝密度的相关系数较高，相关系数R值为0.83，将平面上燕山晚期、喜山早期和喜山晚期的破裂率带入式(6)，绘制如图8所示的普光地区目的层现今裂缝发育密度分布预测图；

6)依据步骤5)确定的普光地区平面裂缝密度分布特征评价裂缝性储层质量；利用单井的试气的产气量同对应的拟合的裂缝密度绘制如图9所示的单井试气产量同拟合裂缝发育密度关系图，两者在整体上具有正相关性，表明利用该方法预测的裂缝密度结果可以用于评价裂缝性储层质量。

以上实施例表明，利用本发明方法预测的裂缝密度与实际裂缝发育密度之间相关系数高，与实际裂缝性储层的试气产气量具有正相关的关系。本发明可以满足裂缝性油气层储层质量评价和制定经济有效开发方案的需要，具有较高的裂缝密度预测精度和裂缝性储层质量评价质量。

Claims (3)

1.一种利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用研究区的地质特征参数，确定研究区裂缝的形成期次、裂缝的形成时间和各个期次对应的主应力状态，恢复各个裂缝形成期次的古地貌；

2)根据步骤1)所得各个裂缝形成期次的古地貌恢复结果，确定研究区的断层演化序列，构建各个裂缝形成期次的地质模型；

3)利用岩石物理建模方法，构建与步骤2)所得各个裂缝形成期次的地质模型相对应的非均质力学模型；

4)依据步骤1)中划分的研究区裂缝的各个期次的主应力状态和步骤3)中相应的非均质力学模型，利用应力场数值模拟法，结合岩石力学破裂准则，确定各个裂缝形成期次的破裂率的平面分布特征；

5)利用多元回归分析法，建立如式(1)所示的各个裂缝形成期次的破裂率I_i与研究区各个单井裂缝发育密度D之间的对应关系，确定研究区平面裂缝密度分布特征；

式(1)中，D为单井裂缝发育密度，n为裂缝的形成期次个数，A_i为各期次破裂率的加权系数，I_i为各期次的破裂率大小，C为常数项；

6)依据步骤5)确定的研究区平面裂缝密度分布特征评价裂缝性储层质量。

2.如权利要求1所述的利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，其特征在于，步骤1)中，各个裂缝形成期次的古地貌恢复包括以下步骤：

1.1利用研究区野外露头裂缝的产状参数和地层产状参数，恢复裂缝产状形成的古地应力方向；

1.2利用研究区岩心和野外采集的样品开展声发射实验，确定裂缝形成的期次和各个期次对应的古地应力的大小；

1.3利用裂缝充填物包裹体均一温度测试结果结合埋藏史曲线，确定各个裂缝形成期次的时间；

1.4利用确定的各个裂缝形成期次的时间，恢复各个裂缝形成期次的古地貌。

3.如权利要求1或2所述的利用裂缝发育密度评价裂缝性储层质量的方法，其特征在于，步骤3)中，非均质力学模型的构建包括以下步骤：

3.1利用收集到的地层物性参数和研究区各单井常规测井数据建立各单井岩石物理模型；

3.2利用研究区各单井的测井资料确定各单井的岩石力学参数，根据各单井的岩石力学参数表征平面上岩石力学参数的展布特征，划分出基于步骤2)中地质模型的力学单元，构建与步骤2)确定的各个裂缝形成期次的地质模型相对应的非均质力学模型。

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