LZ地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層裂縫綜合預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用

王志萍，秦啟榮，蘇培東，范曉麗

（1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.中國石化中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院）

LZ地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層裂縫綜合預(yù)測(cè)方法及應(yīng)用

王志萍1，秦啟榮1，蘇培東1，范曉麗2

（1.西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院；2.中國石化中原油田勘探開發(fā)科學(xué)研究院）

LZ地區(qū)儲(chǔ)層為低孔、低滲致密砂巖儲(chǔ)層，裂縫控制了儲(chǔ)層的儲(chǔ)滲空間和井的產(chǎn)能。通過對(duì)LZ地區(qū)的構(gòu)造特征及演化分析，并結(jié)合野外露頭資料對(duì)裂縫產(chǎn)狀進(jìn)行分期配套，認(rèn)為該區(qū)主要發(fā)育橫張縫、剪切縫以及斷層伴生縫和派生縫等構(gòu)造成因裂縫。針對(duì)以上3種構(gòu)造裂縫類型，分別采用構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬法、地震不連續(xù)性檢測(cè)法等對(duì)該區(qū)不同類型裂縫的分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并采用權(quán)重評(píng)價(jià)方法綜合這3種預(yù)測(cè)成果進(jìn)行裂縫的綜合預(yù)測(cè)，即建立各預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確率與其影響因子之間的回歸函數(shù)，再根據(jù)預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確率確定權(quán)重系數(shù)，將不同方法的預(yù)測(cè)成果進(jìn)行綜合權(quán)重計(jì)算，從而對(duì)研究區(qū)致密儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育情況進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)，經(jīng)鉆井資料證實(shí)其預(yù)測(cè)效果較好。

裂縫綜合預(yù)測(cè)；構(gòu)造曲率法；古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；地震不連續(xù)性檢測(cè)；四川盆地

儲(chǔ)層裂縫預(yù)測(cè)是石油地質(zhì)界的一個(gè)難題，至今還沒有一套行之有效的技術(shù)方法來解決該問題。目前，裂縫預(yù)測(cè)方法多種多樣，地質(zhì)方法主要應(yīng)用巖心裂縫觀測(cè)描述[1］和野外露頭觀測(cè)描述等；測(cè)井方法主要應(yīng)用裂縫的非均質(zhì)性在測(cè)井曲線上形成的異常（電阻率、密度、聲波波形、地層傾角）等來實(shí)現(xiàn)[2］；地震方法主要應(yīng)用多場(chǎng)信息預(yù)測(cè)技術(shù)、多方位地震屬性預(yù)測(cè)裂縫技術(shù)、多分量與各向異性檢測(cè)技術(shù)[3］、裂縫邊緣檢測(cè)技術(shù)及裂縫非線性預(yù)測(cè)技術(shù)等；數(shù)學(xué)方法主要應(yīng)用構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)反演法[4-11］、有限單元法、分形幾何法[12］、灰色評(píng)判法、統(tǒng)計(jì)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。但由于裂縫發(fā)育受到巖性、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、巖層厚度等多種因素的影響，非均質(zhì)性強(qiáng)，因此每種預(yù)測(cè)方法均有其局限性。針對(duì)LZ地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層中裂縫特點(diǎn)，筆者提出了一套在地質(zhì)分析基礎(chǔ)上采用構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬法及地震不連續(xù)性檢測(cè)法等3種裂縫預(yù)測(cè)方法，將不同方法的預(yù)測(cè)成果綜合在一起，進(jìn)行權(quán)重值計(jì)算，從而對(duì)各區(qū)塊裂縫的發(fā)育分布作出合理的評(píng)價(jià)。

1 區(qū)域概況

LZ地區(qū)位于四川盆地川中隆起北部斜坡帶，是川中隆起向川北坳陷延伸的一個(gè)低幅度鼻狀隆起帶的一部分，與梓潼—蒼溪鼻狀構(gòu)造帶和儀隴—平昌低緩構(gòu)造帶毗鄰（圖1）。LZ地區(qū)構(gòu)造主要由呈弧狀彎曲的擠壓性褶皺和旋扭性褶皺組成。中侏羅統(tǒng)千佛崖組儲(chǔ)層埋深達(dá)2 700～3 000 m，巖性以細(xì)粒石英砂巖、細(xì)粒長石巖屑砂巖、含鈣粗粉砂巖為主，次為介殼砂質(zhì)灰?guī)r，孔隙度為0.7%～2.5%，滲透率為0.008～0.1 mD，為典型的致密砂巖儲(chǔ)層。其儲(chǔ)集空間主要為孔隙和裂縫，其中裂縫為油氣提供了儲(chǔ)集空間，提高了儲(chǔ)層的滲流能力。在裂縫發(fā)育帶滲透率可達(dá)60 mD，這對(duì)于LZ地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層獲得高產(chǎn)具有重要意義。LZ地區(qū)裂縫類型多樣，既有構(gòu)造縫，也有成巖縫，其中以構(gòu)造縫為主，其傾角主要為15°～45°，裂縫充填程度不高，未充填縫占一半以上。

圖1 LZ地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置圖Fig.1 Regional structural location of LZ area

2 裂縫成因分析

裂縫成因分析是在研究區(qū)構(gòu)造特征及演化研究的基礎(chǔ)上，以裂縫構(gòu)造成因理論模型為指導(dǎo)，利用露頭資料對(duì)裂縫進(jìn)行分期配套[13］，最終確定裂縫的形成期次和成因類型。裂縫構(gòu)造成因分析是儲(chǔ)層裂縫綜合預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，為合理采用不同的裂縫預(yù)測(cè)方法提供可靠的依據(jù)[14］。

LZ地區(qū)發(fā)育北東向、北西向和近東西向的褶皺。北東向褶皺是在印支期北東東向隆起背景上發(fā)育起來的；燕山運(yùn)動(dòng)中后期，在南北向構(gòu)造擠壓作用下，LZ地區(qū)形成了一系列近東西向的褶皺；喜山運(yùn)動(dòng)期，構(gòu)造應(yīng)力的方向由近南北向轉(zhuǎn)變?yōu)槟掀飨?，又形成了一系列北西向的褶皺。所以，LZ地區(qū)褶皺主要是在燕山后期和喜山期構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的。

根據(jù)構(gòu)造成因理論分析認(rèn)為，伴隨2期構(gòu)造應(yīng)力形成的裂縫系統(tǒng)主要與擠壓褶皺作用和斷層破裂作用有關(guān)。在燕山中后期南北向擠壓作用下形成的裂縫，主要為北東向與北西向平面“X”型剪切縫和近東西向的剖面“X”型剪切縫；在喜山期北東向擠壓力作用下形成的裂縫，主要為近南北向和近東西向的平面“X”型高角度剪切縫及北西向剖面“X”型剪切縫；在喜山期北東向應(yīng)力的擠壓作用下，燕山期形成的北東向剪切縫開啟并形成橫張縫且規(guī)模變大；燕山期北西向裂縫和喜山期北東向裂縫在構(gòu)造應(yīng)力的持續(xù)作用下發(fā)育為斷裂。

根據(jù)露頭資料對(duì)裂縫產(chǎn)狀的分析表明，LZ地區(qū)裂縫走向以北西向?yàn)橹?，北東向、近南北向、近東西向裂縫次之（圖2），裂縫以中—低角度縫和垂直縫為主（圖3）。構(gòu)造成因分析與裂縫類型進(jìn)行對(duì)比認(rèn)為：研究區(qū)發(fā)育燕山期北西向平面“X”型剪切縫、喜山期北西向剖面“X”型剪切縫、斷裂的派生縫和伴生縫，橫張縫局部地區(qū)發(fā)育，其它類型裂縫發(fā)育程度較低。

圖2 LZ地區(qū)裂縫走向玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of fracture strike in LZ area

圖3 LZ地區(qū)野外裂縫傾角統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of fracture dip in LZ area

3 裂縫預(yù)測(cè)

在裂縫成因類型分析基礎(chǔ)上，針對(duì)性地選擇構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法以及地震不連續(xù)性檢測(cè)法來綜合預(yù)測(cè)裂縫的分布。構(gòu)造曲率法主要預(yù)測(cè)橫張縫分布；古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法主要預(yù)測(cè)剪切縫的分布；地震不連續(xù)性檢測(cè)法主要預(yù)測(cè)斷層伴生縫及派生縫的分布。

3.1 構(gòu)造曲率法

由于曲率值可以反映彎曲巖層面上彎曲派生的抗張應(yīng)力形成的張性縫，因此可利用構(gòu)造曲率法來預(yù)測(cè)張性裂縫的分布。本次主要采用了趨勢(shì)面擬合法來計(jì)算千佛崖組儲(chǔ)層的相對(duì)曲率值，預(yù)測(cè)結(jié)果（圖4a）中，Ⅰ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)曲率值為22～31，裂縫發(fā)育程度好；Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)曲率值為13～21，裂縫發(fā)育程度中等；Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)曲率值為1～13，裂縫發(fā)育程度差。千佛崖組儲(chǔ)層曲率值總體較小且分布不均勻，大部分地區(qū)曲率值小于4，說明張性縫在大部分地區(qū)不發(fā)育，僅在局部地區(qū)發(fā)育，如石龍場(chǎng)構(gòu)造區(qū)。這與研究區(qū)整體構(gòu)造變形強(qiáng)度不太相符。

3.2 古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法

古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法是在分析構(gòu)造特征和演化史基礎(chǔ)上建立地質(zhì)模型，綜合考慮儲(chǔ)層的巖性、厚度、巖石力學(xué)參數(shù)等，以有限元法建立數(shù)學(xué)模型，并以摩爾-庫倫準(zhǔn)則為依據(jù)，計(jì)算巖石破壞接近程度，從而判斷儲(chǔ)層的巖體破裂程度，同時(shí)結(jié)合巖心資料和測(cè)試資料等對(duì)裂縫分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。在模擬中，用巖石破壞接近程度η值來表示巖體破裂的相對(duì)程度，也就是裂縫的發(fā)育程度。一般說來，η值越大，裂縫就越發(fā)育。目前，國內(nèi)外通過古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)來研究儲(chǔ)層裂縫發(fā)育程度還沒有統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)，所以，η值的選取主要是根據(jù)多年來在四川盆地的研究結(jié)果，并結(jié)合LZ地區(qū)構(gòu)造特征和已有的生產(chǎn)資料來確定。預(yù)測(cè)成果圖（圖4b）中，紅色區(qū)域?yàn)棰窦?jí)裂縫發(fā)育區(qū)，η值為1.203～1.303，巖體破裂發(fā)育，裂縫發(fā)育程度好；黃色區(qū)域?yàn)棰蚣?jí)裂縫發(fā)育區(qū)，η值為1.125～1.203，巖體破裂較發(fā)育，裂縫發(fā)育程度中等；淺黃色區(qū)域?yàn)棰蠹?jí)裂縫發(fā)育區(qū)，η值為1.022～1.125，為巖體破裂發(fā)育臨界區(qū)，裂縫發(fā)育程度差。與生產(chǎn)井的資料進(jìn)行對(duì)比可知，高產(chǎn)井一般位于預(yù)測(cè)結(jié)果的Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)區(qū)，而一般的生產(chǎn)井位于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)區(qū)，Ⅲ級(jí)區(qū)主要是一些中低產(chǎn)井或干井。

圖4 千佛崖組裂縫預(yù)測(cè)平面圖Fig.4 Fracture distribution prediction of Qianfoya Formation

3.3 基于局部構(gòu)造熵的地震不連續(xù)性檢測(cè)法

基于局部構(gòu)造熵的地震不連續(xù)性檢測(cè)法分析技術(shù)，是運(yùn)用相關(guān)性原理突出相鄰道之間地震信號(hào)的不連續(xù)性，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)斷層和反映地質(zhì)異常特征展布為目的[15］。具有相同反射特征（振幅、頻率、相位）的區(qū)域呈相似性，相關(guān)值接近1，而在斷層、巖性變化的突變點(diǎn)則呈非相似性，相關(guān)值接近0。根據(jù)相關(guān)值高低的空間變化，能快速識(shí)別出斷層與裂縫的發(fā)育帶。因此，地震道之間信號(hào)相關(guān)值的大小是判別斷層或裂縫發(fā)育帶存在的一個(gè)重要標(biāo)志。對(duì)本次地震偏移資料進(jìn)行不連續(xù)性處理，并針對(duì)處理后的數(shù)據(jù)體提取千佛崖組時(shí)間范圍內(nèi)的平均值，以檢測(cè)層段內(nèi)部地震信號(hào)的不連續(xù)性，從而進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)。該方法對(duì)斷層以及斷層附近的裂縫檢測(cè)效果較好。圖5為千佛崖組不連續(xù)性平均值平面分布圖，紅色表示不連續(xù)性高值，為Ⅰ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫發(fā)育程度好；黃色表示不連續(xù)性中值，為Ⅱ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫發(fā)育程度中等；藍(lán)—綠色表示不連續(xù)性低值，為Ⅲ級(jí)裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫發(fā)育程度最差。從圖中可以看出不連續(xù)性高值主要分布在工區(qū)中部，表明斷層與裂縫發(fā)育，地震不連續(xù)性檢測(cè)法的預(yù)測(cè)結(jié)果與古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)結(jié)果一致。

圖5 千佛崖組不連續(xù)性檢測(cè)平均值平面分布圖Fig.5 Plane distribution of average value of seismic discontinuity detection of Qianfoya Formation

4 裂縫綜合預(yù)測(cè)及效果分析

4.1 裂縫綜合預(yù)測(cè)

儲(chǔ)層裂縫綜合預(yù)測(cè)主要由綜合構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法以及地震不連續(xù)性檢測(cè)法這3種預(yù)測(cè)方法的成果得來的?；跇?gòu)造曲率法原理，其預(yù)測(cè)的裂縫主要為張性縫；地震不連續(xù)性檢測(cè)方法由于地震分辨率低，預(yù)測(cè)的裂縫多為規(guī)模相對(duì)較大的裂縫或小斷層，而對(duì)規(guī)模較小的裂縫響應(yīng)較差；古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法受模擬過程中巖石力學(xué)參數(shù)取值、邊界條件等諸多因素的影響，主要預(yù)測(cè)的裂縫為剪切縫。因此各種方法均有一定的局限性。根據(jù)各預(yù)測(cè)成果的準(zhǔn)確程度，設(shè)定不同的權(quán)重系數(shù)，對(duì)不同預(yù)測(cè)成果進(jìn)行權(quán)重分析，從而對(duì)各區(qū)塊裂縫的發(fā)育分布作出合理的評(píng)價(jià)。數(shù)學(xué)模型為：y=a1X1+a2X2+a3X3。式中，y可看作是總體測(cè)評(píng)目標(biāo)；X1，X2，X3代表測(cè)評(píng)要素；a1，a2，a3為各個(gè)測(cè)評(píng)要素的權(quán)重系數(shù)。

其中以各井區(qū)的裂縫發(fā)育程度為總體測(cè)評(píng)目標(biāo)，以3種方法的預(yù)測(cè)成果為測(cè)評(píng)要素，以3個(gè)預(yù)測(cè)成果的準(zhǔn)確程度為權(quán)重系數(shù)。為了滿足數(shù)學(xué)模型的計(jì)算要求，需將定性分析結(jié)論進(jìn)行量化以便定量計(jì)算，在預(yù)測(cè)成果中按裂縫發(fā)育程度分為好、中、差3類，分別賦予相應(yīng)的權(quán)重，權(quán)重值越大，表示其裂縫發(fā)育程度越好。建立各預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確率與其影響因子之間的回歸函數(shù)，從而計(jì)算出各預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確率，再將其值進(jìn)行歸一化處理后即得到權(quán)重系數(shù)值。曲率法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較低，權(quán)重系數(shù)值為15%；古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)和地震不連續(xù)性檢測(cè)法預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率較高，權(quán)重系數(shù)值分別為43%和42%。各種裂縫預(yù)測(cè)方法的測(cè)評(píng)要素值乘以其相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，相加即得裂縫發(fā)育程度權(quán)重得分，得分越高，裂縫發(fā)育程度越好。計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 裂縫發(fā)育程度權(quán)重評(píng)價(jià)表Table 1 Weight evaluation of fracture development

權(quán)重得分在2.3～3的區(qū)域?yàn)棰窦?jí)裂縫發(fā)育區(qū)，這些區(qū)域其多種方法預(yù)測(cè)的結(jié)果相同，皆為裂縫發(fā)育程度高的區(qū)域，具有構(gòu)造褶皺強(qiáng)、曲率高、鄰近斷層、破壞強(qiáng)度大、不連續(xù)性高等特點(diǎn)；權(quán)重得分在1.73～2.3的區(qū)域?yàn)棰蚣?jí)裂縫發(fā)育區(qū)，這些區(qū)域其多種方法預(yù)測(cè)結(jié)果不同，顯示裂縫發(fā)育程度高或中等，具有構(gòu)造褶皺強(qiáng)、曲率高、距斷層近、破壞強(qiáng)度較小等特點(diǎn)（圖 6）。

圖6 千佛崖組裂縫綜合預(yù)測(cè)圖Fig.6 Synthetical fracture predication of Qianfoya Formation

4.2 預(yù)測(cè)效果分析

LZ地區(qū)主要經(jīng)歷了2次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的方式和強(qiáng)度比較容易確定，且有野外露頭驗(yàn)證，構(gòu)造分析的結(jié)果可靠性很高，這為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)地質(zhì)模型的建立提供了可靠的邊界條件。因此，古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬法和地震不連續(xù)性檢測(cè)法的結(jié)果相對(duì)比較可靠，LZ地區(qū)構(gòu)造主要為擠壓型褶皺，易形成張性縫，用曲率法來預(yù)測(cè)張性縫是可行的。裂縫綜合預(yù)測(cè)成果與目前掌握的鉆井、測(cè)井和巖心資料基本相符（表2）。如裂縫發(fā)育區(qū)Sl10井千二段2 751～2 755.50 m放空0.25 m，說明地層中存在較大的縫、洞。

表2 千佛崖組裂縫發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of fracture developmentof Qianfoya Formation

5 結(jié)論

（1）LZ地區(qū)主要發(fā)育燕山期北西向平面“X”型剪切縫、喜山期北西向剖面“X”型剪切縫以及斷裂的派生縫和伴生縫，其它類型裂縫發(fā)育程度較低。

（2）在裂縫構(gòu)造成因分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地選用了構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有限元模擬法與地震不連續(xù)性檢測(cè)法，分別對(duì)裂縫進(jìn)行了預(yù)測(cè)，再根據(jù)預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確率確定權(quán)重系數(shù)，將不同方法的預(yù)測(cè)成果進(jìn)行綜合權(quán)重計(jì)算，從而對(duì)LZ地區(qū)侏羅系千佛崖組致密儲(chǔ)層的裂縫發(fā)育情況進(jìn)行了綜合預(yù)測(cè)，已鉆井資料表明預(yù)測(cè)效果較好。

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Prediction method of fracture in tight sandstone reservoir and its application in LZ area

WANG Zhi-ping1， Qin Qi-rong1， SU Pei-dong1， FAN Xiao-li2
（1.School of Resources and Environment， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；2.Research Institute of Exploration and Development， Zhongyuan Oilfield Company， Sinopec， Puyang 457001， China）

The reservoir in LZ area is tight sandstone reservoir,and fractures control the reservoir spaces and well capacity.Based on the analysis of structural features and evolution,combined with the fracture divided period coordination on the basis of outcrop data,the tectonic origin of fractures is analyzed.It is considered that the fractures developed in the study area mainly are shear fracture,tensional fracture,associated and derived fractures with faults.The constructional curvature method,paleotectonic stress field finite element modeling method and seismic discontinuity detection method are applied to predict the different fractures respectively.The weight is adopted to evaluate the prediction results.It is to establish the regression function between the accuracy of the prediction method and its influencing factors,and then define the weight coefficient through the prediction accuracy and calculate the weights of the different prediction results.Finally it can be used to predict the fracture development in tight sandstone reservoir in the studyarea.The well drillingdata prove the good prediction effects.

synthetical fracture predication； constructional curvature method；paleotectonic stress field；seismic discontinuitydetection；Sichuan Basin

TE122.2+21

A

1673-8926（2011）03-0097-05

2011-01-17；

2011-02-20

國家科技重大專項(xiàng)（編號(hào)：2008ZX05001）資助。

王志萍，1981年生，女，西南石油大學(xué)在讀博士研究生，研究方向主要為儲(chǔ)層裂縫特征及預(yù)測(cè)研究。地址：（610500）四川省成都市西南石油大學(xué)研究生部博 09級(jí)。E-mail：wzp1209@163.com

楊琦）