非常規(guī)油氣儲(chǔ)層天然裂縫研究方法及其適用性

梁曉偉，王慶鵬，尤 源，馬 波，馮勝斌，徐 辰

(1.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710018；3.北京斯堪帕維科技有限公司，北京 100000；4.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西 西安 710018)

天然裂縫是油氣儲(chǔ)層中重要的儲(chǔ)集空間和運(yùn)移通道，對油氣藏的形成與分布起著重要的控制作用，并在一定程度上影響油氣藏的產(chǎn)能[1]。隨著致密油氣、頁巖油氣等非常規(guī)油氣的綜合研究及勘探、開發(fā)的重大突破，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到天然裂縫在致密(頁巖)油氣藏中扮演更為重要的角色[2-3]。目前，天然裂縫研究的難點(diǎn)在于識(shí)別天然裂縫的方法及預(yù)測技術(shù)。本文對非常規(guī)油氣儲(chǔ)層天然裂縫的研究方法和相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期通過總結(jié)和分析，對非常規(guī)油氣儲(chǔ)層裂縫的研究及油氣成藏、儲(chǔ)層評價(jià)等工作起到指導(dǎo)作用。

1 非常規(guī)油氣儲(chǔ)層天然裂縫的基本特征及控制因素

1.1 天然裂縫的基本特征

天然裂縫的基本特征一般包括裂縫產(chǎn)狀、組系、間距、切深、開度、延伸長度、充填物與充填程度等。描述裂縫發(fā)育及儲(chǔ)導(dǎo)能力的定量參數(shù)主要有裂縫密度、裂縫孔隙度、裂縫滲透率等[4]。天然裂縫的研究方法主要包括相似露頭區(qū)觀察法、巖芯觀察法和成像測井識(shí)別法等，其中相似露頭區(qū)觀察法能夠直觀、準(zhǔn)確地測量到天然裂縫的方位、切深、延伸長度和間距等基本特征；巖芯觀察能夠獲得裂縫傾角、密度、開度、充填物情況以及巖石力學(xué)性質(zhì)等；成像測井則能夠反映地層中受力狀態(tài)下天然裂縫的產(chǎn)狀、密度和開啟狀態(tài)等[5]。

1.2 天然裂縫形成期次的確定

研究天然裂縫的形成期次有助于明確裂縫形成的構(gòu)造背景[6]，從宏觀上預(yù)測裂縫的分布規(guī)律。通常將以下兩種方法相結(jié)合分析裂縫發(fā)育的期次[7]。

1) 地質(zhì)構(gòu)造方法。包括區(qū)域構(gòu)造變形特征、裂縫的切割關(guān)系與裂縫組系配套關(guān)系等。區(qū)域構(gòu)造變形特征是通過對地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和地質(zhì)演化過程進(jìn)行研究，進(jìn)而獲得構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對裂縫分布的綜合影響；構(gòu)造裂縫切割關(guān)系主要通過不同裂縫間的切割關(guān)系進(jìn)行裂縫組系劃分，進(jìn)而支撐對裂縫形成期次的認(rèn)識(shí)[7]。

2) 實(shí)驗(yàn)方法。ESR測年分析實(shí)驗(yàn)是對巖芯裂縫中充填的礦物，如石英晶體，做電子自旋共振(ESR)年齡測定，判斷裂縫形成期次[8]；包裹體測溫實(shí)驗(yàn)是利用同期形成的裂縫充填物中的包裹體測溫?cái)?shù)據(jù)，折算出地層埋深，以判斷裂縫的形成期次[1-2,9]；充填物穩(wěn)定同位素檢測實(shí)驗(yàn)是根據(jù)FRITZ和SMITH針對老地層(同位素偏輕)提出的測溫方程(式1)[9]，計(jì)算充填物形成的溫度，再根據(jù)古地表溫度與古地溫梯度得到裂縫形成時(shí)期的埋深，進(jìn)而獲得裂縫成因期次的信息。

t=31.9-5.55(δ18O-δ18Ow)+

0.7(δ18O-δ18Ow)2

(1)

式中：t為充填物的形成溫度，℃；δ18O為平均氧同位素；δ18Ow為水中氧同位素。

巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)過程中，對樣品進(jìn)行應(yīng)力加載，使微裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展形成不可逆的KAISER效應(yīng)[10-11]，通過不同的KAISER點(diǎn)及對應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度可判斷巖層所經(jīng)受的應(yīng)力作用期次及應(yīng)力場強(qiáng)度。

1.3 天然裂縫的控制因素

非常規(guī)油氣儲(chǔ)層中天然裂縫發(fā)育的控制因素是多方面的，且影響程度存在差異。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，試圖找到控制天然裂縫的主要有效因素，其中主要的控制作用如下所述。

1) 斷層的控制作用。劉巖[12]對裂縫受斷層控制的影響做了分析，發(fā)現(xiàn)斷層對裂縫的控制存在一個(gè)影響距離，越靠近斷層，裂縫越發(fā)育，距斷層越遠(yuǎn)，裂縫發(fā)育指數(shù)呈現(xiàn)冪指數(shù)遞減。國內(nèi)多個(gè)區(qū)塊的開發(fā)實(shí)踐表明，超過該控制距離的鉆井裂縫發(fā)育的風(fēng)險(xiǎn)成倍增加。

2) 巖性的控制作用。NARR等[13]、曾聯(lián)波等[7]研究認(rèn)為巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)差異性是導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)差異的主要原因，因此當(dāng)巖石脆性組分含量越高，巖石顆粒越細(xì)，裂縫的發(fā)育程度越高。

3) 層厚的控制作用。白斌等[2]在致密油氣的裂縫研究中發(fā)現(xiàn)，在露頭和巖芯觀測尺度上裂縫密度和儲(chǔ)層厚度呈現(xiàn)一致性的負(fù)相關(guān)性，即當(dāng)儲(chǔ)層厚度小于5 m時(shí)，裂縫密度隨層厚變薄呈現(xiàn)冪指數(shù)增長；而層厚大于5 m時(shí)，裂縫發(fā)育與層厚相關(guān)性變差。

4) 成巖作用的控制。王瑞飛等[14]通過研究認(rèn)為成巖過程中巖層發(fā)生收縮、膨脹以及礦物間的重新組合、轉(zhuǎn)化，都可以產(chǎn)生微裂縫，再經(jīng)溶蝕作用可形成溶蝕縫。

5) 沉積作用的控制。王瑞飛等[14]研究認(rèn)為因沉積碎屑顆粒大小、填隙物不同，使得微裂縫類型及發(fā)育程度不同。

6) 剝蝕作用的影響。潛山頂面的剝蝕淋濾作用使得距離潛山頂面某一距離范圍內(nèi)裂縫明顯發(fā)育，當(dāng)超過該距離后裂縫密度明顯降低，因此距離潛山頂面的距離屬性作為潛山天然裂縫的主控因素。

2 儲(chǔ)層天然裂縫的地球物理識(shí)別方法

目前，國內(nèi)外對天然裂縫的識(shí)別主要利用測井和地震等地球物理方法。本文梳理了目前國內(nèi)地震和測井方法在裂縫識(shí)別方面的研究進(jìn)展。

2.1 地震方法在天然裂縫識(shí)別中的應(yīng)用進(jìn)展

目前，地震技術(shù)通過在橫波檢測、轉(zhuǎn)換橫波探測、VSP法、縱波檢測、多波多分量探測等方法上不斷攻關(guān)，尤其是在縱波檢測識(shí)別裂縫發(fā)育的方位及密度方面取得了突破，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層天然裂縫的識(shí)別。

王永剛等[15]對比了疊前三維地震數(shù)據(jù)體的AVO及AVA分析、疊后三維地震數(shù)據(jù)相干體、沿層構(gòu)造屬性以及目標(biāo)層介質(zhì)平均吸收參數(shù)四種技術(shù)預(yù)測天然裂縫，認(rèn)為前兩種技術(shù)適應(yīng)性較好；王歡等[16]采取模式識(shí)別、地震屬性及三維可視化處理分析，三種方法預(yù)測結(jié)果有較好的一致性；賀振華等[17]指出采用三維地震多尺度邊緣檢測技術(shù)等，能夠識(shí)別儲(chǔ)層中的裂縫發(fā)育帶；巫芙蓉等[18]利用反射強(qiáng)度、邊緣檢測技術(shù)等疊后裂縫檢測方法對裂縫密度和方位作出定量-半定量預(yù)測；仇鵬等[19]通過儲(chǔ)層模型正演方法分析了層內(nèi)縫與穿層縫的地震響應(yīng)特征，研究表明裂縫在地震剖面上表現(xiàn)為明顯的不相干，裂縫的規(guī)模決定了能否對其進(jìn)行識(shí)別。

綜上所述，地震方法對天然裂縫的識(shí)別受控于地球物理資料的精度限制，主要適用于斷裂構(gòu)造發(fā)育相關(guān)的天然裂縫，能夠識(shí)別的裂縫大多為地質(zhì)尺度的裂縫或裂縫發(fā)育帶，在實(shí)際應(yīng)用中需要輔助其他方法和技術(shù)對天然裂縫進(jìn)行綜合識(shí)別判斷。

2.2 測井方法在天然裂縫識(shí)別中的應(yīng)用進(jìn)展

測井方法主要包括常規(guī)測井資料裂縫識(shí)別、微電阻率掃描測井、成像測井和地層傾角測井等[6]。除常規(guī)測井資料裂縫識(shí)別外，其他三種方法對裂縫的發(fā)育特征識(shí)別效果好，但費(fèi)用較高，因此仍然有很多學(xué)者致力于應(yīng)用常規(guī)測井資料來識(shí)別儲(chǔ)層的天然裂縫[20-24]。

1) 電阻率測井。電阻率測井是裂縫識(shí)別的一種重要途徑，包括微側(cè)向、深側(cè)向、淺側(cè)向等，其裂縫響應(yīng)可呈現(xiàn)高低間互、不同幅度特征或尖峰狀。電阻率測井適用于一定裂縫規(guī)模且存在顯裂縫的儲(chǔ)層，而微球聚焦測井則對微小裂縫、層理縫、潛在縫有較好的響應(yīng)特征。

2) 聲波測井。聲波測井主要包括聲波時(shí)差、聲波全波形、聲波變密度測井。裂縫發(fā)育段聲波時(shí)差有跳波現(xiàn)象，整體時(shí)差值較高，但需結(jié)合自然伽馬測井曲線分析去除地層界面、泥質(zhì)薄層等影響；聲波變密度測井是通過波列發(fā)生“人”形、“V”形擾動(dòng)的鋸齒形或條帶特征等識(shí)別裂縫，不同的波型反應(yīng)不同類型的裂縫。

3) 放射性測井。常用的放射性測井有自然伽馬能譜測井和脈沖中子測井，前者通過放射性同位素鈾、釷、鉀含量的變化識(shí)別裂縫，后者主要用來識(shí)別裂縫中是否含油氣。因此，一般采用自然伽馬與Σ曲線重疊，當(dāng)兩條曲線不重疊時(shí)，表明鈾含量增加，說明可能存在裂縫。

4) 成像測井。這是一種具有微電阻率掃描成像的高分辨率地層傾角測井，具有縱向分辨率高、形象直觀等特點(diǎn)。把井壁附近地層電阻率的差異轉(zhuǎn)換為清晰的圖像，可以直觀地顯示出井壁地層的微細(xì)變化，在識(shí)別裂縫方面應(yīng)用效果較好。

5) 核磁共振測井。核磁共振測井結(jié)果能獲得反映孔喉特征的T2譜分布，從而判斷儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間的類型和裂縫的有效性。

上述方法除成像測井和核磁測井能夠比較直接地識(shí)別出裂縫外，其他幾種測井方法對微小裂縫響應(yīng)微弱，需要對測井資料進(jìn)行適當(dāng)處理才能識(shí)別出裂縫。

3 天然裂縫預(yù)測方法

天然裂縫的預(yù)測方法主要包括地質(zhì)方法、地球物理方法、數(shù)值模擬方法等，其中，地質(zhì)方法主要是對儲(chǔ)層裂縫的定性預(yù)測[25-27]。地球物理學(xué)方法能夠反映大尺度裂縫(斷層)分布規(guī)律，例如基于BERKOVITCH[28]提出的衍射波時(shí)差校正多點(diǎn)聚焦成像技術(shù)；MARIANNE等[29]將其應(yīng)用于上侏羅紀(jì)海相成因的BAZHENOV地層，得到了多點(diǎn)聚焦三維衍射圖像，從而預(yù)測出儲(chǔ)層中的裂縫發(fā)育帶；LEE等[30]應(yīng)用多種方法對NORDEGG地層進(jìn)行裂縫預(yù)測，發(fā)現(xiàn)AVAZ與曲率屬性相結(jié)合的預(yù)測結(jié)果更接近成像測井結(jié)果。

數(shù)值模擬法是半定量-定量的裂縫預(yù)測方法，模型和算法的選擇對于裂縫預(yù)測的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。自PRICE[31]提出裂縫的發(fā)育程度與巖石中的彈性應(yīng)變能成正比的理論認(rèn)識(shí)后，逐漸形成了以下幾種應(yīng)用廣泛的數(shù)值模擬預(yù)測方法。

1) 分形理論法。分形理論認(rèn)為裂縫系統(tǒng)和斷裂系統(tǒng)一樣具有結(jié)構(gòu)的自相似性，通過斷裂和巖芯裂縫的分維數(shù)值可以定量描述儲(chǔ)層中裂縫的空間發(fā)育程度[32-33]；鄧攀等[34]基于分形理論，認(rèn)為網(wǎng)格覆蓋法求取分形維數(shù)適合構(gòu)造裂縫分形維數(shù)的計(jì)算；蘇玉平等[35]應(yīng)用分形理論對貝爾凹陷布達(dá)特群潛山裂縫進(jìn)行預(yù)測并取得了成功，驗(yàn)證了該方法的可行性。

3) 曲率法。曲率法最早由MURRAY[37]提出，主要用來預(yù)測巖層褶皺中形成的縱張裂縫的分布。曲率法主要靠巖石破裂作用形成彎曲，曲率增加導(dǎo)致應(yīng)變量的增加，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫密度的增加，因此其假設(shè)前提是巖石是脆性的。以縱彎褶皺變形為主的層狀或塊狀儲(chǔ)層一般都符合上述假設(shè)前提，且應(yīng)用效果較好。

4) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法。周子勇等[38]對裂縫分形維數(shù)、砂地比及破裂率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并做歸一化處理作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入項(xiàng)，輸出項(xiàng)則采用分類方法確定裂縫發(fā)育的四個(gè)等級，采用代表性的樣本進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到了儲(chǔ)層裂縫預(yù)測模型。該方法為復(fù)雜儲(chǔ)層裂縫的預(yù)測提供了一種思路。

5) 判別式分析算法。法國石油研究院的線性判別式分析算法LDA(linear discriminant analysis)屬于FracaFlow軟件中的經(jīng)典算法，該方法可獲得每個(gè)因素對天然裂縫密度的權(quán)重系數(shù)，按照各屬性的權(quán)重系數(shù)融合成一個(gè)FDC(fracture density controller)屬性，以提高裂縫預(yù)測精度。目前該方法已成功應(yīng)用于大慶油田、新疆砂礫巖油田等。

6) 綜合預(yù)測方法。若要準(zhǔn)確識(shí)別或預(yù)測裂縫的位置和密度，往往需要多種預(yù)測方法相結(jié)合。STEPHEN等[39]采用巖石力學(xué)方法預(yù)測區(qū)域裂縫分布，用模擬獲得的應(yīng)力場來控制裂縫網(wǎng)絡(luò)延伸模擬；童亨茂[40]結(jié)合巖石破裂法、曲率分析法、斷裂強(qiáng)度分析法對不同類型裂縫進(jìn)行分類預(yù)測，取得較好的預(yù)測結(jié)果；JENKINS等[41]認(rèn)為裂縫的形成與巖石曲率、巖性、層厚等因素有關(guān)，因此建立了連續(xù)裂縫模型(continuous fracture modeling)；周新桂等[6]結(jié)合有限元法、統(tǒng)計(jì)法、能量法與巖石破裂法，建立裂縫分布定量預(yù)測模型，并應(yīng)用于鄂爾多斯盆地沿河灣探區(qū)及華慶地區(qū)。

4 結(jié) 論

1) 裂縫表征包括幾何表征和期次表征兩方面。幾何表征主要采用相似露頭觀測法、巖芯觀察法以及成像側(cè)井觀測等方法，前兩種方法能夠直觀、準(zhǔn)確測量天然裂縫基本特征，而成像測井能夠反映受力狀態(tài)的天然裂縫特征；裂縫期次的確定主要采用地質(zhì)構(gòu)造分析方法和實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)方法是構(gòu)造分析方法的補(bǔ)充和驗(yàn)證。

2) 裂縫識(shí)別主要采用地震和測井兩種方法，地震方法受資料精度的限制主要適用于斷裂構(gòu)造發(fā)育相關(guān)的天然裂縫識(shí)別，能夠識(shí)別的裂縫大多為地質(zhì)尺度的裂縫或裂縫發(fā)育帶，在實(shí)際應(yīng)用中需要輔助其他方法和技術(shù)對裂縫進(jìn)行綜合識(shí)別判斷；成像測井和核磁測井能夠直接識(shí)別裂縫，其他幾種常規(guī)的測井方法對微小裂縫響應(yīng)微弱，同時(shí)需要結(jié)合其他手段輔助識(shí)別。

3) 裂縫預(yù)測方法主要包括地質(zhì)方法、地球物理方法、數(shù)值模擬方法及綜合預(yù)測方法。地質(zhì)方法能實(shí)現(xiàn)裂縫的定性預(yù)測；地球物理方法能反映大尺度裂縫分布規(guī)律；數(shù)值模擬法雖然能半定量-定量預(yù)測裂縫分布規(guī)律，但預(yù)測結(jié)果受模型和算法選擇影響較大；綜合預(yù)測方法是裂縫預(yù)測方法的主要發(fā)展趨勢，將多種預(yù)測方法相結(jié)合，預(yù)測效果較好。