裂缝型储层预测新方法和新技术.doc

裂缝型储层预测新方法和新技术目 录前言、裂缝性储层研究及预测现状1、 裂缝性储层的概念2、 国外研究现状3、 国内研究现状一、裂缝研究在油气田勘探开发中的意义二、有关裂缝的基础理论1、 裂缝类型2、 裂缝分类3、 裂缝成因及与构造的关系4、 裂缝的成因模式三、裂缝研究与预测方法简介四、物理模拟法预测裂缝五、构造曲率法预测碳酸盐岩储层1、碳酸盐岩储层裂缝的预测2、裂缝三维定量参数场形成及模型的建立六 构造曲率法进行裂缝发育带预测实例1 寒武系洗象池组气藏裂缝特征2、裂缝分布特征3、洗象池组储层综合预测七、构造应力模拟法预测裂缝的原理1、 裂缝成因机制2、 古构造应力模拟3、 相似性原理在构造应力场及裂缝预测数值模拟中的重要性4、 裂缝判据的确定5、 破坏接近程度及其在裂缝预测中的应用6、 裂缝指标的标定7、 尚不能解决的问题8、 方法的关键技术9、 构造应力模拟法预测裂缝所需的资料八、构造应力模拟法预测裂缝的应用实例简介1、 火山岩裂缝的预测研究2、 碳酸盐岩裂缝的预测研究3、 四川威远构造寒武系洗象池组裂缝预测主要参考文献前言 裂缝性储层研究及预测现状随着石油天然气资源的开发利用，常规孔隙性油气藏储量日益减少，开发难度逐渐增大，石油与天然气勘探方向逐渐由浅部转向深部、由常规油气藏转向特殊油气藏。作为油气储集的重要场所储层的研究也将从常规的孔隙性储层的研究逐渐发展到其他各种类型的储层研究（图1）。特别是裂缝性储层近年来引起了广大石油地质工作者的广泛兴趣，出现了较多的研究成果。图1 油气储集层的主要类型1 裂缝性储层的概念 裂缝性储层是指以裂缝为主要储集空间、渗流通道的储集层，有的也对储集层中分散、孤立的孔隙起连通作用，增加有效孔隙度，一般具有高渗透特征。 裂缝性储层一般有3种类型：一类是致密岩类，如四川盆地下二叠统（阳新统），其岩石基质孔隙度小于1%，渗透率小于0.1毫达西，因其构造裂缝发育形成而形成了有效的储、渗空间；第二类是古风化壳溶蚀孔、洞储集层，渗透率极低，一般小于0.01个毫达西，但与后期构造裂缝搭配，形成了裂缝孔洞（穴）型储层，如四川盆地的震旦系和奥陶系储集层；第三类是低孔隙储集层，如四川东部的石炭系碳酸盐岩（孔隙度3%4%）、上三叠统须家河组砂岩（孔隙度5%6%），他们的基质孔隙渗透率很低，一般在0.01毫达西左右，只有当构造裂缝发育的地区，才能形成裂缝孔隙型储集层，形成工业性的天然气藏。 地层裂缝的影响因素众多，不外乎归结为内因和外因。所有裂缝的形成都是这两大因素的综合结果。评价地层裂缝发育与否，都是相对的。就内因而言，包括地层的岩石类型、岩性、矿物成分、结构和构造特征、岩石强度、岩石力学性质、厚度等。而外因则包含沉积和成岩环境，构造应力的性质、方向、大小，区域构造背景，边界条件等。 一般情况下，在同一地质背景条件下，刚性岩类比塑性岩类，致密的比疏松的岩性，质纯的比含有杂质的，细结构的比粗结构的，沉积构造发育的比不发育的，薄层的比厚层的等等，前者的裂缝均比后者发育。 从外因上看，准同生期易于暴露的比淹于水下环境的，成岩作用易溶蚀的比非溶蚀的，表生期遭受风化剥蚀的比非表生期的 ，前者的非构造裂缝均比后者发育。 在构造应力作用下，达到破裂变形的比未破裂变形的地层，构造应力集中或应力释放部位比应力非集中或非释放部位等，前者的裂缝要比后者的发育。另外，构造应力作用的滑脱层或刚性边界以及同一地层的埋藏深度（浅与深）等，都对地层中裂缝发育的程度产生重要的影响。 总之，研究具体的地层裂缝发育特征、规律，要从具体的对象出发，注意区域构造、局部构造位置及其古构造演化特征的分析，依据地层露头、岩心观察、岩石样品试验、地球物理特性等，并利用力学分析方法，互相验证。在国外，一些盛产石油的国家也逐渐重视致密低渗透岩石中裂缝性储层的研究。据美国能源部预测：在2010年前，约20%的天然气将产自碳酸盐岩和致密砂岩等裂缝性储层；在2030年以前，美国国内一半以上的天然气产量将来自低渗透的裂缝性储层。在国内，今后一段时期内，致密储层中的裂缝性油气藏将是主要勘探开发目标。目前在四川、华北、长庆、塔里木、克拉玛依、胜利、吉林、辽河、青海、玉门等许多油田都发现了裂缝性油气田。裂缝性油气藏的储集体几乎都是致密岩体，其共同的特点是基质孔隙度和渗透率都很低，如四川油气的主要产层二叠茅口组灰岩，其基质孔隙度大多低于1%，基质渗透率甚至小于0.1毫达西。在这样致密的岩体中，如果没有裂缝的储集和导流作用，不可能形成有效的油气藏和高产油气流。裂缝性油气藏勘探、开发的最大难点，是对储层岩体中裂缝发育程度和分布范围的预测。目前在国内各油田用于裂缝探测（地震、测井）研究的费用，每年在50亿元以上，但由于缺乏有效的预测手段，对裂缝发育和分布规律的研究不够准确，而使油气井钻探和油气田开发方案达不到预期目的， 从而造成的间接损失更是难以完全统计。如克拉玛依的小拐油田，因对裂缝预测研究认识不足，油田建设投入的数十亿元资金基本上全部落空。裂缝（特别是地下岩体中的裂缝）分布复杂、规律性差，又受到观测、探测手段以及研究方法的限制，所以对这个题目的研究国内外起步都较晚。但从50年代末期以来，随着世界上裂缝性油气藏的不断发现，关于裂缝的研究工作在国内外地质界逐渐开展起来，并取得了一系列成果，为进一步深入研究奠定了良好的基础。下面主要介绍国内外关于裂缝性储层研究的一些现状。2 国外研究现状1968年，G.H. Murry将构造横剖面看作弯曲的“梁”，用几何方法导出了剖面曲率值与裂缝孔隙度之间的计算公式，对裂缝作了初步定量研究。1971年，他进行了关于构造主曲率和裂缝发育的关系的研究。1982年日本的Masanobu Oda引进裂隙张量来研究各向异性裂隙岩体的孔隙性指数。80年代初，美国的范.高尔夫拉特才写成了关于裂缝油藏工程的专著，基本形成了裂缝型储层研究的理论和方法，但专著却不是针对裂缝本身的研究。上世纪70年代，随着分形几何学概念的提出，国外学者逐渐把这一理论引入储层裂缝研究领域。 1980年P.L.Gong Dilland从理论上证明分形理论可用于碳酸盐岩地区裂缝的研究，并介绍了用分形理论建立裂缝分布的实际模型。随后Barton C.C. (1985)、Hirata(1989)、Thomas and Blin-lacroix(1989)、Velde B. and Duboes J (1990)、Main(1990)等人又把这一理论用于其他岩石裂缝的研究，并在断层几何形态的描述、裂缝数与裂缝长度、裂缝宽度和密度、裂缝平面分布的研究方面取得了较大进展。到1995年，Barton C.C.通过研究认为，当裂缝的分维D大于1.34，裂缝就能构成互相渗流的裂缝网络。除了理论上的发展外，国外专家学者在储层裂缝的识别上也作出了突出的贡献。90年代后，国外在裂缝的测井识别、地震识别上取得了长足的进步。测井方面新方法和新设备主要体现在：电磁测向仪、CT扫描仪、微Lambda测井、环形声波测井、成像测井(FMI)、全井眼地层微电阻率成像(FMI)、DSI偶极横波成像仪和井下电视仪(BHTV)等，这些方法和设备能测量出储层裂缝的倾角、走向、宽度、长度、视孔隙度，以及裂缝的充填与开启程度，甚至能识别出微裂缝及亚微观裂缝。3 国内研究现状国内对储层裂缝研究工作开展得较早，技术手段处于较先进的水平，具体表现在以下几个方面：（1）定性分析和生产经验总结的预测裂缝方法50年代后期开始，四川油气田的地质工作者根据构造形态特征和断层部位等构造组合特征，提出寻找裂缝的“一占一沿”（即布置油气井位置时要占褶皱构造的高点，沿褶皱的长轴，），“三占三沿”（占高点、沿长轴，占鞍部、沿扭曲，占鼻突、沿断裂），“三打三不打”（打凸不打凹，打拱不打弯，对断层打上盘不打下盘）等经验方法。这种方法主要是基于构造特征定性分析和生产经验总结的预测裂缝方法。（2）利用测井手段和地震信息识别和预测裂缝80年代以来，由于国际交流与合作加剧，国内大量引进了国外先进的仪器和设备。在引进国外先进技术与设备的同时，国内专家学者也在数据的处理上有所发展，如在分析处理地震S波分析资料上，国外提出了旋转方法(Ando,1983)、偏振法(Crampin,1985)、旋转相关法(Bowman,1987)和纵横比方法(Smith,1989)四种方法，而在国内也相应提出了四种方法，即最大似然法、最大特征向量法、波形算法和自适应慢S波法。利用测井和地震手段来识别裂缝，准确地说不能叫预测裂缝。同时测井与地震识别裂缝费用也高，且存在多解性，很难对裂缝进行准确的定量预测。（3）非线性理论方法检测和识别地下裂缝和国外一样，非线性理论也主要应用分形理论、神经网络等技术方法对裂缝进行检测和识别，但总体来说也不成熟。如1992年赵阳升在研究煤岩体裂缝分布规律后指出，小尺寸岩体与大尺寸岩体裂缝数存在一种自相似性。1995年彭仕宓等利用分形理论对柴达木盆地南翼山E32储层裂缝进行了预测，指出裂缝发育与构造及断层有着直接关系。（4）据构造应力的分析研究预测裂缝构造应力作用是裂缝形成的根本原因，根据对构造应力研究来预测裂缝的发育分布，应该是裂缝预测的主要方向。国内不少学者对此问题作过探索，但对于构造应力的求解方式、构造应力与裂缝的关系问题上，以及相关方法的适用性方面，也存在较大分歧或问题。1982年和1988年，成都理工大学曾锦光教授先后提出了“应用构造面主曲率研究油气藏裂缝问题”和“用屈曲薄板模拟纵弯褶皱的力学模型”，建立了分析褶皱应力场的计算方法。随后在1994年他建立了断层古应力场解析计算方法，从而提出了断层裂缝系统分布的预测方法。这些工作，为用力学理论来解决裂缝预测问题提供了一个良好的开端。但由于其基础或理论依据过于理想化，所使用的解析计算方法在实际应用中存在的问题，实际使用效果不太理想。上世纪80年代末90年代初，随着计算机技术的发展，构造应力的研究和数值模拟计算取得了重大进展，国内的殷有泉、陈子光、安欧、宋惠珍、黄润秋、胡明和秦启荣等人在这一领域里做了大量的工作，推动了相关学科的发展。90年代末至今，越来越多的人开始从构造应力场的角度应用数值模拟方法研究裂缝的定量预测，但这些工作大都是针对单个构造进行，或是仅为储层渗流的目的来研究裂缝。而系统、全面地从理论角度研究应用构造应力场进行区域性裂缝预测却很少，所以，今后主要要在这一方面进行研究，进而摸索出一套进行区域性古构造应力场数值模拟的带规律性的理论与方法。一、 裂缝研究在油气田勘探开发中的意义 1、裂缝的研究在下面几个方面有着非常重要的意义 油气勘探 寻找裂缝型油气藏 确定定向井的钻井井位和钻井靶区 油气田开发 开发注采井网的部署 注水方式的确定 酸化压裂方案的设计 石油钻井 定向井井斜方位的确定及井眼轨迹的设计 套损和井壁失稳的机理研究及其预防措施的制定 套管以及套管组合设计2、裂缝（节理）研究在其他方面的意义节理的研究在理论上和实践上都具有重要意义，就石油行业而言，对节理的研究更为重要。& 节理常是石油和天然气的主要运移通道和储集场所，在某些致密的储集层中，节理几乎是唯一的运移通道和储集场所。& 节理发育的密度和开启程度，不仅影响油气的渗透运移和聚集，还会影响油气的采收率。& 随着石油勘探开发的深入，相对简单的背斜型均质油藏已越来越少，而较复杂的非均质裂缝型油藏是今后一段时期内勘探的主要目标之一。& 节理对地下水及其它一些矿床的分布有着重要影响。& 构造节理的产状、性质和分布规律与褶皱、断层有密切的成因联系。二、有关裂缝的基础理论1、 裂缝类型 人工诱导裂缝（非天然裂缝） 钻井诱导裂缝 水压致裂缝 天然裂缝非构造缝 原生缝（成岩过程中形成的） 收缩缝(火山岩的柱状节理、沉积岩中的干裂等) 层间缝(层面、层理等) 压溶缝(缝合线，有的缝合线并非原生的、而是构造成因的) 风化缝(席理、球状风化缝、根劈缝等) 非构造缝特点：形成不受构造运动和构造力的影响，分布规律性较差，不受构造影响构造缝 裂缝（节理）缝合线构造缝合线原生缝合线构造缝特点：形成完全受构造运动和构造作用力的影响，分布规律性较好，与其他构造（如褶皱、断层等）在成因上和几何关系上均有联系。2、 裂缝分类（1）裂缝的几何关系分类 按裂缝与主构造(褶皱断层)的关系分类（图2） 横向缝 纵向缝 斜向缝 按裂缝与岩层产状的关系分类（图2） 走向缝 倾向缝 斜向缝 顺层缝 图2 裂缝的几何关系分类（2）、按裂缝与岩芯中线垂直面的夹角(裂缝倾角)分类 测井界(赵良孝)的分类 高角度缝(75 90) 斜交缝(15 75) 低角度缝( 0 15) 王允诚的分类 垂直缝( 75 90) 高角度斜交缝(75 45) 低角度斜交缝(45 15) 水平缝( 0 15)（3）、按张开程度分类 张开缝 闭合缝（4）、按充填程度分类 充填缝 半充填缝 未充填缝（5）、按裂缝的有效性分类 有效缝 较有效缝 无效缝（6）、按力学性质分类 张裂缝 剪裂缝节理按其形成时的力学性质，可分为张节理和剪节理两类。他们的主要特征的异同点见下表（表1）： 张、剪裂缝（节理）特征对比表 表1剪节理张节理剪节理是由剪应力作用产生的破裂面张节理是由张应力作用而产生的破裂面产状较稳定，沿走向延伸较远、沿倾向延伸较深。产状不太稳定，延伸不远，节理面短而弯曲。节理面平直光滑，常见滑动擦痕；节理两壁之间常是闭合的。节理面粗糙不平，无擦痕切穿砾石和砂粒：发育在砾岩和砂岩中的剪节理，常切穿砾石和砂粒而不改变方向。绕过砾石：在砾岩和砂岩中的张节理，常绕过砾石和砂粒；即使切穿砾石，破裂面也凹凸不平共轭“X”型节理系：常常成对出现，共同组成共轭“X”型节理系。“X”型剪节理发育良好时，可将岩石切割成棋盘格状或菱形节理面两壁多张开，常被矿脉充填，矿脉宽度变化较大，脉壁不平直。羽列现象：主剪裂面常由许多羽状微裂面组成，微裂面走向相同，首尾相接，与主剪裂面呈一定的交角，这就是所谓的羽列现象。沿节理走向向前观察，若后一微裂面重叠在前一微裂面的左侧，则称之为左旋（也叫左行），反之为右旋（或叫右行）。利用剪节理的这种羽列现象，可判断破裂面两侧岩块的相对运动方向张节理有时呈不规则状，有时也可构成一定的几何形态，如追踪“X”型剪节理而形成的锯齿状张节理，单列或共轭雁列式张节理等。（7）、按成因和分布分类 区域构造缝：区域性有规律展布的裂缝，一般会被后期裂缝利用改造，仅少数的能保留下来 局部构造缝：与局部褶皱和断层有联系的裂缝 与褶皱有关的局部构造缝 褶皱伴生缝：剖面剪切缝 褶皱派生缝 横张裂缝 纵张裂缝 斜向共轭剪切缝 顺层剪切缝（8）、与断层有关的局部构造缝 断层伴生缝：一般为两组剪切缝，分布于断层两侧，一组与断层面平行，另一组与断层面斜交 断层派生缝：有两种类型派生张裂缝：在断层两侧成羽状排列分布，与主断层斜交(一般为45)。派生剪切缝：分布于断面的两侧，共有两组，一组与断面小角度相交(1000mm大缝10-1000mm中缝1-10mm小缝0.1-1mm微缝75度斜缝=15-75度平缝15度不规则缝变化不定，无固定形态3、裂缝成因及其与构造的关系 （1）、区域构造裂缝（层面“X”型剪裂缝） 早期区域性构造应力作用而形成。 产生于主构造形成之前，或构造活动轻微的地区。 分布在一定区域内都具有规律性，与局部构造(褶皱、断层)没有成因上的联系，因此分布不受构造部位的控制，但与岩性、层厚等因素有关，具体表现为裂缝的方位比较一致，往往是两组裂缝等间距切割岩层，成棋盘格子状；裂缝面平直，延伸远，缝面平直。 （2）、褶皱伴生缝（剖面“X”型剪裂缝）： 由形成褶皱的局部构造应力作用而形成的 形成于褶皱产生的早中期 分布于褶皱的核部周围 纵张裂缝： 由褶皱转折端的局部派生拉张应力作用而形成 形成于褶皱的中晚期 分布于背斜转折端 横张裂缝： 由褶皱转折端的局部派生拉张应力作用而形成 形成于褶皱的中晚期 褶皱的倾伏端 重张裂缝： 由构造运动中晚期的局部拉张应力改造早期区域构造裂缝而形成 形成于构造运动的中晚期 分布于褶皱的核部或其周围地区，与褶皱的轴向或枢纽斜交 追踪张性缝： 由构造运动中晚期的纵向或横向局部拉张应力改造早期区域构造裂缝形成 形成于构造运动的中晚期 常发育于褶皱的顶部，形态呈锯齿状；方位与褶皱轴向平行(纵向追踪张)或垂直(横向追踪张） 顺层剪切缝：分布于褶皱的翼部，于褶皱同期形成 斜向共轭剪裂缝：分布于背斜、向斜核，但在背斜和向斜中排列方式不同 同心状剪裂缝：分布于弯滑褶皱的翼部，顺层发育，较少见 旋转剪裂缝：分布于弯滑褶皱的翼部，少见 放射状张裂缝：分布在褶皱的穹拱部位，与褶皱同期形成 同心状张裂缝：分布在褶皱的穹拱部位，与褶皱同期形成 断层伴生缝： 由形成断层的构造应力作用而形成 与断层同期形成 分布于断层两侧、与断面平行或斜交 断层派生张性缝： 由于断层错动所产生的断层派生构造应力作用而形成 形成于断层产生的中晚期 分布于断层两侧、与断面斜交、呈羽状排列 断层派生剪性缝： 由断层错动所产生的断层派生构造应力作用而形成 形成于断层产生的中晚期 分布于断层两侧、与断面斜交、呈羽状排列4、 裂缝的成因模式 裂缝（除成岩缝外）形成与构造的形成与发展演化密不可分，在构造运动的不同阶段，随着构造形成与发展，会形成或派生出不同类型的构造裂缝。因此，在一次构造运动中，往往会形成多种类型的裂缝。裂缝的类型、发育程度等与构造应力场、裂缝发育的构造部位、以及构造运动的持续时期、期次、岩石的性质、厚度等多种因素有关。任何岩石的弹性变形和塑性变形总是有一定限度，当应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石内部的结合力遭到破坏，就会产生破裂面，岩石失去连续完整性，这时就发生断裂变形，强度极限又称破裂极限。 岩石在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。同一岩石的强度极限值，在不同性质的应力作用下，差别很大。 通常岩石的强度有如下特点：岩石的抗压强度大于抗剪强度大于抗张强度。 岩石的断裂变形有两种方式：张裂和剪裂 张裂：是在外力作用下，当张应力达到或超过岩石的抗张强度时，在垂直于主张应力轴或平行于主压应力轴方向上产生的断裂。形成张裂缝（张节理）。 剪裂：是岩石在剪应力作用下发生剪切破坏时所产生的断裂。形成剪裂缝（剪节理）。 岩石性质不同，破裂方式也不同，在韧性材料中，当张应力达到D点时，开始出现细颈化现象。此时外力不增加，变形仍就继续发展，达E点时，出来在细颈处断裂，断口呈不平坦形态。 脆性材料在拉伸状态下的破裂方式，没有细颈化现象，多直接表现为张裂。 自然界的各种天然裂缝（主要是构造裂缝）就是在岩层受到构造应力场作用时，当应力超过其强度极限时，而产生和发育的，所以裂缝与其他构造是相互伴生的，在成因上是密不可分的。三、裂缝研究和预测的方法简介1、传统地质统计法 一占一沿：占高点、沿长轴 三占三沿 占高点、沿长轴 占鞍部、沿扭曲 占鼻突、沿断裂 三打三不打 打凸不打凹 打拱不打弯 打上不打下(逆断层) 无断不打，大断避开、小断要紧挨。 根据与断层的距离布井。2、野外裂缝调查和测量 在野外布置观察点，要考虑构造的部位、岩石性质、岩层厚度以及岩层形成的时代等裂缝野外调查工作内容： 观察内容：裂缝的分期和配套、不同时期裂缝之间的切割关系、裂缝的张开程度、裂缝中充填物特征等。 测量内容：裂缝的产状、单个裂缝的长度、裂缝张开的宽度 野外计算内容：裂缝的线密度（单位长度裂缝的条数）、面密度（单位面积裂缝的条数）、裂缝的频度（单位体积裂缝的总条数）、裂缝的裂度（单位体积裂缝的总裂开）。3、地球物理方法 利用地震信息资料预测裂缝 地震各向异性判断裂缝 多波勘探预测裂缝 利用地震相干数据体识别裂缝 利用边缘检测方法识别裂缝 利用测井方法探测研究裂缝 井下电视 微电阻扫描（FMI、FMS） 地层倾角测井 4、非线性方法检测和识别裂缝 依据：岩体破裂过程具有自相似性特征，断裂系统也具有自相似性 问题：岩体中的断裂系统是否具有自相似性5、构造曲率法及其存在的问题 思路：裂缝(构造裂缝)古构造应力场薄板模型(板的变形理论)压曲板模型 存在的问题 构造曲率法“虽然将构造裂缝的分布规律与其力学成因联系起来，但所依据的弯曲薄板模型，就其物理机制而言，只适合于垂直力成因的褶皱，而大多数背斜是由水平力作用形成，主曲率法不能反映这种机制。” 主曲率法只能计算一次构造运动形成的简单构造，对于经历多次构造运动的复合构造的裂缝分布规律，不能用此法简单的加以解决。 ( 引自曾锦光，构造裂缝的理论分析研究，中国南方油气勘察新领域探索论文集(一)，地质出版社，1988) 从主曲率法所依据的压曲薄板模型的假定条件来看：此法也只适合于幅度较低的横弯褶皱构造。6、物理模拟法预测裂缝声发射技术测试岩体的古构造应力岩石单轴力学特性测试岩石三轴力学特性测试用相似材料进行物理模拟实验，确定岩石变形和破坏的特点7、构造应力模拟法预测裂缝 裂缝预测的基本思路：裂缝(构造裂缝)岩体破裂古构造应力场构造模拟（结构力学分析有限元计算） 构造形迹、岩石力学性质（图4）关于有限元应力场模拟的基本思路：地应力是在岩体自重、地质构造作用、地质体岩性、地形地貌、温度应力等作用下形成的，在一个较大的区域上， 区域现今应力场的总体规律，可以在调查断层的新构造活动特征，震源机制解和地应力实测的基础上得出初步认识。但要定量地反映区域应力场，找出应力集中部位，则需要通过地应力实测和数值模拟来实现。对于现代地应力可用区域应力场的有限元反演来分析计算，也就是采用有限单元法根据已知地应力实测点和震源机制解的结果来推求整个计算区域的地应力场。其方法是首先根据区域地质调查结果，建立研究区的地质力学模型；然后通过不断改变边界力作用方式和大小量值(包括大小和方向)与已有地应力实测结果和地震震源机制(最大主应力大小和方向)达到最佳拟合。由此即可得出反映研究区现今应力形变场的真实情况。然而，古构造应力场不能像现代区域应力场那样用实测点来进行拟合模拟，因为古构造应力场特别是比较久远的构造应力场现在还没有办法实测其在个别点的值的大小和方向。现在我们探索使用的Kaiser效应方法是一个新的方法，对于近期的地应力的测定比较准确，而对于年代久远的地应力的测定结果尚在探索中。所以古构造应力场只能根据现今的构造形迹来进行应变场的模拟，这种模拟需要有正确的构造发展及演化的认识结果，并且模拟结果主要是是相对结果，不一定代表实际的古应力值。图4 裂缝预测技术框图四、物理模拟法预测裂缝主要方法 岩石破坏实验 单轴压力实验 三轴压力实验 构造模拟实验（泥巴为材料） 光弹模拟实验5.2裂缝三维定量参数场形成及模型的建立5.2.1 裂缝定量化表征参数的确定碳酸盐岩油气藏的各向异性明显，且不同的储集空间其裂缝发育及其分布特征存在很大差异。如果在裂缝地质建模过程中，对不同成因、不同储集空间的储层采用一套特征参数，将其作为一个单元来模拟，则可能混淆不同单元的实际地质规律，导致所建模型不能客观地反映地质实际。因此确定裂缝表征参数是裂缝地质模型建立的基础和第一步。经过研究，筛选出影响储渗能力和在开发中起重要作用的几个裂缝参数来表征碳酸盐岩储层裂缝的统计特征.，称之为裂缝表征参数。它们是裂缝间距（密度）、长度（延伸）、宽度、高度（切深）、倾角、方位、裂缝孔隙度和渗透率。其中裂缝孔隙度和渗透率是评价裂缝对开发效果影响的关键因素，同时也是极难获得的参数。裂缝高度、倾角等裂缝参数可以通过岩心和测井及地震资料统计得到。这里我们将重点阐述裂缝长度、宽度、密度、间距、裂缝孔隙度和裂缝渗透率。（1）长度岩心上无法测得裂缝平面延伸长度。但根据地面露头裂缝长度的统计，可以认为地下裂缝平面延伸长度的主要范围与露头统计资料相似。需要注意的是，把露头上统计而得到的裂缝参数应用于地下裂缝评价时应该十分谨慎。这是因为露头裂缝研究区与地下裂缝研究区有3方面的重要区别数15，风化作用；围岩压力、温度；构造位置。在地表条件下，岩石脆性强，裂缝发育，且往往夸大了硬岩层的裂缝，掩盖了软岩层的裂缝。研究表明，地面观测到的裂缝延伸长度、纵向切深对地下类似构造位置同类储层而言，可视为最大值，具有参考价值。（2）宽度裂缝宽度与裂缝孔隙度、渗透率直接相关，是评价裂缝对开发效果影响的重要因素之一，同时也是极难获得的参数之一。可以从4个方面确定碳酸盐岩裂缝的宽度范围。1）岩心实测岩心上所量取的裂缝宽度为视宽度，要根据测量面与缝面的夹角进行换算，得到真实的裂缝宽度。 （31）式中裂缝面真实宽度，cm；裂缝面视宽度，cm；测量面与裂缝面的夹角（）。通过对裂缝宽度数据的统计，作出其分布图。这个参数是定量描述裂缝的重要参数1。2）缝宽与围压的关系研究表明，随围岩压力增大，裂缝宽度迅速变小。但到一定围压（埋深）时，缝宽随围压变化很小，且砂岩变化剧烈，泥岩变化平缓。3）实验室模拟根据实验室模拟地下情况对碳酸盐岩样品压裂测试其缝宽。4）地面露头测量通过实测地面露头裂缝缝宽，来确定地下裂缝宽度的上限，推测地下裂缝宽度一般不会超过该范围。 （3）方位确定地下裂缝方位，应用了7个方面的资料：与褶皱有关的裂缝理论分析方位；断层系统所显示的裂缝方位；岩心实测裂缝方位；裂缝测井解释的裂缝方位和现今地应力方位；古地磁测定及微电阻率扫描确定的裂缝方位；露头测量的裂缝方位；曲率分析、有限元法及断裂力学方法计算得到的裂缝分布方位。（4）裂缝孔隙度裂缝孔隙度是指裂缝总体积Vf与基质总体积Vb的比值，即 （32）式32是衡量裂缝体积的参数。岩心裂缝孔隙度是指单位体积基质岩心上的总裂缝体积。值在储集层评价和资源生产上的意义或重要性取决于所涉及的裂缝性储集层的类型17。在那些裂缝系统既提供了主要的孔隙度又提供了主要渗透率的裂缝性储集层中，早期计算裂缝孔隙度或单井控制的裂缝体积是非常重要的。为了恰当的评价储集层，我们必须尽早地知道这一体积，并在早期生产的整个过程中，必须运用资料许可的尽可能多的方法对这一参数进行不断的修正。裂缝孔隙度一般小于1.0，最大可大至6左右。其值虽然很小，但若存在大范围的巨厚储层（其累计裂缝体积就大了）或基质孔隙度很小时，裂缝孔隙度就显得重要了。此外由于裂缝是连通的，因此它对渗透率的影响是非常大的，裂缝孔隙度相对较小的增加都会对渗流起重大作用。（5）裂缝渗透率 裂缝性储层存在两种渗透率，即基质渗透率和裂缝渗透率。一般裂缝渗透率Kf是基质渗透率的几百倍甚至几千倍。利用岩石薄片鉴定可以计算裂缝渗透率4，这是全苏地质勘探科学研究所提出的方法，简称薄片法。 （33）式中A系数，它的数值取决于岩石中裂缝组系的几何形状；bm薄片中实测的裂缝宽度，mm；薄片中的裂缝长度，mm；S薄片面积，mm2。影响宏观构造裂缝渗透率的最主要的因素是它的开度和间距（或密度）。3.2地下裂缝间距的预测5.2.2裂缝间距影响因素我们这里之所以要讨论裂缝间距，是因为裂缝间距是预测储集层裂缝孔隙度和裂缝渗透率的一个重要参数，它的变化对裂缝孔隙度和渗透率有着剧烈的影响。图31和图32表示了裂缝间距和裂缝宽度对这两个储集层参数的综合影响的特征。图5-3裂缝渗透率与裂缝宽度和裂缝间距之间的关系图5-4裂缝孔隙度与裂缝宽度和裂缝间距之间的关系裂缝间距可以在露头或矿点直接观察，但是由于相当于裂缝间距或基块来讲地下取样方法所观察的范围较小，从而造成裂缝间距定量化的困难。此外，天然裂缝系统经常具有复杂的交叉切割结构，因此很难正确地确定其平均间距。要对碳酸盐岩储层裂缝间距进行预测，首先要分析影响其裂缝间距的各种因素。影响碳酸盐岩裂缝间距的主要因素如下：（1）成分：Sinclair （1980）曾指出裂缝密度与岩性的关系：岩石的脆性越大，裂缝密度越大，间距越小。岩石中的脆性成分主要是石英、长石、白云岩和方解石等，裂缝的发育程度依白云岩、灰质白云岩和石灰岩的顺序依次降低。图5-5构造裂缝的相对密度与岩性（矿物成分和粒度）的关系（2）孔隙度：岩石强度随着孔隙度的增加而降低，因而在其他条件相同的情况下，孔隙度低的岩石裂缝密度大，间距变小。（3）层厚：大量资料表明，若其它条件相同，裂缝间距随着层厚的减薄而减小，薄层比厚层岩石具有更大的裂缝密度。根据大量野外露头观测，裂缝间距和层厚的经验统计关系是：裂缝间距与裂缝所在层的层厚成线性关系，并定义层厚（T）与间距（S）之比为裂缝间距指数（I），即：IT / S （34）此外，存在上述关系的条件是裂缝垂直层面，以及层厚小于2m（Narr, 1984, 1991）。（4）构造部位、边界及边界上受力方向和大小：Price（1966）指出，裂缝的密度与应变能有关，在岩层厚度相同的情况下，应变能相对高的岩石具有较大的裂缝密度。 应变能密度可表示为： （35）式中应变能；应力分量； 应变分量。对于线弹性体，由于 则 （36）故构造裂缝的密度与研究区应力和应变的分布有关。而应力、应变的分布又与岩石力学性质、构造部位和边界及边界上受力的方向和大小有关。此外，当岩层弯曲产生纵张裂缝时，裂缝密度也与构造部位有关，在岩层曲率和倾角变化率较大处，裂缝密度较大。5.2.3 裂缝间距的预测在石油地质勘探与开发的自始至终，人们直接接触到的资料主要来源于两个方面：其一是大量的岩芯资料；其二是地震和测井资料。目前多数学者或是仅从岩芯资料（包括测井资料）简单地描述裂缝的发育程度，在单井中划分出若干裂缝发育层段；或是仅利用构造面根据薄板弯曲模型对裂缝发育进行理论上的研究。前者立足于实际，可信度高，但获得的成果往往只能反映某一井的局部层段裂缝发育程度，而无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。后者能从理论上研究区域性裂缝的发育状况及大体展布规律，但不能回答所得到的成果与实际的符合度，即无法回答可信度的大小。因此，现在面对的问题是，如何将这两种方法有机地结合起来，以达到既能预测区域性裂缝的发育程度，又能回答所得到的结果与实际情况的相关性。根据已有资料，对寒武系洗象池组气藏裂缝进行了初步研究，其方法如下：对研究区域的所有取心井进行观察研究，对发育有裂缝的层段除描述其类型外，还要测量其裂缝间距。由于各井所处的局部构造部位及相对高程不同，裂缝发育层段的间距也不相同。统计各井的裂缝间距后，便可建立相应的裂缝发育模型。通过对控制构造裂缝间距的几个重要地质参数（成分、孔隙度、岩层厚度、构造位置等）的分析，能预测相对裂缝间距。首先将这些影响因素与岩心资料得到的裂缝间距建立对应关系，然后将数据标准化或级差化，将标准化的数据进行数学地质处理，结果表明，影响构造裂缝最发育的因素是构造曲率，其次是岩层厚度、孔隙度。其多元统计回归模型为：（37）式中：裂缝间距（m）；构造曲率（1/km）；岩层厚度；孔隙度（）。通过多元统计回归模型预测未知区（如井间等）裂缝间距的变化。3.3裂缝三维定量参数场形成对于裂缝三维定量参数场的精确描述是合理布井的基础，同时也是解决目前数值模拟过程中采用均一裂缝参数的关键之一。在本文引用了Murray的方法。取岩层受拉张应力产生弯曲裂开后的一个单元（图34），此时该单元的裂缝孔隙度可据图上的几何形态计算出来（Y轴垂直于X-Z平面），即： （38）式中：裂缝孔隙度，； T中性面以上岩层的厚度，m； R曲率半径，m； 岩层弯曲后所形成裂缝间隔之间的夹角，（）； 半径为R、夹角为时的弧长，m。因为R，所以上式简化为： （39）图5-6 岩层弯曲后断裂的单元同样道理，裂缝渗透率可以由曲率半径、裂缝的间距e、生产层的流动界面A以及中性面以上岩层厚度T之间建立如下关系式： （310）式中：裂缝渗透率，10-3； e裂缝间距，m； R曲率半径，km； T中性面以上岩层厚度，m。这样裂缝孔隙度和渗透率就成为岩层厚度、裂缝间距和曲率的函数了。通过求取构造面的曲率值，即可形成储层裂缝孔隙度和渗透率的三维定量参数场。5.2.4 裂缝地质模型的建立（1）建立模型方法由岩心、测井或地震资料得到的裂缝各项表征参数往往只能反映部分井的局部层段裂缝发育特征，而无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。裂缝地质建模实际上是表征储层裂缝结构及其参数的定向分布和变化特征，建模的核心问题为井间预测，在原定资料前提下，提高裂缝模型精细度的主要方法即是提高井间预测精度。井间预测有两种途径，即确定性建模和随机建模。确定性建模对井间未知区给出定性的预测结果，即试图从已知确定性资料的控制点如井点出发，推测出控制点间确定的唯一的真实的储层参数；而随机建模则是对井间未知区应用随机模拟方法得出多种可能的等概率的预测结果。此次建模我们选择确定性建模方法，也即选择插值法进行建模。井间插值方法很多，大致可分为传统的统计学插值方法和地质统计学估值方法（主要是克里金方法）。由于传统的数理统计学插值方法（如反距离平方法）只考虑观测点与待估点之间的距离，而不考虑地质规律所造成的储层参数在空间上的相关性，因此插值精度很低，实际上，这种插值方法不适用于地质建模。为了提高对储层参数的估值精度，人们广泛应用克里金方法来进行井间插值。克里金方法是地质统计学的核心，它是随着采矿业的发展而产生的一门新兴的应用数学的分支。克里金方法主要是应用变异函数和协方差函数来研究在空间上既有随机性又有相关性的变量即区域化变量。在本文研究方面，从岩心、测井资料中获取的裂缝参数如宽度、间距、长度等均为区域化变量。克里金法估值，是根据待估点周围的若干已知信息，运用变异函数特有的性质，对待估点的未知值做出最优（即估计方差最小）、无偏（即估计值的均值与观测值的均值相同）的估计。应用克里金法进行井间（点间）估值时，首先是确定待估点周围的已知数量点的参数对待估点的贡献大小（即加权值），然后进行估值计算，其一般表达式： （311） 式中：待估点的克里金法估计值； 待估点周围某点处的观测值，1，2，n； 为的加权系数，表示各信息点对待估点估值的贡献大小。克里金方法较多，如简单克里金、普通克里金、泛克里金、因子克里金、协同克里金、指示克里金等。这些方法可用于不同地质条件下的裂缝参数预测。克里金方法是一种光滑内插方法，实际上是特殊的加权平均法。它难于表征井间参数的细微变化和离散性，同时，克里金为局部估值方法，对参数分布的整体结构性考虑不够，因而，当储层连续性差、井距大且分布不均勾时，则估值误差较大。因此，克里金方法所给出的井间插值点虽然是确定的值，但并非真实的值，仅是接近于真实的值，其误差大小取决于方法本身的适用性及客观地质条件。然而，就井间估值而言，克里金方法比传统的数理统计方法更能反映客观地质规律，估值精度相对较高，是定量描述裂缝储层的有力工具。（2）建立裂缝地质模型通过地质资料得到裂缝的部分表征参数（包括密度、间距、宽度、倾角等），采用构造主曲率法预测裂缝的方位及分布情况，在此基础上计算出裂缝孔隙度和渗透率参数场。运用克里金插值、多元统计回归，得到不同岩性和深度的裂缝描述参数。将这些参数等都绘制成定量化曲线，用定量的连续参数场表现离散的裂缝对油气藏开发的影响程度，并与每口取心井的岩心和测井剖面综合在一起，便建立起裂缝综合剖面模型。在该剖面模型上，像一般研究地层那样划分、对比裂缝段，分出裂缝发育级别等，可最终建立裂缝地质模型。七、构造应力模拟法预测裂缝简要原理7.1、裂缝成因机制 裂缝形成的影响因素： 构造应力 岩性和岩石力学性质 岩层厚度 构造部位 构造发展阶段 一次构造运动可形成多期构造裂缝 裂缝与褶皱、断层的空间分布关系 裂缝与褶皱、断层的几何方位关系7.2、古构造应力模拟 基础： 弹塑性力学、断裂力学、岩石力学 手段： 构造模拟 数值分析(模拟)技术 变分法 差分法 有限元法(边界元法、离散元法) 依据：构造(褶皱、断裂等)形迹7.3、 相似性原理在构造应力场及裂缝预测数值模拟中的重要性7.3.1 基本概念前面已经提到古构造应力场只能根据现今的构造形迹来进行应变场的模拟，这种模拟需要有正确的构造发展及演化的认识结果，这种认识结果是进行古构造应力场数值模拟的基础。但如何把这种正确的认识结果应用到古构造应力场的数值模拟中，这才是数值模拟的关键。数值模拟的结果是否能真实地反映古构造应力场特征，一方面取决于对构造的认识程度，另一方面就是看数值模型是否能真实地反映地质原型。这就要求数值模型与被模拟的地质原型之间必须具有相似性。而基于相似理论进行的模拟研究是在某些基本定义和定律基础上进行的，基本定义包括相似常数、相似判据和相似关系。相似常数是地质原型与数值模型间各物理量之间的比例系数，它们是一些常数，例如几何相似常数： (1)式中，C为相似常数，L表示几何尺寸，p表示地质原型，m表示数值模型，Cl表示几何相似常数，该式表示地质原形与数值模型间各部份的几何要素（长度与角度）应成比例,即数值模型应按一定的比例缩小与放大。相似判据是指地质原型与数值模型间各基本物理量应该满足一定关系，其表达式为： (2)上式是在考虑重力和