人工压裂低渗透油藏渗流机理研究

1、人工压裂低渗透油藏渗流机理研究 大庆石油学院 二一年四月 2 目 录 第一章第一章 朝阳沟油田区块地质特点及开发简况朝阳沟油田区块地质特点及开发简况.1 1.1 地质特点.1 1.1.1 从构造轴部到翼部，储层物性、原油物性及储层裂缝发育程度差异很大.1 1.1.2 不同构造部位开发效果明显不同.2 1.2 油田区块分类标准.3 1.3 二类区块存在问题及开发简况.5 1.3.1 二类区块存在问题.5 1.3.2 二类区块开发简况.7 第二章第二章 人工裂缝低渗透油藏渗流的人工裂缝低渗透油藏渗流的研研究方法及原理究方法及原理.9 2.1 油藏介质中渗吸的研究方法及其应用.9 2.1.1 渗吸研

2、究的实验方法.9 2.1.2 岩心介质中渗吸的基本原理.11 2.1.3 裂-孔隙双重介质毛管渗吸驱油.11 2.2 人工裂缝条件下渗吸的研究.12 2.2.1 自发渗吸.12 2.2.2 渗吸实验研究的手段.13 2.2.3 评价自发渗吸实验的方法和参数.14 第三章第三章 人工裂缝性油藏渗吸开采机理及渗吸模型人工裂缝性油藏渗吸开采机理及渗吸模型.18 3.1 裂缝性油藏开采动力学行为分析.18 3.1.1 溶解气驱油.18 3.1.2 裂缝中油气的对流.18 3.1.3 扩散和泡点压力下降（或上升）.18 3.1.4 重力驱油.19 3.1.5 基质岩块的渗吸作用.20 3.2 裂缝性油藏

3、的渗吸机理.21 3.2.1 渗吸裂缝性油藏模型.21 3.2.2 渗吸影响因素.21 3.3 渗吸模型参数确定方法研究及应用.23 3.3.1 模型的基本原理.23 3.3.3 模型的应用.24 3.3.4 最大渗吸速度发生时间的确定.24 3.3.5 模型应用实例分析.25 3.4 本章小结.27 3 第四章第四章 人工裂缝低渗透砂岩油藏中渗吸机理及应用人工裂缝低渗透砂岩油藏中渗吸机理及应用.29 4.1 人工裂缝条件下自发渗吸实验.29 4.1.1 实验材料.29 4.1.2 实验条件及测量原理.30 4.1.3 实验结果分析.31 4.2 人工裂缝条件下的驱替渗吸实验.34 4.2.1

4、 实验设备.34 4.2.2 实验条件.34 4.2.3 试验结果分析.35 4.2.3.1 水驱油时的最佳渗流速度.35 4.2.3.2 核磁共振技术研究驱替渗吸的实验结果.36 4.3 人工裂缝条件下渗吸效果分析.38 4.3.1 储层渗透率对渗吸效果影响分析.38 4.3.2 裂缝密度对渗吸效果的影响.38 4.3.3 裂缝密度对渗吸速度的影响.40 4.5 人工裂缝性低渗透砂岩油藏启动压力梯度计算.41 4.5.1 利用注水见效时间计算启动压力梯度.41 4.5.2 由非达西渗流方程推导启动压力梯度.43 4.5.3 利用压差-流量关系推导启动压力梯度.44 4.5.4 利用试井解释方

5、法结合质量守恒定律计算启动压力。.46 4.5.5 利用流变学原理推导低渗透油藏流体渗流的启动压力公式.47 4.6 注水吞吐井的产量递减预测.50 4.6.1 物理过程.50 4.6.2 注水吞吐井的渗吸产量递减模型.50 4.7 本章小结.52 第五章第五章 裂缝性油藏渗吸开采流体渗流数学模型及求解裂缝性油藏渗吸开采流体渗流数学模型及求解.54 5.1 模型假设条件.54 5.2 基本渗流微分方程.54 5.3 模型定解条件.56 5.3.1 初始条件.56 5.3.2 边界条件.56 5.4 改进的裂缝和基质系统交换量计算方法.57 5.4.1 常规的基质裂缝交换量计算.57 5.4.2

6、 考虑渗吸的基质裂缝交换方程.62 5.5 裂缝性油藏渗吸开采数值模型.65 5.5.1 偏微分方程离散化.65 5.5.2 差分方程组线性化.68 5.5 数值模型求解.71 4 5.6 分析结果的讨论.72 5.6.1 油藏润湿性的影响.72 5.6.2 裂缝绝对渗透率的影响.73 5.6.3 基质绝对渗透率的影响.74 5.6.4 原油粘度的影响.76 5.6.5 注水周期的影响.77 5.7 渗吸模拟计算及对比.78 5.8 本章小结.80 第六章第六章 结论与建议结论与建议.81 6.1 结论.81 6.2 下步开发建议.82 i 摘要摘要 1 第一章第一章 朝阳沟油田区块地质特点及

7、开发简况朝阳沟油田区块地质特点及开发简况 1.1地质特点 朝阳沟油田位于松辽盆地中央坳陷区朝阳沟阶地及长春岭背斜带上，由朝阳沟背 斜、翻身屯背斜、薄荷台和大榆树两个鼻状构造组成，为受断层、构造、岩性多种因 素控制的复合型特低渗透油藏。探明含油面积 231.1km2，地质储量 16168.2104t，投 入开发面积 216.4km2，动用地质储量 15880104t。油田地质情况十分复杂，含油区域 受到多种地质因素的控制，油气水分布、油层物性、原油物性和裂缝发育程度在油田 不同区域差异很大，所以从开发至今，不同区块所表现出来的开发状况各不相同。 1.1.1 从构造轴部到翼部，储层物性、原油物性及

8、储层裂缝发育程度差异很大 1）储层裂缝发育程度有很大差别 通过岩心观察，朝阳沟油田储层中发育有近似水平延伸的大量微细层理缝、层面 缝，密度达到 0.13 条/米。对于投入开发时间较早的构造轴部来说，储层裂缝研究开 展较早，更为深入。通过岩心观察描述、地层倾角测试、地面电测井及脉冲试井、现 代测井解释、注示踪剂、同位素测井、见水井反映等多种方法观测研究得出：裂缝主 要发育方向为近东西向，即 ne85，与注水井排基本一致，几何形态为垂直裂缝。原 始处于闭合状态，压裂注水后可能张开和延伸。构造缝是受构造应力的作用产生的， 不同构造部位受力不同因而裂缝发育程度不同，岩层弯曲越厉害的部位，主曲率越大，

9、裂缝也就越大。分析表明，构造裂缝主要发育在构造轴部，构造翼部裂缝发育差，朝 5-45 地区主曲率值 615.6，朝 53-朝 55-朝 35 地区主曲率值在 511 之间，朝 81- 朝 85 地区主曲率 59，长 30-35 地区主曲率 39，构造翼部主曲率 03。 2）油层物性差异明显 朝阳沟油田油层平均渗透率 11.310-3m2，平均有效孔隙度 14.7717.77%，属 于中孔低渗透油层。含油构造顶部渗透率和孔隙度高，向翼部变低，四个含油构造以 明显的低值分开，构造顶部基质渗透率大于 1510-3m2，轴部向翼部过渡区块基质 2 渗透率 51510-3m2，朝阳沟背斜构造边部及薄荷台

10、、大榆树鼻状构造，基质渗透 率小于 510-3m2。油层发育较好的朝 5-45，朝 81 区渗透率大于 3010-3m2，位于 构造翼部的朝 631-61-83 井区、长 31-39 井区油层物性差，渗透率小于 510-3m2，有 的甚至小于 110-3m2，相差 630 倍以上。 3）原油物性相差较大 朝阳沟油田原油密度 0.85860.8866g/cm3，粘度 14.4128mpa.s，凝固点 2543c，含腊量 15.529.8%，含胶量 10.827.7%，沥青质 1.69.7%。含油构造 顶部原油性质好，含油构造的翼部及斜坡部位原油性质逐渐变差。朝 5-朝地面原油粘 度 18mpa.

11、s，朝 1-朝气 3 为 30.1 mpa.s，朝 691 区块 39.2 mpa.s，长 46 区块为 41.4 mpa.s，从轴部到翼部粘度相差 1 倍以上。各别井点粘度更有超过 100mpa.s 以上。 1.1.21.1.2 不同构造部位开发效果明显不同不同构造部位开发效果明显不同 朝阳沟油田不同构造部位区块的油层物性、原油物性及裂缝发育程度差距很大， 直接影响了开发效果。 1）朝阳沟背斜轴部地区开发较好 该区油层物性好，渗透率高，原油流动性好，砂体发育好，压力传导能力较好， 注采井间能建立起有效压力系统，油井压力及产量恢复程度高。累积注采比 2.04，注 采压差 12.3mpa，水井压

12、力 21.1mpa，油井平均地层压力 8.8mpa，超过原始地层压力 （8.4mpa） ，油井产量最高恢复至初期的 90100%。目前平均含水 39%，采出程度 19.02%，预计最终采收率 25%。 2）轴部向翼部的过渡部位加密后开发效果较好 该区砂体发育规模相对较小， 300m 井距对砂体的控制程度低，同时由于受断层遮 挡影响，使砂体的水驱控制程度只有 65%左右。300m 井网条件下油水井间蹩压状况比 较严重，预计最终采收率只有 18%。99 年后开展了加密调整试验，加密区块的开发效 果才得到改善，目前全区平均含水 26.5%，采出程度 10.53%。 3）朝阳沟背斜构造边部及薄荷台、大

13、榆树鼻状构造开发效果不好 3 该区砂体发育规模相对较小，大部分砂体以条带状和透镜状分布，主力油层钻遇 率在 4050%之间。砂体宽度小于 300m 的砂体占 60%以上，300600m 占 30%左右，加 上断层的存在，大部分砂体得不到有效控制。由于油层致密，在 300m 井距下油水井间 憋压严重。投产初期采用早注水、高注采比的注水开发政策，但是油井基本没有受效 期，对部分油井进行压裂改造，但由于 300 米井距条件下注水受效差，压裂未达到引 效的目的没有经济效益，开发效果较差。目前平均含水 20.5%，采出程度 5.67%，预计 最终采收率只有 15%。 1.21.2 油田区块分类标准油田区

14、块分类标准 朝阳沟油田不同构造部位由于油层物性及流体物性裂缝发育状况的不同，导致开 发效果的巨大差异。显然，不同的区块需要不同的开发政策，根据开发以来取得的经 验教训，有必要在开发工作中，把各区块区别对待，在开发规划、注水调整及新技术 应用上有所划分，实现区块分类管理、分类研究与分类治理，更好地实现各区块的经 济有效开发，见表 1-1。主要从五个方面评价作为朝阳沟油田的分类基础。 1）油藏地质特征：主要包括构造位置； 2）储集渗流特征：主要包括渗透率、孔隙度、裂缝发育程度； 3）储层流体特征：主要包括原油粘度、流体产状、储量丰度； 4）各区块水驱状况、所处开发阶段、存在潜力大小； 5）经营效益

15、和成本、及下步调整挖潜潜力大小。 表 1-1 朝阳沟油田区块分类 分类 油层中深 (m) 有效厚度 (m) 空气渗透率 (10-3um2) 有效孔隙 度(%) 含油饱和度 (%) 流度 (10- 3um2/mpa.s) 储量丰度 (104t/km2) 断层密度 (条/km2) 一类区块9001000 9.012.0 15.422.5 1719.35759 173.10.4 二类区块10001100 8.09.5512.61519.351580.51 63.11.68 三类区块11001200 8.012.02.6514.8165154 0.565.10.97 4 续表 1-1 朝阳沟油田区块分

16、类 分类 原始地层压 力(mpa) 目前地层压 力(mpa) 地层原油粘 度(mpa.s) 年采油速 度（%） 采出程度 （%） 标定采收率 (%) 剩余可采储量采 油速度（%） 可采储量 采出程度 （%） 一类区块 8.48.88.50.8220.222515.9580.44 二类区块 9.26.910.40.709.37188.5751.38 三类区块 9.96.812.60.274.28152.7828.0 把朝阳沟背斜构造轴部作为一类区块，主要包括朝 5、朝 45、试验区北块、朝 5 北、朝 661-64、朝 44 及朝 50 等区块，面积 57.3km2,地质储量 3551104t。

17、基质渗透 率大于 1510-3m2，原油流度大于 110-3m2/mpa.s,原始含油饱和度 59%。普遍发 育东西向裂缝，裂缝密度 0.13 条/m，裂缝与基质渗透率比值为 10-30 倍，目前大部分 地区采用 300m 井距线性注水，井网密度 11.1 口/km2。朝阳沟油田区块分类见表 1- 2。 表 1-2 朝阳沟油田区块分类 类 别 序号项目 一二三 1 水驱储量控制程度 （） 7060-7060 2 水驱储量动用程度 （） 5030-5030 3储采比20 4 老井措施有效率 （） 7060-7060 5配注合格率（）6555-6515.01015 510 352312 0.51

18、综合评价岩样总数 一类区块 63.89.915.73.81.51.83.515.0467 二类区块 12.112.439.113.59.08.05.9 5.115.0 784 三类区块 5.02.24.21013.914.750.05.1339 合计 25.89.524.89.97.87.614.61590 根据低渗透油藏非达西渗流方程，结合已开发区块动态资料，求得不同渗透率储 层的极限井距（油井产液量为零时的注采井距） ，结果表明当渗透率为 310-3m2时， 极限井距为 300m。二类区块平均空气渗透率在 51510-3m2之间，说明宏观上 300m 井距可以建立起驱动体系。但根据岩心分析

19、资料统计，渗透率在 0.55.010- 3m2的样品占总样品数的 36.4%（相当有效厚度和储量的 1/3 以上，也说明微观上部 分渗透率低的储层在 300m 井距条件下未能建立起驱动体系，这部分储量未得到动用） 。 由此可见，二类区块储层动用状况较差，产液能力较低，单井日产液仅为 1.5t 左右。 3）局部地区井排方向与裂缝方位不匹配，开发难度大 朝阳沟油田一类区块井排与裂缝方向基本一致，通过转注裂缝方向上的高含 水井，实现了线性注水，采油速度在 1.5%以上保持了 8 年，取得了较好的开发效 7 果。 二类区块井网部署时逆时针扭转 11o，即为 ne62.5o，与裂缝方向成 22.5o。井

20、排扭 转后初期开发效果较好，见水时间比轴部地区推迟 2 年。但随着开发时间延长，该地 区油井见水表现多向性，调整难度加大。 1.3.2 二类区块开发简况 二类区块渗透率低，砂体发育连续性差，油井受效差。二类区块投入开发面积 98.5km2，地质储量 6576104t。共有油水井 1817 口，其中油井 1285 口，年产油 23.92104t，采油速度 0.74%，采出程度 9.95%，综合含水 27.82%；水井 532 口，年 注水 114.61104m3，累积注水 2965.75104m3，月注采比 3.1，年注采比 3.01，累积 注采比 2.62。 二类区块自投入开发以来，采取早期强

21、化注水、分层注水，部分区块采取同步注 水。为了保持较高的生产水平和采油速度，95 年开始采取高注水强度、高注采比的开 发政策，年注采比由 2.29 提高到 3.38，同时采取了油井压裂、换泵等增产措施，但开 发效果仍然较差。分析二类区块开发效果差根本原因是井网适应性差，各小区块采油 速度在 0.3%0.6%之间，预计最终采收率只有 18%左右。99 年后开展了加密调整试验， 加密区块的开发效果才得到改善，目前全区平均含水 26.5%，采出程度 10.53%。 随着注水开发时间延长,含水上升,原油粘度逐年增大。原始原油性质越差,注水对 原油性质影响越大。如扶余油层朝 45 井,开发初期地面原油粘

22、度为 25 mpas 左右,随 含水上升,原油粘度上升;含水达 50%时,地面原油粘度达到 160 mpas。如杨大城子油 层,朝 135-杨 49 井,投产初期原油粘度 50 mpas 左右,含水达 35%时,原油粘度升至 75mpas 左右。 按照原油分类标准,朝阳沟油田构造翼部和杨大城子油层虽属于稠油油藏,但也属 于粘度较高的稀油油藏。对朝阳沟这种低、特低渗透油田,对原油粘度大的区块、井组,虽 然实施了提高注水压力、高注采比注水、重复压裂、化学降粘等措施,但未见到效果明 8 显改善,区块一直处于低速、低效开发。 朝阳沟油田尽管原油粘度较高,但原油的粘温关系敏感,原油物性对热能适应性较 强

23、,热采是改善油田开发效果的又一重要途径。 2002 年 9 月在朝阳沟油田二类区块进行的两口井蒸汽吞吐试验（朝 142-69、146- 70 井）已取得了较好的开发效果，这为在低渗油田的蒸汽驱试验带来了曙光。 2005 年 5 月，大庆朝阳沟油田首次开辟注蒸汽开发试验区进行蒸汽驱油试验，虽注汽 时间短、规模小，但取得了好的增油效果。 9 第二章第二章 人工裂缝低渗透油藏渗流的研究方法及原理人工裂缝低渗透油藏渗流的研究方法及原理 1.2.2 储集层裂缝的各种评价方法 1.2.2.1 常规地质方法 研究储集层裂缝的常规地质方法主要包括:野外露头观测及分析，岩心裂缝观测和 分析，以及对裂缝进行镜下观

24、察。 （1）野外露头观测及分析 研究野外露头是获得地质构造与裂缝、缝合线以及流动通道等关系全貌的最好办 法，也是建立裂缝原模型的基础。但选择露头要严格遵循一个原则，即必须是相似露 头区。所谓相似露头区是指与研究的储层无论是在岩性、构造部位还是在成因上都具 有可比性。选择与研究区地质特征相似的野外露头区，开展细致的裂缝测量工作，总 结裂缝发育规律，将露头区裂缝研究成果应用十覆盖区裂缝的预测。 露头裂缝观测内容包括:对构造裂缝参数的观测，观测参数主要有地层与裂缝产状、 裂缝力学性质、级别、期次、组系配套、间距、切穿深度、延伸长度、开(宽)度、充填 性等;构造裂缝的成因及其与区域构造和局部构造的关系

25、;相似露头区的可比性;样品采 集，供微裂缝的观测、宏观与微观裂缝关系分析、包裹体分析以及古地磁定向使用。 （2）岩心裂缝观测和分析 岩心裂缝观测是目前研究裂缝性油气藏的一个重要手段，它是根据岩心裂缝发育 情况对地层中的裂缝进行直观描述，是进行裂缝研究的最直接的手段，是裂缝测井和 地震研究的技术基础，也是对后者研究精度的最直接的检验。 岩心观测内容包括:岩心或裂缝定向，可以通过古地磁、岩心层面产状与构造图、 微电阻率、井下声波电视等资料进行定向;构造裂缝参数观测，尽可能观测裂缝的方位、 产状、力学性质、组系、密度(间距)、切开深度、开度(宽度)、充填性、裂缝发育层的 厚度和层数、地层产状与裂缝产

26、状的关系等，在薄片上观测微裂缝的组系、力学性质、 密度(间距)、开度、充填性等。 通过以上裂缝参数的统计，可以获得储层裂缝的优势产状、裂缝发育的分期特征、 裂缝形成后的化学环境，最终得出有效裂缝空间的分布区域及分布深度(或层位)。 （3）镜下观察 用显微镜对裂缝进行观察是裂缝研究中直接的方法之一。主要有普通的薄片观察 和电镜扫描观察等，其主要特点是对岩石中存在的微裂缝进行统计和描述，但这样的 观测随机性大，局限于裂缝的微观情况。 镜下观察以下内容:裂缝的形态、宽度、长度;缝面情况，溶蚀及充填情况(包括充 填物成分、晶形、充填程度、分期性和分布);裂缝系数、成因类型以及分期配套关系与 10 裂缝

27、和岩石颗粒及孔隙的关系。对于定向薄片还可以估计裂缝的产状。 1.2.2.2 地球物理学方法 从地球物理学角度进行储集层裂缝的评价，主要有两种途径:测井评价和地震检测。 （1）测井评价 测井是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性、 测量地球物理参数的方法。测井识别评价裂缝的方法包括:利用常规测井资料识别和解 释裂缝的方法，以及利用新型和特殊测井识别和解释裂缝的方法。 常规测井识别裂缝 利用常规测井方法识别裂缝的基本思路是想方设法寻找岩石骨架信息和裂缝引起 的异常信息。其主要依据是:含流体裂缝的导电性;裂缝地层的非均质性和各向异性;裂 缝发育与岩性的关系。所以，对裂缝进行

28、识别的常规测井方法可以包括:自然电位测井、 电阻率测井、声波测井、补偿中子测井、密度测井、井径测井等。对于某一特定油田， 指示裂缝的常规测井曲线特征可能存在的特征包括：深侧向电阻率明显大于浅侧向 6 电阻率;感应电阻率明显大十侧向电阻率;自然伽马曲线异常增高;深、浅电阻率曲线出 现剧烈起伏变化，甚至呈锯齿形变化，有时伴随着微电阻率的明显降低;微电阻率呈锯 齿形变化，有时有明显降低现象;井径曲线出现扩径现象;自然电位曲线由岩性、泥浆、 地层水等变化引起，出现异常现象。在具体应用以上特征时，要针对地区特点适当补 充裂缝识别的辅助信息，可以提高裂缝的识别精度。 此外，除了以上简易的识别特征之外，也可

29、以用常规测井资料进一步导出一些特 征参数，以突出裂缝显示的方法和技术。孙建孟等对此做了深入研究，探索出曲线 7 变化率法、孔隙结构指数法、视地层因素指数法、饱和度比值法、孔隙度比值法、骨 架指数比值法、等效弹性模量差比法、电阻率侵入校正差比法和综合概率指数法等方 法。 新型和特殊测井识别和解释裂缝的方法 新型和特殊测井的出现，使测井方法在识别裂缝的效率上得到了很大的改观。如 90 年代出现的成像测井方法，目前已成为测井技术中识别裂缝最直观、有效的方法。 成像测井通过图像上的颜色、形态直接反映裂缝，通过对原始测井资料进行处理，突 出因裂缝变化而引起的岩石声阻抗和电阻率的变化特征，降低由钻井工程等

30、因素造成 的非裂缝响应影响，若再结合其它测井资料，效果更佳。 成像测井具体包括井下声波电视测井(hbtv)、微电阻率扫描成像测井(fmi 或 emi)、声电组合成像测井(star)和井周成像测井(cbil)等方法。另外，近年来新发展 的裂缝识别测井、斯通利波(管波)测井、位移声波途径法测井、地层高分辨率地层倾角 测井等，在裂缝识别解释中也得到用武之地。 （2）地震检测 地震方法也可以用来检测裂缝。这是因为裂缝一般发育在致密岩石中。裂缝形成 11 前，致密岩石的孔隙度和渗透率都很低，岩性较均一，地震波传播速度大、频率高， 反射波振幅弱。裂缝形成后，尤其是当裂缝未被充填而饱含地下流体时，流体与致密

31、 岩石的巨大物理性质差异导致物性界面的存在，引起储集层地震波反射特征的改变， 成为地震剖面上反映裂缝存在的重要信息。裂缝的地震运动学和动力学特征可以概括 为:裂缝发育带地震波传播速度下降;裂缝发育带地震波频率降低;裂缝发育带地震波振 幅增大，能量显著增强。 8 关于用地震方法进行裂缝检测的方法研究，国外早在 20 世纪 70 年代就开始了。 自 1986 年美国 seg 年会发表了利用横波分裂来检测裂缝方向和裂缝密度的论文之后， 地震检测裂缝的技术已发展成为一种可靠的手段。我国在“八五”期间，也加强了地 震技术研究裂缝力度，并开发出一些有特点的地震裂缝检测方法。 9 地震技术解释和识别裂缝的方

32、法很多，先后出现了横波勘探、多波多分量勘探和 纵波裂缝等检测方法。近几年来，储层地球物理技术发展很快，地震数据的精度 6，10 不断提高，如:vsp、井间地震、横波地震、ava, vva,层析成像、多波多分量、属性 分析等新方法和技术。其中，地震属性分析研究、vsp 和井间地震、多波与各向异性 分析、ava, vva 技术等都可直接用十裂缝性油气藏的勘探。地震解释裂缝的技术也 由此口益成熟。 1.2.2.3 实验室研究方法 评价储集层裂缝，也可以实验的方式进行研究。目前，适用的方法主要包括:光弹 模拟实验、凯塞效应的测定、裂缝充填物的稳定同位素及包裹体测定。 （1）光弹模拟实验 光弹模拟实验:

33、模拟岩石变形应力场变化及分布的光弹实验，在岩石力学及构造力 学中已广泛被采用。其优点在于能依据实际地质变形特点和初始变形条件，模拟出变 形中应力场的分布情况。并且通过显微照像而得到的干涉条纹图像反映出来。根据图 像直观地反映出各处应力分布情况即应力集中带，用于预测不同地质变形体与应力集 中有关的裂缝发育带。 （2）岩石应变实验 利用岩石岩样，通过加载，测量不同应力作用下，岩样的应变过程，直至岩样破 裂，从而得到岩样的应力应变曲线。它给出了不同的岩石受力变形及破裂的全过程。 利用这条曲线可以确定岩石的受力极限、破裂强度等力学参数。利用应力应变曲线可 半定量地研究破裂前的永久变形量的大小，帮助确定

34、各种判定裂缝产生的临界值的大 小。 该实验可以做单轴应力状态的，也可以做二轴应力状态的。二轴应力状态下的应 力应变实验更接近十地下的实际情况。 （3）凯塞效应的测定 声发射(ae)是物体或材料内部迅速释放能量而产生瞬态弹性波的一种物理现象。 12 岩石的声发射现象能够记忆岩石所承受的最大应力值，这种现象称为“凯塞效应” 。将 取自地下的岩样进行凯塞效应的测定，可以确定岩样在地下所受的地应力，同时可以 对岩石的受力史和裂缝产生大规模失稳的历史时期进行分析。 （4）裂缝充填物的稳定同位素及包裹体测定 裂缝充填物的稳定同位素及包裹体研究对于确定裂缝形成期及其物化环境十分有 意义。通过这样的工作对裂缝

35、做出成因解释，其可信度大大提高。测量裂缝中充填物 的同位素可以确定充填物的充填时期。充填物中通常存在水质或烃类包裹体。通过这 些包裹体的均一温度测定，可得知充填物形成的古地温，据此可同样了解充填期和帮 助推断裂缝成因。 1.2.2.4 地应力场有限元数值模拟 地应力场是地壳或地球体内应力状态随空间点的变化。从广义上讲，地应力场主 要包含重力控制的上覆岩体重量造成的静地应力(垂向压应力)与受地壳构造运动控制的 构造应力两部分。由于静地应力场是相对恒定的，而构造应力场是变化的，因此地 11 应力场的变化主要是由构造应力场的变化引起的。所以，许多学者就采用狭义的概念， 将静地应力视为地静压力，属地压

36、场的范畴，而将地应力场又称为构造应力场。对于 储集层裂缝而言，构造裂缝是主要的裂缝表现形式，它是在构造应力的作用下地质体 发生形变的结果。因此，对从裂缝形成的构造物理成因角度上去研究裂缝的分布规律 就显得尤为必要，而实现关键则是对储集层地应力场开展系统的研究。随着地应力场 有限兀数值模拟技术的出现，为解决这一难题提供了技术支持。 有限元方法是地应力场有限元数值模拟技术的理论基础，它最早提出于 20 世纪 40 年代，当时主要应用十计算数学、计算力学和计算工程等科学领域。直到 60 年代后期， 这种方法才被引入到地学领域，并成为地应力场分析的一种有效技术方法。有限兀数 值模拟研究地应力场的原理是

37、:通过对地质体有限单兀的位移、应变、应力相互关系的 数值计算，来最终反映出地质体在区域构造背景(外力)作用下内部应力场的分布变化。 前人研究表明:地应力场有限兀数值模拟技术是对储集层构造裂缝定量预测及确定 构造裂缝空间分布的一种有效途径。目前，大多数学者对运用地应力场模拟预测裂 12 缝发育带的方法达成比较统一的认识，即:恢复裂缝主要形成期的地质体的古构造几何 形态;确定地应力场数值模拟的反演标准;模拟地应力场并预测裂缝发育区。但在具体应 用模拟的地应力场去预测裂缝发育带时，采用的方法不尽相同，主要体现在定性与定 量的区别上。所有的预测方法按此基本上可划为两类:第一类，利用地应力的绝对大小 来

38、定性判别裂缝的发育程度，如利用拉张应力和剪切应力高值区是裂缝的有利发育区 .第二类则是结合岩石力学等理论制定构造裂缝发育程度的定量判别标准，并用其圈 13 定裂缝发育区。而比较成熟的判别标准有格里菲斯张破裂准则、库伦纳维叶和莫 尔剪破裂准则;其它的则有应变能、有效张应力，以及由综合两种或两种以 ,1 14 5 16 17 上标准而成的判别方法，如:岩石总破裂率岩石综合破裂能值等。将这些制定的 18 19 13 判定准则与有限兀编程相结合，就可以方便地利用模拟的地应力场预测出储集层构造 裂缝的发育程度，使裂缝预测由定性判别向定量预测前进了一大步。 1.2.2.4 主曲率法 曲率是一个圆半径的倒数

39、，它的大小可以反映一个弧形的弯曲程度，曲率越大越 弯曲。曲面曲率则反映曲面一点邻近区域的具体形态和变形特征。曲率数值模拟主要 是根据层状岩石的弯曲程度(曲率)来预测裂缝的发育程度。构造面曲率值反映了岩层弯 曲程度的大小，它在一定程度上控制了裂缝发育的密度、方向、宽度和深度。这是因 为构造面裂缝主要为一组张裂缝，张裂缝方向趋向十与最大张应力垂直。而在一般情 况下，最大主曲率方向与最大主应力平行。因此发育的张裂缝走向与最大主曲率的方 向垂直。再者，岩层弯曲越大，其破裂程度越高，裂缝越发育。 20 因此，对于层状油气藏，储层较薄或纵向上变化不大，当岩层因弯曲产生裂缝时 可采用薄板模型趋势面法。对古构

40、造图或现今构造图用数字化仪录入计算机，用多项 式趋势面拟和古(现今)构造图，在趋势面上由挠度计算曲率、主曲率，主曲率平均值对 较高的区域裂缝相对较发育。然后再由主曲率计算主应力，在根据岩石破裂准则确定 裂缝发育区及裂缝方位。 应用曲率方法评价储层裂缝的前提条件如下:岩石是脆性的，且主要靠破裂作用 来屈服;应变量随曲率的增大而增加;应变量的增加将导致裂缝密度的增大。因此， 它只能反映岩层弯曲面上由十弯曲派生的拉张应力形成的张裂缝发育情况。这种方法 的优点是不需考虑边界条件和地质体内部因素对裂缝的影响，其人为干扰因素少、训 一算简便。经多个油田的应用，它对计算与简单背斜构造有关的张裂缝分布具一定的

41、 效果。 1.2.2.5 数学方法 （1）概率统计方法 利用数理统计、趋势面分析、聚类分析、判别分析等方法，对裂缝性储层进行分 类识别与评价。 数理统计法:裂缝性储层中，裂缝分布具有随机性和不连续性，所以可以用数理统 计方法研究裂缝发育的概率，进而对储集层、储油物性参数进行分类，以及在井剖面 上判断裂缝层。 趋势面分析:在研究储集层构造、厚度等地质变量或各种测试指标的空间变化等方 面，趋势面分析具有广泛的用途，如利用趋势面分析可以对区域裂缝的总体分布进行 研究。 聚类分析:聚类分析的主题思想是根据一定的相似性指标，按照研究对象的相似程 度合理地进行归并和分类，所以应用聚类分析可以对裂缝性储层进

42、行分类。 判别分析:是一种解决分类问题的多兀统计方法。实施判别分析需要有一批已知分 类归属的样品，通过对这些样品的分析可以研究总体的性质和特征。十是，根据多种 14 裂缝观测的变量，依据一定的判别准则建立储集层裂缝的判别函数，用其对裂缝未知 的区域进行判别归类。 灰色综合评判法:利用已知的裂缝子系统建立一个或几个已知模式，通过未知系统 与已知模式的系统关联，求得它们之间的综合关联度，用以评价未知裂缝子系统的特 征。 （2）地质统计学方法 地质统计学创建于 20 世纪 60 年代初期，70 年代末，出现了随机建模的基本思想， 80 年代得到迅速发展。如今，地质统计学方法受到了人们的广泛重视，尤其

43、随机建模 正在储层建模、储层预测中发挥越来越重要的作用。 随机建模是利用一个地质体某一属性已知的结构统计特征，通过一些随机算法来 模拟未知区这一属性的分布，使其与已知的统计特征相同，从而达到模拟储层非均质 性、预测井间参数分布的目的。 在地震记录中，小的断层和裂缝是无法观察到的。由于它们的外观方向和大小依 赖于由它们所构成的主断带，所以可通过随机建模和随机模拟对断层及裂缝进行识别。 首先根据构造地质方面的指示建立随机模型，再利用随机模拟方法进行模拟。这不仅 会产生和断裂类型有关的各种实现，而且还可以用断层中心线，垂直落差和水平范围 等所有观察得到的信息对实现进行条件控制。 目前较好的用十裂缝识

44、别的随机模拟方法有:布尔模拟:适用十具有背景相的目标 (物体或相)模拟;指示模拟:可用十模拟复杂的各向异性的地质现象;二点和多点直方 图法:适用于呈镶嵌状分布的沉积相(或岩性)。 （3）分行理论 分形是法国数学家 mandelbort 创造的一个名词，用以描述不规则物体形态的几何 特征。他于 1973 年提出了分形几何学的思想。其中一个最基本的概念是自相似性，即 局部是整体成比例缩小的性质。自然界中许多物体都具有自相似的层次结构。在理想 的情况下，甚至是无穷多层次，适当的放大和缩小几何尺寸，整个结构并不改变。具 有自相似性的几何对象叫分形。描述分形维数的量称为分维或分数维。 分形几何学理伦的出

45、现，为描述自然界用欧氏几何难以描述的形态提供了一种强 有力的工具。这样就可以通过岩心微观裂缝的研究来计算断块的宏观裂缝的展布方向 和裂缝的储集性能，同样在一个地区断层研究的基础上也能够计算断块中裂缝的分布 状况。 （4）人工智能识别技术 以遗传算法、神经网络等为代表的人工智能技术，它们凭借把数据转化成信息和 信息转化成数据的能力，正口益成为储层预测领域的一个强有力的工具。这些方法利 用了现场的测量数据来约束参数可取值的范围。所用到的测量值范围宽大，包括地震 数据、地质类似数据、岩心和测井数据、试井数据和生产数据。它们处理问题的结果 15 是一组流动模拟模型，使在油气储层中获取的测量值一致起来。

46、这一特点引起了地质 界的广泛关注，国内外都已有学者对此做了细致研究，并应用十裂缝的研究中。 遗传算法:由十现有的储集层裂缝评价技术中，除了少数能直接地对裂缝进行探 测外，大多是间接地反映裂缝的发育状况，人们往往是通过常规地质资料建立起评价 裂缝参数(孔隙度、渗透率等)的公式，然后进一步来研究储集层裂缝。这些模型优劣的 程度一般取决十个别参数取值的高低。于是可以构建包含这些参数的优化数学模型， 通过应用遗传算法的全局寻优特性，来在范围区间内寻求最佳的参数，然后使用这些 优化值去直接(或间接)地评价裂缝。如 john kemeny 等（2002）运用建立在费希一 21 尔分布函数基础上的遗传模型来

47、估算二维露头裂缝的方向。黎洪等（2002）利用双 22 孔隙物理模型，建立了裂缝性油藏干扰试井的数学模型，然后根据遗传算法自适应全 局优化概率搜索的特点，利用自动拟合技术识别出裂缝性油藏的主渗透率及主裂缝方 向。 人工神经网络:由于储集层裂缝的分布及影响因素复杂多样，导致裂缝发育状况 与裂缝的响应数据之间往往呈非线性相关。一般的方法在运用常规地质资料和地球物 理资料进行裂缝识别时，存在着一种弊端，即识别的方法是基于定量的连续映射函数， 构造的数学模型是线性的，或为简单非线性的，并附有严格的应用限制条件，难以准 确刻画实际裂缝的复杂性和高度非线性性。用人工神经网络识别裂缝便克服了这一弱 点:首先

48、需要构建有关裂缝的神经网络模型，利用先验数据训练网络，以形成裂缝识别 预测的模型，再使用已通过误差检验的模型去判别未知区裂缝发育状况。目前，已有 许多人尝试采用不同类型的数据资料，应用 bp 神经网络识别储集层裂缝，取得了很好 的效果。 ,2 23 4 5.1 人工裂缝预测的理论基础 5.1.1 人工压裂对地应力场的影响 水力压裂给储集层带来人工裂缝的同时，必然会对井眼周围的地应力场产生重要 的影响。因此，在分析现今地应力场与人工裂缝发育程度之间的关系之前，有必要首 先研究水力压裂对地应力场的影响范围。 米卡尔 j.埃克诺米德斯口等认为水力压裂对地应力场会产生两种影响:其一是由 37 于孔隙弹

49、性的作用使最小应力增加，在压裂过程中，压裂液滤失到地层，造成裂缝附 近孔隙的压力升高引起地层容胀，从而导致最小应力的增加;其二是由于裂缝张开引起 的地应力增加，如果裂缝由十支撑剂作用而保持张开，则这种影响将始终存在。 16 图 5-1 井筒对地应力的影响 为了能够定量计算井筒对地应力场的影响作用，本文做了如下的假设(如图 5-1 所 示): 表示油井半径(单位:m):r 表示地层中任意一点的径向距离(单位:m) 表示径向与 w r 最大水平主应力方向的夹角(单位: )，表地层中任意一点的周向应力(单位:mp)表示 地层的最大水平主应力(单位:mpa ) 表示地层的最小水平主应力(单位:mpa)

50、。根 h 据弹性力学理论，便可获得有井筒的地层中任一点的周向应力的计算公式. 38 （5- 24 hh 24 3 11cos2 22 hwhw rr rr 1） 由公式 5-1 可以明显的看出:随着径向距离:的增加，周向应力成指数级的速度迅速 降低，一般在大于几个圆孔直径之外，周向应力便降为原地应力值。这表明:在水力压 裂的过程中，由于井筒内被注入高压的流体，使井筒内压力增长很快，以致在井壁最 小周应力的垂直方向上产生破裂;在井筒压力的升高的同时，井筒周向地应力也得到了 相应的提高，但提高的幅度会随离井眼距离的增大而迅速减弱，直到地应力不再受井 筒压力的任何影响。同样，对于人工裂缝的发育也有类

51、似的规律。在井眼附近区域， 由于地应力受到水力压裂作用的强烈扰动，原地应力对人工裂缝展布的影响作用受到 了极大程度地削弱，而在大于几个井径以外的区域，原地应力随着压裂扰动作用的迅 速降低而又变成控制人工裂缝展布的重要因素。因此，运用现今地应力场的分布去研 究人工裂缝的发育规律就存在了理论上的可行性。 5.1.2 人工裂缝类型与现今地应力场的关系 地层深部的地应力场是由一个垂向应力和两个水平主应力和组成。在进行 z x y 17 水力压裂时，在油层中形成何种类型的人工裂缝，主要取决于这二个主应力的相对大 小。 31,39 a b c 图 5-2 现今地应力场于人工裂缝的类型的关系 假设现今地应力

52、场二个主应力的方向分别平行于大地坐标系二个坐标轴，即、 x 、;分别代表了地层现今地应力场的二个主应力，则人工压裂时，所产生人工裂缝 y z 的类型会有如下的规律:当时，水力压裂会形成垂直裂缝，水力压裂所 z x y 产生的裂缝面垂直于而平行于的方向(如图 5-2 a);当时，水力压裂 y x z y x 会形成垂直裂缝，水力压裂所产生的裂缝面垂直于而平行于的方向（如图 5-2 x y b）当时，水力压裂将使油层内部产生水平裂缝，水力压裂所产生的裂 x y z 缝面垂直于而平行于，的方向（如图 5-2 c） 。 z y 5.1.3 人工裂缝方位与现今地应力场的关系 从水力压裂形成人工裂缝的过程

53、来看，裂缝起裂往往是从点源开始，然后通过逐 步连接最终形成线源缝。一般来说，在井筒周围的裂缝起裂时可能是多条缝，但在延 伸过程中这些裂缝逐步汇合直至形成一条主缝。因此，人工裂缝的最后方位主要取决 于人工裂缝在延伸过程所产生的一系列变化。 18 图 5-3 井筒附近复杂的人工裂缝几何形状 前人研究结果表明:在均质储集层中，现今地应力场最大水平主应力的方向是控制 人工裂缝延伸方向的主导因素。但在井筒附近区域，由于受水力压裂作用的强烈 40 42 扰动，原地应力场对人工裂缝方位的控制作用遭到极大程度地削弱，而在套管中的射 孔方位又并非总是沿着最大水平主应力的方向，所以导致了人工裂缝在井筒周围的展 布

54、会产生扭曲，这种情形在水平井和斜井的压裂中将更明显。人工裂缝在沿井筒轴向 起裂，延伸出几个井筒的距离后，人工裂缝逐渐扭曲到与最小主应力垂直的方向上， 即沿现今地应力场最大水平主应力的方向继续延伸。图 5-3 展示了井筒附近人工裂缝 的几何形状（、分别为地层中最大水平主应力和最小水平主应力)。 h h 5.1.4 人工裂缝发育程度与现今地应力场的关系 从人工裂缝的产生机理来看，地层岩石要产生破裂形成裂缝，首先要克服的是地 应力及岩石自身的抗张强度。因此，人工裂缝的发育程度与现今地应力场和岩石的力 学性质是密切相关的。在当储集层岩石破裂形成人工裂缝后，由十缝内液体压力的作 用，人工裂缝在侧向(长度

55、)和垂向(高度)上将会继续延伸，在这一过程中只需要克服裂 缝延伸压力的影响。于是，裂缝延伸压力的大小也就成为衡量人工裂缝发育程度的一 个重要标志。 岩石力学和断裂力学都表明，储集层岩石在地应力场的作用下，已经具备了一定 的破裂特征，只有在当这种破裂特征达到或突破岩石自身所能承受的极限条件时，才 可能导致岩石产生破裂形成裂缝。根据表现形式的不同，可将破裂分为张破裂和剪破 裂两种。于是，岩石所具有的破裂特征又细分为:张破裂发育强度和剪破裂发育强度， 每种破裂发育强度所对应的极限条件为:岩石的抗张强度和抗剪强度。对于岩性相差不 大的地层而言，破裂发育强度的大小则代表了岩石在地应力场作用下产生破裂的难

56、易 程度。 由于水力压裂形成的人工裂缝是张破裂缝，所以人工裂缝的发育程度应主要取决 于岩石的张破裂发育强度。在张破裂发育强度高值区的岩石，由于在现今地应力场作 19 用下本身就比较容易产生张破裂，所以当受到同等缝内液体的压力时，人工裂缝在此 延伸所需要克服的延展压力就降低了许多，即人工裂缝得以延伸的机会就大大增加了， 同样，支缝产生的概率、裂缝扩张的程度也得到相应程度地得到提高。也就是说，储 集层在现今地应力场作用下，如果要实施水力压裂，则张破裂发育强度的高值区一般 对应着人工裂缝的发育区，而张破裂发育强度的低值区则对应十人工裂缝的不发育区。 至于储集层岩石张破裂发育强度的计算，格里菲斯破裂准

57、则给予了很好的理论支 持。格里菲斯（griffith, 1920）把材料内部固有的缺陷或微裂纹抽象为格里菲斯裂隙， 他认为格里菲斯裂隙本身在横断面上呈椭圆形，随机取向。当岩体受力时，一系列的 格里菲斯裂隙由此也受到应力的作用，而且在裂隙的末端(曲率最大处)附近会形成局部 的应力集中。当裂隙端部的拉应力达到的岩石本身的抗拉强度时，格里菲斯微裂隙开 始发生扩展、联结，最后导致岩体的破坏。所以，格里菲斯理论非常适合十脆性材料 的张破裂计算。 根据格里菲斯强度理论，岩石在平面应力状态(即只有和，其中，为最大 1 2 1 主应力)下的破裂条件为: 当时（压应力为正值，张应力为负值） ， 12 3 （5-

58、 1 2 l1212 8 2） （5- 1 1212 cos22 3） 当时， 1 2 3 ， （5-4） l2 sin20 式中： 为岩石的拉张应力，为椭圆裂缝长轴于主压应力轴之间的夹角（如图 l 5-4） 。 20 图 5-4 椭圆裂隙端部开始破裂扩展方向 若发生新的破裂，新生裂隙方向应指向椭圆裂痕边界的法线方向。用表示新裂 隙与原裂隙长轴之间的夹角(如图 5-4)，则根据上述破裂准则可分别得到下面两式: （5-5）2 （5-6）0 根据公式 5-9，新生裂隙与原椭圆裂隙长轴之间夹角为，新裂隙方向在自主压2 应力轴顺时针转角的方向上。公式 5-10 说明新裂隙沿原椭圆裂缝延伸(耶格等，19

59、81;华 东水利学院等，1984)。 但格里菲斯准则忽略了中间主应力的影响。murrell 把格里菲斯破裂准则从二维逻 辑推广到二维（二个主应力从大到小依次为: 、） ，即说明中间主应力有重 1 2 3 要影响，其表达式如下: 当时， 13 3 （5- 1 222 1122331123 24 7） （5- 1 1313 cos22 21 8） 当时， 1 3 3 （5- 1 2 13113 8 9） 根据格里菲斯理论，判断岩体内部会发生张破裂的标志为（代表岩石 11 1 自身的抗张强度)。 这样，如果储集层岩体张破裂强度、二维地应力场或二维地应力场已经确定，就 可以通过以上计算来判断岩体是否发

60、生张性破坏。但若地层内岩石局部的张破裂强度 和 i 地应力场均未知，就不能直接应用上述公式去预测张破裂，但依旧可以将岩石的 局部抗拉强度，表示为储集层岩体地应力场的函数:假设岩石破裂时的 1 123 ， 局部拉张强度为 6r，则通过公式计算的岩层内任意点处的，值与对比，当 1 ， 1 1 ， 大于 0 时，表示该点处岩石趋十破裂或已经破裂，并目差值越大表明破裂 11 0 ， 程度愈强，张裂缝愈发育。于是，值就具有双重的含义:一是代表了岩石的张应力状 1 态;二是反映了岩石产生张破裂的可能性。值越大，表示岩体产生张性破坏的可能性 1 越大，特别是当地层的岩性比较均匀时，由十岩石抗张强度相差无几，