页岩裂缝系统特点分析

页岩储层基质孔隙度和渗透率远远小于常规储层基质孔隙度和渗透率,对页岩气而言,页岩裂缝是页岩气重要的储集空间和主要的渗流通道,对页岩气的勘探开发具有十分重要的作用。

表征岩心上和单井裂缝发育情况的参数主要有裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度和裂缝渗透率,裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度和裂缝渗透率可通过岩心统计或测井的方法得到,裂缝对页岩气储集及渗流的贡献可根据裂缝的孔隙度和渗透率两个参数综合确定。 此外,页岩裂缝的有效性直接影响裂缝所起到的储渗作用,因此,需要具体统计岩心上裂缝的充填性及充填程度,或通过测井手段对裂缝的充填性及充填程度进行统计表征。

通常而言,裂缝充填程度越低,裂缝密度、裂缝开度、裂缝孔隙度及裂缝渗透率越大,裂缝对页岩气的储集作用和渗流作用贡献越大,越有利于页岩气的富集及开发。 但是,如果裂缝密度过大,有可能导致页岩气的散失,对页岩气的富集形成不利影响。

1)裂缝预测国内外研究现状

国内外针对裂缝的研究已有百余年的历史,最初的研究绝大多数是针对碳酸盐岩、泥岩及硅质岩地层,近年来对砂岩地层中的裂缝也有较多研究。

裂缝不仅是流体的储集空间,还是低渗透储层流体流动的主要通道,控制了低渗透油气藏的渗流系统(Van Golf and Racht,1982;Nelson,1988;王允诚,1992;寿建峰等,2005;宋永东和戴俊生,2007;张鼐等,2008;孟万斌等,2011)。 在致密的砂岩油气藏中,裂缝主要作为渗流通道存在,大大改善了低孔低渗透储层的生产能力,其存在决定致密油气藏是否具有经济开采价值的关键因素,不存在裂缝系统的致密油气藏一般很难被经济有效地开发(刘喜杰等,2005;周贤斌等,2005;门孟东等,2005;温庆志等,2006)。 随着石油工业的飞速发展和对能源的巨大需求,裂缝型储层在油气勘探和开发中已不断显示出其重要性。 因此,识别和探测裂缝,研究裂缝的分布规律、发育程度,对油气储层评价、油气运移、产能规划及对其有针对性的高效开发,有着极其重要的意义(王允诚,1992;宋惠珍等,2001;袁士义等,2004;刘莉萍等,2004;苏培东等,2005;颜丹平等,2005;童亨茂等,2006;邓攀等,2006;Laurent et al.,2006;宋永东等,2007;曾联波等,2007)。

2)裂缝识别技术

裂缝预测的方法主要包括地质方法、实验方法、数值模拟方法、测井方法、地震方法和动态方法(表3.2)。

表3.2　裂缝预测方法统计表

(1)地质方法

地质方法,如露头区调查、岩心描述、薄片观察、地质统计等。

裂缝的相似野外研究方法:裂缝参数的观察与统计(裂缝组系、力学性质、走向、倾向、倾角、形态、延伸长度、间距或密度、高度、充填性);裂缝发育的控制因素(裂缝与岩性、层厚、构造部位的关系);分析裂缝形成时期的构造主应力方位和裂缝的形成机制;类比性分析。

岩心裂缝的研究方法:裂缝的组系与方位;裂缝的倾角(与岩心轴夹角);裂缝的垂向延伸高度或范围;裂缝分布与岩性和深度的关系;裂缝的宽度及变化规律;裂缝的充填性与含油性;裂缝的成因分析;裂缝的孔渗性(确定裂缝性储层类型);样品的测试分析(如岩石力学性质、地应力、实验室分析样品)。

(2)实验方法

实验方法,如古地磁、图像扫描、核磁共振分析、岩石物理模拟、胶结物分析等。

(3)数值模拟方法

数值模拟方法,如构造主曲率法、有限元法、加载模拟与随机模拟等。

①构造曲率预测方法。

②有限元预测方法。

有限元的基本思路:将一个连续的地质体剖分成有限个单元,单元之间以节点相连,通过构造插值函数,利用节点的平衡条件求出节点位移的近似值,再求出单元的应变和应力近似值。 假设每个单元是均质的,由于单元划分得足够多、足够小,因而全部单元的组合,可以模拟形状、载荷和边界条件都很复杂的实际地质体。 实际上它是一种结构离散化的数值近似解法,随着单元数量的增多和更微小,它能逐步逼近于真实解。

二维有限元方法:假设其垂向应力、应变为零。

三维有限元方法:无任何假设条件,适应于各类油藏。 优点是考虑了影响裂缝形成的内因(岩性、岩相)和外因(构造应力)。

③其他预测方法。

a.构造有限变形转动场方法。

储层构造裂缝是在地质历史时期中构造运动作用的结果。 在构造变形过程中,应变和转动是同时存在的,甚至转动效应相当明显。 因此,根据构造变形转动场的分析,可以评价构造变形程度以及由此形成的构造裂缝。

通常可以采用极分解法以及和分解法可以有效地把转动和应变分离出来。

和分解法:将一个物理上可能的变换函数分解为一个对称子变换和一个正交子变换的和,以实时位形为基准,采用拖带坐标描述方法来实现。

b.构造滤波分析。

构造滤波分析,是一种将不同构造期次或者同一构造期次不同方向的构造形变从目前的叠加特征中分离出来的统计数学方法,它可以用于评价储层构造裂缝的相对发育情况。

构造变形形成的构造裂缝可能是多期或多组系的,在多期或多组系的构造裂缝叠加的地带,构造裂缝可以相互沟通形成裂缝网络系统,表现为裂缝发育的高渗透带。

构造滤波分析在现有构造数据的基础上,利用傅里叶变换技术,将不同期次、不同方向上的构造形变分离出来,并将它们的正向构造区进行叠加,认为多期次或不同方向构造变形的叠加区域为裂缝相对发育区域,从而对构造裂缝的发育程度进行定性评价。 将正向构造叠加区评价为裂缝发育区,变形方向叠加得越多,裂缝相对越发育。

(4)测井方法

测井方法,如FMS、FMI、井下声波电视、地层倾角测井、常规测井等。

①常规测井系列。

a.双侧向—微球形聚焦测井系列:

对高角度裂缝,深、浅侧向曲线平缓,深侧向电阻率＞浅侧向电阻率,呈“正差异”。

在水平裂缝发育段,深、浅侧向曲线尖锐,深侧向电阻率＜浅侧向电阻率,呈较小的“负差异”。

对于倾斜缝或网状裂缝,深、浅侧向曲线起伏较大,为中等值,深、浅电阻率几乎“无差异”。

b.声波测井识别裂缝:

一般认为声波测井计算的孔隙度为岩石基质孔隙度,其理由是声波测井的首波沿着基质部分传播并绕过那些不均匀分布的孔洞、孔隙。 但当地层中存在低角度裂缝(如水平裂缝)、网状裂缝时,声波的首波必须通过裂缝来传播。 裂缝较发育时,声波穿过裂缝使其幅度受到很大的衰减,造成首波不被记录,而其后到达的波反而被记录下来,表现为声波时差增大,即周波跳跃。 因此,可利用声波时差的增大来定性识别低角度缝或网状缝发育井段。

c.利用感应差别识别裂缝:钻井液侵入裂缝,使感应测井曲线有明显的降低。

d.密度测井识别裂缝:

密度测井测量的是岩石的体积密度,主要反映地层的总孔隙度。 由于密度测井为极板推靠式仪器,当极板接触到天然裂缝时,由于泥浆的侵入会对密度测井产生一定的影响,引起密度测井值减小。(www.xing528.com)

e.井径测井的裂缝识别:

对于基质孔隙较小的致密砂岩,钻井使得裂缝带容易破碎,裂缝相交处的岩块塌落,可造成钻井井眼的不规则及井径的增大。 另外,由于裂缝具有渗透性,如果井眼规则,泥浆的侵入可在井壁形成泥饼,井径缩小。 因此,可以根据井眼的突然变化来预测裂缝的存在。

井径测井对于低角度缝与泥质条带以及薄层的响应很难区分;另外,其他原因(如岩石破碎、井壁垮塌)造成的井眼不规则,会影响到该方法识别裂缝的准确性。

f.自然伽玛能谱测井识别裂缝:

测量地层中天然放射性铀(U238)、钍(Th282)、钾(K40)含量。

原理:正常沉积环境铀元素含量低于或接近泥质体(钍+钾)的值,当有裂缝存在时,铀含量比泥质体大。

应用能谱的高铀值识别裂缝和地下流体的运移及活跃程度有关。 当裂缝(孔洞)发育段的地下水活跃时,地下水中溶解的铀元素才能被吸附及沉淀在裂缝(或孔洞)周围,造成铀元素富集,使得自然伽玛能谱测井在裂缝带处显示出铀含量增加,在地下水不活动地区,裂缝性储层的自然伽玛显示为低值。

②特殊裂缝测井技术系列。

a.地层倾角测井,主要有裂缝识别测井(FIL)和异常电导率(DCA)检测。

原理:利用4 条微电导率曲线的相关性进行对比分析。 对于水平裂缝,需要与岩性测井资料相结合来分析。 对高角度裂缝,4 条微电导率曲线呈不相关或两两相关。

b.地层微电阻率扫描成像测井(FMS、FMI 和EMI)。

井壁成像方法,可显示井壁二维图像或井眼周围某一探测深度的三维图像。 井壁覆盖率达80%,纵向分辨率为0.2 in(5 mm)。 识别裂缝成因(天然裂缝和诱导裂缝)。 诱导缝有3 种:钻具振动产生的裂缝、重泥浆压裂缝、应力释放裂缝。 解释裂缝参数:裂缝长度、密度、开度和面积孔隙度。 裂缝密度为每米井段裂缝总长度(条/m);裂缝长度为每平方米井壁的裂缝长度之和(m/m2);裂缝宽度指单位井段裂缝轨迹宽度的立方和开立方(μm);裂缝视孔隙度指裂缝在1 m 井壁上的视开口面积与图像覆盖面积的比值。

c.方位电阻率成像测井(ARI)。

方位电阻率成像测井仪ARI 提供了井周围12 个方位的地层深部电阻率,同时保留了深浅侧向的测量。 其径向探测深度接近深侧向约2 m 的范围,纵向分辨率与微球聚焦电阻率MSFL 相当(为20 cm)。 ARI 能清楚识别开启缝,特别是径向延伸2 m 以上的裂缝,而FMI 可识别井壁上全部裂缝,两者结合可以判断有效裂缝的分布。

d.声波测井新技术——超声波电视成像测井。

超声波电视成像测井记录声波反射波幅和传播时间,在井眼360°方位内进行高分辨率成像显示。 其中的超声成像仪UBI 和井周声波成像测井仪CAST 可以在油基泥浆井眼中代替电阻率成像测井评价裂缝和储层。 利用UBI 井眼半径成像的测量结果和井眼横截面图可以探测出沿裂缝面的剪切滑动现象,而剪切滑动现象的存在可证明地层的非平衡构造应力和裂缝存在。

e.声波测井新技术——多极子声波测井。

多极子(主要是偶极)声波测井可提供高质量的纵波、横波和斯通利波。 斯通利波的波形、能量和反射系数反映了有一定径向延伸长度或连通较好的有效裂缝,计算反射系数确定的裂缝张开度可用于定量评价裂缝的渗透性。 偶极横波波形变密度显示VDL 可识别裂缝发育段。 波形的显示特征受裂缝倾角影响。 低角度和网状裂缝VDL 显示基本与层面相似,并且纵横波和斯通利波能量衰减较大,斯通利波出现“人”字形,“人”字形中交叉的位置即为裂缝发育的位置。

f.声波测井新技术——井旁声波反射成像测井。

井旁声波反射成像仪BARS 是一种超长源距声波测井仪,可以对井眼以外的井旁3 ~10 m 的声波不连续界面进行精细成像,其分辨率比地面地震和垂直地震剖面VSP 高两个数量级。 BARS 可以识别砂岩和泥岩顶底界面以及过井断层和裂缝,弥补了其他测井资料横向识别裂缝的不足。

g.电磁波传播测井(EPT)识别裂缝。

电磁波在不同的界面上产生反射和折射。 当入射角等于临界角时,产生在井壁地层内滑行的电磁波。 由于仪器采用双发双收原理,主要接收滑行波的信号,因此电磁波测井主要是探测冲洗带地层特征,其探测深度仅20 mm 左右。 电磁波测井的应用条件是高孔、均质地层,泥浆介电常数与电导率大于地层介电常数及其电导率。 否则,岩石的相位差大于360°,TPL 只反映超出360°部分,曲线出现跳动,类似声波曲线的周波跳跃。

碳酸盐岩储层为非均质、低孔的储集类型,特别是无法形成利于电磁波滑行波传播的泥饼。 因此,在储层裂缝发育段TPL 曲线出现严重的跳跃。 电磁波曲线的变化与裂缝的发育程度紧密相关。 因此,电磁波测井适用于碳酸盐岩油藏裂缝段识别与的划分。

(5)地震方法

地震方法,如VSP、相干体分析等。

①相干体分析是通过计算地震数据体中相邻道与道之间的非相似性,形成只反映地震道相干与否的新数据体,描述地层和岩性的横向非均质性。 具有相同反射特征的区域表现为高相关性,计算出的值为0;岩性变化的突变点则表现为低相关性,计算出的值为1。 运用相干数据体高低相干性能快速、准确地识别断层、岩性等异常地质现象,还能解释在常规解释中难以确认的小断层、裂缝、扰曲等地质现象。

②叠后资料检测裂缝——边缘检测。

边缘检测是运用振幅比例来加强数据的非相似性,此方法提供了排除倾角影响的9 道的导数,并指定它为中心样点的值,这个数值加强了中心样点,突出了与相邻道的相似性和非相似性。 如果相邻道是相似的,中心样点提供近似0 的值,如果相邻道是变化的,则提供非0 值。 边缘检测提供了一个横向上表示非相似性的清晰图像,可清晰地分辨断层和岩性变化。

③叠后资料检测裂缝——Detect 切片。

Detect 以属性处理和神经网络技术为主线,以倾角调向技术为核心,即Dip steering(倾角调向)和Directivity。 它只对三维资料进行处理,在相干处理之前,须将地震数据进行倾角调向处理,压制干扰,然后进行相干处理变化。 Detect 裂缝处理比其他叠后处理软件的优越性在于:该方法考虑了实际地层倾角,因而可以强化细微的地震特征,充分揭示断裂空间展布。

④三维P 波检测裂缝。

裂缝的存在导致速度随方位变化,从而导致振幅随方位变化,即不同方位的振幅差便可反映各向异性(裂缝)的存在,振幅差的比率反映了裂缝密度的大小,振幅差比率越大,裂缝密度越大。

⑤叠前资料检测裂缝——FRSTM Fracture 裂缝检测。

FRSTM Fracture 软件是美国EPT 公司的裂缝软件系统,其原理是用三维P 波叠前地震资料,利用P 波地震属性随不同方位的变化特征,检测地层的各向异性特征,从而达到检测裂缝的目的。 具体是采用全三维波动方程,利用测井资料,计算地震波在各方位角和偏移距上的反射振幅,模拟地下裂缝的响应特征。

(6)动态方法

①示踪剂分析。

②注水动态分析。

③压力的变化规律。 油井压力升高,或油水井压力相当,反映了裂缝可能沟通油水井的程度。

④微地震监测。

⑤试井分析。

开井初:裂缝系统油流向井筒,基质岩块压力Pm 不变,井底压力反映的是裂缝系统的特性;之后,基质岩块的油开始流入裂缝,压力Pm 逐渐降低,压力变化呈非均质特性;两个系统压力达到平衡以后,既有油从基质岩块流入裂缝,也有油从裂缝系统流向井筒,压力Pm和Pf 同时下降,井底压力反映两个系统的特性;井筒储存系数C 比均质油藏大得多。

目前国内外裂缝发育的基本研究方法类似,主要差异体现在一些关键技术在细节上的改进,见表3.3。

表3.3　国内外同类技术对比表