儲(chǔ)層裂縫識別方法研究綜述

南 煜，張金功，王 曄，李 超，2

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069;2.陜西延長石油國際勘探開發(fā)工程有限公司，陜西西安710075)

裂縫作為一種巖石間喪失結(jié)合力的空間面，既是一種重要的油氣儲(chǔ)集空間類型，又是地下流體滲流的良好通道。在低滲透油藏中，裂縫是控制油氣富集和產(chǎn)能的主要因素。目前，國內(nèi)外研究儲(chǔ)層裂縫主要是通過鉆井取心對裂縫進(jìn)行觀察、測量、描述、統(tǒng)計(jì)分析，開發(fā)動(dòng)態(tài)分析，測井解釋，野外地質(zhì)調(diào)查、數(shù)值模擬、井間地球物理探測等結(jié)合先進(jìn)的分析化驗(yàn)手段及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，對裂縫發(fā)育特征和分布規(guī)律進(jìn)行研究和預(yù)測，主要綜合運(yùn)用地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、數(shù)學(xué)等方法。通過對儲(chǔ)層裂縫識別研究的地質(zhì)方法、地球物理方法及其他相關(guān)方法進(jìn)行概括小結(jié)，分析了各種研究方法的原理及其局限性。

1 儲(chǔ)層裂縫的地質(zhì)識別

1.1 巖心觀察法

巖心是研究單井儲(chǔ)層裂縫最直接的手段，在進(jìn)行巖心裂縫研究時(shí)，首先應(yīng)區(qū)分是天然裂縫還是人工裂縫。天然裂縫是指由于構(gòu)造作用或物理成巖作用形成的破裂面，人工裂縫是指由于鉆井等人為因素而形成的破裂面。按地質(zhì)成因，天然裂縫可分為構(gòu)造裂縫、成巖裂縫、收縮裂縫、溶蝕裂縫、風(fēng)化裂縫等類型。

天然裂縫常具有以下分布特征:(1)裂縫分布比較規(guī)則，常成組出現(xiàn)，方向性明顯，在大面積范圍內(nèi)，同一構(gòu)造層的裂縫組系不變，而不同組系裂縫的走向可以隨構(gòu)造線的變化而改變;(2)裂縫的延伸長，切穿深度較大，有的可穿數(shù)層;(3)裂縫中經(jīng)常可以見到方解石、石英、白云石、瀝青、泥質(zhì)等充填現(xiàn)象;(4)裂縫面上具擦痕、階步、羽飾等現(xiàn)象。人工裂縫往往具有以下特征:(1)裂縫的分布不規(guī)則，方向性差;(2)裂縫延伸短，往往分布在巖心的邊緣或巖心頭;(3)裂縫面新鮮;④裂縫面呈殼狀、量杯狀、螺旋狀等不規(guī)則形態(tài)，或與層面一致。

巖心觀察法主要用于認(rèn)識和描述宏觀裂縫，能夠觀察到裂縫的力學(xué)性質(zhì)、組系關(guān)系、充填、含油氣性等，還可以測量裂縫的產(chǎn)狀、開度、密度、深度、層位、孔隙度等［1］。但仍然存在一定的局限性:(1)鉆井巖心的有限性使其對廣大地層的代表性不足;(2)裂縫在地層中空間分布的嚴(yán)重非均質(zhì)性，給鉆井取心帶來極大的偶然性;(3)張開的裂縫在鉆井取心的過程中常常易碎，給地面取樣和研究分析帶來一定的困難;(4)裂縫取出地面后可能發(fā)生變化不能如實(shí)的反應(yīng)地下狀況;(5)存在著巖心定向問題。

1.2 野外露頭觀察法

野外露頭觀察裂縫，應(yīng)選擇與研究區(qū)地質(zhì)特征相似的野外露頭區(qū)，開展細(xì)致的裂縫測量工作，總結(jié)裂縫發(fā)育規(guī)律，將露頭區(qū)裂縫研究成果應(yīng)用于覆蓋區(qū)裂縫的預(yù)測。對于多組系裂縫，應(yīng)該按照不同組系的裂縫進(jìn)行觀察、測量和統(tǒng)計(jì)分析。該方法應(yīng)盡量選擇相同構(gòu)造單元內(nèi)的地區(qū)，其研究結(jié)果通常以定性為主，不能定量的說清楚裂縫的分布發(fā)育情況。巖心與露頭觀察法是識別裂縫比較直觀和真實(shí)，它是裂縫測井和地震研究的基礎(chǔ)，并可以對測井和地震的裂縫解釋結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3 鏡下觀察法

利用顯微鏡對裂縫進(jìn)行觀察也是直接研究裂縫的方法之一。主要有普通的薄片觀察和電鏡掃描觀察等，其主要特點(diǎn)是對巖石中存在的微裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和描述，但這樣的觀察隨機(jī)性大，局限于裂縫的微觀情況。鏡下觀察以下內(nèi)容:裂縫的形態(tài)、寬度、長度;縫面情況，溶蝕及充填情況(包括充填物成分、晶形、充填程度、分期性和分布;裂縫系數(shù)、成因類型以及分期配套關(guān)系與裂縫和巖石顆粒及孔隙的關(guān)系)。對于定向薄片還可以估計(jì)裂縫的產(chǎn)狀。

1.4 開發(fā)數(shù)據(jù)分析法

裂縫性油藏具有初期產(chǎn)量高、產(chǎn)能遞減快、含水上升快、注采連通好、井間差異大等特點(diǎn)。依據(jù)油田開發(fā)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能夠獲取地下油層裂縫發(fā)育分布情況、裂縫發(fā)育強(qiáng)弱、裂縫帶延伸長短和裂縫分布的方向等信息。

由于動(dòng)態(tài)分析有大量的(全部油水井、觀察井)、連續(xù)的(從投產(chǎn)到目前的全部生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料)、平面和剖面都有相當(dāng)聯(lián)系的(各種動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料)油田開發(fā)生產(chǎn)資料做基礎(chǔ)，這就保證了研究結(jié)果的高度可靠性和結(jié)論、認(rèn)識、措施的可操作、可實(shí)施性。這是動(dòng)態(tài)分析法用于裂縫研究的基本長處與優(yōu)點(diǎn)。尤其對于變質(zhì)巖、火山巖類特殊儲(chǔ)層巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)滲性質(zhì)具有嚴(yán)重的非均質(zhì)性，傳統(tǒng)的地質(zhì)與地球物理認(rèn)識方法(巖心、測井、地震)對此已十分局限［2］。

油藏投入開發(fā)以后，每班每日每月每年均規(guī)范錄取了大量產(chǎn)量、壓力、含水等油井生產(chǎn)資料，以及大量井下作業(yè)等資料，這些資料載負(fù)著大量的油藏地質(zhì)信息。與巖心資料和測井曲線相比，油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)視野開闊:前者是典型的一孔之見，而后者卻是井控范圍內(nèi)油層及其流體流動(dòng)的綜合反映，對于強(qiáng)烈非均質(zhì)的裂縫性變質(zhì)巖火山巖油藏，后者的“洞察力”已非前者可比。以動(dòng)態(tài)為主結(jié)合靜態(tài)的研究方法，應(yīng)是特殊儲(chǔ)層認(rèn)識研究的主要方法。(2)鑒往知來:動(dòng)態(tài)資料大量而又連續(xù)，它載負(fù)著油藏開發(fā)過程的各個(gè)階段的油藏信息，分析解譯這些信息，可以恢復(fù)其過去、明了其現(xiàn)在，還可以推測其未來。而這是其它資料所難以企及的。裂縫性油藏在開發(fā)生產(chǎn)過程中地質(zhì)變化很大(滲透率、孔隙結(jié)構(gòu)、潤濕性等)，根據(jù)油藏各時(shí)期的動(dòng)態(tài)資料鑒往知來，應(yīng)是一項(xiàng)重要的油藏研究工作。油田開發(fā)的動(dòng)態(tài)資料反映了有效裂縫的宏觀分布規(guī)律，因此在裂縫性油氣田的開發(fā)中，更應(yīng)該重視生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料的收集、整理、分析和使用［3］。

2 儲(chǔ)層裂縫的地球物理識別

2.1 常規(guī)測井

利用常規(guī)測井方法探測裂縫及其分布規(guī)律的機(jī)理是裂縫與基塊具有不同的地質(zhì)與地球物理特征。因此，當(dāng)?shù)貙又写嬖诹芽p時(shí)，就可以引起不同的測井響應(yīng)，根據(jù)這些響應(yīng)的變化，便可以識別裂縫。此方法能夠從微觀領(lǐng)域得到裂縫的力學(xué)性質(zhì)組系關(guān)系。常規(guī)測井法是識別裂縫的重要方法，空間代表性有限，屬于一孔之見，這就給裂縫解釋帶來一定的多解性和不確定性。

2.1.1 深淺側(cè)向電阻率測井差異法

裂縫發(fā)育段相對于低滲透砂巖段，為一條高滲通道，鉆進(jìn)時(shí)造成泥漿濾液的強(qiáng)侵入，使得深、淺側(cè)向電阻率曲線在其探測范圍內(nèi)所探測的流體基本是泥漿濾液。對于油層與水層，表現(xiàn)為高阻背景值上相對低的電阻率特征，這樣引起雙側(cè)向電阻率值及其幅度差降低。裂縫發(fā)育段，深、淺側(cè)向表現(xiàn)出明顯的低電阻率異常，且幅度差相對于非裂縫砂巖儲(chǔ)層段有明顯的降低。裂縫的不均一性會(huì)使電阻率曲線形態(tài)呈高低間互、起伏不平的多尖峰狀。

2.1.2 聲波速度測井法

縱波速度(或聲波時(shí)差)對高角度裂縫基本沒有響應(yīng);但對低角度裂縫有響應(yīng)，其響應(yīng)特征是生比聲波時(shí)差曲線出現(xiàn)局部增高，甚至發(fā)生跳波;橫波聲波能量在高角度裂縫發(fā)育段基本不衰減，而在低角度裂縫發(fā)育段有一定衰減;斯通利波波速和能量對裂縫的響應(yīng)與裂縫的狀態(tài)有關(guān)，高角度裂縫易引起斯通利波能量衰減，網(wǎng)狀裂縫易引起斯通利波時(shí)差增加，斜交縫在斯通利波時(shí)差和能量上也有響應(yīng)。

2.1.3 巖石孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)法

孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(m)是阿爾奇公式F=A/φm中的系數(shù)，它的大小反映巖石導(dǎo)電的孔隙曲折度，裂縫的發(fā)育使m→1。因此，值越低說明裂縫越發(fā)育。通過大量的巖石實(shí)驗(yàn)或純水層的深探測電阻率和孔隙度測井資料可以確定a、m的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式及經(jīng)驗(yàn)系數(shù) A、B［4］。其一般形式為:

實(shí)際計(jì)算時(shí)應(yīng)用阿爾奇公式，先計(jì)算出地層因素和孔隙度，再計(jì)算m:

式中:AB為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，用統(tǒng)計(jì)方法獲得;F為地層因素，由R0/Rw求得;φ為孔隙度。

2.1.4 三孔隙度比值法

由三孔隙度測井的測量原理可知，中子測井和密度測井反映了地層總孔隙度的大小，聲波速度測井主要反映原生的粒間孔隙和水平裂縫。因此，在裂縫性地層中，通過求得總孔隙度φt、中子孔隙度φN、密度孔隙度φD、聲波孔隙度φs、可構(gòu)造比值Rp:

當(dāng) Rp越大時(shí)，說明裂縫、溶孔越發(fā)育［4］。

2.1.5 雙井徑曲線法

雙井徑曲線是指地層傾角測井儀兩對極板所測井徑曲線的重疊。當(dāng)鉆遇高角度裂縫(特別是近垂直裂縫)時(shí)，往往在與形成區(qū)域性裂縫的最小應(yīng)力方向(相當(dāng)于裂縫走向)相平行的方向上產(chǎn)生定向擴(kuò)徑。此時(shí)，雙井徑曲線重疊顯示井眼呈橢圓形，異常的大小和裂縫的角度、寬度、密度以及巖性有關(guān)，因而根據(jù)定向擴(kuò)徑、橢圓井眼等特征即可大致確定裂縫的位置。

2.1.6 光電吸收截面指數(shù)(Pe)法

鉆井時(shí)，若使用重金石泥漿，重金石分子中所含鋇元素的光電吸收指數(shù)很大(Pe=267巴恩/電子)。在鉆井過程中，由于裂縫的存在，使大量重金石泥漿侵入裂縫，或在裂縫帶井壁上形成重金石泥餅，Pe曲線值將增加很高，這能很好地指示地層裂縫的存在。

2.1.7 自然伽馬能譜測井法

自然伽馬能譜測井可測量巖石天然放射性鈾(233U)、釷(282Th)、鉀(40K)，在地下流體流動(dòng)過程中，當(dāng)裂縫壁吸附天然放射性鈾元素時(shí)，可用放射性鈾含量來識別地層中的裂縫。這是由于不含泥質(zhì)的裂縫性滲透層也會(huì)出現(xiàn)高自然伽馬異常。因此，鈾元素含量增加是裂縫的指示，而釷和鉀元素含量增加是泥質(zhì)含量的指示。當(dāng)雙側(cè)向曲線形狀陡然降低，且自然伽馬能譜曲線顯示出自然伽馬數(shù)值高是由于地層中有高鈾引起的，就表示該段地層中有裂縫存在。

2.2 成像測井

成像測井包含了大量的地質(zhì)信息，可以更加直觀和準(zhǔn)確地顯示出地下油藏的地質(zhì)特征，能夠?qū)?gòu)造(構(gòu)造傾角、斷層)和沉積(層理面、巖性面、古水流方向)等方面進(jìn)行分析和應(yīng)用。而且，成像測井是研究裂縫性儲(chǔ)層的最有效和直觀的手段，能夠滿足評價(jià)裂縫油氣藏相關(guān)參數(shù)。此外，成像測井還有助于確定現(xiàn)今地應(yīng)力方向及判斷井眼的穩(wěn)定性，為鉆采工程方面提供科學(xué)決策的重要依據(jù)。

2.2.1 地層傾角電導(dǎo)率法

由于裂縫分布的不均勻性，當(dāng)鉆井鉆遇裂縫性地層時(shí)，泥漿侵入裂縫高分辨率地層傾角儀(HDT)的任何一個(gè)極板遇上裂縫都會(huì)出現(xiàn)高電導(dǎo)率響應(yīng)異常，在異常檢測圖上表現(xiàn)為各個(gè)極板的針刺尖峰。因此，地層傾角儀的電導(dǎo)率即能識別裂縫，通過對異常段極板方位的分析還可以確定其發(fā)育方向。

2.2.2 FMI成像測井法

地層微電阻率掃描成像測井(簡稱FMI)具有極高的垂向分辨率，能直觀顯示出井壁地層的微細(xì)變化，可以對組成地層的巖石類型、巖石結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造、裂縫等特征進(jìn)行精細(xì)描述，尤其是在識別裂縫系統(tǒng)方面具有獨(dú)到的成功之處，能夠有效地識別裂縫(包括天然裂縫與誘導(dǎo)裂縫)，指示裂縫的形態(tài)、位置、密度、閉合情況等［5.6］。

2.2.3 EMI成像測井法

宋建霞，裴冰(2009)等人認(rèn)為張開縫在EMI成像圖上表現(xiàn)為亮色背景下顏色較暗的正弦曲線，暗色表示有導(dǎo)電性較好的泥漿或泥質(zhì)。為盡量與泥質(zhì)充填縫或薄的泥質(zhì)條帶區(qū)分，通常選取自然伽馬數(shù)值較低的層位解釋張開縫。張開縫形狀不規(guī)則，常切割層理面，呈網(wǎng)狀、樹枝狀等組合特征。充填縫是指裂縫被其他巖石礦物充填，當(dāng)被方解石、鈣質(zhì)和石英等充填時(shí)，EMI成像圖上表現(xiàn)為亮色高電導(dǎo)率異常，被泥質(zhì)充填時(shí)表現(xiàn)為泥質(zhì)條帶特征，須結(jié)合自然伽馬曲線加以識別。鉆井誘導(dǎo)縫呈羽毛狀或直條帶狀，沿井壁對稱出現(xiàn)，橫向延伸距離短［7］。

2.3 地震方法

裂縫一般發(fā)育在致密巖石中，屬于低孔隙度和低滲透率，巖性較為均一，地震波傳播速度大，頻率高，反射波振幅弱。巖石中若存在裂縫會(huì)導(dǎo)致致密巖石物理性質(zhì)的差異，形成物性界面，引起儲(chǔ)層地震波反射特征的改變，從而在地震剖面上有裂縫的顯示。受分辨率的影響，從地震資料上很難獲得精確全面的裂縫參數(shù)，而且地震波速和反射受多種因素影響，導(dǎo)致解釋結(jié)果的不確定性。

3 其他儲(chǔ)層裂縫的識別

3.1 灰色綜合評判法

裂縫是一個(gè)多因素、多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)中一部分子系統(tǒng)是已被鉆探及地震勘探所揭示的白色信息，又有尚未被人們發(fā)現(xiàn)的黑色信息，而更多的則是人們既知道一些又不很清楚的灰色信息［8］。因此，裂縫的識別是一個(gè)典型的灰色系統(tǒng)，這是我們利用灰色系統(tǒng)理論識別裂縫的前提。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，通過合理選取已知井的各評價(jià)參數(shù)特征值，利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法去白化未知裂縫系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢，通過未知子系統(tǒng)與已知模式的系統(tǒng)化關(guān)聯(lián)，評判未知子系統(tǒng)的裂縫特征。

3.2 分形理論法

自然界中，許多復(fù)雜的現(xiàn)象無法用傳統(tǒng)幾何學(xué)來描述。Mandelbrot(1975)在系統(tǒng)地研究了這些復(fù)雜現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，它們具有局部包含整體結(jié)構(gòu)的自相似性特征，并稱之為“分形”，并提出用分形維數(shù)D值來定量描述其復(fù)雜程度。近年來，通過巖石破裂的大量研究，發(fā)現(xiàn)巖石破裂過程同樣具有自相似性特征。因此，“分形幾何方法”表征巖石的破裂程度已成為其定量分析的一種新方法。通過巖心微觀裂縫研究，能夠計(jì)算出斷塊的宏觀裂縫的相關(guān)參數(shù)。因此，在同一個(gè)地區(qū)斷層研究的基礎(chǔ)上，也可以計(jì)算出斷塊內(nèi)部裂縫的相關(guān)參數(shù)。

3.3 計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)

層析技術(shù)的全稱是X射線計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)(CT)［9.10］，運(yùn)用CT技術(shù)測定巖石和流體特性，即線性衰減系數(shù)(μ)，μ是對穿過研究對象的那部分X射線的度量。X射線信號源繞著樣品旋轉(zhuǎn)，可顯示出裂縫的空間產(chǎn)狀和變化情況。CT法可以在無損巖心的情況下觀察了解其內(nèi)部裂縫的發(fā)育情況。含有裂縫的巖心經(jīng)掃描后得到的CT掃描圖像，一般均可以清楚地看到在基質(zhì)較淺的區(qū)域內(nèi)發(fā)育條狀或線狀的深色區(qū)域，連續(xù)的低密度區(qū)，即是裂縫的所在，它的CT值一般較低。另外，裂縫中的充填物質(zhì)不同，其CT值不同，進(jìn)而通過CT值可以確定裂縫的有效性。

4 結(jié)語

現(xiàn)今裂縫的識別方法很多，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，鉆井取心的有限性，地球物理方法的多解性等，還很難用單一方法來準(zhǔn)確的識別和預(yù)測裂縫，只有通過綜合各種資料和方法，運(yùn)用多種手段對裂縫進(jìn)行識別和預(yù)測，才能達(dá)到相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證的目的，進(jìn)而可以增加研究結(jié)果的可靠性和有效性。前人對裂縫的定性識別方法做了大量詳細(xì)的研究工作，而對于裂縫精確定量化的研究還比較薄弱，這也是裂縫識別和預(yù)測的一個(gè)發(fā)展趨勢。

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