第19卷第4期
2013年12月地质力学学报JOUＲNAL OF GEOMECHANICS Vol.19No.4
Dec．2013
文章编号：1006-
6616（2013）04-0377-08致密砂岩储层构造裂缝形成机制及
定量预测研究进展
徐会永1，冯建伟2，葛玉荣
3（1.中国石油大学期刊社，山东青岛266580；
2.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580；
3.中国石油测井有限公司，新疆哈密735200）
收稿日期：2013-
03-02基金项目：山东省博士后基金项目“基于应力场模拟的低渗透砂岩储层裂缝多参数定量建模”（201003104）
作者简介：徐会永（1977-
），男，汉族，山东庆云人，副编审，博士，主要从事沉积学及石油地质学等方面的研究及科技论文编辑工作。E-
mail ：xhy7714@https://www.doczj.com/doc/f77980057.html, 摘
要：致密砂岩裂缝性储层已逐渐成为非常规油气资源勘探开发的重点，构造裂
缝形成机制研究及定量预测也相应成为热点问题。从构造地质学和地质力学角度对目前的裂缝研究方法进行系统分析，并对含微裂隙的岩石损伤力学实验分析、复合
地层本构关系及破裂准则的建立以及不同应力场作用下裂缝参数的定量表征方法进
行详细对比后认为，裂缝的产生、裂缝的位置和方向以及裂缝参数的量化是实现裂
缝准确预测的关键。今后裂缝研究的发展方向主要有3个，即基于构造地质学和岩
石损伤力学的宏观野外观察和微观室内试验相结合研究裂缝形成机制，考虑多重影
响因素并基于能量转换理论的复合岩石破裂准则建立，基于精细构造地质模型的有
限元数值模拟实现各期应力场作用下裂缝参数的三维定量表征。
关键词：致密砂岩储层；构造裂缝；形成机制；定量预测；非常规油气
中图分类号：P542；P553文献标识码：A
0引言
随着中国油气资源勘探开发逐渐由东部向西部、由常规储层向非常规储层转变，致密
气、页岩气和煤层气成为国家“十二五”规划后的开发重点［1］。很多学者认为在致密气、
页岩气和煤层气3种非常规天然气中，应该优先发展致密气［2 3］。致密气资源量数据相当可靠、开发致密气技术较成熟、致密气的分布与常规气在很多地方重叠、基础设施建设成本较低［3］，因此致密气的开发前景比页岩气更明朗。中国石化已启动鄂尔多斯致密油气增储上产会战［3］。此外，来自国土资源部的数据显示，2011年全国天然气产量为1011.15?108m 3［4］，致密气产量约为350?108m 3［3］，约占全国天然气总产量的三分之一。
非常规气藏开发有很多相似之处，如都需要打水平井和丛式井、都需要压裂工艺等。国内已基本掌握了致密砂岩油气的开发配套技术，有些技术已达国际先进水平。但大规模开发不能照搬国外模式，还需要通过有的放矢的基础研究和工程技术的先导性试验，提出适合中
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国地质特点的技术方法，尤其是针对裂缝性致密砂岩气藏。总体看，裂缝性致密气藏仍处于早期勘探开发阶段。
中国致密砂岩气分布广阔，主要分布在四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、塔里木、柴达木及准噶尔等盆地，以塔里木库车凹陷为代表的深层低孔低渗致密砂岩储层最为典型。由于多期的构造运动以及典型的陆相沉积特点，往往会形成裂缝性致密砂岩气藏，多期网状构造缝作为主要的渗流通道，分布规律有着极强的复杂性。因此，搞清裂缝的分布规律并进行空间的准确定量预测一直是地质学家和油藏工程师追求的目标，近些年来引起了国内外地学界的高度关注。
1裂缝预测方法及实现的关键
裂缝性储层具有复杂性，目前还缺乏有效的定量表征裂缝的方法。20世纪60年代，美国和中东地区发现天然裂缝后，国内外学者曾尝试过多种解决此类问题的途径，主要有：从构造特征入手研究天然地下储层裂缝，并探讨构造主曲率与裂缝发育的关系；建立裂缝岩体力学模型，应用构造应力场模拟技术，根据岩石破裂准则和应变能密度进行裂缝参数定量化表征及预测［5］；应用地球物理资料通过提取多种属性进行裂缝识别和预测；根据岩心裂缝实测和成像测井解释数据，应用多元统计方法和随机插值法建立离散裂缝网络模型（DFN）进行裂缝空间分布规律描述；基于地层主曲率和开发动态资料相结合的裂缝综合预测方法；用分形分唯方法半定量预测储层中不同尺度裂缝的空间分布［6］。
以上方法都不同程度地推动了裂缝研究的快速发展，但最终的描述和预测精度都达不到油气勘探开发的要求，究其根本原因主要有：常常简化地下地质情况，采用同向均质地质力学模型，未能在明确裂缝发育的宏观和微观主控因素的基础上建立针对含泥质软弱夹层的复合岩石破裂准则；常常简化、弱化裂缝形成的力学作用，未能剖析不同期次构造活动对早期缝网的改造影响并建立一个合理的力学模型。归根结底，构造应力作为裂缝形成和发育的直接驱动力，是外因，地层本身的结构和组合是内因，只有将两者有效地结合起来，从地质力学研究的角度，详细剖析它们之间的复杂耦合关系，才是实现砂岩储层裂缝参数全局化精确定量描述的有效途径，也是必然的发展趋势。
2脆性砂岩储层裂缝研究
目前构造裂缝定量表征要解决的关键问题有3个：①在什么样的应力作用下才能产生裂缝；②如何确定裂缝的起始位置和发育方向［7］；③如何确定裂缝的密度、开度等反映裂缝生成数量的参数。
裂缝是岩石破裂的结果，已有的基于岩石强度假说的破裂准则包括单剪强度准则、双剪强度准则、三剪强度准则、应变能密度准则和最大张应力强度准则，尤以描述岩石宏观破裂的库仑－莫尔广义单剪准则和从微观机理出发的格里菲斯广义最大张应力准则使用最广。有研究者对格里菲斯准则进行修正后提出了考虑中间主应力的三维格里菲斯准则，但是修正的格里菲斯理论在压应力时才有实际意义，很接近库仑－莫尔理论，且只有当压缩拉伸强度比近于8或12时，理论与实验结果才吻合较好［7］。
岩石破裂准则不仅能够解释岩石破裂产生裂缝的机制，也可以判断裂缝的初始方位，解
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决裂缝定量表征的关键问题。对于上述裂缝定量表征的第③个问题，有学者结合岩石破裂准则、能量法以及多元统计法对裂缝开度和密度进行量化［7］。Price将岩石中裂缝数量与最初储存于岩石中的应变能联系起来，认为具有相对高值应变能的岩石要比相同厚度、具有低值应变能的岩石具有更多的裂缝［8］。唐湘蓉等［9］从裂逢形成的外因———古构造应力场出发，根据弹性力学理论，利用连续介质有限元数值模拟法和岩石破裂准则，研究某古潜山储层裂缝的方位、密度分布。石胜群［10］、唐永等［11］应用三维构造应力场数值模拟技术，运用岩石断裂力学理论，进行构造裂缝发育密度与能量值之间的定量关系研究，较好地描述了泥岩、泥灰岩裂缝储层发育及分布规律。尤广芬［12］利用三维有限元模拟应力场的结果，根据岩石的张破裂准则和剪破裂准则，通过地层综合破裂值评价指标和岩石形变能量值建立了裂缝密度的数学模型。戴俊生课题组在国内杂志上发表了有关基于应力场模拟进行低渗透砂岩裂缝定量预测的文章，使用库仑－莫尔破裂准则和格里菲斯破裂准则相结合对应力计算结果进行判别，依据能量守恒和应变能密度对裂缝发育程度进行预测［13 15］。显然，基于这一系列的破裂准则可以将裂缝的定量表征或预测做到半定量化和定量化，而且考虑了现今应力场对早期裂缝的改造影响，对于脆性岩层已经足够。但这毕竟是在一定假设和条件简化的基础上建立的，实际地质情况显示，即使是厚层致密砂岩储层中也存在一系列的软弱的泥质隔夹层，这些隔夹层的存在或多或少会发生一定的塑性变形，尤其是在砂岩、泥岩互层的情况下适合于选择复合岩石破裂准则。同时存在于砂岩地层中的一系列先期微裂缝或粒内缝加速了岩石的破坏进程，格里菲斯破裂准则正是从微观机理出发，成为断裂力学的经典理论，但它是以张性破裂为前提，因此，仍需要作相应的改进。
3复合砂泥储层裂缝研究
岩石受地质构造运动的影响其组织结构极度不均匀，使均匀连续假设与实际情况并不相符。随着非线性科学的迅猛发展，岩石力学的研究融合了损伤力学、断裂力学、经典弹塑性力学、物理学、信息论等学科，使其逐渐超越了经典固体力学的框架，岩石强度理论的研究也逐渐从古典强度理论、广义强度理论等经典强度理论发展到考虑了断裂、损伤过程的强度理论，从宏观唯象研究发展到跨尺度多层次的理性研究［16］。20世纪70年代后，损伤力学、细观力学、强度理论研究进入新的阶段。许多学者对岩石的损伤进行了大量研究，建立了宏观损伤模型，如Marigo脆性和疲劳损伤模型、Karlcinovic连续损伤模型、Supartono和Sidoroff的理想损伤模型、Bui和Ehrlacher的损伤模型、Frantziskonos和Desai的损伤模型、Cheng和Dusseault的损伤－空隙压力耦合连续统模型、Kawamoto和Ichikawa的节理岩体损伤模型、周维垣的节理岩体弹脆性损伤模型、朱维申的裂隙岩体弹塑性损伤断裂模型、谢和平的岩石损伤模型等［16 17］。这些连续损伤模型根据热力学理论和弹塑性理论对其损伤过程进行唯象分析，通过定义特定的损伤变量，建立损伤演化方程，再基于等效原理建立损伤本构方程。
对岩石而言细观模型（KLM）的建立还存在较大困难，进一步的损伤变量定义很困难，因此通过室内实验研究岩石在不同载荷下的微观损伤破坏行为是一种行之有效的方法。在这方面，Obert等首先将声发射技术用于岩石破坏预报，其后Scholz等就变形曲线、扩容、临界破坏与声发射的关系又做了大量的研究［17］。赵永红等［18］借助于扫描电镜，并采用分形几何理论，从微观上分析了岩体、软岩膨胀过程中岩石内部颗粒结构的变化规律以及裂纹随外
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载增加时的变化过程。20世纪90年代以来，国内外学者利用X射线CT检测技术在岩石损伤力学特性研究方面取得了许多成果。Marigo等［19］最早利用X射线CT机研究了岩样的微裂纹和不均一结构，后来国内崔玉红等［20］对非贯通细观裂纹节理介质CT实验进行了数值模拟研究，得到了多个材料参数对细观损伤的影响，刘京红等［21］相继在前人的基础上基于CT 图像完成了岩石破裂过程裂纹分形特征的研究。由于含泥质隔夹层的砂岩储层属于复合介质材料，在这方面，肖长富等［22］、赵平劳［23］通过大量的力学实验提出了复合岩石“渐进协调剪切破坏”假说，并建立了由剪切角、层间强度等参数决定的复合岩石强度准则以及单轴压缩层状岩石本构关系。阳友奎等［24］在假设各组分岩石遵循莫尔－库伦准则的基础上建立了复合岩石的破坏准则，所用“复合等效方法”考虑了层面对岩石力学参数的影响，能够精确地描述复合岩层的强度特性。在前人研究的基础上，国外的一些学者相继推导出了Von-Mises屈服准则下的弹塑性Cosserat连续体公式，并把它推广到压力相关J
流动准则情
2
况，进一步发展了Cosserat连续体大应变模型［25 27］。国内相关专家也在此研究的基础上，从岩石破坏的微观角度，导出了各分层在不同围压、不同有效应力、不同参数及不同损伤演化过程下的三维非线性损伤本构方程。如：杨春和等［28］考虑了具有不同力学特性相邻岩层之间的微观位移协调，建立了宏观平均意义下的Cosserat介质扩展本构模型，为三维和非线性问题提供了理论基础。李银平等［29］通过围压实验发现泥岩夹层对岩体的破坏影响明显，泥岩夹层首先发生横向拉伸破坏，并伴随着应力－应变的“应力跌落”现象，主要是因为岩性界面附近泥岩体受到等效横向拉伸应力作用造成的。曾联波等［30］通过岩石力学实验和声发射实验，证实了在平面上不同方向岩石力学性质各向异性的存在，是影响不同时期不同组系裂缝发育差异的主要原因。
可见，对于单层和层状复合地层的破坏损伤模型的研究已经日渐成熟，同时考虑了软弱夹层对岩石整体破坏的负面影响以及由此产生的塑性变形和应力跌落现象，但得出的结果主要应用在岩体滑坡、隧道开挖、地面工程和航空航天材料的危险评估中，应用于复杂裂缝性砂岩油气藏裂缝预测的相关报道几乎没有，且实验或扫描都是在单轴力学实验的基础上进行，力的作用方式也仅仅是单向持续加载。总体来看，在3个方面仍需深入研究：一是岩石细观模型的建立，如何构筑一个包含必需信息的细观模型（KLM）来反映岩石的特征；二是细观模型与宏观整体的映射关系，如何通过平均化的方法将细观模型（KLM）推广到岩石整体；三是发挥计算机技术在数值计算、虚拟现实等方面的优势，促进复合岩石如含泥质夹层的致密砂岩强度理论分析及应用的新发展［31］。
4多期裂缝的参数定量表征
尽管以损伤力学理论实现复杂地层裂缝演变过程及参数定量表征已具备了大量的研究基础，但如何在此基础上考虑不同构造期次构造应力场对前期裂缝的改造影响并将其定量化是一项艰巨的任务。前期工作均是在“古应力场产生裂缝，现今应力场仅改造裂缝”前提下开展的，即从大量的野外观察和实验发现现今应力实际上是古应力产生断裂后的残余应力，是以当前井点测试值为前提的，其强度远远达不到岩石的破裂条件，但在现今应力状态下，裂缝壁面承受的剪应力和压应力改变着裂缝的开度，进而改变其渗流特征。在经典无限长平行板裂缝渗流模型中，开度对渗透率有较大影响。研究者考虑单裂隙岩体法向应力对裂缝开度的影响，建立了反映法向应力与裂缝渗透率耦合的经验公式。Barton等［32］除考虑裂缝面
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正应力的影响外，还考虑了剪应力效应，因此，目前已明确裂缝开度b的大小受应力和应变控制，若不考虑裂缝壁内流体化学反应，则应力－应变和裂缝开度成较好的函数关系。Jing 等［33］发展了Barton的理论，并将现今应力场对裂缝参数的影响从二维扩展到三维。赵延林等［34］通过进行三维压力作用下渗流规律的研究，得到三维应力作用下粗糙单裂缝渗流特性与应力耦合公式，但是限制了受力方向，因而不具有通用性。
此后，吴时国等［35］采用3DMove软件从构造力学演变的角度建立三维裂缝模型，通过对地层的构造发育历史进行反演，计算和分析了单元体的渗透率和渗透率各向异性特征，但假设条件过多，忽略了三维体强度参数的各向异性，且只考虑了古应力及应变量的变化，存在一定局限性。因此，进一步探讨多期次应力场与裂缝参数之间的定量化关系，并建立多因子协调作用下的复合砂岩储层破裂准则和有效的力学模型是实现准确裂缝预测的重点。
5今后发展方向
裂缝的形成机理和参数的定量精确表征是石油地质学的前缘性课题。随着研究手段和研究方法的不断丰富和完善，裂缝研究方面的难点将不断得到解决，并能有效地运用于工程实践和致密砂岩储层的油气勘探开发中。由此总结，今后裂缝研究的发展重点还需紧紧围绕3个方向：①紧密依托构造地质学、储层地质学理论，在“构造应力是裂缝形成外因，地层结构是裂缝形成内因”的思路指导下，从应力的角度入手，深入分析构造－沉积耦合效应对裂缝形成发育的控制作用；②充分利用野外考察和先进的室内试验手段，从宏观和微观的角度，基于岩石损伤力学理论，深入研究微裂缝从产生、发育到改造的微观损伤演化过程，建立岩性差异、岩性界面、应力强度、应力速率共同影响作用下的非线性复合岩石多级破裂准则和本构关系；③充分利用先进的计算机模拟技术，基于能量转换理论，考虑裂缝产生的表面能、塑性耗散能、剪切缝摩擦能等多种能量的转换关系，建立应力、应变和裂缝参数之间的线性、非线性定量关系模型，实现裂缝三维空间展布精确描述，最终指导裂缝性致密砂岩气藏的勘探开发部署。
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ＲESEAＲCH PＲOGＲESS ON MECHANISM AND
QUANTATIVE PＲEDICTION OF STＲUCTUＲAL
FＲACTUＲES IN TIGHT-SANDＲESEＲVOIＲS
XU Hui-yong1，FENG Jian-wei2，GE Yu-rong3
（1.Periodical Office of China University of Petroleum，Qingdao266580，Shandong，China；
2.School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao266580，Shandong，China；
3.China Petroleum Logging Co．LTD．，Hami735200，Xinjiang，China）
Abstract：As fractured tight-sand reservoirs was thought to be an important type for exploration and production of unconventional oil and gas resources at present，understanding mechanism of structural fracture networks in reservoirs accordingly is thought to be the research focus．From sides of structural geology and rock mechanics to make comprehensive analysis，such as comparisons of rock damage mechanics experiments，constitutive relation of composite formation and its failure criteria，and quantitative method for predicting fracture distribution，it is shown that generation，location，orientation of fractures and quantification are the keys to predict fracture networks．Then it is shown that there exist three main directions for fracture research，including fracture mechanism study using structural geology，damage mechanics and laboratory experiments，composite rock failure criterion based on energy conservation law considering multiple factors，and fracture parameters of three-dimensional quantitative characterization using finite element numerical method based on fine structure model．
Key words：tight-sand reservoir；structural fracture；mechanism；quantitative prediction；unconventional oil and gas
第19卷第4期 2013年12月地质力学学报JOUＲNAL OF GEOMECHANICS Vol.19No.4 Dec．2013 文章编号：1006- 6616（2013）04-0377-08致密砂岩储层构造裂缝形成机制及 定量预测研究进展 徐会永1，冯建伟2，葛玉荣 3（1.中国石油大学期刊社，山东青岛266580； 2.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266580； 3.中国石油测井有限公司，新疆哈密735200） 收稿日期：2013- 03-02基金项目：山东省博士后基金项目“基于应力场模拟的低渗透砂岩储层裂缝多参数定量建模”（201003104） 作者简介：徐会永（1977- ），男，汉族，山东庆云人，副编审，博士，主要从事沉积学及石油地质学等方面的研究及科技论文编辑工作。E- mail ：xhy7714@https://www.doczj.com/doc/f77980057.html, 摘 要：致密砂岩裂缝性储层已逐渐成为非常规油气资源勘探开发的重点，构造裂 缝形成机制研究及定量预测也相应成为热点问题。从构造地质学和地质力学角度对目前的裂缝研究方法进行系统分析，并对含微裂隙的岩石损伤力学实验分析、复合 地层本构关系及破裂准则的建立以及不同应力场作用下裂缝参数的定量表征方法进 行详细对比后认为，裂缝的产生、裂缝的位置和方向以及裂缝参数的量化是实现裂 缝准确预测的关键。今后裂缝研究的发展方向主要有3个，即基于构造地质学和岩 石损伤力学的宏观野外观察和微观室内试验相结合研究裂缝形成机制，考虑多重影 响因素并基于能量转换理论的复合岩石破裂准则建立，基于精细构造地质模型的有 限元数值模拟实现各期应力场作用下裂缝参数的三维定量表征。 关键词：致密砂岩储层；构造裂缝；形成机制；定量预测；非常规油气 中图分类号：P542；P553文献标识码：A 0引言 随着中国油气资源勘探开发逐渐由东部向西部、由常规储层向非常规储层转变，致密 气、页岩气和煤层气成为国家“十二五”规划后的开发重点［1］。很多学者认为在致密气、 页岩气和煤层气3种非常规天然气中，应该优先发展致密气［2 3］。致密气资源量数据相当可靠、开发致密气技术较成熟、致密气的分布与常规气在很多地方重叠、基础设施建设成本较低［3］，因此致密气的开发前景比页岩气更明朗。中国石化已启动鄂尔多斯致密油气增储上产会战［3］。此外，来自国土资源部的数据显示，2011年全国天然气产量为1011.15?108m 3［4］，致密气产量约为350?108m 3［3］，约占全国天然气总产量的三分之一。 非常规气藏开发有很多相似之处，如都需要打水平井和丛式井、都需要压裂工艺等。国内已基本掌握了致密砂岩油气的开发配套技术，有些技术已达国际先进水平。但大规模开发不能照搬国外模式，还需要通过有的放矢的基础研究和工程技术的先导性试验，提出适合中
致密砂岩油藏与常规砂岩油藏开发的地质主控因素差异 随着世界油气工业勘探开发领域从常规油气向非常规油气延伸，非常规油气的勘探和研究日益受到重视。20 世纪90 年代以来，中国出现深盆气、根源气、深盆油、向斜油、非稳态成藏、致密油、致密气、页岩气、页岩油、源岩油气等概念。油气地质基础研究呈现出由常规油气向非常规油气发展的新趋向（图1）。 图1 中国陆上主要非常规油气有利区分布图（据邹才能等，2013C）致密油是一种重要的非常规资源，是指夹在或紧邻优质生油系的致密储层中，未经过大规模长距离运移而形成的石油聚集，是与生油岩系共生或紧邻的石油资源。储层致密、油气在运移、聚集、成藏等方面与常规砂岩油藏存在较大差异，导致致密砂岩油藏与常规砂岩油藏开发上地质主控因素存在较大差异，本文主要从储层特征、流体性质、边界条件进行简要分析。 一、储层特征 非常规油气储层以纳米、微米孔喉为主，微观孔喉结构复杂，决定了其低孔低渗的储集特征，控制了油气聚集机制、富集规律等基本地质特征。
（一）储层质量 1.宏观 致密砂岩储层以纳米级孔喉系统为主，导致其储层致密物性较差，一般孔隙度小于10%，渗透率小于0.1mD，而常规砂岩储层物性相对较好，如表1-1。 致密砂岩油藏储层总体致密是其与常规油气储层的最大区别。 表1-1 致密砂岩储层与常规砂岩储层宏观储层质量对比 2.微观 （1）孔隙结构 孔隙结构：岩石中所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通的关系。微米与纳米尺度是通过扫描电镜与微-纳米CT扫描可以识别的微观孔隙形态与空间特征，如图1-1。 图1-1微观孔隙形态与空间特征（据于清艳，2015）
致密砂岩岩石物理模型研究致密砂岩油气作为非常规能源的一种，对世界常规能源的接替起到了至关重要的作用。其显著的特征是渗透率低（小于或等于0.1×10-3μm2）、岩石压实紧密、微观储渗机理复杂。多数情况下，致密储层的胶结程度高，塑性大，岩屑含量及粘土含量相对多，常规的解释与评价方法很难揭示岩石的储集与渗流机理，并且现有的岩石物理解释模型也难以精细的表征其微观特征，表征物性特征的参数同样也不仅仅为孔、渗的数值大小，因此对于致密砂岩，基于岩石微观孔隙结构参数的表征是对物性进行描述的重要内容。但在致密砂岩储层中如何明确裂缝的形成过程并把它表征出来一直是一个难点。在致密砂岩形成过程中，成岩作用对其影响最大。在成岩作用过程中，压实作用和胶结作用较大幅度地降低了储层的孔隙度和渗透率，粘土等矿物的充填也是渗透率降低的重要原因。 致密砂岩储层复杂的地质特征使得储层的渗流特征、弹性及物性特征有别于常规砂岩储层，加之极强的非均质性，使得致密砂岩岩石物理分析研究具有很大的挑战性，常规的孔隙度、渗透率以及饱和度等公式适用性差，利用测井手段识别致密砂岩中的气层特别困难、精确评估致密砂岩储层难度大。对此许多学者进行了岩石物理分析及建模方法、测井评价、储层横向预测，以及在开发过程中利用微地震、时移地震等进行储层动态监测的研究。有效的对岩石物理模型进行研究，能够合理地对储层含油气性进行预测。 1、致密砂岩储层特征 在常规砂岩储层中，有效孔隙度通常只比总孔隙度稍低，然而如图 3-1 所示（蓝色部分为容纳气体的孔隙空间），致密砂岩储层中，强烈的成岩作用导致有效孔隙度值比总孔隙度要小很多。伴着成岩作用的发生，致密砂岩得原生孔隙结构发生重大改变，平均孔隙直径减小，弯曲度加大，不连通孔隙增多，于是岩石的孔隙类型和孔隙微结构变得十分复杂。
双侧向—微球形聚焦测井系列 对高角度裂缝，深、浅側向曲线平缓，深側向电阻率> 浅側向电阻率，呈“正差异”。 在水平裂缝发育段，深、浅側向曲线尖锐，深側向电阻率< 浅側向电阻率，呈较小的“负差异”。 对于倾斜缝或网状裂缝，深、浅側向曲线起伏较大，为中等值，深、浅电阻率几乎“无差异”。 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。 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。 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。 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。另一方面，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，其它原因（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。 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U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U元素才能被吸附及沉淀在裂缝（或孔洞）周围，造成U元素富集，使得自然伽玛能谱测井在裂缝带处显示出U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。 (1)侧向、感应及微电阻率测井 裂缝在电阻率测井曲线上的响应取决于裂缝的产状(倾角与方位)、 裂缝的宽度与长度(纵向或径向)、裂缝中的充填物（胶结物、泥浆 滤液、地层流体等）以及泥浆侵入深度等因素。 1.电阻率测井响应特征 (2)侧向测井——高角度裂缝影响 电极型仪器将强烈地受垂直裂缝的影响，这是因为这样的裂缝实际上提供了低阻通道（并联）。所以在垂直裂缝的情况下，侧向测井的电阻率比感应测井的电阻率低。又因为垂直裂缝的有效导电截面在径向上不变，而孔隙的导电截面在径向上是逐渐增大的，所以在浅侧向探测范围内裂缝与孔隙的有效导电截面之比远比深侧向要小。 在Rmf≈Rw时，常观察到RLLD与RLLS的比值为1.5到2； 在Rmf
致密砂岩储层评价研究现状 致密砂岩油气藏作为一种特殊非常规油气藏，已受到石油工业界的高度关注。目前致密砂岩储层的评价主要是在地层层组划分的基础上，依据测井解释、岩心物性分析、X-衍射分析、显微薄片鉴定等分析和实验资料，结合产能情况，对储层岩性、储层的物性下限、脆性、厚度和分布范围等多个方面进行评价。 标签：致密砂岩储层储层评价研究现状 0引言 致密砂岩油气藏作为一种特殊非常规油气藏，已受到石油工业界的高度关注。自20世纪80年代以来多位石油地质专家提出了深盆气（Masters，1979）、盆地中心气（Rose，1986）和连续型油气藏（Schmoker，1995）等新概念，就是针对非常规储层用新的思维以及创新的技术方法[1～3]。中国致密储层天然气的分布十分广泛勘探潜力巨大，形成了以四川盆地须家河组、鄂尔多斯盆地苏里格地区二叠系为代表的致密砂岩大气区[4]。 目前致密砂岩储层的评价主要是在地层层组划分的基础上，依据测井解释、岩心物性分析、X-衍射分析、显微薄片鉴定等分析和实验资料，结合产能情况，对储层岩性、储层的物性下限、脆性、厚度和分布范围等多个方面进行评价。 1岩性评价 岩性评价是致密砂岩储层评价的重要组成部分之一，且较常规储层评价的要求更高。致密砂岩储层储集空间小，测井信息中所包含的孔隙部分贡献相对较低，因此，为了求准测井孔隙度，要求更加精细的岩性组分以保障骨架参数的准确性。此外，岩性评价能够十分有助于致密砂岩储层的压裂设计，如可根据岩性类别及其组分确定出的脆性指数以及黏土矿物类型及其各种黏土相对含量，均是压裂设计着重考虑的因素。 常规测井评价岩性的方法主要为：以自然伽马测井计算泥质含量，以密度、中子和声波孔隙度测井确定岩性骨架类别及其比例大小。如果有自然伽马能谱测井资料，可进一步确定出黏土类型。最后以岩性实验分析（如X衍射）刻度测井计算结果。近年来，斯伦贝谢公司研发的新一代地球化学元素测井技术-元素俘获谱测井（ECS）已在我国推广应用，丰富了测井岩性评价的内容，提升了岩性组分的计算精度[5～7] [14]（如图1）。 2有效储层物性下限评价 有效储层物性下限是指储集层能够成为有效储层应具有的最低物性。有效储层是指在现有工艺技术及经济条件下能够产出具有商业价值油气流的储层。有效储层的物性下限值主要包括储层孔隙度、渗透率和含油饱和度下限值。有效储层
1.2 致密储层研究 1.2.1 致密储层的基本特征 致密砂岩储层具有岩性致密、低孔低渗、气藏压力系数低、圈闭幅度低、自然产能低等典型特征。由于不同学者所研究的对象和角度不同，对致密的理解也不相同。低渗透储层本身就是一个相对概念，随着资源状况和技术条件的变化，致密储层的标准和界限也会随之变化，因此长期以来致密砂岩储层一直没有一个完整的、明确的定义和界限。美国联邦能源管理委员会(FERC)把低渗透(致密)天然气储层定义为估算的原始地层渗透率为0．1 X10-3 um2或者小于0．1×10-3 u m2(B．E．Law等，1986)的储层。关德师( 1995) 等在《中国非常规油气地质》 中,把致密砂岩气藏的储层描述为孔隙度低(小于12%)、渗透率比较低( 1 ×10- 3 um2) 、含气饱和度低( 小于60%)、含水饱和度高( 大于40% )。杨晓宁( 2005) 认为致密砂岩一般是指具有7% ~ 12%的孔隙度和小于1. 0× 10- 3 um2的空气渗透率,砂岩孔喉半径一般小于0. 5 um。按照我国的标准, 致密储层有效渗透率 ≤0. 1 ×10- 3 um2(绝对渗透率≤1 ×10- 3 um2)、孔隙度≤10%。另外一般具有较高的毛细管压力，束缚水饱和度变化也比较大，一般储层中的束缚水饱和度都比较高。张哨楠根据对鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层束缚水饱和度的分析，束缚水饱和度都在40％以上；在孔隙度为4％～11％的范围内，束缚水饱和度在42％～56％之间变化。他根据对四川盆地上三叠统致密砂岩储层孔隙度和束缚水饱和度的统计(表1)，用两种方法测试的结果表明束缚水饱和度和孔隙度之间存在负相关关系。鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层的孔隙度、渗透率和束缚水饱和度之间的关系同样说明致密砂岩储层的束缚水饱和度随着孔隙度和渗透率的降低而增高(图1)。
致密砂岩气研究现状 根据中国近年来发现的大型致密砂岩气藏的开发地质特征，可将致密砂岩气划分为 3 种主要类型。透镜体多层叠置致密砂岩气，以鄂尔多斯盆地苏里格气田为代表。发育众多的小型辫状河透镜状砂体，交互叠置形成了广泛分布的砂体群，整体上叠置连片分布，但气藏内部多期次河道的岩性界面约束了单个储渗单元的规模，导致储集层井间连通性差，单井控制储量低。苏里格气田砂岩厚度一般为30?50 m辫状河心滩形成的主力气层厚度平均10 m左右，砂岩孔隙度一般4%- 10% 常压渗透率为（0.001?1.000 ）X 10-3卩m2含气饱和度55%?65% 埋藏深度3 300?3 500 m异常低压，平均压力系数0.87，气藏主体不含水。鄂尔多斯盆地上古生界天然气藏，鄂尔多斯盆地构造简单稳定。成熟源岩面积13X104平 方千米，烃源岩成熟度0.6%~3%，砂岩平均孔隙度8.3% , 平均渗透率小于1*103 2 卩m; 四川盆地上三叠统须家河组平均孔隙度 4. 77% ,平均渗透率小于1*103卩m；为致密-超致密砂岩储层，储层总体表现为低孔低渗高含水，强非均质性的特征。 孔喉直径均值0.313卩m；成熟度1.0%~3.6%源岩分布面积（1.4~1.7 ）X104如2 （大于100m，连片砂体面积超过1X 104如2,砂体普遍含气，以川中地区须家河组气藏、松辽盆地长岭气田登娄库组气藏为代表的多层状致密砂岩气，砂层横向分布稳定。川中地区须家河组气藏发育 3 套近100 m 厚的砂岩层，横向分布稳定，但由于天然气充注程度较低，构造较高部位含气饱和度较高，而构造平缓区表现为大面积气水过渡带的气水同层特征。须家河组砂岩孔隙度一般为4%?12%，常压渗透率一般为（0.001?2.000 ）X 10-3卩m2埋藏深度为2 000?3 500 m，构造高部位含气饱和度55%?60%，平缓区含气饱和度一般为40%?50%，常压—异常高压，压力系数1.1 ?1.5。长岭气田登娄库组气藏砂层横向稳定，为砂泥岩互层结构，孔隙度4%?6%常压渗透率一般小于0.1 X 10-3卩m2天然气充注程度较高，含气饱和度55%?60%，埋藏深度 3 200 ? 3 500 m ，为常压气藏。 块状致密砂岩气，以塔里木盆地库车坳陷迪西1井区为代表，侏罗系阿合组厚层块状砂岩厚度达200?300 m,内部泥岩隔夹层不发育，孔隙度4%?9%常压渗透率一般小于0.5 X 10-3卩m2,埋藏深度4 000?7 000 m，为异常高压气藏，压力系
0引言 裂缝性油气藏是近年油气勘探开发的重点，如何对裂缝 进行准确表征，对不同类型裂缝的识别、分布规律的预测以及如何建立更加贴近实际的裂缝性油气藏地质模型，一直以来都是研究的重点和难点[1,2]。为此，国内外学者做了很多努力，最早的研究方法是通过对露头、岩心、薄片等地质分析来对裂缝特征进行描述，如Van Golf-Racht [3]在薄片观察的基础 上，提出了裂缝孔隙度、渗透率以及体密度的计算方法，Ruh - land 提出裂缝强度等概念[4]。随测井技术的发展，利用常规测 井数据分析，总结出了一系列数学统计方法：神经网络法、多元统计、灰色关联等，罗贞耀、戴俊生等[5,6]提出了裂缝物性参数计算方法。在裂缝预测方面，主要有数值模拟、非线性理论预测等方法，包括构造曲率法、构造应力场数值模拟、二维、三维有限元数值模拟、物探方法等[2,7]。本文通过系统总结分析 储层裂缝表征及预测研究进展 唐诚 中石化西南石油工程有限公司地质录井分公司，四川绵阳621000 摘要 全面、准确对致密储层的裂缝网络进行定量表征及预测影响着裂缝性油气田的高效开发。在系统调研国内外裂缝研究成果 且详细对比分析的基础上，从地质分析、测井识别、构造曲率法及应力场模拟、地震裂缝检测、非线性理论方法等着手，总结出了储层裂缝表征及预测研究的进展。研究表明，根据成因将储层裂缝划分为构造裂缝和非构造裂缝两大类，构造缝包括区域性裂缝、局部构造缝和复合型构造缝，局部构造缝指与断层和褶皱相关的裂缝；非构造缝主要分为收缩缝和与表面有关的裂缝两大类及9个亚类，裂缝类型不同，其特征及成因机理也不同。采用地质分析与测井解释相结合，建立露头、岩心与测井的识别模式对裂缝进行准确识别。利用地质、测井和构造应力等资料，建立数学模型，对裂缝参数进行定量计算。详细阐述并分析了多种裂缝预测方法的优缺点，最终指明了储层裂缝研究的不足与发展方向。 关键词裂缝性储层；裂缝表征；裂缝识别；裂缝预测 中图分类号P618.13文献标志码A doi 10.3981/j.issn.1000-7857.2013.21.013 Progress in Fracture Characterization and Prediction TANG Cheng Geologic Logging Company of Southwest Petroleum Bureau,Sinopec,Mianyang 621000,Sichuan Prvovince,China Abstract It is very important for exploration and development of oil and gas to comprehensively and accurately and quantitatively describe and predict fracture.Base on the basis of the literature investigation of fractures research findings around the world,from geological analysis,log fracture identification,curvature method,tectonic stress simulation,seismic fracture prediction and so on,the progress of fracture characterization and prediction are summarized.It is shown that the reservoir fractures can be classified into two types,including structural and non-structural fracture according to their origin.The structural fracture includes regional fracture,local fracture and complex structural fracture,in which the local structural fracture is related to fracture of fault and fold.The non-structural fracture can be classified into contraction fracture and related fracture of surface,which have 12sub-types.Every type of fractures has different characteristics and origin.The main identification of fracture is combination of geological analysis and log interpretation,and then pattern recognition of outcrop,core and well logging will be established.Also quantitative calculation method for fracture is proposed using geological,logging and tectonic stress data.With the aid of those bases,the advantage and disadvantage of methods for detection and prediction of the fracture distribution are discussed.Finally the shortcoming and development of fracture research are pointed out. Keywords fractured reservoir;fracture characterization;fracture identification;fracture prediction 收稿日期：2013-01-28；修回日期：2013-03-18 作者简介：唐诚，工程师，研究方向为石油地质录井与信息技术研究，电子信箱：110880280@https://www.doczj.com/doc/f77980057.html,
国外致密砂岩气藏储层研究现状和发展趋势 谷江锐 刘岩(中国石油勘探开发研究院) 摘要 致密砂岩气藏具有低孔渗、连通性差的特点,储层评价研究水平是有效开发该类气藏的关键因素。美国和加拿大致密砂岩气藏勘探和开发程度最高,在致密储层评价研究方面积累了大量的经验。致密砂岩气藏主要指发现于盆地中心或者是连续分布的大面积天然气藏,也有观点认为大多数的致密气藏是位于常规构造、地层或复合圈闭中的低渗储层中,通常被称为 甜点 。国外致密气藏描述、评价和评估主要依赖于岩石学、测井和试井三种手段。未来致密砂岩气藏储层评价描述水平的提高主要基于两个方面:一是为了准确地评估和开发致密气藏,需要从岩心、测井和钻(录)井以及试井分析中获取更多的基础数据;二是使致密储层描述向高精度发展,进一步研究气藏砂体展布和含气富集带,包括透镜体砂岩大小、形状、方向和分布的确定,储层物性在空间分布的定量描述,低渗、特低渗岩心物性测定技术。 关键词 致密砂岩气藏 砂岩储层 气藏类型 储层评价 发展趋势 DOI:10 3969/j.issn.1002 641X 2009 07 001 1 引言 在世界石油资源供需矛盾加剧、原油价格居高不下、天然气储采比持续下降的形势下,随着人类对清洁、环保、高效能源需求的持续高涨,人们对非常规能源特别是非常规天然气的关注日益增加。非常规天然气又称分散天然气,是指储藏在地质条件复杂的非常规储层中的天然气,主要包括致密砂岩气、页岩气、煤层甲烷气、地下水中(水溶性)的天然气以及天然气水合物等。 与常规天然气相比,非常规天然气的类型和赋存形式更为多样,分布范围更为广泛,潜在资源量远远大于常规天然气资源。M asters [1]提出的天然气资源金字塔充分说明了致密气资源在世界天然气资源分布中的重要地位(图1)。从图上可以看出, 在金字塔的底部,致密气资源(储层渗透率 0 1) 的体积非常巨大。另据世界石油委员会报告(Raymond 等,2007),在全球,致密砂岩气藏中的天然气资源量大约为114 108m 3,煤层甲烷气资源量大约为233 108 m 3[2] 。 图1 天然气资源金字塔示意图(Masters,1980) 本文关注致密砂岩气藏,致密砂岩气的开发主 要局限在拥有巨大储量的美国和加拿大。美国已有近70年勘探开发低渗透致密砂岩气藏的历史,在非常规天然气优惠政策促进下,致密储层气开采的天然气量逐年增加,随之形成了一套较为成熟的勘探开发技术、方法系列,积累了大量的经验,也发表了许多这方面的成果。致密砂岩气藏本身具有的低孔渗、连通性差的复杂地质条件的特点,开采难度相对较大,给地质工程师和油藏工程师带来了很大的挑战,以致于当前低渗致密气田的有效开发,特别是储层评价研究,已是国内低渗透致密气田面临的一个普遍问题。为了对国外低渗致密气田的储层研究现状和做法有所了解,本文通过查阅大量文献资料,从致密砂岩气藏的类型、储层评价手段等角度入手,总结了国外特别是北美的致密砂岩气藏的储层研究成果,并就其发展趋势进行了分析,力求对国内致密气砂岩储层的评价研究起到一定的参考借鉴作用。 2 致密砂岩气藏的定义及其一般特征 致密砂岩储层通常是指储层渗透率低的砂岩储层,根据储层所含流体的不同,对孔隙度和渗透率的要求也不同,所以低渗透储层是一个相对的概念。不同的组织对致密砂岩气藏有不同的定义,最原始的定义可以追溯到1978年美国天然气政策法案,其中规定只有砂岩储层对天然气的渗透率等于或小于0 1 10 -3 m 2 时的气藏才可以被定义为致
致密砂岩油藏与常规砂岩油藏开发的地 质主控因素差异 令狐采学 随着世界油气工业勘探开发领域从常规油气向非常规油气延伸，非常规油气的勘探和研究日益受到重视。20 世纪90 年代以来，中国出现深盆气、根源气、深盆油、向斜油、非稳态成藏、致密油、致密气、页岩气、页岩油、源岩油气等概念。油气地质基础研究呈现出由常规油气向非常规油气发展的新趋向（图1）。 图1 中国陆上主要非常规油气有利区分布图（据邹才能等， 2013C） 致密油是一种重要的非常规资源，是指夹在或紧邻优质生油系的致密储层中，未经过大规模长距离运移而形成的石油聚集，是与生油岩系共生或紧邻的石油资源。储层致密、油气在运移、聚集、成藏等方面与常规砂岩油藏存在较大差异，导致致密砂岩油藏与常规砂岩油藏开发上地质主控因素存在较大差异，本文主要从储层特征、流体性质、边界条件进行简要分析。 一、储层特征 非常规油气储层以纳米、微米孔喉为主，微观孔喉结构复杂，决定了其低孔低渗的储集特征，控制了油气聚集机制、 令狐采学
富集规律等基本地质特征。 （一）储层质量 1.宏观 致密砂岩储层以纳米级孔喉系统为主，导致其储层致密物性较差，一般孔隙度小于10%，渗透率小于0.1mD，而常规砂岩储层物性相对较好，如表1-1。 致密砂岩油藏储层总体致密是其与常规油气储层的最大区别。 表1-1 致密砂岩储层与常规砂岩储层宏观储层质量对比 2.微观 （1）孔隙结构 孔隙结构：岩石中所具有的孔隙和喉道的几何形状、大小、分布及其相互连通的关系。微米与纳米尺度是通过扫描电镜与微-纳米CT扫描可以识别的微观孔隙形态与空间特征，如图1-1。 图1-1微观孔隙形态与空间特征（据于清艳，2015） 非常规油气储层孔隙微观结构复杂，孔喉多小于1μm。 表1-2非常规油气致密砂岩储层与常规油气砂岩储层特征 对比表 令狐采学