第五章 裂縫識別與評價

第五章裂縫識別與評價裂縫性儲層的巖石力學研究

裂縫識別與評價

裂縫型儲層

高角度

低角度

網(wǎng)狀

裂縫—孔隙型儲層

裂縫—洞穴型儲層一、儲層裂縫系統(tǒng)的成因巖石破裂歸因于各種地質(zhì)因素，概括起來可以分為兩種：構(gòu)造因素與非構(gòu)造因素。(1)形成褶皺和斷層時的地殼變形；(2)在區(qū)域應力場作用下產(chǎn)生局部構(gòu)造差異應力；(3)由于失水引起頁巖和泥質(zhì)砂巖巖石體積收縮；(4)火成巖在溫度變化時體積收縮等。裂縫成因涉及到綜合地質(zhì)學和巖石力學1．構(gòu)造成因與巖石力學研究凡與構(gòu)造運動有關(guān)系的裂縫，屬于構(gòu)造成因裂縫。構(gòu)造裂縫的幾何性質(zhì)反映破裂時的局部應力狀態(tài)，在整體上表現(xiàn)出與區(qū)域上有一致的方向性和規(guī)律性。巖石的破裂特征與圍巖的關(guān)系取決于：破裂的形式、裂縫的產(chǎn)狀等與圍巖的關(guān)系。裂縫性儲層的巖石力學研究儲集層構(gòu)造裂縫的產(chǎn)生原因主要為：(1)脆性巖(主要指碳酸鹽巖)儲層構(gòu)造裂縫(指裂縫形成時期)性質(zhì)和幾何形態(tài)與埋深相關(guān)；(2)構(gòu)造裂縫性質(zhì)和產(chǎn)狀與巖石原有結(jié)構(gòu)相關(guān)，即巖石的粒度和致密程度相關(guān)。(3)構(gòu)造裂縫與巖石中原有的微裂痕跡線方向與主壓應力方向的夾角密切相關(guān)，即后者決定了構(gòu)造裂縫性質(zhì)和產(chǎn)狀。2．非構(gòu)造成因一般不規(guī)則，沒有方向上的一致性。形成這類裂縫的原因有以下六種：脫水作用、沉積載荷作用、風化剝蝕作用、溫度梯度作用(受熱巖石在冷卻過程中發(fā)生收縮而形成，對油氣起重要作用的是火成巖中的體積收縮縫)、礦物的相變作用(沉積巖中的碳酸鹽巖和粘土組成的礦物相變引起的體積減小而形成。水力破裂二、裂縫系統(tǒng)的分類成因分類產(chǎn)狀和幾何形態(tài)分類破裂性質(zhì)分類Stearns、Friedman、Nelson將裂縫具體分為成因分類和地質(zhì)分類。成因分類分為剪切裂縫、擴張裂縫和拉張裂縫；地質(zhì)分類分為構(gòu)造裂縫、區(qū)域裂縫、收縮裂縫、與表面有關(guān)裂縫。他們?nèi)说牧芽p分類方法，構(gòu)成了裂縫分類的基礎。范高爾夫一拉特根據(jù)裂縫的外貌和形態(tài)、尺度和開度以及可測量性歸納成描述準則的分類；依據(jù)構(gòu)造變形、應力狀態(tài)、地層巖性和厚度歸納成地質(zhì)準則的分類。概括起來他將裂縫劃分成兩類：(1)基于描述準則的分類；(2)基于地質(zhì)準則的分類。裂縫成因、力學性質(zhì)、充填物等裂縫特征一般分成兩大類八小類：(1)構(gòu)造裂縫，包括方解石全充填的張性裂縫、方解石半充填的張性裂縫、泥質(zhì)充填的壓扭裂縫、末充填的微細裂縫、構(gòu)造縫合線；(2)非構(gòu)造裂縫，包括成巖收縮網(wǎng)狀微裂縫、成巖縫合線、風化裂縫。不同研究角度出發(fā)，將裂縫分類可劃分為三類：(1)幾何學分類，基于裂縫尺度、產(chǎn)狀、形態(tài)、密度、開度以及可測量性。(2)地質(zhì)分類，基于構(gòu)造變形、應力狀態(tài)、地層巖性、地層厚度、地質(zhì)環(huán)境。(3)成因分類，基于實驗室的擠壓、擴張、拉張試驗所形成的剪裂縫、擴張裂縫、拉張裂縫。堅硬脆性巖石具有較多裂縫。粒度、成分、圍壓和孔隙度對巖石強度有直接影響。通過實驗室研究巖性與圍壓對裂縫發(fā)育的影響，探討油藏覆蓋層厚度與儲集層裂縫發(fā)育的關(guān)系，有助于研究油藏裂縫發(fā)育的特征。三、巖心裂縫觀測與分析1．巖心裂縫幾何參數(shù)的相關(guān)分析裂縫幾何參數(shù)：裂縫長度、寬度(即張開度)、傾角和方位)，從巖心裂縫觀測研究裂縫的發(fā)育特征，包括兩項基本工作內(nèi)容：(1)直接統(tǒng)計裂縫的幾何參數(shù)；(2)研究裂縫幾何參數(shù)間的相互關(guān)系。1)裂縫幾何參數(shù)的統(tǒng)計參數(shù)統(tǒng)計，掌握其變化的范圍及其分布特征通常采用頻率直方圖的形式。2)裂縫幾何參數(shù)間的相關(guān)性分析2．巖心裂縫密度和裂縫孔隙度的統(tǒng)計與分析裂縫密度：說明巖石破裂的程度。體積裂縫密度：體積裂縫密度指裂縫總表面積與基質(zhì)總體積的比值；面積裂縫密度：裂縫累計長度與流動橫截面上基質(zhì)總面積的比值；線性裂縫密度：指與一直線相交的裂縫數(shù)目對該直線的長度的比值，也叫裂縫率、裂縫頻率或線性裂縫率。裂縫孔隙度：裂縫總體積與巖石總體積的比值。計算方法1)基于理想模型的裂縫孔隙度和裂縫密度的估算(T．D．范高爾夫—拉特，1989)2)基于巖心模型的裂縫孔隙度和裂縫密度計算并假設：(1)計算段內(nèi)巖心柱鉛直；

(2)巖心柱內(nèi)裂縫面為一平面；

(3)裂縫寬度可測，寬度不可測的隱含裂縫不在計算范圍內(nèi)。裂縫孔隙度的表達式為：φf=∑SiWi/Vt裂縫體積密度的表達式為：Dvf≈∑Si/Vi裂縫線密度觀測統(tǒng)計的計算式為：Dlf=N/H式中Si——單一裂縫表面積，可由裂縫參數(shù)通過計算獲得；

Wi——巖心觀測的裂縫寬度；

Vt——計算單元內(nèi)的巖心柱體積，其值等于πD2H／4；

H——計算單元內(nèi)的巖心長度，通常為0.5m；

N——巖心單元內(nèi)觀測到的裂縫總數(shù)；四、基本概念1．裂縫孔隙度：裂縫孔隙體積/巖石總體積；2．基質(zhì)孔隙度：巖石基質(zhì)孔隙/巖石基塊體符號基塊孔隙度：巖石基塊孔隙/巖石總體積3．總孔隙度：總孔隙體積/巖石總體積4．

裂縫孔隙度分布指數(shù)（基塊孔隙度分布指數(shù)）（1）A型孔隙度分布（Vf=10-15%）：裂縫孔隙儲藏能力低，而原生的基塊孔隙儲油能力高，總它的儲量大，產(chǎn)量高，產(chǎn)量不降慢，穩(wěn)產(chǎn)時間長，但采收率較低。（2）B型孔隙度分布（Vf=40%-50%）：裂縫孔隙儲藏能力與基塊儲藏能力相當，儲量大，產(chǎn)量高，產(chǎn)量下降較慢穩(wěn)產(chǎn)時間較長，采收率高。

(3)C型孔隙度分布（Vf=95-100%）：油氣全部儲存在裂縫孔隙中，原生的基塊孔隙小儲藏油氣，儲藏能力較小，儲量小，在短時間內(nèi)，油氣產(chǎn)量特別高，采收率最高，但油氣產(chǎn)量下降快，穩(wěn)產(chǎn)時間短。華北A、B型之間Vf=33%四川：B、C型之間5．裂縫滲透率：只與裂縫寬度有關(guān)，假定裂寬為：，Kf

與裂寬平方成正比6．裂縫性巖石滲透率KK=Kf+Kb裂縫識別與評價

一、常規(guī)測井曲線對裂縫的響應二、真假裂縫的識別三、天然裂縫與人工誘導裂縫的識別四、裂縫的有效性的測井評價及參數(shù)計算五、測井資料探測裂縫的綜合分析及實例六、裂縫儲層的綜合評價七、裂縫發(fā)育規(guī)律及現(xiàn)代地應力場研究一、常規(guī)測井曲線對裂縫的響應1．SP（致密性的石灰?guī)r、白云巖）明顯異常。2．CAL（（井徑曲線）在裂縫發(fā)育帶，有明顯擴徑現(xiàn)象。橢圓井眼，定向擴徑。3．電阻率曲線R：（1）微側(cè)向測井電極系尺寸小，測量范圍小，貼井壁，對裂縫反映靈敏。明顯的微側(cè)向低阻異常。雙側(cè)向測井電阻率曲線雙側(cè)向的探測深度、探測范圍大，反映較大范圍內(nèi)的地層特征。總體致密層段比裂縫發(fā)育層段的電阻率高。由于深、淺側(cè)向探測范圍比微側(cè)差異較大，深淺電阻率的數(shù)值之間有差異，差異分為“正差異”和“負差異”，差異性質(zhì)和大小的影響因素較多，主要是受裂縫發(fā)育程度，裂縫角度，流體性質(zhì)因素的影響。裂縫發(fā)育程度：裂縫越發(fā)育的地方，雙側(cè)向的正差異一般越大。裂縫角度：高角度、垂直縫的雙側(cè)向差異明顯斜交縫的雙側(cè)向不明顯低角度縫、水平縫的雙側(cè)向為低阻尖峰。雙側(cè)向測井電阻率曲線流體性質(zhì)的影響：淡水鉆井液，地層中為油氣時，雙側(cè)向正差異；若地層中為水溶液時，差異較小。地應力集中的影響：現(xiàn)代地應力集中段，巖石致密，地層電阻率急劇上升，大大高于一般地層的電阻率。鉆井過程中，地應力釋放，造成該井段井壁沿最小主應力的方向坍塌，淺側(cè)向值明顯降低，深淺側(cè)向出現(xiàn)正差異。4.地層傾角測井（1)．FIL微電阻率曲線與方位曲線：地層傾角測井儀有多個極板，探測到垂直裂縫的機會較少，只有當極板位于裂縫前面時，才能根據(jù)微電阻率曲線的下降來判斷裂縫。如果井眼的橢圓是裂縫引起的，可以根據(jù)在橢圓長鈾方向上電阻率的下降，在與這—長軸方向垂直方位上相對較高的電阻率值來判斷可能裂縫。將相鄰兩極板的電阻率曲線進行重迭，根據(jù)重迭曲線的幅度差的大小來判斷裂縫存在的可能件。電導率異常檢測處理圖

另—種顯示裂縫的電導率異常檢測程序DCAA.電導率超過某一值B.各電導率之間有足夠的幅度差C.反映電導率異常的深度段大于某一值1號極板方位與井徑：當儀器上提時，由于電纜扭力的緣故，儀器要旋轉(zhuǎn)。儀器旋軸速度變慢、停止或反向旋轉(zhuǎn)，常表示可能存在裂縫。儀器走過裂縫段。將加速旋轉(zhuǎn)一段路程以釋放在裂縫段電纜累積的扭力。裂縫在井徑上的顯示常表現(xiàn)為：(1)在壓實地層處井眼直徑變小，這是因為有泥餅形成的緣故；(2)如果鉆井引起裂縫帶的井壁垮塌，則引起井徑擴大。利用地層傾角測井識別裂縫發(fā)育方向和裂縫

測量方位緊貼井壁進行測量，定向擴徑處測量互相垂直的兩個方向的井徑，精確度高。若兩極板垂直裂縫，則另兩極板擴徑。顯示特征①儀器出現(xiàn)非正常旋轉(zhuǎn)；②橢圓形井眼；③雙井徑不一致；④探測到裂縫處的極板出現(xiàn)低阻異常裂縫識別測井（FIL）把每相鄰的兩極板的微電阻率曲重迭記錄

1）雙井徑

2）極板方位曲線

3）4條微電阻率曲線把地層傾角顯示形式改變（相鄰的極板的RT曲線重疊記錄）電導率異常檢測（DCA）

識別原理：四個極板的方位角計算出來，檢測它的電導產(chǎn)生異常，對某一極板把它的電導率值與相鄰兩極板進行比較，裂縫處高值，某一極板的電導率-相鄰板電導率取最小差異值，把此值附加在該極板的方位角曲線上。5．

聲波時差AC

對垂直裂縫沒有反應對水平裂縫（低角度裂縫）能夠識別網(wǎng)狀裂縫將Δts與tc進行比較，如果tc不變而Δts增大時，就有可能是裂縫帶。聲波幅度：裂縫傾斜角與幅度衰減的實驗結(jié)果表明，幅度衰減很大，而橫波幅度則嚴重地受低角度縫的影響。

聲波變密度測井VDL

可以測出幅度衰減與傳播時差的大小。圖上用灰度級的大小來表示幅度的高低，顏色越淺說明幅度越低。在裂縫帶，由了裂縫面產(chǎn)生的反射與折射使VDT波形產(chǎn)生畸變且顏色變淺。聲波全波波形測井致密巖性段：波形完整（縱波、橫波、泥漿直達波、斯通利波）裂縫發(fā)育帶：波的幅度降低（縱波、橫波大大降低，到達時間滯后）斯通利波(Stoneley波)裂縫對Stoneley波的影響方式與裂縫對縱波或橫波的影響方式大不相同。聲能的損失主要是裂縫系統(tǒng)中運動的流體使井內(nèi)的壓力下降所引起的。因此，直達Stoneley波衰減，而反射Stoneley波產(chǎn)生。放射性測井6．DEN（RHOB）密度值↘密度孔隙度裂縫7．CNL（NPHI）補償中子，致密層數(shù)值接近于0。8．GR

裂縫處巖石滲透率K較好，地層中流體自由流動，可能沉淀放射性特質(zhì)致使在自然伽馬曲線上GR數(shù)值增大。-（油層-氧化鈾）自然伽馬推移測井確定裂縫發(fā)育段實例9.高頻電磁波測井水的電磁波傳播時間tplw一般遠大于骨架的傳播時差tplma例如，水的tplw為25到30ns／m，

泥巖的tpl值為7一16ns／m，

而骨架的tplma一般小于10ns／m，當儀器通過裂縫時，傳播時間會明顯地增加。同樣，相移角也呈明顯增加的趨勢，幅度衰減較厲害。其它測井方法（1）．成像測井：目前有探測井壁附近電阻率特性的地層微電阻率掃描測井(簡稱為FMS用灰度等級來表示-硬地層致密：高、裂縫、溶洞：低、黑。)以及探井壁的聲波反射特性的井下聲波電視(簡稱BHTV)兩種。到目前為止，還只有FMS與BHTV可以直接識別裂縫，其它方法都是間接的。在FMS圖象及BHTV圖象上都顯示有裂縫特征，那么就可以肯定裂縫的存在。裂縫中充填的低阻物質(zhì)在FMS圖象上顯示為深色圖象。成像測井：類似于CT，原理：類似井下超聲電視（既是發(fā)射探頭，又是接收探頭，定向掃描，只反映井壁的一個界面）。井眼周圍都能夠顯示出來（溶洞、裂縫、界面）環(huán)形聲波測井：裂縫存在時值是低值無：值是高值取心觀察：巖心嚴重破碎，在裂縫密度較小處(4500—4505m)，取心相對完整，見一條直劈裂縫裂縫性灰?guī)r成像測井響應特征成像測井：FMS圖像顯示為高導暗色正弦曲線，傾向155o，傾角88

o，ARI圖像顯示縫呈NE-SW異常反映裂縫沿NE—SW方向延伸較遠，DSI圖像有“斜”條紋及斯通利波能衰減，表明裂縫連通較好。（2）．井溫：如果泥漿與地層溫度有差異，則因為泥漿侵入裂縫將引起地層溫度的變化，使得溫度梯度受開裂縫的影響產(chǎn)生低溫異常。但注意不要將這種現(xiàn)象與天然氣所引起的溫度下降相混淆。除井壁圖象、井溫外，還有其它一些測井方法，如電纜地層測試資料等。二、真假裂縫的識別1.層界面和裂縫的鑒別層界面常常是一組互相平行的或接近平行的高電導異常，異常寬度窄而且均勻裂縫常與構(gòu)造運動和溶蝕相伴生，高電導異常不規(guī)則。2.縫合線和裂縫的鑒別縫合線由于壓溶作用形成的，一般平行于層理，一般不具滲透性。3.斷層條帶與裂縫的鑒別斷層面出有地層錯動，與裂縫較易識別。4.泥質(zhì)條帶與裂縫泥質(zhì)條帶的高電導異常一般平行于層面且較規(guī)則，遇到強烈的構(gòu)造運動時或揉皺變形才出現(xiàn)劇烈的彎曲，且寬窄變化不會較大；裂縫常與溶蝕孔、洞在一起，電導率異常寬窄變化很大。三、天然裂縫與人工誘導裂縫的識別1.鉆井過程中由于鉆具的震動形成的裂縫，十分微小且徑向延伸很短，F(xiàn)MI圖象有顯示，ARI圖象無顯示，容易識別。2.重鉆井液與地應力的不平衡造成的壓裂縫（1）1800差或接近1800差成對出現(xiàn)在井壁上。（2）一條高角度縫為主，兩側(cè)有羽毛狀的微裂縫（3）雙側(cè)向曲線上的雙軌現(xiàn)象（4）應力壓裂縫與井壁橢圓型崩落圖象的差別是后者兩側(cè)無羽毛狀微裂縫，且總在最小水平主應力方向上，與壓裂縫近似呈900關(guān)系。3.應力釋放裂縫在井壁上的特征可清楚地反映在FMI圖象上，是一組接近平行的高角度縫。裂縫面十分規(guī)則。容易與低孔高角度縫混淆識別的要點：1.誘導裂縫是地應力作用下產(chǎn)生的裂縫，只與地應力有關(guān)，排列整齊，規(guī)律性較強，天然縫常為多期構(gòu)造運動形成的，有遭遇地下水的溶蝕與沉淀作用，分布不規(guī)則。2.天然縫常因遭受溶蝕與褶皺作用，故裂縫面不太規(guī)則，且裂縫有較大的變化；誘導裂縫的縫面形狀較規(guī)則且縫寬變化較小3.誘導裂縫的徑向延伸較小，深側(cè)向測井電阻率下降不很明顯四、裂縫的有效性的測井評價及參數(shù)計算1．裂縫有效性評價裂縫的張開度來評價裂縫的有效性

常規(guī)測井主要用雙側(cè)向曲線的差異和電阻率值，根據(jù)圖版求張開度，但影響因素太多。應用FMI和ARI等成象圖，從裂縫在井壁上的

A：充填裂縫和張開裂縫的判別：張開縫以黑色的高電導異常出現(xiàn)；被方解石、石英等礦物充填的裂縫則以高電阻率異常出現(xiàn)，圖象特征為亮白色，容易與張開縫區(qū)分；泥質(zhì)充填縫為黑色，與有效縫難于區(qū)分，但在ARI成象圖上，低阻充填無效裂縫無反映。B．有效張開縫的判別完全被充填的裂縫是無效裂縫，但張開縫也不完全為有效縫

a:非滲透性的細微裂縫：被束縛水充填，不具有滲透性如：石灰?guī)r中的薄層構(gòu)造，眼球狀構(gòu)造中就有微細裂縫，被束縛水充填，電阻率較低，具有一定的孔隙度，自然伽馬值較低，常被測井誤認為是儲層，但成象測井圖上可清楚地反映出其非均質(zhì)巖石構(gòu)造的形態(tài)特征，從而加以排除。

b：無效和有效人工誘導裂縫的判別鉆具形成的微細裂縫均為無效裂縫。出現(xiàn)在致密層中的重泥漿壓裂縫是無效裂縫，單出現(xiàn)在滲透層中的則可能與天然裂縫裂縫連通成為有效縫。應力釋放縫為無效裂縫。裂縫的徑向延伸特性來判斷裂縫的有效性

裂縫的徑向延伸情況儲滲意義地層性質(zhì)電阻率比值深側(cè)向Rs淺側(cè)向RSRd/Rs徑向延伸小于0.5m人工裂縫無儲滲意義低孔石灰?guī)r大于8000大于3000小于5具有效孔石灰?guī)r大于8000大于1000徑向延伸為0.5—2.5m的淺裂縫無儲滲意義低孔石灰?guī)r8000-2000小于30005-11具有效孔石灰?guī)r大于1000小于1000徑向延伸大于2.5m的深裂縫有一定的儲滲意義低孔石灰?guī)r小于2000小于1000小于5具有效孔石灰?guī)r小于1000小于500裂縫的連通性和滲濾性判斷裂縫的有效性連通性評價的主要問題是區(qū)分天然裂縫和誘導裂縫，天然裂縫的有效性明顯優(yōu)于誘導裂縫，誘導裂縫一般較淺，位于井眼周圍的塑性形變層或進入彈性層內(nèi)，僅在FMI圖上可以看到，而有效的天然裂縫則可從FMI、ARI、DSI圖象上識別。裂縫的滲透性能綜合反映了裂縫的張開度、徑向延伸程度和彼此的連通程度，因此是評價裂縫的有效性最好的標志?？捎盟雇ɡ芰康乃p狀況來判斷裂縫滲濾性的好壞。

２．裂縫參數(shù)計算（1）用FMI信息計算裂縫參數(shù)

裂縫張開度

W=a?A?RXOb?Rm(1-b)W–裂縫寬度；

A-由裂縫造成的電導異常的面積；

Rxo-地層電阻率（一般為侵入帶電阻率）；

Rm-鉆井液電阻率；

a,b-與儀器有關(guān)的常數(shù)，其中b接近為零；裂縫孔隙度裂縫孔隙度

f=W

i?LiA/L??D

f–裂縫孔隙度；

W

i-第i條裂縫的平均寬度；

L

i-第i條裂縫在單位井段L內(nèi)（一般選為1m)的長度平均寬度；

D-井徑。（2）用雙側(cè)向測井信息估算裂縫參數(shù)

裂縫張開度—高角度裂縫

W=Rm

(Clls-Clld)/4107W–裂縫張開度，m；

Rm-鉆井液電阻率；

Clls

-淺側(cè)向電導率；

Clld

-深側(cè)向電導率；裂縫張開度—低角度裂縫

W=Rm

(Clld-Cb)/1.2106W–裂縫張開度，m；

Rm-鉆井液電阻率；

Cb

–基巖的電導率；

Clld

-深側(cè)向電導率；

裂縫孔隙度

氣層

f=

(Clls-Clld)/Cm(1/m)

油層f=

(Clls-Clld)/（

Cmf-Cw)

(1/m)

f–裂縫孔隙度；

Clls

-淺側(cè)向電導率；