LZ地區(qū)致密砂巖儲層裂縫綜合預測方法及應用

王志萍，秦啟榮，蘇培東，范曉麗

（1.西南石油大學資源與環(huán)境學院；2.中國石化中原油田勘探開發(fā)科學研究院）

LZ地區(qū)致密砂巖儲層裂縫綜合預測方法及應用

王志萍1，秦啟榮1，蘇培東1，范曉麗2

（1.西南石油大學資源與環(huán)境學院；2.中國石化中原油田勘探開發(fā)科學研究院）

LZ地區(qū)儲層為低孔、低滲致密砂巖儲層，裂縫控制了儲層的儲滲空間和井的產(chǎn)能。通過對LZ地區(qū)的構(gòu)造特征及演化分析，并結(jié)合野外露頭資料對裂縫產(chǎn)狀進行分期配套，認為該區(qū)主要發(fā)育橫張縫、剪切縫以及斷層伴生縫和派生縫等構(gòu)造成因裂縫。針對以上3種構(gòu)造裂縫類型，分別采用構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應力場有限元模擬法、地震不連續(xù)性檢測法等對該區(qū)不同類型裂縫的分布進行了預測，并采用權(quán)重評價方法綜合這3種預測成果進行裂縫的綜合預測，即建立各預測方法的準確率與其影響因子之間的回歸函數(shù)，再根據(jù)預測方法的準確率確定權(quán)重系數(shù)，將不同方法的預測成果進行綜合權(quán)重計算，從而對研究區(qū)致密儲層的裂縫發(fā)育情況進行綜合預測，經(jīng)鉆井資料證實其預測效果較好。

裂縫綜合預測；構(gòu)造曲率法；古構(gòu)造應力場；地震不連續(xù)性檢測；四川盆地

儲層裂縫預測是石油地質(zhì)界的一個難題，至今還沒有一套行之有效的技術(shù)方法來解決該問題。目前，裂縫預測方法多種多樣，地質(zhì)方法主要應用巖心裂縫觀測描述[1］和野外露頭觀測描述等；測井方法主要應用裂縫的非均質(zhì)性在測井曲線上形成的異常（電阻率、密度、聲波波形、地層傾角）等來實現(xiàn)[2］；地震方法主要應用多場信息預測技術(shù)、多方位地震屬性預測裂縫技術(shù)、多分量與各向異性檢測技術(shù)[3］、裂縫邊緣檢測技術(shù)及裂縫非線性預測技術(shù)等；數(shù)學方法主要應用構(gòu)造應力場反演法[4-11］、有限單元法、分形幾何法[12］、灰色評判法、統(tǒng)計法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。但由于裂縫發(fā)育受到巖性、構(gòu)造應力場、巖層厚度等多種因素的影響，非均質(zhì)性強，因此每種預測方法均有其局限性。針對LZ地區(qū)致密砂巖儲層中裂縫特點，筆者提出了一套在地質(zhì)分析基礎(chǔ)上采用構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應力場有限元模擬法及地震不連續(xù)性檢測法等3種裂縫預測方法，將不同方法的預測成果綜合在一起，進行權(quán)重值計算，從而對各區(qū)塊裂縫的發(fā)育分布作出合理的評價。

1 區(qū)域概況

LZ地區(qū)位于四川盆地川中隆起北部斜坡帶，是川中隆起向川北坳陷延伸的一個低幅度鼻狀隆起帶的一部分，與梓潼—蒼溪鼻狀構(gòu)造帶和儀隴—平昌低緩構(gòu)造帶毗鄰（圖1）。LZ地區(qū)構(gòu)造主要由呈弧狀彎曲的擠壓性褶皺和旋扭性褶皺組成。中侏羅統(tǒng)千佛崖組儲層埋深達2 700～3 000 m，巖性以細粒石英砂巖、細粒長石巖屑砂巖、含鈣粗粉砂巖為主，次為介殼砂質(zhì)灰?guī)r，孔隙度為0.7%～2.5%，滲透率為0.008～0.1 mD，為典型的致密砂巖儲層。其儲集空間主要為孔隙和裂縫，其中裂縫為油氣提供了儲集空間，提高了儲層的滲流能力。在裂縫發(fā)育帶滲透率可達60 mD，這對于LZ地區(qū)致密砂巖儲層獲得高產(chǎn)具有重要意義。LZ地區(qū)裂縫類型多樣，既有構(gòu)造縫，也有成巖縫，其中以構(gòu)造縫為主，其傾角主要為15°～45°，裂縫充填程度不高，未充填縫占一半以上。

圖1 LZ地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置圖Fig.1 Regional structural location of LZ area

2 裂縫成因分析

裂縫成因分析是在研究區(qū)構(gòu)造特征及演化研究的基礎(chǔ)上，以裂縫構(gòu)造成因理論模型為指導，利用露頭資料對裂縫進行分期配套[13］，最終確定裂縫的形成期次和成因類型。裂縫構(gòu)造成因分析是儲層裂縫綜合預測的基礎(chǔ)，為合理采用不同的裂縫預測方法提供可靠的依據(jù)[14］。

LZ地區(qū)發(fā)育北東向、北西向和近東西向的褶皺。北東向褶皺是在印支期北東東向隆起背景上發(fā)育起來的；燕山運動中后期，在南北向構(gòu)造擠壓作用下，LZ地區(qū)形成了一系列近東西向的褶皺；喜山運動期，構(gòu)造應力的方向由近南北向轉(zhuǎn)變?yōu)槟掀飨颍中纬闪艘幌盗斜蔽飨虻鸟薨櫋Ｋ裕琇Z地區(qū)褶皺主要是在燕山后期和喜山期構(gòu)造應力作用下形成的。

根據(jù)構(gòu)造成因理論分析認為，伴隨2期構(gòu)造應力形成的裂縫系統(tǒng)主要與擠壓褶皺作用和斷層破裂作用有關(guān)。在燕山中后期南北向擠壓作用下形成的裂縫，主要為北東向與北西向平面“X”型剪切縫和近東西向的剖面“X”型剪切縫；在喜山期北東向擠壓力作用下形成的裂縫，主要為近南北向和近東西向的平面“X”型高角度剪切縫及北西向剖面“X”型剪切縫；在喜山期北東向應力的擠壓作用下，燕山期形成的北東向剪切縫開啟并形成橫張縫且規(guī)模變大；燕山期北西向裂縫和喜山期北東向裂縫在構(gòu)造應力的持續(xù)作用下發(fā)育為斷裂。

根據(jù)露頭資料對裂縫產(chǎn)狀的分析表明，LZ地區(qū)裂縫走向以北西向為主，北東向、近南北向、近東西向裂縫次之（圖2），裂縫以中—低角度縫和垂直縫為主（圖3）。構(gòu)造成因分析與裂縫類型進行對比認為：研究區(qū)發(fā)育燕山期北西向平面“X”型剪切縫、喜山期北西向剖面“X”型剪切縫、斷裂的派生縫和伴生縫，橫張縫局部地區(qū)發(fā)育，其它類型裂縫發(fā)育程度較低。

圖2 LZ地區(qū)裂縫走向玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of fracture strike in LZ area

圖3 LZ地區(qū)野外裂縫傾角統(tǒng)計Fig.3 Statistics of fracture dip in LZ area

3 裂縫預測

在裂縫成因類型分析基礎(chǔ)上，針對性地選擇構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法以及地震不連續(xù)性檢測法來綜合預測裂縫的分布。構(gòu)造曲率法主要預測橫張縫分布；古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法主要預測剪切縫的分布；地震不連續(xù)性檢測法主要預測斷層伴生縫及派生縫的分布。

3.1 構(gòu)造曲率法

由于曲率值可以反映彎曲巖層面上彎曲派生的抗張應力形成的張性縫，因此可利用構(gòu)造曲率法來預測張性裂縫的分布。本次主要采用了趨勢面擬合法來計算千佛崖組儲層的相對曲率值，預測結(jié)果（圖4a）中，Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)曲率值為22～31，裂縫發(fā)育程度好；Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)曲率值為13～21，裂縫發(fā)育程度中等；Ⅲ級裂縫發(fā)育區(qū)曲率值為1～13，裂縫發(fā)育程度差。千佛崖組儲層曲率值總體較小且分布不均勻，大部分地區(qū)曲率值小于4，說明張性縫在大部分地區(qū)不發(fā)育，僅在局部地區(qū)發(fā)育，如石龍場構(gòu)造區(qū)。這與研究區(qū)整體構(gòu)造變形強度不太相符。

3.2 古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法

古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法是在分析構(gòu)造特征和演化史基礎(chǔ)上建立地質(zhì)模型，綜合考慮儲層的巖性、厚度、巖石力學參數(shù)等，以有限元法建立數(shù)學模型，并以摩爾-庫倫準則為依據(jù)，計算巖石破壞接近程度，從而判斷儲層的巖體破裂程度，同時結(jié)合巖心資料和測試資料等對裂縫分布進行預測。在模擬中，用巖石破壞接近程度η值來表示巖體破裂的相對程度，也就是裂縫的發(fā)育程度。一般說來，η值越大，裂縫就越發(fā)育。目前，國內(nèi)外通過古構(gòu)造應力場來研究儲層裂縫發(fā)育程度還沒有統(tǒng)一的判別標準，所以，η值的選取主要是根據(jù)多年來在四川盆地的研究結(jié)果，并結(jié)合LZ地區(qū)構(gòu)造特征和已有的生產(chǎn)資料來確定。預測成果圖（圖4b）中，紅色區(qū)域為Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)，η值為1.203～1.303，巖體破裂發(fā)育，裂縫發(fā)育程度好；黃色區(qū)域為Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)，η值為1.125～1.203，巖體破裂較發(fā)育，裂縫發(fā)育程度中等；淺黃色區(qū)域為Ⅲ級裂縫發(fā)育區(qū)，η值為1.022～1.125，為巖體破裂發(fā)育臨界區(qū)，裂縫發(fā)育程度差。與生產(chǎn)井的資料進行對比可知，高產(chǎn)井一般位于預測結(jié)果的Ⅰ級和Ⅱ級區(qū)，而一般的生產(chǎn)井位于Ⅱ級和Ⅲ級區(qū)，Ⅲ級區(qū)主要是一些中低產(chǎn)井或干井。

圖4 千佛崖組裂縫預測平面圖Fig.4 Fracture distribution prediction of Qianfoya Formation

3.3 基于局部構(gòu)造熵的地震不連續(xù)性檢測法

基于局部構(gòu)造熵的地震不連續(xù)性檢測法分析技術(shù)，是運用相關(guān)性原理突出相鄰道之間地震信號的不連續(xù)性，進而達到檢測斷層和反映地質(zhì)異常特征展布為目的[15］。具有相同反射特征（振幅、頻率、相位）的區(qū)域呈相似性，相關(guān)值接近1，而在斷層、巖性變化的突變點則呈非相似性，相關(guān)值接近0。根據(jù)相關(guān)值高低的空間變化，能快速識別出斷層與裂縫的發(fā)育帶。因此，地震道之間信號相關(guān)值的大小是判別斷層或裂縫發(fā)育帶存在的一個重要標志。對本次地震偏移資料進行不連續(xù)性處理，并針對處理后的數(shù)據(jù)體提取千佛崖組時間范圍內(nèi)的平均值，以檢測層段內(nèi)部地震信號的不連續(xù)性，從而進行裂縫預測。該方法對斷層以及斷層附近的裂縫檢測效果較好。圖5為千佛崖組不連續(xù)性平均值平面分布圖，紅色表示不連續(xù)性高值，為Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫發(fā)育程度好；黃色表示不連續(xù)性中值，為Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫發(fā)育程度中等；藍—綠色表示不連續(xù)性低值，為Ⅲ級裂縫發(fā)育區(qū)，裂縫發(fā)育程度最差。從圖中可以看出不連續(xù)性高值主要分布在工區(qū)中部，表明斷層與裂縫發(fā)育，地震不連續(xù)性檢測法的預測結(jié)果與古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法預測結(jié)果一致。

圖5 千佛崖組不連續(xù)性檢測平均值平面分布圖Fig.5 Plane distribution of average value of seismic discontinuity detection of Qianfoya Formation

4 裂縫綜合預測及效果分析

4.1 裂縫綜合預測

儲層裂縫綜合預測主要由綜合構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法以及地震不連續(xù)性檢測法這3種預測方法的成果得來的。基于構(gòu)造曲率法原理，其預測的裂縫主要為張性縫；地震不連續(xù)性檢測方法由于地震分辨率低，預測的裂縫多為規(guī)模相對較大的裂縫或小斷層，而對規(guī)模較小的裂縫響應較差；古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法受模擬過程中巖石力學參數(shù)取值、邊界條件等諸多因素的影響，主要預測的裂縫為剪切縫。因此各種方法均有一定的局限性。根據(jù)各預測成果的準確程度，設(shè)定不同的權(quán)重系數(shù)，對不同預測成果進行權(quán)重分析，從而對各區(qū)塊裂縫的發(fā)育分布作出合理的評價。數(shù)學模型為：y=a1X1+a2X2+a3X3。式中，y可看作是總體測評目標；X1，X2，X3代表測評要素；a1，a2，a3為各個測評要素的權(quán)重系數(shù)。

其中以各井區(qū)的裂縫發(fā)育程度為總體測評目標，以3種方法的預測成果為測評要素，以3個預測成果的準確程度為權(quán)重系數(shù)。為了滿足數(shù)學模型的計算要求，需將定性分析結(jié)論進行量化以便定量計算，在預測成果中按裂縫發(fā)育程度分為好、中、差3類，分別賦予相應的權(quán)重，權(quán)重值越大，表示其裂縫發(fā)育程度越好。建立各預測方法的準確率與其影響因子之間的回歸函數(shù)，從而計算出各預測方法的準確率，再將其值進行歸一化處理后即得到權(quán)重系數(shù)值。曲率法預測準確率較低，權(quán)重系數(shù)值為15%；古構(gòu)造應力場有限元數(shù)值模擬法預測和地震不連續(xù)性檢測法預測的準確率較高，權(quán)重系數(shù)值分別為43%和42%。各種裂縫預測方法的測評要素值乘以其相應的權(quán)重系數(shù)，相加即得裂縫發(fā)育程度權(quán)重得分，得分越高，裂縫發(fā)育程度越好。計算結(jié)果如表1。

表1 裂縫發(fā)育程度權(quán)重評價表Table 1 Weight evaluation of fracture development

權(quán)重得分在2.3～3的區(qū)域為Ⅰ級裂縫發(fā)育區(qū)，這些區(qū)域其多種方法預測的結(jié)果相同，皆為裂縫發(fā)育程度高的區(qū)域，具有構(gòu)造褶皺強、曲率高、鄰近斷層、破壞強度大、不連續(xù)性高等特點；權(quán)重得分在1.73～2.3的區(qū)域為Ⅱ級裂縫發(fā)育區(qū)，這些區(qū)域其多種方法預測結(jié)果不同，顯示裂縫發(fā)育程度高或中等，具有構(gòu)造褶皺強、曲率高、距斷層近、破壞強度較小等特點（圖 6）。

圖6 千佛崖組裂縫綜合預測圖Fig.6 Synthetical fracture predication of Qianfoya Formation

4.2 預測效果分析

LZ地區(qū)主要經(jīng)歷了2次構(gòu)造運動，構(gòu)造運動的方式和強度比較容易確定，且有野外露頭驗證，構(gòu)造分析的結(jié)果可靠性很高，這為構(gòu)造應力場地質(zhì)模型的建立提供了可靠的邊界條件。因此，古構(gòu)造應力場有限元模擬法和地震不連續(xù)性檢測法的結(jié)果相對比較可靠，LZ地區(qū)構(gòu)造主要為擠壓型褶皺，易形成張性縫，用曲率法來預測張性縫是可行的。裂縫綜合預測成果與目前掌握的鉆井、測井和巖心資料基本相符（表2）。如裂縫發(fā)育區(qū)Sl10井千二段2 751～2 755.50 m放空0.25 m，說明地層中存在較大的縫、洞。

表2 千佛崖組裂縫發(fā)育情況統(tǒng)計表Table 2 Statistics of fracture developmentof Qianfoya Formation

5 結(jié)論

（1）LZ地區(qū)主要發(fā)育燕山期北西向平面“X”型剪切縫、喜山期北西向剖面“X”型剪切縫以及斷裂的派生縫和伴生縫，其它類型裂縫發(fā)育程度較低。

（2）在裂縫構(gòu)造成因分析的基礎(chǔ)上，針對性地選用了構(gòu)造曲率法、古構(gòu)造應力場有限元模擬法與地震不連續(xù)性檢測法，分別對裂縫進行了預測，再根據(jù)預測方法的準確率確定權(quán)重系數(shù)，將不同方法的預測成果進行綜合權(quán)重計算，從而對LZ地區(qū)侏羅系千佛崖組致密儲層的裂縫發(fā)育情況進行了綜合預測，已鉆井資料表明預測效果較好。

[1]Ameen M S，Buhidma I M，Rahim Z.The function of fractures and in-situ stresses in the Khuff reservoir performance，onshore fields，Saudi Arabia[J］.AAPG Bulletin，2010，94（1）：27-60.

[2]許同海.致密儲層裂縫識別的測井方法及研究進展[J］.油氣地質(zhì)與采收率， 2005，12（3）：75-78.

[3]楊克明，張虹.地震三維三分量技術(shù)在致密砂巖裂縫預測中的應用[J］.石油與天然氣地質(zhì)，2008，29（5）：683-689.

[4]周新桂，鄧宏文，操成杰.儲層構(gòu)造裂縫定量預測研究及評價技術(shù)[J］.地球?qū)W報，2003，24（2）：175-180.

[5]王國剛，蘇培東，秦啟榮.羅家寨構(gòu)造嘉陵江組嘉四2段底部裂縫預測[J］.巖性油氣藏，2009，21（4）：82-86.

[6]楊凱，郭肖.裂縫性低滲透油藏三維兩相黑油數(shù)值模擬研究[J］.巖性油氣藏，2009，21（3）：118-121

[7]王孟華，崔永謙，張銳峰，等.泥灰?guī)r裂縫儲層預測方法研究——以束鹿凹陷為例[J］.巖性油氣藏，2007，19（3）：110-119.

[8]葛善良，周文，謝潤成，等.復雜構(gòu)造變形地區(qū)致密巖石力學性質(zhì)實驗分析[J］.巖性油氣藏，2010，22（1）：59-64.

[9]Maerten L，Maerten F.Chronologic modeling of faulted and fractured reservoirs using geomechanically based restoration:Technique andindustryapplications[J］.AAPGBulletin，2006，90（8）：1201-1 226.

[10]陳波，田崇魯.儲層構(gòu)造裂縫數(shù)值模擬技術(shù)的應用實例[J］.石油學報，1998，19（4）：50-54.

[11]李虎，秦啟榮，王志萍，等.大邑構(gòu)造須二段儲層裂縫預測[J］.巖性油氣藏，2010，22（2）：107-115.

[12]黃捍東，魏修成，葉連池，等.分形邊緣檢測在裂縫預測中的應用[J］.石油地球物理勘探，2002，37（1）：65-68.

[13]徐開禮，朱志澄.構(gòu)造地質(zhì)學[M］.北京：地質(zhì)出版社，1998：111-118.

[14]童亨茂.儲層裂縫綜合預測方法在GBEIBE油田的應用[J］.中國石油勘探，2007，（3）：77-80.

[15]周艷輝，高靜懷.局部結(jié)構(gòu)熵算法在地震數(shù)據(jù)不連續(xù)性檢測中的應用[J］.煤田地質(zhì)與勘探，2007，35（1）：71-73.

Prediction method of fracture in tight sandstone reservoir and its application in LZ area

WANG Zhi-ping1， Qin Qi-rong1， SU Pei-dong1， FAN Xiao-li2
（1.School of Resources and Environment， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， China；2.Research Institute of Exploration and Development， Zhongyuan Oilfield Company， Sinopec， Puyang 457001， China）

The reservoir in LZ area is tight sandstone reservoir,and fractures control the reservoir spaces and well capacity.Based on the analysis of structural features and evolution,combined with the fracture divided period coordination on the basis of outcrop data,the tectonic origin of fractures is analyzed.It is considered that the fractures developed in the study area mainly are shear fracture,tensional fracture,associated and derived fractures with faults.The constructional curvature method,paleotectonic stress field finite element modeling method and seismic discontinuity detection method are applied to predict the different fractures respectively.The weight is adopted to evaluate the prediction results.It is to establish the regression function between the accuracy of the prediction method and its influencing factors,and then define the weight coefficient through the prediction accuracy and calculate the weights of the different prediction results.Finally it can be used to predict the fracture development in tight sandstone reservoir in the studyarea.The well drillingdata prove the good prediction effects.

synthetical fracture predication； constructional curvature method；paleotectonic stress field；seismic discontinuitydetection；Sichuan Basin

TE122.2+21

A

1673-8926（2011）03-0097-05

2011-01-17；

2011-02-20

國家科技重大專項（編號：2008ZX05001）資助。

王志萍，1981年生，女，西南石油大學在讀博士研究生，研究方向主要為儲層裂縫特征及預測研究。地址：（610500）四川省成都市西南石油大學研究生部博 09級。E-mail：wzp1209@163.com

楊琦）