鉆井巖芯裂縫重定向方法研究

韋樂樂，程 鑫，劉秀婷，蘇海倫，樊文靜

(西北大學地質(zhì)學系大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

0 引言

研究儲層裂縫十分重要，目前，測井、地震、動態(tài)監(jiān)測等(吳光琳，1992;蒲靜等，2008;王海軍等，2011;唐誠，2013;閆生權(quán)等，2013)方法都應用于儲層裂縫預測中，但都有一定的使用條件，而巖芯是儲層裂縫的直接載體(Hailwood，1974;Bergosh et al，1987)。因此，通過測定黏滯剩磁分量來確定巖芯裂縫的原始方位是比較直接有效的方法，且不受地形、構(gòu)造等的限制(梁利平等，2012)。

1 裂縫古地磁重定向原理

裂縫重定向是基于巖芯定向的基礎，其原理是：在統(tǒng)計意義上，黏滯剩磁分量在地理坐標系中的方向與在地磁場中的方向相同;而原生剩磁方向與露頭同時代地層中原生剩磁方向相同(吳漢寧等，1996;楊斌誼等，2002，2003;溫博華，2007;屈洋，2009)。因此只需準確測量出低溫黏滯剩磁分量和高溫原生剩磁分量，將低溫分量旋轉(zhuǎn)到和現(xiàn)代地磁場方向一致，高溫分量和露頭或者前人已有的研究成果相對比，就可以恢復巖芯的原始方位。

研究主要探討垂直鉆井巖芯的裂縫定向方法，對于垂直鉆取的巖芯，只需知道其在水平方向轉(zhuǎn)動的角度，就可以恢復其原始方位。以低溫黏滯剩磁為例，對于巖芯坐標系的樣品，根據(jù)測定的剩磁分量相對于標志線的磁偏角，將低溫剩磁分量旋轉(zhuǎn)到現(xiàn)代地磁場方向，巖芯就得以定向，再根據(jù)裂縫走向與巖芯坐標系中坐標軸的關(guān)系，也就得到巖芯裂縫的走向(韋樂樂等，2013;周亞楠，2013)。巖芯坐標系中，裂縫走向與標志線X方向一致(圖1)，因此，測定的黏滯剩磁分量的磁偏角即為標志線與正北的夾角，即裂縫的走向。

圖1 巖芯坐標系與裂縫示意圖Fig.1 Schematic diagram showing core coordinate systems and fracture

2 巖芯裂縫定向方法

定向步驟主要包括樣品加工、測試及重定向3步。

2.1 樣品采集與加工

在實際采樣過程中，由于斷掉的巖芯頂?shù)酌娌黄秸仨數(shù)酌娣较蜚@取樣品時容易傾斜，結(jié)果誤差較大。另外，采樣時不能影響其他研究及采樣，因此不能按照巖芯坐標系采樣，一般采取的是垂直于裂縫在巖芯側(cè)面采樣，這樣就可以避免以上問題的發(fā)生。如圖2所示，裂縫與巖芯底面夾角為N，首先沿裂縫面向巖芯頂面畫一條標志線X'，垂直裂縫面鉆取樣品，由樣品頂指向底作為Z'軸，根據(jù)右手螺旋確定Y'，建立樣品坐標系。在室內(nèi)將樣品加工成直徑和高度都為2.54 cm的標樣，并將樣品坐標系平移到標樣上。

圖2 樣品采集示意圖與樣品坐標系Fig.2 Diagram showing sample collection and coordinate system

2.2 樣品測試

選擇合適的退磁區(qū)間，采用交變退磁或熱退磁方法進行退磁，退磁過程中要注意標樣的標志線方向，每次退磁后使用超導磁力儀進行剩磁測試。

2.3 原始方位恢復

對于垂直采樣的巖芯，要對裂縫定向，需要經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，將樣品坐標系中的剩磁分量轉(zhuǎn)化到巖芯坐標系中，在巖芯坐標系中求出剩磁的磁偏角，方可對裂縫重定向。兩坐標系關(guān)系如圖3，N為裂縫與水平面或巖芯底面的夾角，(X，Y，Z)為巖芯坐標系，(X'，Y'，Z')為樣品坐標系。

圖3 2種坐標系示意圖Fig.3 Schematic diagrams showing two coordinate systems

根據(jù)坐標轉(zhuǎn)化公式(1)(朱崗崑，2005;Butler，1992;Zhu et al，2001)進行坐標轉(zhuǎn)化。

式(1)中，a代表X的方位角，u代表X的傾角。對于巖芯坐標系和樣品坐標系，X軸的方位角a=－90°，傾角u=N，代入公式(1)進行計算，可得：

樣品坐標系下的(X'，Y'，Z')可以用剩磁測試后擬合所得到的磁傾角和磁偏角表示，在地磁場坐標系(圖4)中，D表示的是磁偏角，I表示磁傾角。在樣品坐標系中，一般將標志線X'設為地理北，剩磁測試后所得的磁傾角和磁偏角都是相對于標志線而言的，如此將樣品坐標系中的要素同地磁場坐標相對應，則(X'，Y'，Z')對應地磁場坐標中的(x，y，z)，設退磁后所得的磁傾角為A，磁偏角為B，則A對應I，B對應D。故可得式(3)、式(4)。

圖4 地磁場觀測點坐標系及地磁要素(據(jù)朱崗崑，2005)Fig.4 Diagram showing geomagnetic observation coordinate system and geomagnetic elements(after Zhu，2005)

將式(5)代入式(2)可轉(zhuǎn)化到巖芯坐標系，并可以計算巖芯坐標系的磁偏角D和磁傾角I：

對于巖芯坐標系中的磁偏角D，(1)當X≥0，即0°≤B≤180°時：

(2)當X≤0，即 180°≤B≤360°時：

將2種情況合并，則可得巖芯坐標系中磁偏角的計算公式：

對于垂直水平層鉆取的巖芯，在巖芯坐標系中，標志線X與裂縫的走向平行，因此轉(zhuǎn)化到巖芯坐標系中的磁偏角則可代表裂縫的走向。而磁傾角則是檢驗標準，通過資料查詢獲得現(xiàn)代地磁場在樣品采集地區(qū)的磁傾角，將轉(zhuǎn)化后的磁傾角與之對比，則可檢驗定向結(jié)果的可靠性。

通過測量裂縫與底面的夾角N，樣品坐標系下對測試結(jié)果進行主分量分析(Kirschvink，1980;Tan et al，1996)，并統(tǒng)計(Fisher，1953)同一條裂縫采集的標樣的磁偏角B和磁傾角A，計算坐標轉(zhuǎn)化后Y的大小(Y= －cosN·cosA·cosB+sinN·sinA)，根據(jù)式(6)和(7)則可得到裂縫的走向T(T=B)，通過式(8)進行驗證。

3 結(jié)論

(1)所探討的裂縫定向主要針對垂直鉆井巖芯，對于巖芯本身沒有特定的要求，比較簡單易操作。

(2)對巖芯上所有裂縫都按古地磁方法進行定向，就可獲得具體層位裂縫的整體趨勢，使巖芯地質(zhì)信息得以充分利用，為油田滲流實驗等提供依據(jù)。

(3)如果不是垂直鉆取的巖芯，則還需要根據(jù)井的傾斜角度再進行1次坐標轉(zhuǎn)換。

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