理學(xué)裂縫研究的理論與方法

理學(xué)裂縫研究的理論與方法第1頁/共108頁一.前言二.天然裂縫研究三.人工裂縫研究四.結(jié)束語第2頁/共108頁一.前言

裂縫可分為人工裂縫和天然裂縫二大類，其存在特征是國內(nèi)外油田,特別是低孔低滲油田開發(fā)亟待解決的問題。對裂縫的了解程度常常決定著油田的開發(fā)效益。許多油公司在裂縫研究方面投入大量人力、物力，不斷提出新的裂縫研究理論、技術(shù)、方法，使可以認(rèn)識裂縫的油田種類越來越多，也從中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。可以說，我們所以不能正確地認(rèn)識某類油田的裂縫，是因為我們還沒有找到針對性的認(rèn)識方法。第3頁/共108頁二.天然裂縫研究(一).局域網(wǎng)微地震監(jiān)測(二).井壁裂縫三維延拓技術(shù)(三).撓曲度分析技術(shù)(四).古應(yīng)力場恢復(fù)技術(shù)(五).一些備用技術(shù)(六).目標(biāo)第4頁/共108頁(一).局域網(wǎng)微地震監(jiān)測1.理論2.局域網(wǎng)裂縫監(jiān)測技術(shù)3.微地震信號識別4.微地震定位5.微地震信號強度預(yù)測6.

局域網(wǎng)微地震監(jiān)測方法測試結(jié)果7.該技術(shù)在開發(fā)中后、期的應(yīng)用8.需要做的工作及先進(jìn)性第5頁/共108頁1.理論

該技術(shù)采用檢測地下微地震，統(tǒng)計地震發(fā)生幾率的方法研究裂縫分布輪廓。是國外提出的，用于油田開發(fā)前期的最新技術(shù)。微震發(fā)生過程可以寫為：（S1-S2）*SIN（2α）/2》τ0+μ（S1+S2-2p0）/2+μ（S1-S2）*COS（2α）/2(1)

這里,S1

，S2是最大，最小主應(yīng)力，α是在S1

、

S2所在平面內(nèi)，最大水平主應(yīng)力方向與層面法向的夾角。公式右側(cè)大于左側(cè)時，地層發(fā)生活動，微地震發(fā)生?？梢钥闯?應(yīng)力、地層壓力、夾角是判斷地層是否發(fā)生滑動的三個參數(shù)。地層壓力P0增加，致使右側(cè)值減小，使地層發(fā)生滑動的幾率增大。τ0是地層的固有強度，數(shù)值在幾兆帕至幾十兆帕，沿已有裂縫面發(fā)生錯動，τ0為零。這使沿已有裂縫面發(fā)生微震的可能性遠(yuǎn)大于完整巖石。這也是假定多數(shù)微地震沿已有裂縫發(fā)生的理論基礎(chǔ)。μ是層面間摩擦系數(shù)。第6頁/共108頁

2.局域網(wǎng)裂縫監(jiān)測技術(shù)

據(jù)這一理論，可以用微地震監(jiān)測方法測試未開發(fā)區(qū)的裂縫分布輪廓。美國科學(xué)家首先提出并使用了這個方法，在科恩縣取得了令人滿意的觀測結(jié)果。該次觀測使用由七個臺組成的微地震臺網(wǎng)，給出主干裂縫分布輪廓。經(jīng)與其它方法對比，證明該結(jié)果是正確的，與實際是相符的。第7頁/共108頁圖1.美國人在科恩縣取得的觀測成果

第8頁/共108頁

我們使用臨時拼湊起來的模擬臺網(wǎng)在中原戶部寨氣田也試驗了這一技術(shù)。由于該氣田處于開發(fā)后期，觀測結(jié)果是可以檢驗的。我們使用六臺小局域流動微地震臺網(wǎng)，該臺網(wǎng)一次觀測控制面積為2個平方公里，經(jīng)6次監(jiān)測覆蓋整個研究區(qū)。每次監(jiān)測的持續(xù)時間4小時。盡管使用的臺網(wǎng)存在各種不足，但觀測結(jié)果是令人鼓舞的。第9頁/共108頁

破裂的臨界強度由巖石本身的性質(zhì)決定，與激勵條件無關(guān)，只在作用達(dá)到破裂條件瞬間才會有微地震發(fā)生，因此微地震信號的強度也與激勵條件無關(guān)。而破裂發(fā)生的頻度是與激勵條件有關(guān)的，激勵強度越大，單位時間發(fā)生的微地震也越多。無激勵時的觀測需要持續(xù)更長的時間。第10頁/共108頁

局域網(wǎng)微地震監(jiān)測方法測試結(jié)果第11頁/共108頁第12頁/共108頁由等值線描繪的裂縫密度分布圖（圖4）中,等值線密集的地方為裂縫密度變化較快的位置，它不表示裂縫密度大，裂縫的密集程度僅由顏色表示。因此，等值線稀疏，顏色深的位置裂縫密度大，裂縫密度變化平緩，是相對有利的儲油、儲氣位置。據(jù)此分析，我們認(rèn)為，該構(gòu)造的頂部是一個變化平緩的高裂縫分布區(qū)，東側(cè)較西側(cè)變化慢，相對有利一些。局域微地震臺網(wǎng)監(jiān)測給出的這一結(jié)果為用其它方法研究該區(qū)裂縫設(shè)定了一個總體趨勢，使其它裂縫研究方法有一個既定的目標(biāo)。第13頁/共108頁第14頁/共108頁1.觀測分析結(jié)果與地質(zhì)研究結(jié)果相符

2.觀測結(jié)果與實際生產(chǎn)狀況有很好的一致性

3.觀測結(jié)果與斷層的影響趨勢對應(yīng)由實驗結(jié)果,我們有理由相信.如果我們使用整體局域網(wǎng),如果我們使觀測持續(xù)時間增長為幾天,如果我們采用數(shù)字傳輸,我們可以在新油田開發(fā)初期給出可信的油田裂縫分布輪廓。第15頁/共108頁7.該技術(shù)在開發(fā)中后、期的應(yīng)用

這一觀測技術(shù)也可以用于套管變形區(qū)監(jiān)測;熱驅(qū)前緣監(jiān)測;注水前緣監(jiān)測。在華北油田我們實驗了用微地震方法監(jiān)測注水前緣的可行性，結(jié)果是令人鼓舞的。第16頁/共108頁第17頁/共108頁第18頁/共108頁第19頁/共108頁

京430井位于京11-2斷塊上,從觀測結(jié)果可以看出:京18計,京367處于水淹區(qū),京367本來就是水井;京425,京415,京627處于注水見效區(qū);京628,京625,京418,京420井處于注水無效區(qū)。有效區(qū)產(chǎn)液是無效區(qū)的3.56倍,產(chǎn)油是2.6倍,產(chǎn)水是5.0倍。

第20頁/共108頁表2.京430井變壓注水效益對比

第21頁/共108頁第22頁/共108頁第23頁/共108頁第24頁/共108頁京344井第25頁/共108頁第26頁/共108頁8.需要做的工作及先進(jìn)性1).該技術(shù)的核心是微地震實時定位技術(shù)。目前，我們已取得了突破性進(jìn)展。

2).完善、研制一套局域網(wǎng)設(shè)備,如果希望精確確定裂縫的深度分布,則需研制一套包括一個井下地震儀的立體臺網(wǎng)。該臺網(wǎng)采用前端16位采樣，數(shù)字傳輸技術(shù)。地面采用無線傳輸，井下采用光纜傳輸。

3).研制配套的軟件包,針對不同的觀測目的,不同的地質(zhì)條件，使用不同的軟件。

4).如果使用三分向地震儀，還可以給出震源機(jī)制，精細(xì)描述裂縫形態(tài)。第27頁/共108頁(二).井壁裂縫三維延拓技術(shù)1.井壁裂縫三維延拓技術(shù)的理論依據(jù)2.單井井壁裂縫三維延拓處理結(jié)果3.全區(qū)在3400米深度的裂縫形態(tài)4.該項技術(shù)需要做的工作及先進(jìn)性第28頁/共108頁1.井壁裂縫三維延拓技術(shù)的理論依據(jù)

井壁裂縫三維延拓是依據(jù)井壁裂縫的測試結(jié)果,推斷近井區(qū)的裂縫分布的一種方法。來源于美國斯坦福大學(xué),是目前井周裂縫研究的最好方法。國內(nèi)，勝利油田，渤海油田都使用過該方法，并取得了很好的效果。我們使用油田傾角測井資料。按延拓理論給出井周250米范圍的裂縫相對密度分布。每口井給出四張圖：裂縫分布柱狀圖，高裂縫密集區(qū)分布圖，切片圖，及指示裂縫產(chǎn)狀的烏爾夫網(wǎng)圖。實際上，我們可以定量或半定量的給出所有等級的裂縫密度分布。例如,紅色點表示,在該點附近,125立方米范圍有10條以上的裂縫。第29頁/共108頁傾角測井圖第30頁/共108頁

圖形的顏色反映了該井整體裂縫密度特征，顏色越近藍(lán)色，裂縫密度越低。在顯示高裂縫密集區(qū)分布的圖中，顯示的裂縫相對密度的標(biāo)準(zhǔn)色由圖5給出，裂縫的相對密度分為10級,從左向右逐次增大,紅色是裂縫最密集的位置，從該圖可以看出高裂縫密集區(qū)相對于井孔的位置，可以判斷該井井位的正確性，打加密井、側(cè)鉆井的位置和方位。第31頁/共108頁第32頁/共108頁

裂縫方位和傾角由烏爾夫網(wǎng)圖表示，這是國際同行慣用的裂縫投影、分組的方法，表示結(jié)果簡單明了，僅用一個點就表示了一條裂縫。烏爾夫網(wǎng)圖的正上方是正北方向，沿圓周順時針方向表示裂縫面的傾斜方位，與該方向垂直的方向表示裂縫走向；自圓周向圓心分為0-90度，表示裂縫面的傾角。本研究區(qū)裂縫傾角多在30-60度范圍；優(yōu)勢傾向為南東向和北東東向，表示優(yōu)勢裂縫走向為北東向和北北西向。第33頁/共108頁第34頁/共108頁

把從所有井抽出的3400米深度的數(shù)據(jù)平面統(tǒng)一數(shù)據(jù)單位后，用專用程序合并在一個數(shù)據(jù)平面上，并按100X100的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化。網(wǎng)格化后的結(jié)果，在MATALEBE平臺上處理出研究區(qū)3400米深度的相對裂縫密度分布圖，裂縫分布梯度圖，該深度為戶部寨氣田的產(chǎn)層深度。分布梯度圖給出了裂縫密度發(fā)生變化的方向。第35頁/共108頁衛(wèi)351-1井第36頁/共108頁第37頁/共108頁第38頁/共108頁第39頁/共108頁部1-1井第40頁/共108頁第41頁/共108頁部1-3井第42頁/共108頁第43頁/共108頁各井在3400米深度的薄片分析

我們抽出各單井3400米深度的三維裂縫延拓結(jié)果,進(jìn)行裂縫密度分析,給出裂縫的相對密度分布。分析結(jié)果用偽彩色圖表示，相對裂縫密度由右側(cè)的色標(biāo)表示，向上裂縫密度變大。實際上，我們可以每隔5米給出一個裂縫分布平面。第44頁/共108頁部1-7第45頁/共108頁

部1-3第46頁/共108頁部6第47頁/共108頁部7第48頁/共108頁部1-12第49頁/共108頁3.全區(qū)在3400米深度的裂縫形態(tài)

全區(qū)在3400米深度的裂縫密度分布，反映了戶部寨氣田的氣層裂縫形態(tài)。研究其分布，對氣田開發(fā)有指導(dǎo)意義。由于有足夠多的測井資料，可以綜合分析井壁裂縫三維延拓資料,給出研究區(qū)區(qū)域裂縫平面分布。由于分析使用了井壁裂縫資料的延拓結(jié)果。鉆井密集的地方分析結(jié)果相對可靠，鉆井稀疏的地方分析可靠性變差。圖上用數(shù)字所標(biāo)明的井位是為了指示圖形位置，數(shù)字與表1中的井號對應(yīng)。區(qū)域裂縫平面分布由等值線圖和偽彩色圖表示。由戶部寨氣田裂縫相對密度分布圖可以看出,在北部、中部都存在一些較高的裂縫密度分布區(qū)。這些區(qū)是潛在的新井井位位置。南端也顯示出一個高裂縫密度分布區(qū)，它反映了斷層相交的影響，不確定是一個可以選用的井位。圖中的編號對應(yīng)著相應(yīng)的井位.

第50頁/共108頁裂縫密度等值線圖第51頁/共108頁

本研究區(qū)裂縫傾角多在30-60度范圍,百分之七十五的裂縫面傾角大于45度，高傾角占據(jù)優(yōu)勢；第52頁/共108頁

測試分析得到的低傾角裂縫部分反映了早期的擠壓作用，部分反映了非構(gòu)造裂縫的影響。優(yōu)勢傾向為南南東向（150-170），南東向（130-150）和北東東向（70-80）；表示優(yōu)勢裂縫走向為北東東向（60-80）,北東向（40-60）和北北西向（160-170）。第53頁/共108頁

裂縫走向和傾角反映了裂縫生成時的應(yīng)力狀態(tài),在同一個均勻應(yīng)力場作用下裂縫應(yīng)具有大體上一致的裂縫形態(tài)。三組不同走向的裂縫反映了應(yīng)力的不同作用方式，是與應(yīng)力分期相關(guān)的。研究區(qū)的裂縫可以大體分為三期。這為其它地質(zhì)研究所證實(東營組、上第三紀(jì)前、上第三紀(jì)末)。第54頁/共108頁

北東東走向(60-80)的裂縫與現(xiàn)今應(yīng)力場最大水平主應(yīng)力的方向基本一致，從應(yīng)力場演變過程可以判斷，這組裂縫是最新的裂縫。由于其走向與現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向大體一致，且傾角較大，裂縫面承受著僅相當(dāng)最小水平主應(yīng)力的最小的擠壓應(yīng)力作用，有最好的張開程度和導(dǎo)通性，是戶部寨氣田最有效的一組裂縫。第55頁/共108頁

北東（40-60）走向的裂縫與最大水平主應(yīng)力方向的偏差較小，應(yīng)具有一定的儲氣能力和導(dǎo)通度，是相對有效的一組裂縫。第56頁/共108頁

北北西（160-170）走向的裂縫應(yīng)該是早期裂縫，傾角很低，是在逆沖擠壓背景下形成的，屬于壓剪性裂縫。其走向已經(jīng)和現(xiàn)今應(yīng)力場的最大水平主應(yīng)力方向垂直，裂縫面上承受著最大的擠壓應(yīng)力作用，張開程度和導(dǎo)通度很低，是一組很少有效的裂縫。第57頁/共108頁1.對塊狀油田該技術(shù)是可信的,但對層狀油田,應(yīng)該考慮在不同的地質(zhì)介質(zhì)中裂縫的延拓差別。

2.做區(qū)域裂縫研究時應(yīng)該把同一地質(zhì)層面拼合在一起,而不是同一深度的層面。那樣會更真實的反映裂縫分布。第58頁/共108頁4.該項技術(shù)需要做的工作及先進(jìn)性1.進(jìn)一步完善延拓理論

2.配備一套高速計算機(jī)系統(tǒng)

3.完善從讀圖,各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,及計算結(jié)果的軟件包

4.該技術(shù)適用于油田開發(fā)中、后期,可做天然裂縫精細(xì)描述。是目前最為看好的裂縫研究方法。第59頁/共108頁(三).撓曲度分析1.撓曲度分析理論及優(yōu)越性

2.撓曲度分析實例13.龍虎泡、葡西、新站油田撓曲度裂縫預(yù)測

4.需要做的工作第60頁/共108頁

撓曲度方法與其它方法相比，在褶皺變形細(xì)節(jié)研究方面具有優(yōu)勢。如確定斜坡帶的次級隆起，小的局部褶皺。撓曲度分析方法還在具有垂直運動分量的裂縫檢測方面具有優(yōu)勢，如與傾滑，逆沖相關(guān)的裂縫分布。油田裂縫多與傾滑運動相關(guān)，因此有時撓曲度分析方法會取得很好的分析結(jié)果，得到其它方法不能替代的作用。撓曲度裂縫分析理論也是由美國斯坦福大學(xué)提出并發(fā)展了的地層裂縫分析理論，并在多種場合得到驗證。

第61頁/共108頁2.撓曲度分析實例1第62頁/共108頁3.龍虎泡、葡西、新站油田撓

曲度裂縫預(yù)測嫩4組第63頁/共108頁第64頁/共108頁第65頁/共108頁4.需要做的工作1).研制一套直接獲得界面深度的技術(shù)2).配套相應(yīng)軟件第66頁/共108頁(四).古應(yīng)力場恢復(fù)1.古應(yīng)力場恢復(fù)理論2.三維古應(yīng)力場模擬3.古應(yīng)力場恢復(fù)實例第67頁/共108頁1.古應(yīng)力場恢復(fù)理論

地下裂縫是在不同的地質(zhì)時代，在當(dāng)時的應(yīng)力場作用下形成的。恢復(fù)當(dāng)時的歷史應(yīng)力場，就可以判斷該期構(gòu)造的裂縫特征。古應(yīng)力場恢復(fù)是通過野外地質(zhì)考查,有依據(jù)的古運動分析,遵照歷史延革過程,按一定的準(zhǔn)則恢復(fù)特定歷史時期的應(yīng)力邊界,通過逼近和模擬進(jìn)一步判斷當(dāng)時的裂縫特征。第68頁/共108頁2.三維古應(yīng)力場模擬

三維應(yīng)力場數(shù)值模擬采用四面體十節(jié)點單元。為有更高的精度，使用的單元數(shù)近10萬個，并在區(qū)內(nèi)設(shè)置多條斷層（圖107）。模擬層數(shù)為9層，有7層給出結(jié)果。每層給出：最大，最小水平主應(yīng)力，最大剪切應(yīng)力，球形應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力方向，K值計6張圖。模擬使用Ansys通用非線性軟件。第69頁/共108頁

其中，K值圖反映裂縫的相對密度，K值大，裂縫的相對密度也大。據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則:K=(S1-S2)/(S1+S2

–2P0)

上式的分子是差異應(yīng)力，是生成裂縫的動力；分母是有效球形應(yīng)力，是阻止裂縫生成的作用力，該值越大，裂縫生成的幾率越高。因此，K值可以作為判斷地層裂縫密度分布的參數(shù)。該參數(shù)適合逆沖，平移，傾滑等與層面具有滑動趨勢的裂縫生成機(jī)制有關(guān)的裂縫密度分布；僅在判斷純拉張機(jī)制生成的裂縫密度時存在較大的誤差。但地下裂縫很少有純拉張裂縫。第70頁/共108頁3.古應(yīng)力場恢復(fù)實例第71頁/共108頁第72頁/共108頁第73頁/共108頁第74頁/共108頁第二K值第75頁/共108頁(五).一些備用方案1.地震勘探與波速測井資料的聯(lián)合反演該方法以沃爾什公式為依據(jù),反演裂縫與孔隙度分布。俄羅斯專家在這項研究中取得過好的成果。該方法適用于開發(fā)的中后期。第76頁/共108頁2.大地電磁測深與電導(dǎo)率測井的聯(lián)合反演該項研究可以給出裂縫及有利儲層的優(yōu)勢空間分布，適用于開發(fā)的中后期第77頁/共108頁3.重力勘探與地震勘探的聯(lián)合反演該方法可以給出某一界面下裂縫的二維分布。適用于開發(fā)前期第78頁/共108頁

（六）.研究目標(biāo)

緊跟國際先進(jìn)水平與動態(tài),開發(fā)新技術(shù)完善現(xiàn)有技術(shù)研究、配套針對不同種類,不同開發(fā)階段油田的裂縫研究理論第79頁/共108頁三.人工裂縫識別(一).國外研究現(xiàn)狀(二).國內(nèi)進(jìn)展(三).建議的研究方法(四).達(dá)到的目標(biāo)第80頁/共108頁(一).國外研究現(xiàn)狀

該項研究已有近二十年的歷史,研究理論和方法也幾經(jīng)變革，目前國外已達(dá)到實時監(jiān)測的水平。國外主要人工裂縫識別技術(shù)為：

1.單井井下人工裂縫監(jiān)測

2.多井井下人工裂縫監(jiān)測

3.井下地面組合觀測其中以第三種方法最為實用第81頁/共108頁法國CreatechIndustrie

提出了一個Miro-seismicimaging技術(shù),用放在淺層的永久性地震儀和放在井下的半永久性井下三分向地震儀，通過監(jiān)測微地震事件的方法進(jìn)行單井人工裂縫成象。被認(rèn)為是一項油田壓裂裂縫研究的新技術(shù)。淺層的地聽器起到重要的輔助作用。第82頁/共108頁放入作業(yè)井的井下地震儀第83頁/共108頁所使用的三類儀器第84頁/共108頁四維地震分析結(jié)果第85頁/共108頁光纜傳輸方式第86頁/共108頁該技術(shù)的優(yōu)越性1.永久淺地震臺網(wǎng)與單井人工裂縫成象的概念

2.四維立體地震臺網(wǎng)的新提法

3.前端數(shù)字化及數(shù)字傳輸

4.采用光纖通信技術(shù)這些技術(shù)對我們解決人工裂縫監(jiān)測問題,注水前緣監(jiān)測問題,熱采前緣監(jiān)測問題,套管變形區(qū)監(jiān)測問題有重要的參考意義第87頁/共108頁1.單井井下人工裂縫監(jiān)測

采用單井方法,主要是為了減輕作業(yè)負(fù)擔(dān),減少費用,為油田提供方便。以P波或S波偏振確定微地震相對觀測井的方位，以P、

S波時差確定微地震與觀測點的距離，從而確定微震源位置。在裸孔段中，該方法的觀測精度尚可接受；在套管井中，則誤差過大。第88頁/共108頁第89頁/共108頁第90頁/共108頁第91頁/共108頁2.多井井下人工裂縫監(jiān)測

該方法盡管有很多成功的實例，但由于現(xiàn)場工作量過大，僅有試驗意義，沒有實用價值。

第92頁/共108頁第93頁/共108頁3.井下地面組合觀測

單井的井下監(jiān)測局限性大，精度也不是很高。單獨的地面監(jiān)測，信號的質(zhì)量和真實性受到懷疑，且裂縫高度誤差不能容忍。二者結(jié)合起來，就可以取長補短，以井下信號作為鑒別信號真?zhèn)蔚臉?biāo)準(zhǔn)，以立體臺網(wǎng)進(jìn)行微地震定位，可以給出微地震精確的空間位置。而且增設(shè)地面臺站，并不會增加多少工作量。我們建議采取第三種方案，可以適應(yīng)不同條件下的觀測和人工裂縫識別。第94頁/共108頁(二).國內(nèi)進(jìn)展

國內(nèi)開展人工裂縫監(jiān)測已有若干年的歷史，目前還是以地面監(jiān)測為主。雖然進(jìn)行過一些井下觀測，但很少取得令人滿意的結(jié)果。近幾年，在計算機(jī)高度發(fā)展的條件下，開始推進(jìn)實時監(jiān)測技術(shù)，且已取得一些進(jìn)展。第95頁/共108頁文13-78井

該井在同一個下午同一個井段進(jìn)行了二次增壓注水實時監(jiān)測,二次間的時間間隔約二小時。每次實時記錄結(jié)果又進(jìn)行了自動識別。這使該井的對比資料完整?？梢钥闯?，二次監(jiān)測，裂縫長度相近，方位僅差1度。實時監(jiān)測和自動識別幾近相同。這表明，在裂縫監(jiān)測結(jié)果的可重復(fù)性，可對比性方面，國內(nèi)也取得了可喜的進(jìn)展。我們還需在可靠性和高度的精確度方面下大力氣。第96頁/共108頁文13-78井第一次實時監(jiān)測

第97頁/共108頁文13-78井第一次自動回放

第98頁/共108頁文13-78井第二次實時監(jiān)測

第99頁/共108頁文13-78井第二次自動回放

第100頁/共108頁(三).建議的方案和研究方法

一）.建議方案

1.我們建議采用單井（裸孔，套管）和地面臺站的組合方法。

2.采用GPS同步數(shù)字傳輸技術(shù)

3.井下采用水聽器串,光纜數(shù)字傳輸

4.前端采樣率為每秒一千次,16位采樣第101頁/共108頁第102頁/共108頁二).技術(shù)的先進(jìn)性1.GPS時間同步,沒有誤差累計,同步誤差為10