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1、油气藏裂缝模拟与评价,西 北 大 学 地 质 系 西安西大国林资源环境信息工程有限公司,裂缝在油气勘探与开发中的重要性,裂缝是油气藏中一种特殊的地质现象，它的存在改变了原有地质体的许多性质。 对于油气田勘探与开发，裂缝有非常重要的影响，主要表现在 （1）能够为油气运移与聚集提供有效的渗滤通道； （2）可以大大改善油气藏的储集性能，特别是对于深层油气藏、低渗透油气藏、复杂构造区来说，作用尤其明显。裂缝的发育，尤其是强烈构造变形区的裂缝发育改变了油气运、聚、散的分布规律，增加了油气藏勘探与开发的难度，因此，提高对裂缝发育规律的认识与评价，对于油气勘探与开发来说，就显得相当重要。,到目前为止，对裂缝
2、的评价方法的参数较多，并且不统一，难以进行判断对比分析。 从国内外研究现状来看，尚缺乏一个能全面解决构造裂缝定量预测问题的研究方法，对裂缝型油气藏预测及评价研究仍处于探索阶段。,目前国内外主要的裂缝建模方法,以地质力学为基础的裂缝 模拟与评价系统,地质力学评价裂缝的原理 主要工作步骤和工作流程 应用实例分析,裂缝评价模拟系统是基于岩体力学、地质力学、断裂力学的原理和理论，应用边界元分析技术，通过对野外露头、岩心、测井、地震资料综合分析与处理的基础上，建立实际与理论相结合的地质模型和数学模型，并与构造应力场的历史分析相结合，预测地下油气藏中裂缝的发育规模、强度、范围、方向和密度，从而判明地下油气
3、田的分布，为油气勘探与开发提供依据。,裂缝评价分析基本原理,三种裂缝类型 张开型(节理缝)：模型1 剪切型(剪切缝)：模型2、3,节理裂缝表面构造的露头照片及实验室模拟照片,裂缝间距与岩层厚度的关系（成比例）,层厚 1,层厚 4 层厚 3 层厚 2 层厚 1,层厚 2,层厚 3,层厚 4,实验模拟两组裂缝的结果,Angle = 90 degrees,Angle = 45 degrees,应力场与断层类型,主应力状态（安德森模式）vHminHmax, 或HminvHmax 或HminHmaxv (1) v最小时,为逆断层 (2) v为中间值时,为走滑断 层 (3) v最大时,为正断层,断层与裂缝
4、的关系(Moody和Hill模式）,裂缝方向确定的原理,根据区域构造的演化和本地区受板块运动挤压形成的古应力场变化，以及与该变化对应的地层沉积和断层形成，确定一至二个古应力场； 对每一个古应力场相对应的一组断层进行模拟计算，在每一观测点上计算出三个主应力方向。再根据岩石力学三轴饲服实验和库仑破裂准则，可以确定一组节理破裂方向和两组共轭剪切破裂方向； 在考虑一个古应力场时，共有3组可能的裂缝方向。利用成像测井资料对每一可能的方向进行标定，并确定一至两组最有可能的裂缝方向。,一组裂缝的相对年代,裂缝相对年代确定的理论依据：较完整的岩体上应力分布相对均匀，因而裂缝方向较为一致。而晚期的古应力场，受早
5、期裂缝分布的影响，局部主应力方向有较多变化，因而其产生的裂缝方向有很大的变化范围（离散度大）。 具体方法为：使用一组裂缝的倾角和倾向，计算方差值；再比较不同组裂缝的方差值，来决定裂缝组的相对年代。方差值越小，说明裂缝方向的离散性越小，因而年代较久远；反之，裂缝方向的离散度越大，裂缝年代较新。,主要工作步骤与流程,1、资料收集 区域地质、构造、地层等资料：用于确定区域地质发展史与古构造应力场变化； 常规测井与能谱测井资料、岩芯与露头观察：用于确定裂缝的主要发育规律与可能的分布方向及发育强度； 地震解释资料：用于确定构造形态、断层规模、数量、延伸方向等 油田压力、生产资料：用于分析裂缝对油气分布与
6、油气田开发的影响； 现代地应力测量资料：用于确定现代地应力场的分布及其强度； 声波测井及岩石力学实验资料：用于确定岩石体的力学特征，如弹性模量、杨氏模量、泊松比等； 储层物性资料：用于分析储层物性对岩石性质的影响。,2、地质认识 确定研究区的地层沉积格架，沉积体系与相类型，地层岩性变化等； 明确主要断层类型、延伸方向、相对年代，是否活跃，断层间相互关系； 确定研究区地层埋藏史、构造演化史、古应力场变迁等； 确定岩石物理和力学特征、分层结构，及其影响因素； 确定圈闭类型及其性质，同一层岩性随深度不同的变化规律； 了解古应力场与主要断层间的关系，现代应力场与裂缝张开闭合的关系.,3、模型建立 地质
7、模型按岩石力学特性建立分层地质模型。由于断层的存在和岩性、相带的不同，导致地质体在3维空间纵横向上存在明显的差异性。这种差异性对裂缝的发育与分布具有明显的控制作用，因此必须根据岩石体力学特征来对研究区进行分层、分区处理，建立不同区带的子模型和分层地质模型。 数学模型(1)不同子模型和分层模型内采用不同的力学参数和边界条件，如岩盐层按流体单元处理(即界面上存在张应力，不存在剪切应力)。(2)模型空间内等间距布置观测点，观测点多少由模型内分层数量而定，一般不超过50万点；(3)在断层面上布置三角单元，总单元数不超过4000个。,地质体分层处理与建模,一般使用的三维边界元方法只能把模型当成单一(均质
8、)的物体处理，其力学参数（如杨氏模量、泊凇比等)为常数，不能随坐标而变化。虽然有限元法可以解决这一问题，但因其单元为三维体，计算矩阵庞大，常规的计算以星期为单位，十分耗时。 边界元方法其单元为二维面，计算矩阵数据量减少一维，因此一个常规计算可在数小时内至数天内完成。同时，为解决力学参数在边界元方法中不能改变的问题，对油、气藏等地质体可进行分层建模处理，对各层使用不同的岩石力学参数。,Model 1 Model 2 Model 3a Model 3b,岩石性质及地质力学模型建立,Over- burden,Jurassic,Over- burden,Over- burden,Jurassic,Ju
9、rassic,古最大主应力方向,四种不同应力场的地质模型,每一层模型的不同边界条件,4、裂缝模拟 三维裂缝分布的模拟计算。由观测点的应力矩阵和应变矩阵计算主应力、主应变、体应变、最大剪切应力、最大差应力； 按库仑破裂准则和有关岩石的最大主应力差估算节理和共轭剪切裂缝的方向、密度等。,5、结果的有效性处理 为了校验模拟结果的有效性，可使用岩心、井下成像数据确定的裂缝密度、方向，分别对模拟结果约束校验。如果不符合，则改变古应力场方向模型进行重新计算，直到结果与已知条件一致为止。 同时还可以对模拟结果进行敏感性实验，以判断哪些因素对裂缝形成的影响较大。 6、裂缝模拟结果输出 利用三维图象软件输入模拟
10、文件和成果，如力学模型、断层分布、裂缝展布、裂缝方位等图件。,裂缝三维显示,裂缝三维显示,裂缝三维显示,工 作 流 程 简 图,结果输出,资料准备,地震解释,时深转换,断层有效性处理,3D 裂缝模拟,模拟结果输出,断层边界条件,建立力学模型,SEISWORK,裂缝方向分布,裂缝密度分布,裂缝和小断层的可视化,应用2 油藏模拟,应用 3 压裂驱油,Tectonic constraints,井标定,库仑破裂准则i,应用1 布井,输入资料 - 区域地质资料 测井分析成果 地震解释成果,输出 - 3D 裂缝密度 3D 裂缝方向 总的裂缝分布,Figure 3. Workflow for geomech
11、anical modeling.,实 例 分 析,实例1：使用露头资料验证裂缝模拟结果 实例2：裂缝模拟 实例3：裂缝模拟及钻井验证,2018/9/16,28,航拍 数字化裂缝 校正坐标 校正每一条裂缝 分析单组裂缝 确定裂缝原点和交点 建立实测裂缝模型 建立地质统计裂缝模型 建立地质力学裂缝模型 比较裂缝实测模型和预测模型,实例1：使用露头资料验证裂缝模拟结果,2018/9/16,29,400m,300m,2018/9/16,30,数字化处理露头图片,校正前,校正后,2018/9/16,31,第一、二组裂缝（注：节理）,2018/9/16,32,第三、四组裂缝（注：节理）,2018/9/16
12、,33,裂缝原点分布,组1-红色,组2-绿色,组3-粉色,组1-红色,2018/9/16,34,裂缝交点分布,组 2-3、2-4、3-4,组 1-2、1-3、1-4,35,实测裂缝的量化处理,裂缝密度=裂缝长/岩石面积(二维);=裂缝面积/岩石体积(三维),组1,36,用假想井建模与实测裂缝的比较,等间距布置假想井 改变井间距增加井数 模型包括: 4口井、 8口井、15口井、60口井,2018/9/16,37,实测模型及地质统计模型,地质统计模型,实测模型,4口井,8口井,15口井,60口井,38,60口井与精确模型比较,60口井 预测模型,实测模型,15口井,8口井,4口井,39,使用井下成像及岩芯资料建模的比较 （60、15口井）,井下成像资料或定向取芯资料,非定向取芯资料,40,假想水平钻井,Horizontal well provides more data Prediction is for only one layer Result depends on distance,41,假想水平钻井与精确离散模型的比较,实测模型,预测模型,使用地质力学方法及大裂缝预测的裂缝分布,实测与预测模型的结果对比,实测裂缝模型,由此可见,在地质勘探中地质力学方法更接近实际情况,(“实际裂缝分布”),(“地震解释和预测结果”),
