定量表征变形带对流体注采效率影响的方法

摘要

本发明涉及的定量表征变形带对流体注采效率影响的方法，它包括建立高孔隙性断层带结构概念模型及高孔隙性均质地层概念模型；设定高孔隙性断层带结构概念模型中所发育变形带的宽度、条数和渗透率；计算不同条数、不同渗透率条件下，高孔隙性断层带结构概念模型的平均渗透率；利用注采效率和相对应的母岩与变形带渗透率的比值，建立定量表征变形带对注采效率影响的标准图版，定量分析研究区断层破碎带中变形带在不同条数、不同渗透率时对注采效率产生的影响，或根据实测变形带渗透率数据在标准图版上投点进行验证及预测，评价变形带对注采效率的影响。本发明通过建立定量评价变形带对注采效率影响的标准图版，提高了评价变形带对注采效率的准确性。

说明书

技术领域：

本发明涉及的是油气藏地质勘探与开发技术领域中的变形带发育对流体流动影响的表征方法，具体涉及的是一种基于达西定律和地质模型定量表征破碎带中变形带对流体注采效率影响的表征方法。

背景技术：

在含油气盆地中，断层在油气的运移、聚集以及开发过程中起着重要的作用。在实际地质条件下，断层不是一个单独的面，而是具有一定内部结构和宽度的“带”。断层带是经历多期构造运动和流体流动改造的复杂三维地质体，具有典型的“二元结构”，普遍发育断层核与破碎带。其中断层核是断层两侧岩体位移最为集中的部位，主要发育滑动面和断层岩。破碎带位于断层核两侧，主要是断层形成过程中伴生的次级构造，包括伴生褶皱构造、次级小断层、变形带、裂缝、端部过程带和连接部位的转换带。基于形成断层母岩的孔隙度，可将岩石划分为高孔隙性岩石（孔隙度>15%）、低孔隙性岩石（3%或5%<孔隙度<15%）和非孔隙性岩石（孔隙度<3%或5%）。不同孔隙性岩石在断层形成过程中，在构造应力和静岩应力的共同作用下，破碎带内伴生不同类型的次级构造。低-非孔隙性断层带的破碎带内由于破裂作用形成裂缝，高孔隙性断层带的破碎带内由于颗粒流作用、碎裂作用和微涂抹作用形成不同类型的变形带，如解聚带、碎裂带和层状硅酸盐带。

变形带的物性特征与裂缝具有明显的差别。同未变形的母岩相比，未被充填胶结的裂缝具有高渗透性，为低孔低渗地层有利的储集空间，并对流体流动具有明显的输导作用。但对于绝大部分变形带而言，同母岩相比，其渗透率均发生明显了降低，且不同类型变形带渗透率变化程度也不同。高孔隙性碎屑岩由于孔隙空间的存在，受力变形后颗粒在孔隙中发生旋转、平移、滚动和沿颗粒接触边界摩擦滑动（颗粒流作用），利用颗粒之间接触点传播和释放应力，若接触点处应力超过颗粒的破碎强度，则发生破碎（碎裂作用），若泥质含量较高，泥质促进颗粒发生摩擦滑动和旋转，而不发生破碎（微涂抹作用）。在这些变形机制下，未固结-半固结的高孔隙性纯净砂岩形成解聚带，解聚带同未变形母岩相比孔渗无明显变化或略有增高；固结成岩的高孔隙性纯净砂岩形成碎裂带，碎裂带渗透率一般降低1-5个数量级，最大可降低6个数量级以上；高孔隙不纯净砂岩形成层状硅酸盐带，层状硅酸盐带渗透率一般较母岩降低1-6个数量级。断层破碎带中发育低渗透性的变形带会影响流体的流动，进而影响流体的注采效率，且变形带渗透率较母岩的降低程度不同，对流体流动的影响作用也不同。因此，能够准确表征变形带对注采效率的影响至关重要，对油田开发过程中布井和提高采收率也具有重要的指导作用。

目前，国内外关于低-非孔隙性岩石中裂缝对流体流动的影响作用已经有了明确的认识和完整的表征方法，但针对于高孔隙性断层带中的变形带对流体流动的控制作用缺乏认识，同时，缺少定量表征变形带对注采效率影响的方法。

发明内容：

本发明的目的是提供定量表征变形带对流体注采效率影响的方法，这种定量表征变形带对流体注采效率影响的方法用于解决目前不能够准确认识和评价高孔隙性岩石中变形带的发育对流体流动控制作用和对注采效率造成影响的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种定量表征变形带对流体注采效率影响的方法包括以下步骤：

步骤一、建立高孔隙性断层带结构概念模型及高孔隙性均质地层概念模型；

步骤二、设定高孔隙性断层带结构概念模型中所发育变形带的宽度、条数和渗透率；

步骤三、计算不同条数、不同渗透率条件下，高孔隙性断层带结构概念模型的平均渗透率；

步骤四、利用注采效率和相对应的母岩与变形带渗透率的比值，建立定量表征变形带对注采效率影响的标准图版，定量分析研究区断层破碎带中变形带在不同条数、不同渗透率时对注采效率产生的影响，或根据实测变形带渗透率数据在标准图版上投点进行验证及预测，从而评价变形带对注采效率的影响。

上述方案中步骤一的具体方法:

a.高孔隙性断层带结构概念模型的建立：利用研究区岩心、野外露头或测井资料，明确高孔隙性断层带中破碎带的结构特征，变形带的发育情况，建立高孔隙性断层带结构概念模型，基于实际需要或井位设计资料，在该模型中设定注水点和采出点位置，二者之间的水平距离L，设定此模型中未变形母岩的渗透率为k=1000mD；

b.高孔隙性均质地层概念模型的建立：在均质的高孔隙性地层中，无变形带的发育，建立高孔隙性均质地层概念模型，此模型为对比模型，为了分析地层无变形带时的渗透率；设定高孔隙性均质地层概念模型中注水点和采出点距离同高孔隙性断层带结构模型中一致，长为L，设定地层的渗透率为k=1000mD；由于无变形带的发育，线性单项流体在高孔隙性均质地层概念模型中的流动是连续的，因此，高孔隙性均质地层概念模型的渗透率K为设定的地层渗透率，即K=k=1000mD。

上述方案中步骤二的具体方法:

a.设定单条变形带的宽度和条数：利用地质资料中的岩心、野外露头，实际测量单条变形带的宽度w，单条变形带的宽度为1mm，当研究区内无实际岩心、野外露头资料时，将变形带宽度w设定为1mm；由于破碎带内不同位置变形带的数量不等，需模拟不同条数的变形带对注采效率的影响，因此，在高孔隙性断层带结构概念模型中设定不同的变形带条数i；

b.设定单条变形带的渗透率值：根据变形带同母岩相比的渗透率降低程度，即二者渗透率相差的数量级，由相差0个数量级开始，逐渐增大数量级，依次随机设定变形带的渗透率值k_db。

上述方案中步骤三的具体方法:

a.计算高孔隙性断层带结构概念模型平均渗透率：基于非均质模型渗透率的计算公式，依次计算概念模型中，不同渗透率值的变形带在发育不同条数时，模型中注入点和采出点之间的平均渗透率K_fz（i,k_db），计算公式如下：

b.计算高孔隙性断层带结构概念模型的注采效率：注采效率E用于表征高孔隙性破碎带中发育变形带时注采情况与均质地层注采情况的差异，注采效率E为平均渗透率K_fz（i,k_db）与均质模型渗透率K的比值，分别计算变形带在不同条数i及渗透率值k_db时，模型的注采效率E（i,k_db），注采效率E（i,k_db）计算公式如下：

若地层中不发育变形带，为均质地层模型，模型渗透率等于设定的地层渗透率，此时注采效率等于E（0,k_db）=1。

上述方案中步骤四的具体方法:

基于均质模型中未变形母岩渗透率k与变形带渗透率k_db的比值与注采效率E（i,k_db）的关系，建立研究区不同条数、不同渗透率的变形带对注采效率影响的标准图版；标准图版建成后，在实际研究区中，对变形带和未变形母岩的渗透率值进行实测，并记录实际研究区破碎带中变形带发育条数，将未变形母岩和变形带渗透率的比值k_db/k及变形带条数i投点于标准图版中，定量判断该变形带对注采效率的影响。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明目的在于通过建立数值模型、定量计算在不同条件下模型渗透率的方法，建立了研究区定量评价变形带对注采效率影响的标准图版，提高了评价了变形带对注采效率的准确性。

2、本发明在建立研究区变形带对注采效率影响的标准图版的基础上，可直接将实测数据在图版上进行投点的方法，定量的判断实际研究区中变形带发育对注采效率的影响，高效的评价了研究区变形带对注采效率的影响。

3、本发明综合考虑了不同的变形带物性特征，以及高孔隙性破碎带中变形带的发育规模，建立了研究区变形带对注采效率影响的图版，判断变形带对注采效率的影响准确性高，将实测变形带渗透率和条数数据在应用图版上进行投点，即可预测变形带对注采效率的影响，较为方便，有效性好。

4、本发明可在实际开发工作之前，定量评价由于变形带发育造成的对注采效率的影响，判断变形带是否会严重影响注采开发的效率，更好的分析注采过程的收益率，对指导油田的布井开发具有一定的指导意义。

附图说明：

图1是本发明方法的步骤框图。

图2是本发明中高孔隙性断层带结构概念模型，在不同条件下，设定的模型中破碎带内发育变形带的数量不同。

图3是本发明中高孔隙性均质地层概念模型，模型中未发育变形带。

图4是本发明中保密案例中定量表征变形带对注采效率影响的标准图版。

图5是本发明中应用标准图版对保密案例中变形带发育对注采效率影响的预测，图中数字为实测变形带样品的编号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

这种定量表征变形带对流体注采效率影响的方法包括以下步骤：

第一步，建立概念模型；

1.高孔隙性断层带结构概念模型的建立：根据实际研究区的资料，明确高孔隙性断层带中破碎带的结构特征，如取心井岩心、野外露头，可通过实际观察描述明确高孔隙性断层带中破碎带的结构特征，进一步确定变形带的发育，若无实际取心或露头资料，可通过测井响应特征（RLLD、RLLS深浅侧向测井电阻率相对高值，但幅度差值变小，GR相对变小，SP异常变小等）确定变形带的发育；基于实际生产需要或原有井位设计资料，确定破碎带内注水点和采出点位置，得出二者之间的水平距离L（m）；建立高孔隙性断层带结构概念模型，如图2，破碎带内为多条贯穿的变形带，此模型中不考虑边界效应（稳压条件及井眼结构等）。发育变形带母岩均为高孔隙度高渗透率的岩石，因此，设定未变形母岩的渗透率为k=1000mD，流体注入点和采出点之间的距离为L（m），如L为50m；

2.高孔隙性均质地层概念模型的建立：在均质的高孔隙性地层中，无变形带的发育，建立高孔隙性均质地层概念模型，如图3，此模型为对比模型，为了分析地层无变形带时的模型渗透率。设定该模型中注水点和采出点距离同高孔隙性断层带结构模型中一致，即长为L（m），设定地层的渗透率为k=1000mD，由于无变形带的发育，线性单项流体在此模型中的流动是连续的，因此，该模型的渗透率K即为设定的高孔隙性地层渗透率k，即K=k=1000mD；

第二步，设定高孔隙性断层带结构概念模型中变形带的宽度、条数和渗透率；

1.设定单条变形带的宽度和条数：在高孔隙性断层带结构概念模型中，设定单条变形带的宽度w，单条变形带的宽度可通过岩心、野外露头等地质资料，实际测量获得。若当研究区内无实际岩心、露头等资料时，由于通过国内外大量研究表明，单条变形带的宽度一般为1mm左右，因此，可将变形带宽度w设定为1mm。设定变形带的条数i，破碎带内不同位置变形带的数量不等，对注采效率的影响也不同，因此，需要在模型中设定不同的变形带条数i，变形带最少发育1条，即i最小值等于1，最大值为一种理想情况下整个破碎带均发育变形带，即最大值等于破碎带宽度与变形带宽度的比值，其它值介于最小值、最大值中间随机设定，如i=1、10、20、50、100……等；

2.设定单条变形带的渗透率值：根据变形带同母岩相比的渗透率降低程度，即二者渗透率相差的数量级，设定变形带的渗透率值，由相差0个数量级开始，逐渐增大数量级，依次随机设定变形带的渗透率值k_db。通过国内外大量研究表明，变形带渗透率最多比未变形母岩降低5-6个数量级，因此本发明中选取相对常见的变形带较未变形母岩渗透率最大降低5个数量级。例如设定的未变形母岩渗透率k=1000mD，变形带渗透率相比母岩降低1、2、3、4、5个数量级，则可将变形带渗透率k_db设为100mD、10mD、1mD、0.1mD、0.01mD等；

第三步，计算高孔隙性断层带结构模型的注采效率；

1.计算高孔隙性断层带结构概念模型平均渗透率：基于非均质模型渗透率的计算公式，依次计算概念模型中，不同渗透率值的变形带在发育不同条数时，模型中注入点和采出点之间的平均渗透率K_fz（i,k_db），计算公式如下

如变形带条数i=1、渗透率k_db=100mD时，模型的平均渗透率K_fz（1,100）；变形带条数i=1、渗透率k_db=10mD时，模型的平均渗透率K_fz（1,10）；……；变形带条数i=100、渗透率k_db=100mD时，模型的平均渗透率K_fz（100,100）……。依次计算不同条数变形带在不同渗透率值时模型的平均渗透率K_fz（i,k_db）；

2.计算高孔隙性断层带结构概念模型的注采效率：注采效率E用于表征高孔隙性破碎带中发育变形带时注采情况（模型平均渗透率）与均质地层注采情况（模型渗透率）的差异。高孔隙性断层带结构概念模型中注采效率E为平均渗透率K_fz（i,k_db）与均质模型渗透率K的比值，注采效率E（i,k_db）计算公式如下：

即可得出高孔隙性断层带结构概念模型中一系列注采效率E（i,k_db）的值，即变形带在不同条数i、渗透率k_db时对模型注采效率的影响，若地层中不发育变形带，即均质地层模型，模型渗透率等于设定的地层渗透率，此时注采效率等于E（0,k_db）=1；

第四步，建立定量表征变形带对注采效率影响的标准图版；

计算高孔隙性断层带结构概念模型中未变形母岩渗透率k与第二步中设定的变形带渗透率k_db的比值，基于k/k_db与相应条件下注采效率E（i,k_db）的关系（未变形母岩渗透率k在第一步中设定，变形带渗透率k_db在第二步中设定，注采效率E（i,k_db）由第三步计算得出），建立研究区不同条数、不同渗透率降低程度的变形带对注采效率影响的标准图版，即横坐标为k/k_db，纵坐标为E，如图4；

标准图版建成后，即可定量分析研究区中变形带在不同条件下对注采效率的产生的不同影响。如图4，当注采效率接近1时，变形带对注采效率几乎无影响；当注采效率明显大于0且小于1时，说明变形带的发育降低了注采效率；当注采效率接近0时，说明变形带几乎阻止了注入流体的采出，注采效率极低。因此，若研究区破碎带中不发育变形带，为均质地层，注采效率E=1。若研究区破碎带中发育变形带，如图4，当变形带渗透率同母岩相比降低2-3个数量级时，开始导致注采效率明显降低，变形带条数越多，降低程度越大。例如破碎带中发育100条变形带，变形带渗透率同母岩相比降低3个数量级，则变形带的发育导致注采效率E降低约66%，降低到0.34。

在实际研究区中，标准图版建立后，可对变形带和未变形母岩的渗透率值进行实测，并统计实际研究区破碎带中变形带发育条数，通过插值的方法将实测值投点于标准图版中，即可定量判断实测变形带对注采效率的影响，如图5，椭圆形标记点为本发明保密案例中，破碎带内发育变形带的实测数据投点所得出的注采效率，即可定量分析实测变形带降低了注采效率，将注采效率最少降低了14%，最大降低了93%。

采取本发明对冀中坳陷过断层取心井J井中变形带对注采效率影响进行了评价，预测结果也得到了钻井岩心的证实。具体保密性实验如下：

案例为“冀中坳陷过断层取心井J井变形带对注采效率的影响”。案例涉及的研究对象位于渤海湾盆地冀中坳陷束鹿斜坡上，过断层取心井钻遇的断层为正断层，断点深度约为两千四百米左右，钻遇的地层为孔隙度普遍大于15%的高孔隙砂岩地层，取心中包含较为完整的断层带，其中包括完整的上盘破碎带、断层核及少部分的下盘破碎带。破碎带内普遍发育变形带，且破碎带内岩石含油性较好，可进行注水开发，但由于变形带的发育，可能影响对注水开发效率，但无法具体判断变形带对注采效率的影响，因此，利用“定量表征破碎带中变形带对流体注采效率影响的方法”对研究区取心井破碎带中发育的变形带进行了评价。

实验的基本条件：

研究对象为过断层取心井中断层带破碎带中发育的变形带，因此岩心资料丰富，可直接对变形带进行测量和实验，为本方法研究提供了全面的基础数据。

实验过程：

第一步，建立概念模型；

1.高孔隙性断层带结构概念模型的建立

根据过断层取心井资料可知，J井中高孔隙性断层带上盘破碎带中发育了大量的变形带，上盘破碎带宽度为20m。基于实际生产需要，初步假定破碎带内注水点和采出点位置，二者之间的水平距离L=50m，建立高孔隙性断层带结构概念模型，如图2，同时设定未变形母岩的渗透率为k=1000mD。

2.高孔隙性均质地层概念模型的建立

建立流体注入点和采出点距离长L也为50m的均质结构模型，如图3，该模型中为均质的高孔隙性地层，未发育变形带，设定未变形母岩的渗透率为k=1000mD，由于在均质的高孔隙性地层中，线性单项流体在模型中的流动时连续的，因此，得出该模型的渗透率K即为高孔隙性地层的渗透率k，即K=k=1000mD。

第二步，设定高孔隙性断层带结构概念模型中变形带的宽度、条数和渗透率；

1.设定单条变形带的宽度和条数

通过岩心实测变形宽度w为1mm，因此设定模型中单条变形带宽度w为1mm。模型中破碎带宽为20m，当破碎带内全部为变形带时，此时变形带发育条数最多，i_max=20/0.001m=20000条；当破碎带内仅发育1条变形带时最少，此时i_min=1，因此，可在1和20000之间随机设定i值，本保密案例中设定i=1、15、20、30、50、100、200、300、20000条。

2.设定单条变形带的渗透率值

根据变形带同母岩相比的渗透率降低程度，即渗透率相差的数量级，设定变形带的渗透率值，由相差0个数量级开始，逐渐增大数量级，依次随机设定变形带的渗透率值k_db。未变形母岩渗透率k=1000mD，该保密案例中变形带渗透率相比母岩最多降低5个数量级，因此，将变形带渗透率随机设定k_db=1000、100、70、50、20、10、5、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01mD。

第三步，计算高孔隙性断层带结构模型的注采效率；

1.计算高孔隙性断层带结构概念模型平均渗透率

基于非均质模型渗透率的计算公式，依次计算概念模型中，不同渗透率值的变形带在发育不同条数时，模型中注入点和采出点之间的平均渗透率K_fz（i,k_db），计算公式如下：

得出变形带在不同条数i和不同渗透率k_db时，模型的平均渗透率。如变形带条数i=1、渗透率k_db=100mD时，模型的平均渗透率K_fz（1,100）=999.82mD；i=15、k_db=100mD时，模型的平均渗透率K_fz（15,100）=997.307mD；……；i=300、k_db=0.1mD时，模型的平均渗透率K_fz（300,0.1）=16.395055mD；……；i=20000、k_db=100mD时，模型的平均渗透率K_fz（20000,100）=0.0249996mD；

2.计算高孔隙性断层带结构概念模型的注采效率

注采效率E（i,k_db）计算公式如下：

将第三步计算所得到的一系列平均渗透率K_fz与均质概念模型的渗透率K=1000mD相比，即可得出一系列注采效率E的值，即不同变形带条数i、不同变形带渗透率k_db时，模型不同的注采效率E（i,k_db），如变形带条数i=1、渗透率k_db=100mD时，模型注采效率E（1,100）=0.999820032；i=15、k_db=100mD时，模型注采效率E（15,100）=0.99730727；……；i=300、k_db=0.1mD时，模型注采效率E（300,0.1）=0.016395055……。

第四步，建立定量表征变形带对注采效率影响的标准图版

计算未变形母岩渗透率k（k=1000mD）与第二步中设定的变形带不同渗透率k_db（k_db=1000、100、70、50、20、10、5、2、1、0.5、0.2、0.1、0.05、0.02、0.01mD）相比，得出保密案例中变形带较母岩渗透率降低程度，即k/k_db=1、10、14.2857、20、50、100、200、500、1000、2000、5000、10000、20000、50000、10000。基于第三步中所计算出的一系列E（i,k_db）及相应条件下的k/k_db，建立保密案例中不同条数、不同渗透率降低程度的变形带对注采效率影响的标准图版，即横坐标为k/k_db，纵坐标为E（i,k_db），如图4；

保密案例中研究区的标准图版建成后，即可定量分析研究区中变形带对注采效率的影响。如图4，当注采效率接近1时，变形带对注采效率几乎无影响；当注采效率明显大于0且小于1时，说明变形带的发育降低了注采效率；当注采效率接近0时，说明变形带几乎阻止了注入流体的采出，注采效率极低。因此，若研究区破碎带中不发育变形带，为均质地层，注采效率E=1。而保密案例破碎带中发育变形带，如图4，当变形带渗透率同母岩相比降低2-3个数量级时，开始导致注采效率明显降低，变形带条数越多，降低程度越大。如破碎带中发育100条变形带，变形带渗透率同母岩相比降低3个数量级，即k_db=1mD时，则变形带的发育导致注采效率E降低约66%，降低到0.34。

在保密案例中，标准图版建立后，对变形带和未变形母岩进行了取样，对渗透率值进行实测，变形带的渗透率k_db为0.043484072、0.146351686、0.353723037、0.004473627、0.0105997、0.219369741、1.028876334mD，相应的未变形母岩的渗透率为3.05、36.8、192、13.1、1.01、33.6、298mD，因此变形带较母岩渗透率降低的程度k/k_db依次为70.140625、251.4491018、542.7975567、2928.272727、95.28571429、153.166065、289.6363636。同时实测实际研究区破碎带中变形带发育条数i=232条，通过插值的方法将7个实测值投点于标准图版中，如图5，即可定量判断变形带对注采效率的影响，椭圆形标记点为本发明保密案例中实测数据所投点出的注采效率，即可定量分析保密案例实测变形带对流体注采效率的影响，变形带将注采效率E最少降低了14%，降低到0.86（样品1）；最大降低了93%，降低到0.07（样品7）。通过实际岩心观察也可证实这一预测结果具有较高的准确性，样品1-6中，变形带两侧均含油，但一侧含油性好，另一侧含油性差，说明变形带阻碍了流体流动；样品7中，变形带一侧含油，另外一侧几乎不含油，说明变形带几乎阻止了流体流动。因此，该保密案例破碎带中变形带的发育会降低注采效率，小部分变形带几乎阻止注入流体的采出，不利于注采开发。