一种井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法

摘要

本发明提供一种井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法，由于考虑到了井区碳酸盐岩的种类以及不同类型的井区碳酸盐岩的岩性，可以准确的确定井区碳酸盐岩储层裂缝的连通性，确定井区碳酸盐岩储层裂缝的层间穿透性，克服了现有的低密度井区碳酸盐岩储层裂缝建模和预测的瓶颈效应，为低渗透油气藏的勘探开发提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法，属于石油钻井技术领域。

背景技术

随着油气资源勘探开发逐渐由东部向西部、由常规储层向非常规储层的转变，寻找裂缝性油气藏已成为热点，如何预测裂缝的空间分布，并定量表征裂缝参数是石油地质研究的前沿问题。与其它储层相比，碳酸盐岩储层往往形成于海相环境中，地层横向分布稳定，但层间泥质隔层和岩性的变化常造成力学性质的空间差异，受构造运动的影响裂缝分布非均质性强，且相对其它类型的油气田钻井密度相对较低，给碳酸盐岩油气藏的开发带来很大困难。

目前基于地质力学理论进行的低密度裂缝空间的预测方法忽略了岩性界面处的力学性质及应力分布的复杂性，使得对低密度井区碳酸盐岩储层的裂缝建模和空间连通性确定上遇到了瓶颈。

发明内容

本发明提供了一种井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法，该确定方法针对碳酸盐岩的种类选择相应的破裂准则，可以准确的确定井区碳酸盐岩储层裂缝的空间连通性。

本发明提供一种井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法，包括以下步骤：

1)根据井区碳酸盐岩储层裂缝的造缝期，获取井区碳酸盐岩在所述造缝期时的应力参数；

2)根据所述应力参数建立所述井区碳酸盐岩的层状地质力学模型；

3)根据所述层状地质力学模型获取所述井区碳酸盐岩在所述造缝期时的校正力学参数；

4)根据所述应力参数以及所述井区碳酸盐岩的类型，确定所述井区碳酸盐岩的破裂准则；

5)根据所述校正力学参数和所述破裂准则获取所述井区碳酸盐岩的破裂应力；

6)根据所述破裂应力获取所述井区碳酸盐岩储层裂缝的理论倾角；

7)根据所述理论倾角确定所述井区碳酸盐岩储层裂缝的理论连通性。

如上所述的确定方法，其中，步骤7)之后还包括：

根据所述层状地质力学模型和所述校正力学参数建立三维古应力场分布模型；

根据所述三维古应力场分布模型、能量守恒定律和最大应变能密度理论获取所述井区碳酸盐岩储层裂缝的实际密度和实际开度；

根据所述实际密度和所述实际开度获取所述井区碳酸盐岩储层裂缝的实际长度；

根据所述实际密度、所述实际开度和所述实际长度确定所述井区碳酸盐岩储层裂缝的实际连通性；

当所述理论连与所述实际连通性之比大于90％时，所述理论连通性满足第一需求。

如上所述的确定方法，其中，步骤4)还包括：

三向应力状态下，若所述井区碳酸盐岩中的层状地层的水平张应力σ3与岩性界面的夹角为45°-75°，所述层状地层的破裂准则为拉张-剪切复合破裂准则。

如上所述的确定方法，其中，三向应力状态下，若所述井区碳酸盐岩中的层状地层水平压应力σ1与岩性界面的夹角为45°-75°，所述层状地层的破裂准则为莫尔-库仑剪切准则。

如上所述的确定方法，其中，步骤4)还包括：

三向应力状态下，若所述井区碳酸盐岩中的基岩的状态为破裂状态，且所述基岩的水平张应力σ3＜0，σ3与岩性界面夹角为0-45°，则所述基岩中的脆性岩石的破裂准则为格里菲斯破裂准则。

如上所述的确定方法，其中，步骤4)还包括：

三向应力状态下，若所述井区碳酸盐岩中的基岩的状态为破裂状态，且所述基岩的水平张应力σ3＜0，σ3与岩性界面夹角为0-45°，则所述基岩中的软弱岩石的破裂准则为麦克林托克和瓦尔斯修正的格里菲斯破裂准则。

如上所述的确定方法，其中，步骤4)还包括：

三向应力状态下，若所述井区碳酸盐岩中的基岩的状态为破裂状态，且所述基岩的水平压应力σ1与岩性界面夹角为0-45°和75°-90°，则所述基岩中的脆性岩石的破裂准则为两段式莫尔－库仑破裂准则。

如上所述的确定方法，其中，步骤4)还包括：

采用德鲁克-普拉格屈服准则确定所述基岩的状态。

如上所述的确定方法，其中，步骤1)之前还包括：

收集研究区地震解释剖面，采用构造平衡剖面法恢复断距和二维褶皱形态，确定所述井区碳酸盐岩储层裂缝的所述造缝期。

如上所述的确定方法，其中，所述获取井区碳酸盐岩在所述造缝期的应力参数包括以下：

采用构造形迹法统计共轭裂缝夹角平分线方位，确定所述井区碳酸盐岩储层中不同层位的所述井区碳酸盐岩在所述造缝期的最大主应力方向；

将所述井区碳酸盐岩储层中不同层位的所述井区碳酸盐岩制成多种标准柱塞样，将所述标准柱塞样通过岩石破裂声发射法测试凯赛尔点，获得不同层位的井区碳酸盐岩在造缝期的古应力值。

本发明的井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法，由于考虑到了井区碳酸盐岩的种类以及不同类型的井区碳酸盐岩的岩性，可以准确的确定井区碳酸盐岩储层裂缝的连通性，确定井区碳酸盐岩储层裂缝的层间穿透性，克服了现有的低密度井区碳酸盐岩储层裂缝建模和预测的瓶颈效应，为低渗透油气藏的勘探开发提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面对本发明实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一些实施方式的井区碳酸盐岩储层裂缝连通性确定方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，对于储层裂缝的预测研究主要集中在以下几个方面：

(1)基于地质分析对天然裂缝参数进行估算，前人多通过对野外露头、钻井岩心、薄片分析进行裂缝参数的描述和统计，并提出了裂缝孔隙度、渗透率、裂缝体密度以及裂缝强度的定性计算方法。当前工业CT扫描技术已被成功引入石油工程领域，可以实现高分辨率裂缝三维成像及裂缝参数准确表征，并能直观展示微裂纹从萌生、扩展到贯通的破坏过程，是对常规裂缝识别和表征手段的很好补充。

(2)从构造特征来探讨构造主曲率与裂缝发育的关系，建立裂缝岩体的力学模型，探讨褶皱和裂缝参数间的关系，但曲率法只针对脆性岩石的张裂缝适用，没有考虑软弱岩石的塑性变形，具有一定的局限性。

(3)从构造应力场入手，应用岩石破裂准则和数值模拟方法，建立应变能、破裂率、裂缝频率以及裂缝体密度之间的定量化预测模型。此方法开始于20世纪90年代，以丁中一、钱祥麟等提出的脆性砂岩构造裂缝定量建模的二元法为代表，显示了相对较好的应用实践效果；周新桂、戴俊生等建立了脆性砂岩单向和三向挤压应力状态的裂缝参数定量计算模型，在岩石发生断裂时释放的应变能等于新增裂缝的表面能量的前提下，实现了单期裂缝密度、开度等参数的三维空间预测，简化了裂缝面摩擦耗能和塑性变形能，但是所采用的地质模型和力学模型都是基于均质体建立的，没有过多的考虑早期裂缝和岩石强度非均质性影响。曾联波、童亨茂、赵文韬等也分别提出了基于裂缝成因解析的储层综合表征方法，对影响低渗透致密砂岩裂缝发育的综合因素以及力学强度的非均质性进行了探讨。

(4)应用多元统计方法和随机插值法建立离散裂缝网络模型(DFN)，该模型能够充分综合地震、测井、地质、钻井、生产等资料，对裂缝系统从几何形态到渗流行为进行逼真细致地描述，但模型的精度取决于基础资料和裂缝主控因素分析的可靠度。

(5)应用地球物理资料进行裂缝识别和表征，如基于测井、地震资料，采用先进技术方法进行单井裂缝长度、密度、宽度、孔隙度、渗透率和平面上裂缝方位、密度的表征，是目前裂缝识别和预测的常用手段，但该方法仍处在定性(或半定量)的研究阶段，识别精度常受到多种因素的影响。

基于以上，本发明提供了一种井区碳酸盐岩储层裂缝连通性的确定方法。图1为本发明一些实施方式的井区碳酸盐岩储层裂缝连通性确定方法的流程图。如图1所示，本发明的确定方法包括以下步骤：

S1：根据井区碳酸盐岩储层裂缝的造缝期，获取井区碳酸盐岩在造缝期时的应力参数；

S2：根据应力参数建立井区碳酸盐岩的层状地质力学模型；

S3：根据层状地质力学模型获取井区碳酸盐岩在造缝期时的校正力学参数；

S4：根据应力参数以及井区碳酸盐岩的类型，确定井区碳酸盐岩的破裂准则；

S5：根据校正力学参数和破裂准则获取井区碳酸盐岩的破裂应力；

S6：根据破裂应力获取井区碳酸盐岩储层裂缝的理论倾角；

S7：根据理论倾角确定井区碳酸盐岩储层裂缝的理论连通性。

本发明中，在S1之前还包括：收集研究区地震解释剖面，采用构造平衡剖面法恢复断距和二维褶皱形态，确定井区碳酸盐岩储层裂缝的造缝期。

具体地，上述剖面尽量垂直于主体构造走向，上述剖面包含目的层和断裂解释结果。上述造缝期为构造强烈活动期或关键造缝期。

S1中获取井区碳酸盐岩在造缝期的应力参数包括以下：

采用构造形迹法统计共轭裂缝夹角平分线方位，确定井区碳酸盐岩储层中不同层位的所述井区碳酸盐岩在造缝期的最大主应力方向；

将井区碳酸盐岩储层中不同层位的井区碳酸盐岩制成多种标准柱塞样，将标准柱塞样通过岩石破裂声发射法测试凯赛尔点，获得不同层位的井区碳酸盐岩在造缝期的古应力值。

上述获得古应力值具体包括：对井区碳酸盐岩储层按照不同层位进行采样，每个层位分别取4块碳酸盐岩样品，碳酸盐岩样品的长轴方向与井区碳酸盐岩储层的长轴方向基本相同，在实验室内将不同层位的碳酸盐岩样品分别加工成50×25mm的标准柱塞样；

将标准柱塞样通过岩石破裂声发射法测试凯赛尔点，根据凯赛尔点计算出相应的古应力值，选出最大值代表造缝期的最大主应力值，并求取每个层位的碳酸盐岩样品的应力平均值。

S2具体为：根据上述所收集的深度域地震解释结果建立研究区目的层段构造的地质模型。

S3具体为：a、对井区碳酸盐岩储层按照不同的岩性进行水平间隔采样，间隔为45°，井区碳酸盐岩储层按岩性包括砂岩和泥岩，一般每种岩性的井区碳酸盐岩样品取6块，井区碳酸盐岩样品的长轴方向垂直于井区碳酸盐岩储层的长轴方向，将不同层位的井区碳酸盐岩样品在实验室内加工成50mm×25mm的标准柱塞样；

b、每种岩性的井区碳酸盐岩样品选取1块在MTS真三轴岩石力学仪上进行单轴加载实验，测试获得井区碳酸盐岩样品的单轴抗压强度、屈服强度、泊松比、弹性模量；

c、每种岩性的井区碳酸盐岩样品选取1块在直剪岩石力学仪上进行直接剪切实验，测试获得井区碳酸盐岩样品的单轴抗剪强度；

d、每种岩性的井区碳酸盐岩样品选取1块在进行巴西劈裂实验，测试获得岩石的单轴抗张或抗拉强度；

e、根据关键造缝期，结合研究区地层埋藏史图，获取井区碳酸盐岩样品的古埋深，计算井区碳酸盐岩样品上覆地层围压范围，每隔5-10Mpa设置围压等级，每种岩性的井区碳酸盐岩样品选取3块在MTS真三轴岩石力学仪上进行真三轴加载实验，测试获得井区碳酸盐岩样品的三轴抗压强度、屈服强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角、内聚力；

f、选择测井解释模型，对杨氏模量、泊松比、密度等动态岩石力学参数进行垂向连续解释，并与岩石力学实验结果进行动-静态校正，以获得校正力学参数，该校正力学参数为更真实的地层静态力学强度参数；

g、按照步骤a，钻取井区碳酸盐岩储层岩性界面附近的井区碳酸盐岩样品，加工成标准柱塞样，沿着岩性界面方向进行巴西劈裂实验和直接剪切实验，获得岩性界面处井区碳酸盐岩样品的抗张强度、摩擦系数、抗剪强度。

井区碳酸盐岩储层一般由灰岩、白云岩、泥质灰岩和泥岩组成，表现为层状复合岩石特征，深层条件下，泥质灰岩和泥岩具有一定的塑性变形特征，会导致井区碳酸盐岩储层的整体破坏具有强烈的非均质性，本发明针对井区碳酸盐岩储层中不同岩性的井区碳酸盐岩确定对应的屈服或破裂准则。

S4具体为：a、判断不同倾角条件下岩性界面的破坏情况，三向应力状态下，若井区碳酸盐岩中的层状地层的水平张应力σ

在此种情况下，层状地层位于层面拉张破裂、拉-剪破裂或剪切破裂可能范围内，所以需要采用拉张-剪切复合破裂准则。拉张-剪切复合破裂准则可以理解为，先对层状地层使用拉张破裂准则判断层状地层是否发生张破裂，如果不能达到层状地层的拉张破裂条件，再对层状地层用莫尔-库仑准则判断层状地层是否会发生剪切破裂，式(1)为拉张-破裂准则：

式中：F

三向应力状态下，若井区碳酸盐岩中的层状地层水平压应力σ

在此种情况下，层状地层位于界面剪切破裂可能范围内，采用莫尔-库伦剪切准则判别界面是否由于滑移而产生剪切破裂，莫尔-库仑剪切准则如式(2)所示：

式中：c

b、井区碳酸盐岩包括层状地层以及岩性界面之外的基岩。基岩包括软弱岩石和脆性岩石。本发明采用德鲁克-普拉格屈服准则确定基岩的状态。

德鲁克-普拉格屈服准则认为当材料的最大形状变形能(又称畸变能)达到某一常数时，材料发生屈服并进入塑性状态，德鲁克-普拉格屈服准则如式(3)所示：

其中I

本发明中，如果基岩为屈服状态，则表明其不发生破裂，不会产生裂缝，如果基岩为破裂状态，进一步确定其破裂准则。进一步地，如果软弱岩石达不到临界屈服状态，则认为其发生破裂，可以将其看做脆性岩石，确定其破裂准则。

若井区碳酸盐岩中的基岩的状态为破裂状态，三向应力状态下，且基岩的水平张应力σ

三向应力状态下，当σ

当(σ

θ＝0，σ

式中：σ

式中：σ

还包括：三向应力状态下，若井区碳酸盐岩中基岩的状态为破裂状态，且基岩的水平压应力σ

两段式莫尔-库伦破裂准则如式(7)所示：

式中，以围压σ

S5中，将S3获得的校正力学参数代入S4确定的破裂准则中，可以获取井区碳酸盐岩的破裂应力。

S6具体为：进行裂缝产状的计算、垂向扩展或延伸判断，基于以上多级复合破裂准则，在三维空间中，裂缝的倾角和走向采取投影计算的方法来确定，Ansys坐标系的X轴与大地坐标的X轴(东)重合，Z轴与Y轴负方向(南)重合，Y和Z轴重合，因此若裂缝面法线方向向量在整体坐标系下的方向余玄已经确定为

若0≤α

若-90°＜α

从地质角度看，裂缝倾角应是裂缝破裂面与XOZ平面的夹角，即平面lx+my+nz＝0与平面y＝0之间的夹角α

S7具体为，a、由S6计算出井区碳酸盐岩储层裂缝的理论走向和理论倾角，当α

S

其中，

式中，K

式中，a为裂缝的半长(m)，由Ansys软件计算得到，S

b、在步骤a判别垂向上裂缝是否继续扩展并穿透岩性界面和应力场模拟的基础上，Ansys有限元模拟平台中，首先选取靠近岩性界面附近的节点N

在本发明的一些实施方式中，步骤7)之后还包括：根据层状地质力学模型和校正力学参数建立三维古应力场分布模型；

根据三维古应力场分布模型、能量守恒定律和最大应变能密度理论获取井区碳酸盐岩储层裂缝的实际密度和实际开度；

根据实际密度和实际开度获取井区碳酸盐岩储层裂缝的实际长度；

根据实际密度、实际开度和实际长度确定井区碳酸盐岩储层裂缝的实际连通性；

当实际连通性与理论连通性吻合性大于90％时，理论连通性满足第一需求。

具体地，根据层状地质力学模型和校正力学参数建立三维古应力场分布模型包括：

a、基于有限元模拟平台，将步骤3)中获得的造缝期的校正力学参数对步骤2)中建立的层状地质力学模型进行赋值，其中包括对灰岩或白云岩、泥岩或泥质灰岩、岩性界面、断层分别赋予校正力学参数，校正力学参数包括：密度、弹性模量、泊松比，断层力学参数可参考岩石力学教程，一般弹性模量为灰岩或白云岩的0.65倍；

b、对赋值后的地质力学模型进行网格划分，针对实际情况，一般地层网格密度较大，断层和岩性界面处网格加密处理；

c、根据构造演化分析结果设置力学边界条件，根据古应力状态测试分析结果，对模型加力，反复调整边界条件和力的范围，直到应力差(σ

根据三维古应力场分布模型、能量守恒定律和最大应变能密度理论获取井区碳酸盐岩储层裂缝的实际密度和实际开度，具体包括以下：

a、在井区碳酸盐岩储层有限元网格及单元划分的基础上，以节点为中心，选取微平行六面体为表征单元体(REV)，沿最大主应力σ

b、大量岩石力学实验结果证明，弹性应变能是促使岩石破坏的根本原因，且不管是脆性岩石还是弹塑性岩石，当加载应力达到峰值应力σ

式中，D

c、计算不同应力状态下井区碳酸盐岩储层裂缝的实际密度和实际开度，在不存在拉张应力的三向压应力状态下，通过以上多级复合破裂准则按节点进行判断，当井区碳酸盐岩未达到破裂条件时，裂缝参数均为0，当井区碳酸盐岩达到破裂条件时其实际密度、实际线密度、实际开度计算公式为式(14)：

其中，J

d、在存在拉张应力的三向压应力状态下，通过以上多级复合破裂准则按节点进行判断，当井区碳酸盐岩未达到破裂条件时，裂缝参数均为0，当井区碳酸盐岩达到破裂条件时采用式(15)计算裂缝体密度、线密度、开度：

其中，ε

e、基于实际密度和实际开度等参数，简化后可以获得单元体内裂缝的平均长度，根据构造地质学理论，同一时期相同应力作用下往往产生方向、规模大体一致的一组裂缝，这里将单元体内的一组裂缝等效为若干长方体，其长、宽、高分别为L、b、H，且裂缝等效成平行等间距排列，这些裂缝均不超过单元体边界，由有上述可知，θ为裂缝破裂角，定义为裂缝面走向与σ

根据实际密度、实际开度和实际长度确定井区碳酸盐岩储层裂缝的实际连通性包括：

基于古应力场模拟结果，采用有限元模拟平台中的二次开发接口，将裂缝体密度、线密度、长度、开度、倾角、走向参数的定量表达式编写成APDL程序，预测裂缝参数空间分布特征，获得裂缝实际连通性。

当理论连通性与实际连通性之比大于90％时，理论连通性满足第一需求。

本发明中，可以认为第一需求是在误差范围内的需求，可以确定获得的理论连通性可靠性高。

在具体地实施方式中，若理论连通性与实际连通性之比≤90％，可以重新修正地质力学模型及裂缝参数计算模型。

本发明中，通过结合裂缝理论密度、裂缝理论长度、裂缝理论倾角参数可以预测裂缝的空间纵向连通性状况及裂缝的有效性状况。如正态分布下，裂缝理论长度普遍小于隔层厚度，则裂缝为不穿透型，即隔层有效性好，如裂缝理论长度普遍大于隔层厚度，则为穿透型，即隔层有效性差，如裂缝理论长度部分大于隔层厚度，则为半穿透型，则结合裂缝理论倾角范围进行评价，如裂缝理论倾角主要在0-45°范围内，为低角度缝，隔层有效性好，如裂缝理论倾角主要在45-75°范围内，为斜交缝，隔层有效性一般，如裂缝理论倾角主要在75-90°范围内，为高角度缝，隔层有效性最差。

本发明还可以结合裂缝理论密度、理论开度及走向模拟计算结果评价空间裂缝横向连通性，如正态分布下，裂缝理论密度、理论开度均较大，且走向稳定，则裂缝横向连通性好，如裂缝理论密度、理论开度均较大，但走向分布杂乱或为低角度缝为主，则裂缝横向连通性一般，如裂缝理论密度、理论开度均较低，且走向稳定，则裂缝横向连通性一般，如裂缝理论密度、理论开度均较低，且走向杂乱，则裂缝横向连通性最差。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。