第五章 裂缝识别与评价

第五章裂缝识别与评价裂缝性储层的岩石力学研究

裂缝识别与评价

裂缝型储层

高角度

低角度

网状

裂缝—孔隙型储层

裂缝—洞穴型储层一、储层裂缝系统的成因岩石破裂归因于各种地质因素，概括起来可以分为两种：构造因素与非构造因素。(1)形成褶皱和断层时的地壳变形；(2)在区域应力场作用下产生局部构造差异应力；(3)由于失水引起页岩和泥质砂岩岩石体积收缩；(4)火成岩在温度变化时体积收缩等。裂缝成因涉及到综合地质学和岩石力学1．构造成因与岩石力学研究凡与构造运动有关系的裂缝，属于构造成因裂缝。构造裂缝的几何性质反映破裂时的局部应力状态，在整体上表现出与区域上有一致的方向性和规律性。岩石的破裂特征与围岩的关系取决于：破裂的形式、裂缝的产状等与围岩的关系。裂缝性储层的岩石力学研究储集层构造裂缝的产生原因主要为：(1)脆性岩(主要指碳酸盐岩)储层构造裂缝(指裂缝形成时期)性质和几何形态与埋深相关；(2)构造裂缝性质和产状与岩石原有结构相关，即岩石的粒度和致密程度相关。(3)构造裂缝与岩石中原有的微裂痕迹线方向与主压应力方向的夹角密切相关，即后者决定了构造裂缝性质和产状。2．非构造成因一般不规则，没有方向上的一致性。形成这类裂缝的原因有以下六种：脱水作用、沉积载荷作用、风化剥蚀作用、温度梯度作用(受热岩石在冷却过程中发生收缩而形成，对油气起重要作用的是火成岩中的体积收缩缝)、矿物的相变作用(沉积岩中的碳酸盐岩和粘土组成的矿物相变引起的体积减小而形成。水力破裂二、裂缝系统的分类成因分类产状和几何形态分类破裂性质分类Stearns、Friedman、Nelson将裂缝具体分为成因分类和地质分类。成因分类分为剪切裂缝、扩张裂缝和拉张裂缝；地质分类分为构造裂缝、区域裂缝、收缩裂缝、与表面有关裂缝。他们三人的裂缝分类方法，构成了裂缝分类的基础。范高尔夫一拉特根据裂缝的外貌和形态、尺度和开度以及可测量性归纳成描述准则的分类；依据构造变形、应力状态、地层岩性和厚度归纳成地质准则的分类。概括起来他将裂缝划分成两类：(1)基于描述准则的分类；(2)基于地质准则的分类。裂缝成因、力学性质、充填物等裂缝特征一般分成两大类八小类：(1)构造裂缝，包括方解石全充填的张性裂缝、方解石半充填的张性裂缝、泥质充填的压扭裂缝、末充填的微细裂缝、构造缝合线；(2)非构造裂缝，包括成岩收缩网状微裂缝、成岩缝合线、风化裂缝。不同研究角度出发，将裂缝分类可划分为三类：(1)几何学分类，基于裂缝尺度、产状、形态、密度、开度以及可测量性。(2)地质分类，基于构造变形、应力状态、地层岩性、地层厚度、地质环境。(3)成因分类，基于实验室的挤压、扩张、拉张试验所形成的剪裂缝、扩张裂缝、拉张裂缝。坚硬脆性岩石具有较多裂缝。粒度、成分、围压和孔隙度对岩石强度有直接影响。通过实验室研究岩性与围压对裂缝发育的影响，探讨油藏覆盖层厚度与储集层裂缝发育的关系，有助于研究油藏裂缝发育的特征。三、岩心裂缝观测与分析1．岩心裂缝几何参数的相关分析裂缝几何参数：裂缝长度、宽度(即张开度)、倾角和方位)，从岩心裂缝观测研究裂缝的发育特征，包括两项基本工作内容：(1)直接统计裂缝的几何参数；(2)研究裂缝几何参数间的相互关系。1)裂缝几何参数的统计参数统计，掌握其变化的范围及其分布特征通常采用频率直方图的形式。2)裂缝几何参数间的相关性分析2．岩心裂缝密度和裂缝孔隙度的统计与分析裂缝密度：说明岩石破裂的程度。体积裂缝密度：体积裂缝密度指裂缝总表面积与基质总体积的比值；面积裂缝密度：裂缝累计长度与流动横截面上基质总面积的比值；线性裂缝密度：指与一直线相交的裂缝数目对该直线的长度的比值，也叫裂缝率、裂缝频率或线性裂缝率。裂缝孔隙度：裂缝总体积与岩石总体积的比值。计算方法1)基于理想模型的裂缝孔隙度和裂缝密度的估算(T．D．范高尔夫—拉特，1989)2)基于岩心模型的裂缝孔隙度和裂缝密度计算并假设：(1)计算段内岩心柱铅直；

(2)岩心柱内裂缝面为一平面；

(3)裂缝宽度可测，宽度不可测的隐含裂缝不在计算范围内。裂缝孔隙度的表达式为：φf=∑SiWi/Vt裂缝体积密度的表达式为：Dvf≈∑Si/Vi裂缝线密度观测统计的计算式为：Dlf=N/H式中Si——单一裂缝表面积，可由裂缝参数通过计算获得；

Wi——岩心观测的裂缝宽度；

Vt——计算单元内的岩心柱体积，其值等于πD2H／4；

H——计算单元内的岩心长度，通常为0.5m；

N——岩心单元内观测到的裂缝总数；四、基本概念1．裂缝孔隙度：裂缝孔隙体积/岩石总体积；2．基质孔隙度：岩石基质孔隙/岩石基块体符号基块孔隙度：岩石基块孔隙/岩石总体积3．总孔隙度：总孔隙体积/岩石总体积4．

裂缝孔隙度分布指数（基块孔隙度分布指数）（1）A型孔隙度分布（Vf=10-15%）：裂缝孔隙储藏能力低，而原生的基块孔隙储油能力高，总它的储量大，产量高，产量不降慢，稳产时间长，但采收率较低。（2）B型孔隙度分布（Vf=40%-50%）：裂缝孔隙储藏能力与基块储藏能力相当，储量大，产量高，产量下降较慢稳产时间较长，采收率高。

(3)C型孔隙度分布（Vf=95-100%）：油气全部储存在裂缝孔隙中，原生的基块孔隙小储藏油气，储藏能力较小，储量小，在短时间内，油气产量特别高，采收率最高，但油气产量下降快，稳产时间短。华北A、B型之间Vf=33%四川：B、C型之间5．裂缝渗透率：只与裂缝宽度有关，假定裂宽为：，Kf

与裂宽平方成正比6．裂缝性岩石渗透率KK=Kf+Kb裂缝识别与评价

一、常规测井曲线对裂缝的响应二、真假裂缝的识别三、天然裂缝与人工诱导裂缝的识别四、裂缝的有效性的测井评价及参数计算五、测井资料探测裂缝的综合分析及实例六、裂缝储层的综合评价七、裂缝发育规律及现代地应力场研究一、常规测井曲线对裂缝的响应1．SP（致密性的石灰岩、白云岩）明显异常。2．CAL（（井径曲线）在裂缝发育带，有明显扩径现象。椭圆井眼，定向扩径。3．电阻率曲线R：（1）微侧向测井电极系尺寸小，测量范围小，贴井壁，对裂缝反映灵敏。明显的微侧向低阻异常。双侧向测井电阻率曲线双侧向的探测深度、探测范围大，反映较大范围内的地层特征。总体致密层段比裂缝发育层段的电阻率高。由于深、浅侧向探测范围比微侧差异较大，深浅电阻率的数值之间有差异，差异分为“正差异”和“负差异”，差异性质和大小的影响因素较多，主要是受裂缝发育程度，裂缝角度，流体性质因素的影响。裂缝发育程度：裂缝越发育的地方，双侧向的正差异一般越大。裂缝角度：高角度、垂直缝的双侧向差异明显斜交缝的双侧向不明显低角度缝、水平缝的双侧向为低阻尖峰。双侧向测井电阻率曲线流体性质的影响：淡水钻井液，地层中为油气时，双侧向正差异；若地层中为水溶液时，差异较小。地应力集中的影响：现代地应力集中段，岩石致密，地层电阻率急剧上升，大大高于一般地层的电阻率。钻井过程中，地应力释放，造成该井段井壁沿最小主应力的方向坍塌，浅侧向值明显降低，深浅侧向出现正差异。4.地层倾角测井（1)．FIL微电阻率曲线与方位曲线：地层倾角测井仪有多个极板，探测到垂直裂缝的机会较少，只有当极板位于裂缝前面时，才能根据微电阻率曲线的下降来判断裂缝。如果井眼的椭圆是裂缝引起的，可以根据在椭圆长铀方向上电阻率的下降，在与这—长轴方向垂直方位上相对较高的电阻率值来判断可能裂缝。将相邻两极板的电阻率曲线进行重迭，根据重迭曲线的幅度差的大小来判断裂缝存在的可能件。电导率异常检测处理图

另—种显示裂缝的电导率异常检测程序DCAA.电导率超过某一值B.各电导率之间有足够的幅度差C.反映电导率异常的深度段大于某一值1号极板方位与井径：当仪器上提时，由于电缆扭力的缘故，仪器要旋转。仪器旋轴速度变慢、停止或反向旋转，常表示可能存在裂缝。仪器走过裂缝段。将加速旋转一段路程以释放在裂缝段电缆累积的扭力。裂缝在井径上的显示常表现为：(1)在压实地层处井眼直径变小，这是因为有泥饼形成的缘故；(2)如果钻井引起裂缝带的井壁垮塌，则引起井径扩大。利用地层倾角测井识别裂缝发育方向和裂缝

测量方位紧贴井壁进行测量，定向扩径处测量互相垂直的两个方向的井径，精确度高。若两极板垂直裂缝，则另两极板扩径。显示特征①仪器出现非正常旋转；②椭圆形井眼；③双井径不一致；④探测到裂缝处的极板出现低阻异常裂缝识别测井（FIL）把每相邻的两极板的微电阻率曲重迭记录

1）双井径

2）极板方位曲线

3）4条微电阻率曲线把地层倾角显示形式改变（相邻的极板的RT曲线重叠记录）电导率异常检测（DCA）

识别原理：四个极板的方位角计算出来，检测它的电导产生异常，对某一极板把它的电导率值与相邻两极板进行比较，裂缝处高值，某一极板的电导率-相邻板电导率取最小差异值，把此值附加在该极板的方位角曲线上。5．

声波时差AC

对垂直裂缝没有反应对水平裂缝（低角度裂缝）能够识别网状裂缝将Δts与tc进行比较，如果tc不变而Δts增大时，就有可能是裂缝带。声波幅度：裂缝倾斜角与幅度衰减的实验结果表明，幅度衰减很大，而横波幅度则严重地受低角度缝的影响。

声波变密度测井VDL

可以测出幅度衰减与传播时差的大小。图上用灰度级的大小来表示幅度的高低，颜色越浅说明幅度越低。在裂缝带，由了裂缝面产生的反射与折射使VDT波形产生畸变且颜色变浅。声波全波波形测井致密岩性段：波形完整（纵波、横波、泥浆直达波、斯通利波）裂缝发育带：波的幅度降低（纵波、横波大大降低，到达时间滞后）斯通利波(Stoneley波)裂缝对Stoneley波的影响方式与裂缝对纵波或横波的影响方式大不相同。声能的损失主要是裂缝系统中运动的流体使井内的压力下降所引起的。因此，直达Stoneley波衰减，而反射Stoneley波产生。放射性测井6．DEN（RHOB）密度值↘密度孔隙度裂缝7．CNL（NPHI）补偿中子，致密层数值接近于0。8．GR

裂缝处岩石渗透率K较好，地层中流体自由流动，可能沉淀放射性特质致使在自然伽马曲线上GR数值增大。-（油层-氧化铀）自然伽马推移测井确定裂缝发育段实例9.高频电磁波测井水的电磁波传播时间tplw一般远大于骨架的传播时差tplma例如，水的tplw为25到30ns／m，

泥岩的tpl值为7一16ns／m，

而骨架的tplma一般小于10ns／m，当仪器通过裂缝时，传播时间会明显地增加。同样，相移角也呈明显增加的趋势，幅度衰减较厉害。其它测井方法（1）．成像测井：目前有探测井壁附近电阻率特性的地层微电阻率扫描测井(简称为FMS用灰度等级来表示-硬地层致密：高、裂缝、溶洞：低、黑。)以及探井壁的声波反射特性的井下声波电视(简称BHTV)两种。到目前为止，还只有FMS与BHTV可以直接识别裂缝，其它方法都是间接的。在FMS图象及BHTV图象上都显示有裂缝特征，那么就可以肯定裂缝的存在。裂缝中充填的低阻物质在FMS图象上显示为深色图象。成像测井：类似于CT，原理：类似井下超声电视（既是发射探头，又是接收探头，定向扫描，只反映井壁的一个界面）。井眼周围都能够显示出来（溶洞、裂缝、界面）环形声波测井：裂缝存在时值是低值无：值是高值取心观察：岩心严重破碎，在裂缝密度较小处(4500—4505m)，取心相对完整，见一条直劈裂缝裂缝性灰岩成像测井响应特征成像测井：FMS图像显示为高导暗色正弦曲线，倾向155o，倾角88

o，ARI图像显示缝呈NE-SW异常反映裂缝沿NE—SW方向延伸较远，DSI图像有“斜”条纹及斯通利波能衰减，表明裂缝连通较好。（2）．井温：如果泥浆与地层温度有差异，则因为泥浆侵入裂缝将引起地层温度的变化，使得温度梯度受开裂缝的影响产生低温异常。但注意不要将这种现象与天然气所引起的温度下降相混淆。除井壁图象、井温外，还有其它一些测井方法，如电缆地层测试资料等。二、真假裂缝的识别1.层界面和裂缝的鉴别层界面常常是一组互相平行的或接近平行的高电导异常，异常宽度窄而且均匀裂缝常与构造运动和溶蚀相伴生，高电导异常不规则。2.缝合线和裂缝的鉴别缝合线由于压溶作用形成的，一般平行于层理，一般不具渗透性。3.断层条带与裂缝的鉴别断层面出有地层错动，与裂缝较易识别。4.泥质条带与裂缝泥质条带的高电导异常一般平行于层面且较规则，遇到强烈的构造运动时或揉皱变形才出现剧烈的弯曲，且宽窄变化不会较大；裂缝常与溶蚀孔、洞在一起，电导率异常宽窄变化很大。三、天然裂缝与人工诱导裂缝的识别1.钻井过程中由于钻具的震动形成的裂缝，十分微小且径向延伸很短，FMI图象有显示，ARI图象无显示，容易识别。2.重钻井液与地应力的不平衡造成的压裂缝（1）1800差或接近1800差成对出现在井壁上。（2）一条高角度缝为主，两侧有羽毛状的微裂缝（3）双侧向曲线上的双轨现象（4）应力压裂缝与井壁椭圆型崩落图象的差别是后者两侧无羽毛状微裂缝，且总在最小水平主应力方向上，与压裂缝近似呈900关系。3.应力释放裂缝在井壁上的特征可清楚地反映在FMI图象上，是一组接近平行的高角度缝。裂缝面十分规则。容易与低孔高角度缝混淆识别的要点：1.诱导裂缝是地应力作用下产生的裂缝，只与地应力有关，排列整齐，规律性较强，天然缝常为多期构造运动形成的，有遭遇地下水的溶蚀与沉淀作用，分布不规则。2.天然缝常因遭受溶蚀与褶皱作用，故裂缝面不太规则，且裂缝有较大的变化；诱导裂缝的缝面形状较规则且缝宽变化较小3.诱导裂缝的径向延伸较小，深侧向测井电阻率下降不很明显四、裂缝的有效性的测井评价及参数计算1．裂缝有效性评价裂缝的张开度来评价裂缝的有效性

常规测井主要用双侧向曲线的差异和电阻率值，根据图版求张开度，但影响因素太多。应用FMI和ARI等成象图，从裂缝在井壁上的

A：充填裂缝和张开裂缝的判别：张开缝以黑色的高电导异常出现；被方解石、石英等矿物充填的裂缝则以高电阻率异常出现，图象特征为亮白色，容易与张开缝区分；泥质充填缝为黑色，与有效缝难于区分，但在ARI成象图上，低阻充填无效裂缝无反映。B．有效张开缝的判别完全被充填的裂缝是无效裂缝，但张开缝也不完全为有效缝

a:非渗透性的细微裂缝：被束缚水充填，不具有渗透性如：石灰岩中的薄层构造，眼球状构造中就有微细裂缝，被束缚水充填，电阻率较低，具有一定的孔隙度，自然伽马值较低，常被测井误认为是储层，但成象测井图上可清楚地反映出其非均质岩石构造的形态特征，从而加以排除。

b：无效和有效人工诱导裂缝的判别钻具形成的微细裂缝均为无效裂缝。出现在致密层中的重泥浆压裂缝是无效裂缝，单出现在渗透层中的则可能与天然裂缝裂缝连通成为有效缝。应力释放缝为无效裂缝。裂缝的径向延伸特性来判断裂缝的有效性

裂缝的径向延伸情况储渗意义地层性质电阻率比值深侧向Rs浅侧向RSRd/Rs径向延伸小于0.5m人工裂缝无储渗意义低孔石灰岩大于8000大于3000小于5具有效孔石灰岩大于8000大于1000径向延伸为0.5—2.5m的浅裂缝无储渗意义低孔石灰岩8000-2000小于30005-11具有效孔石灰岩大于1000小于1000径向延伸大于2.5m的深裂缝有一定的储渗意义低孔石灰岩小于2000小于1000小于5具有效孔石灰岩小于1000小于500裂缝的连通性和渗滤性判断裂缝的有效性连通性评价的主要问题是区分天然裂缝和诱导裂缝，天然裂缝的有效性明显优于诱导裂缝，诱导裂缝一般较浅，位于井眼周围的塑性形变层或进入弹性层内，仅在FMI图上可以看到，而有效的天然裂缝则可从FMI、ARI、DSI图象上识别。裂缝的渗透性能综合反映了裂缝的张开度、径向延伸程度和彼此的连通程度，因此是评价裂缝的有效性最好的标志。可用斯通利波能量的衰减状况来判断裂缝渗滤性的好坏。

２．裂缝参数计算（1）用FMI信息计算裂缝参数

裂缝张开度

W=a•A•RXOb•Rm(1-b)W–裂缝宽度；

A-由裂缝造成的电导异常的面积；

Rxo-地层电阻率（一般为侵入带电阻率）；

Rm-钻井液电阻率；

a,b-与仪器有关的常数，其中b接近为零；裂缝孔隙度裂缝孔隙度

f=W

i•LiA/L••D

f–裂缝孔隙度；

W

i-第i条裂缝的平均宽度；

L

i-第i条裂缝在单位井段L内（一般选为1m)的长度平均宽度；

D-井径。（2）用双侧向测井信息估算裂缝参数

裂缝张开度—高角度裂缝

W=Rm

(Clls-Clld)/4107W–裂缝张开度，m；

Rm-钻井液电阻率；

Clls

-浅侧向电导率；

Clld

-深侧向电导率；裂缝张开度—低角度裂缝

W=Rm

(Clld-Cb)/1.2106W–裂缝张开度，m；

Rm-钻井液电阻率；

Cb

–基岩的电导率；

Clld

-深侧向电导率；

裂缝孔隙度

气层

f=

(Clls-Clld)/Cm(1/m)

油层f=

(Clls-Clld)/（

Cmf-Cw)

(1/m)

f–裂缝孔隙度；

Clls

-浅侧向电导率；