钻井岩芯裂缝重定向方法研究

韦乐乐，程 鑫，刘秀婷，苏海伦，樊文静

(西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

0 引言

研究储层裂缝十分重要，目前，测井、地震、动态监测等(吴光琳，1992;蒲静等，2008;王海军等，2011;唐诚，2013;闫生权等，2013)方法都应用于储层裂缝预测中，但都有一定的使用条件，而岩芯是储层裂缝的直接载体(Hailwood，1974;Bergosh et al，1987)。因此，通过测定黏滞剩磁分量来确定岩芯裂缝的原始方位是比较直接有效的方法，且不受地形、构造等的限制(梁利平等，2012)。

1 裂缝古地磁重定向原理

裂缝重定向是基于岩芯定向的基础，其原理是：在统计意义上，黏滞剩磁分量在地理坐标系中的方向与在地磁场中的方向相同;而原生剩磁方向与露头同时代地层中原生剩磁方向相同(吴汉宁等，1996;杨斌谊等，2002，2003;温博华，2007;屈洋，2009)。因此只需准确测量出低温黏滞剩磁分量和高温原生剩磁分量，将低温分量旋转到和现代地磁场方向一致，高温分量和露头或者前人已有的研究成果相对比，就可以恢复岩芯的原始方位。

研究主要探讨垂直钻井岩芯的裂缝定向方法，对于垂直钻取的岩芯，只需知道其在水平方向转动的角度，就可以恢复其原始方位。以低温黏滞剩磁为例，对于岩芯坐标系的样品，根据测定的剩磁分量相对于标志线的磁偏角，将低温剩磁分量旋转到现代地磁场方向，岩芯就得以定向，再根据裂缝走向与岩芯坐标系中坐标轴的关系，也就得到岩芯裂缝的走向(韦乐乐等，2013;周亚楠，2013)。岩芯坐标系中，裂缝走向与标志线X方向一致(图1)，因此，测定的黏滞剩磁分量的磁偏角即为标志线与正北的夹角，即裂缝的走向。

图1 岩芯坐标系与裂缝示意图Fig.1 Schematic diagram showing core coordinate systems and fracture

2 岩芯裂缝定向方法

定向步骤主要包括样品加工、测试及重定向3步。

2.1 样品采集与加工

在实际采样过程中，由于断掉的岩芯顶底面不平整，沿顶底面方向钻取样品时容易倾斜，结果误差较大。另外，采样时不能影响其他研究及采样，因此不能按照岩芯坐标系采样，一般采取的是垂直于裂缝在岩芯侧面采样，这样就可以避免以上问题的发生。如图2所示，裂缝与岩芯底面夹角为N，首先沿裂缝面向岩芯顶面画一条标志线X'，垂直裂缝面钻取样品，由样品顶指向底作为Z'轴，根据右手螺旋确定Y'，建立样品坐标系。在室内将样品加工成直径和高度都为2.54 cm的标样，并将样品坐标系平移到标样上。

图2 样品采集示意图与样品坐标系Fig.2 Diagram showing sample collection and coordinate system

2.2 样品测试

选择合适的退磁区间，采用交变退磁或热退磁方法进行退磁，退磁过程中要注意标样的标志线方向，每次退磁后使用超导磁力仪进行剩磁测试。

2.3 原始方位恢复

对于垂直采样的岩芯，要对裂缝定向，需要经过坐标转换，将样品坐标系中的剩磁分量转化到岩芯坐标系中，在岩芯坐标系中求出剩磁的磁偏角，方可对裂缝重定向。两坐标系关系如图3，N为裂缝与水平面或岩芯底面的夹角，(X，Y，Z)为岩芯坐标系，(X'，Y'，Z')为样品坐标系。

图3 2种坐标系示意图Fig.3 Schematic diagrams showing two coordinate systems

根据坐标转化公式(1)(朱岗崑，2005;Butler，1992;Zhu et al，2001)进行坐标转化。

式(1)中，a代表X的方位角，u代表X的倾角。对于岩芯坐标系和样品坐标系，X轴的方位角a=－90°，倾角u=N，代入公式(1)进行计算，可得：

样品坐标系下的(X'，Y'，Z')可以用剩磁测试后拟合所得到的磁倾角和磁偏角表示，在地磁场坐标系(图4)中，D表示的是磁偏角，I表示磁倾角。在样品坐标系中，一般将标志线X'设为地理北，剩磁测试后所得的磁倾角和磁偏角都是相对于标志线而言的，如此将样品坐标系中的要素同地磁场坐标相对应，则(X'，Y'，Z')对应地磁场坐标中的(x，y，z)，设退磁后所得的磁倾角为A，磁偏角为B，则A对应I，B对应D。故可得式(3)、式(4)。

图4 地磁场观测点坐标系及地磁要素(据朱岗崑，2005)Fig.4 Diagram showing geomagnetic observation coordinate system and geomagnetic elements(after Zhu，2005)

将式(5)代入式(2)可转化到岩芯坐标系，并可以计算岩芯坐标系的磁偏角D和磁倾角I：

对于岩芯坐标系中的磁偏角D，(1)当X≥0，即0°≤B≤180°时：

(2)当X≤0，即 180°≤B≤360°时：

将2种情况合并，则可得岩芯坐标系中磁偏角的计算公式：

对于垂直水平层钻取的岩芯，在岩芯坐标系中，标志线X与裂缝的走向平行，因此转化到岩芯坐标系中的磁偏角则可代表裂缝的走向。而磁倾角则是检验标准，通过资料查询获得现代地磁场在样品采集地区的磁倾角，将转化后的磁倾角与之对比，则可检验定向结果的可靠性。

通过测量裂缝与底面的夹角N，样品坐标系下对测试结果进行主分量分析(Kirschvink，1980;Tan et al，1996)，并统计(Fisher，1953)同一条裂缝采集的标样的磁偏角B和磁倾角A，计算坐标转化后Y的大小(Y= －cosN·cosA·cosB+sinN·sinA)，根据式(6)和(7)则可得到裂缝的走向T(T=B)，通过式(8)进行验证。

3 结论

(1)所探讨的裂缝定向主要针对垂直钻井岩芯，对于岩芯本身没有特定的要求，比较简单易操作。

(2)对岩芯上所有裂缝都按古地磁方法进行定向，就可获得具体层位裂缝的整体趋势，使岩芯地质信息得以充分利用，为油田渗流实验等提供依据。

(3)如果不是垂直钻取的岩芯，则还需要根据井的倾斜角度再进行1次坐标转换。

梁利平，王海军，程鑫，等.2012.钻井岩芯古水流确定方法和原理［J］.地球物理学进展，27(1)：370－375.

蒲静，秦启荣.2008.油气储层裂缝预测方法综述［J］.特种油气藏，15(3)：9－13.

屈洋.2009.徐深气田达深区块火山岩古地磁裂缝定向分析［J］.大庆石油学院学报，33(6)：43－46.

唐诚.2013.储层裂缝表征及预测研究进展［J］.科技导报，31(21)：74－79.

吴光琳.1992.钻探定向岩芯的用途和岩芯定向技术的进展［J］.西部探矿工程，4(4)：6 －10.

吴汉宁，岳乐平.1996.古地磁学在油气勘探中的应用［M］//徐文耀.地磁大气空间研究及应用.北京：地震出版社，91－95.

温博华.2007.古地磁在大庆徐家围子火山岩裂缝定向中的应用［D］.浙江杭州：浙江大学.

王海军，梁利平，程鑫，等.2011.岩芯定向与储层裂缝探测技术研究进展［J］.断块油气田，18(3)：330－332.

韦乐乐，程鑫，刘秀婷，等.2013.岩芯裂缝重定向的古地磁方法研究［J］.地质科学，48(4)：1286－1294.

杨斌谊，吴汉宁，李学森，等.2002.南泥湾油田钻井岩芯古地磁学初步研究［J］.石油与天然气地质，23(4)：397－342.

杨斌谊，龚建军，陈建军.2003.岩芯定向［J］.西北地质，36(4)：79－83.

闫生权，范斌，杨振迎，等.2013.储层裂缝预测方法［J］.中国石油和化工标准与质量，(13)：141－141.

朱岗崑.2005.古地磁学：基础、原理、方法、成果与应用［M］.北京：科学出版社.

周亚楠.2013.延长油田西南部裂缝空间展布及古水流方向研究［D］.陕西西安：西北大学.

BERGOSH J L，LORD G D.1987.New developments in the analysis of cores from naturally fractured reservoirs［C］//Proceedings of the 62nd Annual Technical Conference and Exhibition of the SPE.Dallas，Texas，USA：SPE，SPE －16805：27－30.

BUTLER R F.1992.Paleomagnetism：Magnetic Domains to Geologic Terranes［M］.Oxford，UK：Blackwell Science.

FISHER R A.1953.Dispersion on a sphere［J］.Proceedings of the Royal Society：A，217：295－305.

HAILWOOD E A.1974.Paleomagnetism of the Msissi norite(Morocco)and the paleozoic reconstruction Gondwanaland［J］.Earth and Planetary Science Letters，23(3)：376 －386.

KIRSCHVINK J K.1980.The least－squares line and plane and anaysis of paleomagnetic data［J］.Geophysical Journal International，62(3)：699 － 718.

TAN XIAODONG，LIU CHUN，FANG DAJUN，et al.1996.A paleomagnetic study of Triassic sedimentary rocks from Qinshui basin，Shanxi Province，north China［J］.Science in China：Earth Sciences，39(1)：101 －112.

ZHU RIXIANG，TSCHU KANGKUN.2001.Studies on Paleomagnetism and Resersals of Geomagnetic Field in China［M］.Beijing，China：Science Press.