非常规油气储层天然裂缝研究方法及其适用性

梁晓伟，王庆鹏，尤 源，马 波，冯胜斌，徐 辰

(1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；3.北京斯堪帕维科技有限公司，北京 100000；4.中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，陕西 西安 710018)

天然裂缝是油气储层中重要的储集空间和运移通道，对油气藏的形成与分布起着重要的控制作用，并在一定程度上影响油气藏的产能[1]。随着致密油气、页岩油气等非常规油气的综合研究及勘探、开发的重大突破，人们已经认识到天然裂缝在致密(页岩)油气藏中扮演更为重要的角色[2-3]。目前，天然裂缝研究的难点在于识别天然裂缝的方法及预测技术。本文对非常规油气储层天然裂缝的研究方法和相关进展进行了综述，以期通过总结和分析，对非常规油气储层裂缝的研究及油气成藏、储层评价等工作起到指导作用。

1 非常规油气储层天然裂缝的基本特征及控制因素

1.1 天然裂缝的基本特征

天然裂缝的基本特征一般包括裂缝产状、组系、间距、切深、开度、延伸长度、充填物与充填程度等。描述裂缝发育及储导能力的定量参数主要有裂缝密度、裂缝孔隙度、裂缝渗透率等[4]。天然裂缝的研究方法主要包括相似露头区观察法、岩芯观察法和成像测井识别法等，其中相似露头区观察法能够直观、准确地测量到天然裂缝的方位、切深、延伸长度和间距等基本特征；岩芯观察能够获得裂缝倾角、密度、开度、充填物情况以及岩石力学性质等；成像测井则能够反映地层中受力状态下天然裂缝的产状、密度和开启状态等[5]。

1.2 天然裂缝形成期次的确定

研究天然裂缝的形成期次有助于明确裂缝形成的构造背景[6]，从宏观上预测裂缝的分布规律。通常将以下两种方法相结合分析裂缝发育的期次[7]。

1) 地质构造方法。包括区域构造变形特征、裂缝的切割关系与裂缝组系配套关系等。区域构造变形特征是通过对地质构造环境和地质演化过程进行研究，进而获得构造运动对裂缝分布的综合影响；构造裂缝切割关系主要通过不同裂缝间的切割关系进行裂缝组系划分，进而支撑对裂缝形成期次的认识[7]。

2) 实验方法。ESR测年分析实验是对岩芯裂缝中充填的矿物，如石英晶体，做电子自旋共振(ESR)年龄测定，判断裂缝形成期次[8]；包裹体测温实验是利用同期形成的裂缝充填物中的包裹体测温数据，折算出地层埋深，以判断裂缝的形成期次[1-2,9]；充填物稳定同位素检测实验是根据FRITZ和SMITH针对老地层(同位素偏轻)提出的测温方程(式1)[9]，计算充填物形成的温度，再根据古地表温度与古地温梯度得到裂缝形成时期的埋深，进而获得裂缝成因期次的信息。

t=31.9-5.55(δ18O-δ18Ow)+

0.7(δ18O-δ18Ow)2

(1)

式中：t为充填物的形成温度，℃；δ18O为平均氧同位素；δ18Ow为水中氧同位素。

岩石声发射实验是在实验过程中，对样品进行应力加载，使微裂缝失稳扩展形成不可逆的KAISER效应[10-11]，通过不同的KAISER点及对应的应力强度可判断岩层所经受的应力作用期次及应力场强度。

1.3 天然裂缝的控制因素

非常规油气储层中天然裂缝发育的控制因素是多方面的，且影响程度存在差异。国内外学者开展了大量研究工作，试图找到控制天然裂缝的主要有效因素，其中主要的控制作用如下所述。

1) 断层的控制作用。刘岩[12]对裂缝受断层控制的影响做了分析，发现断层对裂缝的控制存在一个影响距离，越靠近断层，裂缝越发育，距断层越远，裂缝发育指数呈现幂指数递减。国内多个区块的开发实践表明，超过该控制距离的钻井裂缝发育的风险成倍增加。

2) 岩性的控制作用。NARR等[13]、曾联波等[7]研究认为岩石的矿物成分、结构差异性是导致岩石力学性质差异的主要原因，因此当岩石脆性组分含量越高，岩石颗粒越细，裂缝的发育程度越高。

3) 层厚的控制作用。白斌等[2]在致密油气的裂缝研究中发现，在露头和岩芯观测尺度上裂缝密度和储层厚度呈现一致性的负相关性，即当储层厚度小于5 m时，裂缝密度随层厚变薄呈现幂指数增长；而层厚大于5 m时，裂缝发育与层厚相关性变差。

4) 成岩作用的控制。王瑞飞等[14]通过研究认为成岩过程中岩层发生收缩、膨胀以及矿物间的重新组合、转化，都可以产生微裂缝，再经溶蚀作用可形成溶蚀缝。

5) 沉积作用的控制。王瑞飞等[14]研究认为因沉积碎屑颗粒大小、填隙物不同，使得微裂缝类型及发育程度不同。

6) 剥蚀作用的影响。潜山顶面的剥蚀淋滤作用使得距离潜山顶面某一距离范围内裂缝明显发育，当超过该距离后裂缝密度明显降低，因此距离潜山顶面的距离属性作为潜山天然裂缝的主控因素。

2 储层天然裂缝的地球物理识别方法

目前，国内外对天然裂缝的识别主要利用测井和地震等地球物理方法。本文梳理了目前国内地震和测井方法在裂缝识别方面的研究进展。

2.1 地震方法在天然裂缝识别中的应用进展

目前，地震技术通过在横波检测、转换横波探测、VSP法、纵波检测、多波多分量探测等方法上不断攻关，尤其是在纵波检测识别裂缝发育的方位及密度方面取得了突破，在一定程度上实现了储层天然裂缝的识别。

王永刚等[15]对比了叠前三维地震数据体的AVO及AVA分析、叠后三维地震数据相干体、沿层构造属性以及目标层介质平均吸收参数四种技术预测天然裂缝，认为前两种技术适应性较好；王欢等[16]采取模式识别、地震属性及三维可视化处理分析，三种方法预测结果有较好的一致性；贺振华等[17]指出采用三维地震多尺度边缘检测技术等，能够识别储层中的裂缝发育带；巫芙蓉等[18]利用反射强度、边缘检测技术等叠后裂缝检测方法对裂缝密度和方位作出定量-半定量预测；仇鹏等[19]通过储层模型正演方法分析了层内缝与穿层缝的地震响应特征，研究表明裂缝在地震剖面上表现为明显的不相干，裂缝的规模决定了能否对其进行识别。

综上所述，地震方法对天然裂缝的识别受控于地球物理资料的精度限制，主要适用于断裂构造发育相关的天然裂缝，能够识别的裂缝大多为地质尺度的裂缝或裂缝发育带，在实际应用中需要辅助其他方法和技术对天然裂缝进行综合识别判断。

2.2 测井方法在天然裂缝识别中的应用进展

测井方法主要包括常规测井资料裂缝识别、微电阻率扫描测井、成像测井和地层倾角测井等[6]。除常规测井资料裂缝识别外，其他三种方法对裂缝的发育特征识别效果好，但费用较高，因此仍然有很多学者致力于应用常规测井资料来识别储层的天然裂缝[20-24]。

1) 电阻率测井。电阻率测井是裂缝识别的一种重要途径，包括微侧向、深侧向、浅侧向等，其裂缝响应可呈现高低间互、不同幅度特征或尖峰状。电阻率测井适用于一定裂缝规模且存在显裂缝的储层，而微球聚焦测井则对微小裂缝、层理缝、潜在缝有较好的响应特征。

2) 声波测井。声波测井主要包括声波时差、声波全波形、声波变密度测井。裂缝发育段声波时差有跳波现象，整体时差值较高，但需结合自然伽马测井曲线分析去除地层界面、泥质薄层等影响；声波变密度测井是通过波列发生“人”形、“V”形扰动的锯齿形或条带特征等识别裂缝，不同的波型反应不同类型的裂缝。

3) 放射性测井。常用的放射性测井有自然伽马能谱测井和脉冲中子测井，前者通过放射性同位素铀、钍、钾含量的变化识别裂缝，后者主要用来识别裂缝中是否含油气。因此，一般采用自然伽马与Σ曲线重叠，当两条曲线不重叠时，表明铀含量增加，说明可能存在裂缝。

4) 成像测井。这是一种具有微电阻率扫描成像的高分辨率地层倾角测井，具有纵向分辨率高、形象直观等特点。把井壁附近地层电阻率的差异转换为清晰的图像，可以直观地显示出井壁地层的微细变化，在识别裂缝方面应用效果较好。

5) 核磁共振测井。核磁共振测井结果能获得反映孔喉特征的T2谱分布，从而判断储层储集空间的类型和裂缝的有效性。

上述方法除成像测井和核磁测井能够比较直接地识别出裂缝外，其他几种测井方法对微小裂缝响应微弱，需要对测井资料进行适当处理才能识别出裂缝。

3 天然裂缝预测方法

天然裂缝的预测方法主要包括地质方法、地球物理方法、数值模拟方法等，其中，地质方法主要是对储层裂缝的定性预测[25-27]。地球物理学方法能够反映大尺度裂缝(断层)分布规律，例如基于BERKOVITCH[28]提出的衍射波时差校正多点聚焦成像技术；MARIANNE等[29]将其应用于上侏罗纪海相成因的BAZHENOV地层，得到了多点聚焦三维衍射图像，从而预测出储层中的裂缝发育带；LEE等[30]应用多种方法对NORDEGG地层进行裂缝预测，发现AVAZ与曲率属性相结合的预测结果更接近成像测井结果。

数值模拟法是半定量-定量的裂缝预测方法，模型和算法的选择对于裂缝预测的准确性至关重要。自PRICE[31]提出裂缝的发育程度与岩石中的弹性应变能成正比的理论认识后，逐渐形成了以下几种应用广泛的数值模拟预测方法。

1) 分形理论法。分形理论认为裂缝系统和断裂系统一样具有结构的自相似性，通过断裂和岩芯裂缝的分维数值可以定量描述储层中裂缝的空间发育程度[32-33]；邓攀等[34]基于分形理论，认为网格覆盖法求取分形维数适合构造裂缝分形维数的计算；苏玉平等[35]应用分形理论对贝尔凹陷布达特群潜山裂缝进行预测并取得了成功，验证了该方法的可行性。

3) 曲率法。曲率法最早由MURRAY[37]提出，主要用来预测岩层褶皱中形成的纵张裂缝的分布。曲率法主要靠岩石破裂作用形成弯曲，曲率增加导致应变量的增加，进而导致裂缝密度的增加，因此其假设前提是岩石是脆性的。以纵弯褶皱变形为主的层状或块状储层一般都符合上述假设前提，且应用效果较好。

4) 人工神经网络预测法。周子勇等[38]对裂缝分形维数、砂地比及破裂率进行统计，并做归一化处理作为神经网络的输入项，输出项则采用分类方法确定裂缝发育的四个等级，采用代表性的样本进行神经网络训练，得到了储层裂缝预测模型。该方法为复杂储层裂缝的预测提供了一种思路。

5) 判别式分析算法。法国石油研究院的线性判别式分析算法LDA(linear discriminant analysis)属于FracaFlow软件中的经典算法，该方法可获得每个因素对天然裂缝密度的权重系数，按照各属性的权重系数融合成一个FDC(fracture density controller)属性，以提高裂缝预测精度。目前该方法已成功应用于大庆油田、新疆砂砾岩油田等。

6) 综合预测方法。若要准确识别或预测裂缝的位置和密度，往往需要多种预测方法相结合。STEPHEN等[39]采用岩石力学方法预测区域裂缝分布，用模拟获得的应力场来控制裂缝网络延伸模拟；童亨茂[40]结合岩石破裂法、曲率分析法、断裂强度分析法对不同类型裂缝进行分类预测，取得较好的预测结果；JENKINS等[41]认为裂缝的形成与岩石曲率、岩性、层厚等因素有关，因此建立了连续裂缝模型(continuous fracture modeling)；周新桂等[6]结合有限元法、统计法、能量法与岩石破裂法，建立裂缝分布定量预测模型，并应用于鄂尔多斯盆地沿河湾探区及华庆地区。

4 结 论

1) 裂缝表征包括几何表征和期次表征两方面。几何表征主要采用相似露头观测法、岩芯观察法以及成像侧井观测等方法，前两种方法能够直观、准确测量天然裂缝基本特征，而成像测井能够反映受力状态的天然裂缝特征；裂缝期次的确定主要采用地质构造分析方法和实验方法，实验方法是构造分析方法的补充和验证。

2) 裂缝识别主要采用地震和测井两种方法，地震方法受资料精度的限制主要适用于断裂构造发育相关的天然裂缝识别，能够识别的裂缝大多为地质尺度的裂缝或裂缝发育带，在实际应用中需要辅助其他方法和技术对裂缝进行综合识别判断；成像测井和核磁测井能够直接识别裂缝，其他几种常规的测井方法对微小裂缝响应微弱，同时需要结合其他手段辅助识别。

3) 裂缝预测方法主要包括地质方法、地球物理方法、数值模拟方法及综合预测方法。地质方法能实现裂缝的定性预测；地球物理方法能反映大尺度裂缝分布规律；数值模拟法虽然能半定量-定量预测裂缝分布规律，但预测结果受模型和算法选择影响较大；综合预测方法是裂缝预测方法的主要发展趋势，将多种预测方法相结合，预测效果较好。