地质力学学报  2009, Vol. 15 Issue (3): 245-252
引用本文
万晓龙, 高春宁, 王永康, 张振红, 闫海龙, 安明胜. 人工裂缝与天然裂缝耦合关系及其开发意义[J]. 地质力学学报, 2009, 15(3): 245-252.
WAN Xiao-long, GAO Chun-ning, WANG Yong-kang, ZHANG Zhen-hong, YAN Hai-long, AN Ming-sheng. COUPLED RELATIONSHIP BETWEEN CREATED AND NATURAL FRACTURES AND ITS IMPLICATION TO DEVELOPMENT[J]. Journal of Geomechanics, 2009, 15(3): 245-252.
人工裂缝与天然裂缝耦合关系及其开发意义
万晓龙1 , 高春宁2 , 王永康1 , 张振红2 , 闫海龙1 , 安明胜1     
1. 长庆油田公司超低渗透油藏开发部, 西安 710021;
2. 长庆油田公司勘探开发研究院, 西安 710021
摘要:通过野外露头、成像测井、古地磁定向岩心以及岩石差应变测试等资料, 对鄂尔多斯盆地延长组超低渗储集层天然裂缝的发育特征进行了系统研究, 并结合微地震监测资料, 对压裂缝展布规律及其与现今地应力和天然裂缝的关系进行了分析。人工压裂缝与天然裂缝具有较好的耦合作用, 在陕北地区, 由于天然裂缝发育, 岩石的不均一性使得人工压裂缝主要沿着天然缝扩展; 而在陇东地区, 天然裂缝的发育程度相对较差, 压裂缝的延伸方向及其形态主要受现今地应力的控制。因此, 超低渗油田的开发井网部署时, 既要考虑天然裂缝的发育程度, 还应该考虑天然裂缝方位与地应力的匹配关系。
关键词天然裂缝    人工裂缝    地应力    耦合作用    开发意义    
文章编号:1006-6616(2009)03-0245-08
COUPLED RELATIONSHIP BETWEEN CREATED AND NATURAL FRACTURES AND ITS IMPLICATION TO DEVELOPMENT
WAN Xiao-long1 , GAO Chun-ning2 , WANG Yong-kang1 , ZHANG Zhen-hong2 , YAN Hai-long1 , AN Ming-sheng1     
1. Super-low Permeability Reservoir Development Department, Changqing Oilfield Company, Petrochina, Xi'an 710021, China;
2. Research Institute of Exploration and Development, Changqing Oilfield Company, Petrochina, Xi'an 710021, China
Abstract: According to outcrops, formation microscanner logging (FMI), paleomagnetism oriented cores and stress variation difference experiment, a close study has been made on the natural fractures of super-lower permeability reservoirs in the Yanchang Formation of the Ordos basin, and in combination with microseismic monitoring technique, an analysis carried out on the relationships between created fractures and earth stress and natural fractures. The results show a good coupling between created fractures and natural fractures. In northern Shaanxi, the well-developed natural fractures and heterogeneity of rocks lead the created fractures to stretch mainly along the natural fractures. In eastern Gansu, however, the natural fractures are poorly developed and the crushed fractures are controlled by present stress field. Therefore, in well pattern arrangement of super-low permeability reservoirs, our attention should be paid not only to the growth degree of the natural fractures but also to the orientation of natural fractures and their relation with the present stress field.
Key words: natural fracture    created fracture    stress field    coupled relationship    development implication    
0 引言

特低渗透储集层由于岩性致密, 通常没有自然产能, 必须进行人工压裂改造才能获得较高的初期产能。注水开发保持地层能量, 是目前实现油田稳产的有效手段之一。而这类储集层通常裂缝发育, 裂缝提高了储集层的渗透性, 尤其是基质渗透率小于1.0 ×10-3 μm2的超低渗透储集层, 裂缝是储集层中油气运移和流体渗流的主要通道, 同时可能导致注水开发过程中油井水淹。目前为低渗透油田开发而进行的储集层裂缝的研究, 主要集中在两个方面:一是天然裂缝的分布特征、形成机制及其发育规律的研究[1~10];二是人工压裂缝的研究, 包括压裂施工参数的优化及压裂裂缝与现今地应力的最大主应力关系的研究[11~16]。而在天然裂缝对人工压裂缝的控制作用方面的研究较少[17]。本文以陕北沿河湾长6、陇东长8 —长6为例, 从野外露头、岩心、成像测井等方面对鄂尔多斯盆地长6、长8超低渗天然裂缝发育特征进行了研究, 结合微地震监测结果, 对人工裂缝与天然裂缝和现今地应力的最大主应力的关系进行了分析, 并对其开发意义进行了探讨。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地中生界上三叠统延长组是一套以大型内陆凹陷盆地为背景, 以河流和湖泊相为主的陆源碎屑岩沉积。湖盆底形呈西陡东缓的箕状, 在东北、西南两大物源控制下, 形成了以东北河流三角洲、西南扇三角洲为代表的两大沉积体系。在两大物源沉积体系前缘的延长组主要由细砂岩、粉砂岩和砂质泥岩组成, 由于沉积水体较深, 受波浪影响较小, 沉积物颗粒细, 分选差, 导致非均质性强, 物性差, 岩心孔隙度8 %~10 %左右, 渗透率通常小于1.0 ×10-3 μm2

本次研究重点对东北物源沿河湾和西南物源的长8、长6储集层天然裂缝特征进行研究(见图 1)。

图 1 研究区构造位置示意图 Figure 1 Structural location of the study area

沿河湾长6储集层位于东北沉积体系前端, 为三角洲前缘水下分流河道沉积, 储集层物性差, 其平均孔隙度为7.5 %, 岩心的平均渗透率为0.17 ×10-3 μm2

陇东地区位于盆地西南部, 属鄂尔多斯盆地西南的扇三角洲沉积体系。长9、长7、长4+5亚期是延长组湖盆演化中的三大湖侵期, 在三大湖侵期之间发育了长8、长6两套特低渗储集层。如庄9井区长82储集层的平均渗透率为0.36 ×10-3 μm2、合水地区长6储集层的平均孔隙度8.47 %, 平均渗透率仅0.11 ×10-3 μm2

2 天然裂缝发育特征

通过地表与地下构造裂缝的定量观察描述, 对沿河湾地区长6、陇东长8 —长6储集层天然裂缝发育程度进行了研究, 厘定了裂缝发育的优势方位。

2.1 相似露头天然裂缝特点

根据野外中侏罗统露头观测, 沿河湾地区主要存在近EW及近SN向两组与层面近于垂直的共轭天然裂缝系统, 裂缝产状稳定, 延伸较远, 为区域性裂缝, 主要发育NE和NW两组裂缝。陇东地区平凉策底镇、平凉安口—铜城、铜川金锁关延长组剖面的天然裂缝观察, 三个剖面裂缝均发育NE和NW向两组裂缝, 以NE向裂缝最为发育。

沿河湾长6地层天然裂缝主要发育在泥质粉砂岩和粉砂岩中, 其裂缝线密度分别为11.5条/m、11.0条/m, 其次是细砂岩, 其裂缝线密度为3.8条/m。陇东长6、长8地层裂缝主要发育在粉砂岩、泥质粉砂岩中, 裂缝线密度分别为1.7条/m、1.5条/m, 以垂向裂缝为主。裂缝的分布及发育程度受岩相及构造应力场双重因素影响。沿河湾长6储集层、陇东长6和长8储集层单砂体较薄, 颗粒细小, 岩层中天然裂缝发育, 砂岩中裂缝密度与层厚呈乘幂负相关关系。

两个区块受盆地构造运动共同作用, 露头裂缝特点基本一致, 但沿河湾地区较陇东地区裂缝发育程度高, 裂缝密度大。

2.2 岩心裂缝特征

通过现场岩心观察, 对天然裂缝几何形态及发育程度进行了研究, 并利用古地磁岩心定向技术, 对岩心的天然裂缝方位进行了确定。

根据沿河湾长6储集层岩心观测, 该区所有观测井均不同程度上发育天然裂缝, 但裂缝发育程度有明显差异。相对沿河湾而言, 陇东长8、长6储集层虽然在多数取心井见有天然裂缝, 但天然裂缝发育程度相对较差。两个区块岩心观察到的天然裂缝与野外露头观察结果一致, 均以高角度裂缝为主, 沿河湾岩心高角度裂缝、斜交裂缝和低角度裂缝所占比例分别为48.3 %、32.9 %和18.8 %。

沿河湾地区长6岩心裂缝的开度主要分布在0 ~0.3 mm之间, 约占70 %, 而开度为0.5 ~1.0 mm的裂缝约占12 %。陇东地区长8、长6岩心裂缝开度以0.04 ~0.1 mm为主。

岩心裂缝定向研究表明沿河湾地区长6岩心裂缝与延河剖面裂缝系统观察结果相似, 以近EW向和SN向裂缝为主。陇东长8、长6储集层裂缝NE 55°~60°最发育, 其次为NW向裂缝, 成像测井解释结果表明该区天然裂缝走向也以NE 55°~ 65°为主(见图 2)。

图 2 FMI解释的裂缝方位图(8口井) Figure 2 Natural fractures'azimuth according to FMI data

整体上, 两个区块岩心均以高角度天然裂缝为主, 裂缝主要受构造作用的控制, 发育NE和NW两组裂缝系统。比较而言, 沿河湾地区天然裂缝发育, 裂缝开度也较大。

3 现今地应力的最大主应力方向

现今地应力方向主要是应用岩石差应变实验、钻孔崩落法、人工诱导缝等方法来确定的。

3.1 沿河湾地区

无天然裂缝岩心由于在地下所受三向主应力数值不等, 卸载程度也不同, 原应力产生了与卸载程度成比例的微裂隙应变。当重新用等围压加载时, 不同方向的恢复应变也有所不同, 具有最大应变值的方向即是岩心原来受到的最大主应力方向。因此, 利用古地磁方法确定岩心在地下自然方位后, 采用差应变实验可以确定岩石在地下最大主应力方向。

对沿河湾沿12、沿46井两个岩样进行了差应变测试, 测试结果表明沿河湾长6现今最大主应力方位介于NE 68°~76°之间(见表 1)。

表 1 沿河湾地区差应变实验数据表 Table 1 Experimental data on the difference in stress variation of Yanhewan district
3.2 陇东地区

在钻井过程中, 由于水平主应力的不平衡性造成井壁总是在最小主应力方向上崩落, 在最大主应力方向上不崩落, 因此钻井井眼总是成椭圆形, 其长轴与最小水平主应力方向一致。通过地层倾角测井(双井径)可将井眼椭圆刻画出来, 从而可用钻孔崩落法测试现今主应力方向[18~20]。根据庄53井钻孔崩落法测试结果, 该区现今应力最小方向NW 10°, 即最大主应力方向为NE 80°(见图 3a)。此外通过对庄111井人工诱导缝的测试, 也表明陇东地区现今最大主应力方向为NE 75°左右(见图 3b)。

图 3 陇东地区现今地应力场方向 Figure 3 Azimuth of present stress field in eastern Gansu
4 人工裂缝与天然裂缝的耦合作用

低渗储集层由于岩性致密, 通常没有自然产能, 必须进行人工压裂才能获得较高的产能。目前人工压裂主要采用水力压裂技术对低渗储集层进行改造, 而人工压裂缝方位、空间几何形态受到天然裂缝的控制作用。

4.1 沿河湾地区

水力压裂时, 迅速升高的井筒射孔位置压力超过岩石抗压强度, 岩石形成裂缝, 裂缝扩展产生一系列向四周传播的微震波, 微震波被监测井周围的监测分站接收到, 根据各分站的接收时差形成方程组, 然后求解就可确定微震波空间分布规律, 用以描述人工裂缝轮廓, 进而给出裂缝的方位、长度、高度、产状及地应力方向等地层参数。

沿120-17井长6层进行了两次分层压裂, 微地震监测结果表明沿河湾地区人工裂缝为垂直裂缝, 缝长较长(160 ~170 m), 裂缝方位85°~90°(见表 2)。

表 2 沿120-17井水力压裂裂缝微地震监测结果表 Table 2 Microseimic monitoring on hydraulic fracturing in well Yan 120-17
4.2 陇东地区

井下微地震裂缝测试是目前人工压裂缝监测最可信的技术, 测试原理是通过监测裂缝端部岩石的张性破裂和滤失区的微裂隙的剪切滑动造成的微地震信号, 得出裂缝空间展布特征。

应用井下微地震技术对陇东4口油井实施压裂缝监测, 结果表明该区长8、长6储集层人工压裂缝以垂直对称缝为主, 裂缝方位主要为NE 75°, 受储集层非均质性的控制, 人工压裂缝的类型以及缝长差异较大, 庄61-23井监测结果仅为单翼缝(见表 3)。

表 3 陇东地区长8、长6压裂裂缝井下微地震监测结果表 Table 3 Microseimic monitoring on hydraulic fracturing in Longdong district
4.3 耦合作用

沿河湾地区天然裂缝发育, 人工压裂缝方向(NE 85°~90°)与天然裂缝方位(NE 85°)基本一致, 而与最大主应力方向(NE 65°~75°)存在夹角。陇东地区天然裂缝相对不发育, 人工压裂缝方向(NE 75°)与天然裂缝方位(NE 50°~60°)有个明显的夹角, 而与最大主应力方向(NE 75°)一致。

通过将陕北沿河湾、陇东地区人工压裂缝方位与天然裂缝及最大主应力对比研究, 认为天然裂缝对人工裂缝具有重要的控制作用。油气储集层, 特别是特低渗透储集层中, 一般发育有1 ~2组按一定规律分布的天然裂缝, 且一般以高角度裂缝为主。在人工压裂造缝时, 由于天然裂缝的抗张强度小于岩石的抗张强度, 若达到一定条件, 天然裂缝会优先张开并相互连通形成压裂缝, 使压裂裂缝不再严格地沿着最大主应力方向延仲, 并控制压裂裂缝的空间特征。当天然缝相对不发育时, 现今最大主应力对人工缝开启方向具有控制作用, 压裂裂缝的方向、形态受现今地应力场的特征控制。

5 石油开发意义

人工压裂造缝是特(超)低渗透油田具有产能的重要手段。通常认为在均质性储集层中, 人工裂缝的展布方向总是垂直于现今地应力场的最小主应力方向扩展。当超低渗油田裂缝发育时, 由于基质和裂缝分布的强烈非均质性, 人工裂缝的分布除了受现今地应力场的控制外, 还受古构造应力场作用下形成的天然裂缝的控制[21]

井网部署时, 要充分考虑研究区天然裂缝发育程度、发育方位及其与现今地应力的最大主应力的匹配关系。若研究区天然裂缝发育, 人工压裂缝可能沿着天然裂缝方位延展, 井排方向部署时主要是要考虑以天然裂缝走向为主; 当研究区天然裂缝相对不发育时, 人工压裂缝走向可能与最大主应力方向一致, 井排方向应以最大主应力方向为主, 从而达到油田有效开发, 最大限度杜绝油井爆性水淹的目的。如沿河湾地区, 其井排方向以NE 85°为宜; 而陇东地区的井排方向以NE 75°较为适合。因此, 充分考虑人工缝与天然缝耦合作用, 对超低渗油田注水开发具有重要的意义。

致谢 研究过程中得到中国石油大学(北京)曾联波教授、中国地质科学院周新桂研究员的指导, 并提供了相关数据, 在此表示衷心的感谢!

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