碳酸盐岩气田开发阶段储集层裂缝描述现状及展望

王蕊

摘要：随着地质调查技术和计算技术的发展，三维地质模型和工程动态模型的建模与分析技术近年来取得了很大进展，为解决上述问题提供了极好的技术基础。通过塑料动力学模型和有限元地球动力学数值模拟预测了自然裂缝的分布。岩石损伤研究是固体力学研究的热点。储层是一种半脆性物质，岩石地层裂缝通常以裂缝群的形式出现。此外，自然骨折的大小各不相同，从几百米的缺陷到毫米的微裂纹。在工程中，岩石中的自然裂缝通常以一定宽度的断裂带的形式出现。裂缝动力学很难准确描述这种情况下的岩石破坏现象，但对损伤模型的研究是理想的。基于此，本篇文章对碳酸盐岩气田开发阶段储集层裂缝描述现状及展望进行研究，以供参考。

关键词：碳酸盐岩气田；储集层裂缝；现状及展望

引言

裂缝是碳酸盐岩储集层的主要渗流通道，裂缝描述是气田开发过程中的重要工作条目，其研究价值不仅局限于前期评价阶段中的井位部署、储层改造试验、早期产能主控因素落实，同时也体现在气田开发过程中指导动态描述、治水方案设计、开发方案调整等诸多方面，因此裂缝特征和分布的研究贯穿于气田开发的始终。气田进入开发阶段后，井点上的裂缝结构描述基本清楚，由于碳酸盐岩储集层裂缝发育受沉积、成岩、构造和成藏过程的复杂性影响，井间的裂缝描述非常困难，需借助一系列井史和动态资料进行间接描述和反复对比验证。目前针对碳酸盐岩气田开发阶段储集层裂缝描述尚未形成系统的技术序列，技术方面主要从井点裂缝描述、地震和构造应力场预测、裂缝网络定量表征和动态资料间接描述几个单项进行研究，矿场方面主要有“井点裂缝结构描述基本清楚，井间裂缝描述困难”的特点和借助多项资料进行裂缝间接描述与反复对比验证的需求，因此虽然各项裂缝描述技术方法虽然取得了较大进展，但都存在显著的缺陷和矿场应用局限。

1裂缝成因类型与发育特征

基于岩心及薄片观察分析结果，碳酸盐岩储集层主要发育构造裂缝和成岩裂缝２种成因类型。构造裂缝是研究区碳酸盐岩储集层中最常见的裂缝类型。根据力学机制差异，可进一步划分为剪裂缝与张裂缝。（１）剪裂缝：裂缝较平直，裂缝面光滑，产状较稳定，以高角度裂缝为主，延伸较远，一般未被充填。（２）张裂缝：裂缝面较粗糙，产状不稳定，延伸距离短，常切穿碳酸盐岩层面，常被方解石充填。成岩裂缝包括层间页理缝和超压裂缝。（１）层间页理缝：形成于具剥离线理的平行层理纹层面间，张开度较小，多数被方解石完全充填。（２）超压裂缝：由生烃过程中的异常流体压力产生，以低角度为主，延伸距离短，常被方解石充填。岩心观察作为研究裂缝最直观的方法，直接反映储集层裂缝发育特征。通过对研究区ＭＹ１井碳酸盐岩储集层２８９ｍ长岩心的观察发现，碳酸盐岩储集层的不同尺度裂缝发育广泛，局部因裂缝的密集发育而破碎严重。根据裂缝倾角，研究区裂缝划分为高角度裂缝、斜交缝与低角度裂缝。研究区构造裂缝多为高角度裂缝，裂缝延伸长度为０１～２ｍ，充填较少且开启程度高，有利于储集层的油气运聚。成岩裂缝主要呈低角度裂缝和近水平裂缝出现，斜交缝发育较少。根据裂缝充填情况，研究区裂缝划分为充填裂缝与未充填裂缝。通过岩心及薄片观察发现，绝大部分裂缝未被充填，少部分被方解石、沥青质或泥质充填，极少数裂缝可见油迹。

2裂缝成因

由于裂缝结构描述各项方法均存在缺陷，不满足储层裂缝的多尺度描述需求，因此若能明确产生裂缝结构的主要原因并建立该原因与裂缝结构的联系，即可实现对裂缝结构的预测。裂缝预测包括定性预测和定量预测。裂缝分布的定量预测方法包括分形法、曲率分析法、应力场数值模拟法、古今应力场结合法。分形理论的核心思想是把复杂对象的某个局部进行放大，其形态和复杂程度与整体相似，不同方位上分数维D值大小就等量地反映了裂缝分布的不均匀性，即用不同方位的分数维能定量地描述裂缝分布的各向异性特征。目前该方法在基于天然气压裂井裂缝网络描述的试井模型、裂缝预测中取得一定的理论成果和现场应用。但就方法而言，分维值与裂缝的密度正相关，却不能反映孔隙度、渗透率等决定性参数，因此无法满足气田开发的需要。曲率分析法中的高斯曲率法计算结果较为符合地质规律，并在井点上与测井资料解释一致，因此高斯曲率法在裂缝带分布的定量预测上十分有效，可以广泛应用于裂缝性油气藏储层裂缝的定量评价上，该方法在裂缝性气藏的勘探过程中发挥了重要作用。应力场数值模拟法是将连续的地质体介质离散成一系列的微小单元，计算每个单元的三轴应力分布，通过岩石破裂强度的判别，在产生裂缝的单元进行裂缝参数的计算，计算的参数包括裂缝开度、密度和孔隙度等。该方法国内的发展有三个阶段，但基于上述理论方法构建的地质模型虽然从应力场角度能得到裂缝分布预测，但预测存在多解性，井间的裂缝网络不易验证，模型用于数值模拟计算费时费力。在此基础上发展出的古、今应力场结合法主要包括古应力场下裂缝参数计算、现今应力对裂缝的改造、孔渗参数计算，将裂缝预测技术提高至新的水平。方法虽然从理论上能够行通，但在实际操作过程中，不仅区域古应力难以准确确定，而且特定地区的模型需要开展大量的力学参数测试。

3研究展望

3.1模型位移边界

(1)重力载荷，包括柯平塔Ge集团和易芳集团的重力载荷；(2)顶部表面受力载荷为50MPa，其作用是模拟地层可能的架空压力，并在数值模拟中稳定模拟的收敛效果。采用初始变形法模拟造山带运动的挤压载荷。初始变形方法是将初始应变张量应用于有限元模型中各元素的各积分高斯点，应用由层中各点传递的应变载荷。其优点在于防止了边界荷载法引起的荷载点附近出现强破坏现象，由此引起的破坏场的分布是合理的。早期应变张量有三个主要方向。其中，应变张量的主方向2只有在应变张量的主方向不为零的情况下，其他两个主方向的所有变形都为零。在应变张量的主方向2，其方向角为15°，使用的初始变形成分为0 ~ 0.5°，其他方向的初始变形成分为0°。数值模拟的结果表明，当变形张量主方向2的变形成分为2.4 %时，裂纹自然分布的损伤数值溶液与裂纹的已知自然分布最为吻合。

3.2降低岩石的破裂压力

(1)与纯水和液态CO2相比，超临界CO2的粘度和表面张力非常低，微动过程中的液体损失非常大，贝尔压力非常难以设定。在同样的实验条件下，破碎碳酸盐岩所需的超临界CO2的体积是纯水的16倍。(2)在同样的实验条件下，超临界CO 2可以明显降低碳酸盐岩的破坏压力。用超临界CO2破碎碳酸盐岩所需的压力为纯水的57.4%和液态CO2的72.9%。不考虑液体过滤，灯芯周围的孔隙压力与原始成型压力相同。当考虑液体过滤时，灯芯周围的孔隙压力与多孔介质中的液体压力相同；液体流失显然会减少岩石的破坏性压力。根据考虑渗流效应的既定岩石破坏压力预测模型，可以看出，随着破碎流体深度的减小，井筒周围岩石的孔隙压力增大，从而减小岩石破坏压力。与纯水和液态CO2相比，超临界CO2粘度最低，而且在铣削过程中，最大程度上增加了灯芯绒周围的孔隙压力，因此超临界CO2可以明显降低岩石的破坏性压力。

结束语

裂缝是碳酸盐岩储集层的主要渗流通道，裂缝描述是气田开发过程中的重要工作条目，其研究贯穿于气田开发的各个阶段。本文系统总结和扩展了裂缝描述的概念，提出裂缝系统描述新理念，围绕裂缝成因、结构、功能3个主要核心，围绕碳酸盐岩气田开发阶段的需求和矛盾，提出系统裂缝描述的原则、方法以及实施建议，以期提升气田开发阶段储集层裂缝描述的矿场应用水平，支撑碳酸盐岩气田的科学开发。

参考文献

[1]许成元,闫霄鹏,康毅力,游利军,张敬逸.深层裂缝性储集层封堵层结构失稳机理与强化方法[J].石油勘探与开发,2020,47(02):399-408.

[2]丁建荣.碳酸盐岩高角度裂缝油气藏表现特征研究[J].物探化探计算技术,2019,41(06):712-717.

[3]翟乃城.碳酸盐岩储层水力压裂裂缝扩展机理及工艺优化研究[D].中国石油大学(华东),2019.

[4]袁溯.简述碳酸盐岩储层[J].石化技术,2018,25(07):193.

[5]赵向原,胡向阳,肖开华,贾跃玮.川西彭州地区雷口坡组碳酸盐岩储层裂缝特征及主控因素[J].石油与天然气地质,2018,39(01):30-39+152.