周頡/譯
裂縫性儲(chǔ)層分布在各種地下地層、不同深度、不同壓力和溫度范圍內(nèi)。顆粒型儲(chǔ)層(粒間儲(chǔ)層、多孔儲(chǔ)層)的分布僅與陸源和碳酸鹽巖有關(guān)，即與特定但有限巖性的巖石有關(guān)，而裂縫型儲(chǔ)層不僅在上述巖石中發(fā)現(xiàn)并得到了開發(fā)，而且在頁(yè)巖、花崗巖、粘土等儲(chǔ)層中也發(fā)現(xiàn)并開發(fā)了裂縫型儲(chǔ)層。
破紀(jì)錄的累計(jì)產(chǎn)油量可能是這類油藏的特征，有時(shí)超過每口井100萬(wàn)噸的水平。
本文是作者多年來為解決油田勘探和采油過程中裂縫性儲(chǔ)層識(shí)別和勘探的一些實(shí)際問題和理論問題而進(jìn)行的研究成果。
這些研究包括:
井柱地下勘探地球物理技術(shù)理論相關(guān)單項(xiàng)任務(wù)的闡述、設(shè)置與解決；
根據(jù)得到的理論解計(jì)算地質(zhì)和地球物理情況；
裂縫性儲(chǔ)層研究新方法的發(fā)展；
處理和解釋與井內(nèi)使用這些技術(shù)相關(guān)的結(jié)果；
裂縫性油藏油藏試井開發(fā)資料的處理、解釋和推廣；
專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的處理與解釋;
對(duì)其他研究人員發(fā)表的出版物進(jìn)行批判性的再評(píng)價(jià)。
總的來說，已經(jīng)研究了180個(gè)地區(qū)和油田的1200多口井的材料。
從第一口探井的鉆探開始，一直到完全含水為止，跟蹤了某些礦點(diǎn)的勘探開發(fā)歷史。這些油田位于不同的地理、地質(zhì)和氣候條件下。裂縫儲(chǔ)層年齡從漸新世到日復(fù)世不等。儲(chǔ)層巖石由砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、白云巖、粘土巖、花崗巖、凝灰?guī)r等組成。地層壓力從異常低到極高，溫度范圍從25°С到185°С。即對(duì)裂縫性儲(chǔ)層進(jìn)行了現(xiàn)代實(shí)踐中所遇到的全范圍的地質(zhì)技術(shù)條件的研究。
裂縫性儲(chǔ)層構(gòu)造
迄今為止，國(guó)內(nèi)外大部分地質(zhì)學(xué)家、地球科學(xué)家、油田開發(fā)人員對(duì)裂縫性儲(chǔ)層模型的概念都是，裂縫性儲(chǔ)層是由不同方向、不同梯度角度、不同開縫程度的裂縫所解剖的一種巖石體(圖1)。這種概念是對(duì)地表地質(zhì)露頭和巖心的一些直觀觀察的結(jié)果，這些觀察沒有考慮到實(shí)際條件下巖石的受力狀態(tài)。因此，首先要對(duì)儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋，因?yàn)閷?duì)研究對(duì)象沒有明確的認(rèn)識(shí)，就不可能制定出研究?jī)?chǔ)層的方法，也不可能分析出油氣生產(chǎn)過程中發(fā)生的變化。
圖1所示裂縫性儲(chǔ)層構(gòu)造的廣泛概念
通過最簡(jiǎn)單地考慮影響巖石元素的應(yīng)力，首先制定了一個(gè)工作假設(shè):在自然發(fā)生條件下，垂直裂縫的概率高于張開的水平裂縫的概率。該假設(shè)采用了三種獨(dú)立的方法進(jìn)行驗(yàn)證:1)將完井結(jié)果與鉆井過程中流失的沖洗液體積進(jìn)行比較。2)將流體流入的形成與井壁處存在的切向應(yīng)力進(jìn)行比較;3)通過對(duì)Yaregskoye油田某油田巖石露頭描述的研究。
基于第一種方法，認(rèn)為鉆井過程中吸收的沖洗液會(huì)沿著垂直裂縫系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)層含水部分，不會(huì)影響清潔油的開采。如果存在水平裂縫，被吸收的流體將不可避免地與儲(chǔ)層流體一起被回收。對(duì)裂縫性油藏鉆完150口井后獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，這些井的鉆井表明，吸收的沖洗液的體積從幾百立方米到幾十萬(wàn)立方米不等(一些井的泵送沖洗液根本沒有出現(xiàn)在地面上)。所有這些井完井的結(jié)果是，石油中沒有任何吸收沖洗液的跡象。
因此，第一種方法證實(shí)了垂直開口裂縫在流體原位流動(dòng)中起主導(dǎo)作用的假設(shè)。第二種方法考慮了鉆孔壁上及其附近產(chǎn)生的切向應(yīng)力σθ的影響。在油井增產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的某些條件下，切向應(yīng)力可能超過地層壓力Рпл..這將導(dǎo)致垂直裂縫壁關(guān)閉，井與儲(chǔ)層之間的水力連接喪失，并且作為這種測(cè)試的結(jié)果，流體流入不足。水平裂縫在切向應(yīng)力作用下不可能閉合;儲(chǔ)層與井眼之間的水力連接仍然存在，流體將被回收。選取了100多個(gè)以裂縫性儲(chǔ)層為代表的靶區(qū)，在改造過程中條件σθ>Рпл。被保存了下來。所有的目標(biāo)一開始碰巧都是“干的”。增產(chǎn)后均產(chǎn)生地層流體。
使用第二種方法和第一種方法獲得的結(jié)果證實(shí)了開放垂直裂縫在流體原位流動(dòng)中起主導(dǎo)作用的假設(shè)。
使用第三種方法，研究了泥盆紀(jì)砂巖的詳細(xì)描述，該砂巖位于180-250米的深度，在Yareganskoye油田使用豎井法開采石油。各作者的研究工作中只提到了亞垂直開放性骨折。
我們應(yīng)該注意到，這些數(shù)據(jù)反駁了已經(jīng)廣為流傳的觀點(diǎn)，即開放性水平裂縫可能存在于相對(duì)較淺的深度。
因此，證明了在天然巖石條件下，只有垂直裂縫可以打開(圖2)。這些裂縫在礦層中形成單一網(wǎng)絡(luò)，為礦層的不同部分提供水平和垂直的水力連接。裂縫性儲(chǔ)層的探明構(gòu)造有以下幾個(gè)因素為基礎(chǔ):巖體內(nèi)部裂縫分布的不均勻性，油氣生產(chǎn)過程中不同開放程度的裂縫的不等價(jià)性，近垂直方向的開放裂縫的主導(dǎo)作用。
圖2所示裂縫性儲(chǔ)層真實(shí)構(gòu)造
探礦和勘探階段要達(dá)到的目標(biāo) 在一個(gè)新的油田開始勘探和開采工作時(shí)，人們應(yīng)該始終記住鉆進(jìn)和鉆遇裂縫儲(chǔ)層的可能性。在這種情況下，人們必須解決許多特定于這種油藏的任務(wù)，這些任務(wù)通常不包括在使用地球物理和流體動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)研究橫截面的程序中。下面列出了在研究裂縫性儲(chǔ)層時(shí)需要解決的一些中心任務(wù)，解決這些任務(wù)的方法如下: 識(shí)別井柱中的開放裂縫； 評(píng)估儲(chǔ)層類型； 垂直估計(jì)開放裂縫的范圍； 描繪裂縫和井之間的交叉點(diǎn)； 提供生產(chǎn)壓差，以刺激來自裂縫的流體流入； 估計(jì)斷裂能力。
識(shí)別井柱中開放裂縫的方法 許多方法可用于從根本上解決特定井柱中存在(或不存在)開放性裂縫的問題:
1. 記錄鉆井過程中的失液量及氣、水、油的顯示。在鉆井過程中記錄的流體漏失和/或氣、水和油顯示通常是由與井相交的開放裂縫的存在引起的。在正常的鉆井過程中記錄這些復(fù)雜的情況，可以在井柱中發(fā)現(xiàn)裂縫，從而可以估計(jì)地層壓力并識(shí)別節(jié)理區(qū)域。
2. 尋找流動(dòng)潛力。裂縫中流動(dòng)電勢(shì)(或自然電勢(shì)(SP)的電勢(shì))的電動(dòng)勢(shì)問題的理論解表明這種電動(dòng)勢(shì)比毛細(xì)管滲流電勢(shì)(亥姆霍茲方程)的電動(dòng)勢(shì)高4π倍，并可能產(chǎn)生極高的自然電勢(shì)。通過將實(shí)際自然電位異常幅度與標(biāo)稱靜態(tài)電位進(jìn)行比較，可以檢測(cè)出因開放裂縫密度而產(chǎn)生的流動(dòng)電位。這種方法最適用于主要由陸源巖石組成的井柱。
3. 比較不同波長(zhǎng)波的傳播速度。如果巖石基質(zhì)結(jié)構(gòu)是均勻的，長(zhǎng)短波的傳播速度相等。如果巖石基質(zhì)結(jié)構(gòu)受到明顯的開放裂縫的干擾，短波的傳播速度將超過長(zhǎng)波的傳播速度。在聲波和地震頻率范圍內(nèi)獲得的值(聲波測(cè)井和剖面拍攝數(shù)據(jù))被用作不同長(zhǎng)度的波的速度。這種方法適用于巖性不變、深度較大的巖石深處。
4. 比較水平應(yīng)力和地層壓力。存在開放垂直裂縫的條件是地層壓力超過水平應(yīng)力σгор(рпл>σгор)。否則肯定會(huì)遺漏開放性骨折[6，13]。流入測(cè)試過程中使用壓力計(jì)測(cè)量地層壓力。
可以使用兩種方法確定水平應(yīng)力:計(jì)算和使用地層水力壓裂的結(jié)果。在第一種情況下:
式中δс -為地下巖石從地表到深度h的平均密度; ν -為泊松常數(shù);G -是重力加速度。
泊松常數(shù)是根據(jù)已知公式對(duì)縱波和橫波傳播速度的測(cè)量來計(jì)算的，現(xiàn)在它已成為一種常規(guī)程序。
如果在記錄壓裂過程時(shí)考慮應(yīng)力集中因素，那么根據(jù)水力壓裂結(jié)果確定的水平應(yīng)力值將更加準(zhǔn)確。
否則，將嚴(yán)重高估最小水平應(yīng)力。文獻(xiàn)[10]詳細(xì)考慮了基于水力壓裂地層材料的最小σгор值的確定。
需要注意的是，根據(jù)水力壓裂地層材料確定的水平應(yīng)力與使用地下壓力計(jì)測(cè)量的地層壓力相比較的方法，為確定所考慮的井柱中是否存在張開的垂直裂縫提供了絕對(duì)保證。
確定儲(chǔ)層類型
儲(chǔ)層類型的確定實(shí)際上僅限于評(píng)價(jià)巖石基質(zhì)的濾失性。為什么它是必要的和重要的?如果巖石基質(zhì)具有滲透性，則是具有滲透性基質(zhì)的裂縫性儲(chǔ)層;如果巖石基質(zhì)不具有滲透性，則是純裂縫性儲(chǔ)層。
在第一種情況下，估算儲(chǔ)量時(shí)可以忽略裂縫系統(tǒng)的容量，因?yàn)樗然|(zhì)孔隙體積的容量低得多，如果我們使用地球物理方法確定孔隙度，它在絕對(duì)誤差范圍內(nèi)。在第二種情況下，裂縫網(wǎng)絡(luò)的容量決定了礦點(diǎn)的商業(yè)礦床量。 在這種情況下，通常用于判斷粒間儲(chǔ)層存在的巖石滲透率定性指標(biāo)也是可以接受的。如果建立了這樣的滲透率指標(biāo)，我們就可以處理具有滲透率基質(zhì)的裂縫性儲(chǔ)層。但是，如果我們沒有明確的跡象表明巖石基質(zhì)是可滲透的，我們就有一個(gè)純粹的裂縫儲(chǔ)層。當(dāng)鉆井液具有某些特性時(shí)，巖石基質(zhì)滲透性的明顯跡象可能會(huì)消失。對(duì)于這種情況，兩個(gè)概念上的新方法的任務(wù)解決已經(jīng)合理化和測(cè)試。
第一種是基于檢測(cè)在鉆井過程中廣泛形成的并且在徑向方向上延伸的近井地帶中的拉伸裂縫。當(dāng)井下沖洗流體壓力超過切向應(yīng)力和巖石拉伸(斷裂)應(yīng)力之和時(shí)，這種裂縫就會(huì)出現(xiàn)?；诰哺浇A(yù)應(yīng)力巖石任務(wù)的已知理論解的計(jì)算表明，狂野壓裂區(qū)的半徑(R)不會(huì)超過井半徑(Rс)的1.2-1.5倍，即R/Rс≤1.5。如果檢測(cè)到此類裂縫區(qū)域，則表明巖石基質(zhì)不可滲透。超過這個(gè)面積，切向應(yīng)力就收縮。 自發(fā)形成的裂縫區(qū)域是使用密度增加的沖洗液鉆探的井柱的典型特征。有記錄表明，在由不同巖性的巖石組成的井柱中，這種壓裂的持續(xù)延伸超過1 km，并且使用密度不小于1.6 g/cm3的沖洗液進(jìn)行鉆探。
第二種方法是在上述確定直井附近應(yīng)力問題的理論解的基礎(chǔ)上，通過改變井底壓力來考慮井面范圍內(nèi)的切向應(yīng)力。
垂直裂縫擴(kuò)展的測(cè)定
為了確定裂縫性儲(chǔ)層的下邊界和估計(jì)油氣儲(chǔ)量，需要了解垂直裂縫在剖面上的延伸情況。這可以使用上述裂縫識(shí)別方法，通過比較水平應(yīng)力和地層壓力來確定。只要滿足Рпл>σгор條件，在一定深度下可能存在垂直裂縫。在應(yīng)用這種方法時(shí)，有必要估計(jì)水平壓力和地層壓力沿所考慮的井柱深度的變化。
在有限厚度的地層中，裂縫的長(zhǎng)度通常受限于地層厚度。在地層壓力異常高的地區(qū)，這一規(guī)則就被打破了，在這些地區(qū)，垂直裂縫的連續(xù)長(zhǎng)度(無(wú)論其離散層數(shù)如何)可能超過1.5公里。
識(shí)別裂縫-井交叉點(diǎn)
這一課題的解決為選擇合適的裂縫產(chǎn)液層段提供了可靠的依據(jù)。井和開放裂縫之間的交叉點(diǎn)實(shí)際上是儲(chǔ)層-井眼水力通道到達(dá)井壁的點(diǎn)。因此，我們可以得出這樣的結(jié)論:記錄這些通道上的流體運(yùn)動(dòng)的方法應(yīng)該比其他方法具有明顯的優(yōu)先權(quán)。最簡(jiǎn)單的方法是記錄鉆井過程中的流體損失和/或氣-油-水顯示:記錄事件的深度必須作為第一近似值，即裂縫到達(dá)井壁的位置。其他可能的變體是高電導(dǎo)率異常和存在流動(dòng)電位。為了準(zhǔn)確解決這一任務(wù)，建議使用新方法，其具體用途取決于鉆孔中泵送的沖洗液的性質(zhì)。
如果井充滿了能夠?qū)щ姷臎_洗流體，來自側(cè)向測(cè)井裝置的中央電極的電流強(qiáng)度的相當(dāng)大的波動(dòng)將是那里存在的開放裂縫的指示。 電流強(qiáng)度記錄為一條單獨(dú)的曲線(圖3)。工作中給出了該方法的理論依據(jù)。
圖3所示利用側(cè)向測(cè)井-3 (LL3)電流強(qiáng)度異常圈定裂縫帶
如果井充滿了不能導(dǎo)電的沖洗液，則應(yīng)用感應(yīng)測(cè)井。在這種情況下，感應(yīng)測(cè)井的使用是基于解決感應(yīng)測(cè)井理論的直接問題的結(jié)果，該問題適用于存在油井和垂直裂縫的三維環(huán)境模型。裂縫存在的標(biāo)志是電導(dǎo)率曲線特定形式的異常(圖4)。
圖4所示利用感應(yīng)測(cè)井電導(dǎo)率異常圈定裂縫帶
于這些方法的應(yīng)用結(jié)果，對(duì)井柱中的開放裂縫的檢測(cè)頻率進(jìn)行了檢查。獲得的數(shù)據(jù)表明，沿井筒的兩個(gè)連續(xù)裂縫(裂縫帶)之間的距離在3至84米之間。 在通過射孔柱從裸眼井生產(chǎn)石油的作業(yè)井中，使用地球物理勘探方法進(jìn)行了額外的研究。
此類研究的結(jié)果表明，石油從1至3條裂縫進(jìn)入長(zhǎng)度為150-200米的裸眼井，這些裂縫之間的距離不小于35米。射孔柱中活動(dòng)裂縫之間的距離較小，但至少其中一條裂縫產(chǎn)生的石油不小于總產(chǎn)量的70%至90%。考慮到裂縫的滲透率理論上與其張開度的立方成正比，所獲得的數(shù)據(jù)表明，張開度較大的裂縫在總生產(chǎn)率中提供了大部分石油。
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