一種基于巖心的裂縫連續表征方法與流程

本發明屬于油氣勘探開發技術中的儲層裂縫表征技術，特別涉及一種基于巖心的裂縫連續表征方法。

背景技術：

裂縫作為石油和天然氣的一種重要儲存空間和運輸通道，無論是在流體儲集還是在油氣運移方面都起著至關主要的作用。因此，裂縫評價、尤其是在孔隙度和滲透率都極低的非常規油氣儲層中的裂縫評價，成為優選油氣勘探有利區以及制定下一步開發方案的一項重要工作。裂縫的有效、精確表征是裂縫評價的必要前提，只有建立起一套可方便實施、可定量描述、可縱橫對比的裂縫表征方案，才能為后期的儲層評價與生產決策提供正確指導。

現有的巖心裂縫表征方法中，最常用的是利用裂縫線密度(即單位巖心長度內裂縫發育的總條數)對裂縫發育程度進行描述。但是，線密度描述方法具有明顯的劣勢：其一，裂縫線密度僅考慮了裂縫的條數而未考慮裂縫傾角、裂縫性質等重要參數對裂縫表征的影響；其二，裂縫線密度的單位統計長度通常為某地層厚度，長度較長，從而導致計算精度較低。因此，在巖心觀測中采用線密度對裂縫進行表征，不能滿足油氣勘探高精度定量描述的實際需要。裂縫面密度(即單位巖心面積內裂縫發育的總長度)描述方法在一定程度上提高了表征精度，但是，裂縫面密度測量通常是基于單個巖心進行裂縫統計，測量較為繁瑣，且受巖心長度這一非地質因素影響較大，計算精度偏低，垂向上也不具備連續性，縱、橫向可對比性較差。因此，有必要形成一套方便巖心實測、測量精度統一、縱向可連續表征、橫向可量化對比的巖心裂縫表征新方法，以滿足油氣前期勘探的實際需求。

該方法在國內首次針對巖心層段提出了裂縫連續表征方法，簡化了測試流程，保證了參數的完整性，能夠在巖心實測的基礎上垂向連續、定量、統一地反映裂縫集中程度，提高了裂縫指標的可對比性。

技術實現要素：

為了克服現有方法的不足，本發明的目的在于提供一種基于巖心的裂縫連續表征方法，基于實測巖心裂縫中心深度、長度、開度、充填程度及充填物、傾角及巖心直徑等關鍵參數，確定測量精度，設計基于單位巖心長度和相關參數的裂縫發育程度計算方法，進而對裂縫發育程度進行連續定量表征，提高巖心裂縫面密度和面縫率計算精度，為裂縫定量預測提供可靠的數據資料保證。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種基于巖心的裂縫連續表征方法，包括以下步驟：

步驟一、裂縫類型識別：裂縫的有效識別是裂縫準確統計的基本前提，主要是在巖心觀測中對不同成因和性質的裂縫進行區分；裂縫整體劃分為人工裂縫和天然裂縫兩類，在裂縫觀測時要排除人工裂縫對裂縫表征的干擾；天然裂縫又分為構造裂縫和非構造裂縫兩類：構造裂縫主要包括張性裂縫、剪性裂縫和壓性裂縫，而非構造裂縫則主要包括溶蝕縫、壓實縫、風化縫、層間縫和沉積裂縫；

裂縫類型按以下特點進行識別：

人工裂縫指由于人工施鉆所形成的相關裂縫，其形態在很大程度上取決于壓裂井附近的現代地應力狀態及鉆孔方向；在未壓裂的井段中，人工裂縫通常僅見于巖心表面，很難貫穿至巖心內部或切穿巖心，且形態與鉆頭形狀具有明顯相似性，因此其能夠與天然裂縫有效區分；

天然裂縫中，構造裂縫往往與區域構造作用密切相關，斷裂或褶皺附近的構造裂縫通常較為發育，成組出現、走向穩定、平直、穿一層或多層，且剪性裂縫的延伸性和平整度顯著優于張性裂縫和壓性裂縫；非構造裂縫成因復雜，形態多樣，尺度跨度和走向變化大，與構造作用無關：溶蝕縫指成巖后地層中的部分物質在酸性流體作用下溶蝕形成的裂縫，通常在裂縫面上可見明顯礦物溶蝕特征；而由于地層存在一些封閉的含液成巖縫和氣孔，在垂向的壓實作用下，液體壓力上升會導致在側向壓力較小的方向擴展形成裂縫，這類裂縫則稱之為壓實縫，往往呈頭蓋骨“縫合線”狀；風化縫指由于表層風化、剝蝕和蓋層沉積，在風化殼和不整合面上所形成的裂縫，橫截面多呈“v”字型，切割巖層較淺，通常不切穿巖層，走向不穩定；層間縫為在相鄰地層間，由于層面間不整合或沉積條件不同所形成的層間裂縫群，通常傾角變化大，與地層面平行，走向離散，不切穿地層；而由于流體的定向流動和沖擊作用，礫石、巖屑會呈定向排列，形成液體流動通道，進而形成沉積裂縫，并與沉積構造特征密切相關；

步驟二、裂縫參數統計：基于不同類型裂縫的識別，統計各條裂縫的相關參數，相關參數主要包括裂縫性質、裂縫中心深度fmid，單位m、裂縫長度lfrac，單位m、裂縫開度w，單位mm、充填程度及充填物、裂縫傾角dip和巖心直徑d，單位m；其中，裂縫中心深度fmid測量不便時，首先測量裂縫的頂深ftop，單位m和底深fbtm，單位m，然后利用公式：

間接計算得到裂縫中心深度fmid；裂縫長度lfrac指裂縫在巖心上截取的直線長度，通常表示為裂縫橢圓截面的長軸長度；裂縫開度w指裂縫的張開程度，亦即裂縫兩側的間隔距離；充填程度反映裂縫內的充填情況，主要包括全充填、半充填和未充填三類；裂縫傾角dip指裂縫面與巖心橫截面間的夾角；裂縫長度lfrac、裂縫頂深ftop和底深fbtm、裂縫傾角dip之間滿足關系式：

fbtm-ftop＝lfrac·sin(dip)(2)

步驟三、表征精度確定：表征精度指進行裂縫計量的最小巖心單元，用每次裂縫表征的單位巖心長度lunit表示；表征精度為均勻劃分或根據實際計量需求按地層、巖性、沉積相等非均勻劃分；單位巖心頂深和底深分別為utop，單位m和ubtm，單位m，且滿足以下關系式：

lunit＝ubtm-utop(3)

步驟四、裂縫密度表征：裂縫密度反映裂縫的集中程度，有線密度、面密度和體密度之分；線密度指一條單位長度的測線上通過的裂縫總條數，面密度指單位面積內所有裂縫的總長度，而體密度指在單位體積內裂縫穿切的總面積；本發明按面密度進行統計，即：

式中，ds代表裂縫面密度，s代表測量面面積，li代表該測量面內各條裂縫的長度；將各單位巖心段的縱截面作為測量面，則上式可變換為：

針對每條裂縫，由于裂縫的對應深度與單位巖心段深度并非完全一致，二者存在多種交互關系，而實際僅需統計在該單位巖心段內的裂縫長度，因此上式進一步轉換為：

ds(unit)為某一單位巖心內的裂縫面密度；lreal(unit)代表各條裂縫在該單位巖心上截取的實際長度，其進一步表征為：

式中，min(ubtm,fbtm)代表某單位巖心底深與裂縫底深二者中的較小值，max(utop,ftop)代表某單位巖心頂深與裂縫頂深二者中的較大值；max[0,t]代表對t取正值，而利用max[0,min(ubtm,fbtm)-max(utop,ftop)]則能夠計算各條裂縫在該單位巖心內的裂縫垂向長度，再除以sin(dip)即得該單位巖心內的真實裂縫長度lreal(unit)；根據公式易知，當裂縫與單位巖心段不相交時，lreal(unit)＝0；當裂縫與單位巖心段部分相交時，lreal(unit)≤lfrac；而當裂縫完全在單位巖心段內時，lreal(unit)＝lfrac；當某段巖心的裂縫面密度值ds(unit)較高時，反映該段裂縫較為發育；而當某段巖心的裂縫面密度值ds(unit)較低時，則反映該段裂縫發育能力不足；

步驟五、裂縫面縫率表征：裂縫面縫率(φ)指測量面內裂縫所占面積與單位測量面積的比值，計算公式為：

公式中，s代表巖心測量面，si代表測量面內每條裂縫所占面積；由于每個裂縫面積均表示為裂縫長度li與裂縫寬度wi之積，因此上式進一步轉換為：

將巖心測量中各單位巖心段的縱截面作為測量面，則上述公式表述為：

φ(unit)為某單位巖心段內的裂縫面縫率；(li·wi)代表測量面內每條裂縫所占面積；同裂縫面密度計算方法一致，上式進一步演變為：

式中，sreal(unit)代表在該單位巖心段內各裂縫截面積，其詳述為：

當某段巖心的裂縫面縫率值φ(unit)較高時，反映該段裂縫能提供的孔隙度較高；而當某段巖心的裂縫面縫率值φ(unit)較低時，則指示該段裂縫所提供的巖石孔隙相對不足；

步驟六、構造/非構造裂縫比：用于反映某井裂縫的主要成因；在此采用構造裂縫面密度與非構造裂縫面密度的比值進行表征，以反映裂縫以構造成因為主還是以非構造成因為主；根據步驟四，構造裂縫面密度表示為：

而非構造裂縫面密度則表示為：

兩式相除，即得：

當某段巖心的構造/非構造裂縫比rstr/nonstr高于1時，反映該段巖心裂縫主要以構造成因為主；而當某段巖心的構造/非構造裂縫比rstr/nonstr低于1時，反映該段巖心裂縫則主要以非構造成因為主。

本發明基于巖心的裂縫連續表征方法，將實測巖心裂縫參數與實際刻畫精度相結合，可連續表征裂縫在垂向上的分布情況和集中程度，能更好地滿足油氣勘探開發、特別是裂縫型和非常規油氣勘探開發的實際需求。

附圖說明

圖1為本發明中的巖心裂縫連續表征方法流程圖。

圖2為本發明中的巖心裂縫相關參數示意圖。

圖3為本發明中的表征精度示意圖。

圖4為本發明中的裂縫面密度表征示意圖。

圖5為本發明中的裂縫長度與單位巖心關系示意圖，其中：圖5a為貫穿單位巖心的裂縫長度示意圖，圖5b為穿插單位巖心的裂縫長度示意圖，圖5c為單位巖心內的裂縫長度示意圖，圖5d為單位巖心外的裂縫長度示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明為一種基于巖心的裂縫連續表征方法，包括以下步驟：

步驟一、裂縫類型識別：裂縫的有效識別是裂縫準確統計的基本前提，主要是在巖心觀測中對不同成因和性質的裂縫進行區分。裂縫整體劃分為人工裂縫和天然裂縫兩類，在裂縫觀測時要排除人工裂縫對裂縫表征的干擾。天然裂縫又可以分為構造裂縫和非構造裂縫兩類：構造裂縫主要包括張性裂縫、剪性裂縫和壓性裂縫，而非構造裂縫則主要包括溶蝕縫、壓實縫、風化縫、層間縫和沉積裂縫等。

人工裂縫指由于人工施鉆所形成的相關裂縫，其形態在很大程度上取決于壓裂井附近的現代地應力狀態及鉆孔方向。在未壓裂的井段中，人工裂縫通常僅見于巖心表面，很難貫穿至巖心內部或切穿巖心，且形態與鉆頭形狀具有明顯相似性，因此其能夠與天然裂縫有效區分。

天然裂縫中，構造裂縫往往與區域構造作用密切相關，斷裂或褶皺附近的構造裂縫通常較為發育，一般成組出現、走向穩定、平直、穿一層或多層，且剪性裂縫的延伸性和平整度顯著優于張性裂縫和壓性裂縫。非構造裂縫成因復雜，形態多樣，尺度跨度和走向變化大，與構造作用無關：溶蝕縫指成巖后地層中的部分物質在酸性流體作用下溶蝕形成的裂縫，通常在裂縫面上可見明顯礦物溶蝕特征；而由于地層存在一些封閉的含液成巖縫和氣孔，在垂向的壓實作用下，液體壓力上升會導致在側向壓力較小的方向擴展形成裂縫，這類裂縫則稱之為壓實縫，往往呈頭蓋骨“縫合線”狀；風化縫指由于表層風化、剝蝕和蓋層沉積，在風化殼和不整合面上所形成的裂縫，橫截面多呈“v”字型，切割巖層較淺，通常不切穿巖層，走向不穩定；層間縫為在相鄰地層間，由于層面間不整合或沉積條件不同所形成的層間裂縫群，通常傾角變化大，與地層面平行，走向離散，不切穿地層；而由于流體的定向流動和沖擊作用，礫石、巖屑會呈定向排列，形成液體流動通道，進而可形成沉積裂縫，并與沉積構造特征密切相關。

步驟二、裂縫參數統計：基于不同類型裂縫的識別，統計各條裂縫的相關參數，相關參數主要包括裂縫性質、裂縫中心深度fmid(m)、裂縫長度lfrac(m)、裂縫開度w(mm)、充填程度及充填物、裂縫傾角dip(°)和巖心直徑d(m)(圖2)。其中，裂縫中心深度測量不便時，可首先測量裂縫的頂深ftop(m)和底深fbtm(m)，然后利用公式：

間接計算得到；裂縫長度(lfrac)指裂縫在巖心上截取的直線長度，通常可表示為裂縫橢圓截面的長軸長度；裂縫開度(w)指裂縫的張開程度，亦即裂縫兩側的間隔距離；充填程度可反映裂縫內的充填情況，主要包括全充填、半充填和未充填三類；裂縫傾角指裂縫面與巖心橫截面間的夾角。通常而言，裂縫長度(lfrac)、裂縫頂深(ftop)和底深(fbtm)、裂縫傾角(dip)之間滿足關系式：

fbtm-ftop＝lfrac·sin(dip).(2)

步驟三、表征精度確定：表征精度指進行裂縫計量的最小巖心單元，可用每次裂縫表征的單位巖心長度(lunit)表示(圖3)。表征精度既可均勻劃分，也可根據實際計量需求按地層、巖性、沉積相等非均勻劃分。單位巖心頂深和底深分別為utop(m)和ubtm(m)，且滿足以下關系式：

lunit＝ubtm-utop.(3)

步驟四、裂縫密度表征：裂縫密度可反映裂縫的集中程度，有線密度、面密度和體密度之分。線密度指一條單位長度的測線上通過的裂縫總條數，面密度指單位面積內所有裂縫的總長度，而體密度指在單位體積內裂縫穿切的總面積。本發明按面密度進行統計，即：

式中，ds代表裂縫面密度，s代表測量面面積，li代表該測量面內各條裂縫的長度。將各單位巖心段的縱截面作為測量面，則上式可變換為(圖4)：

針對每條裂縫，由于裂縫的對應深度與單位巖心段深度并非完全一致，二者存在多種交互關系，而實際僅需統計在該單位巖心段內的裂縫長度，因此上式可進一步轉換為(圖5)：

ds(unit)為某一單位巖心內的裂縫面密度；lreal(unit)代表各條裂縫在該單位巖心上截取的實際長度，其可進一步表征為：

式中，min(ubtm,fbtm)代表某單位巖心底深與裂縫底深二者中的較小值，max(utop,ftop)代表某單位巖心頂深與裂縫頂深二者中的較大值。max[0,t]代表對t取正值，而利用max[0,min(ubtm,fbtm)-max(utop,ftop)]則可計算各條裂縫在該單位巖心內的裂縫垂向長度，再乘以sin(dip)即可得該單位巖心內的真實裂縫長度lreal(unit)(圖5)。根據公式易知，當裂縫與單位巖心段不相交時，lreal(unit)＝0，如圖5d；當裂縫與單位巖心段部分相交時，lreal(unit)≤lfrac，如圖5a、5b；而當裂縫完全在單位巖心段內時，lreal(unit)＝lfrac，如圖5c。當某段巖心的裂縫面密度值ds(unit)較高時，可反映該段裂縫較為發育；而當某段巖心的裂縫面密度值ds(unit)較低時，則可反映該段裂縫發育能力不足。

步驟五、裂縫面縫率表征：裂縫面縫率(φ)指測量面內裂縫所占面積與單位測量面積的比值，計算公式為：

公式中，s代表巖心測量面，si代表測量面內每條裂縫所占面積。由于每個裂縫面積均可表示為裂縫長度(li)與裂縫寬度(wi)之積，因此上式可進一步轉換為：

將巖心測量中各單位巖心段的縱截面作為測量面，則上述公式可表述為：

φ(unit)為某單位巖心段內的裂縫面縫率；(li·wi)代表測量面內每條裂縫所占面積。同裂縫面密度計算方法一致，上式可進一步演變為：

式中，sreal(unit)代表在該單位巖心段內各裂縫截面積，其可詳述為：

當某段巖心的裂縫面縫率值φ(unit)較高時，可反映該段裂縫能提供的孔隙度較高；而當某段巖心的裂縫面縫率值φ(unit)較低時，則指示該段裂縫所提供的巖石孔隙相對不足。

步驟六、構造/非構造裂縫比：用于反映某井裂縫的主要成因；在此采用構造裂縫面密度與非構造裂縫面密度的比值進行表征，以反映裂縫以構造成因為主還是以非構造成因為主。根據步驟四，構造裂縫面密度可表示為：

而非構造裂縫面密度則表示為：

兩式相除，即可得：

當某段巖心的構造/非構造裂縫比rstr/nonstr高于1時，反映該段巖心裂縫主要以構造成因為主；而當某段巖心的構造/非構造裂縫比rstr/nonstr低于1時，反映該段巖心裂縫則主要以非構造成因為主。

為了使本領域的普通技術人員可以對本發明專利中的巖心裂縫連續表征方法有更深刻的理解，下面將以a井為例，參照流程圖(圖1)，對本發明中的裂縫連續表征方法做進一步詳細介紹。

步驟一、裂縫類型識別：a井為某研究區的頁巖氣鉆井。以a井中3030-3036m深度段作為研究對象，在排除人工裂縫后，主要識別出剪性構造裂縫和層間縫兩類裂縫，并以層間縫為主。

步驟二、裂縫參數統計：基于所識別的不同類型裂縫，分別統計巖心直徑(d)、每條裂縫的中心深度(fmid)、長度(lfrac)、開度(w)、充填程度和充填物以及傾角(dip)等關鍵參數。通過裂縫類型識別與裂縫參數統計，該井取心層段裂縫主要參數統計如下(表1)：

表1a井主要裂縫參數匯總表

a井主要統計了上奧陶統觀音橋組和五峰組兩套地層的裂縫參數。其中，觀音橋組巖性以深灰色、灰黑色生屑泥質灰巖為主，而五峰組巖性則以黑色、灰黑色碳質頁巖為主。裂縫類型主要包括構造裂縫和層間縫兩種類型，充填類型以未充填為主，充填物均為方解石，裂縫長度介于0.10-0.98m之間，開度為0.1-1.5mm，傾角存在低角度和高角度兩個峰值，低角度裂縫主要為層間縫，高角度裂縫主要為張性構造裂縫。

步驟三、表征精度確定：由于統計的深度范圍為3030-3036m，共計長度約6m；且鑒于本次表征主要用于反映裂縫在垂向分布上的差異性，因此將表征單位長度lunit確定為1m，即依次表征3030-3031m、3031-3032m、3032-3033m、3033-3034m、3034-3035m和3035-3036m深度范圍的裂縫參數。

步驟四、裂縫密度表征：首先，根據公式(1)-(2)將裂縫中心深度轉換為裂縫頂深(ftop)和底深(fbtm)；其次，根據公式(7)，計算每條裂縫在某單位巖心段內的實際統計裂縫長度lreal(unit)，如表2；最后，依據公式(6)，將各單位巖心段內的所有實際統計裂縫長度匯總求和，再除以單位測量面面積，即可獲得a井垂向上的裂縫密度連續分布值(表2)。

表2a井裂縫密度統計數據表

步驟五、裂縫面縫率表征：基于表1內的a井裂縫參數統計數據，首先，根據公式(1)-(2)將裂縫中心深度轉換為裂縫頂深(ftop)和底深(fbtm)；其次，根據公式(12)，計算每條裂縫在單位巖心段內實際所占裂縫面積sreal(unit)，如表3；最后，依據公式(11)，將各單位巖心段內的所有實際裂縫所占面積匯總求和，再除以單位測量面面積，即可獲得a井裂縫面縫率的垂向連續分布值(表3)。

表3a井裂縫面縫率統計數據表

步驟六、構造/非構造裂縫比：基于表1和表2內的a井裂縫基本參數數據和裂縫密度統計數據，利用公式(13)-(14)分類計算構造裂縫和非構造裂縫的裂縫面密度值(表4和表5)；在此基礎上，利用公式(15)，計算各單位巖心段內構造裂縫密度與非構造裂縫密度的比值，即為構造/非構造裂縫比(表6)。由于本組測試樣品中的非構造裂縫均為層間縫，因此該比值結果也為構造/層間裂縫比。巖心段上部構造/層間裂縫比較高，整體大于2.0；下部比值極低，均低于0.5；可反映測試巖心段上部裂縫以構造成因為主，下部裂縫則以非構造成因為主。

表4a井構造裂縫密度統計數據表

表5a井非構造裂縫密度統計數據表

表6a井構造/非構造裂縫比統計數據表

本領域的技術人員應當理解，巖心裂縫各參數的準確測量是裂縫連續準確表征的重要前提，而實際取心段巖心的完整性、連續性均可影響后期裂縫密度計算的準確性。因此，為了保證該方法的計算結果可與測井、地震手段的分析結果進行有效對比，在巖心觀測之前有必要整理、擺齊巖心，裂縫表征結果才具有較高的精度。