油气藏裂缝模拟与评价.ppt

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1、油气藏裂缝模拟与评价油气藏裂缝模拟与评价西西 北北 大大 学学 地地 质质 系系西安西大国林资源环境信息工程有限公司西安西大国林资源环境信息工程有限公司裂缝在油气勘探与开发中的重要性裂缝在油气勘探与开发中的重要性裂缝是油气藏中一种特殊的地质现象，它的存在改裂缝是油气藏中一种特殊的地质现象，它的存在改变了原有地质体的许多性质。变了原有地质体的许多性质。对于油气田勘探与开发，裂缝有非常重要的影响，对于油气田勘探与开发，裂缝有非常重要的影响，主要表现在主要表现在（1）能够为油气运移与聚集提供有效的渗滤通道；）能够为油气运移与聚集提供有效的渗滤通道；（2）可以大大改善油气藏的储集性能，特别是对于深）可

2、以大大改善油气藏的储集性能，特别是对于深层油气藏、低渗透油气藏、复杂构造区来说，作用层油气藏、低渗透油气藏、复杂构造区来说，作用尤其明显。尤其明显。裂缝的发育，尤其是强烈构造变形区的裂缝发育改裂缝的发育，尤其是强烈构造变形区的裂缝发育改变了油气运、聚、散的分布规律，增加了油气藏勘变了油气运、聚、散的分布规律，增加了油气藏勘探与开发的难度，因此，提高对裂缝发育规律的认探与开发的难度，因此，提高对裂缝发育规律的认识与评价，对于油气勘探与开发来说，就显得相当识与评价，对于油气勘探与开发来说，就显得相当重要。重要。到目前为止，对裂缝的评价方法的参数到目前为止，对裂缝的评价方法的参数较多，并且不统一，难

3、以进行判断对比较多，并且不统一，难以进行判断对比分析。分析。从国内外研究现状来看，尚缺乏一个能从国内外研究现状来看，尚缺乏一个能全面解决构造裂缝定量预测问题的研究全面解决构造裂缝定量预测问题的研究方法，对裂缝型油气藏预测及评价研究方法，对裂缝型油气藏预测及评价研究仍处于探索阶段。仍处于探索阶段。目前国内外主要的裂缝建模方法目前国内外主要的裂缝建模方法裂缝模拟裂缝模拟方法方法裂缝密裂缝密度度裂缝方裂缝方向向裂缝孔裂缝孔隙度隙度有效渗有效渗透率透率不确不确定性定性最大曲率法最大曲率法xx较高较高地质统计地质统计方法方法xx高高地球物理特地球物理特征参数方法征参数方法xx高高地层恢复变地层恢复变形分

4、析方法形分析方法xxx高高岩石力学岩石力学方法方法低低以地质力学为基础的裂缝以地质力学为基础的裂缝模拟与评价系统模拟与评价系统 q地质力学评价裂缝的原理地质力学评价裂缝的原理q主要工作步骤和工作流程主要工作步骤和工作流程q应用实例分析应用实例分析裂缝评价模拟系统是裂缝评价模拟系统是基于岩体力学、地质力学、断裂力基于岩体力学、地质力学、断裂力学的原理和理论，应用边界元分析技术，学的原理和理论，应用边界元分析技术，通过对野外露通过对野外露头、岩心、测井、地震资料综合分析与处理的基础上，头、岩心、测井、地震资料综合分析与处理的基础上，建立实际与理论相结合的地质模型和数学模型，并与构建立实际与理论相结

5、合的地质模型和数学模型，并与构造应力场的历史分析相结合，预测地下油气藏中裂缝的造应力场的历史分析相结合，预测地下油气藏中裂缝的发育规模、强度、范围、方向和密度，从而判明地下油发育规模、强度、范围、方向和密度，从而判明地下油气田的分布，为油气勘探与开发提供依据。气田的分布，为油气勘探与开发提供依据。裂裂缝缝评评价价分分析析基基本本原原理理三种裂缝类型三种裂缝类型张开型张开型(节理缝节理缝)：模型：模型1 1 剪切型剪切型(剪切缝剪切缝)：模型：模型2 2、3 3IIIIII模型1模型3模型2节理裂缝表面构造的露头照片及实验室模拟照片节理裂缝表面构造的露头照片及实验室模拟照片Monterey Fm

6、.,Southern Californiaoriginarrest(hesitation)linesplumosePMMA experiment(Cook 1995)arrest(hesitation)linesplumose裂缝间距与岩层厚度的关系（成比例）裂缝间距与岩层厚度的关系（成比例）层厚层厚 1 层厚层厚 4 层厚层厚 3 层厚层厚 2 层厚层厚 1层厚层厚 2层厚层厚 3层厚层厚 4实验模拟两组裂缝的结果实验模拟两组裂缝的结果Angle=90 degreesAngle=45 degrees应力场与断层类型应力场与断层类型 主应力状态（安德森模式）主应力状态（安德森模式）vHminH

7、max,或或HminvHmax或或HminHmaxv(1)v最小时最小时,为逆断层为逆断层(2)v为中间值时为中间值时,为走滑断为走滑断 层层(3)v最大时最大时,为正断层为正断层 断层与裂缝的关系断层与裂缝的关系(Moody(Moody和和HillHill模式）模式）裂缝方向确定的原理裂缝方向确定的原理根据区域构造的演化和本地区受板块运动挤压形成的古应根据区域构造的演化和本地区受板块运动挤压形成的古应力场变化，以及与该变化对应的地层沉积和断层形成，确力场变化，以及与该变化对应的地层沉积和断层形成，确定一至二个古应力场；定一至二个古应力场；对每一个古应力场相对应的一组断层进行模拟计算，在每对每

8、一个古应力场相对应的一组断层进行模拟计算，在每一观测点上计算出三个主应力方向。再根据岩石力学三轴一观测点上计算出三个主应力方向。再根据岩石力学三轴饲服实验和库仑破裂准则，可以确定一组节理破裂方向和饲服实验和库仑破裂准则，可以确定一组节理破裂方向和两组共轭剪切破裂方向；两组共轭剪切破裂方向；在考虑一个古应力场时，共有在考虑一个古应力场时，共有3 3组可能的裂缝方向。利用组可能的裂缝方向。利用成像测井资料对每一可能的方向进行标定，并确定一至两成像测井资料对每一可能的方向进行标定，并确定一至两组最有可能的裂缝方向。组最有可能的裂缝方向。一组裂缝的相对年代一组裂缝的相对年代 裂缝相对年代确定的理论依据

9、：裂缝相对年代确定的理论依据：较完整的岩体上应力较完整的岩体上应力分布相对均匀，因而裂缝方向较为一致。而晚期的古应分布相对均匀，因而裂缝方向较为一致。而晚期的古应力场，受早期裂缝分布的影响，局部主应力方向有较多力场，受早期裂缝分布的影响，局部主应力方向有较多变化，因而其产生的裂缝方向有很大的变化范围（离散变化，因而其产生的裂缝方向有很大的变化范围（离散度大）。度大）。具体方法为：具体方法为：使用一组裂缝的倾角和倾向，计算方差使用一组裂缝的倾角和倾向，计算方差值；再比较不同组裂缝的方差值，来决定裂缝组的相对值；再比较不同组裂缝的方差值，来决定裂缝组的相对年代。方差值越小，说明裂缝方向的离散性越小

10、，因而年代。方差值越小，说明裂缝方向的离散性越小，因而年代较久远；反之，裂缝方向的离散度越大，裂缝年代年代较久远；反之，裂缝方向的离散度越大，裂缝年代较新。较新。主主要要工工作作步步骤骤与与流流程程1、资料收集、资料收集区域地质、构造、地层等资料：用于确定区域地质发展史区域地质、构造、地层等资料：用于确定区域地质发展史与古构造应力场变化；与古构造应力场变化；常规测井与能谱测井资料、岩芯与露头观察：用于确定裂常规测井与能谱测井资料、岩芯与露头观察：用于确定裂缝的主要发育规律与可能的分布方向及发育强度；缝的主要发育规律与可能的分布方向及发育强度；地震解释资料：用于确定构造形态、断层规模、数量、延地

11、震解释资料：用于确定构造形态、断层规模、数量、延伸方向等伸方向等油田压力、生产资料：用于分析裂缝对油气分布与油气田油田压力、生产资料：用于分析裂缝对油气分布与油气田开发的影响；开发的影响；现代地应力测量资料：用于确定现代地应力场的分布及其现代地应力测量资料：用于确定现代地应力场的分布及其强度；强度；声波测井及岩石力学实验资料：用于确定岩石体的力学特声波测井及岩石力学实验资料：用于确定岩石体的力学特征，如弹性模量、杨氏模量、泊松比等；征，如弹性模量、杨氏模量、泊松比等；储层物性资料：用于分析储层物性对岩石性质的影响。储层物性资料：用于分析储层物性对岩石性质的影响。2、地质认识、地质认识确定研究区

12、的地层沉积格架，沉积体系与相确定研究区的地层沉积格架，沉积体系与相类型，地层岩性变化等；类型，地层岩性变化等；明确主要断层类型、延伸方向、相对年代，是明确主要断层类型、延伸方向、相对年代，是否活跃，断层间相互关系；否活跃，断层间相互关系；确定研究区地层埋藏史、构造演化史、古应力确定研究区地层埋藏史、构造演化史、古应力场变迁等；场变迁等；确定岩石物理和力学特征、分层结构，及其影确定岩石物理和力学特征、分层结构，及其影响因素；响因素；确定圈闭类型及其性质，同一层岩性随深度不确定圈闭类型及其性质，同一层岩性随深度不同的变化规律；同的变化规律；了解古应力场与主要断层间的关系，现代应力了解古应力场与主要

13、断层间的关系，现代应力场与裂缝张开闭合的关系场与裂缝张开闭合的关系.3、模型建立、模型建立地质模型地质模型 按岩石力学特性建立分层地质模型。由于断层的存在和按岩石力学特性建立分层地质模型。由于断层的存在和岩性、相带的不同，导致地质体在岩性、相带的不同，导致地质体在3 3维空间纵横向上存在维空间纵横向上存在明显的差异性。这种差异性对裂缝的发育与分布具有明明显的差异性。这种差异性对裂缝的发育与分布具有明显的控制作用，因此必须根据岩石体力学特征来对研究显的控制作用，因此必须根据岩石体力学特征来对研究区进行分层、分区处理，建立不同区带的子模型和分层区进行分层、分区处理，建立不同区带的子模型和分层地质模

14、型。地质模型。数学模型数学模型 (1)(1)不同子模型和分层模型内采用不同的力学参数和边界不同子模型和分层模型内采用不同的力学参数和边界条件，如岩盐层按流体单元处理条件，如岩盐层按流体单元处理(即界面上存在张应力，即界面上存在张应力，不存在剪切应力不存在剪切应力)。(2)(2)模型空间内等间距布置观测点，观测点多少由模型内模型空间内等间距布置观测点，观测点多少由模型内分层数量而定，一般不超过分层数量而定，一般不超过5050万点；万点；(3)(3)在断层面上布置三角单元，总单元数不超过在断层面上布置三角单元，总单元数不超过40004000个。个。地质体分层处理与建模地质体分层处理与建模l一般使用

15、的三维边界元方法只能把模型当成单一一般使用的三维边界元方法只能把模型当成单一(均均质质)的物体处理，其力学参数（如杨氏模量、泊凇比等的物体处理，其力学参数（如杨氏模量、泊凇比等)为常数，不能随坐标而变化。虽然有限元法可以解决为常数，不能随坐标而变化。虽然有限元法可以解决这一问题，但因其单元为三维体，计算矩阵庞大，常这一问题，但因其单元为三维体，计算矩阵庞大，常规的计算以星期为单位，十分耗时。规的计算以星期为单位，十分耗时。l边界元方法边界元方法其单元为二维面，计算矩阵数据量减少其单元为二维面，计算矩阵数据量减少一维，因此一个常规计算可在数小时内至数天内完成。一维，因此一个常规计算可在数小时内至

16、数天内完成。同时，为解决力学参数在边界元方法中不能改变的问同时，为解决力学参数在边界元方法中不能改变的问题，对油、气藏等地质体可进行分层建模处理，对各题，对油、气藏等地质体可进行分层建模处理，对各层使用不同的岩石力学参数。层使用不同的岩石力学参数。Model 1 Model 2 Model 3a Model 3b岩石性质及地质力学模型建立岩石性质及地质力学模型建立 Over-burdenJurassic Over-burden Over-burden Over-burdenJurassicJurassicJurassic古最大主应古最大主应力方向力方向四种不同应力场的地质模型四种不同应力场的地

17、质模型Layer 1Layer 2Layer 4“Fluid”Hard RockSoft RockSoft RockSoft RockHard RockLayer 5Soft RockHard Rock每一层模型的不同边界条件每一层模型的不同边界条件4、裂缝模拟、裂缝模拟三维裂缝分布的模拟计算。由观测点的应力矩阵三维裂缝分布的模拟计算。由观测点的应力矩阵和应变矩阵计算主应力、主应变、体应变、最大和应变矩阵计算主应力、主应变、体应变、最大剪切应力、最大差应力；剪切应力、最大差应力；按库仑破裂准则和有关岩石的最大主应力差估算按库仑破裂准则和有关岩石的最大主应力差估算节理和共轭剪切裂缝的方向、密度等

18、。节理和共轭剪切裂缝的方向、密度等。5、结果的有效性处理、结果的有效性处理为了校验模拟结果的有效性，可使用岩心、井下成像为了校验模拟结果的有效性，可使用岩心、井下成像数据确定的裂缝密度、方向，分别对模拟结果约束校数据确定的裂缝密度、方向，分别对模拟结果约束校验。如果不符合，则改变古应力场方向模型进行重新验。如果不符合，则改变古应力场方向模型进行重新计算，直到结果与已知条件一致为止。计算，直到结果与已知条件一致为止。同时还可以对模拟结果进行敏感性实验，以判断哪些同时还可以对模拟结果进行敏感性实验，以判断哪些因素对裂缝形成的影响较大。因素对裂缝形成的影响较大。6、裂缝模拟结果输出、裂缝模拟结果输出

19、利用三维图象软件输入模拟文件和成果，如力学模型、利用三维图象软件输入模拟文件和成果，如力学模型、断层分布、裂缝展布、裂缝方位等图件。断层分布、裂缝展布、裂缝方位等图件。裂缝三维显示裂缝三维显示 裂缝三维显示裂缝三维显示裂缝三维显示裂缝三维显示工工 作作 流流 程程 简简 图图结果输出结果输出结果输出结果输出资料准备资料准备资料准备资料准备地震解释时深转换断层有效性处理3D 3D 裂缝模拟裂缝模拟裂缝模拟裂缝模拟模拟结果输出断层边界条件建立力学模型SEISWORK裂缝方向分布裂缝密度分布裂缝和小断层的可视化应用应用2 油藏模拟油藏模拟应用应用 3 压裂驱油压裂驱油 Tectonic constr

20、aints井标定井标定库仑破裂库仑破裂 准则准则i应用应用1 布井布井输入资料输入资料-区域地质资料测井分析成果地震解释成果输出输出-3D 裂缝密度3D 裂缝方向总的裂缝分布Figure 3.Workflow for geomechanical modeling.实实 例例 分分 析析实例实例1 1：使用露头资料验证裂缝模拟结果：使用露头资料验证裂缝模拟结果实例实例2 2：裂缝模拟：裂缝模拟实例实例3 3：裂缝模拟及钻井验证：裂缝模拟及钻井验证 l航拍l数字化裂缝l校正坐标l校正每一条裂缝l分析单组裂缝l确定裂缝原点和交点l建立实测裂缝模型l建立地质统计裂缝模型l建立地质力学裂缝模型l比较裂缝

21、实测模型和预测模型实例实例1 1：使用露头资料验证裂缝模拟结果：使用露头资料验证裂缝模拟结果1/3/202328400m400m400m300m300m300m1/3/202329数字化处理露头图片数字化处理露头图片校正前校正后1/3/202330第一、二组裂缝（注：节理）第一、二组裂缝（注：节理）1/3/202331第三、四组裂缝（注：节理）第三、四组裂缝（注：节理）1/3/202332裂缝原点分布裂缝原点分布组1-红色组2-绿色组3-粉色组1-红色1/3/202333裂缝交点分布裂缝交点分布组组组组 2-32-3、2-42-4、3-43-4组组组组 1-21-2、1-31-3、1-41-4

22、1/3/202334实测裂缝的量化处理实测裂缝的量化处理 FFF裂缝密度裂缝密度裂缝密度裂缝密度裂缝密度裂缝密度=裂缝长裂缝长裂缝长裂缝长裂缝长裂缝长/岩石面积岩石面积岩石面积岩石面积岩石面积岩石面积(二维二维二维二维二维二维);=);=);=);=);=);=裂缝面积裂缝面积裂缝面积裂缝面积裂缝面积裂缝面积/岩石岩石岩石岩石岩石岩石体积体积体积体积体积体积(三维三维三维三维三维三维)组组组组1 1354 48 815156060用假想井建模与实测裂缝的比较等间距布置假想井等间距布置假想井改变井间距增加井数改变井间距增加井数模型包括模型包括:4 4口井、口井、88口井、口井、1515口井、口井

23、、6060口井口井36实测模型及地质统计模型实测模型及地质统计模型地质统计模型实测模型4口井8口井15口井60口井1/3/2023376060口井与精确模型比较口井与精确模型比较60口井预测模型实测模型实测模型15口井口井8口井口井4口井口井38使用井下成像及岩芯资料建模的比较使用井下成像及岩芯资料建模的比较（6060、1515口井）口井）井下成像资料或定向取芯资料井下成像资料或定向取芯资料井下成像资料或定向取芯资料井下成像资料或定向取芯资料非定向取芯资料非定向取芯资料非定向取芯资料非定向取芯资料39假想水平钻井假想水平钻井FFFHorizontal well Horizontal well

24、Horizontal well provides more dataprovides more dataprovides more dataFFFPrediction is for Prediction is for Prediction is for only one layeronly one layeronly one layerFFFResult depends on Result depends on Result depends on distancedistancedistance40假想水平钻井与精确离散模型的比较假想水平钻井与精确离散模型的比较实测模型实测模型实测模型实测模型预测模型预测模型预测模型预测模型41使用地质力学方法及大裂缝预测的裂缝分布实测与预测模型的 结果对比实测裂缝模型由此可见,在地质勘探中地质力学方法更接近实际情况(“实际裂缝分布”)(“地震解释和预测结果”)