一种基于岩心的裂缝连续表征方法与流程

本发明属于油气勘探开发技术中的储层裂缝表征技术，特别涉及一种基于岩心的裂缝连续表征方法。

背景技术：

裂缝作为石油和天然气的一种重要储存空间和运输通道，无论是在流体储集还是在油气运移方面都起着至关主要的作用。因此，裂缝评价、尤其是在孔隙度和渗透率都极低的非常规油气储层中的裂缝评价，成为优选油气勘探有利区以及制定下一步开发方案的一项重要工作。裂缝的有效、精确表征是裂缝评价的必要前提，只有建立起一套可方便实施、可定量描述、可纵横对比的裂缝表征方案，才能为后期的储层评价与生产决策提供正确指导。

现有的岩心裂缝表征方法中，最常用的是利用裂缝线密度(即单位岩心长度内裂缝发育的总条数)对裂缝发育程度进行描述。但是，线密度描述方法具有明显的劣势：其一，裂缝线密度仅考虑了裂缝的条数而未考虑裂缝倾角、裂缝性质等重要参数对裂缝表征的影响；其二，裂缝线密度的单位统计长度通常为某地层厚度，长度较长，从而导致计算精度较低。因此，在岩心观测中采用线密度对裂缝进行表征，不能满足油气勘探高精度定量描述的实际需要。裂缝面密度(即单位岩心面积内裂缝发育的总长度)描述方法在一定程度上提高了表征精度，但是，裂缝面密度测量通常是基于单个岩心进行裂缝统计，测量较为繁琐，且受岩心长度这一非地质因素影响较大，计算精度偏低，垂向上也不具备连续性，纵、横向可对比性较差。因此，有必要形成一套方便岩心实测、测量精度统一、纵向可连续表征、横向可量化对比的岩心裂缝表征新方法，以满足油气前期勘探的实际需求。

该方法在国内首次针对岩心层段提出了裂缝连续表征方法，简化了测试流程，保证了参数的完整性，能够在岩心实测的基础上垂向连续、定量、统一地反映裂缝集中程度，提高了裂缝指标的可对比性。

技术实现要素：

为了克服现有方法的不足，本发明的目的在于提供一种基于岩心的裂缝连续表征方法，基于实测岩心裂缝中心深度、长度、开度、充填程度及充填物、倾角及岩心直径等关键参数，确定测量精度，设计基于单位岩心长度和相关参数的裂缝发育程度计算方法，进而对裂缝发育程度进行连续定量表征，提高岩心裂缝面密度和面缝率计算精度，为裂缝定量预测提供可靠的数据资料保证。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于岩心的裂缝连续表征方法，包括以下步骤：

步骤一、裂缝类型识别：裂缝的有效识别是裂缝准确统计的基本前提，主要是在岩心观测中对不同成因和性质的裂缝进行区分；裂缝整体划分为人工裂缝和天然裂缝两类，在裂缝观测时要排除人工裂缝对裂缝表征的干扰；天然裂缝又分为构造裂缝和非构造裂缝两类：构造裂缝主要包括张性裂缝、剪性裂缝和压性裂缝，而非构造裂缝则主要包括溶蚀缝、压实缝、风化缝、层间缝和沉积裂缝；

裂缝类型按以下特点进行识别：

人工裂缝指由于人工施钻所形成的相关裂缝，其形态在很大程度上取决于压裂井附近的现代地应力状态及钻孔方向；在未压裂的井段中，人工裂缝通常仅见于岩心表面，很难贯穿至岩心内部或切穿岩心，且形态与钻头形状具有明显相似性，因此其能够与天然裂缝有效区分；

天然裂缝中，构造裂缝往往与区域构造作用密切相关，断裂或褶皱附近的构造裂缝通常较为发育，成组出现、走向稳定、平直、穿一层或多层，且剪性裂缝的延伸性和平整度显著优于张性裂缝和压性裂缝；非构造裂缝成因复杂，形态多样，尺度跨度和走向变化大，与构造作用无关：溶蚀缝指成岩后地层中的部分物质在酸性流体作用下溶蚀形成的裂缝，通常在裂缝面上可见明显矿物溶蚀特征；而由于地层存在一些封闭的含液成岩缝和气孔，在垂向的压实作用下，液体压力上升会导致在侧向压力较小的方向扩展形成裂缝，这类裂缝则称之为压实缝，往往呈头盖骨“缝合线”状；风化缝指由于表层风化、剥蚀和盖层沉积，在风化壳和不整合面上所形成的裂缝，横截面多呈“v”字型，切割岩层较浅，通常不切穿岩层，走向不稳定；层间缝为在相邻地层间，由于层面间不整合或沉积条件不同所形成的层间裂缝群，通常倾角变化大，与地层面平行，走向离散，不切穿地层；而由于流体的定向流动和冲击作用，砾石、岩屑会呈定向排列，形成液体流动通道，进而形成沉积裂缝，并与沉积构造特征密切相关；

步骤二、裂缝参数统计：基于不同类型裂缝的识别，统计各条裂缝的相关参数，相关参数主要包括裂缝性质、裂缝中心深度fmid，单位m、裂缝长度lfrac，单位m、裂缝开度w，单位mm、充填程度及充填物、裂缝倾角dip和岩心直径d，单位m；其中，裂缝中心深度fmid测量不便时，首先测量裂缝的顶深ftop，单位m和底深fbtm，单位m，然后利用公式：

间接计算得到裂缝中心深度fmid；裂缝长度lfrac指裂缝在岩心上截取的直线长度，通常表示为裂缝椭圆截面的长轴长度；裂缝开度w指裂缝的张开程度，亦即裂缝两侧的间隔距离；充填程度反映裂缝内的充填情况，主要包括全充填、半充填和未充填三类；裂缝倾角dip指裂缝面与岩心横截面间的夹角；裂缝长度lfrac、裂缝顶深ftop和底深fbtm、裂缝倾角dip之间满足关系式：

fbtm-ftop＝lfrac·sin(dip)(2)

步骤三、表征精度确定：表征精度指进行裂缝计量的最小岩心单元，用每次裂缝表征的单位岩心长度lunit表示；表征精度为均匀划分或根据实际计量需求按地层、岩性、沉积相等非均匀划分；单位岩心顶深和底深分别为utop，单位m和ubtm，单位m，且满足以下关系式：

lunit＝ubtm-utop(3)

步骤四、裂缝密度表征：裂缝密度反映裂缝的集中程度，有线密度、面密度和体密度之分；线密度指一条单位长度的测线上通过的裂缝总条数，面密度指单位面积内所有裂缝的总长度，而体密度指在单位体积内裂缝穿切的总面积；本发明按面密度进行统计，即：

式中，ds代表裂缝面密度，s代表测量面面积，li代表该测量面内各条裂缝的长度；将各单位岩心段的纵截面作为测量面，则上式可变换为：

针对每条裂缝，由于裂缝的对应深度与单位岩心段深度并非完全一致，二者存在多种交互关系，而实际仅需统计在该单位岩心段内的裂缝长度，因此上式进一步转换为：

ds(unit)为某一单位岩心内的裂缝面密度；lreal(unit)代表各条裂缝在该单位岩心上截取的实际长度，其进一步表征为：

式中，min(ubtm,fbtm)代表某单位岩心底深与裂缝底深二者中的较小值，max(utop,ftop)代表某单位岩心顶深与裂缝顶深二者中的较大值；max[0,t]代表对t取正值，而利用max[0,min(ubtm,fbtm)-max(utop,ftop)]则能够计算各条裂缝在该单位岩心内的裂缝垂向长度，再除以sin(dip)即得该单位岩心内的真实裂缝长度lreal(unit)；根据公式易知，当裂缝与单位岩心段不相交时，lreal(unit)＝0；当裂缝与单位岩心段部分相交时，lreal(unit)≤lfrac；而当裂缝完全在单位岩心段内时，lreal(unit)＝lfrac；当某段岩心的裂缝面密度值ds(unit)较高时，反映该段裂缝较为发育；而当某段岩心的裂缝面密度值ds(unit)较低时，则反映该段裂缝发育能力不足；

步骤五、裂缝面缝率表征：裂缝面缝率(φ)指测量面内裂缝所占面积与单位测量面积的比值，计算公式为：

公式中，s代表岩心测量面，si代表测量面内每条裂缝所占面积；由于每个裂缝面积均表示为裂缝长度li与裂缝宽度wi之积，因此上式进一步转换为：

将岩心测量中各单位岩心段的纵截面作为测量面，则上述公式表述为：

φ(unit)为某单位岩心段内的裂缝面缝率；(li·wi)代表测量面内每条裂缝所占面积；同裂缝面密度计算方法一致，上式进一步演变为：

式中，sreal(unit)代表在该单位岩心段内各裂缝截面积，其详述为：

当某段岩心的裂缝面缝率值φ(unit)较高时，反映该段裂缝能提供的孔隙度较高；而当某段岩心的裂缝面缝率值φ(unit)较低时，则指示该段裂缝所提供的岩石孔隙相对不足；

步骤六、构造/非构造裂缝比：用于反映某井裂缝的主要成因；在此采用构造裂缝面密度与非构造裂缝面密度的比值进行表征，以反映裂缝以构造成因为主还是以非构造成因为主；根据步骤四，构造裂缝面密度表示为：

而非构造裂缝面密度则表示为：

两式相除，即得：

当某段岩心的构造/非构造裂缝比rstr/nonstr高于1时，反映该段岩心裂缝主要以构造成因为主；而当某段岩心的构造/非构造裂缝比rstr/nonstr低于1时，反映该段岩心裂缝则主要以非构造成因为主。

本发明基于岩心的裂缝连续表征方法，将实测岩心裂缝参数与实际刻画精度相结合，可连续表征裂缝在垂向上的分布情况和集中程度，能更好地满足油气勘探开发、特别是裂缝型和非常规油气勘探开发的实际需求。

附图说明

图1为本发明中的岩心裂缝连续表征方法流程图。

图2为本发明中的岩心裂缝相关参数示意图。

图3为本发明中的表征精度示意图。

图4为本发明中的裂缝面密度表征示意图。

图5为本发明中的裂缝长度与单位岩心关系示意图，其中：图5a为贯穿单位岩心的裂缝长度示意图，图5b为穿插单位岩心的裂缝长度示意图，图5c为单位岩心内的裂缝长度示意图，图5d为单位岩心外的裂缝长度示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种基于岩心的裂缝连续表征方法，包括以下步骤：

步骤一、裂缝类型识别：裂缝的有效识别是裂缝准确统计的基本前提，主要是在岩心观测中对不同成因和性质的裂缝进行区分。裂缝整体划分为人工裂缝和天然裂缝两类，在裂缝观测时要排除人工裂缝对裂缝表征的干扰。天然裂缝又可以分为构造裂缝和非构造裂缝两类：构造裂缝主要包括张性裂缝、剪性裂缝和压性裂缝，而非构造裂缝则主要包括溶蚀缝、压实缝、风化缝、层间缝和沉积裂缝等。

人工裂缝指由于人工施钻所形成的相关裂缝，其形态在很大程度上取决于压裂井附近的现代地应力状态及钻孔方向。在未压裂的井段中，人工裂缝通常仅见于岩心表面，很难贯穿至岩心内部或切穿岩心，且形态与钻头形状具有明显相似性，因此其能够与天然裂缝有效区分。

天然裂缝中，构造裂缝往往与区域构造作用密切相关，断裂或褶皱附近的构造裂缝通常较为发育，一般成组出现、走向稳定、平直、穿一层或多层，且剪性裂缝的延伸性和平整度显著优于张性裂缝和压性裂缝。非构造裂缝成因复杂，形态多样，尺度跨度和走向变化大，与构造作用无关：溶蚀缝指成岩后地层中的部分物质在酸性流体作用下溶蚀形成的裂缝，通常在裂缝面上可见明显矿物溶蚀特征；而由于地层存在一些封闭的含液成岩缝和气孔，在垂向的压实作用下，液体压力上升会导致在侧向压力较小的方向扩展形成裂缝，这类裂缝则称之为压实缝，往往呈头盖骨“缝合线”状；风化缝指由于表层风化、剥蚀和盖层沉积，在风化壳和不整合面上所形成的裂缝，横截面多呈“v”字型，切割岩层较浅，通常不切穿岩层，走向不稳定；层间缝为在相邻地层间，由于层面间不整合或沉积条件不同所形成的层间裂缝群，通常倾角变化大，与地层面平行，走向离散，不切穿地层；而由于流体的定向流动和冲击作用，砾石、岩屑会呈定向排列，形成液体流动通道，进而可形成沉积裂缝，并与沉积构造特征密切相关。

步骤二、裂缝参数统计：基于不同类型裂缝的识别，统计各条裂缝的相关参数，相关参数主要包括裂缝性质、裂缝中心深度fmid(m)、裂缝长度lfrac(m)、裂缝开度w(mm)、充填程度及充填物、裂缝倾角dip(°)和岩心直径d(m)(图2)。其中，裂缝中心深度测量不便时，可首先测量裂缝的顶深ftop(m)和底深fbtm(m)，然后利用公式：

间接计算得到；裂缝长度(lfrac)指裂缝在岩心上截取的直线长度，通常可表示为裂缝椭圆截面的长轴长度；裂缝开度(w)指裂缝的张开程度，亦即裂缝两侧的间隔距离；充填程度可反映裂缝内的充填情况，主要包括全充填、半充填和未充填三类；裂缝倾角指裂缝面与岩心横截面间的夹角。通常而言，裂缝长度(lfrac)、裂缝顶深(ftop)和底深(fbtm)、裂缝倾角(dip)之间满足关系式：

fbtm-ftop＝lfrac·sin(dip).(2)

步骤三、表征精度确定：表征精度指进行裂缝计量的最小岩心单元，可用每次裂缝表征的单位岩心长度(lunit)表示(图3)。表征精度既可均匀划分，也可根据实际计量需求按地层、岩性、沉积相等非均匀划分。单位岩心顶深和底深分别为utop(m)和ubtm(m)，且满足以下关系式：

lunit＝ubtm-utop.(3)

步骤四、裂缝密度表征：裂缝密度可反映裂缝的集中程度，有线密度、面密度和体密度之分。线密度指一条单位长度的测线上通过的裂缝总条数，面密度指单位面积内所有裂缝的总长度，而体密度指在单位体积内裂缝穿切的总面积。本发明按面密度进行统计，即：

式中，ds代表裂缝面密度，s代表测量面面积，li代表该测量面内各条裂缝的长度。将各单位岩心段的纵截面作为测量面，则上式可变换为(图4)：

针对每条裂缝，由于裂缝的对应深度与单位岩心段深度并非完全一致，二者存在多种交互关系，而实际仅需统计在该单位岩心段内的裂缝长度，因此上式可进一步转换为(图5)：

ds(unit)为某一单位岩心内的裂缝面密度；lreal(unit)代表各条裂缝在该单位岩心上截取的实际长度，其可进一步表征为：

式中，min(ubtm,fbtm)代表某单位岩心底深与裂缝底深二者中的较小值，max(utop,ftop)代表某单位岩心顶深与裂缝顶深二者中的较大值。max[0,t]代表对t取正值，而利用max[0,min(ubtm,fbtm)-max(utop,ftop)]则可计算各条裂缝在该单位岩心内的裂缝垂向长度，再乘以sin(dip)即可得该单位岩心内的真实裂缝长度lreal(unit)(图5)。根据公式易知，当裂缝与单位岩心段不相交时，lreal(unit)＝0，如图5d；当裂缝与单位岩心段部分相交时，lreal(unit)≤lfrac，如图5a、5b；而当裂缝完全在单位岩心段内时，lreal(unit)＝lfrac，如图5c。当某段岩心的裂缝面密度值ds(unit)较高时，可反映该段裂缝较为发育；而当某段岩心的裂缝面密度值ds(unit)较低时，则可反映该段裂缝发育能力不足。

步骤五、裂缝面缝率表征：裂缝面缝率(φ)指测量面内裂缝所占面积与单位测量面积的比值，计算公式为：

公式中，s代表岩心测量面，si代表测量面内每条裂缝所占面积。由于每个裂缝面积均可表示为裂缝长度(li)与裂缝宽度(wi)之积，因此上式可进一步转换为：

将岩心测量中各单位岩心段的纵截面作为测量面，则上述公式可表述为：

φ(unit)为某单位岩心段内的裂缝面缝率；(li·wi)代表测量面内每条裂缝所占面积。同裂缝面密度计算方法一致，上式可进一步演变为：

式中，sreal(unit)代表在该单位岩心段内各裂缝截面积，其可详述为：

当某段岩心的裂缝面缝率值φ(unit)较高时，可反映该段裂缝能提供的孔隙度较高；而当某段岩心的裂缝面缝率值φ(unit)较低时，则指示该段裂缝所提供的岩石孔隙相对不足。

步骤六、构造/非构造裂缝比：用于反映某井裂缝的主要成因；在此采用构造裂缝面密度与非构造裂缝面密度的比值进行表征，以反映裂缝以构造成因为主还是以非构造成因为主。根据步骤四，构造裂缝面密度可表示为：

而非构造裂缝面密度则表示为：

两式相除，即可得：

当某段岩心的构造/非构造裂缝比rstr/nonstr高于1时，反映该段岩心裂缝主要以构造成因为主；而当某段岩心的构造/非构造裂缝比rstr/nonstr低于1时，反映该段岩心裂缝则主要以非构造成因为主。

为了使本领域的普通技术人员可以对本发明专利中的岩心裂缝连续表征方法有更深刻的理解，下面将以a井为例，参照流程图(图1)，对本发明中的裂缝连续表征方法做进一步详细介绍。

步骤一、裂缝类型识别：a井为某研究区的页岩气钻井。以a井中3030-3036m深度段作为研究对象，在排除人工裂缝后，主要识别出剪性构造裂缝和层间缝两类裂缝，并以层间缝为主。

步骤二、裂缝参数统计：基于所识别的不同类型裂缝，分别统计岩心直径(d)、每条裂缝的中心深度(fmid)、长度(lfrac)、开度(w)、充填程度和充填物以及倾角(dip)等关键参数。通过裂缝类型识别与裂缝参数统计，该井取心层段裂缝主要参数统计如下(表1)：

表1a井主要裂缝参数汇总表

a井主要统计了上奥陶统观音桥组和五峰组两套地层的裂缝参数。其中，观音桥组岩性以深灰色、灰黑色生屑泥质灰岩为主，而五峰组岩性则以黑色、灰黑色碳质页岩为主。裂缝类型主要包括构造裂缝和层间缝两种类型，充填类型以未充填为主，充填物均为方解石，裂缝长度介于0.10-0.98m之间，开度为0.1-1.5mm，倾角存在低角度和高角度两个峰值，低角度裂缝主要为层间缝，高角度裂缝主要为张性构造裂缝。

步骤三、表征精度确定：由于统计的深度范围为3030-3036m，共计长度约6m；且鉴于本次表征主要用于反映裂缝在垂向分布上的差异性，因此将表征单位长度lunit确定为1m，即依次表征3030-3031m、3031-3032m、3032-3033m、3033-3034m、3034-3035m和3035-3036m深度范围的裂缝参数。

步骤四、裂缝密度表征：首先，根据公式(1)-(2)将裂缝中心深度转换为裂缝顶深(ftop)和底深(fbtm)；其次，根据公式(7)，计算每条裂缝在某单位岩心段内的实际统计裂缝长度lreal(unit)，如表2；最后，依据公式(6)，将各单位岩心段内的所有实际统计裂缝长度汇总求和，再除以单位测量面面积，即可获得a井垂向上的裂缝密度连续分布值(表2)。

表2a井裂缝密度统计数据表

步骤五、裂缝面缝率表征：基于表1内的a井裂缝参数统计数据，首先，根据公式(1)-(2)将裂缝中心深度转换为裂缝顶深(ftop)和底深(fbtm)；其次，根据公式(12)，计算每条裂缝在单位岩心段内实际所占裂缝面积sreal(unit)，如表3；最后，依据公式(11)，将各单位岩心段内的所有实际裂缝所占面积汇总求和，再除以单位测量面面积，即可获得a井裂缝面缝率的垂向连续分布值(表3)。

表3a井裂缝面缝率统计数据表

步骤六、构造/非构造裂缝比：基于表1和表2内的a井裂缝基本参数数据和裂缝密度统计数据，利用公式(13)-(14)分类计算构造裂缝和非构造裂缝的裂缝面密度值(表4和表5)；在此基础上，利用公式(15)，计算各单位岩心段内构造裂缝密度与非构造裂缝密度的比值，即为构造/非构造裂缝比(表6)。由于本组测试样品中的非构造裂缝均为层间缝，因此该比值结果也为构造/层间裂缝比。岩心段上部构造/层间裂缝比较高，整体大于2.0；下部比值极低，均低于0.5；可反映测试岩心段上部裂缝以构造成因为主，下部裂缝则以非构造成因为主。

表4a井构造裂缝密度统计数据表

表5a井非构造裂缝密度统计数据表

表6a井构造/非构造裂缝比统计数据表

本领域的技术人员应当理解，岩心裂缝各参数的准确测量是裂缝连续准确表征的重要前提，而实际取心段岩心的完整性、连续性均可影响后期裂缝密度计算的准确性。因此，为了保证该方法的计算结果可与测井、地震手段的分析结果进行有效对比，在岩心观测之前有必要整理、摆齐岩心，裂缝表征结果才具有较高的精度。