Research status, significance and development trend of microfractures

  • Chang-hai LI , 1, 2 ,
  • Lun ZHAO 3 ,
  • Bo LIU , 1, 2 ,
  • Qiang CHEN 4 ,
  • Cheng-he LU 4 ,
  • Yue KONG 1, 2
Expand
  • 1. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
  • 2. Institute of Oil & Gas, Peking University, Beijing 100871, China
  • 3. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Beijing 100083, China
  • 4. International Engineering Company of CNPC XDEC, Urumqi 830000, China

Received date: 2019-11-16

  Revised date: 2019-12-23

  Online published: 2020-03-26

Supported by

The China National Science and Technology Major Project(2017ZX05030-002)

The National Natural Science Foundation of China(41572117)

Highlights

In recent years, with the development of unconventional oil and gas, the significance of microfractures for oil and gas exploration and development has become increasingly prominent. Scholars at home and abroad have made extensive and profound discussions on the definition, classification, origin, controlling factors and prediction methods of microfractures in different reservoirs. The upper limit value for defining the length of microcracks is 50 mm, and the upper limit value for aperture varies in different reservoirs. Genesis-based classification scheme is superior to other classification schemes and is currently most widely applied. The formation of microfractures in different rocks is the superposition of single or multiple factors including tectonism, diagenesis and abnormal high pressure. The main controlling factors of different types of microfractures are quite different, and the main controlling factors of the same type of microfractures in different reservoirs are also different. The prediction of microcracks is still at an early stage, and the existing methods have problems of poor accuracy and reliability, high data requirements and high cost. Quantitative analysis techniques based on fractal and mercury intrusion curves are the main means for quantitative characterization of microcracks. The study of microfractures is of great significance to the prediction of macrofractures, the study of sedimentary diagenetic evolution and the oil and gas development. The key points of next study is the comparison of microfractures in different reservoirs, the relationship between microfractures and sedimentation and diagenesis, the prediction and quantitative characterization of microfractures, combination relationship between microfractures of different origins and pore space, and the contribution of microfractures of different origins to reservoir permeability.

Cite this article

Chang-hai LI , Lun ZHAO , Bo LIU , Qiang CHEN , Cheng-he LU , Yue KONG . Research status, significance and development trend of microfractures[J]. Natural Gas Geoscience, 2020 , 31(3) : 402 -416 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.12.011

0 引言

裂缝问题是储层地质学研究中的热点及难点。在砂岩、碳酸盐岩等常规储层以及页岩、致密砂岩和煤层气等非常规储层中均发育有不同尺度的裂缝。裂缝在尺度上变化较大,前人为研究方便基于裂缝识别资料的差异将裂缝分为根据地震资料识别的大尺度裂缝、根据岩心和成像测井资料识别的小尺度裂缝以及在薄片下识别的微尺度裂缝[1]。目前裂缝问题的研究主要集中于大尺度裂缝和小尺度裂缝(后续为讨论方便,将2种尺度裂缝统称为显裂缝),对于微尺度裂缝(即微裂缝)研究较少,尚未引起足够的重视。微裂缝的研究大致可划分为2个阶段:第一阶段是1850年到1960年,透射光技术的出现开启了基于薄片对微裂缝进行研究的进程;第二阶段是1960年至今,以扫描电镜的诞生[2]及与之配套的阴极发光技术[3]等为标志,显微镜下观察到的微裂缝的分辨率获得极大的提高[4]。微裂缝广泛发育于各类储层中,且大量学者已经证实微裂缝具备储集油气和提供渗流通道的能力,对油气开发具有重要意义[5,6]。但目前对于微裂缝的研究主要针对某一类储层中微裂缝进行分析,缺少对不同类型储层中微裂缝的整体性的认识和综合性的研究。本文通过调研国内外文献总结了不同类型储层中微裂缝的定义、分类、成因、主控因素、识别与预测方法和地质意义等当前最新研究成果,并展望了微裂缝研究的未来发展方向。

1 微裂缝定义

微裂缝主要指通过显微镜及扫描电镜观察到的裂缝,其长度上限存在较大争议,目前主要依据开度对其进行定义。HOOKER等[7]认为砂岩储层中微裂缝的长度范围为0.20~4.00 mm。GALE等[8]基于微裂缝数目与开度符合幂律指数关系推测页岩中微裂缝的长度范围为0.10~1.00 m,但显然该范围远大于微裂缝长度的上限,因而GALE等[8]进一步修改了微裂缝的长度上限,认为页岩中微裂缝的长度上限在厘米级。王瑞飞等[9]认为致密砂岩储层中微裂缝的长度范围在0.02~50.00 mm之间。LAUBACH等[10]认为煤岩中微裂缝的长度上限在厘米级尺度。ANDERS等[11]认为微裂缝的长度上限为毫米级。考虑到微裂缝的长度大于薄片(约30 mm)范围而小于岩心直径(100 mm),因而认为在显微镜或扫描电镜下可以被观察到的长度小于50.00 mm裂缝为微裂缝。
针对不同岩性定义微裂缝的开度上限有所差异。砂岩、碳酸盐岩、页岩、致密砂岩和煤层气中微裂缝是指开度分别小于0.10 mm[12]、0.50 mm[13]、0.01 mm[8,14]、0.05 mm[9]和0.10 mm[15]的裂缝(表1)。上述微裂缝的定义标准虽然获得了绝大多数学者的认同,但仍有部分学者对此保有异议。如汪吉林等[16]在研究重庆南川地区龙马溪组页岩时认为微裂缝开度上限小于1.00 mm。
表1 不同岩性中定义微裂缝的上限

Table 1 Upper limit of defining microfractures in different lithology

砂岩 碳酸盐岩 页岩 致密砂岩 煤层气
微裂缝的长度(L)/mm <50.00
微裂缝的开度(b)/mm <0.10 <0.50 <0.01 <0.05 <0.10
由于受薄片范围的限制,部分微裂缝的长度会延伸到薄片范围之外,从而造成微裂缝长度难以详尽分析的问题,因而根据开度对微裂缝进行定义是未来的主流,微裂缝的长度主要辅助对微裂缝的认识。从目前大多数学者已经认可的定义的微裂缝的开度范围来看,岩石越致密,定义微裂缝开度的上限值越小。

2 微裂缝分类及成因

2.1 微裂缝分类

不同岩性中关于微裂缝的分类目前尚不统一,即使在同一岩性中由于分类依据不同,致使微裂缝的分类方案也有所差异。宏观裂缝的分类主要根据成因、力学性质、规模、充填程度以及与层面的关系等因素[17,18,19],微裂缝的分类一般也主要参考上述因素。此外,由于微裂缝与岩石颗粒具有相同的尺度,因而考虑微裂缝与颗粒的相对位置关系是微裂缝分类的另一重要依据。
目前在砂岩和致密砂岩储层中根据成因将微裂缝划分为构造微裂缝、成岩微裂缝和与超压相关的微裂缝[5,20,21,22][图1(a)—图1(c)]。其中成岩微裂缝包括层间微裂缝、粒内微裂缝(粒裂纹)和粒间微裂缝[20,21]。根据微裂缝与周围颗粒的相对位置关系可将微裂缝分为穿粒缝、贴粒缝、粒裂纹和解理缝[23,24,25][图1(d)—图1(f)]。此外,KRANZ[24]根据微裂缝形成的诱导因素将砂岩中微裂缝细分为双晶诱导微裂缝、与地层变形相关的微裂缝、解理破裂成因的微裂缝、边界应力集中形成的微裂缝、孔洞周缘应力集中形成的微裂缝、弹性差异诱导成因的微裂缝、颗粒旋转与位移成因的微裂缝和热诱导成因的微裂缝。LAUBACH[26]将砂岩储层中的微裂缝分为与构造剪切有关的Ⅰ型微裂缝、与砂岩颗粒破碎有关的Ⅱ型微裂缝以及继承性的Ⅲ型微裂缝。
图1 不同岩性中微裂缝分类图版

(a)构造微裂缝,邛西气田,4 107.5 m;(b)成岩微裂缝,邛西气田,3 253.2 m;(c)超压微裂缝,邛西气田,3 450.3 m;(d)穿粒缝,濮深7井,3 692.15 m;(e)贴粒缝,濮深7井,3 684.2 m;(f)粒裂纹,濮深7井,3 684.2 m;(g)微构造缝,扎纳若尔油田,3 603.41 m;(h)微溶蚀缝,扎纳若尔油田,3 624.52 m;(i)微缝合线,扎纳若尔油田,3 625.56 m;(j)粒裂纹,扎纳若尔油田,3 622.53 m;(k)构造微裂缝,涪陵气田,3 608.2 m;(l)页理缝,涪陵气田,3 618.4 m;(m)有机质演化异常压力缝,涪陵气田,3 621.1 m;(n)贴粒缝,涪陵气田,3 617.6 m;(o)成岩收缩缝,涪陵气田,3 619.3 m;(p)溶蚀缝,涪陵气田, 3 628.2 m;(q)构造微裂缝,鄂尔多斯盆地;(r)割理缝,鄂尔多斯盆地;(s)碳酸盐岩中扫描电镜下微裂缝,塔里木盆地;(t)页岩中扫描电镜下微裂缝,四川盆地,其中:(a)、(b)、(c)为致密砂岩中的微裂缝[5];(d)、(e)、(f)为砂岩储层中的微裂缝[20];(g)、(h)、(i)、(j)为碳酸盐岩中的微裂缝[4];(k)、(l)、(m)、(n)、(o)、(p)为页岩中的微裂缝[30];(q)、(r)为煤岩中的微裂缝[34];(s)、(t)为扫描电镜下的微裂缝[35]

Fig. 1 Classification chart of microfractures in different lithology

在碳酸盐岩储层中根据成因可以将微裂缝划分为微构造缝、微溶蚀缝、微缝合线和粒裂纹[4,27,28][图1(g)—图1(j)]。根据形态可将微构造缝细分为网状缝、斜缝和立缝,可将微溶蚀缝细分为单一溶蚀缝和构造溶蚀缝。根据微裂缝产状可将微裂缝分为近水平状的微裂缝、放射状的微裂缝和随机微裂缝3种类型的微裂缝[29]
在页岩储层中根据成因将微裂缝划分为构造缝、页理缝、贴粒缝、溶蚀缝、成岩收缩缝及异常压力缝6种类型,常见的裂缝类型主要是贴粒缝、页理缝及溶蚀缝[30,31][图1(k)—图1(p)]。根据微裂缝发育的位置可将页岩中微裂缝分为泥页岩微裂缝和有机显微组分微裂缝[14]。按照微裂缝与层理面的位置关系可将微裂缝分为顺层缝和非顺层缝[32]。类似的研究有很多,在此不再赘述。
在煤层气储层中根据成因将微裂缝划分为构造缝和成岩缝,其中成岩缝主要是割理缝[33,34][图1(q),图1(r)]。根据力学性质可将煤岩中微裂缝分为剪切微裂缝和张性微裂缝以及滑脱微裂缝3类[36]。根据煤岩中微裂缝的形态将微裂缝分为规则网状割理、不规则网状割理、平直割理和弯曲割理4种[37]
此外,部分学者对混积岩中的微裂缝的分类也进行了研究,臧士宾等[28]认为柴达木盆地南翼山油田新近系油砂山组发育的混积岩储层中的微裂缝主要为成岩缝,进一步分为层间缝、收缩缝和层内缝。李婷婷等[23,38]认为泥质白云岩储层中主要发育沿矿物颗粒边缘发育的微裂缝和分布于矿物层间的微裂缝2种。
微裂缝分类的依据多种多样,考虑成因的分类方案是目前应用最广泛且使用最普遍的方案。考虑微裂缝与颗粒的相对位置关系的分类方案因其简便性和极强的实用性,也得到了较广泛应用。

2.2 微裂缝成因

微裂缝成因一直是裂缝研究的重点和热点,多位学者通过观察法或实验法对不同岩性中微裂缝成因机制的问题进行了研究。HOOKER等[7]通过观察明确指出砂岩中张性微裂缝的破裂遵循格里菲斯岩石破裂准则,剪性微裂缝的破裂遵循库伦岩石破裂准则。多位学者通过压实实验在实验室中生成了砂岩中的粒裂纹[39,40,41],并通过颗粒尺寸模型等揭示了粒裂纹的形成与压实作用有关[42,43,44]。MARQUEZ等[29]认为阿尔伯达盆地碳酸盐岩储层中微裂缝是超压作用和构造挤压作用形成的。李婷婷等[23]和赵应成等[45]认为青西凹陷下白垩统页岩中微裂缝与成岩作用过程中的机械压实、黏土矿物矿物转化,水热增压及烃类生成等作用产生的异常高压有关。王瑞飞等[9,46]和南珺祥等[47]先后指出致密砂岩中微裂缝与构造应力场有关。SU等[37]认为煤岩中微裂缝的成因是内张力、基质收缩、异常流体压力和构造应力。YAO等[48]认为煤岩中微裂缝的形成是泥岩炭化作用、煤化作用和构造应力作用的结果。刘畅[33]认为煤岩中微裂缝与成岩作用过程中的基质收缩及各期次构造运动密切相关。HERIAWAN等[49]认为煤层中微裂缝的形成与局部构造运动有关。
前人研究结果表明:不同岩性中的微裂缝均是构造作用、成岩作用和异常高压等单因素或多因素叠合作用下形成的。构造作用产生的微裂缝是指在区域构造应力场的影响下,岩石的破裂遵循库伦准则和格里菲斯准则,当岩石所受的应力超过其弹性强度后发生破裂。事实上,微裂缝、显裂缝和断层是岩石破裂程度不同的一个系列。之所以产生微裂缝主要与偏应力有关。当偏应力相对较小未达到整个岩层破裂的程度但达到了局部岩石破裂的条件,从而形成了微裂缝。当偏应力进一步加大,达到或接近单层破裂条件时,就会形成显裂缝。随着偏应力继续加大就会形成断层[9]。成岩作用产生的微裂缝主要是沉积物压实失水、矿物胶结、交代、重结晶等过程使岩层发生收缩、膨胀以及矿物间的重新组合或转化而形成的。异常高压产生的微裂缝实际上也属于成岩作用影响的范畴,但更多受流体因素的控制,由于机械压实、黏土矿物转化,水热增压及烃类生成等作用,使流体压力升高形成的裂缝[23,45,50,51]。受上述因素影响形成的微裂缝再接受后期的溶蚀作用就形成了溶蚀微裂缝[9]

3 微裂缝发育主控因素

对微裂缝发育的主控因素的分析有助于认识微裂缝的分布,前人对微裂缝发育的主控因素进行了大量的研究。由于砂岩与致密砂岩具有类似的发育特征,因此将两者的主控因素一起进行探讨。砂岩及致密砂岩中穿过颗粒的构造微裂缝也被称为压裂缝[52],其发育程度与粒级、碎屑颗粒组分、填隙物含量、孔隙度、沉积相和层厚有关[52,53]。颗粒越粗,颗粒组成越脆,填隙物含量越低,孔隙度越低,层厚越薄,越容易发育微裂缝。沉积相的控制作用主要反映在对岩性和层厚的控制方面[9]。除内因影响外,构造微裂缝的发育也受到外因构造应力场的控制[54]。砂岩及致密砂岩中的成岩微裂缝与压实、压溶、溶解和脱水收缩作用有关,与超压相关的微裂缝与欠压实、烃类生成、黏土矿物脱水和水热增压等作用有关[54]
碳酸盐岩储层中构造微裂缝主要与岩石本身的性质有关,基质孔隙度越低,石英含量越高,粒度越细,越容易发育微构造缝。微缝合线在白云石和酸不溶物含量高的地方以及低孔隙度和高密度带更容易形成。溶蚀微裂缝在白云石和酸不溶物含量低,高孔隙度和高渗透率带更容易发育。粒裂纹在弱胶结、高孔隙度和高渗透率带更容易发育[4]
页岩中的构造微裂缝的发育主要受控于内因和外因两大因素[55]。内因可细分为岩石成分和结构,岩石成分主要是指脆性矿物含量(主要为硅质矿物含量和长石等脆性矿物含量)和黏土矿物含量。而外因主要与构造位置和构造应力大小有关。页理缝发育与沉积层理和页理分布以及岩石固结时失水收缩作用有关[32]。贴粒缝的形成受控于矿物脱水、收缩、矿物相变、烃类生成以及水热增压等作用[32,56,57]。溶蚀缝主要与有机酸的生成及溶蚀作用有关[58]。多位学者对成岩收缩缝的主控因素进行了分析,并认为成岩收缩缝主要与干缩、脱水、矿物相变或热力收缩和黏土矿物转化等作用有关[32,55,59,60]。有机质演化异常压力缝主要与有机质生烃增压及黏土矿物转化脱水作用有关[55]
煤岩中构造缝主要与构造应力场有关,而割理缝主要与构造应力场、基质收缩作用、煤化过程中有机质成岩收缩及有机质生烃增压作用有关[37]。煤层中微裂缝的研究极少关注岩石本身性质对微裂缝发育的影响,但岩石成分和结构必然是煤层中微构造缝发育不可忽视的影响因素。
通过综合国内外学者关于微裂缝发育主控因素的研究成果,对不同储层中不同成因微裂缝发育的主控因素进行了总结(表2)。通过总结发现,不同类型的微裂缝主控因素差异较大,且不同储层中同一类型的微裂缝主控因素也有所差异。不同储层中微裂缝的发育不仅仅与构造作用有关,与沉积作用和成岩作用也具有密切关系。沉积作用形成的岩石的成分、结构、层厚及沉积相分布等因素对微裂缝发育有重要影响,而有机质生烃及矿物转化脱水等成岩作用对微裂缝发育也具有明显的影响。因而对于微裂缝的研究必须注重岩石的沉积与成岩演化过程,而不能仅仅关注构造作用。
表2 不同岩性中不同成因微裂缝发育主控因素

Table 2 Main controlling factors of microfracture development in different lithology

岩性 微裂缝类型 主控因素
砂岩及致密砂岩 构造微裂缝 内因:微观的粒级、颗粒组成、填隙物含量、孔隙度、沉积相和层厚
外因:构造应力场
成岩微裂缝 风化、干缩、压实、压溶、溶解和脱水收缩
超压微裂缝 欠压实、烃类生成、黏土矿物脱水和水热增压
碳酸盐岩 微构造缝 孔隙度、石英含量和粒度
微溶蚀缝 白云石及酸不溶物含量、孔隙度和渗透率
微缝合线 白云石和酸不溶物含量、孔隙度和密度
粒裂纹 胶结程度、孔隙度和渗透率
页岩 构造微裂缝 内因:岩石成分和结构。岩石成分包括脆性矿物含量(指硅质矿物含量和长石及脆性矿物含量)和黏土矿物含量
外因:构造位置和构造应力大小
页理缝 沉积层理和页理分布及岩石固结时失水收缩作用
贴粒缝 矿物脱水、收缩、矿物相变,烃类生成以及水热增压等
溶蚀缝 溶蚀作用和有机质生酸作用
成岩收缩缝 干缩作用、脱水作用、矿物相变作用或热力收缩作用和黏土矿物转化等作用
有机质演化异常压力缝 有机质生烃增压及黏土矿物转化脱水
煤层 构造缝 内因:岩石成分和结构
外因:构造应力场
割理缝

构造应力场、基质收缩作用、煤化过程中有机质成岩收缩

及有机质生烃增压作用

4 微裂缝识别与预测

微裂缝的识别可以分为直接识别法和间接识别法2种。直接识别微裂缝的手段主要有薄片鉴定和扫描电镜技术2种方法[61]图1)。间接识别微裂缝的手段主要有横纵超声波测试法[62,63]和渗透率异常值法[64]2种技术。横纵超声波测试法主要是根据超声波的横波与纵波的速度差异,区分基质孔隙与微裂缝,从而实现对微裂缝的间接识别。渗透率异常值法主要根据测试样品渗透率值远大于具有相同孔隙度样品的渗透率的值,从而间接确定是否发育微裂缝。
由于尺度小的原因,微裂缝尚且难以通过测井等技术进行有效识别,致使微裂缝的预测极其困难。有关微裂缝的预测研究不多,仍处于早期的探索阶段。目前对微裂缝的预测技术主要有地震反演法、岩石成分拟合法、微裂缝面密度法、物性异常频率法以及多资料综合研究法5种技术。
地震反演法主要基于地震资料使用各向异性HTI介质计算地层反射系数,开展AVAZ正演模拟,分析页岩中微裂缝地震响应特征,预测页岩储层中微裂缝的分布[65]。该方法存在一定的缺陷,首先地震资料对于岩心尺度裂缝的预测精度仍旧不高,对微裂缝预测结果的可信度仍存在疑问。其次,地震资料的属性在不同地区具有不同的响应特征,即使在某一地区地震预测准确度较好,也难以将该方法推广应用于其他地区。
岩石成分拟合法是根据页岩矿物组分及有机质含量与微裂缝的相关关系建立微裂缝预测模型,实现对微裂缝的有效预测[66]。该方法主要考虑了岩石本身性质与微裂缝发育程度的关系,未考虑研究区构造应力场的影响,而事实上微裂缝的发育也受到构造应力场的影响,即使岩石本身性质容易形成微裂缝,但由于构造应力集中不发育,也难以形成微裂缝。
微裂缝面密度法的基本思路是根据微裂缝面密度在平面上投图从而研究微裂缝的分布[67]。该方法认为微裂缝在局部地区的数目与微裂缝面密度相关,微裂缝面密度越大,微裂缝发育的数目越多。显然该方法存在明显的缺陷,对于溶蚀微裂缝发育的地区难以有效进行预测。此外,实验室观察到的微裂缝是地应力释放后统计的面密度,因而该方法对微裂缝预测的精度有待商榷。另一方面,微裂缝的面密度与微裂缝发育的数目是否存在必然联系,目前尚无相关证明,因而该方法难以满足对微裂缝预测的需要。
物性异常频率法的基本思路是通过对岩心实测渗透率进行统计分析确定基质渗透率,当岩心实测渗透率大于基质渗透率时即为渗透率异常值[47,67]。根据多井大量样品渗透率异常频率分析结果,分析平面(或剖面)渗透率异常频率的变化规律,结合区域应力场等相关资料,解释微裂缝的平面分布规律。该方法明显的局限性是没有考虑孔隙度对渗透率的影响。在确定基质渗透率时,对于强非均质性的储层,储层不同位置孔隙度差异较大,即使在同一口井上,孔隙度也会有较大的变化范围。前人研究已经证实孔隙度对渗透率有较大的影响[68,69],因而对于具有较大变化范围孔隙度的储层分析渗透率异常值,可能误将高孔隙度地区归为微裂缝发育的区域(图2)。
图2 未考虑孔隙度对渗透率影响的物性异常频率法误差

Fig. 2 Error chart of physical property abnormal frequency method without considering the effect of porosity on permeability

多资料综合研究法[64]是基于薄片资料、孔渗相关性数据、成像测井数据、偶极横波声波成像测井资料、速度差异测井、流动单元资料、电阻率测井和钻井泥浆报告等资料分析了微裂缝对于不同资料的响应特征并预测了微裂缝的分布。该方法相对较为可信,但对资料要求较高,很多油田缺少偶极横波声波成像测井资料和速度差异测井资料,从而使微裂缝难以被准确预测。
整体而言,现有的微裂缝预测方法存在准确性和可靠性差、对资料要求高和成本高等方面的问题。因而加强对微裂缝预测技术的探索是微裂缝未来研究的重要发展方向之一。

5 微裂缝定量化分析方法

微裂缝的研究当前仍主要以定性描述分析为主,但部分学者已经开始尝试采用定量化的方法对微裂缝进行研究,主要包括基于分形技术的微裂缝表征技术和基于压汞曲线的微裂缝分析技术。

5.1 基于分形技术定量化表征微裂缝

目前关于微裂缝研究的热点是基于分形技术对微裂缝进行定量化表征。近年来,国外学者对该问题进行了深入探讨。通过将裂缝的开度与裂缝的数目进行拟合回归,前人尝试了正态分布[12]、对数分布[70,71,72,73]、幂律分布[73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86]、指数分布[87,88]和伽马分布[89,90]等函数对微裂缝开度与显裂缝开度进行统一回归。前人研究已经证实,无论在砂岩储层、白云岩储层还是在页岩储层中[91,92,93],微裂缝的开度与显裂缝的开度具有统一性,可以放在一起进行拟合回归,且开度(包含显裂缝的开度和微裂缝的开度)与累计数目之间存在幂律指数关系[93,94,95,96,97]图3)。该发现将裂缝的微观规律与宏观规律有效地进行了统一,打破了不同尺度裂缝认识的界限,对于裂缝的表征及微裂缝的后续研究具有重要的指导意义。进一步深入挖掘不同尺度间裂缝的规律有助于深化对裂缝问题的认识。
图3 不同类型函数分布对不同尺度裂缝的拟合结果[73]

Fig. 3 Fitting results of different types of function distribution to fractures with different scales[73]

5.2 基于压汞曲线分析微裂缝发育特征

微裂缝目前的定量化分析主要是基于薄片观察对长度和开度等基本参数进行研究,尚缺乏更精准的评价方法。当前部分学者提出使用压汞曲线对微裂缝进行定量化评价的方法,目前主要有2种方法,即“有效孔喉半径”的概念模型法和压汞曲线分析模型法。臧士宾等[28]为解决以微裂缝和孔隙为储集空间的储集层岩石,提出了“有效孔喉半径”的概念。该方法在对压汞曲线进行分析时,认为压汞曲线可以对微裂缝有较好的响应关系,毛管压力曲线具有典型的“二段式”的特点,可分为毛管压力曲线斜线段(OA)和近似水平段(AB),曲线存在明显拐点(A点)。OA段即反映微裂缝特征,属有效渗流空间;AB段反映孔隙的特征,对渗流基本没有贡献,但却发育大部分储集空间(图4)。再基于累计渗透率贡献计算法即可分析微裂缝对储层渗流能力的贡献[98]
图4 柴达木盆地南翼油田储集层岩石压汞毛管压力曲线[28]

Fig.4 Mercury injection capillary pressure curve of reservoir rocks in Nanyi Oilfield, Qaidam Basin[28]

GU等[92]和蓝宝锋等[36]针对含有微裂缝和孔隙为储集空间的煤层气储层进行研究时,提出了压汞曲线分析模型。该理论将储层微观孔缝分为微裂缝、与微裂缝连通的具有大孔喉的孔隙团[99]、与微裂缝连通的具有小孔喉的孔隙团、与微裂缝不连通的具有大孔喉的孔隙团、与微裂缝不连通的具有小孔喉的孔隙团5个层次,这5个层次被汞注入的难度逐渐增大[图5(a)中1、2、3、4和5]。汞注入时会优先充满容易进入的孔隙及微裂缝空间[100,101],而退出时则优先从难注入的孔隙及微裂缝空间退出[102]。对于微裂缝发育及欠发育的条件下,由于微裂缝的影响,致使入汞曲线及退汞曲线存在显著差异。假设微裂缝发育及欠发育的2块样品具有相同的总孔隙空间,微裂缝发育的样品压汞曲线在汞进入的中间阶段压力要小于微裂缝欠发育的样品所需压力,但当充注接近于100%时,微裂缝发育及欠发育的样品所需的压力相同。退汞时由于有微裂缝的影响,微裂缝发育的样品退汞速度更快,但退汞效率要低于微裂缝欠发育的样品[图5(b)和图5(c)]。退汞理论的认识与发育裂缝的油藏采收速度及采收率的认识相一致[103,104]
图5 考虑孔隙和微裂缝的煤岩压汞曲线解释模型[35,92]

(a)压汞孔喉结构模式;(b)压汞入汞曲线;(c)压汞退汞曲线

Fig. 5 Interpretation model of mercury pressure curve of coal and rock considering pore and micro-fractures[35,92]

6 微裂缝研究的意义

6.1 微裂缝对基础地质研究的意义

微裂缝对基础地质研究具有重要意义,可以为基础地质研究提供诸多重要信息,通过调研前人对微裂缝的相关应用,将微裂缝对基础地质研究的意义概括为3点。
(1)微裂缝可以帮助确定显裂缝发育的信息并揭示一些显裂缝难以探讨的与裂缝相关的机理性的问题。微裂缝可以用来预测显裂缝的发育方向,且相比于显裂缝,微裂缝具有数目多的特征,从而排除显裂缝发育方向存在偶然性的问题。微裂缝的长度可以用来预测显裂缝的发育规模[74,86,105]。LAUBACN[26]讨论了使用微裂缝来预测砂岩储层中显裂缝分布的问题。UKAR等[94]使用层理脉中的微裂缝成功预测了页岩储层中宏观高角度显裂缝。曲冠政等[106]探讨了页岩储层中拉张型微裂缝的缝壁几何特征对渗透率的影响,揭示了缝壁形状对渗流影响的机理。
(2)微裂缝可以应用于古构造应力场、古地温、古压力和古盐度等信息的研究。微裂缝可以指示微裂缝形成时最大主应力的方向,从而为古构造应力场的研究提供关键信息。微裂缝中的充填物可以记录流体的运移史,通过阴极发光技术等技术手段对充填物进行分析可以为裂缝期次的确定提供重要信息[11]。此外,裂缝中的流体包裹体可以帮助恢复古地温、古压力、古盐度等重要信息,因而微裂缝对于基础地质研究意义重大[107]
(3)微裂缝与成岩作用可以相互影响且可以应用于成岩演化历史的研究。LAUBACH[108]和HOOKER等[73]认为裂缝在充填过程中,开度小的微裂缝最先充填,其次才是开度大的裂缝。同时HOOKER等[73]指出在微裂缝形成时发生的胶结作用可以阻止微裂缝开度进一步发育。WILLIAMS 等[109]通过实验手段证实了砂岩储层中的微裂缝对于石英沉积速率的控制作用,证明了石英胶结物容易在微裂缝表面进行沉淀,微裂缝具有使石英胶结物聚集的能力。GALE等[91]指出微裂缝可以应用于成岩演化史的研究。虽然微裂缝应用价值极高,但上述研究工作主要集中于砂岩储层,对其他类型的储层研究相对较少,加强在其他类型储层中微裂缝的应用的研究对于其他类型储层的相关基础地质研究具有重要意义。

6.2 微裂缝对油气勘探开发的意义

微裂缝对油气勘探开发具有重要的意义,但是一直以来前人极少关注微裂缝对常规砂岩储层和碳酸盐岩储层的油气勘探开发影响,相关研究主要集中于非常规储层中。赵帮胜等[14]认为鄂尔多斯盆地山西组页岩气储层地质条件总体一般,但微裂缝能够聚集成藏且微裂缝可以提高储层的渗透率,在微裂缝发育区具有较好的页岩气勘探潜力。杨才等[31]指出微裂缝是页岩储层中重要的储集空间和渗流通道,微裂缝的发育程度直接关系到页岩气的储量大小和产能。刘卫彬等[20]认为微裂缝对致密砂岩储层物性具有积极的改善作用,并将改善作用归纳为3个方面:①微裂缝可以改善储层的渗透能力并成为油气运移的通道,影响油气的富集;②微裂缝可作为有效储集空间,增加储层的总体孔隙度;③微裂缝可以为酸性流体活动提供通道,使储层发生溶蚀作用形成次生孔隙。王瑞飞等[46]也指出微裂缝可以改善致密砂岩储层储集能力并提高储层渗透能力,同时微裂缝控制着次生孔隙空间的形成与分布。万永平等[110]指出鄂尔多斯盆地东缘陕北斜坡上古生界致密砂岩储层未经历较强的构造作用,没有发育断裂系统,微裂缝改善了储层渗流能力并为油气运移提供了通道。
张莉等[111]探讨了哈南阿尔善油藏致密砂岩储层中微裂缝对于开发的影响,认为微裂缝对开发具有双重作用,既可以改善基质渗流能力,又会由于与大裂缝、断层形成断裂网络造成水窜等问题。汪虎等[30]认为微裂缝对页岩储层渗透率贡献极大,有微裂缝样品渗透率均值是无微裂缝页岩样品渗透率均值的 62.9倍。南珺祥等[47]计算了鄂尔多斯盆地陇东地区延长组致密砂岩储层中微裂缝对于渗透率的贡献,认为微裂缝对渗透率的贡献在5.6%~72%之间。刘畅[33]认为微裂缝的发育可以明显提高煤层气的单井产能,但会降低最终采收率。还有其他多位学者进行了类似问题的研究,在此不再赘述。
通过上述学者的研究可以发现,对于常规的砂岩和碳酸盐岩储层中的微裂缝目前尚未引起足够重视,当前对微裂缝的研究主要集中于非常规储层,极有可能低估了微裂缝对常规储层油气勘探开发中的巨大意义,对常规储层中微裂缝进行研究是下一步重要的课题之一。微裂缝对油气勘探开发的重要意义主要体现在:①微裂缝可以改善储层的渗透能力并成为油气运移的通道,影响油气的富集;②微裂缝可作为有效储集空间,增加储层的总体孔隙度;③微裂缝可以为酸性流体活动提供通道,使储层发生溶蚀作用形成次生孔隙;④提高储集层渗流能力从而提高油气产能,但同时也会引发水窜及最终采收率降低的问题。

7 微裂缝研究中的问题及发展趋势

虽然微裂缝研究取得了诸多重要进展,但仍存在一系列问题。通过对与微裂缝相关问题的梳理,明确了微裂缝未来研究的重点突破领域。第一,不同储层中微裂缝研究的重点及水平存在显著差异,在页岩和煤层等非常规储层中集中于微裂缝对油气勘探开发意义的探讨,而在砂岩储层中微裂缝的研究更侧重于对基础地质领域的意义。相较于其他几类储层,碳酸盐岩储层中的微裂缝研究相对很少,研究水平较低。第二,由微裂缝的主控因素可知,微裂缝的发育不仅仅与构造作用有关,沉积作用和成岩作用对微裂缝的形成也具有重要的控制作用。加强对不同类型储层中不同成因微裂缝与沉积成岩演化关系模式的总结对于认识微裂缝的形成及预测微裂缝分布等具有重要意义,但目前相关研究极少,亟待加强。第三,虽然前人提出了一些微裂缝预测方法,但存在准确性和可靠性差、对资料要求高和成本高等方面的问题,仍需新思路和新方法。第四,微裂缝的定量化分析技术是未来微裂缝研究的重点领域,基于分形技术的微裂缝表征技术和基于压汞曲线的微裂缝分析技术对于微裂缝的定量化特征的研究有重要意义,仍需进一步完善。第五,微裂缝对于油气勘探开发具有重要意义,但目前对不同成因微裂缝与孔隙空间的匹配关系及不同成因微裂缝对储层渗透率贡献的比较的研究极其欠缺,加强对这些问题进行探讨十分必要。此外,对于微观裂缝与宏观裂缝的关系目前虽取得了一定的突破,亦需加强认识,从而指导油气开发。

8 结论

微裂缝是指长度小于50.00 mm且在显微镜或扫描电镜下可以被观察到的裂缝。不同储层中定义微裂缝开度的上限值有所差异,碳酸盐岩、砂岩、煤层气、致密砂岩和页岩储层中微裂缝是指开度的上限值分别为0.50 mm、0.10 mm、0.10 mm、0.05 mm和0.01 mm的裂缝。岩石越致密,定义微裂缝开度的上限值越小。基于开度对微裂缝进行定义是未来的主流。
根据成因的微裂缝分类方案是目前主流的分类方法,而根据微裂缝与颗粒的相对位置关系的分类因其较强的实用性目前应用也较多。不同岩性中的微裂缝均是构造作用、成岩作用和异常高压等单个因素或多因素叠合作用下形成的。
不同类型储层的微裂缝主控因素差异较大,且不同类型储层中同一类型的微裂缝主控因素也有所差异。不同类型储层中微裂缝的发育与岩石演化史密切相关,沉积作用、成岩作用和构造作用均对微裂缝发育有重要影响。沉积作用形成的岩石的成分、结构、层厚及沉积相分布等因素是微裂缝发育的内在条件,成岩作用中的有机质生烃及矿物转化脱水等是微裂缝发育的重要内在动力且可以改变岩石的内在条件,而构造作用是微裂缝发育的重要外在动力。
微裂缝的识别手段包括薄片和扫描电镜2种直接观察法和横纵超声波测试法和渗透率异常值法2种间接法。微裂缝的预测目前仍处于早期探索阶段,微裂缝预测目前主要有地震反演法、岩石成分拟合法、微裂缝面密度法、物性异常频率法以及多资料综合研究法5种方法,现有的方法存在准确性和可靠性差、对资料要求高和成本高等方面的问题。
基于分形技术和压汞曲线等的定量化分析技术是微裂缝定量化表征的主要手段。微裂缝的研究对于大尺度裂缝的预测以及古构造应力场、古地温、古压力和古盐度等的恢复具有重要意义。微裂缝可有效提高含油气储层的储集性能和渗流能力。
不同类型储层中微裂缝的对比性研究、微裂缝与沉积和成岩的关系、微裂缝预测、微裂缝定量化研究、不同成因微裂缝与孔隙空间的组合关系以及不同成因微裂缝对储层渗透率的贡献是下一步微裂缝研究的重点。
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Outlines

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