0 引言
裂缝是碳酸盐岩储集层的主要渗流通道［4-13］，裂缝描述是气田开发过程中的重要工作条目，其研究价值不仅表现在前期评价阶段中的井位部署、储层改造试验、早期产能主控因素落实，同时也体现在气田开发过程中指导动态描述、治水方案设计、开发方案调整等诸多方面，因此裂缝特征和分布的研究贯穿于气田开发的始终。气田进入开发阶段后，井点上的裂缝结构描述基本清楚，由于碳酸盐岩储集层裂缝发育受沉积、成岩、构造和成藏过程的复杂性影响，井间的裂缝描述非常困难，需借助一系列井史和动态资料进行间接描述和反复对比验证。目前针对碳酸盐岩气田开发阶段储集层裂缝描述尚未形成系统的技术序列，技术方面主要从井点裂缝描述、地震和构造应力场预测、裂缝网络定量表征和动态资料间接描述几个单项进行研究，矿场方面主要有“井点裂缝结构描述基本清楚，井间裂缝描述困难”的特点和借助多项资料进行裂缝间接描述与反复对比验证的需求，虽然各项裂缝描述技术方法虽然取得了较大进展，但都存在显著的缺陷和矿场应用局限。
本文针对碳酸盐岩气田开发阶段对裂缝描述的需求，围绕裂缝描述的概念和裂缝结构、成因、功能3个方面，分别论述了各项裂缝描述方法的优缺点及矿场应用局限，提出碳酸盐岩气田开发阶段系统裂缝描述的原则、方法和实施建议，以期提升碳酸盐岩气田开发阶段裂缝描述的矿场应用水平，支撑碳酸盐岩气田的科学开发。
1 裂缝描述的需求
不同开发阶段对裂缝描述的需求见表1，裂缝描述对现场的指导表现为以下4个方面：①指导在裂缝较发育的储层段部署井位，确保储层改造后初期测试获得高产，实现低渗区储量有效动用；②优化气藏生产组织，碳酸盐岩储层平面和纵向上非均质性强，气井早期产能与实际生产能力可能存在偏差，通过动态资料对气井泄气半径内的裂缝描述，实现气藏开采规模的科学决策；③指导水侵规律认识，水侵一般有裂缝水窜、弱舌进、底水锥进等模式［16］，通过对水侵量与裂缝对应关系的研究，进而制订气藏整体治水方案；④基于生产认识，建立能够描述气藏裂缝分布的地质模型和粗化模型，用于储层定量、可视化和数值模拟计算，为气藏的稳产、调整提供依据。上述4个方面除了第一阶段以裂缝结构进行精细描述占主导地位之外，其余3个方面需要对裂缝成因、裂缝结构、裂缝功能进行描述和验证。
表1 不同开发阶段裂缝描述方法统计（根据文献[14-15,17]修改）Table 1 Statistical table of fracture description methods in different development stages (modified by Refs.[14-15,17]) |
| 序号 | 开发阶段 | 时间周期 | 裂缝描述相关工作 | 裂缝描述主要方法 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 前期评价 | 数月至数年 | ①提出开发资料录取要求；②部署开发地震、评价井和先导试验区；③评价地质储量、可采储量和动用储量规模；④落实气田产能规模，制订开发技术对策 | ①裂缝发育控制因素；②露头裂缝；③岩心裂缝；④地质录井；⑤铸体薄片、CT扫描、数字岩心；⑥地球物理法；⑦动态资料；⑧地质资料综合预测；⑨储层改造；⑩微裂缝网络模拟；⑪试井解释；⑫现代产量递减分析；⑬地应力预测；⑭静动态资料综合预测 |
| 2 | 产能建设 | 2~3年 | ①新钻井动静态资料分析；②深化认识气藏地质与开发特征；③动态优化气井配产 | |
| 3 | 开发生产 | 超过10年 | ①评价有效储层分布规律、优选开发富集区；②优化部署开发井位；③开展气井生产动态跟踪；④评价气井产能，优化气井配产 |
2 裂缝描述概念的扩展
裂缝的研究已经有100多年的历史［18］。狭义的裂缝描述是以描述裂缝结构为中心，在一定技术手段的基础上对裂缝信息进行归纳总结并确定裂缝结构的产状、方位、性质等参数，并建立各个参数的直接关系以及各参数与地质要素之间的联系，最终确定裂缝的成因和分布规律［19］。裂缝结构描述的主要内容包括裂缝条数、密度、大小和类型等，目前采用的主要技术手段和方法包括野外露头描述、岩心描述以及钻录井响应观察等。“结构描述”这一思想源于18世纪法国哲学家拉梅特里（Lamettrie）的名著《人就是机器》（Man Is Machine），这一思想深深影响着近代科学技术的发展，人们深深的相信，只要把系统的结构搞清楚了，系统就无所不知了［20］。以微裂缝（裂缝开度<0.1 mm）结构描述为例，主要是采用岩石薄片、铸体薄片和扫描电镜等技术识别［21］，通过裂缝长度和倾角［22］、等效裂缝开度［23］、裂缝表面粗糙度［24-25］、裂缝曲折率［25-26］等参数进行表征。然而对于碳酸盐岩储集层而言，通过有限的井眼裂缝信息和描述条目获得整个气藏不同尺度的裂缝结构是不易的。
因果关系是揭示事件之间联系的可能方法之一，因此裂缝描述的研究扩展至裂缝成因，并基于裂缝可能的成因对裂缝进行预测。由于构造裂缝在储集层中通常占主要地位，并且主要受控于构造应力场作用和储层岩石物理性质，因此通过研究构造应力场的方法预测构造裂缝成为气藏裂缝预测的主要方法之一［27］。
气田投入开发后的气藏动态描述以渗流理论为基础，裂缝结构作为气田的物质基础，其功能是影响气藏渗流场，通常以渗透率作为评价指标，因此对于裂缝结构的过度描述将会偏离开发过程中裂缝作为主要渗流通道的核心实质。气田开发关注的应当是储层裂缝结构产生的渗透率场而非裂缝本身，一旦整个气藏的渗透率场被认知，裂缝分布就失去意义，因此广义上的裂缝描述还应当包括裂缝结构描述下的气藏渗流场，即裂缝功能的描述。
根据上述讨论，碳酸盐岩气田裂缝描述的核心内涵应当是：不同的开发阶段对应的裂缝描述的侧重不同，在动态资料较少的前期评价和开发早期阶段侧重于裂缝结构和成因的描述，待动态资料丰富后，应当侧重裂缝功能描述并深化对裂缝结构和成因的认识，并通过新井资料的补充逐渐实现裂缝结构和功能认识的一致性，最终形成系统的裂缝描述结果（图1），即裂缝成因、结构和功能的相互验证与统一。
裂缝成因、结构及功能描述的核心内容不同，依次分别是：构造应力、裂缝属性、渗透率场描述。实施的具体技术和方法方面，裂缝的成因及预测方法主要有分形法、曲率分析法、古构造应力场法、应力场数值模拟法等；裂缝结构的主要描述有野外露头观察与分析、岩心观察和分析、地震速度预测、多层振幅比技术预测、测井资料分析方法及CT扫描等；裂缝功能的描述主要通过岩心实验分析、微裂缝网络模拟、生产动态资料分析、试井解释和现代产量递减等分析实现。
3 裂缝描述现状
围绕裂缝系统描述的概念，针对裂缝结构、成因与预测以及功能3个方面的10余项主要技术方法的特点和应用现状进行了调研，这些技术方法具有各自的优缺点（表2），下文分述之。
表2 不同裂缝描述方法的优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of different fracture description methods |
| 分类 | 描述名称 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 结构 描述 | 野外露头 | 获得感性认识，激发思维空间和灵感，对气藏的静动态认识和生产指导具有一定积极作用 | 野外露头的选择要求与气藏有可类比性，需要满足一定条件 |
| 岩心 | 唯一能描述裂缝的直接信息 | 裂缝发育段岩心收获率不高，在取心过程中岩心受到取心工具一定程度的破坏，揭示的裂缝信息具有局限性和随机性 | |
| 钻录井 | 快速直观分析储集层类型和裂缝发育程度 | 仅反映一定井控范围内的裂缝发育特征 | |
| 储层改造 | 直观分析改造前储集层类型和裂缝发育程度 | 仅反映改造区一定井控范围内的裂缝发育特征 | |
| 地震 | 预测大断裂相对准确 | 深埋藏薄储层条件下难以精确预测中小尺度裂缝 | |
| 测井 | 垂向识别精度高，能够定性、定量地反映裂缝发育情况 | 存在“一孔之见”的局限性，仅能反映井眼附近的储层裂缝信息，横向识别尚有难度 | |
| CT扫描 | 定量表征微米级尺度裂缝 | 受限于岩心的局限性和随机性，与气藏实际开发过程中的宏观渗流尺度不易匹配 | |
| 成因 及预测 | 古构造应力场法 | 判别裂缝产生的可能性，识别裂缝的相对发育带 | 裂缝参数和现今裂缝参数的存在状态相差甚远，无法直接应用 |
| 己知井点约束法 | 在井点上较有把握 | 随机性较强，受井网密度的影响大 | |
| 分形法 | 输出的分数维值可以作裂缝平面发育度的定量指标 | 分数维值的应用具有一定的局限性，不能反映孔隙度、渗透率等决定性参数 | |
| 曲率分析法 | 可判断裂缝产生的优势区域并计算裂缝参数 | 仅能预测比例不大的张性缝，预测的裂缝分布与实际分布会有明显的偏差 | |
| 应力场数值模拟法 | 根据实验从应力场角度能得到裂缝分布预测 | 存在多解性，且井间的裂缝网络无法验证，直接用于数模模拟计算费时费力 | |
| 古今应力场结合法 | 理论完备，能够准确计算裂缝的参数 | 区域古应力难以准确确定，需要做大量的力学参数测试 | |
| 功能 描述 | 岩心实验 | 揭示不同裂缝发育情况下渗流、水侵的渗流规律 | 仅能反映岩心尺度下的裂缝响应，储层改造后的原始裂缝流动将发生变化，大尺度下的裂缝网络渗流与小尺度岩心渗流不宜直接对比 |
| 微裂缝网络模拟 | 定量揭示微裂缝网络对岩石渗透率的影响机理 | 描述尺度为岩心尺度，计算有随机性，模拟时间较长，需要构建大量的数字岩心模拟计算结果， | |
| 采气曲线 | 产气量、油压、水产量等参数直观反映储层裂缝 | 仅能定性辅助判断储层改造后裂缝网络情况 | |
| 压力恢复试井 | 以渗透率描述宏观渗流尺度裂缝对储层渗流的影响，精度高 | 需要关井测压，部分含硫深井作业风险高，影响气井生产 | |
| 现代产量递减方法 | 以渗透率描述反映宏观渗流尺度裂缝对储层渗流的影响，精度较高 | 现场资料精度相对偏低，尤其是井底流压折算会存在一定误差 |
3.1 裂缝结构
3.1.1 直接描述
裂缝结构的直接描述包括野外露头描述和岩心描述：野外露头描述能为气藏储集层裂缝结构的描述获得感性认识，并激发思维和灵感。野外露头的选择要求与储集层具有可类比性［28］，并建立裂缝地质模式［17，19］。如果野外露头与气藏的类比性较好，且能够描述储集层的典型缝洞系统地质特点，那么对于气藏的静动态认识和生产指导将起积极作用［29-30］。碳酸盐岩储层裂缝发育段的岩心收获率往往不高，在取心过程中岩心会受到取心工具的破坏，岩心较为破碎，因此由岩心揭示的裂缝信息具有局限性和随机性。为克服上述问题，岩心裂缝观测宜采用测井与地质分析相结合的方法［31-33］。事实上储层改造以后井眼附近的裂缝网络系统相对于改造前将发生较大变化，因此在掌握岩心原始裂缝结构的基础上，还需要对储层改造后的裂缝网络功能进行描述，并相互验证。
3.1.2 间接描述
裂缝结构的间接描述是指裂缝信息由钻井和录井显示、地球物理、CT扫描等技术识别，并以其他间接的响应信息（漏失、扭曲等）为表现的描述方式。
地球物理方法主要包括地震和测井解释。其中裂缝的地震检测主要有地震速度预测技术和多层振幅比技术等，矿场实践揭示三维地震方法预测大断裂相对准确，但针对深埋藏薄储层［35］，常规叠加速度的变化不敏感，中小尺度裂缝的预测仍存在技术瓶颈。测井识别裂缝的方法包括常规测井和特殊测井，常规方法有微电阻率成像测井、微电阻率扫描测井、声波成像测井等，但测井资料分析方法存在“一孔之见”的局限性，其描述仅能反映井眼附近的储层信息，储层的横向识别尚有难度。因此，利用地球物理方法表征裂缝存在不确定性，需要采用岩石物理、地应力场、统计等方法验证。此外，CT扫描技术手段可以有效地定量表征微米级微小尺度的裂缝，明确微观孔喉搭配关系，获取孔喉配位数、平均喉道半径、裂缝体积比等定量参数，但该技术仅能描述微小尺度，其应用价值不仅受限于所取岩心的局限性和随机性，且不宜直接匹配开发过程中气井几百米泄气半径渗流规律的描述尺度。
3.2 裂缝成因
由于裂缝结构描述各项方法均存在缺陷，不满足储层裂缝的多尺度描述需求，因此若能明确产生裂缝结构的主要原因并建立该原因与裂缝结构的联系，即可实现对裂缝结构的预测。
曲率分析法中的高斯曲率法计算结果较为符合地质规律，并在井点上与测井资料解释一致，因此高斯曲率法在裂缝带分布的定量预测上十分有效，可以广泛应用于裂缝性油气藏储层裂缝的定量评价［42］，该方法在四川盆地裂缝性气藏的勘探过程中发挥了重要作用［43］。应力场数值模拟法是将连续的地质体介质离散成一系列的微小单元，计算每个单元的三轴应力分布，通过岩石破裂强度的判别，在产生裂缝的单元进行裂缝参数的计算，计算的参数包括裂缝开度、密度和孔隙度等。该方法在国内的发展有3个阶段［44-50］，基于上述理论方法构建的地质模型虽然从应力场角度能得到裂缝分布预测，但预测存在多解性，井间的裂缝网络不易验证，模型用于数值模拟计算费时费力。以四川盆地龙王庙组气藏模型为例，通过裂缝地质建模搭建的7 800万巨量网格数据在服务器集群上进行上千核（并行1 024核）的大型并行计算，最快的模拟计算时长也需2.1 h［51］。在此基础上发展出的古、今应力场结合法主要包括古应力场下裂缝参数计算、现今应力对裂缝的改造、孔渗参数计算，将裂缝预测技术提高至新的水平。方法虽然从理论上能够行通，但在实际操作过程中，不但区域古应力难以准确确定，而且特定地区的模型还需要开展大量的力学参数测试［36］。
3.3 裂缝功能
描述裂缝功能有2种方式：一种是正向描述，即在大致掌握岩心裂缝结构的基础上开展渗透率的测定或者模拟计算，主要手段是相渗实验、岩心驱替实验和微裂缝网络模拟；另一种是反向描述，即未掌握裂缝结构，由试井资料或者生产动态数据进行解释和分析，定量或者定性对裂缝的等效长度、裂缝网络渗流系统进行评价。
3.3.1 实验方法
实验是气藏工程的主要内容之一，一般包括相渗实验和驱替实验等，实验结果可揭示不同裂缝结构的渗流、水侵等岩心微观机理，为后续的气藏动态分析做支撑。受取心局限性和随机性的制约，通常采用人工造缝、可视化玻璃模型等方法，但实验仅能反映岩心尺度的裂缝响应规律。
3.3.2 微裂缝网络模拟
3.3.3 动态描述法
动态描述法可评价裂缝结构的宏观渗流能力，但仅能定性评价引起渗流结果的简化等效裂缝结构，若能构建出典型裂缝结构正演模拟模型，就能由动态描述中简化的渗流模型逐渐还原至一定程度的真实裂缝结构。
4 研究展望
裂缝系统描述的各种单项方法具有明显的适用条件和自身的优缺点，若仅从方法本身、单项研究或者局部相互验证等思维方式出发，不易取得整体视角下的裂缝描述结果，在实际应用中通常会表现为气藏裂缝的分布验证性较差或者静动态认识偏差较大。因此通过整合发挥出各描述方法的优点，并回避其缺点，扩大各单项研究资料和认识之间的验证范围，则能在气田不同开发阶段实现裂缝的系统描述。
4.1 裂缝系统描述方法
4.1.1 描述原则
每个开发阶段的任务是充分利用本阶段所取得的资料信息，对气藏地质特征作出现阶段的认识和评价，目的是为后一阶段采取什么样的开发措施提供地质依据。工作的优劣或成败，以后一阶段所实施的开发措施结果的优劣或成败来检验［60］。该思想在裂缝系统描述中的体现是在不同的气田开发阶段建立每一轮静动态资料的裂缝成因、结构及功能之间的对应关系，并由井点、气井泄气区、逐步拓展至井间和整个气藏。为确保裂缝描述同时满足地质和开发的需要，建立以下4个方面的描述原则：①根据静动态资料由井点至近井区、远井区实现定性—裂缝功能描述；②构建典型岩心模式的模拟计算数据库，建立裂缝结构—裂缝功能对应参数库；③建立基于岩石力学实验的应力与裂缝的关系，确定裂缝成因—裂缝结构的对应参数库；④在前3条的基础上，利用新增资料验证和修正，通过多轮次分析、对比和评价，使裂缝认识逐步逼近真实气藏（图4）。
4.1.2 描述方法
根据上述4项原则确定以下4方面的具体描述方法：即分别由井眼裂缝结构至泄气半径内的裂缝功能，气藏的裂缝结构—裂缝功能，气藏的裂缝成因—裂缝结构以及在已有认识的基础上，加入新井资料进行相互验证，实现由井眼到储层改造区、远井区以及井间的裂缝功能和裂缝结构描述，通过静动态资料、应力预测以及新井资料验证，不断深化认识，最终建立能够较为客观地反映整个气藏的裂缝成因、结构和功能的系统描述模型，并同时满足地质模型和数值模拟需求（图5）。
依据岩心、测井、储层改造和动态资料实现从井眼裂缝结构至整个气井的裂缝功能描述技术基本较为成熟，但在实施过程中需要地质和开发工作者紧密配合，相互验证认识结果。实现裂缝系统描述过程主要有以下3个方面：①井眼的裂缝识别技术，通过岩心、测井进行裂缝结构的判断，在常规测井曲线上裂缝显示表现为周波跳跃，在典型结构识别的基础上抽象出典型搭配模式，为渗透率场的模拟打下基础。②近井区的裂缝描述，即由第①步的评价结果评价储层改造后裂缝沟通的可能性，由施工曲线印证，改造区裂缝的尺寸及扩展可以由水击现象特征描述［61］、生产测井和微地震［62-63］技术评价，裂缝网络的产生的等效渗流能力通过试井和现代产量递减技术评价。例如采用试井与测井渗透率比值将超深层构造气藏储集层类型划分为单孔单渗、双孔双渗、双孔单渗型，比值分别为0.3~3.0、3.0~20.0以及大于20.0［59］。③远井区及井间储层裂缝一般未受改造影响，远井区通过压力恢复试井、现代产量递减分析掌握其渗透率，井间渗透率通过干扰试井或者插值方法估算。
通过大量岩石力学实验获取储层岩石力学参数，进而利用地层倾角及成像测井资料，通过井眼应力分析、井眼崩落机理和岩石力学参数及地应力测试结果，构建井周裂缝与应力的关系，评价碳酸盐岩储层地应力方向、大小及井周地应力与裂缝关系。根据裂缝定性描述及岩石力学实验结果，结合地震预测及地应力场与裂缝参数的定量关系，建立基于应力场分布的裂缝模型，形成裂缝成因—裂缝结构的对应参数库。由于近井区储层已经被改造，因此该方法可以在井眼裂缝认识和校正的基础上，对井间的裂缝结构进行评价，用于指导裂缝功能—裂缝结构的反演模型的修正。
4.2 裂缝系统描述实施建议
在笔者工作的5年时间里，体会到科研单位数十年来一直运行的组织架构与实际操作表面上虽然是多学科交叉和静动态结合的模式，在实施过程中更多的是多学科、静动态资料的罗列和堆砌，缺乏真正的多学科、静动态资料的渗透、融合和实践—认识—再实践—再认识。因为真正的静动态结合，一定是打破了原有“技术条块分割”的模式，一定要真正实现静态与动态、科研与现场的“换位思考、无缝衔接”，一定是避免每位参与者因专业背景不同而出现“以己为重”“自我为中心”的情况［67］。当前项目实施方式还存在明显的差距，实现起来也绝非易事，因此还有很长的道路需要探索，本文所提出的裂缝系统描述构想，也正是针对上述问题的一次尝试。
5 结语
裂缝是碳酸盐岩储集层的主要渗流通道，裂缝描述是气田开发过程中的重要工作条目，其研究贯穿于气田开发的各个阶段。针对碳酸盐岩气田开发阶段“井点裂缝结构描述基本清楚，井间裂缝描述困难”的特点以及借助多项资料进行裂缝间接描述与反复对比验证的矿场需求，本文系统总结和扩展了裂缝描述的概念，提出裂缝系统描述新理念，围绕裂缝成因、结构、功能3个主要核心，论述了目前各单项裂缝描述方法的研究现状和存在问题，并围绕碳酸盐岩气田开发阶段的需求和矛盾，提出系统裂缝描述的原则、方法以及实施建议，以期提升气田开发阶段储集层裂缝描述的矿场应用水平，支撑碳酸盐岩气田的科学开发。
甘公网安备 62010202000678号
