一种孔隙性砂岩断裂带封闭性评价方法

技术领域

本发明涉及一种孔隙性砂岩断裂带封闭性评价方法，属于断裂控藏机理研究领域。

背景技术

断裂是由复杂内部结构组成的三维地质体，在油气运、聚、成藏中具有重要的作用，这种作用主要体现在通道作用和封闭作用两个方面，而断裂带内部结构是决定断裂输导和封闭能力的关键。根据国内外研究成果及围岩变形带镜下特征，可以看出断裂并不是一个简单的二维面，而是具有复杂内部结构的三维地质体。根据内部结构差异，断裂带可划分为断层核和破碎带两部分。断层核由断裂上下盘滑动面及其夹持的地质体所组成，其渗透率相对于围岩可下降2-6个数量级；破碎带以大量发育裂缝为特征，其渗透率一般要高出围岩几个数量级。现阶段，流体势理论被广泛应用于油气成藏领域，但关于断裂带内部流体势的研究仍处于探索阶段,如何利用流体势差异进行断裂带封闭性评价有待进一步的深入。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种孔隙性砂岩断裂带封闭性评价方法，该方法能够定量表征因断裂带内部结构差异导致的流体势差异，进而评价断裂带封闭性,有助于弥补现阶段断裂控藏机理研究的不足。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种孔隙性砂岩断裂带封闭性评价方法，其包括以下步骤：

1)对孔隙性砂岩断裂带两侧的储层流体势进行分析，确定断裂带两侧储层流体势的表达式；

2)对孔隙性砂岩断层核的流体势进行分析，确定断层核的流体势表达式；

3)对得到的断裂带两侧储层以及断层核的流体势表达式进行对比分析，确定断层核与断裂带两侧储层流体势之间的差异表达式；

4)对得到的断层核与断裂带两侧储层流体势之间的差异表达式进行计算，并根据得到的差异值对断裂带的封闭性能进行评价。

进一步的，所述步骤1)中，所述断裂带两侧储层流体势的表达式为：

式中：Φ_v为单位体积流体所具有的总势能，单位为J/m³；σ₁为储层界面张力，单位为N/m；θ₁为润湿角，单位为°；r₁为储层孔喉半径，单位为m；g为重力加速度；ρ₁为上覆储层中流体密度，单位为kg/m³；p为地层压力，单位为Pa；Z₁为储层埋深处相对于基准面的距离，单位为m。

进一步的，所述步骤2)中，所述断层核的流体势表达式为：

式中，Φ_f为断层核总的流体势能，单位为J/m³；ρ₂为上覆储层中流体密度，单位为kg/m³；g为重力加速度；p为地层压力，单位为Pa；σ₂为断层核界面张力，单位为N/m；θ₂为断层核界面润湿角，单位为°；λ为断层核启动压力梯度，单位为Pa/mm；L为断层核宽度，单位为mm，r₂为断层核孔喉半径，单位为m，Z₂为断层核埋深处相对于基准面的距离，单位为m。

进一步的，所述步骤3)中，所述断层核与断裂带两侧储层流体势之间的差异表达式为：

式中，△φ为流体势差，Φ_f为断层核总的流体势能，Φ_v为储层的流体势能，单位均为J/m³；λ为断层核启动压力梯度，Pa/mm；L为断层核宽度，单位为mm；为断层核的界面能，为储层的界面能。

进一步的，所述步骤4)中，对得到的断层核与断裂带两侧储层的流体势之间的差异表达式进行计算，并根据得到的差异值对断裂的封闭性能进行评价的方法，包括以下步骤：

4.1)根据岩心测试资料，得到润湿角和界面张力参数，利用压汞资料或核磁实验资料，计算得到储层和断裂核的孔喉半径，进而得到储层和断裂核的界面能；

4.2)采用直接驱替法确定断层核的启动压力梯度；

4.3)根据砂岩地层中断层核的厚度与断距的关系曲线，确定断层核的厚度；

4.4)根据得到的断层核的启动压力梯度和断层核的厚度计算得到断层核的启动压能，并结合储层的界面能和断层核的界面能，计算得到断层核和储层流体势的差异值；

4.5)根据得到的差异值对断裂带的封闭性能进行评价。

进一步的，所述步骤4.5)中，根据得到的差异值对断裂带的封闭性能进行评价的方法为：

当得到的差异值△φ大于零时，断层封闭，△φ小于零时，断层开启。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于断裂带结构的特殊性，以England流体势理论为基础，改进并提出了断层核流体势定量表征公式；2、本发明基于提出的断层核流体势定量表征公式，利用断层核与围岩储层流体势差异进行断层封闭性评价的新方法，评价方法简单可靠。因此，本发明可以广泛应用于断裂控藏机理研究领域。

附图说明

图1是研究区断层核启动压力梯度与渗透率及流体粘度的关系，其中，K为渗透率，md；μ为流体粘度，MPa·s；

图2是断层核平均厚度与断距之间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明首先对断裂带对油气的侧向封堵机理进行介绍。

从油气成藏角度而言，断裂活动期流体的运移是快速的，在地质历史时间尺度下可以近似认为其运移是瞬时的；而断裂活动-间隙期以及断裂静止期的时间要远远长于断裂活动期，因此对于油气成藏而言，断裂活动期-间歇期以及断裂静止期对于油气运聚及保存具有更重要的意义。在断裂活动-间歇期及断裂静止期流体的主要动力为浮力，将断裂带与断裂两侧的储层作为一个整体看待，流体要突破断裂带向另一侧的储层作横向运移，其本质就是突破断层核的排替压力，从势能的角度讲即当构造低部位的流体势能大于断层核的排替压力，流体就可穿过断裂带而发生侧向运移。因此，断裂带封闭性评价可通过断层核流体势与断裂带两侧储层流体势差进行评价，当储层流体势大于断裂带断层核流体势时断裂带开启，反之断裂带封闭。

基于上述分析，本发明提供了一种孔隙性砂岩断裂带封闭性评价方法，包括以下步骤：

1)对孔隙性砂岩断裂带两侧的储层流体势进行分析，确定断裂带两侧储层流体势的表达式。

油气驱替地层水的过程中，油气从高势能区流向低势能区，需要克服重力做功、克服从基准面运移至高度Z时因压力变化所做的功、克服毛管压力做功。因此，England等(1987)将流体势定义为单位体积的流体相对于基准面所具有的总势能，其流体势表达式为：

式中：Φ_v为单位体积流体所具有的总势能，单位为J/m³；σ₁为储层界面张力，单位为N/m；θ₁为润湿角，单位为°；r₁为储层孔喉半径，单位为m；g为重力加速度，m/s²；ρ₁为上覆储层中流体密度，单位为kg/m³；p为地层压力，单位为Pa；Z₁为储层埋深处相对于基准面的距离，单位为m。其中，第一项为重力引起的重力势能(即位能)，为单位质量流体从基准面运移至高度Z因克服重力所做的功；第二项为压力引起的弹性势能(即压能)，表示单位质量流体从基准面运移至高度Z因压力变化所做的功；第三项为储层界面能。

2)对孔隙性砂岩断层核的流体势进行分析，确定断层核的流体势表达式。

在低渗透储层注水过程中，油藏流体渗流表现为非达西渗流特征。对于符合非达西渗流特征的低渗层而言，要使油气进入该类地层驱替地层水，则其驱动力必须大于启动压力。大量实验研究表明，启动压力的大小与地层渗流特性及流体粘度有关，渗透率越小、流体粘度越大，则启动压力越大，同时非达西渗流曲线的下凹段延伸越长。断层核渗透率相对于储层渗透率可呈数量级下降，具有良好的封堵能力，其性质与低渗层类似，因而也应具有非达西渗流特征。因此，对于断层核流体势的表征，必须将其非达西渗流特性考虑在内。据此，本发明在England提出的流体势理论基础上，对其进行了改进，加入了启动压能项，其表达式如下：

式中，Φ_f为断层核总的流体势能，单位为J/m³；λ为断层核启动压力梯度，单位为Pa/mm；L为断层核宽度，单位为mm，r₂为断层核孔喉半径，单位为m，Z₂为断层核埋深处相对于基准面的距离，单位为m。其中第一项为重力引起的重力势能，第二项为压力引起的弹性势能，第三项为界面能，第四项为断层核的启动压能。

3)对得到的断裂带两侧储层以及断层核的流体势表达式进行对比分析，确定断层核与断裂带两侧储层流体势之间的差异表达式。

流体运移方式与断层核流体势能及储层流体势能之间的差异有关，对比断层核流体(公式2)与储层流体势(公式1)的计算公式可得，断层核与断裂带两侧储层流体势之间的差异表达式为：

式中，△φ为流体势差，Φ_f为断层核总的流体势能，Φ_v为储层的流体势能，单位均为J/m³；λ为断层核启动压力梯度，Pa/mm；L为断层核宽度，单位为mm，为断层核的界面能，为储层的界面能。

由式(3)可知，断层核所处的深度Z₂与对接储层的深度Z₁基本相等，因此处于同一深度的储层和断层核，其压能和位能可看做相等(ρ₁gZ₁≈ρ₂gZ₂，)，其势能的差异主要在于两者的界面能和断层核的启动压能。因此比较断层核与储层流体势能的差异，只需要确定断层核的界面能、启动压能与储层界面能之间的关系。储层界面能计算涉及储层孔喉半径、润湿角及界面张力等参数，润湿角和界面张力可由岩心测试得到，孔喉半径可根据压汞资料确定，断层核界面能计算参数的获取方式和储层的一致，因此如何确定断层核启动压能的计算参数，即断层核的启动压力梯度及断层核的厚度，是确定储层与断层核流体势能差异的关键。

4)对得到的断层核与断裂带两侧储层流体势之间的差异表达式进行计算，并根据得到的差异值对断裂带的封闭性能进行评价。

具体包括以下步骤：

4.1)根据岩心测试资料，得到润湿角和界面张力参数，利用压汞资料或核磁实验资料，计算得到储层和断裂核的孔喉半径，进而得到储层和断裂核的界面能；

4.2)采用直接驱替法确定断层核的启动压力梯度；

对于启动压力梯度的确定方法，一般都是以实验法为主，不同学者根据室内实验提出了不同的表达式，启动压力梯度与渗透率及流体粘度有关，渗透率越高，流体粘度越低，启动压力梯度越小。

实验选取研究区断层核的岩心，采用直接驱替法来测试岩心的突破压力。油气充注过程就是油气驱替地层水的过程，因此实验岩心样品呈饱含标准盐水的状态，并用氮气气体进行排驱，并定时加压，直至气体突破，求得的近似排替压力值即突破压力。实验应用10块岩心进行气体突破压力试验，实验结果见表1。利用得到的数据对启动压力梯度与渗透率及流体粘度的关系进行回归，其中氮气的粘度值取0.017mPa·s，其回归结果如图1所示，据此启动压力梯度表达式为：

式中，λ为启动压力梯度，单位为Pa/mm；k为渗透率，单位为md；μ为流体粘度，单位为MPa·s。

表1饱和水岩心气体突破压力试验测试数据

4.3)根据砂岩地层中断层核的厚度与断距的关系曲线，确定断层核的厚度。

如图2所示，Braathen等(2009)通过大量的野外露头测量数据，建立了砂岩地层中断层核的厚度与断距的关系曲线，断层核厚度的求取即基于此关系进行求取。

4.4)根据得到的断层核的启动压力梯度和断层核的厚度计算得到断层核的启动压能，并结合储层的界面能和断层核的界面能，计算得到断层核和储层流体势的差异值。

4.5)根据得到的断层核和储层流体势的差异值对断裂带的封闭性能进行评价。

当得到的差异值△φ大于零时，断层封闭，△φ小于零时，断层开启。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。