朱琳琳，劉曉峰，王 娜

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069;2.勝利油田河口采油廠河采三礦，山東 東營257200)

國內(nèi)關(guān)于儲層裂縫的研究有幾十年的歷史，許多石油地質(zhì)專家對天然裂縫的成因、形成機理、分布規(guī)律、預(yù)測方法等做了大量的研究，上世紀60-70年代四川碳酸鹽巖和華北古潛山油藏的發(fā)現(xiàn)揭開了中國關(guān)于儲層裂縫研究的序幕。

然而這些研究和探索都是針對儲層中的宏觀裂縫或規(guī)模較大的裂縫(一般大于0.1 mm以上)，是能夠用相關(guān)的地球物理方法加以識別的，目前的地球物理方法對寬度在10μm級別的微裂縫基本沒有識別能力或識別能力極低。而對油田注水開發(fā)中的水驅(qū)油及提高采收率影響較大的是儲層中規(guī)模較小的微裂縫，這些微小裂縫溝通著儲層中較大的滲流通道和基質(zhì)孔隙空間。我國大部分地區(qū)產(chǎn)油層天然微裂縫普遍存在，儲層的微裂縫發(fā)育和空間展布規(guī)律在油田的勘探和開發(fā)中具有重要意義［1］。因為低滲透砂巖儲層一般孔隙較小，自身的滲透性很差，由于微裂縫的存在，其孔隙能夠連通，滲透性會因微裂縫的存在而大大改善。在勘探階段，認識巖層的微裂縫空間展布是判斷油氣運移方向以及追蹤油氣成藏部位的重要手段之一;在開發(fā)階段，認識儲層的微裂縫空間展布可能是安排生產(chǎn)井密度和位置以及布置注水井網(wǎng)和控制注水壓力及注水量的主要參數(shù)。所以研究清楚儲層微裂縫空間展布對油田的勘探和開發(fā)都顯得尤為重要。

1 微裂縫概述

1.1 微裂縫的定義

微裂縫是指裂縫寬度在10 μm以下的裂縫，這些裂縫用肉眼觀察不到必須借助顯微鏡。微裂縫特征主要是從顯微鏡下觀察、分析和測量得出，包括裂縫的類型、裂縫的寬度、裂縫的密度、裂縫的充填性等。

1.2 微裂縫的分類

主要是從微裂縫的成因、形態(tài)和微裂縫對滲流的有效性三個方面進行分類。

1.2.1 成因分類

根據(jù)微裂縫的形成原因，可將微裂縫分為構(gòu)造微裂縫、成巖微裂縫和顆粒微裂縫。

1)構(gòu)造微裂縫:又可稱為定向微裂縫，構(gòu)造活動規(guī)模小時形成的，裂縫延伸長，切穿巖石顆粒和基質(zhì)，與其它裂縫的連通性好，也可與其它裂縫構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)狀而增加裂縫的有效性。構(gòu)造微裂縫按力學(xué)性質(zhì)可分為張性微裂縫和剪性微裂縫。

2)成巖微裂縫:成巖作用形成的破裂，裂縫組系分布較亂，沒有一定的方向性，多呈樹枝狀或蛛網(wǎng)狀。裂縫寬度因溶蝕等作用變化較大。

3)顆粒微裂縫:巖石顆粒在外力作用下沿著顆粒節(jié)理或某些破裂紋分離而形成的微裂縫，裂縫終止于顆粒內(nèi)部或邊緣，與其它微裂縫的連通性差，常見于石英或長石顆粒中。

1.2.2 形態(tài)分類

根據(jù)微裂縫在鏡下的不同形態(tài)及其與礦物的充填關(guān)系，可將微裂縫分為開啟微裂縫、完全充填微裂縫和不完全充填微裂縫。

1)開啟微裂縫:微裂縫面張開，沒有物質(zhì)充填，可作為油水運移空間。

2)完全充填微裂縫:微裂縫面張開但縫中完全被礦物充填，不可作為油水運移空間，充填的礦物可以為鈣質(zhì)泥質(zhì)及瀝青質(zhì)。

3)不完全充填微裂縫:微裂縫面張開，縫中沒有完全被礦物充填，充填物內(nèi)存在著可測的孔隙空間，部分可作為油水空間。

1.2.3 微裂縫對滲流的有效性分類

微裂縫依其對滲流的有效性可分為有效縫和無效縫，有效縫充填原油、對油氣的滲流起主導(dǎo)作用。無效縫被石英、方解石和泥質(zhì)充填，對油氣滲流不起作用或者所起作用甚微。微裂縫中礦物充填之后，若其介質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化，局部常產(chǎn)生溶蝕作用。被充填的微裂縫在后期構(gòu)造應(yīng)力作用下還可以重新活動張開，甚至再次被礦物充填根據(jù)微裂縫的相互切割關(guān)系也可以大致確定微裂縫形成的先后順序。薄片中一般有以下幾種切割關(guān)系:①錯開:晚期裂縫使早期裂縫切斷并錯開;②限制:晚期裂縫受限于早期裂縫;③互切:兩組裂縫互切時，表明二者同時形成。

1.3 微裂縫的成因機制

微裂縫是構(gòu)造大裂縫的雛型。材料力學(xué)研究表明，巖石宏觀破裂之前存在一個微破裂階段，產(chǎn)生一些微裂縫。

微裂縫與大裂縫的關(guān)系及形成過程是:當(dāng)巖石受到的應(yīng)力作用大小達到顆粒或基質(zhì)的抗壓(或抗張)強度后，巖石開始產(chǎn)生微裂縫，并在應(yīng)力相對集中的區(qū)域微裂縫密度較大。應(yīng)力進一步增加時，在這一區(qū)域產(chǎn)生宏觀破裂，顯裂縫形成。因此，顯裂縫周圍具有密度相對較大的微裂縫帶。

1.4 微裂縫的發(fā)育狀況

1.4.1 微裂縫開度

微裂縫開度是指微裂縫兩壁之間的距離，是決定微裂縫孔隙度、滲透率和評價微裂縫對開發(fā)效果的關(guān)鍵因素之一。儲層微裂縫的寬度受圍壓影響較小，因而可采用顯微鏡下直接測量的方法對微裂縫寬度進行預(yù)測和統(tǒng)計。其公式為:

式中:e為微裂縫真實開度(μm);ei為鏡下微裂縫測量開度(μm);n為微裂縫條數(shù)為經(jīng)驗修正值。

1.4.2 微裂縫密度

微裂縫密度是評價微裂縫發(fā)育程度的一個重要指標(biāo)。根據(jù)巖石中微裂縫的分布特征，采用面積密度來評價微裂縫的發(fā)育程度，即在鏡下直接測量微裂縫的長度和薄片的面積，計算單位面積內(nèi)微裂縫的長度，即為該薄片的微裂縫面密度。

式中:P為微裂縫面密度;n為薄片上微裂縫條數(shù);l為單條微裂縫的長度;s為薄片面積。

1.4.3 微裂縫的延伸長度

不同油層組微裂縫延伸長度范圍不同，通過統(tǒng)計油田單條裂縫延伸長度分布頻率，可以大概了解微裂縫延伸長度的分布清況。裂縫的充填性質(zhì)(完全充填、局部充填)將直接影響儲層微裂縫的孔隙度和滲透率，從而對油氣滲流作用產(chǎn)生影響。

1.4.4 微裂縫與大裂縫夾角關(guān)系

不同時期，微裂縫與大裂縫夾角呈現(xiàn)不同的特征。微裂縫與大裂縫夾角關(guān)系不十分明顯時，一般表現(xiàn)為沉積時期;微裂縫與大裂縫基本平行，表明該時期微裂縫主要為構(gòu)造縫，反映了微裂縫是大裂縫形成的前奏;微裂縫與大裂縫夾角分布混亂沒有一定的規(guī)律性，則反映出該時期裂縫為多種成因，有構(gòu)造縫和風(fēng)化縫，故沒有一定的組系［2］。

1.4.5 不同巖性的微裂縫發(fā)育特征

1)砂巖中的微裂縫特征:裂縫類型主要為一些顆粒微裂縫，一般終止于顆粒邊緣，不穿過膠結(jié)物。砂巖形成后產(chǎn)生的微裂縫具有一定的間隔，裂縫相互間是孤立的，但可以溝通顆粒周圍基質(zhì)的聯(lián)系。

2)粉砂巖中的微裂縫特征:粉砂巖中可以見到充填的微裂縫，延伸可短可長，有時呈雁行狀排列，組成微裂縫帶。

3)泥巖中的微裂縫特征:微裂縫延伸短，不連續(xù)出現(xiàn)，末端可見分叉現(xiàn)象，孤立存在，也可以溝通成蛛網(wǎng)狀。裂縫有時充填有瀝青或含油跡，說明泥巖中的微裂縫可以作為油水運移通道。

2 國內(nèi)外研究微裂縫的方法

目前國內(nèi)外對儲層微裂縫研究主要的手段有:測井技術(shù)，包括聲電成像技術(shù)以及利用常規(guī)的測井系列拾取巖心裂縫井曲線特征進行發(fā)育典型部位的裂縫研究;微地震技術(shù)有橫波勘探方法、多波多分量探測方法、三維縱波的裂縫檢測方法等;構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬、曲率分析法等數(shù)值模擬方法;巖心描述技術(shù)(包括鏡下薄片統(tǒng)計技術(shù)、巖心室內(nèi)測試技術(shù));鉆井技術(shù)是根據(jù)錄井資料以及鉆井過程中鉆井液的漏失等現(xiàn)象初步判定裂縫的發(fā)育情況，主要有試井分析裂縫技術(shù)，它是通過試井測定壓力的變化，從而判定裂縫發(fā)育情況;注水動態(tài)監(jiān)測技術(shù)包括井間示蹤劑分析微裂縫技術(shù)和注水開發(fā)分析微裂縫。井間示蹤劑法近年來獲得迅速的發(fā)展，并成為公認的重要的油藏工程手段。它是把(放射性)示蹤劑注入到注水井內(nèi)，隨后在周圍生產(chǎn)井中監(jiān)測取樣，確定示蹤劑的產(chǎn)出情況，以判斷裂縫方位和斷層的封閉性。注水開發(fā)分析微裂縫是通過對重點勘探區(qū)內(nèi)的注水井組的生產(chǎn)動態(tài)資料統(tǒng)計分析，分析各個方向上的生產(chǎn)井(不同層位)的見油情況以及產(chǎn)量和含水率的變化規(guī)律，從而判定裂縫的發(fā)育方向。

2.1 微裂縫研究的不足

認識儲層微裂縫的空間展布，目前從技術(shù)上還缺乏有效且成本較低的手段。一些新技術(shù)，如鉆井階段或測井階段的的井壁成象技術(shù)、多通道測井?dāng)?shù)據(jù)反演技術(shù)等等，正處于探索階段，還有一定的局限性，不僅成本高，且效果不十分明顯，在低滲—特低滲油田的勘探開發(fā)中應(yīng)用較少。

2.2 微裂縫研究的重點

裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測、發(fā)育區(qū)特征以及導(dǎo)致裂縫發(fā)育的原因。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、巖心資料、測井資料和重復(fù)壓裂的壓差，可以初步判斷研究區(qū)裂縫發(fā)育的層位和深度。儲層裂縫的特征及其發(fā)育程度(包括延伸長度、切層深度、張開度、密度、充填情況等)可以通過鉆井巖心直接觀測到并以露頭資料為補充。但是，無定向巖心無法確定裂縫的產(chǎn)狀。因此鉆井巖心原始方位恢復(fù)(重新定向)是研究儲層裂縫發(fā)育與空間分布特征的前提和關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 鉆井巖心原始方位恢復(fù)方法對比

鉆井巖心原始方位恢復(fù)研究現(xiàn)狀:目前確定鉆井巖心原始方位的主要技術(shù)與方法為以下四種［3］:

1)“攝影工具”:它采用一架安放在取心頭上的特殊照像機，一臺與刻劃針相關(guān)聯(lián)的羅盤，該刻劃針要在當(dāng)巖芯進入鉆管時在其上劃出一條參考線。

優(yōu)點:這是一種最直接的方法。

缺點:要求使用一種非常昂貴的非磁性鉆頭和鉆管。

普遍問題是巖心在被刻劃線之前，可能已經(jīng)被擰斷而隨鉆頭的旋轉(zhuǎn)改變了方向，因此，所該劃的線的方向可能在很多場合是錯誤的或是不很肯定的?？傊浅杀靖?，精度低，不建議采用。

2)傾角儀:利用電子傾角儀測定自然地層傾角和傾向。

該方法的最大問題是當(dāng)傾角儀在灌滿泥漿的鉆孔中工作時，往往會產(chǎn)生不可靠的結(jié)果，易受干擾，精度低，不建議采用。

3)鉆孔成象技術(shù):這套系統(tǒng)是利用電子或聲納設(shè)備，攝取鉆孔壁的特征，如裂隙或?qū)永砻娴取＿@種影象可以由安裝在攝象工具中的陀螺儀或磁羅盤定向。通過與在巖芯上觀測到的相位特征對比，可幫助巖芯重定向。

問題是這種技術(shù)要求專門的技術(shù)人員和昂貴的井中儀器，而且還要依賴于對鉆井巖芯與井壁成象特征的正確標(biāo)識與對比解釋，可操作性差，適應(yīng)性差，成本高，具有多解性和主觀性(在實際中很少有鉆井進行成像測井)。

4)古地磁技術(shù)

古地磁方法恢復(fù)鉆井巖心原始方位的原理:在統(tǒng)計意義上，巖心的粘滯剩磁分量(LTC)在地理坐標(biāo)系中與在現(xiàn)代地磁場中的方向近似相同;巖心的原生剩磁分量(HTC)方向與露頭同時代地層的原生剩磁分量方向近似相同［4］。

在實際工作中，運用磁清洗技術(shù)分離原生剩磁非常費時，判定其原生性也十分困難，所以大多數(shù)情況下運用低矯頑力的黏滯剩磁(VRM)進行巖心定向。VRM是巖石或沉積物在當(dāng)前或最近地磁場的長期作用下，因顆粒發(fā)生磁性馳豫而獲得的剩磁組分，較大的多疇顆粒的馳豫時間較短，因而較易獲得黏滯剩磁。沉積巖樣品的天然剩磁(NRM)中都含有黏滯剩磁成分，VRM記錄的是現(xiàn)代地磁場方向，只要準(zhǔn)確測定出巖心VRM的磁化方向，就能得到巖心相對于現(xiàn)代地磁極的方位，進而得到巖心的原始方位。

通過比較可知，古地磁具有以下優(yōu)點:

(1)針對性強——其測量是直接針對巖芯本身，因此，避免了攝象儀法中由旋轉(zhuǎn)的巖芯段產(chǎn)生的誤差。

(2)適應(yīng)性強 ——可以對各種取芯井進行操作，同時也不要求鉆井必須是傾斜的或必須能觀察到明顯的自然地層傾角，或者在傾角儀法中必須有精確的傾角儀觀測結(jié)果等等。

(3)成本低——與其他的方法相比較，儀器操作簡單，價格便宜。

(4)應(yīng)用廣——目前鉆井巖心原始方位恢復(fù)最實用的主要方法。

3 古地磁巖心定向技術(shù)

3.1 古地磁研究流程

通過搜集各種資料和相關(guān)文獻以及對古地磁方法的研究，總結(jié)歸納出了古地磁恢復(fù)巖心方位的流程圖，如圖1所示。

圖1 古地磁研究流程

在實際工作中，運用磁清洗技術(shù)分離原生剩磁非常費時，判定其原生性也十分困難，所以大多數(shù)情況下運用低矯頑力的黏滯剩磁(VRM)進行巖心定向。VRM是巖石或沉積物在當(dāng)前或最近地磁場的長期作用下，因顆粒發(fā)生磁性馳豫而獲得的剩磁組分，較大的多疇顆粒的馳豫時間較短，因而較易獲得黏滯剩磁。沉積巖樣品的天然剩磁(NRM)中都含有黏滯剩磁成分，VRM記錄的是現(xiàn)代地磁場方向，只要準(zhǔn)確測定出巖心VRM的磁化方向，就能得到巖心相對于現(xiàn)代地磁極的方位，進而得到巖心的原始方位。依據(jù)上述原理，應(yīng)用古地磁法進行巖心重定向可分為以下3步，即樣品加工、古地磁測試和原始方位恢復(fù)。

3.2 樣品加工

對一塊巖心樣品，首先將巖心直立，劃一條主參照線，然后以巖心柱面上參照線的頂部為端點，在巖心橫截面上劃上統(tǒng)一標(biāo)志線，建立樣品坐標(biāo)系，最后根據(jù)巖心的完整程度，鉆取若干塊直徑和高度均為2.5 cm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)古地磁樣品，并準(zhǔn)確標(biāo)好每塊樣品的相對位置及標(biāo)志線方向。

圖2 樣品加工示意圖

3.3 古地磁測試

通常，VRM是穩(wěn)定性較差的軟磁成分，使用熱退磁技術(shù)在0℃～250℃的低溫段即可退去，在0～20 mT使用交變退磁技術(shù)即可分離出。在實際工作中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)加熱導(dǎo)致磁性礦物相變因而使剩磁強度異常變化的現(xiàn)象，造成低溫段磁化矢量端點不規(guī)則變化，顯著影響到準(zhǔn)確計算VRM平均方向［5］。使用交變退磁技術(shù)可有效地避免這種現(xiàn)象發(fā)生，VRM分離完整，測試速度快所以，在古地磁測試時，選用交變退磁技術(shù)比較合適，退磁間隔以2～3 mT為宜。

3.4 原始方位恢復(fù)

將上面準(zhǔn)備好的巖樣進行交變退磁處理，便可得到巖樣的磁偏角、磁傾角和總磁強度。如表1是某油田巖芯定向的交變退磁的典型測試結(jié)果。

表1 巖芯定向的交變退磁測試的典型結(jié)果

如果己知樣品產(chǎn)地的緯度和經(jīng)度平均磁偏角D，磁傾角Ⅰ，那么虛地磁極(VGP)的位置即地理緯度和經(jīng)度由下列方程組決定:

3.5 定向巖心

經(jīng)過上面三個步驟就可以完成定向巖心方位恢復(fù)了，為了驗證古地磁方法的準(zhǔn)確性可以通過野外定向標(biāo)本的鏡下觀察，即通過對定向標(biāo)本進行三維切片(見下圖3)，對定向薄片進行鏡下觀察(重點把握微裂縫發(fā)育特征和空間分布與巖心坐標(biāo)系的關(guān)系)，用鏡下觀察的結(jié)果對其驗證即可。

圖3 定向標(biāo)本三維切片圖

總之，研究儲層微裂縫最直接的方法為巖心描述;恢復(fù)巖心原始方位的技術(shù)有多種，根據(jù)實際野外定向標(biāo)本的鏡下觀察，用古地磁方法有較高的準(zhǔn)確性，也是最便捷的方法。以恢復(fù)巖心原始方位為主線，巖心描述技術(shù)為核心，綜合各種技術(shù)來研究微裂縫的發(fā)育與空間分布，把握微裂縫發(fā)育特征和空間分布與巖心坐標(biāo)系的關(guān)系，以便弄清儲層微裂縫在地下的展布情況。

4 結(jié)語

1)將用肉眼觀察不到必須借助顯微鏡且裂縫寬度在10 μm以下的裂縫稱作微裂縫，其根據(jù)成因可分為構(gòu)造微裂縫、成巖微裂縫和顆粒微裂縫，根據(jù)形態(tài)可分為開啟微裂縫、完全充填微裂縫和不完全充填微裂縫，根據(jù)微裂縫對滲流的有效性可分為有效縫和無效縫。

2)傳統(tǒng)的識別微裂縫方法有測井技術(shù)、微地震技術(shù)、巖心描述技術(shù)等，但由于受技術(shù)及成本等原因的限制對認識儲層微裂縫的空間展布有一定的局限性，用恢復(fù)巖心原始方向來認識微裂縫是最直接最有效的方法，將恢復(fù)巖心原始方位四種方法作對比，得出最優(yōu)的方法即古地磁方法。

3)通過樣品加工、古地磁測試以及原始方位恢復(fù)三步算出巖心的原始方位，最后用鏡下定向巖心的方法對所得結(jié)果進行驗證，發(fā)現(xiàn)古地磁方法恢復(fù)巖心原始方位具有較高的準(zhǔn)確性。

［1］張國輝，任曉娟，張寧生，微裂縫對低滲儲層水驅(qū)油滲流規(guī)律的影響［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2007，22(5);44-47.

［2］王瑞飛，陳明強，孫衛(wèi)，特低滲透砂巖儲層微裂縫特征及微裂縫參數(shù)的定量研究［J］.礦物學(xué)報.2008，28(2);215-220.

［3］E.A.Hailwood等，古地磁巖芯重定向與油氣藏砂巖的磁性組構(gòu)分析［J］.石油物探.1994，12(6);35-45.

［4］李學(xué)森，熊國錦，鉆井巖心重定向的古地磁方法及其可靠性［J］.石油勘探與開發(fā).2006，33(5);581-585.

［5］董平川，利用巖芯古地磁定向研究油藏水平主應(yīng)力方向［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2004 ，23(14);2480-2483.