裂缝地质模型

1、传统裂缝建模方法面临的困难

1)在裂缝形油藏中，地下流体主要是在裂缝及其交织成的裂缝网络中进行。地下裂缝系统就像一个复杂的城市供水管道系统，它远比连续介质的模型描述更加复杂。通过示踪剂测试结果可以证明，有些非常邻近的井没有受到影响，而一些远距离的生产井反倒见到了示踪剂响应。

因此如果用连续介质描述裂缝系统很难描述清楚裂缝网络的非均质性和不连续性。

2)目前油藏数值模拟中广泛采用的糖块型模型是对真实地层的一种高度简化。这种简化必然导致对许多真实细节描述的丧失。

3)传统的裂缝描述多采用网块系统，这样只能描述网块之间是连通或者不连通，而不能描述清楚一个网格内的联通问题，也不能描述网块间部分连通的问题。

2、实现方法

影响裂缝发育的地质因素很多，各种因素互相作用，使裂缝分布难以预测。一般从三个角度来进行，一是针对构造应力场和曲率，二是用统计地质学预测井间裂缝分布，三是充分利用地震资料预测裂缝的空间分布。

随着现代应用数学方法及地震分析技术的提高，裂缝性油藏的三维地质建模方法也日趋增多，并不断地相互补充和完善。

在裂缝片的空间分布方式上，通常每一个裂缝片即是随机定位的，同时也要满足一定的集群特征。

3、实现步骤

在DFN裂缝建模的过程中，通常有以下步骤：

(1)大裂缝建模。通常这些都是些有地震等资料确定的大的断层和裂缝，它们的位置和形态基本上都是确定的，不需要随机生成。

(2)中等裂缝和小裂缝建模。这些裂缝形成了储层裂缝网络的主体部分，通常我们用地质统计的方法随机生成裂缝系统，并使之满足各种统计条件。

(3)加入地层顶底界面对上述裂缝片进行切割，同时加入基质系统，通过粗化及属性运算，生成最终的裂缝地层模型。

从Petrel 2007.1 版本开始，Schlumberger与Golder公司联手，共同为油藏裂缝建模打造工作流程。

由于裂缝分布的细微性和复杂性、裂缝性储层特有的双孔隙系统及其不同常规的渗流机制，都加大了裂缝研究的难度和深度。

目前，裂缝描述的软件产品主要有: Petrel的裂缝模块 、RMS的裂缝模块、Fraca、Fracman等。

通过软件的裂缝建模应用，认为Petrel软件在裂缝建模方面的优势主要体现在以下几点：

（1）Petrel软件的裂缝建模具有多学科多资料协同的优势，能够充分把地震、测井、地质、钻井、生产等资料充分结合进来，从多个角度认识裂缝，可以考虑多条件约束建立裂缝模型，建立的裂缝模型相对合理。

（2）Petrel软件的裂缝建模与常规的三维地质建模实现了无缝连接，可以将常规建模的优势与裂缝建模充分结合起来，实现了常规建模与裂缝建模的一体化操作。

（3）在Petrel软件的裂缝建模采用了国际上先进的DFN裂缝建模方式，以离散性数据形式来描述裂缝，并建立 “离散裂缝模型”，软件允许对裂缝属性进行计算，保证了模型精度。

（4）Petrel软件裂缝建模不仅能提供裂缝分布模型，还能通过裂缝粗化模块，为用户提供真正关心的裂缝孔隙度、渗透率模型。与ECLIPSE数模软件结合，实现双重介质油藏的建模、数模工作。

裂缝的长度从几厘米到数公里贯穿了很大的跨度区间，通常我们容易在岩心描述数据中获得厘米级的裂缝数据，在地震断层数据中获得公里级的裂缝数据，在露头数据中获得米级、十米级的裂缝数据。裂缝的识别和描述难度相对较大。对于裂缝的描述，各类资料是存在着很大的差异性的，一般来说，裂缝按照发育的级别分为三类，即大裂缝、中等裂缝和微小裂缝，大的裂缝一般通过地震等资料来认识，而其它的则通过井数据等方式获得。

微小裂缝及中等裂缝的认识和描述

（1）利用岩心资料描述储层，裂缝技术岩心裂缝是观察地下储层裂缝最直接的手段。

（2）利用成像测井资料描述储层裂缝，利用成像资料达到识别裂缝的目的。

（3）常规曲线裂缝解释，通过常规测井曲线响应以及与已知裂缝对比，用常规曲线来描述裂缝。

（4）地应力，进行地应力分析，通过描述最大主应力和最小主应力方向，来认识裂缝发育。应该说，成像测井和岩心观察是对裂缝解释最准确的方法。

理论研究和实际观测结果表明，断层和裂缝的形成机理是一致的。断层的形成可分为三个阶段：

第一个阶段是大量的微裂缝形成；

第二个阶段是由于微裂缝的形成而使岩石的坚固性下降，导致应力集中，许多微裂缝合并而成为大裂缝；

第三个阶段是大裂缝形成断层。

断层实际上是裂缝的宏观表现，裂缝是断层形成的雏形。

一般来说，在业已存在的断层附近，总有裂缝与其伴生，两者发育的应力场是一致的。

由于地震资料含有丰富的构造信息，因此，地震在裂缝描述中具有非常明显的作用，特别是对大裂缝及中等裂缝的描述。 在Petrel软件中，是通过蚂蚁追踪技术来实现的。

蚂蚁追踪技术是斯伦贝谢推出的断裂系统自动分析、识别系统。该系统的原理是：在地震数据体中播撒大量的蚂蚁，在地震属性体中发现满足预设断裂条件的断裂痕迹的蚂蚁将“释放”某种信号，召集其他区域的蚂蚁集中在该断裂处对其进行追踪，直到完成该断裂的追踪和识别。而其他不满足断裂条件的断裂痕迹将不进行标注。最后，通过该技术，我们将获得一个低噪音、具有清晰断裂痕迹的数据体。

然后，以获得的断裂数据体为基础，Petrel将提取数据体中的所有断裂痕迹，并且去除大的断层，只考虑裂缝系统，完成工区内大的裂缝描述及建模工作。

1、蚂蚁体追踪技术工作流程

第一步骤是要求地震在信号领域压制噪声以达到其基本条件。

第二步是在地震数据上强化空间不连续性判别（断层属性提取，边界探测）。

第三步骤通过压制噪声和剔除非断层因素波动算法生成的蚂蚁追踪体更进一步明显突出断层特征。

2、离散裂缝网络模型（DFN）

DFN模型是目前世界上描述裂缝的一项先进技术，它通过展布于三维空间中的各类裂缝片组成的裂缝网络集团来构建整体的裂缝模型，实现了对裂缝系统从几何形态直到其渗流行为的逼真细致的有效描述。

3、DFN的由来

关于裂缝建模，许多研究者作出了探索性的研究。1970年代，Hudson等人分别开发了裂缝几何的地质统计模型。到1980年代，由于Bill 、Peter 等人的出色工作，离散裂缝网络(DFN)模型正式出现并广泛传播。

裂缝性油藏的裂缝描述和建模是一个世界性的难题，DFN模型的出现应该是裂缝建模领域的一个重大的里程碑事件，它对这个难题给出了一个较为适合的解决方案。这些方法首先是用于评估地下裂隙对核废料处理的影响，由此发展了一大批的算法并形成软件。到1990年代，这些方法开始在石油领域获得应用并取得了良好的效果。

离散裂缝网络模型使得把地球物理、地质、油藏工程等多方面的的数据整合在一起形成对裂缝的系统描述成为可能。

由岩心、测井或地震资料得到的裂缝各项表征参数往往只能反映部分井的局部层段裂缝发育特征，而无法回答区域性裂缝的发育及展布规律。

裂缝地质建模实际上是表征储层裂缝结构及其参数的定向分布和变化特征，建模的核心问题为井间预测，在原定资料前提下，提高裂缝模型精细度的主要方法即是提高井间预测精度。井间预测有两种途径，即确定性建模和随机建模。确定性建模对井间未知区给出定性的预测结果，即试图从已知确定性资料的控制点如井点出发，推测出控制点间确定的唯一的真实的储层参数；而随机建模则是对井间未知区应用随机模拟方法得出多种可能的等概率的预测结果。

此次建模我们选择确定性建模方法，也即选择插值法进行建模。

井间插值方法很多，大致可分为传统的统计学插值方法和地质统计学估值方法（主要是克里金方法）。由于传统的数理统计学插值方法（如反距离平方法）只考虑观测点与待估点之间的距离，而不考虑地质规律所造成的储层参数在空间上的相关性，因此插值精度很低，实际上，这种插值方法不适用于地质建模。为了提高对储层参数的估值精度，人们广泛应用克里金方法来进行井间插值。

克里金方法是地质统计学的核心，它是随着采矿业的发展而产生的一门新兴的应用数学的分支。克里金方法主要是应用变异函数和协方差函数来研究在空间上既有随机性又有相关性的变量即区域化变量。在本文研究方面，从岩心、测井资料中获取的裂缝参数如宽度、间距、长度等均为区域化变量。

克里金法估值，是根据待估点周围的若干已知信息，运用变异函数特有的性质，对待估点的未知值做出最优（即估计方差最小）、无偏（即估计值的均值与观测值的均值相同）的估计。

通过地质资料得到裂缝的部分表征参数（包括密度、间距、宽度、倾角等），采用构造主曲率法预测裂缝的方位及分布情况，在此基础上计算出裂缝孔隙度和渗透率参数场。运用克里金插值、多元统计回归，得到不同岩性和深度的裂缝描述参数。将这些参数等都绘制成定量化曲线，用定量的连续参数场表现离散的裂缝对油气藏开发的影响程度，并与每口取心井的岩心和测井剖面综合在一起，便建立起裂缝综合剖面模型。在该剖面模型上，像一般研究地层那样划分、对比裂缝段，分出裂缝发育级别等，可最终建立裂缝地质模型。 2100433B

储层地质模型应能满足油田不同开发阶段的需要，能反映储层中的孔隙度、渗透率、流体特征和动态特征，同时还能满足不同层次、不同规模地质体预测的需要。它实质上是储层特征在三维空间上的静态和动态特征的综合反映。不同学者研究地质体的层次不同，以及研究储层目标参数的着重点不同，也就有不同的储层地质模型的分类。在各种分类方法中，按开发阶段的任务及模型建立精度进行划分为宜。不同油田开发阶段，所进行的工作量不同，对油藏所取得的资料信息和认识程度存在着差异，所要解决的开发任务也就有所不同，总是随着油藏开采程度的提高，由浅入深逐步向前推进。不同开发阶段所要求建立的储层地质模型也就有相应的不同。

总的来说，随着油田开发阶段的推移，油藏开采程度的提高，对储层地质模型的要求也是由简到细，由粗到精。裘怿楠(1991)将储层地质模型分为概念模型、静态模型和预测模型三大类，是地质模型分类的典型代表。

储层地质模型概念模型

针对某一种沉积类型或成因类型的储层，把它代表性的储层特征(非均质性、连续性等)抽象出来，加以典型化和概念化，建立一个对这类储层在研究地区(油田)内具有普遍代表意义的储层地质模型，称为概念模型。概念模型并不是一个或一套具体储层的地质模型，但它却是代表某一地区(油田)某一类储层的基本面貌。

概念模型广泛应用于一个油田的开发早期。从油田发现开始，到油田评价阶段和开发设计阶段，主要应用储层概念模型研究各种开发战略问题。在这个阶段，油田仅有少数大井距的探井和评价井，受资料条件的限制，不可能对储层做出全油藏的详细描述，只能依据少量的信息，借鉴理论上的沉积模式、成岩模式和邻区同类沉积储层的原型模型，建立起研究区储层概念模型。这种概念模型对开发战略的确定是至关重要的，可以避免战略上的失误，如在井网部署上，对席状砂体可采用大井距，河道砂体则需小井距，块状底水油藏则采用水平井效果较好。

概念模型一般应依靠储层沉积学为基本依据，尽可能直接利用岩心资料来建立，避免依赖测井解释等间接资料，因为在油藏早期评价阶段，测井定量解释精度尚不够高。概念模型在开发可行性和开发设计研究阶段是非常重要的，通过油藏数值模拟可以进行各项开发战略的指导性的决策研究。如投入开发的技术经济性、优选开发方式和层系井网、估计各阶段采收率、预见开采过程中可能出现的主要问题，以及投入开发前必须正确决策的战略问题，等等，都可以通过概念模型研究。

储层地质模型静态模型

针对某一具体油田(或开发区)一个(或一套)储层，将其储层特征在三维空问的变化和分布如实地加以描述而建立的地质模型，称为该储层的静态模型。对储层进行全油藏的如实描述，一般需要较密的井网，即开发井网钻成以后才有条件进行。静态模型主要为油田开发方案实施(即注采井别的确定，射孔方案实施等)、日常油田开发动态分析、作业施工、配产配注方案和局部调整服务。

20世纪60年代以来，我国各油田投入开发以后都建立了这样的静态模型，但大多数是手工编制的，如各种小层平面图、油层剖面图和栅状图。个别油田还做出实体模型以更直观地显现储层。这些储层静态模型在我国注水油田开发实践中起到了必不可少的作用。

20世纪80年代以来，国外用计算机技术，逐步发展出一种依靠计算机存储和显示的三维静态模型，即把储层网块化后，用各网块参数按三维空间分布位置建立三维数据体。这样就可以进行储层的三维显示，可以任意切片和切剖面，显示不同层位不同剖面的储层模型，以及进行其他各种运算和分析，更重要的是可以直接与数值模拟连接。静态模型只是把多井井网所揭示的储层面貌描述出来，不追求井问参数的内插精度及外推预测。静态模型在我国注水开发实践中得到广泛应用，从采油井的日常管理到油田的大小调整措施，都是必不可少的地质基础。

储层地质模型预测模型

预测模型的提出是油田开发深入发展的结果。与静态模型相比，预测模型除了强调对多井单井的描述外，更重视对井问储层的预测，且所建立的储层模型要比静态模型精度更高。预测模型是对控制点间及以外地区的储层参数能预测性地做一定精度的内插或外推，要求井网信息更丰富，以便获得更可靠的储层分布规律，提供更可靠的预测参数。预测模型对于剩余油挖潜意义重大。油藏经注水开发之后，地下仍存在大量剩余油，需要进行开发调整、井网加密或进行三次采油，因而需要建立精度很高的储层模型和剩余油分布模型。三次采油技术在近20年虽然获得迅速的发展，但除热采重油外，其他技术均达不到普遍性工业应用的水平，其中一个重要原因是储层模型精度满足不了建立高精度剩余油分布模型的需求。由于储层参数的分布对剩余油分布的敏感性极强，这样储层特征及其细微的变化对三次采油注入剂及驱油效率的敏感性远大于对注水效率的敏感性，因此要求储层模型具有更高的精度。为了适应注水开发中后期及三次采油对剩余油开采的需求，要在开发井网条件下(一般百米级条件下)将井问数十米级甚至数米级规模的储层参数的变化及其绝对值预测出来，即建立储层精细预测模型或精细油藏地质模型。

1．龟状裂缝：龟状裂缝多出现在土坝表面，分布较均匀，缝细而短，对堤坝危害较小。龟状裂缝产生的原因，主要是粘性土水分蒸发，表面土体收缩，故又称干缩裂缝。填筑土料粘性愈大、含水量愈高，干裂的可能性愈大。

2．横向裂缝：横向裂缝的走向与堤坝轴线垂直或斜交,常出现在堤坝顶部并伸入堤坝内一定深度，严重的可发展到堤坝坡，甚至贯通上下游造成集中渗漏，直接危及堤坝的安全。产生横向裂缝的原因，主要是相邻堤坝段坝基产生较大的不均匀沉陷，常发生于堤坝合拢段，堤坝体与交界部位施工分缝交界段以及坝基压缩变形大的坝段等。

3．纵向裂缝：纵向裂缝的走向与堤坝轴线平行或接近平行，多出现在堤坝顶部或堤坝坡上部，裂缝逐渐向坝体内部垂直延伸。它一般比横向裂缝长，若不及时处理，雨水入侵后会造成大坝脱坡险情。纵向裂缝产生原因：一种因分期加高，压实质量和填筑材料不同；用贴坡培厚法处理背水坡渗水时，贴坡砂层未灌水也不压实，致使蓄水后砂层浸水下沉，培土表面发生纵向裂缝；另一种因施工碾压不实，施工质量不好，筑坝土料含水量过高；初次蓄水，或汛期水位骤降导致堤坝坡失稳，产生脱坡初期的纵向裂缝。

4．内部裂缝：产生内部裂缝的原因和可能出现的部位有：如在狭窄山谷压缩性大的地基上修建土坝，在坝体沉降过程中，上部坝体重量通过剪力和拱的作用，被传递到两端山体和基岩中去，而坝体下部沉陷，有可能使坝体在某一平面上被拉开，形成水平裂缝；此外，堤坝坝基或堤坝与建筑物接触处因产生不均匀的沉陷而产生内部裂缝等。