本發(fā)明涉及裂縫性油氣藏中天然裂縫定量表征與評價相關技術領域，具體涉及一種不受樣品尺寸限制的天然裂縫發(fā)育強度表征方法。

背景技術：

裂縫是控制地下流體流動的主要因素。地下裂縫的規(guī)模（如高度、延伸長度和間距等）往往要比鉆井的井眼大得多，對于給定的目的層，鉆遇這些天然裂縫的概率是很低的，即使鉆遇了部分天然裂縫，也不能采集到全部的參數(shù)，要想獲得完整的地下裂縫發(fā)育特征是極其困難的，因此，取樣問題是造成地下天然裂縫發(fā)育特征研究最根本的挑戰(zhàn)。

為了克服取樣問題帶來的困難，前人提出了用微觀裂縫來替代宏觀裂縫的方法，如利用微觀裂縫的方位來替代宏觀裂縫的方位，利用微觀裂縫密度來預測宏觀裂縫的密度，但是在很多情況下，微觀裂縫和宏觀裂縫的方位具有很大的差異性。此外，還有人提出了根據(jù)地表露頭建立的巖石力學層厚度和裂縫間距之間的關系來預測地下裂縫發(fā)育程度，但是對于地下巖石力學層厚度的測量也是沒有可靠的方法。上述方法還有一個共同的缺點，那就是沒有考慮裂縫的尺寸問題。眾所周知，發(fā)育在地下的天然裂縫系統(tǒng)的規(guī)模（如長度、開度等）分布在很寬的范圍內，其差異可達5個數(shù)量級，隨著裂縫規(guī)模的變大，裂縫的數(shù)量通常會減小，也就是說，不同規(guī)模的天然裂縫具有不同的發(fā)育強度。而上述裂縫測量方法則沒有考慮裂縫規(guī)模的問題，因此造成不同樣品上獲得的裂縫發(fā)育強度不具有對比性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種不受樣品尺寸限制的天然裂縫發(fā)育強度表征方法，這種不受樣品尺寸限制的天然裂縫發(fā)育強度表征方法用于解決現(xiàn)有的裂縫測量方法則沒有考慮裂縫規(guī)模的問題。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：這種不受樣品尺寸限制的天然裂縫發(fā)育強度表征方法包括如下步驟：

a. 天然裂縫數(shù)據(jù)的采集：沿線性測線進行天然裂縫相關參數(shù)的采集，即記錄與測線相交的每一條天然裂縫的參數(shù)，天然裂縫的參數(shù)包括天然裂縫的產狀、形態(tài)、切割關系、充填性、充填礦物、巖石力學層厚度；

b. 天然裂縫組系的劃分：利用步驟a中獲得的各項天然裂縫的參數(shù)，通過包括天然裂縫的形態(tài)、產狀、切割關系在內的天然裂縫的參數(shù)確定裂縫的組系，分組系進行天然裂縫發(fā)育強度和平均間距的測量；

c. 裂縫開度和裂縫間距的測量：分別從宏觀尺度、細觀尺度、微觀尺度對裂縫參數(shù)進行表征，其中，裂縫開度是指同一條裂縫兩個裂縫壁之間的垂直距離，裂縫間距是指兩條相鄰裂縫之間的垂直距離；

d. 不同尺度下裂縫發(fā)育強度和裂縫平均間距計算：利用步驟c中測量得到的裂縫開度和裂縫間距數(shù)據(jù)完成不同尺度下裂縫發(fā)育強度和平均裂縫間距的測量，其中裂縫發(fā)育強度等于測線上裂縫總數(shù)量與測線總長度的比值，平均裂縫間距是所測量的所有裂縫間距的算數(shù)平均值，平均裂縫間距是裂縫發(fā)育強度的倒數(shù)；

e. 裂縫發(fā)育強度的標準化：利用步驟c中獲得的裂縫開度數(shù)據(jù)，對裂縫發(fā)育強度進行標準化，包括如下步驟：

1）列出步驟c中測量到的所有裂縫開度數(shù)據(jù)，并從大到小排列；

2）給排好序的裂縫開度進行編號，最大的編號為1，隨著裂縫開度的逐漸變小，獲得的編號就越大，開度最小的裂縫獲得最大的編號，這樣就會形成一個裂縫累積頻數(shù)表；

3）由于所測量的裂縫可能會具有相同的開度，因此，同一開度值對應若干個編號，這時需要刪除部分具有相同開度的數(shù)據(jù)來簡化裂縫累積頻數(shù)表，保留具有最大頻數(shù)的那組數(shù)據(jù)即可；

4）標準化裂縫累積頻數(shù)：將步驟3）中獲得編號除以測線長度，代表單位長度測線上所觀察到的開度達到某一特定數(shù)值的累積裂縫數(shù)量，即該裂縫開度下的裂縫發(fā)育強度；

5）繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖：在雙對數(shù)坐標下，以裂縫開度為橫坐標，以標準化后裂縫累積頻數(shù)為縱坐標，繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖；

f. 標準裂縫發(fā)育強度的計算：根據(jù)步驟e中繪制的裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖，利用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合出冪律分布公式，根據(jù)該公式，計算任意尺度下裂縫的發(fā)育強度；

式中，N_B為單位測線長度上開度大于B的裂縫的數(shù)量；B為裂縫開度；a、c為分別為系數(shù)和指數(shù)，通過擬合得到；

g. 不同層位、不同地區(qū)裂縫發(fā)育強度的對比：利用步驟a-f提供的標準裂縫發(fā)育強度計算公式，對不同層位、不同地區(qū)的裂縫發(fā)育強度進行標準化，選擇相同的裂縫開度，計算裂縫發(fā)育強度，進行裂縫發(fā)育程度對比。

上述方案步驟a中，對于宏觀尺度的裂縫，直接用肉眼和直尺對裂縫開度和裂縫間距進行測量；對于細觀尺度的裂縫，借助放大鏡和比測儀對裂縫開度和裂縫間距進行測量；對于微觀尺度的裂縫，借助顯微鏡對裂縫開度和裂縫間距進行測量。

上述方案中比測儀是一種用于測量細觀尺度的裂縫的儀器，它包含有多條寬度逐漸增加的線，其中線寬度最窄的0.05mm，線寬度最寬的5mm，每條線寬度的增量具有相同的倍數(shù)，這樣可以保證在雙對數(shù)坐標中數(shù)據(jù)的均勻性。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明不僅可以準確計算每組裂縫的發(fā)育強度，更關鍵的是通過對裂縫發(fā)育強度的標準化，使得不同地區(qū)、不同層位、不同尺度下獲得的裂縫發(fā)育強度具有可對比性，并且也解決了獲取地下大尺度樣品困難的問題。

2、本發(fā)明通過天然裂縫數(shù)據(jù)的采集、裂縫組系的確定、裂縫開度和裂縫間距的測量、裂縫發(fā)育強度的標準化、標準裂縫發(fā)育強度的計算等步驟，實現(xiàn)從不同地區(qū)、不同層位、不同尺度樣品上獲得裂縫發(fā)育強度的標準化（圖1），并實現(xiàn)不同尺度裂縫發(fā)育強度的對比。本發(fā)明經(jīng)過保密性實驗，在實際天然裂縫發(fā)育強度和平均間距測量和對比中進行秘密應用和印證，證實該方法切實可行。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中不同尺度下裂縫強度計算方法示意圖；

圖2為本發(fā)明中用到的裂縫開度比測儀；

圖3為本發(fā)明案例中用來進行裂縫開度和間距測量的裂縫發(fā)育情況

圖4為本發(fā)明案例中不同尺度下觀測到的裂縫分布示意圖；

圖5為本發(fā)明案例中露頭區(qū)天然裂縫發(fā)育強度計算示意圖；

圖6為本發(fā)明案例中相鄰油田地下天然裂縫發(fā)育強度計算示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明：

這種不受樣品尺寸限制的天然裂縫發(fā)育強度表征方法包括如下步驟：

a. 天然裂縫數(shù)據(jù)的采集：沿線性測線進行天然裂縫相關參數(shù)的采集，即記錄與測線相交的每一條天然裂縫的相關參數(shù)，主要包括天然裂縫的產狀、形態(tài)、切割關系、充填性、充填礦物以及巖石力學層厚度等；

b. 裂縫組系的劃分：利用步驟a中獲得的各項天然裂縫的參數(shù)，通過天然裂縫的形態(tài)、產狀和切割關系等確定裂縫的組系，對于裂縫組系的劃分，通常僅僅用裂縫的走向來進行區(qū)分，其實，裂縫的形成時期也是劃分裂縫組系的重要依據(jù)，本發(fā)明中裂縫組系的劃分參考了裂縫的形成時期，裂縫的形成時期主要是通過裂縫切割關系來確定的，早期形成的裂縫會被晚期形成的裂縫切割，而晚期形成的裂縫會終止于早期裂縫；

c. 裂縫開度和裂縫間距的測量：根據(jù)步驟b中裂縫組系的劃分，分組系進行天然裂縫開度和間距的測量，分別從不同尺度（宏觀、細觀和微觀尺度）對裂縫參數(shù)進行表征，對于宏觀尺度裂縫，直接用肉眼和直尺即可對裂縫開度和裂縫間距進行測量；對于細觀尺度的裂縫，需要借助放大鏡和比測儀（圖2）對裂縫開度和裂縫間距進行測量；對于微觀裂縫，需要借助顯微鏡對裂縫開度和裂縫間距進行測量；其中，裂縫開度是指同一條裂縫兩個裂縫壁之間的垂直距離，裂縫間距是指兩條相鄰裂縫之間的垂直距離。比測儀是一種用于測量細觀尺度的裂縫的儀器，它包含有多條寬度逐漸增加的線，其中線寬度最窄的0.05mm，線寬度最寬的5mm，每條線寬度的增量具有相同的倍數(shù)，這樣可以保證在雙對數(shù)坐標中數(shù)據(jù)的均勻性。

d. 裂縫發(fā)育強度和裂縫平均間距計算：利用步驟c中測量得到的不同尺度下的裂縫開度和裂縫間距數(shù)據(jù)即可完成裂縫發(fā)育強度和平均裂縫間距的測量，其中裂縫發(fā)育強度（F）等于測線上裂縫總數(shù)量（N）與測線總長度（L）的比值（式1），平均裂縫間距（S）是所測量的所有裂縫間距的算數(shù)平均值（式2），它是裂縫發(fā)育強度的倒數(shù)（式2）；

（式1）

式中，F(xiàn)為裂縫發(fā)育強度；N為測線上裂縫總數(shù)量；L為測線總長度。

（式2）

式中，S為裂縫平均間距；S_i為第i條裂縫與第i+1條裂縫之間的間距；F為裂縫發(fā)育強度；N為測線上裂縫總數(shù)量；L為測線總長度。

e. 裂縫發(fā)育強度的標準化：利用步驟c中獲得的裂縫開度數(shù)據(jù)，對裂縫發(fā)育強度進行標準化，主要步驟如下：

（1）列出步驟c中測量到的所有裂縫開度數(shù)據(jù)，并從大到小排列；

（2）給排好序的裂縫開度進行編號，最大的編號為1，隨著裂縫開度的逐漸變小，獲得的編號就越大，開度最小的裂縫獲得最大的編號，這樣就會形成一個裂縫累積頻數(shù)表；

（3）由于所測量的裂縫可能會具有相同的開度，因此，同一開度值可能會對應若干個編號，這時需要刪除部分具有相同開度的數(shù)據(jù)來簡化裂縫累積頻數(shù)表，僅保留具有最大頻數(shù)的那組數(shù)據(jù)即可；

（4）標準化裂縫累積頻數(shù)：將步驟e的（3）中獲得編號除以測線長度，代表單位長度測線上所觀察到的開度達到某一特定數(shù)值的累積裂縫數(shù)量，即該裂縫開度下的裂縫發(fā)育強度；

（5）繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖：在雙對數(shù)坐標下，以裂縫開度為橫坐標，以標準化后裂縫累積頻數(shù)為縱坐標，繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖（圖1）；

f. 標準裂縫發(fā)育強度的計算：根據(jù)步驟e中繪制的裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖，利用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合出冪律分布公式（式3），根據(jù)該公式，即可計算任意尺度下裂縫的發(fā)育強度。

（式3）

式中，N_B為單位測線長度上開度大于B的裂縫的數(shù)量；B為裂縫開度；a、c為分別為系數(shù)和指數(shù)，通過擬合得到。

g. 不同層位、不同地區(qū)裂縫發(fā)育強度的對比：利用步驟a-f提供的標準裂縫發(fā)育強度計算公式，對不同層位、不同地區(qū)的裂縫發(fā)育強度進行標準化，選擇相同的裂縫開度，計算裂縫發(fā)育強度，即可進行裂縫發(fā)育程度對比。

本發(fā)明中裂縫發(fā)育強度的標準化，對測量獲得的裂縫開度數(shù)據(jù)進行排序、編號，并根據(jù)測線長度計算裂縫發(fā)育強度，然后在雙對數(shù)坐標下繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖，并建立標準裂縫發(fā)育強度的計算公式，最后進行不同層位、不同地區(qū)裂縫發(fā)育強度的對比。這里之所以提出在不同尺度下進行測量，是針對樣品齊全的條件下，也是為了證實在雙對數(shù)坐標下，裂縫開度和裂縫發(fā)育強度符合冪律分布，實際上，只要在任何尺度下獲得裂縫開度數(shù)據(jù)，利用上述方法就可進行標準裂縫發(fā)育強度的計算。

本發(fā)明進行了保密性實驗，具體實驗情況如下：

保密性實驗案例為“川西前陸盆地雷口坡組天然裂縫定量表征”。案例涉及的露頭位于川西龍門山逆沖推覆帶，出露一套厚層的雷口坡組碳酸鹽巖地層，該地層出露極好，并且發(fā)育有大量的天然裂縫，裂縫絕大部分被方解石或白云石等礦物充填，并且這些裂縫發(fā)育特征與鄰近油田相同層位裂縫發(fā)育情況相似，為研究裂縫發(fā)育強度和裂縫間距的表征提供了一個很好的機會。

實驗的基本條件：

（1）研究區(qū)具有極好的露頭出露條件，且天然裂縫十分發(fā)育，可以從不同尺度（宏觀、細觀和微觀）獲得巖石樣品，并且在相鄰油田獲得了巖心資料，可以用于對比分析，為本方法研究提供了全面的基礎數(shù)據(jù)。

（2）東北石油大學“斷裂控藏”實驗室具有磨片機、放大鏡、比測儀、蔡司顯微鏡等實驗設備。

實驗過程：

（1）天然裂縫數(shù)據(jù)的采集

本次研究選取的露頭的巖石力學層厚度為10cm-2m不等，巖石白云巖化較弱，白云石含量為10%-20%。沿垂直于裂縫面方向的線性測線進行天然裂縫相關參數(shù)的采集（圖3），即記錄與測線相交的每一條天然裂縫的相關參數(shù)，主要包括天然裂縫的產狀、形態(tài)、切割關系、充填性、充填礦物以及巖石力學層厚度等；

（2）裂縫組系的劃分

通過天然裂縫的形態(tài)、產狀和切割關系等確定裂縫的組系，對于裂縫組系的劃分，通常僅僅用裂縫的走向來進行區(qū)分，其實，裂縫的形成時期也是劃分裂縫組系的重要依據(jù)，本研究裂縫組系的劃分參考了裂縫的形成時期，裂縫的形成時期主要是通過裂縫切割關系來確定的，早期形成的裂縫會被晚期形成的裂縫切割，而晚期形成的裂縫會終止于早期裂縫，根據(jù)上述原則，將裂縫劃分為A組和B組兩個裂縫組系（圖3）。

（3）裂縫開度和裂縫間距的測量

分別對A組和B組裂縫進行開度和間距的測量，測線分別垂直于每組裂縫，分別從不同尺度（肉眼、放大鏡和顯微鏡）對裂縫參數(shù)進行表征，對于宏觀裂縫（開度>0.5mm），直接用肉眼和直尺即可對裂縫開度和裂縫間距進行測量；對于細觀尺度的裂縫（0.05mm<開度<5mm，需要借助放大鏡和比測儀（圖2）對裂縫開度和裂縫間距進行測量；對于微觀裂縫（開度<0.1mm），需要借助顯微鏡對裂縫開度和裂縫間距進行測量。下面以某一段1m長的測線來說明具體測量過程：

首先在圖4A中，只統(tǒng)計了開度大于0.5mm的裂縫，裂縫開度跨越一個數(shù)量級（0.5-5mm），在這種尺度下，在1000mm的樣品上觀察到了24條裂縫，其裂縫強度為大約24條/m。然而，如果沿著這條測線的前200mm，利用放大鏡和開度比測儀（圖2、圖4B）進行測量，測量最小開度降低到0.05mm，共測量到了28條裂縫，那么裂縫強度為140條/m（圖4B），大約比第一種測量方法得到的裂縫強度高一個數(shù)量級。此外，利用微觀薄片在顯微鏡線觀察到的裂縫強度為830條/m（測量的最小開度降低到0.005mm，在12mm樣品上觀察到10條裂縫），裂縫發(fā)育強度更大了一個數(shù)量級。這說明，裂縫強度隨著分辨率（伴隨觀察尺度的變化）的提高而發(fā)生變化，因為隨著觀察閾值的降低，在某一區(qū)域內觀察到的裂縫數(shù)量增加。因此，如果不定量化裂縫的觀察閾值，那么裂縫強度表征是沒有意義的。本次研究共采集到來自12個地層的1400組裂縫數(shù)據(jù)。

（4）裂縫發(fā)育強度的標準化

利用步驟c中獲得的裂縫開度數(shù)據(jù)，對裂縫發(fā)育強度進行標準化，主要步驟如下：

（i）列出步驟a中測量到的所有裂縫開度數(shù)據(jù)，并從大到小排列；

（ii）給排好序的裂縫開度進行編號，最大的編號為1，隨著裂縫開度的逐漸變小，獲得的編號就越大，開度最小的裂縫獲得最大的編號，這樣就會形成一個裂縫累積頻數(shù)表；

（iii）由于所測量的裂縫可能會具有相同的開度，因此，同一開度值可能會對應若干個編號，這時需要刪除部分具有相同開度的數(shù)據(jù)來簡化裂縫累積頻數(shù)表，僅保留具有最大頻數(shù)的那組數(shù)據(jù)即可；

（iv）標準化裂縫累積頻數(shù)：將步驟e的（3）中獲得編號除以測線長度，代表單位長度測線上所觀察到的開度達到某一特定數(shù)值的累積裂縫數(shù)量，即該裂縫開度下的裂縫發(fā)育強度；

（v）繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖：在雙對數(shù)坐標下，以裂縫開度為橫坐標，以標準化后裂縫累積頻數(shù)為縱坐標，繪制裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖（圖5）；

（5）標準裂縫發(fā)育強度的計算

根據(jù)繪制的裂縫開度-標準化后裂縫累積頻數(shù)圖，利用最小二乘法，對數(shù)據(jù)進行擬合，擬合出冪律分布公式（式4），根據(jù)該公式，即可計算任意尺度下裂縫的發(fā)育強度和平均間距。例如，該區(qū)開度B大于0.05mm的裂縫發(fā)育強度為131條/m，平均裂縫間距為0.76cm；開度B大于0.5mm的裂縫發(fā)育強度為27條/m，平均裂縫間距為3.70cm；開度B大于1mm的裂縫發(fā)育強度為16.8條/m，平均裂縫間距為5.95cm。

（式4）

式中，N_B為單位測線長度上開度大于B的裂縫的數(shù)量；B為裂縫開度。

（6）不同層位/不同地區(qū)裂縫發(fā)育強度的對比

利用上述方法，對相鄰油田相同層位（雷口坡組）進行了天然裂縫發(fā)育強度和平均裂縫間距的計算（圖6、式5），由于巖心樣品限制，計算時僅利用了細觀尺度下裂縫數(shù)據(jù)進行擬合，該區(qū)開度B大于1mm的裂縫發(fā)育強度為2.2條/m，平均裂縫間距為45.45cm。通過對比相同尺度下裂縫發(fā)育強度發(fā)現(xiàn)，露頭區(qū)裂縫發(fā)育強度要明顯大于地下裂縫發(fā)育強度。

（式5）

式中，N_B為單位測線長度上開度大于B的裂縫的數(shù)量；B為裂縫開度。