孔隙等储集空间是剩余油气富集的“心脏”，断层和裂缝（简称断缝）是油气运移的“血管”。 我国复杂的多旋回叠合盆地背景决定了断缝结构模式的复杂性，油气藏长期注水开发和地层压力下 降改变了储层结构，加剧了储集空间的非均质性，造成了剩余油气的分布愈加零散，直接制约着油 气田的高效勘探开发。依靠各种资料、测试手段和生产设备，基本形成了一套针对油气藏勘探开发的技术方法体系，但在不同尺度断缝的内在联系、断缝结构定量表征和“血管+心脏”一体化建模等 方面尚不能完全满足油气藏高效开发的需求。本项目研究的断缝结构，是指断缝的几何形态、组合 形式和空间展布。

       通过 10 余年攻关，本项目创新了复杂油气藏断缝结构的储集空间精细表征技术，解决了一直 制约断缝发育型复杂油气藏高效开发的关键难题，主要取得以下几个创新成果：首次将数字露头和 数字岩心模型相融合，量化断缝结构参数，构建忠于实测数据的原型地质模型，可有效指导不同尺 度的深层离散裂缝地质建模；创新了基于构造序次理论的“构造物模-仿真数模”联合技术，直观再 现了不同序级断缝发育过程中应力-应变场动态变化，揭示了相互之间的内在作用机理；创新形成 了基于叠加索贝尔算子的地震组合技术，可有效识别地下断距<7m 的多方位走滑断层；创新性地将 水-岩物理模拟和多场耦合模拟有机融合进行断缝溶蚀-充填程度的量化表征，突破了储层裂缝有效 性评价局限于井间插值的技术瓶颈，基于岩石力学实验，推导建立了差异充填岩石的多期复合破裂 准则及裂缝叠加力学模型，创建了四维应力场模拟下的裂缝结构定量表征技术，大大提高了低井密 度区裂缝预测的可靠性；提出了基于数据包络分析和多层神经网络的储层非均质性综合指数计算方 法，实现了基于多参数和动态开发的储层非均质性综合定量表征；综合以上，建立了“断缝融合、 分级相控、模式拟合、动态约束”的双孔双渗地质建模方法，预测的裂缝密度、储层物性、含油气 性和实钻吻合率均达到 90%以上，直接服务于油藏的剩余油富集区预测和气藏的开发技术政策优化、 调整。来本项目已在中石油、中石化和中海油等多个单位进行了应用推广。

        本项目共授权发明专利 8 项，发表学术论文 40 篇（SCI/EI 收录 60 篇），专著 3 部。以李阳院 士为主任的鉴定委员会认为本项目成果整体达到国际先进水平，其中“断缝结构定量表征技术”达 到国际领先水平。

技术特点及技术指标：

                  主要技术要点 国内外现有技术方法 本项目技术方法

                  创新点一

不同尺度断缝结构物理模拟和仿真模拟联合方 法 砂箱模拟装置、光弹模拟装置、多功能物理模拟装置配备机电一体化试验系统（中国石油大学（华东）、南京大学、阿伯丁大学、加利福尼亚大学），采用脆-塑性多层模型进行伸展、走滑、挤压和复合实验，未注重走滑基底作用（萨尔茨堡大学）；数字散斑模拟装置采用单向应力加载，获取三维位移场和应变场数据，主要用于材料力学和岩土力学损伤检测领域（中山大学、西安交通大学） 改进多功能物理模拟仪器（SG-3000），配置多组液压机、旋转刻度底盘和应 力加载滑轮，实现多期构造模拟和应 力配比下的走滑基底升降；改进数字 散斑模拟装置的伺服液压机为双向应力加载，基于MATLAB数字图像处理功能，经胡克定律换算获得任意时刻三维应力场和主应力方向，引入构造力学领域后与构造序次力学理论相结合，进行不同尺度断缝的形成机理分析

 

断缝结构发育模式

基于几何规模的断缝发育地质模式、基于应力类型的断缝力学模式、岩石力学层约束的多尺度断缝模式，缺少尺度概念，考虑因素单一；数字露头模型（精度达 1mm）（中石油杭州地质研究院、 UniversityofPavia、Bentley软件公司）和数字岩心模型（微米级、纳米级），精度高，作为地下裂缝建模的参考或补充（浙江大学、中国石油大学（华东）） 形成了多源数据融合的一体化露头模型构建技术，融合抵近倾斜摄影数据 采集、数字露头模型（局部精度达0.2mm）和数字岩心模型（微米级），结合实验测试划分断缝期次，结合深度学习和岩石力学层划分断缝尺度，建 立了忠实于露头数据的原型地质模型，结合构造序次理论划分出区域和 局部伴生型、派生型及继承型等断缝 类型，建立了典型应力环境的断缝发 育序次模式，实现了真正意义上的多 元露头信息与地下裂缝建模有机融合

创新点二

 

低级序断层识别及预测 多尺度相干、多信息相干、曲率分析、倾角扫描、高阶累积量、分频多属性融合、蚂蚁追踪、人工智能等识别低级序断层，依赖于地震资料品质，技术方法单一，断点位置与实钻误差达4m（美国Holiburton 公司）；Laplace、Sobel、方差体算法实现方向滤波和边界增强，输出单一综合地震体，可识别断距＞7m的低级序走滑断层（中石化胜利油田分公司、中石化西北油田分公司），缺少断 层形成机制模式指导

针对不同地震品质和构造样式，优选建立地震组合识别技术，扬长避短、发挥优势，断点位置与实钻误差达 2m；对索贝尔（Sobel）算子先做加权平均再微分，再进行X、Y叠加运算，输出各项异性地震体，可识别断距 5-7m、长度<100m的走滑断层，与构造序次力学理论紧密结合，相互验证以增强断 层合理性

创新点三

 

断缝结构定量预测方法 基于力学理论的应变能密度法、破裂率法、二元法、构造曲率法等，仅预测古裂缝密度分布，预测精度<85%（中石油塔里木油田分公司、中石油勘探开发研究院西北分院）；多期岩石破裂准则局限于岩土工程领域，尚无针对地下储层考虑差异充填的多期裂缝叠加力学模型，井间裂缝有效性依靠井点随机插值（Schlumberger公司、GolderAssociates 公司）；三维应力场模型网格精度>10m，断裂带力学参数采用经验法，四边形边界力学加载理念，模拟应力方向与实测误差为 17º,应力值与井孔实测相对误差为8%（中石油冀东油田分公司） 古、今应力场结合预测现今断缝参数三维分布，裂缝密度预测精度达92%，裂缝开度预测精度达90%；考虑伸展、挤压应力状态，建立基于差异充填的岩石多期复合破裂准则和多期断缝叠 加力学模型，融合水-岩作用模拟和多场耦合数值模拟，实现基于热液反应机理的裂缝有效性空间表征；考虑地 层孔隙压力，三维应力场模型网格 2-5m，实现了非均质三维力学参数体构建，六边形边界力学加载克服了应力畸变效应，模拟应力方向与实测误差为10.2º, 应力值与井孔实测相对误差为5%以内

 

储集空间非均质性表征 宏观非均质性表征多采用渗透率变异系数、渗透率突进系数、渗透率级差、渗透率均质系数法等，微观非均质性采用孔喉大小、分布、配置及连通性等进行表征，熵权法等数学方法表征非均质性，参数少于8个，未考虑水淹程度，存在参数权重差异大、尺度不统一、结果离散型强等问题，非均质刻画与剩余油 富集吻合率达到90%以上（Schlumberger公司、西南石油大学）

 

线性和非线性数学理论相结合，针对不同含水阶段和油藏类型，选取数据包络法、多层神经网络法等，非均质性表征参数达13个，克服了方法单一、参数尺度不一、权重不清的技术难题，非均质刻画与剩余油富集吻合率达93%

 

断缝储地质建模方 法 砂体建模方法有序贯高斯、多点地质统计学、多级相控等，以单一数据为主，识别精度为小层，井间连通关系不确定性大，单一厚砂体预测与实钻符合率达85-90%（大庆油田、Schlumberger 公司、）；确定性建模和随机建模方法相结合，考虑多种控制因素构建裂缝密度驱动体，采用软件自带指数分布模型、幂分布模型、Fisher分布模型Kent分布模型等等表征裂缝特征参数和产状分布，分尺度构建离散裂缝网络模型和双孔双渗地质模型，模型预测的裂缝密度、储层物性、含油气性与实钻相对误差为92%（ 阿什卡公司 、Golder Associates 公司） 通过野外露头区和密井网试验区精细解剖建立砂体结构地质知识库，作为 建模主变程和次变程关键参数取值的依据，明确砂体规模地质统计学规律，模型预测储层物性与实钻符合率达90.5%；对断缝分期、分级的前提下，采用熵权法、神经网络算法量化不同 裂缝参数主控因素的权重，构建中、小尺度缝密度驱动体，通过确定岩石力 学层对不同尺度裂缝限制条件，修正 表征裂缝长度参数的幂分布模型，优 选 Bingham 双峰分布模型构建中、小尺度离散裂缝地质模型和双孔双渗地质模型，模型预测的裂缝密度、储层物性、含油气性与实钻吻合率达到96%

应用领域：

本项目成果是中国石油大学（华东）科研团队和协作单位经多年攻关研究积累的成果。研究成果已在中石油、中石化和中石油塔里木油田分公司的油气田勘探开发领域成功推广应用。具体地：

（1）低序级断层精细刻画技术、复杂断层体系合理性验证技术在胜利油田分公司现河采油厂得到了广泛应用，优化钻井部署，新钻油井180余口，提高采收率0.6%，新增销售额41557万元，新增利润17165万元。

（2）将多期裂缝力学表征技术与断缝储一体化建模技术有效融合，建立了和田河气田石炭系东河砂岩段和奥陶系良里塔格组碳酸盐岩离散裂缝地质模型及双孔双渗地质模型，解决了石炭系储层“通而不畅”机理、奥陶系裂缝垂向穿透性和气藏见水主控因素等关键难题，有效指导了和田河气田下一步的开采技术政策界限优化和政策调整，实现了整体气藏采收率达到 60%，较原先增长3.5%，折合天然气产量13.38亿方，可产生经济效益约16.38亿元。方案的实施使得“高效开发面临巨大挑战、南疆平稳供气面临巨大挑战”的气田开发局面得以改观，实现了气藏日产气稳产 130万方，较前期提高了78万方，直接产生经济效益2.34亿元。

 

图1  不同级序断缝结构合理性验证

 

图2  多手段、多数据融合的断缝结构量化模式建立

 

图3  基于叠加索贝尔算法的低级序断层精细刻画

 

图4  基于CT 岩石力学实验的断缝结构定量表征模型

 

图 5  基于四维精细应力场模拟的断缝结构定量预测

 

 

图 6  储集空间非均质性综合定量表征及剩余油富集区

 

图7  断缝储要素耦合的一体化高精度模型构建

 

       投入需求：

       作为“山东省油藏地质重点实验室”实验平台建设，需要投入经费200余万元，设计、改进构 造物理模拟装置，研发、购置高温高压釜、孔隙度渗透率测量仪等设备。

       专利授权及申请情况：

       1、国家发明专利：复杂构造区低级序走滑断层的地震识别方法（授权）

       2、国家发明专利：取土器的底座结构（授权）

       3、国家发明专利：致密砂岩储层复杂网状裂缝的预测方法（授权）

       4、国家发明专利：致密砂岩储层网状裂缝系统有效性评价方法（授权）

       5、国家发明专利：一种基于多尺度因素约束的离散裂缝建模方法（授权）

       6、国家发明专利：裂缝带热液充填模拟装置（授权）

       7、国家发明专利：一种火山岩区断层封闭性的综合评价方法（授权）

       8、国家发明专利：六边形边界的水力压裂物理模拟试验装置及其试验方法（授权）

       成果受资助及获奖情况：

       1、国家自然科学基金面上项目，42072234，基于应力-耗能耦合模型的互层型致密砂岩裂缝定量预测研究，2021-1至2024-12；

       2、国家自然科学基金面上项目，41572124，基于差异充填的致密砂岩裂缝多期演化及量化表征，2016-7至2019-12；

       3、中国石油和化学工业联合会科技进步奖，一等奖，断裂、不整合精细刻画与油气输导有效性评价关键技术及应用，2018；

       4、青岛市科学技术奖，科技进步二等奖，复杂油气藏断缝精细表征关键技术及其应用，2019；

       5、地理信息科技进步奖，二等奖，基于空地一体倾斜摄影的地质露头精细建模技术与应用，2021；

       6、中国石油和化学工业联合会科技进步奖，三等奖，碎屑岩断缝结构与油气储集空间精细表征技术及应用，2021；

       7、教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）科技进步奖，断裂结构精细 刻画与油气输导有效性评价关键技术及应用，2019；

       8、中国石油和化工自动化协会科技进步奖，一等奖，安岳气田龙王庙组气藏高效开发关键技术，2018；

       技术成熟程度：þ已在产业中应用

       拟合作方式：□整体转让  ☑技术许可  □作价入股 ☑合作开发  □其他