泥頁(yè)巖儲(chǔ)層裂縫識(shí)別與有效性評(píng)價(jià)研究

孫建孟, 劉坤, 王艷, 趙杰

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.大慶鉆探工程公司測(cè)井公司, 黑龍江 大慶 163412; 3.大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

A區(qū)B段主要發(fā)育深湖-半深湖沉積亞相,巖性主要為泥頁(yè)巖。泥頁(yè)巖油藏為自生自儲(chǔ)型,泥頁(yè)巖既是烴源巖又是儲(chǔ)層。鉆井取心和試油資料表明,該段儲(chǔ)層主要表現(xiàn)為裂縫儲(chǔ)集層和硅質(zhì)及鈣質(zhì)含量高的層段。隨著石油資源的日益匱乏和勘探開發(fā)技術(shù)的日益成熟,如何預(yù)測(cè)泥頁(yè)巖中有效儲(chǔ)層成為亟待解決的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)大量表征儲(chǔ)層參數(shù)的研究,選擇泥頁(yè)巖儲(chǔ)層總有機(jī)碳含量、巖石脆性和裂縫發(fā)育情況來(lái)進(jìn)行泥頁(yè)巖有效儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)研究。鑒于總有機(jī)碳含量和巖石脆性指數(shù)的計(jì)算[1-2],前人已經(jīng)做了大量工作,但是裂縫的評(píng)價(jià)工作還存在一些問(wèn)題[3]:常規(guī)方法直接識(shí)別裂縫得到的裂縫響應(yīng)特征往往不夠直觀、明顯;成像測(cè)井資料研究裂縫雖然能取得比較好的效果,但其測(cè)井成本較高,大部分井并沒(méi)有成像測(cè)井資料[4-5];常規(guī)測(cè)井曲線小波變換方法往往只是單條曲線,而且識(shí)別裂縫只停留在定性層面[6-7]。本文針對(duì)以上問(wèn)題,以聲波、自然伽馬和微球聚焦電阻率測(cè)井為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)其進(jìn)行小波多尺度分解、閾值去噪和最大熵預(yù)測(cè)誤差分析,將分析結(jié)果歸一化和加權(quán)組合,然后計(jì)算出裂縫發(fā)育綜合指標(biāo),給出裂縫發(fā)育等級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)。

1 研究區(qū)裂縫發(fā)育類型分析

前人成果表明,研究層段中泥巖裂縫是成巖作用和異常高壓共同作用的結(jié)果,主要發(fā)育非構(gòu)造裂縫,這些裂縫不受構(gòu)造應(yīng)力影響,分布隨機(jī)性較大,縱向上切穿深度淺,順層面具有彎曲、斷續(xù)、分枝、尖滅等現(xiàn)象,但通常具有較好的延伸性和連通性[8]。

1.1 成巖裂縫

主要包括成巖層間裂縫、溶蝕裂縫、收縮裂縫。成巖收縮縫又分為由于壓實(shí)作用沉積物失水收縮形成的脫水收縮縫和由于黏土礦物蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化脫水形成的礦物相變縫兩大類。研究層段中存在著大量水平或近水平的層間裂縫,這類裂縫在泥巖中分布的較多,裂縫中含油,斷面上均可見一層黃綠色的油膜,熒光照射呈亮黃色;目標(biāo)層段泥頁(yè)巖中含有大量的介形蟲,即巖石中方解石含量較高,因此,地層條件下方解石容易形成大量的溶蝕裂縫;目標(biāo)層段泥頁(yè)巖在成巖作用下,由于上覆地層壓力導(dǎo)致沉積物脫水收縮,因而在同一巖層內(nèi),形成延伸長(zhǎng)度較小的縱向裂縫以及不規(guī)則的多向裂縫。

1.2 異常高壓裂縫

泥頁(yè)巖在一定埋深下處于壓力封閉狀態(tài)時(shí),由于烴類生成、黏土礦物脫水、水熱增壓、膠結(jié)作用等影響,在泥頁(yè)巖內(nèi)部形成異常高壓。當(dāng)異常高壓帶內(nèi)的剩余地層壓力大于巖石的抗張強(qiáng)度時(shí),巖石就會(huì)破裂形成擴(kuò)張裂縫。

2 測(cè)井屬性分析技術(shù)識(shí)別裂縫研究

測(cè)井屬性分析從測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中拾取隱藏在這些數(shù)據(jù)中的有關(guān)地層巖性、儲(chǔ)層物性、流體和裂縫信息。測(cè)井屬性和地層的裂縫發(fā)育程度之間存在某種形式的內(nèi)在聯(lián)系,這是測(cè)井屬性技術(shù)識(shí)別裂縫理論基礎(chǔ)。研究層段為一套優(yōu)質(zhì)的烴源巖,多發(fā)育水平縫及低角度縫,裂縫及其所含流體在巖石中形成的聲阻抗界面影響了聲波傳播,這是用聲波探測(cè)裂縫技術(shù)的基礎(chǔ),聲波時(shí)差多以周波跳躍反映水平縫、低角度縫的存在[9];烴源巖段的自然伽馬值偏高,當(dāng)泥漿濾液的侵入裂縫時(shí),導(dǎo)致自然伽馬曲線顯示為低尖[10];微球聚焦測(cè)井反映沖洗帶電阻率,由于裂縫的不均一性,導(dǎo)致電阻率測(cè)井曲線形態(tài)常呈高低間互、起伏不平的多尖峰狀[11]。本文通過(guò)多尺度小波分解[12]和最大熵預(yù)測(cè)誤差[13]測(cè)井屬性分析方法增強(qiáng)和提取測(cè)井曲線中有關(guān)的裂縫信息。

2.1 測(cè)井屬性分析原理

2.1.1 小波變換原理

小波變換的基本思想來(lái)源于函數(shù)的伸縮與平移。它是把某小波函數(shù)ψ(t)的自變量t進(jìn)行伸縮與平移處理后與待變換的函數(shù)作內(nèi)積而得到具有雙參數(shù)a和b的函數(shù)Wf(a,b)

(1)

通常,ψ(t)具有有限支撐集,即ψ(t)在t的有限集合之外全部等于0?；拘〔ɑ蛐〔负瘮?shù)定義為

(2)

式中,b為位移因子,它決定了逼近測(cè)井信號(hào)的時(shí)間位置;a為尺度因子,它決定了測(cè)井信號(hào)的采樣窗長(zhǎng)。尺度a越小表示小波被壓縮,時(shí)軸上觀察范圍小,對(duì)應(yīng)于信號(hào)的高頻分量,即用高頻小波作細(xì)致觀察;尺度a越大表示小波被伸展,時(shí)軸上觀察范圍大,對(duì)應(yīng)于信號(hào)的低頻分量,即用低頻小波作概貌觀察。

測(cè)井信號(hào)中存在與地層信息無(wú)關(guān)的統(tǒng)計(jì)起伏和毛刺干擾,需要進(jìn)行相應(yīng)的去噪處理,常用的閾值去噪有4種:采用固定的閾值去噪、最小極大方差閾值去噪、基于Stein無(wú)偏似然估計(jì)的閾值去噪和啟發(fā)式閾值去噪。本文通過(guò)對(duì)比分析,選擇基于Stein無(wú)偏似然估計(jì)閾值去噪進(jìn)行信號(hào)的去噪,該方法能在一定程度上有效控制噪聲。

2.1.2 最大熵預(yù)測(cè)誤差原理

最大熵譜是分析信息譜的一種數(shù)學(xué)方法,它以信息熵最大為準(zhǔn)則并且通過(guò)外推得到自相關(guān)函數(shù),其目的是為了使頻譜估計(jì)的分辨率得到提高。與其他頻譜分析方法相比(如周期圖法和傅里葉法),最大熵譜分析具有高頻譜分辨率和不受采樣長(zhǎng)度限制等優(yōu)勢(shì)。

最大熵譜是求功率譜,目前使用的是Burg算法求解。求解的曲線是x(n),具體的算法如下

(1) 計(jì)算預(yù)測(cè)誤差的初始值

(3)

和向后預(yù)測(cè)誤差的初始值,并令m=1。

f0(n)=g0(n)=x(n)

(4)

(2) 求反射系數(shù)

(5)

(3) 計(jì)算前向預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)

i=1,2,…,m-1

(6)

am(m)=km

(7)

(4) 計(jì)算預(yù)測(cè)誤差功率

pm=(1-|km|2)pm-1

(8)

(5) 計(jì)算濾波器輸出

fm(n)=fm-1(n-1)+kmgm-1(n-1)

(9)

(10)

(6) 令m←m+1并重復(fù)步驟2至步驟5,直到預(yù)測(cè)誤差功率pm不會(huì)明顯減小。

預(yù)測(cè)誤差濾波分析技術(shù)建立在最大熵譜分析技術(shù)的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)誤差為每一個(gè)深度點(diǎn)利用最大熵譜分析技術(shù)計(jì)算出來(lái)的預(yù)測(cè)值與該深度點(diǎn)的測(cè)井曲線值進(jìn)行數(shù)值相減而得到的結(jié)果,即:誤差=實(shí)際數(shù)據(jù)-濾波數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)誤差曲線是一條變化不規(guī)則的鋸齒狀曲線,該曲線可看作是一條能夠解釋地層連續(xù)性的指示曲線。而裂縫發(fā)育的地層,連續(xù)性會(huì)發(fā)生突變。

2.2 泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育程度等級(jí)劃分

在泥巖裂縫性儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中,許多因素都可能引起與裂縫響應(yīng)相似的曲線異常特征,而且某些產(chǎn)狀較特殊的裂縫帶在測(cè)井曲線上并無(wú)顯示,以至利用單一測(cè)井曲線很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)泥巖裂縫。然而,裂縫與非裂縫,以及不同類型和不同發(fā)育程度的裂縫在結(jié)構(gòu)、物性上的差異,在測(cè)井曲線上不同程度的具有某種特定的響應(yīng)特征。因此利用多種測(cè)井屬性分析方法綜合多條裂縫敏感曲線進(jìn)行裂縫的識(shí)別研究是可行的。

由于常規(guī)測(cè)井曲線分辨率低,而單一的測(cè)井屬性裂縫信息處理結(jié)果雖然可以在一定程度上指示泥頁(yè)巖裂縫信息,但存在一些由于巖性和層序突變?cè)斐傻奶摷倭芽p信息,而且測(cè)井屬性提取的裂縫信息只是定性指示裂縫的存在。為了更好地利用測(cè)井屬性分析提取的裂縫信息,通過(guò)結(jié)合錄井和試油資料,對(duì)聲波、自然伽馬和微球聚焦測(cè)井曲線進(jìn)行小波多尺度分解和最大熵預(yù)測(cè)誤差處理,建立裂縫發(fā)育程度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo),以此半定量評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育情況。

(1) 確定各屬性方法裂縫發(fā)育情況子參數(shù)。以測(cè)井屬性處理的裂縫信息結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)測(cè)井資料特點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)組合試驗(yàn),確定將小波多尺度分解高頻屬性評(píng)價(jià)參數(shù)A1、預(yù)測(cè)誤差屬性評(píng)價(jià)參數(shù)A2作為測(cè)井屬性泥頁(yè)巖裂縫評(píng)價(jià)子參數(shù)

A1=|H1-H2|/HMAX

(11)

A2=|E1-E2|/EMAX

(12)

式中,H1為小波高頻屬性模值;H2為小波高頻屬性模值平均值;HMAX為小波高頻屬性模值最大值;E1為預(yù)測(cè)誤差屬性模值;E2為預(yù)測(cè)誤差屬性模值平均值;EMAX為預(yù)測(cè)誤差屬性模值最大值。其計(jì)算值見表1。

表1 判別參數(shù)代入計(jì)算值表

(2) 確定單曲線多屬性裂縫評(píng)價(jià)參數(shù)Ki。依據(jù)表1,將A1、A2在特定數(shù)值范圍內(nèi)劃分成4個(gè)等級(jí),并將其等級(jí)作為計(jì)算代入值,依據(jù)各個(gè)屬性子參數(shù)對(duì)裂縫發(fā)育情況識(shí)別的敏感性和準(zhǔn)確性,賦予代入值不同的權(quán)值,然后計(jì)算出研究區(qū)的綜合屬性裂縫評(píng)價(jià)參數(shù)Ki,i代表第i條測(cè)井曲線。

Ki=a1V1+a2V2

(13)

式中,a1和a2分別為小波高頻和預(yù)測(cè)誤差屬性的權(quán)系數(shù)。以鉆井取心描述關(guān)鍵井為分析對(duì)象,確定出研究層段裂縫真實(shí)發(fā)育層段數(shù)、小波多尺度分解和最大熵預(yù)測(cè)誤差識(shí)別出的裂縫層段數(shù),計(jì)算出各種方法的識(shí)別率x1和x2,識(shí)別率越大,該測(cè)井屬性方法的權(quán)系數(shù)也就越大。

a1=x1/(x1+x2)

(14)

a2=x2/(x1+x2)

(15)

(3) 確定多曲線多屬性裂縫評(píng)價(jià)參數(shù)K。借鑒單曲線多屬性的權(quán)系數(shù)確定方法,同樣能給出多曲線多屬性的裂縫評(píng)價(jià)參數(shù)

K=K1b1+K2b2+K3b3

(16)

式中,K1、K2和K3分別為聲波、自然伽馬和微球聚焦測(cè)井的多屬性裂縫評(píng)價(jià)參數(shù);b1、b2和b3分別為其對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)鉆井取心資料,確定總的裂縫響應(yīng),統(tǒng)計(jì)每條測(cè)井曲線的裂縫響應(yīng),計(jì)算每條測(cè)井曲線的測(cè)井響應(yīng)率,參考第2步計(jì)算權(quán)系數(shù)的方法,計(jì)算出每條曲線對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)。

(4) 給出裂縫發(fā)育程度半定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比鉆井取心裂縫描述資料,把裂縫發(fā)育程度劃分為3個(gè)等級(jí):發(fā)育、欠發(fā)育和不發(fā)育,并確定出裂縫評(píng)價(jià)參數(shù)K的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

表2 裂縫發(fā)育等級(jí)分類表

2.3 裂縫識(shí)別實(shí)例效果分析

圖1為×1井裂縫識(shí)別成果圖。從1 975.00～2 085.00 m井段井眼存在擴(kuò)徑現(xiàn)象?！?井試油層段巖性除了純泥巖有粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,取心見裂縫發(fā)育。鉆井取心130 m,在泥巖中見延伸長(zhǎng)度超過(guò)5 cm的縱向裂縫僅18條,其中最長(zhǎng)的2條長(zhǎng)達(dá)74 cm。水平方向延伸的裂縫很發(fā)育,鉆井取心中僅見含油水平裂縫達(dá)26處,試油井段為1 975.00～2 085.00 m,結(jié)論為低產(chǎn)油層,日產(chǎn)油0.618 t。

3 泥頁(yè)巖有效儲(chǔ)層等級(jí)分類評(píng)價(jià)

石玉江等[14]根據(jù)致密油地質(zhì)與工程應(yīng)用需求,在常規(guī)儲(chǔ)層“四性”評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,重構(gòu)了致密油“三品質(zhì)”測(cè)井評(píng)價(jià)參數(shù)體系,包括儲(chǔ)層品質(zhì)、烴源巖品質(zhì)和完井品質(zhì)。本文在“三品質(zhì)”測(cè)井評(píng)價(jià)參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用總有機(jī)碳含量(TOC)、巖石脆性指數(shù)和裂縫發(fā)育綜合指標(biāo)進(jìn)行泥頁(yè)巖儲(chǔ)層有效性的研究。泥頁(yè)巖儲(chǔ)層烴源巖生烴能力對(duì)含油分布具有控制作用,是進(jìn)行優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。泥頁(yè)巖油藏一般滲透率極低,自然產(chǎn)能低甚至沒(méi)有產(chǎn)能,通常都需要實(shí)施壓裂改造。巖石的脆性不僅決定了天然裂縫的發(fā)育程度還決定了壓裂改造的成功與否,對(duì)于非常規(guī)泥頁(yè)巖油氣藏,巖石脆性不僅反映巖石的力學(xué)性質(zhì)更是儲(chǔ)層好壞的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)?？紤]到裂縫的存在會(huì)在很大程度上改善壓裂效果,提高采收率,因此把裂縫的存在與否作為衡量?jī)?chǔ)層好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)的大量統(tǒng)計(jì)分析,給出了研究區(qū)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的等級(jí)分類評(píng)價(jià)指標(biāo)。Ⅰ類:TOC≥1.8%,脆性指數(shù)≥0.48,存在裂縫且較發(fā)育;Ⅱ類:TOC≥1.2%,脆性指數(shù)≥0.42,存在裂縫;Ⅲ類:TOC<1.2%或脆性指數(shù)<0.42代表壓后也沒(méi)產(chǎn)能的層段。

圖1 ×1井裂縫識(shí)別成果圖

圖2 ×2井有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果圖

圖2和圖3為×2井、×3井應(yīng)用上述方法得到的有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果圖。圖2、圖3中第6道和第7道為優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)結(jié)果,從中很容易預(yù)測(cè)出優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)層段(見表3和表4),第8道為一次測(cè)井解釋結(jié)論。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果給出建議:×2井1 983.60～1 987.60 m,1 989.40～1 990.20 m井段2層合壓后試油;×3井2 416.40～2 429.40 m井段壓后試油。第9道為壓后試油結(jié)論,2井壓后試油結(jié)論與儲(chǔ)層預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好,表明該預(yù)測(cè)方法具有一定的可行性。

圖3 ×3井有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果圖

表3 ×2井有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果分析表

表4 ×3井有效儲(chǔ)層預(yù)測(cè)成果分析表

4 結(jié) 論

(1) 泥頁(yè)巖既是烴源巖又是儲(chǔ)層,具有自生自儲(chǔ)特點(diǎn),其儲(chǔ)層類型主要為硅質(zhì)、鈣質(zhì)含量高的層段和裂縫發(fā)育段。

(2) 以聲波、自然伽馬和微球聚焦電阻率測(cè)井為基礎(chǔ),通過(guò)小波多尺度分解、閾值去噪和最大熵預(yù)測(cè)誤差分析提取裂縫信息,將裂縫信息歸一化和加權(quán)組合,計(jì)算出裂縫發(fā)育綜合指標(biāo),把裂縫發(fā)育程度分為3個(gè)等級(jí):發(fā)育、欠發(fā)育和不發(fā)育,處理結(jié)果表明裂縫發(fā)育等級(jí)與鉆井取心吻合較好,表明測(cè)井屬性分析識(shí)別裂縫可行。

(3) 以TOC、脆性指數(shù)和裂縫發(fā)育情況建立有效儲(chǔ)層的等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)從最基本的參數(shù)體現(xiàn)了“三品質(zhì)”評(píng)價(jià)原則。TOC越高、脆性指數(shù)越大、裂縫越發(fā)育,儲(chǔ)層也就越有效。應(yīng)用該分類方法把儲(chǔ)層分為Ⅰ類、Ⅱ類和干層,評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)壓裂后試油驗(yàn)證表明該預(yù)測(cè)方法可行。

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