大牛地氣田裂縫有效性分步表征方法及應(yīng)用

彭先鋒, 鄧虎成, 張燁毓, 肖　睿, 歐浩淼, 唐　杰

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059;2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，成都 610500;3.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，成都 610051)

大牛地氣田裂縫有效性分步表征方法及應(yīng)用

彭先鋒1, 鄧虎成1, 張燁毓2,3, 肖睿1, 歐浩淼1, 唐杰1

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059;2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，成都 610500;3.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，成都 610051)

[摘要]裂縫是低品位氣田天然氣運移的主要通道，其發(fā)育程度是控制儲層品質(zhì)的重要因素，分步表征裂縫有效性有助于典型裂縫性氣藏的儲層評價。本文采用多種測井系列分步表征裂縫有效性，通過大量的巖心觀察掌握鄂爾多斯盆地大牛地氣田裂縫的基本特征，采用交會圖法分析裂縫的測井響應(yīng)特征，并建立基于常規(guī)測井的判別分析模型，在定量計算裂縫寬度的基礎(chǔ)上，利用分形理論法表征其裂縫的有效性。分步表征方法克服了裂縫寬度計算公式選擇的盲目性和單井?dāng)?shù)據(jù)整體偏移的影響，避免了非裂縫段的干擾。

[關(guān)鍵詞]裂縫性氣藏；大牛地；裂縫；表征方法

裂縫性氣藏是目前勘探開發(fā)的熱點[1]。此類氣藏裂縫發(fā)育程度是控制產(chǎn)能的重要因素，因為裂縫既是重要的儲集空間，又是良好的滲流通道。裂縫發(fā)育的多期次性、不均勻性以及儲層各向異性等地質(zhì)因素的影響，裂縫性氣藏的測井評價存在諸多難點：常規(guī)測井系列解釋具有多解性，無法精準識別裂縫有效性；地層微電阻率掃描成像測井能提供井壁圖像，進而識別井眼尺度的裂縫系統(tǒng)和對井筒范圍內(nèi)的裂縫精細刻畫[2]，但受經(jīng)濟效益的制衡和泥漿污染影響，缺少廣泛推廣且其不能表征裂縫的有效性。因此，利用常規(guī)測井資料表征裂縫及表征裂縫有效性具有重要意義。

1裂縫特征

對鄂爾多斯盆地大牛地氣田86口取心井的裂縫產(chǎn)狀統(tǒng)計表明：以垂直裂縫和高角度斜交裂縫為主，少見低角度斜交裂縫和水平裂縫。其中垂直裂縫(裂縫傾角>75°[3])51條，占70.83%；垂直裂縫走向平直，縫面見水平方向的擦痕和“X”型剪切破裂。斜交裂縫21條，占29.17%；縫面見擦痕、階步等縫面構(gòu)造，剖面為“X”型剪切破裂，該類裂縫往往有共軛現(xiàn)象[4](圖1)。充填裂縫以垂直裂縫、高角度裂縫、網(wǎng)狀裂縫為主，充填物主要為方解石、白云石和泥質(zhì)(圖2)。

圖1　大牛地氣田裂縫產(chǎn)狀特征Fig.1　Characteristics of crack occurrence in Daniudi gas field

圖2　大牛地氣田裂縫充填特征Fig.2　Characteristics of crack filling in Daniudi gas field

2裂縫識別

2.1測井響應(yīng)

提取裂縫的測井響應(yīng)參數(shù)是應(yīng)用常規(guī)測井資料解釋和表征裂縫有效性的根本。從300條裂縫中選取128個典型裂縫樣本和巖心上非裂縫段的79個典型非裂縫樣本，共計207個樣本點進行測井信號響應(yīng)分析。對207個樣本點所對應(yīng)的測井電信號參數(shù)分別進行選擇性數(shù)據(jù)讀取和統(tǒng)計：垂直裂縫測井參數(shù)取平均值，斜交裂縫取極值，非裂縫段取平均值；為凸顯電阻率和井徑對裂縫的響應(yīng)，組合深、淺雙側(cè)向電阻率測井和2個垂直方向的井徑測井，形成“深淺雙側(cè)向電阻率差”和“井徑差”。結(jié)合巖心觀察結(jié)果、常規(guī)測井響應(yīng)對裂縫的分辨能力和裂縫對產(chǎn)能的意義，不考慮裂縫充填程度僅對裂縫有限性進行識別，將裂縫劃分為2類進行表征：一類為有效裂縫(包括未充填裂縫和半充填裂縫)；另一類為無效裂縫(包括無裂縫和完全充填裂縫)。工區(qū)內(nèi)207個樣品點進行測井參數(shù)取值并編制測井電性交會圖(圖3～圖6)。常規(guī)測井能區(qū)分測井響應(yīng)特征不同的有效裂縫和無效裂縫：有效裂縫相對無效裂縫測井響應(yīng)上表現(xiàn)為聲波時差測井值增大，中子測井值增加；部分樣本的密度值略有降低，自然伽馬測井值變大、裂縫段有井徑突變現(xiàn)象，自然電位測井對裂縫沒有響應(yīng)。

圖3　聲波時差與自然伽馬測井交會圖Fig.3　Crossplot of acoustic time and natural gamma ray logging

圖4　中子與自然伽馬測井交會圖Fig.4　Crossplot of neutron and natural gamma ray logging

圖5　深淺電阻率差與井徑差測井交會圖Fig.5　Crossplot of depth of resistivity difference and difference of caliper logging

2.2判別模型

采用極差正規(guī)化[5,6]對數(shù)據(jù)預(yù)處理[式(1)]，使測井參數(shù)分布在0～1，從而消除測井響應(yīng)值因數(shù)量級差異或井間環(huán)境未校正產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，確保測井參數(shù)對裂縫判別模型貢獻的真實性。

設(shè)原始數(shù)據(jù)xij(i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,m)

(1)

圖6　自然電位與密度測井交會圖Fig.6　Crossplot of spontaneous potential and density logging

式中：xj max為n個樣本中第j個變量的最大值;xj min為n個樣本中第j個變量的最小值。

引入自然伽馬、自然電位、密度、雙井徑、聲波、中子、深淺雙側(cè)向測井等測井系列采用逐步判別方法和貝葉斯(Bayes)判別準則，通過剔除各項測井參數(shù)，確立2類樣品的判別函數(shù)并建立裂縫判別模型[式(2)、式(3)]。初始驗證下判別結(jié)果為有效裂縫的識別率為87.5%，無效裂縫的識別率為98.7%；交叉驗證下有效裂縫識別率為86.7%，無效裂縫識別率為97.5%(表1)。判別分析篩選的樣本具有足夠的典型性，裂縫判別模型對大牛地氣田裂縫有效性具有判識能力。

表1　裂縫樣本判別結(jié)果

Y1=5.041(XCAL2-XCAL1)+65.765(XLLD

-XLLS)+10.454XAC+12.031XCNL-6.734

(2)

Y2=2.254(XCAL2-XCAL1)+146.346(XLLD

-XLLS)+0.462XAC+7.916XCNL-2.528

(3)

式中：Y1為有效裂縫判別函數(shù)；Y2為無效裂縫判別函數(shù)；XCAL1、XCAL2為井徑測井；XLLD為深側(cè)向電阻率測井；XLLS為淺側(cè)向電阻率測井；XAC為聲波時差測井；XCNL為中子測井。

對比鉆井巖心裂縫發(fā)育情況，有效裂縫的判別概率標(biāo)準為>0.6，無效裂縫的判別概率標(biāo)準為<0.4。判別分析得到的判別概率值<0.4的層段裂縫往往不發(fā)育；判別概率值在0.4～0.6時與半充填裂縫段相對應(yīng)；判別概率值在0.6～1時與有效裂縫發(fā)育段吻合；識別結(jié)果與巖心觀察結(jié)果吻合度為85%(圖7)。裂縫判別模型識別的有效裂縫段具有較高的可信度，可作為裂縫性氣藏裂縫有效性的表征手段之一。

圖7　大92井裂縫判別分析剖面圖Fig.7　Discrimination analysis of fractures of Well DA92

2.3裂縫寬度

大牛地氣田主要發(fā)育的斜交裂縫和垂直裂縫在深淺雙側(cè)向測井上具有明顯正幅度差，可以用公式(4)計算解釋裂縫寬度[7-9]。裂縫寬度集中在15.91～2 970.75 μm，有效裂縫的寬度下限為470 μm，裂縫寬度具有<470 μm、470～630 μm和>630 μm 3個峰態(tài)。第一個區(qū)間的裂縫一般為完全充填或處于閉合狀態(tài)的裂縫和非裂縫段；第二個區(qū)間對應(yīng)半充填或裂縫張開度不高、有效性差的半充填裂縫；第三個區(qū)間為裂縫張開度大(未充填)，屬于有效程度高的裂縫，反映有效裂縫的寬度參數(shù)特征。

(4)

式中：

b為裂縫張開度(μm)；Cm為泥漿電性參數(shù)；α為裂縫傾角(°)；γLLS、γLLD為地層淺側(cè)向、深側(cè)向電導(dǎo)率(S/m)；ρLLS、ρLLD為地層淺側(cè)向、深側(cè)向電阻率(Ω·m)；ρm為泥漿電阻率(Ω·m)；r為井筒半徑(m)；d為側(cè)向測井聚焦電流層厚度(m)；ds為地層淺側(cè)向電極探測距離(m)；dd為地層深側(cè)向電極探測距離(m)。

2.4分形識別法

分形理論(R/S)主要用來描述、評價和預(yù)測某參數(shù)在空間的復(fù)雜分布，使在經(jīng)典幾何空間里無法刻畫的復(fù)雜幾何體，可以被準確客觀地認識[10]。R/S法在雙對數(shù)坐標(biāo)下擬合的直線斜率可以反映分形參數(shù)的復(fù)雜程度，結(jié)合巖心裂縫發(fā)育數(shù)據(jù)，選擇聲波時差測井作為R/S分析法的分析參數(shù)，其中縱坐標(biāo)R/S代表無因次的測井?dāng)?shù)據(jù)序列相對波動強度，橫坐標(biāo)N代表無因次的樣本編號。由聲波時差測井的R/S分析曲線(圖8)可知：裂縫發(fā)育段的特征為赫斯特指數(shù)(H)減小，分形維數(shù)(D)增大；巖心上發(fā)育有效裂縫(未充填裂縫、不完全充填裂縫或是破碎段)，曲線偏離初始曲線斜率并出現(xiàn)下凹段[11,12]。儲層巖性變化影響聲波時差數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度進而影響R/S法識別精度——由于巖性突變，儲層巖性界面處易出現(xiàn)曲線分形維數(shù)急劇增加。該方法對大牛地氣田裂縫識別效果較好，可作為裂縫有效性分步表征的依據(jù)之一(圖9)。

3裂縫分步表征

常規(guī)測井進行裂縫有效性識別易受鉆井泥漿、地層流體、儲層巖性等諸多因素影響。上述各種方法從常規(guī)測井的不同層次，分析判斷后提取反映裂縫響應(yīng)特征信息。由于各方法受到的影響因素各有側(cè)重，通過綜合上述方法分步表征裂縫有效性可顯著提高其精度：①根據(jù)巖心觀察確定大牛地氣田裂縫特征；②在明確裂縫特征的基礎(chǔ)上，分析裂縫樣本的常規(guī)測井響應(yīng)特征；③根據(jù)裂縫測井響應(yīng)特征，選擇合適測井參數(shù)建立裂縫判別模型并進行單井裂縫發(fā)育段判別；④計算裂縫寬度，用單井裂縫發(fā)育段的裂縫寬度分布區(qū)間確定無效裂縫、較有效裂縫和有效裂縫；⑤利用分形識別法印證有效裂縫，排除單井縱向上數(shù)據(jù)整體偏移的影響。根據(jù)裂縫分步表征流程，制定大牛地氣田裂縫有效性分布表征識別標(biāo)準(表2)。大牛地氣田的單井裂縫有效性評價結(jié)果和鉆完井歷史、錄井描述、單井取心實際、生產(chǎn)動態(tài)曲線以及增產(chǎn)效果相一致。

圖8　聲波時差測井的R/S與N之間的對數(shù)曲線Fig.8　Difference of logging acoustic time between R/S and N logarithmic curve

圖9　大92井R/S法有效裂縫識別剖面Fig.9　R/S method of identification of effective fractures of Well DA92

表2　大牛地氣田裂縫分布表征識別標(biāo)準

4結(jié)論

大牛地氣田有效裂縫相比無效裂縫聲波時差測井值增大，電阻率出現(xiàn)幅度差，中子測井值增加，部分樣品密度測井值降低、自然伽馬測井值變大，有擴徑現(xiàn)象。

裂縫有效性分步表征方法克服了裂縫寬度計算公式選擇的盲目性，判別模型的建立避免了非裂縫發(fā)育段(例如物性好的層段)裂縫寬度計算值對利用裂縫寬度計算值表征裂縫有效性的干擾，分形識別法排除了裂縫寬度因單井縱向上數(shù)據(jù)整體偏移的影響。

在大牛地氣田裂縫有效性評價中的應(yīng)用表明：裂縫有效性分步表征方法是有效可行的，可作為后續(xù)裂縫成因分析、裂縫分布預(yù)測的基礎(chǔ)，也為其他裂縫性氣藏的裂縫描述提供借鑒。

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Research and application of fracture valid characterization approach in Daniudi gas field, Ordos Basin, China

PENG Xian-feng1, DENG Hu-cheng1, ZHANG Ye-yu2,3, XIAO Rui1,OU Hao-miao1, TANG Jie1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059 ,China;2.EngineeringInvestigationandDesignInstituteofSichuanProvincialCoalfieldBureau,Chengdu610500,China;3.SichuanProvincialKeyLaboratoryofShaleGasEvaluation&Exploitation,Chengdu610051 ,China

Abstract:Fractures play an important role in migration of natural gas in the rocks, therefore fracture development is vital for improving the quality of reservoir. Validity of the fractures is significant in evaluation of low-quality fractured gas field, so it is a key to reservoir assessment in Daniudi gas field. Mass core observation, multiple well logging interpretations and electrical property cross plot are used to study the characteristics of fractures in Daniudi gas field, obtain the conventional well logging response characteristics, establish well logging discrimination model and calculate parameters by fractal recognition approach to recognize single well fractures and determine fracture validity. It shows that fractal recognition approach is useful in the fracture validity evaluation of Daniudi fractured gas field, and it also provides valuable reference for other fractured gas fields. The application of this approach can avoid the interference of non fracture section and avoid the influence of selection of calculating formula of fracture width.

Key words:fractured gas reservoir; Daniudi gas field; fractures; characterization method

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.08

[文章編號]1671-9727(2016)03-0320-06

[收稿日期]2015-05-26。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(41202096)。

[分類號]TE122.23

[文獻標(biāo)志碼]A

[第一作者] 彭先鋒(1990-),男,碩士研究生,研究方向:油氣藏地質(zhì)綜合評價, E-mail:xianfengxinxin@gmail.com。