聲電成像測井在鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣中的應(yīng)用

孫德瑞，趙謙平，張麗霞，高　潮，蓋思明，孫飛飛，徐德行.

(1.陜西省陸相頁巖氣成藏與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安　710075； 2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安　710075； 3.陜西延長油田股份有限公司志丹采油廠，陜西延安　717500； 4.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶　163453)

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7和長9發(fā)育一套暗色泥頁巖，為大型內(nèi)陸湖泊、深湖相沉積，有機(jī)碳含量高，具有較好的含氣潛能[1-2]。但是延長組陸相頁巖具有低孔、特低滲、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鉆井和壓裂施工難度大等特點(diǎn)[3-4]，傳統(tǒng)勘探手段無法解決陸相頁巖氣勘探難題，這就推動了特殊測井方法在頁巖氣研究中的應(yīng)用與發(fā)展。

目前，在國內(nèi)外的頁巖氣勘探中，幾乎所有最新、最先進(jìn)的測井技術(shù)都有所應(yīng)用，如電阻率成像、偶極聲波成像、核磁共振、元素俘獲等[5-6]。本文詳細(xì)介紹了聲電成像等特殊測井在鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣中的應(yīng)用。高分辨率電阻率成像測井采用了陣列電極測量井眼范圍內(nèi)的二維電阻率圖像，在頁巖氣地層的巖性劃分、儲層分類、裂縫識別等方面有著明顯效果，正交偶極聲波測井在地應(yīng)力分析、儲層非均質(zhì)性、巖石力學(xué)研究中有很好的應(yīng)用。依托特殊測井技術(shù)手段，結(jié)合巖心分析、室內(nèi)分析化驗(yàn)、應(yīng)力測試等工程地質(zhì)資料，我們構(gòu)建了一套適用于鄂爾多斯盆地陸相頁巖氣儲層解釋的評價(jià)方法，在實(shí)際勘探開發(fā)過程中取得了顯著成果。

1　區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡一級構(gòu)造單元的南部(圖1)，鄂爾多斯盆地陜北斜坡構(gòu)造總體為平緩的西傾單斜特征，褶皺、斷裂等大型構(gòu)造不發(fā)育，局部發(fā)育因差異壓實(shí)作用而引起的鼻狀隆起[7]。目標(biāo)層位為延長組長7和長9頁巖，區(qū)域儲層埋深大約在1200～1800 m之間。其中，長7暗色頁巖厚度發(fā)育穩(wěn)定，總體厚度在40 m以上，自東北向西南逐漸增厚，西南部最厚處可達(dá)100 m；長7“張家灘”頁巖具有高電阻、高聲波時(shí)差、大井徑、高伽馬值和低密度等特征，是區(qū)域?qū)Ρ鹊臉?biāo)志層。長9油層組頂部為一層深灰色泥巖、炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖即“李家畔”頁巖，在區(qū)域上分布很不穩(wěn)定，常規(guī)曲線上表現(xiàn)為高自然電位、高伽馬、高聲波時(shí)差和高電阻率特征。

圖1　研究區(qū)區(qū)域位置Fig.1　Location of study area

2　聲電成像測井原理

成像測井的基本原理是把由巖性、物性的差異，以及裂縫、孔洞、層理等引起的巖石聲阻抗或電阻率等特性變化，轉(zhuǎn)化為偽色度，通過圖像處理技術(shù)得到井周的二維或三維圖像，從而使人們清晰、直觀地看到地層的巖性和幾何界面的變化[8-9]。電阻率成像和聲波成像是其中最常用的兩類。

以微電阻率掃描成像STAR-Ⅱ儀器為例，它有6個(gè)極板，每個(gè)極板上有24個(gè)測量電極，共144個(gè)測量電極，橫向間距為0.2 in(1 in=2.54 cm)，垂向間距為0.3 in，在直徑8 in井眼條件下，井壁覆蓋面積可達(dá)59%。電阻率成像測井主要反映井壁附近電阻率的變化，在成像圖像上通過彩色或灰度將地層沉積環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、巖性、孔隙度、流體，以及裂縫、溶蝕孔洞等儲層地質(zhì)特征顯示出來[10]。常用的X-MAC正交偶極陣列聲波成像測井是把單極和偶極聲波技術(shù)結(jié)合起來的新一代全波測井技術(shù)，能夠提供地層縱波、橫波、斯通利波等波形資料，它解決了慢速地層的橫波測量問題，是地球物理學(xué)以及巖石彈性特性研究的理想工具[11]。偶極聲波資料處理解釋工作主要在Express處理界面上進(jìn)行，處理過程可分6大部分，即縱、橫、斯通利波時(shí)差的提取，波場分離，滲透率計(jì)算，縱、橫、斯通利波幅度計(jì)算，各向異性與巖石機(jī)械特性分析，以及地應(yīng)力場分析。最后通過綜合解釋，可以利用縱波、橫波時(shí)差、密度及泥質(zhì)和孔隙度資料計(jì)算彈性模量和流體壓縮系數(shù)，可以得到地層各向異性成果圖及地層機(jī)械強(qiáng)度成果圖，進(jìn)而可以開展地層儲層非均質(zhì)性、裂縫、壓裂等方面的研究。

3　聲電成像測井應(yīng)用分析

3.1　巖性劃分與薄互層識別

利用常規(guī)測井曲線、電阻率成像測井、元素分析結(jié)果，結(jié)合取心錄井等地質(zhì)資料，建立頁巖氣地層巖性的綜合測井判別標(biāo)準(zhǔn)(表1)，能快速直觀地確定地層巖性，在研究區(qū)目地層長7和長9主要識別出5種巖性，包括細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖。

表1　鄂爾多斯盆地延長組長7和長9主要巖性測井參數(shù)表Table 1　Main lithologic logging parameters of Chang-7 and Chang-9 in Ordos Basin

具體過程如下：首先，利用常規(guī)測井資料和取心資料建立常規(guī)巖性判別標(biāo)準(zhǔn)，這樣能很好地將砂巖、泥巖和頁巖地層區(qū)分開。其次，在電阻率成像圖中，細(xì)砂巖顯示相對亮條紋，局部見顆?；驂K狀；粉砂巖相對顏色均一，且自然伽馬較細(xì)砂巖高，電阻率稍低；頁巖在電成像圖上顯示為高阻極亮或白色的條紋；泥巖顯示高導(dǎo)的暗色條紋，多發(fā)育水平層理；常規(guī)測井中頁巖具有“三高兩低”特征，這樣可以快速識別頁巖地層。最后，在頁巖確定的基礎(chǔ)上，利用ECS元素俘獲測井能很好地將泥質(zhì)頁巖和硅質(zhì)頁巖區(qū)分開，泥質(zhì)頁巖中含有較高的鋁鐵元素，而硅質(zhì)頁巖中的鈣元素含量較高(圖2)。

微電阻率成像測井有著極強(qiáng)的薄層分辨能力，電阻率成像測井的垂向分別率可達(dá)到0.2 in，大大優(yōu)于普通電阻率測井，能夠很好地識別頁巖層中的薄互層和頁巖層理結(jié)構(gòu)(圖2)。頁巖中的薄層砂巖地層具有間斷分布、脆性指數(shù)高等特點(diǎn)[12]，是頁巖氣工程壓裂施工和水平井水平段追蹤的優(yōu)選層段。另外，配合使用偶極聲波測井可進(jìn)一步對頁巖氣層進(jìn)行儲層分類、壓裂優(yōu)選、巖石學(xué)等進(jìn)行研究。

3.2　儲層識別與分類

在電阻率成像圖上含氣頁巖層段呈現(xiàn)異常高電阻率的亮白色條紋(圖3)，并且優(yōu)質(zhì)含氣頁巖段可見氣層“涂抹現(xiàn)象”。氣層“涂抹現(xiàn)象”既不是地質(zhì)特性，也不是機(jī)械特性，而是在低滲透率含氣地層被鉆井打開時(shí)，天然氣在井壁周圍緩慢滲向井筒，形成的電絕緣體氣體泡沫覆蓋了全部或部分井壁周圍，當(dāng)微電極遇到絕緣氣泡層時(shí)，儀器讀值顯示極高的電阻率，結(jié)果導(dǎo)致圖像上顯示為典型的“白色”斑片狀。它在極低滲透率含氣砂巖地層是普遍存在的。通過對圖3的成像圖像分析，含氣頁巖也存在氣層涂抹現(xiàn)象，但是僅在一些微裂縫發(fā)育的優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段才能看見這種現(xiàn)象，利用這些特性可以很好地識別出頁巖氣“甜點(diǎn)區(qū)域”。

圖3　Y1井測井解釋綜合柱狀圖Fig.3　Comprehensive logging interpretation of well Y1

利用多種測井技術(shù)，在ELAN測井平臺對含氣頁巖段進(jìn)行了儲層分類研究，主要參考儲層有效孔隙度、TOC、含氣量、黏土礦物含量、含氣飽和度、厚度等進(jìn)行儲層分類。將區(qū)域頁巖氣儲層分為3類，標(biāo)準(zhǔn)如下：

Ⅰ類頁巖儲層：有效孔隙度較高，基本大于5%；TOC較高，基本高于4%；含氣量一般高于4 m3/t；黏土礦物體積含量略低，一般低于40%。圖3中的9和11號小層為Ⅰ類頁巖儲層。

Ⅱ類頁巖儲層：有效孔隙度在3%～5%；TOC高于2%，或者有效孔隙度略低，低于3%，但TOC高，在4%以上；含氣量一般高于2 m3/t。圖3中6、7、8、10、12小層為Ⅱ類頁巖儲層。

Ⅲ類頁巖儲層：有效孔隙度基本低于3%，TOC低于2%，含氣量一般低于2 m3/t，厚度較小。圖3中的4、5、14號等小層為Ⅲ類頁巖儲層。

3.3　地應(yīng)力分析

在油氣層的壓裂改造中，地應(yīng)力狀態(tài)、地層巖石力學(xué)性質(zhì)決定著水力裂縫的形態(tài)、方位、高度和寬度，影響著壓裂增產(chǎn)效果，因此，地應(yīng)力分析在頁巖氣研究中占著很重要的地位[13-14]。

3.3.1巖石彈性參數(shù)計(jì)算

巖石的彈性模量參數(shù)是地應(yīng)力計(jì)算和井眼穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。對于彈性介質(zhì)，當(dāng)動應(yīng)力不超過介質(zhì)的彈性極限時(shí)，則產(chǎn)生彈性波，該彈性波的傳播特征與巖石的動力學(xué)特性有關(guān)。圖4為Y1井利用偶極全波等測井方法計(jì)算得到的巖石力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)縱、橫波傳播方程給出的縱、橫波速度與巖石動力學(xué)參數(shù)之間的理論關(guān)系，用縱波時(shí)差Δtc、橫波時(shí)差Δts，密度測井得到體積密度ρb，就可計(jì)算各種巖石力學(xué)參數(shù)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中Gdyn——動態(tài)剪切模量，GPa；

Gdyn——動態(tài)體積模量，GPa；

Gdyn——動態(tài)楊氏模量，GPa；

Gdyn——動態(tài)泊松比，無量綱；

圖4　Y1井巖石力學(xué)參數(shù)Fig.4　Rock mechanical parameter map of well Y1

ρb——體積密度，g/cm3；

Δts、Δtc——橫波、縱波時(shí)差，μs/m。

3.3.2地應(yīng)力方向

確定地應(yīng)力方向的方法包括井眼崩落方向、天然和水力裂縫方向、井壁成像，橫波各向異性等多種方法。橫波的各向異性方法是利用XMAC測井的快慢橫波分離現(xiàn)象來確認(rèn)水平最大主應(yīng)力方向，當(dāng)橫波造成的質(zhì)點(diǎn)振動方向與裂縫走向成一個(gè)角度(0～90°)時(shí)，入射波將分解成平行和垂直于裂縫走向振動，并且沿井軸向上以不同速度傳播的快慢橫波，快慢橫波的偏振方位就指示了裂縫的走向。在一些地應(yīng)力欠平衡或裂縫發(fā)育的地層可以利用聲波的這種現(xiàn)象識別地層非均質(zhì)性或裂縫走向。

從圖3中的快慢橫波的圖道可知，Y1井在長7有較強(qiáng)非均質(zhì)性，根據(jù)快橫波方位可確定Y1井在該段地層的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—南西西向。而在成像測井圖道中可見天然裂縫不發(fā)育，但發(fā)育些豎直狀張性鉆井誘導(dǎo)縫，其方位為北東東—南西西向，表明現(xiàn)今井旁最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東—南西西向，這與偶極聲波測井有了很好印證。

3.4　裂縫分析

3.4.1裂縫類型

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及前人研究成果，可知延長組中生界暗色泥頁巖中發(fā)育有剪切構(gòu)造縫、張性構(gòu)造縫、滑脫縫、層理縫、層間縫和異常壓力縫等多種類型的裂縫。根據(jù)研究目的不同將區(qū)域延長組頁巖段裂縫進(jìn)行分類，按充填類型裂縫分為充填縫、半充填縫和未充填縫，識別的充填物主要為泥質(zhì)、方解石、石英質(zhì)3種。也可按天然裂縫和誘導(dǎo)縫分為兩大類(圖5)。天然裂縫按成因和角度可分為高角度構(gòu)造裂縫、近水平成巖縫、近水平頁巖層理縫，其中以層理縫最為普遍。天然裂縫對于研究油氣運(yùn)移關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)造特征等有很重要的意義。次生誘導(dǎo)裂縫分為應(yīng)力釋放縫、重泥漿和地應(yīng)力不平衡造成的壓裂縫、鉆具震動縫，在研究過程中次生誘導(dǎo)縫會對天然裂縫的研究造成干擾，但提供了巖石力學(xué)和地應(yīng)力方面的重要信息。

圖5　鄂爾多斯盆地延長組陸相頁巖裂縫類型(靜態(tài)微電阻率掃描成像)Fig.5　The map of shale fracture pattern of Yanchang group in Ordos Basin (static micro-resistivity scanning imaging)

3.4.2裂縫產(chǎn)狀

圖5a為Y2井長7“張家灘”頁巖層段內(nèi)的構(gòu)造裂縫，角度為41.4°左右，傾向?yàn)?66°，走向?yàn)楸睎|東—南西西向(表2)。從電成像圖來看，該井長7地層頁巖段(1360～1410 m)顯示巖性主要是頁巖和砂泥巖互層，主要發(fā)育水平層理、低角度波狀層理，地層傾角較低，主頻僅2°左右，地層平緩，局部地層傾角有所增高。該井的全波列波形(圖6)顯示頁巖段的幅度降低，三波時(shí)差均表現(xiàn)為增高現(xiàn)象，橫波與縱波速度比減小。綜合常規(guī)測井資料，知此處為典型的頁巖特征。

表2　Y2井長7層位構(gòu)造裂縫特征表Table 2　Structure fracture characteristic tableof Chang-7 in well Y2

圖6　Y2井長7段全波列波形圖Fig.6　Full waveform graph of Chang-7 formation in well Y2

圖5d為Y3井長9“李家畔”頁巖內(nèi)發(fā)育的應(yīng)力釋放縫，裂縫呈平行高角度排列，裂縫傾角在70～80°，傾向向東。在全波幅度圖形(圖7)中，可見縱波、橫波、斯通利波較致密的圍巖均有明顯衰減，在全波列波形圖形中顯示明顯的幅度降低，三波時(shí)差均表現(xiàn)為增高現(xiàn)象，縱橫波速度比增大，這是明顯的頁巖特征。

3.4.3裂縫定量計(jì)算

聲電成像測井不僅能定性地判斷裂縫存在，而且可通過Logview或Express等軟件進(jìn)行裂縫的人工或自動識別，定量給出裂縫視平面參數(shù)，如視裂縫長度、視裂縫寬度、裂縫開度、裂縫水動力寬度、裂縫密度和視孔隙度等。

利用專業(yè)軟件分析可知，Y2井在長7油層組發(fā)育有多條裂縫(表3)，裂縫長度為1.95 m/m2；水動力寬度為0.004736 mm/m；裂縫密度為0.134條/m；裂縫開度較小，在0.001036～0.011611 mm之間，平均為0.004736 mm；裂縫多為充填縫，裂縫孔隙度極低，大部分被泥質(zhì)和方解石充填。長9油層組發(fā)育裂縫較長7少，裂縫長度為1.7 m/m2；但水動力寬度大于長7，達(dá)到0.007549 mm/m；開度范圍與長7相當(dāng)，但平均開度較高，達(dá)到0.007549 mm。

4　結(jié)論及建議

(1)聲電成像測井在鄂爾多斯盆地頁巖氣地層的廣泛應(yīng)用，解決了頁巖氣儲層分類、薄層識別和優(yōu)質(zhì)氣層識別等難題。偶極聲波成像的應(yīng)用，使我們對鄂爾多斯盆地頁巖氣地層的巖石力學(xué)、地層非均質(zhì)性等有了更好的了解，并且在陸相頁巖氣的壓裂選層及水平井施工方面有很大幫助。

(2)由于鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣低孔、低滲的致密特征，常規(guī)測井很難有效識別裂縫，因此，聲電成像測井的配合使用實(shí)現(xiàn)了致密層裂縫的有效識別；結(jié)合巖心和其他地質(zhì)資料，就能很好地判定區(qū)域頁巖地層裂縫類型、裂縫產(chǎn)狀、裂縫參數(shù)等信息；綜合其他特殊測井和常規(guī)測井解釋，進(jìn)一步可以分析得到裂縫常規(guī)測井響應(yīng)特征，進(jìn)而可以降低特殊測井的使用，減少了工程成本。

圖7　Y3井長9地層全波幅度圖Fig.7　Full wave amplitude map of Chang-9 formation in well Y3

層段頂深/m底深/m厚度/m數(shù)目/條裂縫長度/(m·m-2)水動力寬度/(mm·m-1)密度/(條·m-1)面孔率/%孔隙度/%平均開度/mm最小開度/mm最大開度/mm長713121431119161.950.0047360.1340.00060.00060.0047360.0010360.011611長9150315959271.70.0075490.0760.00070.00070.0075490.0036190.011823

(3)頁巖氣的評價(jià)不僅包括巖性、地應(yīng)力、含氣頁巖儲層分類、裂縫方面的研究，也包括干酪根成熟度、頁巖有機(jī)質(zhì)含量、含氣量等的分析研究，這些就需要進(jìn)一步結(jié)合其他手段，如元素俘獲測井和核磁共振測井等，或者結(jié)合室內(nèi)地化試驗(yàn)和現(xiàn)場解吸氣分析資料等進(jìn)一步研究。

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