大民屯凹陷元古界裂縫密度模型建立方法及應(yīng)用

徐 辰 浩

(中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

古潛山油氣藏巖性復(fù)雜，經(jīng)歷過長(zhǎng)期暴露地表風(fēng)化剝蝕，受多期構(gòu)造作用的疊加改造，發(fā)育多種次生儲(chǔ)集空間，其儲(chǔ)集層復(fù)雜、非均質(zhì)性較強(qiáng)[1-2]。隨著油氣勘探開發(fā)的深入，裂縫型油氣藏所占比重不斷增加，儲(chǔ)量和產(chǎn)量的比例也在上升，使裂縫型儲(chǔ)集層的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)工作受到更多的重視。在裂縫型油氣藏勘探課題研究中，裂縫參數(shù)的求取既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，而成像測(cè)井技術(shù)的出現(xiàn)為裂縫型儲(chǔ)集層刻畫提供了重要的技術(shù)支撐。近些年應(yīng)用成像測(cè)井對(duì)裂縫型儲(chǔ)集層的研究不斷增多，一系列定量求取裂縫參數(shù)的方法體系逐漸形成[3-5]，但因成像測(cè)井成本較高，成像測(cè)井資料獲取率很低，故結(jié)合成像測(cè)井與常規(guī)測(cè)、錄井參數(shù)進(jìn)行裂縫參數(shù)求取很有意義。

以大民屯凹陷S 625區(qū)塊元古界裂縫型儲(chǔ)集層為研究對(duì)象，在收集巖心分析資料的基礎(chǔ)上，綜合利用測(cè)井、錄井等多項(xiàng)資料，對(duì)該潛山油藏儲(chǔ)集層中發(fā)育的裂縫及其性質(zhì)進(jìn)行精細(xì)研究，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)裂縫密度、產(chǎn)狀、有效性等，為后續(xù)裂縫儲(chǔ)集層建模工作提供可靠的井點(diǎn)參數(shù)，進(jìn)而指導(dǎo)油田高效開發(fā)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

S 625區(qū)塊隸屬于遼河坳陷大民屯凹陷安福屯潛山帶，緊鄰平安堡及安福屯生烴洼陷，受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，元古界地層抬升，形成生烴洼陷與元古界潛山洼隆相間的構(gòu)造格局，具備良好的源儲(chǔ)配置，易于油氣在潛山內(nèi)幕聚集成藏。元古界地層包括長(zhǎng)城系大紅峪組(Chd)和高于莊組(Chg)，發(fā)育一套以碳酸鹽巖為主的濱淺海沉積體系[6]，地層分布穩(wěn)定，區(qū)域上可對(duì)比性強(qiáng)，大紅峪組的沉積旋回由泥質(zhì)白云巖-白云巖組成，高于莊組包括6個(gè)沉積旋回，巖性組合為板巖類-石英巖-白云巖。油藏埋深3 150～3 720 m，潛山內(nèi)幕儲(chǔ)集層物性好，且隔層封隔能力強(qiáng)，形成多套儲(chǔ)蓋組合，儲(chǔ)集空間以構(gòu)造裂縫為主，溶蝕孔洞為輔，普遍發(fā)育中高角度裂縫[7]。

2 巖性及裂縫發(fā)育情況

潛山裂縫的發(fā)育很大程度上受巖性影響。從鉆井揭露的地層巖性分布來看，大民屯凹陷S 625區(qū)塊元古界主要鉆遇的巖性類型有石英巖、白云巖、板巖類，局部亦可見輝綠巖等，為準(zhǔn)確建立裂縫評(píng)價(jià)模型，有必要對(duì)巖性做統(tǒng)一的精細(xì)解釋。依據(jù)多口取心井薄片及全巖樣品分析結(jié)果綜合定名，該區(qū)元古界地層主要發(fā)育以下巖性：板巖、云質(zhì)板巖、石英巖、變余石英砂巖、白云巖、硅質(zhì)白云巖、砂屑白云巖、含泥泥晶云巖、含亮晶方解石云巖、泥質(zhì)白云巖。通過巖心及薄片觀察發(fā)現(xiàn)，白云巖類(包括硅質(zhì)白云巖、砂屑白云巖、含泥泥晶云巖、含亮晶方解石云巖)及石英巖中張開的中高角度裂縫最為發(fā)育(圖1、圖2)，泥質(zhì)白云巖、變余石英砂巖等巖性中很難見到張開縫。

圖1 鏡下裂縫發(fā)育特征

圖2 元古界巖心裂縫發(fā)育特征

3 裂縫產(chǎn)狀及有效性分析

按成因分類，大民屯凹陷S 625區(qū)塊元古界裂縫主要發(fā)育構(gòu)造縫和溶蝕縫。構(gòu)造縫是在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下產(chǎn)生的裂縫，其發(fā)育分不同期次，該類裂縫多保存高角度張開縫，對(duì)儲(chǔ)集層儲(chǔ)滲性能起到良好的改善作用；溶蝕縫是由于巖石出露地表發(fā)生化學(xué)風(fēng)化作用而形成的裂縫。在潛山風(fēng)化殼層段除裂縫外還發(fā)育物理或化學(xué)風(fēng)化作用產(chǎn)生的溶蝕孔隙，其主要發(fā)育在與裂縫溝通的暗色礦物中(圖2a)。

巖心觀察發(fā)現(xiàn)，元古界裂縫具有多組系、分布不均、尺寸差別大等特點(diǎn)，主要發(fā)育中高角度縫、網(wǎng)狀裂縫以及各種誘導(dǎo)縫(圖2b)，風(fēng)化殼段裂縫多為方解石等礦物所充填。

成像測(cè)井資料解釋表明(圖3)，S 625區(qū)塊元古界大部分裂縫走向?yàn)楸睎|向，其次為北西向和近東西向。裂縫傾角主要為中高角度, 低角度縫或水平縫較少。

圖3 元古界成像測(cè)井解釋裂縫產(chǎn)狀玫瑰圖

從構(gòu)造角度來看，S 625區(qū)塊被北東東、北北東走向的長(zhǎng)期活動(dòng)斷層所圍限，潛山西側(cè)邊界為逆斷層，東側(cè)邊界為正斷層[8]。本次研究重新梳理了區(qū)域構(gòu)造和斷裂(圖4)，S 625區(qū)塊內(nèi)主干斷裂主要為北東向，根據(jù)以往的研究成果[9-11]，當(dāng)裂縫走向與現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向的夾角小于30°時(shí)，裂縫能最大程度地發(fā)揮其滲濾通道作用；而根據(jù)井周聲波成像解釋資料可判斷現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)榻睎|-南西向。故該區(qū)構(gòu)造裂縫與最大主應(yīng)力具備較好的配置關(guān)系，有利于形成優(yōu)質(zhì)裂縫型儲(chǔ)集層。此外，中部和南部發(fā)育多條北東東向、近東西向斷裂，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造發(fā)育史，這些斷裂應(yīng)源自于東營(yíng)期走滑作用，使得斷裂的發(fā)育多樣化，同時(shí)也在一定程度上指示中南部井鉆遇的裂縫除北東走向外，還包括近東西向等的有效裂縫。如圖4所示，S 229井位于S 625區(qū)塊中南部，玫瑰圖顯示，該井的北東東及近東西向中高角度裂縫均較發(fā)育，雖然S 625區(qū)塊中部大部分井無成像資料，但根據(jù)構(gòu)造發(fā)育樣式可以推測(cè)這些井的裂縫發(fā)育方向會(huì)比較多樣化。

圖4 S 625區(qū)塊元古界斷裂分布與裂縫產(chǎn)狀疊合圖

4 裂縫密度模型建立

前述內(nèi)容已分析裂縫發(fā)育的巖性和裂縫類型、期次、產(chǎn)狀及有效性，但要做到定量或半定量表征裂縫發(fā)育特征，更主要的是計(jì)算表征裂縫發(fā)育程度、尺度的參數(shù)，如裂縫密度、開度、裂縫孔隙度等。目前成像測(cè)井處理系統(tǒng)能夠完整地得到這些參數(shù)，而對(duì)于無成像測(cè)井的區(qū)域，基于不同原理的常規(guī)測(cè)井及錄井方法對(duì)潛山裂縫能夠提供不同的裂縫響應(yīng)，對(duì)這些響應(yīng)的分析和應(yīng)用是提取裂縫參數(shù)的有效途徑。

4.1 裂縫的測(cè)井識(shí)別原則

圖5展示了S 223井潛山裂縫發(fā)育情況及相對(duì)應(yīng)的測(cè)井、錄井響應(yīng)特征。裂縫的測(cè)井敏感參數(shù)包括RT(深側(cè)向電阻率)、RS(淺側(cè)向電阻率)、CAL(井徑)、GR(自然伽馬)、AC(聲波時(shí)差)、DEN(密度)、CNL(井壁中子)、RTRS,RTRS為深淺電阻差比，該參數(shù)定義為(RT-RS)/(RT+RS)；錄井敏感參數(shù)包括Tg(氣測(cè)全烴)、元素In(銦)、元素Cd(鎘)、t(鉆時(shí))、dc指數(shù)等。目前利用常規(guī)測(cè)井方法對(duì)潛山儲(chǔ)集層裂縫識(shí)別應(yīng)遵循以下綜合識(shí)別原則[12-14]：

(1)在基巖高阻值背景下，深淺電阻率明顯減小，有一定的正幅度差，且隨裂縫傾角增大深淺電阻率差異也變大，此外深淺電阻差比在裂縫發(fā)育段明顯增大。

(2)時(shí)差曲線上表現(xiàn)出小幅度的增大和抖動(dòng)，該曲線特征在識(shí)別低角度裂縫或網(wǎng)狀裂縫時(shí)效果較好。

(3)密度測(cè)井值出現(xiàn)明顯降低也表明可能存在碳酸鹽巖裂縫。

(4)發(fā)育裂縫的碳酸鹽巖地層會(huì)出現(xiàn)自然伽馬高異?，F(xiàn)象(圖5)，這是古水流經(jīng)過后放射性物質(zhì)滯留的結(jié)果。

4.2 裂縫的錄井信息響應(yīng)特征

錄井資料是識(shí)別油氣層最直觀的第一手資料，是油氣層綜合分析和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，除常規(guī)錄井參數(shù)外，本研究引入了元素錄井的多種參數(shù)?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)潛山裂縫發(fā)育段的各種錄井信息響應(yīng)特征明顯，且匹配性好，具有以下特點(diǎn)：

(1)巖屑錄井響應(yīng)特征：統(tǒng)計(jì)表明，裂縫發(fā)育段顯示級(jí)別高，且錄井顯示與產(chǎn)能有很好的匹配關(guān)系。裂縫發(fā)育較差層段，顯示級(jí)別低，以熒光為主，偶見油跡；裂縫發(fā)育中等層段以油跡為主，偶見油斑；裂縫發(fā)育好的層段以油斑為主，偶見油跡，初期產(chǎn)油量一般大于50 t/d[15]。

再次，還深化了對(duì)“評(píng)價(jià)”和“編輯”這兩個(gè)階段聯(lián)系機(jī)制的認(rèn)識(shí)。本研究認(rèn)為，失地農(nóng)民對(duì)“項(xiàng)目質(zhì)量”“機(jī)構(gòu)實(shí)力”“師資力量”的特征感知越積極，對(duì)“就業(yè)素質(zhì)提升”這一選項(xiàng)結(jié)果的前景價(jià)值評(píng)價(jià)也會(huì)越高。鑒于“項(xiàng)目質(zhì)量”“機(jī)構(gòu)實(shí)力”“師資力量”隸屬于“編輯”階段，而對(duì)“就業(yè)素質(zhì)提升”的前景價(jià)值評(píng)價(jià)隸屬于“評(píng)價(jià)”階段，因此，失地農(nóng)民對(duì)“項(xiàng)目質(zhì)量”“機(jī)構(gòu)實(shí)力”和“師資力量”的特征感知，同對(duì)“就業(yè)素質(zhì)提升”這一選項(xiàng)結(jié)果的前景價(jià)值評(píng)價(jià)之間的關(guān)系，所反映的其實(shí)就是“評(píng)價(jià)”和“編輯”這兩個(gè)階段的聯(lián)系機(jī)制。

圖5 單井裂縫錄井、測(cè)井響應(yīng)特征

(2)氣測(cè)錄井響應(yīng)特征：由于有效裂縫中的含油高壓地層流體在裂縫被鉆開時(shí),快速進(jìn)入井筒，使鉆井液中的烴含量急劇升高而形成氣測(cè)異常時(shí)，氣測(cè)值快速上升，出現(xiàn)陡峰；當(dāng)裂縫發(fā)育層被鉆穿，氣測(cè)曲線下降。此外，當(dāng)裂縫發(fā)育段較薄(<10 m)時(shí)，氣測(cè)基本呈孤立尖峰狀；當(dāng)裂縫發(fā)育段厚度較大(>10 m)時(shí)，氣測(cè)曲線將出現(xiàn)連續(xù)的尖峰狀、突起緩坡狀或較為寬緩的圓峰狀。

(3)元素錄井響應(yīng)特征：元素錄井能夠提供數(shù)十種造巖元素的含量，通過篩查發(fā)現(xiàn)，Si、Al、Fe、Mg、Ca為S 625區(qū)塊元古界巖性識(shí)別的敏感元素，此外發(fā)現(xiàn)金屬元素In和Cd是該區(qū)裂縫發(fā)育層段的敏感元素，即：白云巖裂縫發(fā)育層段具有高M(jìn)g、高Ca、低Si、低Al、低Fe、高In、高Cd的元素特征，而石英巖裂縫發(fā)育層段具有低Mg、低Ca、高Si、低Al、低Fe、高In、高Cd的元素特征(圖5)。

(4)工程參數(shù)響應(yīng)特征：此類方法可應(yīng)用鉆時(shí)或巖石可鉆性參數(shù)(如dc指數(shù))來評(píng)判。同類巖性在均質(zhì)的條件下可鉆性參數(shù)基本不變，在發(fā)育裂縫時(shí)，巖石強(qiáng)度變小，可鉆性增強(qiáng)，機(jī)械鉆速顯著提高。

4.3 裂縫密度計(jì)算模型

4.3.1 單井裂縫密度曲線解釋的基本思路

既然常規(guī)測(cè)井及錄井參數(shù)能夠?qū)α芽p的發(fā)育有所體現(xiàn)，筆者嘗試?yán)酶咝У臄?shù)學(xué)算法放大這種響應(yīng)。本方法顯然不能同時(shí)提取出裂縫密度、開度、孔隙度等多個(gè)參數(shù)，但如果將表達(dá)裂縫發(fā)育程度的參數(shù)簡(jiǎn)化為1個(gè)(如裂縫密度)，進(jìn)而利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[16]提取出裂縫密度與諸多測(cè)、錄井響應(yīng)之間復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可得到裂縫密度參數(shù)定量計(jì)算模型。BP算法是一種具有2層或3層以上的階層型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，算法的思路是通過網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值，使誤差函數(shù)沿梯度方向下降，逐漸達(dá)到最小[17]。具體裂縫密度建模流程如圖6所示，主要包括以下步驟：

(1)成像測(cè)井解釋裂縫密度曲線的制作，即統(tǒng)計(jì)電(聲)成像解釋的每米裂縫條數(shù)。

(2)測(cè)井、錄井資料預(yù)處理，包括對(duì)測(cè)井、錄井曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除因井眼垮塌、鉆井液侵入等環(huán)境或工程因素造成的異常影響，并對(duì)曲線進(jìn)行濾波處理，過濾掉與地層因素?zé)o關(guān)的統(tǒng)計(jì)誤差或毛刺干擾。測(cè)井建模數(shù)據(jù)包括RT、RS、CAL、GR、AC、DEN、RTRS，錄井?dāng)?shù)據(jù)包括Tg、In、Cd、t等。

圖6 裂縫密度計(jì)算模型建立流程圖

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，選用Petrol軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，該網(wǎng)絡(luò)模型可包括任意多個(gè)輸入?yún)?shù)和一個(gè)目標(biāo)參數(shù)Intensity(裂縫發(fā)育強(qiáng)度/密度)，迭代訓(xùn)練后建立裂縫密度BP模型，并通過相關(guān)系數(shù)矩陣反饋各輸入?yún)?shù)之間的相關(guān)性及對(duì)Intensity計(jì)算的貢獻(xiàn)值(表1、表2、表3)。

4.3.2 BP模型輸入?yún)?shù)優(yōu)選

本方法作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，輸入?yún)?shù)的種類及數(shù)量對(duì)最終輸出模型的精度有較大影響。在模型訓(xùn)練過程中，將輸入?yún)?shù)分選為隨鉆測(cè)錄井?dāng)?shù)據(jù)(電阻率、自然伽馬、井徑、鉆時(shí)、氣測(cè)及其衍生數(shù)據(jù)等)，元素錄井?dāng)?shù)據(jù)及其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(聲波時(shí)差、密度等)三類。將此三類數(shù)據(jù)逐批次增加到BP模型中進(jìn)行訓(xùn)練，從相關(guān)矩陣(表1、表2、表3)來看，隨著輸入數(shù)據(jù)量的增加，BP模型對(duì)裂縫密度(Intensity)的總相關(guān)程度顯著提升，當(dāng)只輸入隨鉆測(cè)、錄井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，模型對(duì)裂縫密度總相關(guān)度為0.678，在此基礎(chǔ)上加入元素In、Cd數(shù)據(jù)，則總相關(guān)度提升為0.735，再加入其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)AC、DEN，則總相關(guān)度提升為0.771。從各個(gè)輸入?yún)?shù)對(duì)裂縫密度的相關(guān)性來看，貢獻(xiàn)率最高參數(shù)是RT、Tg及AC，均屬于公認(rèn)的裂縫表征曲線。貢獻(xiàn)率次高的則是元素錄井的Cd和In，分別達(dá)到0.289和0.234，故在隨鉆條件下進(jìn)行裂縫密度計(jì)算時(shí)，元素錄井是隨鉆測(cè)、錄井參數(shù)的重要補(bǔ)充。如表2所示，此時(shí)的總相關(guān)度接近0.75。在BP模型訓(xùn)練中，根據(jù)所選建模井的資料收集情況，可以調(diào)整不同的輸入?yún)?shù)組合，本研究的建模井包含全部三類數(shù)據(jù)，故優(yōu)選包含隨鉆測(cè)、錄井，元素錄井及其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)作為輸入的BP模型為最終模型，利用該模型計(jì)算的裂縫密度曲線(FRAC-DEN)見圖6。值得注意的是，由于目的層包含石英巖及白云巖兩大類儲(chǔ)集層，需對(duì)不同巖性分別建立各自的裂縫計(jì)算模型。

表1 S 223井BP模型相關(guān)系數(shù)(隨鉆測(cè)、錄井?dāng)?shù)據(jù))

表2 S 223井BP模型自相關(guān)系數(shù)(隨鉆測(cè)、錄井及元素錄井?dāng)?shù)據(jù))

表3 S 223井BP模型自相關(guān)系數(shù)(隨鉆測(cè)、錄井，元素錄井及其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù))

5 應(yīng)用效果分析

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)S 625區(qū)塊元古界共39口井進(jìn)行了裂縫密度曲線計(jì)算，全部井均獲取了隨鉆測(cè)、錄井?dāng)?shù)據(jù)及其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，其中4口井獲取到元素錄井?dāng)?shù)據(jù)。

圖7為S 18-28井裂縫密度計(jì)算成果圖。該井無元素錄井，但在裂縫發(fā)育段(3 600～3 640 m)多種曲線有明顯響應(yīng)：鉆時(shí)參數(shù)較上下層段明顯降低一個(gè)臺(tái)階，RT、RS均表現(xiàn)為高電阻率背景下的低電阻率異常，且有明顯的正幅度差，該段發(fā)育多個(gè)井徑異常，同時(shí)聲波及密度曲線同樣發(fā)育多個(gè)異常尖峰，GR曲線顯示該段巖性較純。基于以上常規(guī)曲線上的綜合裂縫響應(yīng)，該井的裂縫密度計(jì)算效果較好，3 605～3 635 m井段為全井裂縫最為發(fā)育的層段，最大裂縫密度達(dá)到50條/m。經(jīng)井深3 612 m處巖心實(shí)物觀察可見該處裂縫發(fā)育，且裂縫多為中高角度張開縫，局部有溶蝕現(xiàn)象。此外，裂縫密度顯示該井潛山內(nèi)幕同樣有裂縫發(fā)育段存在，3 797～3 818 m井段裂縫密度最大值達(dá)到33條/m。試油結(jié)果顯示：3 607.1～3 642.1 m井段產(chǎn)油7.54 t/d，試油結(jié)果為油層；3 792.1～3 820.1 m井段產(chǎn)油2.85 t/d，產(chǎn)水5.02 m3/d，試油結(jié)果為含油水層。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，全部39口井中，主要產(chǎn)層段平均裂縫密度Ⅰ類井(>30條/m)18口，Ⅱ類井(20～30條/m)11口，Ⅲ類井(<20條/m)10口。裂縫密度與單井累產(chǎn)液量在一定范圍內(nèi)有較好的相關(guān)性，兩者明顯不匹配井有5口，占總井?dāng)?shù)的12.82%。此外，如圖8所示，裂縫密度曲線與地震幾何屬性方差體對(duì)應(yīng)關(guān)系亦較好(方差體高值反映地層斷裂/裂縫帶發(fā)育)，在一定程度上反映了不同資料對(duì)裂縫發(fā)育情況反饋的一致性。

圖7 S 18-28井裂縫密度曲線成果圖

圖8 裂縫密度曲線與方差體屬性對(duì)比剖面

6 結(jié) 論

(1)選取大民屯凹陷S 625區(qū)塊元古界潛山為對(duì)象，建立了一套基于測(cè)、錄井和巖心資料的裂縫參數(shù)表征方法。該方法流程簡(jiǎn)潔，適用性強(qiáng)，而且在建立裂縫密度模型中充分利用了隨鉆測(cè)井、錄井參數(shù)，如元素錄井、氣測(cè)錄井、工程錄井、電阻率及伽馬測(cè)井，這些參數(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)了該裂縫表征方法在隨鉆現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)用性。

(2)巖性對(duì)裂縫發(fā)育程度具有很大影響，對(duì)于不同巖性應(yīng)分別建立裂縫計(jì)算模型。

(3)在裂縫模型建立過程中，少量的巖心分析及成像測(cè)井資料起到了確定裂縫產(chǎn)狀、分析裂縫有效性及提供裂縫密度模型建立依據(jù)的作用，是進(jìn)行裂縫表征的關(guān)鍵性資料。

(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提供了建立錄、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與裂縫發(fā)育情況之間關(guān)系的通道，在模型建立過程中，隨著數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)量的逐漸增加，裂縫密度計(jì)算精度逐漸提高，元素錄井、氣測(cè)錄井參數(shù)起到的作用明顯。

(5)通過將計(jì)算裂縫密度與單井產(chǎn)液量及地震屬性進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)均具備較好的一致性，證實(shí)了該裂縫建模方法具有較好的準(zhǔn)確性。