致密砂巖裂縫測井識別特色技術(shù)及其應(yīng)用效果
——以四川盆地川西坳陷新場氣田上三疊統(tǒng)須家河組二段為例

劉志遠(yuǎn)，李 浩，武清釗，南澤宇，蘇俊磊，金武軍

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

致密砂巖是指孔隙度小于10%、覆壓基質(zhì)滲透率低于0.1×10-3μm2的砂巖[1-2]，在中國分布廣泛，特別是在四川盆地、鄂爾多斯盆地陸相地層。其中，致密油可采資源量達(dá)到(10～20)×108t[3]，天然氣可采資源量達(dá)到(8.8～12.1)×1012m[4]，是中國最具潛力的油氣資源。致密砂巖中常發(fā)育裂縫，而裂縫不但是致密砂巖油氣儲集與運移的重要通道，更是這類儲層能否獲得高產(chǎn)及穩(wěn)產(chǎn)的重要因素[5-9]。準(zhǔn)確識別井點上的裂縫，可以為搞清致密砂巖中裂縫分布、尋找致密砂巖甜點與有效開發(fā)提供有利的依據(jù)。

電成像是識別裂縫的有效方法[10-14]，但由于電成像價格高、測速慢，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用并不廣泛。利用常規(guī)測井識別裂縫很早就被提出并被持續(xù)研究，J.蘇等人采用孔隙度與微球形聚焦電阻率交會識別裂縫[15]，孫建孟采用曲線變化率法和孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)法等方法識別裂縫[16]，譚海芳提出通過孔隙度差值、電阻率下降、聲波時差增大和變密度異常等指示裂縫[17]，趙永剛提出基于井徑、電阻率、密度和聲波等常規(guī)測井曲線計算出8個裂縫指示參數(shù)，構(gòu)建裂縫綜合識別參數(shù)進行裂縫識別[18]。由于受常規(guī)測井分辨率低、致密砂巖段巖性和物性變化快以及裂縫發(fā)育規(guī)模小且產(chǎn)狀多變等因素影響，裂縫識別難度較大[19-20]，嚴(yán)重影響了致密砂巖氣藏評價與有效開發(fā)。因此，有必要進一步探索利用常規(guī)測井識別致密砂巖裂縫的方法。

本文以川西坳陷新場氣田上三疊統(tǒng)須家河組二段致密砂巖為例，依據(jù)巖心、電成像和生產(chǎn)測試等一手資料明確裂縫層段，搞清裂縫常規(guī)測井響應(yīng)特征，通過提取多個裂縫敏感參數(shù)，采用灰色關(guān)聯(lián)識別裂縫，模式聚類識別裂縫類型，取得了較好的應(yīng)用效果，研究成果對致密砂巖新井投產(chǎn)方案設(shè)計、老井挖潛、儲層類型評價和產(chǎn)能預(yù)測等具有積極意義。

1 研究區(qū)概況

川西坳陷位于龍門山?jīng)_斷帶與龍泉山隆起帶所限定的四川盆地西部，是晚三疊世以來形成的疊覆型盆地，坳陷呈現(xiàn)“三隆兩凹一坡”的構(gòu)造格局[21]，即龍門山前構(gòu)造帶、新場構(gòu)造帶、知新場構(gòu)造帶、成都凹陷、梓潼凹陷和中江斜坡。新場氣田處于川西坳陷中段NEE向新場構(gòu)造帶上，是從晚三疊世以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動的復(fù)合大型隆起帶[22-23](圖1)，氣田位于該構(gòu)造帶西部，整體上表現(xiàn)為NWW向構(gòu)造，南陡北緩。

四川盆地自元古宙—新生代沉積有巨厚的海-陸兩相巖層，須家河組為晚三疊世海-陸過渡相與早期陸相沉積，該時期川西坳陷處于龍門山類前陸盆地的前緣坳陷帶沉降和沉積中心[24-25]，存在西部龍門山、東部川中古隆起以及北部米倉山-大巴山造山帶等多個物源?？v向上須家河組可分為5段，其中須二段早中期主要為三角洲-湖泊沉積體系，后期河道發(fā)育，發(fā)育數(shù)個規(guī)模較大的辮狀河三角洲沉積體系，這使得新場地區(qū)須二段沉積厚度較大(鉆厚560～660 m)，中、上部地層巖性以厚層細(xì)粒巖屑砂巖為主，砂體單層厚度平均可達(dá)70 m，下部主要為砂巖和泥頁巖互層，砂體中常夾有泥質(zhì)條帶和煤層(線)。

須二段砂體物性致密，孔隙度主要分布在2.5%～4.5%，基質(zhì)滲透率差，普遍低于0.1×10-3μm2，但局部也存在孔隙較發(fā)育層段，如新203井部分巖心孔隙度達(dá)到9%，滲透率達(dá)0.2×10-3μm2。

受多期構(gòu)造運動的影響，砂體中裂縫發(fā)育[26-27]，巖心多見低角度裂縫(圖2a)，局部見高角度裂縫。低角度裂縫密度較大，部分巖心呈薄餅狀，但開度小，常有次生方解石、次生石英等填充。高角度裂縫密度相對較低，裂縫開度相對較大，呈填充-半填充狀(圖2b)。

鄰近的什邡金河剖面露頭顯示(圖2c)，須家河組厚層巖屑砂巖中發(fā)育大型低角度裂縫組合，其中2條大開度低角度裂縫穩(wěn)定發(fā)育，裂縫開度大、延伸長，但裂縫密度低，其周圍發(fā)育大量的伴生裂縫，這些伴生裂縫雖裂縫密度大，但開度小，產(chǎn)狀復(fù)雜多變。

2 裂縫測井響應(yīng)特征

裂縫為連續(xù)或不連續(xù)的面狀非均質(zhì)儲集空間，其中充注有油氣和地層水等原始流體。由于鉆井過程中采用井筒壓力大于地層壓力鉆井，鉆井液會沿著張開裂縫侵入地層，驅(qū)替其中的原始流體。測井時，縫間流體、裂縫產(chǎn)狀、裂縫密度、開度和填充程度等因素都會對測井儀器響應(yīng)造成不同程度的影響，部分測井系列響應(yīng)較為明顯。

2.1 電阻率測井響應(yīng)

裂縫對側(cè)向系列電阻率測井影響較大。由于工區(qū)內(nèi)鉆井液主要采用水基泥漿，導(dǎo)電性較好，侵入裂縫的泥漿與地層形成并聯(lián)導(dǎo)電[28]，造成裂縫段電阻率較之鄰近相似無縫地層突變降低，特別是在高阻背景條件下(圖3，深度4 955～4 960 m)。裂縫數(shù)值模擬[29]顯示，裂縫段電阻率降低程度與裂縫張開度、裂縫內(nèi)泥漿礦化度、背景電阻率等因素呈正比，而與裂縫填充程度呈反比。

雙側(cè)向幅度差異也受裂縫影響，主要是由于深、淺側(cè)向探測深度不同，裂縫-地層并聯(lián)導(dǎo)電系統(tǒng)中裂縫影響存在差異[30]，網(wǎng)狀縫與高角縫的雙側(cè)向表現(xiàn)為明顯的正差異特征，而低角縫雙側(cè)向基本重合。

造成電阻率降低的并非只有裂縫，孔隙發(fā)育、泥質(zhì)條帶甚至巖石粒度變細(xì)也會造成電阻率降低(圖4，深度5 006～5 011 m)。引起雙側(cè)向正差異的也不僅僅只有天然裂縫，鉆井過程中形成的鉆井誘導(dǎo)縫、泥漿壓裂縫和應(yīng)力釋放縫等人工誘導(dǎo)裂縫，甚至井眼嚴(yán)重擴徑也會造成雙側(cè)向正差異。圖5中應(yīng)力釋放造成局部井壁崩落引起大段雙側(cè)向正差異現(xiàn)象。

2.2 補償聲波測井響應(yīng)

聲波時差對裂縫的響應(yīng)隨裂縫傾角的不同而存在較大差異，這是由于在補償聲波測量過程中，滑行波沿井壁表層傳播[31]。對于低角縫、斜交縫以及裂縫破碎帶，滑行波在裂縫面發(fā)生反射、折射，波形幅值衰減明顯[32]，幅值衰減可導(dǎo)致首波波至觸發(fā)后延，甚至周波跳躍，引起聲波時差明顯增大。而對于高角縫與垂直縫，由于大部分滑行波不受裂縫影響[28]，聲波時差整體變化不大。

裂縫聲波模擬表明[33]，低角縫開度越大，聲波幅值衰減越明顯，引起的聲波時差增大特征也越明顯。圖3中X3井4 957.5～4959.5 m深度裂縫破碎帶的聲波時差較相鄰未發(fā)育裂縫段明顯增大，而在裂縫發(fā)育相對稀疏的4 955.0～4 956.5 m深度，聲波時差增大程度不及下部裂縫破碎帶。

2.3 自然電位測井響應(yīng)

對于自然電位，裂縫段也常表現(xiàn)出負(fù)異常特征[34]，圖3中的X3井裂縫破碎帶自然電位負(fù)異常特征明顯，認(rèn)為主要是裂縫的高滲透性造成的過濾電動勢所引起[35]。

對于自然伽馬、補償中子等儀器居中測量的放射性測井，裂縫對曲線影響較少。

3 裂縫敏感參數(shù)與約束指標(biāo)提取

3.1 測井敏感參數(shù)提取

可以看出，測井響應(yīng)是裂縫發(fā)育程度、裂縫產(chǎn)狀以及噪音干擾信號的綜合響應(yīng)，這些響應(yīng)一方面是識別、區(qū)分裂縫的重要依據(jù)，另一方面也增大了裂縫識別的難度，測井裂縫響應(yīng)的提取與去噪技術(shù)是裂縫識別的關(guān)鍵。本文通過提取多個相互獨立的裂縫敏感參數(shù)與約束指標(biāo)(表1)，用以放大裂縫測井響應(yīng)同時壓制其他因素干擾影響，為后續(xù)裂縫識別提供可靠參數(shù)。

電阻率降低因子。通過求取深側(cè)向電阻率與其最大包絡(luò)差值，在放大裂縫造成電阻率降低響應(yīng)的同時減弱基質(zhì)導(dǎo)電背景影響，公式中通過其與自然伽馬比值以減小泥質(zhì)的影響，該因子對各類有效裂縫均敏感。

電阻率最大包絡(luò)算法流程大致包括3個方面。①標(biāo)記種子點：循環(huán)對比對數(shù)電阻率相鄰點大小，當(dāng)對比點大于等于相鄰點對數(shù)電阻率記為包絡(luò)線種子點；②剔除泥質(zhì)夾層：判斷電阻率曲線對應(yīng)泥質(zhì)含量是否超出預(yù)設(shè)泥質(zhì)含量門檻值，大于門檻值即將該點作為包絡(luò)線種子點；③插值計算：種子點間線性插值計算包絡(luò)線。

時差增大因子考慮到裂縫造成聲波時差增大的特征，通過求取聲波時差與其最小包絡(luò)線差值(算法與電阻率最大包絡(luò)類似)，放大裂縫聲波時差增大響應(yīng)，壓制背景聲波時差影響，并通過進一步與非泥質(zhì)體積乘積，減除泥質(zhì)的干擾影響。時差增大因子對于低角縫與裂縫破碎帶敏感。

高角縫和垂直縫發(fā)育常造成雙側(cè)向電阻率正差異增大，但在新場氣田須二段致密砂巖內(nèi)，受人工誘導(dǎo)縫等影響，雙側(cè)向也常表現(xiàn)為大段正差異，嚴(yán)重干擾利用雙側(cè)向電阻率差異特征對裂縫的識別。研究中在分別求取深、淺雙側(cè)向電阻率最大包絡(luò)趨勢線基礎(chǔ)上，通過比較雙側(cè)向電阻率與對應(yīng)包絡(luò)線幅度差的差異大小，計算電阻率幅度差因子，盡量壓制由于人工裂縫等背景因素引起的雙側(cè)向電阻率幅度差影響，突出裂縫因素引起的雙側(cè)向電阻率幅度差。

3.2 干擾因素消除技術(shù)

如前所述，裂縫發(fā)育段常具有突變性，從而導(dǎo)致電阻率與聲波曲線形態(tài)復(fù)雜化，這與孔隙發(fā)育引起的平緩變化特征存在一定差異?？紤]到常規(guī)測井曲線縱向分辨率相對較低，研究中通過分段計算單位厚度內(nèi)曲線長度反映曲線維度(表1)。圖5和圖6分別顯示了X501與X5井裂縫與非裂縫段曲線維度對比，可以看出裂縫發(fā)育段電阻率與聲波維度較大[36]，而非裂縫段兩個維度均明顯偏低。研究中可以據(jù)此設(shè)置門檻值作為約束指標(biāo)，對孔隙儲層進行篩除。

4 灰色關(guān)聯(lián)識別裂縫

利用電成像等資料明確裂縫層段作為樣本，通過提取上述敏感因子作為已知信息，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析確定敏感因子的權(quán)重系數(shù)，加權(quán)計算裂縫指示曲線，進而采用閾值約束識別裂縫，并在建立裂縫敏感因子響應(yīng)模式庫的基礎(chǔ)上，采用模式識別來判斷裂縫類型。

采用灰色關(guān)聯(lián)確定敏感因子權(quán)重系數(shù)，首先對敏感因子進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后計算子因素(裂縫敏感因子)與母因素(電成像裂縫發(fā)育程度)之間的關(guān)聯(lián)度，最后用關(guān)聯(lián)度與其總和之比確定各敏感因子權(quán)重系數(shù)，計算過程主要包括母序列與子序列的選定、關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度、關(guān)聯(lián)序和關(guān)聯(lián)矩陣的計算[37-39]，具體算法如下。

1)母、子序列選定

將電成像裂縫發(fā)育程度作為關(guān)聯(lián)分析的母序列記為{Xt(0)(0)}，其中：Xt(0)(0)表示電成像裂縫發(fā)育程度，%；t為裂縫層段樣本標(biāo)記，取值為1，2，…，n。確定對應(yīng)樣本的敏感因子作為子序列記為{Xt(0)(i)}，其中：Xt(0)(i)表示裂縫層段敏感因子；i為子因素(敏感因子)標(biāo)記，取值為1，2，…，m。

2)原始數(shù)據(jù)變換

由于母、子序列中因素的物理意義不同，數(shù)據(jù)的量綱也不一定相同，因此需要對原始數(shù)據(jù)做變換以消除量綱間的差異。對母、子序列數(shù)據(jù)進行歸一化：

(1)

式中：min為取最小值；max為取最大值；Xt(1)(i)為歸一化變換后的序列，無量綱。

將變換后的母序列記為{Xt(1)(0)}，將子序列記為{Xt(1)(i)}，進一步計算出同一樣品點子因素與母因素觀測值之間的絕對值及其級值分別為：

式中：Δt(i,0)為某一樣品點相比較序列的絕對差，無量綱；maxi為取同一子因素的子因素與母因素觀測值之間的絕對值的最大值；maxt為取同一樣品點子因素與母因素觀測值之間的絕對值的最大值；mini為取同一子因素的子因素與母因素觀測值之間的絕對值的最小值；mint為取同一樣品點子因素與母因素觀測值之間的絕對值的最小值；Δmax與Δmin為所有比較序列各個樣品點中的絕對差中的最大值和最小值，無量綱；Δmin一般為0。

母序列與子序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)Lt(i,0)計算結(jié)果，計算公式為：

(5)

式中：ρ為分辨系數(shù)，其目的是為削弱最大絕對差數(shù)值太大而失真的影響，提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異顯著性，一般情況下取0.1～0.5，本次取0.25，無量綱。

各子因素對母因素之間的關(guān)聯(lián)度ri,0可以由下式得出

(6)

式中：ri,0為各子因素(裂縫敏感因子)關(guān)聯(lián)度，無量綱。

各子因素(裂縫敏感因子)權(quán)重系數(shù)為各子因素關(guān)聯(lián)度與總和比，歸一化確定縫敏感因子權(quán)重系數(shù)，公式為：

(7)

式中：αi為各子因素權(quán)重系數(shù)，無量綱。

通過上述算法確定川西凹陷新場須二中亞段裂縫敏感因子權(quán)重系數(shù)，電阻率降低因子權(quán)重0.407，時差增大因子權(quán)重0.279，電阻率幅度差因子權(quán)重0.178，自然電位因子權(quán)重0.136，其中電阻率降低因子權(quán)重最大，對于裂縫最為敏感，同時依據(jù)表1中算法，依據(jù)刻度范圍歸一化后，結(jié)合樣品約束指標(biāo)范圍，確定了裂縫約束指標(biāo)閾值，電阻率與聲波維度閾值均取0.05，無量綱。

據(jù)此，采用各裂縫敏感因子加權(quán)計算得到裂縫指示。

FRACT_FF=∑αiVi

(8)

式中：FRACT_FF為裂縫指示，無量綱；Vi為歸一化后的裂縫敏感因子，無量綱。

進一步采用裂縫指示曲線與電成像裂縫發(fā)育程度相關(guān)對比，確定裂縫指示閾值取0.1較為合適，據(jù)此進行裂縫識別。

由于各敏感因子對不同類型裂縫響應(yīng)存在差異，可依據(jù)敏感因子差異采用模式識別方式進行裂縫類型判斷。研究中在歸納各類裂縫典型響應(yīng)基礎(chǔ)上，建立了須二段裂縫敏感因子模式庫(表2)，通過對比待評價樣本與各裂縫間模式歐式距離遠(yuǎn)近進行裂縫類型判別。

表2 川西坳陷新場氣田須二段裂縫敏感因子模式庫

裂縫模式識別表達(dá)式為：

(9)

5 應(yīng)用效果

為了驗證上述識別方法的有效性，選取研究區(qū)有成像測井資料的井，利用成像資料標(biāo)記出裂縫發(fā)育段，并根據(jù)常規(guī)測井資料計算裂縫指示曲線，兩者對比后即可開展應(yīng)用效果分析。

圖5顯示了X501井常規(guī)測井裂縫識別效果。電成像顯示該井多段斜交縫與網(wǎng)狀縫發(fā)育，常規(guī)測井表現(xiàn)為電阻率降低、聲波時差增大特征，對應(yīng)的裂縫敏感因子中的電阻率降低因子與聲波時差因子響應(yīng)明顯，由此計算裂縫指示曲線與電成像裂縫基本一致。模式識別以網(wǎng)狀縫與斜交縫為主，也與電成像吻合較好，僅有電成像上個別孤立裂縫未能有效識別。圖中還可看出，在孔隙相對發(fā)育的5 125～5 131 m深度段，雖然電阻率降低同時聲波時差增大，但電阻率維度低于其閾值下限，在裂縫識別中可以有效剔除。

圖6顯示了X5井常規(guī)測井裂縫識別效果，該井雙側(cè)向大段正差異，為井眼局部垮塌引起，電成像顯示多段裂縫發(fā)育，對應(yīng)雙側(cè)向電阻率有所減低，聲波時差增大，特別在電成像裂縫發(fā)育的5 033～5 041 m深度段，電阻率降低、自然電位等裂縫響應(yīng)因子響應(yīng)明顯，由此計算的裂縫指示曲線與電成像裂縫對應(yīng)關(guān)系較好，整體上雙側(cè)向差異因子對雙側(cè)向大段正差異與泥巖層段都有很好的抑制。從電成像裂縫特征來看，5 075～5 092 m深度段見高角縫與低角縫間互發(fā)育，常規(guī)測井裂縫識別情況與之對應(yīng)。

通過與X5和X101等多口井電成像對比，裂縫段識別符合率達(dá)到90%以上(表3)。

表3 川西坳陷新場氣田須二段裂縫識別符合率統(tǒng)計

6 結(jié)論

1)受構(gòu)造運動作用影響，川西坳陷新場氣田須二段厚層致密砂巖裂縫發(fā)育，主要為低角縫與高角縫，并見有大型低角度裂縫組合，其中發(fā)育大開度低角度主縫與大量產(chǎn)狀復(fù)雜的伴生縫。

2)常規(guī)測井中雙側(cè)向電阻率與補償聲波對裂縫響應(yīng)敏感，裂縫段雙側(cè)向電阻率見明顯降低，其中高角縫與網(wǎng)狀縫段見明顯正差異，低角縫、斜交縫與網(wǎng)狀縫段聲波時差具增大特征，泥質(zhì)條帶、溶孔發(fā)育與人工誘導(dǎo)縫具有相似響應(yīng)，對裂縫識別造成干擾。

3)裂縫發(fā)育段電阻率與聲波時差曲線常具有突變特征，曲線形態(tài)復(fù)雜，維度增大，通過分段計算單位厚度內(nèi)曲線長度，反映維度變化，設(shè)置閾值可有效篩除孔隙發(fā)育段等干擾影響。

4)通過提取電阻率降低因子等獨立裂縫敏感因子，放大裂縫響應(yīng)同時壓制干擾，采用灰色關(guān)聯(lián)確定敏感因子權(quán)重系數(shù)，加權(quán)計算裂縫指示曲線，閾值標(biāo)定識別裂縫，聚類模式識別裂縫類型，裂縫識別符合率達(dá)到90%以上。