川東北地區(qū)鈣屑砂巖儲(chǔ)層裂縫識(shí)別及有效性評(píng)價(jià)

袛淑華，袁 龍，張榮新，葸春平，曹 原，賀彤彤

（1.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究院，陜西西安 710021；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶分公司，陜西西安 710021；3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第九采油廠，寧夏銀川 750000）

近幾年，我國(guó)致密砂巖儲(chǔ)層油氣產(chǎn)能建設(shè)的規(guī)模已達(dá)總產(chǎn)量的70%以上，成為我國(guó)油氣田開(kāi)發(fā)研究和建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，也是目前測(cè)井解釋評(píng)價(jià)的主要對(duì)象之一［1-3］。然而，致密砂巖儲(chǔ)層的巖石類(lèi)型復(fù)雜多樣且裂縫發(fā)育，影響儲(chǔ)層測(cè)井參數(shù)計(jì)算的因素也十分復(fù)雜，造成儲(chǔ)層有效性綜合評(píng)價(jià)研究面臨新的困難。

上世紀(jì)九十年代以前研究人員主要是利用側(cè)向電阻率測(cè)井資料開(kāi)展相關(guān)裂縫識(shí)別的工作［4-7］。隨著測(cè)井新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，采用電成像、陣列聲波等測(cè)井新技術(shù)進(jìn)行裂縫識(shí)別成為研究的重點(diǎn)。根據(jù)大量文獻(xiàn)分析總結(jié)，川東北地區(qū)鈣屑砂巖儲(chǔ)層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)特征與其他地區(qū)的致密儲(chǔ)層存在很大的差異性。

本文利用常規(guī)和成像測(cè)井等資料，建立了三孔隙度指數(shù)法、電阻率時(shí)頻分析法等多種方法來(lái)有效識(shí)別儲(chǔ)層裂縫。同時(shí)，基于沉積微相、儲(chǔ)層巖性分類(lèi)，采用孔隙度、泥質(zhì)含量、裂縫參數(shù)等多參數(shù)融合的儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)，在油田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了良好效果。

1 儲(chǔ)層特征

1.1 巖性特征

根據(jù)川東北地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組須三段儲(chǔ)層巖心和錄井等資料分析，巖性主要以鈣屑砂巖為主，其次為鈣屑砂礫巖、巖屑砂巖及少量石英砂礫巖。鈣屑砂巖的巖石成分以石英為主，長(zhǎng)石、巖屑次之；與巖屑砂巖最大的差異是前者的巖屑成分以碳酸鹽巖為主且?guī)r屑含量一般大于50%，鈣質(zhì)膠結(jié)物占25%，一般巖性較細(xì)，以細(xì)?！哿橹?，巖石碎屑顆粒多為次棱角狀，分選為中等—較好，巖性較致密，常被誤劃為非儲(chǔ)集巖類(lèi)。

1.2 物性特征

根據(jù)薄片分析，須三段致密氣藏的儲(chǔ)集空間以粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔為主，儲(chǔ)層孔隙度一般小于8%，巖心滲透率-孔隙度的相關(guān)性復(fù)雜（圖1），明顯存在兩種孔隙結(jié)構(gòu)類(lèi)型，以基質(zhì)孔隙發(fā)育為主的鈣屑砂巖樣本點(diǎn)（藍(lán)色），隨孔隙度增大滲透率略有增加，但滲透率一般小于0.01×10-3μm2；而占有相當(dāng)比重的孔隙度較低且以裂縫發(fā)育為主的樣品（黃色），由于微裂縫和裂縫發(fā)育具有較高的滲透率，最高可達(dá)650×10-3μm2，裂縫發(fā)育對(duì)改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性和滲流性起到非常重要的作用。

圖1 須三段孔隙度與滲透率關(guān)系

1.3 裂縫特征

川東北地區(qū)須三段的鈣屑砂巖氣藏為準(zhǔn)層狀“連續(xù)型”氣藏，而裂縫的發(fā)育程度對(duì)于改善儲(chǔ)集性能相對(duì)顯著［8］。鈣屑砂巖和鈣屑砂礫巖儲(chǔ)層部分井段發(fā)育有低角度裂縫和斜交縫，高角度裂縫較少，巖屑砂巖孔隙較發(fā)育，裂縫一般不發(fā)育。

根據(jù)成像測(cè)井資料分析觀察，川東北地區(qū)須家河組的鈣屑砂巖儲(chǔ)層主要發(fā)育低角度裂縫和微裂縫，高角度裂縫較少。主要有以下幾種情況:①以構(gòu)造作用為主的低角度縫，其裂縫面有明顯溶蝕侵入且連續(xù)性較好的特征，促使有效儲(chǔ)層的形成和改造，對(duì)致密油氣藏的儲(chǔ)滲具有重要意義（圖2a）；②微裂縫的張開(kāi)度小，其空間多被泥質(zhì)所充填，導(dǎo)致連續(xù)性及連通性相對(duì)較差，這類(lèi)裂縫在鈣屑砂巖儲(chǔ)層中較為發(fā)育，測(cè)井電阻率值相對(duì)低（圖2b）；③高角度縫的張開(kāi)度大，易被砂礫所充填，有效性較差，裂縫面具有明顯的溶蝕侵入特征且具有相對(duì)不規(guī)則的裂縫軌跡（圖2c）。

圖2 研究區(qū)須三段裂縫特征成像

2 裂縫識(shí)別方法

川東北地區(qū)鈣屑砂巖儲(chǔ)層往往具有巖性復(fù)雜、儲(chǔ)集空間復(fù)雜、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)等特征，大部分致密砂巖儲(chǔ)層都需要經(jīng)過(guò)壓裂酸化改造才能獲得產(chǎn)能。儲(chǔ)層裂縫識(shí)別已成為致密砂巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，也是致密砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一［9-12］。

測(cè)井資料綜合分析認(rèn)為，川東北地區(qū)須三段鈣屑砂巖僅依靠常規(guī)測(cè)井識(shí)別裂縫存在困難，其原因主要表現(xiàn)在以下幾方面:①鈣屑砂巖僅發(fā)育一些低角度裂縫，并且裂縫張開(kāi)度、裂縫密度、裂縫孔隙度和裂縫徑向延伸深度均較小，在常規(guī)曲線上難以直觀而有規(guī)律地反映出來(lái)；②常規(guī)測(cè)井曲線受到地層流體性質(zhì)的影響，導(dǎo)致利用深、淺雙側(cè)向差異特征來(lái)判別裂縫產(chǎn)狀也存在一定的困難；③常規(guī)測(cè)井曲線還會(huì)受到非地層因素的影響，如井徑擴(kuò)大也會(huì)造成深、淺雙側(cè)向出現(xiàn)大幅度差異。因此，本文采用三孔隙度指數(shù)、成像測(cè)井及時(shí)頻分析等多方法進(jìn)行儲(chǔ)層裂縫精細(xì)識(shí)別研究。

2.1 三孔隙度指數(shù)法

Roberto 等［13］在雙孔隙度模型研究的基礎(chǔ)上，研究了三孔隙度模型中的孔隙度指數(shù)計(jì)算模型。在三孔隙度模型組成結(jié)構(gòu)中，巖石模型的孔隙空間主要由相互連通的縫洞孔隙體積V2、非連通的縫洞體積Vnc及總孔隙除去前兩者后的骨架孔隙空間Vp這三部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 三孔隙度模型

對(duì)有縫洞發(fā)育的地層，利用阿爾奇定律和地層中導(dǎo)電等效電阻的串、并聯(lián)關(guān)系，可得到各孔隙度與地層的膠結(jié)指數(shù)間的關(guān)系:

式中，M為組合系統(tǒng)的膠結(jié)指數(shù)，無(wú)因次；Mb為基質(zhì)孔隙部分的膠結(jié)指數(shù)，約定為2；?2為連通縫洞的孔隙度，小數(shù)；?nc為不連通縫洞的孔隙度，小數(shù)；?b是不考慮次生孔隙（溶洞、裂縫等）時(shí)的巖石骨架體系中的基質(zhì)孔隙空間與巖石骨架系統(tǒng)體積之比，小數(shù)。

川東北地區(qū)須三段鈣屑砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)育大量粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和微裂縫。由于這類(lèi)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)致密，而孔喉形狀多不規(guī)則，以孔隙縮小型喉道、片狀喉道相連。當(dāng)巖石中存在連通的裂縫和孔隙時(shí)，導(dǎo)致電阻率測(cè)井值降低，M值減?。豢紫抖刃?，裂縫不發(fā)育段，M值較高（如圖4）。即裂縫越發(fā)育，?2越高，M值越低；反之，非儲(chǔ)層段?2低，M值高。

圖4 孔隙度與膠結(jié)指數(shù)關(guān)系

圖5 是應(yīng)用三孔隙度模型和M值的變化規(guī)律，對(duì)DB10 井采用三孔隙度模型法求取M值。圖中第六道的紅線為M=2，可以看到當(dāng)連通孔隙、裂縫發(fā)育較好時(shí)，M值小于2，指示滲透性較好，為有效儲(chǔ)層。利用FMI 成像測(cè)井資料處理的成像圖來(lái)證明三孔隙度模型法識(shí)別裂縫發(fā)育段的可靠性，如井段4 144～4 146 m、4 155～4 157 m，F(xiàn)MI 上顯示裂縫發(fā)育，在巖心照片4 145.3 m、4 156.2 m 上顯示明顯的斜交縫發(fā)育，與之對(duì)應(yīng)的M值也小于2，說(shuō)明三孔隙度模型求解的M值分布范圍可以有效識(shí)別裂縫，并以此來(lái)確定儲(chǔ)層裂縫發(fā)育段。

圖5 DB10井須三段三孔隙度模型處理成果

2.2 成像測(cè)井識(shí)別法

通過(guò)對(duì)成像測(cè)井資料進(jìn)行研究分析，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別儲(chǔ)層裂縫，并確定裂縫密度、產(chǎn)狀和充填等情況。

張開(kāi)縫:在直井中，高角度裂縫在FMI 圖像上表現(xiàn)為暗色的正弦形態(tài)，角度越高，正弦幅度越大（圖6a）；低角度縫在FMI 圖像上表現(xiàn)為幅度相對(duì)較低的暗色正弦曲線形態(tài)，裂縫傾角越小，正弦曲線幅度越低；一般認(rèn)為當(dāng)小于10 度時(shí)裂縫就是水平縫，成像圖上表現(xiàn)為近似水平的暗色條狀（圖6b、圖6c）。

網(wǎng)狀微裂縫:網(wǎng)狀微裂縫在FMI 圖像上表現(xiàn)為軌跡雜亂無(wú)章，不同角度的大、中、小及微級(jí)別裂縫相互切割、交叉（圖6d）。

圖6 成像測(cè)井裂縫識(shí)別

2.3 時(shí)頻分析法

通過(guò)大量的電阻率與電成像資料對(duì)比分析，儲(chǔ)層中裂縫發(fā)育的信息一般被深淺電阻率曲線的微差波形形態(tài)所隱含著。微差波形信號(hào)可以通過(guò)對(duì)短時(shí)傅里葉變換頻譜特征進(jìn)行研究，再將其信號(hào)轉(zhuǎn)為在時(shí)間頻率域平面上的頻譜能量，最終根據(jù)在時(shí)頻上電阻率值的變化特征來(lái)研究裂縫發(fā)育的幅度差異。

考慮電阻率值的差異性和幅值成正比例的關(guān)系，可通過(guò)幅值來(lái)直接反映變化的電阻率值。在時(shí)頻分析電阻率曲線的時(shí)候，使得電阻率的變化信息得以突顯出來(lái)，更好地在時(shí)間-頻率域中對(duì)電阻率能量變化進(jìn)行反映，從而能夠在均質(zhì)和發(fā)育裂縫地層中認(rèn)識(shí)電流傳播不同的響應(yīng)特征，有效地進(jìn)行裂縫識(shí)別。

考慮到選取窗函數(shù)的綜合分辨能力，結(jié)合實(shí)際研究區(qū)的資料，最終選取漢明窗函數(shù)的兩個(gè)長(zhǎng)短窗長(zhǎng)分別為25 和251 個(gè)采樣點(diǎn)（如圖7）。結(jié)合本區(qū)資料分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)為25 個(gè)采樣點(diǎn)的窗長(zhǎng)時(shí)，裂縫發(fā)育段的幅值一般要高于300 dB；而小于該值時(shí)，那么裂縫一般就不發(fā)育；當(dāng)為251個(gè)采樣點(diǎn)的窗長(zhǎng)時(shí)，裂縫發(fā)育段的幅值一般要高于100 dB。

圖7 DB12井時(shí)頻分布

對(duì)DB101 井電阻率曲線做短時(shí)傅立葉變換后進(jìn)行裂縫研究及處理。圖8中采用時(shí)頻分析圖版中較高幅度的能量信號(hào)，隨著電阻率曲線變化有效地反映裂縫的發(fā)育程度。在時(shí)頻分析中，當(dāng)窗函數(shù)為小時(shí)窗時(shí)，分析得出4 380～4 392 m、4 402～4 406 m為裂縫發(fā)育段；而當(dāng)窗函數(shù)為大時(shí)窗時(shí)，4 382～4 392 m、4 396～4 400 m為裂縫發(fā)育段。由于小時(shí)窗具有較低的分辨率頻率和較高的時(shí)間分辨率，而在4 396～4 400 m 層段具有較低的幅值，裂縫的發(fā)育狀況不能更好地反映出來(lái)；相反，大時(shí)窗具有較高的分辨率頻率和較低的時(shí)間分辨率，而在4 396～4 400 m層段幅值較高，指示出了裂縫的發(fā)育狀況，對(duì)應(yīng)的巖心照片、FMI 成像測(cè)井圖表現(xiàn)為斜交縫和微裂縫發(fā)育。

圖8 DB101井4 380～4 406 m常規(guī)曲線與時(shí)頻分析綜合解釋

結(jié)合試油資料表明4 380～4 406 m 解釋層段產(chǎn)氣72.2×104m3/d，證明短時(shí)傅立葉變換后的時(shí)頻分析結(jié)果與試油資料相符。與常規(guī)方法相比，采用短時(shí)傅立葉變換頻譜特征對(duì)儲(chǔ)層裂縫的識(shí)別方法得到擴(kuò)展，同時(shí)也提高識(shí)別精度。

3 裂縫有效性評(píng)價(jià)

3.1 裂縫產(chǎn)狀

結(jié)合測(cè)試資料，發(fā)現(xiàn)低角度裂縫、斜交縫發(fā)育的井試氣產(chǎn)量較高，高角度裂縫發(fā)育的井試氣量較低（圖9），與川東北地區(qū)內(nèi)收集到的巖心照片和薄片等現(xiàn)場(chǎng)資料得到的結(jié)論相一致。因此，當(dāng)儲(chǔ)層段發(fā)育低角度裂縫、斜交縫時(shí)要比發(fā)育高角度裂縫的儲(chǔ)層更為有效且產(chǎn)量高，其原因是沿著低角度裂縫、斜交縫發(fā)育溶蝕孔洞而構(gòu)成良好的儲(chǔ)層。

圖9 試氣段裂縫發(fā)育統(tǒng)計(jì)

3.2 裂縫密度

從成像測(cè)井圖上統(tǒng)計(jì)試氣層段的有效裂縫密度參數(shù)，建立裂縫密度與試氣量的關(guān)系，排除了干擾因素（如DB10 井試氣段受斷層的影響），得出隨著裂縫密度的增大，試氣量增大。

3.3 裂縫張開(kāi)度

裂縫張開(kāi)度決定了裂縫規(guī)模，是裂縫定量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。在現(xiàn)有資料情況下，根據(jù)探測(cè)深度較大的深、淺雙側(cè)向電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)做一些近似估計(jì)，本次研究采用sibbit 公式（Schlumberger，1985）得到鈣屑砂巖儲(chǔ)層的裂縫張開(kāi)度與產(chǎn)氣量作相關(guān)性分析，隨著裂縫張開(kāi)度增大，鈣屑砂巖儲(chǔ)層的產(chǎn)氣量也隨之增大。

3.4 裂縫孔隙度

利用收集到的微電阻率成像測(cè)井資料來(lái)處理出裂縫孔隙度，并與儲(chǔ)層產(chǎn)氣量作相關(guān)性分析，得到儲(chǔ)層產(chǎn)氣量與裂縫孔隙度呈指數(shù)相關(guān)。鈣屑砂巖儲(chǔ)層的產(chǎn)氣量隨著裂縫孔隙度的增大而相應(yīng)增高，反映出裂縫孔隙度可作為對(duì)裂縫有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)的有效參數(shù)之一。

4 儲(chǔ)層有效性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)測(cè)試產(chǎn)能資料將儲(chǔ)層劃分為三個(gè)級(jí)別，按四種巖性分別對(duì)儲(chǔ)層的電性特征、解釋參數(shù)特征、裂縫、儲(chǔ)層縱橫向分布和沉積相環(huán)境進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)（表1）。

表1 川東北地區(qū)須三段儲(chǔ)層綜合分類(lèi)評(píng)價(jià)

通過(guò)整體上分析，川東北地區(qū)須三段鈣屑砂巖、石英砂礫巖、鈣屑砂礫巖及巖屑砂巖儲(chǔ)層常規(guī)測(cè)井及參數(shù)特征與一般致密砂巖儲(chǔ)層的規(guī)律不同。研究區(qū)內(nèi)須三段儲(chǔ)層的鈣屑、含礫等成分含量越高（DEN、RT值增大）、巖性越致密（GR、AC、CNL值減?。?，物性較差（DEN值高），反而易產(chǎn)生微裂縫，從而大大改善了物性特征，形成高產(chǎn)氣層。從裂縫有效性來(lái)說(shuō)，隨著裂縫張開(kāi)度和裂縫孔隙度的增大，產(chǎn)氣量有增大的趨勢(shì)；從儲(chǔ)層縱橫向分布規(guī)律來(lái)說(shuō)，橫向上西北部?jī)?chǔ)層最發(fā)育、其次為東南部，最后為中部，縱向上須三段儲(chǔ)層較發(fā)育，其中，西北部須三下亞段儲(chǔ)層最為發(fā)育；從沉積相來(lái)說(shuō)，辮狀河道沉積相為儲(chǔ)層發(fā)育有利相帶，其次為水下分流河道。

5 結(jié)論

（1）川東北地區(qū)須家河組須三段鈣屑砂巖儲(chǔ)層屬于典型的特低孔、特低滲儲(chǔ)層，儲(chǔ)層類(lèi)型以裂縫-孔隙型為主，裂縫為油氣成藏關(guān)鍵因素。

（2）利用常規(guī)測(cè)井資料、成像測(cè)井資料、三孔隙度指數(shù)及時(shí)頻分析等多種方法相結(jié)合，形成鈣屑砂巖儲(chǔ)層的裂縫精細(xì)識(shí)別技術(shù)。

（3）根據(jù)試氣結(jié)論和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料對(duì)氣井產(chǎn)能進(jìn)行分級(jí)，按照不同級(jí)別分析產(chǎn)氣量與測(cè)井響應(yīng)特征的關(guān)系，建立川東北地區(qū)鈣屑砂巖儲(chǔ)層有效性綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。