致密砂巖氣藏裂縫測井評(píng)價(jià)研究＊

孫偉豪，閆浩霖，朱金玉，郭芮潔

（西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

近年來，鄂爾多斯盆地東部天然氣勘探取得新突破，預(yù)示著盆地東部具有良好的天然氣勘探前景[1]。然而，目前針對(duì)盆地東緣地區(qū)上古生界天然氣成藏控制因素的研究仍較為薄弱，如研究區(qū)儲(chǔ)層整體較薄，盒8段在10～20 m，山1 段在5～15 m，薄砂體內(nèi)天然氣成藏規(guī)律尚不十分清楚；儲(chǔ)層埋深較大，普遍在4 000～5 000 m，但部分儲(chǔ)層段孔隙度仍大于10%，深部優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律有待研究[2-3]。鄰近井區(qū)之間成藏條件相似，但是天然氣富集程度相差較大，天然氣富集成藏規(guī)律并不清楚，這些問題很大程度上限制了該區(qū)勘探工作的深入進(jìn)行。因此，有必要對(duì)鄂爾多斯盆地東緣上古生界天然氣成藏特征進(jìn)行深入研究，力求可以在天然氣勘探目標(biāo)的預(yù)測方面指明方向并提供佐證。

目前在致密砂巖儲(chǔ)層裂縫預(yù)測的領(lǐng)域，國際上通常采用的技術(shù)方法有地質(zhì)及測井分析法、地震預(yù)測方法、構(gòu)造曲率分析法及構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬方法等[4-6]。例如，何平等[7]在對(duì)以巴喀油氣田八道灣組氣藏儲(chǔ)集層為代表的低滲、特低滲透率裂縫性儲(chǔ)集層裂縫的研究中，通過定量分析，結(jié)合常規(guī)測井資料，運(yùn)用分形學(xué)原理，通過R/S 數(shù)據(jù)分析及由其得出的分形維數(shù)，在一定程度上可以定量反映儲(chǔ)集層中裂縫的發(fā)育程度；劉俊州等[8]針對(duì)川西XC 地區(qū)致密砂巖提出一套基于地震疊前與疊后多屬性融合的裂縫地震預(yù)測方法，其預(yù)測結(jié)果表明，運(yùn)用多尺度裂縫綜合預(yù)測技術(shù)可以很好地描述裂縫性儲(chǔ)層，且預(yù)測結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中井的油氣產(chǎn)出情況吻合度高；劉暢等[9]以沁水盆地南部地區(qū)山西組為例，運(yùn)用古構(gòu)造應(yīng)力場模擬的方法，系統(tǒng)地對(duì)煤系致密砂巖的裂縫發(fā)育特征進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上對(duì)裂縫發(fā)育區(qū)進(jìn)行了有效預(yù)測等，這些都是致密砂巖裂縫預(yù)測的成功案例。

采用常規(guī)測井方法建立模型來識(shí)別致密砂巖裂縫是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，鄂爾多斯盆地東緣低幅構(gòu)造區(qū)的裂縫測井識(shí)別精度不高，在一定程度上對(duì)該地區(qū)煤系致密砂巖氣的高效勘探開發(fā)造成了不利影響。為了提高該地區(qū)上古生界致密氣藏的勘探成功率，本文運(yùn)用R/S變尺度法，針對(duì)L 區(qū)塊進(jìn)行了上古生界致密砂巖氣藏的裂縫測井評(píng)價(jià)研究，提出了一套適用于該地區(qū)致密氣藏裂縫的測井評(píng)價(jià)思路及方法，可以為致密砂巖裂縫型油氣勘探提供新的思路。

1 地質(zhì)背景

1.1 上古生界現(xiàn)今構(gòu)造特征

研究區(qū)鄂東地區(qū)位于晉西及鄰區(qū)的撓曲褶皺帶上，在中晚元古代至古生代為相對(duì)隆起區(qū)，早二疊世之前沉積速率較??；在中生代晚侏羅世之后不斷發(fā)生抬升，改造成為鄂爾多斯盆地西傾大單斜的組成部分。晉西撓褶帶的構(gòu)造演化活動(dòng)受東部呂梁山隆起和基底斷裂的聯(lián)合控制，褶皺和斷裂活動(dòng)主要受燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，并最終定型于喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期[10]。

研究區(qū)內(nèi)褶皺的構(gòu)造行跡以NS（南北）向?yàn)橹?，表現(xiàn)為寬緩褶皺，局部發(fā)育一些逆斷層。臨興區(qū)塊的東南部為紫金山隆起，從隆起頂部向外劃分為隆起帶、斜坡帶、凹槽帶及平緩構(gòu)造帶。研究區(qū)缺失侏羅系-白堊系，地層自白堊紀(jì)以來發(fā)生了強(qiáng)烈剝蝕隆升，剝蝕厚度為1 300～2 000 m。

1.2 巖心裂縫發(fā)育特征

構(gòu)造裂縫及非構(gòu)造裂縫廣泛分布于目的層石千峰組、上石河子組、下石河子組、山西組、太原組和本溪組的致密砂巖中，以構(gòu)造裂縫為主，主要包括張性縫、剪切縫及一定數(shù)量擠壓縫。巖心觀察結(jié)果表明，目的層裂縫的產(chǎn)狀包含水平、低角度、高角度及垂直等多種類型，整體上以近水平和近垂直裂縫為主。目的層裂縫砂巖特征巖心觀察如圖1 所示。圖1（a）為張性縫，LX-5 井，1 284～1 285 m，盒1 段；圖1（b）為剪切縫，LX-5 井，1 731.27～1 731.52 m，太1 段；圖1（c）為水平層理滑動(dòng)縫，LX-10 井，1 610 m，盒8 段。

圖1 目的層裂縫砂巖特征巖心觀察

對(duì)目的層致密砂巖中的不同類型裂縫的成因進(jìn)行分類及統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同類型裂縫類型及傾角統(tǒng)計(jì)結(jié)果表（13 口井，樣本參數(shù)N=198）

從圖2 中可以看出，目的層致密砂巖中主要發(fā)育有張性縫、剪切縫及水平滑動(dòng)縫，同時(shí)發(fā)育少量擠壓縫及溶蝕縫。張性縫是在拉張應(yīng)力條件下形成的裂縫，通常具有位移方向與破裂面相垂直的特點(diǎn)，縫面粗糙不平整，裂縫常常圍繞礦物顆粒等薄弱面分布[11]。在致密砂巖中張性縫的比例約為18.72%。剪切縫是由構(gòu)造剪切作用而形成的，地層應(yīng)力條件下有時(shí)緊閉（不開啟），該類裂縫往往較為平直，延伸距離較長。剪切縫一般以組系發(fā)育，縫面平滑且常切過巖石顆粒，其所占的比例最大，約為36.9%；水平滑動(dòng)縫也是目的層中一種極為重要的裂縫類型，其比例約為24.6%；擠壓縫和溶蝕縫在致密砂巖中所占比例相對(duì)較小，分別約占6.42%、13.37%。

2 基于常規(guī)測井模型的裂縫識(shí)別

采用多常規(guī)測井系列，基于“R/S變尺度法”識(shí)別致密砂巖裂縫的效果較好。本研究采用該方法對(duì)裂縫進(jìn)行測井識(shí)別，其識(shí)別裂縫的主要依據(jù)為裂縫的存在能增加測井?dāng)?shù)據(jù)的復(fù)雜性[12]。通過研究單測井參數(shù)序列的過程序列全層段極差R（n）與標(biāo)準(zhǔn)差S（n）的比值與測井點(diǎn)數(shù)n之間的變化關(guān)系，對(duì)天然裂縫發(fā)育段進(jìn)行預(yù)測[13-14]。通過與裂縫實(shí)際觀察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證該方法的裂縫識(shí)別效果。

裂縫測井識(shí)別圖版顯示如圖3 所示。

圖3 裂縫測井識(shí)別圖版

首先，對(duì)裂縫存在的敏感測井系列進(jìn)行分析?；谏鲜隽芽p發(fā)育層段識(shí)別結(jié)果，對(duì)裂縫測井參數(shù)進(jìn)行了提取。聲波時(shí)差和電阻率測井系列對(duì)致密砂巖裂縫有較好的識(shí)別作用[13]。裂縫段的聲波時(shí)差分布在57～77 μs/ft，平均值為68 μs/ft；非裂縫段的聲波時(shí)差分布在47～67 μs/ft，平均值為58.9 μs/ft。裂縫段的電阻率分布為12～79 Ω·m，平均值為36.6 Ω·m；非裂縫段的電阻率分布為34～135 Ω·m，平均值為71.8 Ω·m?？紤]到各單井常規(guī)測井中所包含的測井參數(shù)類別，最終選取AC、DEN、GR 及RLLD 這4 條測井曲線進(jìn)行裂縫測井評(píng)價(jià)。致密砂巖中裂縫的存在均能在這4 類測井曲線上產(chǎn)生一定程度響應(yīng)。以LXDG-01 井為例，利用上述原理對(duì)目的層樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行測井處理，獲得R/S與樣本參數(shù)N。然后，求取這2 個(gè)參數(shù)的雙對(duì)數(shù)值，如圖4 所示。

圖4 LXDG-01 井R/S 與樣本參數(shù)N 雙對(duì)數(shù)關(guān)系

上述曲線的斜率越小間接表明其存在裂縫的概率值就越大，與此同時(shí)在曲線上的表現(xiàn)則為曲線形態(tài)特征越為復(fù)雜，也就代表有裂縫存在的概率也越大。然而必須認(rèn)識(shí)到致密儲(chǔ)集層大都具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性及各向異性，而且測井曲線的變化規(guī)律也較為復(fù)雜，測井?dāng)?shù)據(jù)復(fù)雜性的增加并不一定僅受控于裂縫，但該方法依然可以用于地層裂縫的概率判別。通過對(duì)不同類型常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行判別結(jié)果對(duì)比，可優(yōu)選出在識(shí)別裂縫中較為可靠或相關(guān)性最強(qiáng)的常規(guī)測井系列[15]。

從圖4 的解釋結(jié)果來看，直接通過該計(jì)算所獲得的結(jié)果的離散度較高，并不能有效提取裂縫信息，因此對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)。利用二階導(dǎo)數(shù)可以指示曲線的斜率。同時(shí)，利用該方法可以有效剔除無效的裂縫信息，提高裂縫測井識(shí)別效果。該方法的基本原理如下：

以上為各單一測井系列的二階求導(dǎo)結(jié)果K，可以認(rèn)為當(dāng)K＜0 時(shí)，裂縫不發(fā)育；而當(dāng)K＞0 時(shí)，裂縫發(fā)育，且K值越高裂縫的發(fā)育程度越高。在對(duì)各單一測井系列K值求取的基礎(chǔ)上，最終利用多元回歸法，綜合4 條測井曲線的裂縫信息，完成對(duì)裂縫的測井預(yù)測。該計(jì)算公式如下所示，F(xiàn)為裂縫指數(shù)：

LX-4 井各測井系列K值及裂縫測井評(píng)價(jià)如圖5所示。

圖5 LX-4 井各測井系列K 值及裂縫測井評(píng)價(jià)

根據(jù)式（1）—式（4）求取最終裂縫預(yù)測結(jié)果K及裂縫指數(shù)F。LX-4 井位于緊鄰紫金山巖體北部的平緩構(gòu)造帶。該井太2 段是產(chǎn)氣量高、產(chǎn)水少的代表井。將測井預(yù)測結(jié)果與FMI 裂縫識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。該井段共發(fā)育26 個(gè)裂縫段，利用該測井解釋結(jié)果識(shí)別出其中的21 個(gè)，裂縫識(shí)別率為81%。本裂縫測井解釋方案對(duì)L 區(qū)塊主要目的層的裂縫平面分布進(jìn)行了測井評(píng)價(jià)。從裂縫的分布特征來看，下覆本溪組和太原組裂縫發(fā)育程度最高；而上覆山西組到石千峰組的裂縫僅在局部富集，發(fā)育程度相對(duì)要低一些。裂縫測井解釋結(jié)果與裂縫實(shí)際觀察結(jié)果是一致的。

3 裂縫的控氣作用

裂縫是油氣儲(chǔ)層特別是裂縫性儲(chǔ)層的重要儲(chǔ)集空間，更是良好的滲流通道。相比巖石孔隙度，裂縫可以更加有效地增加儲(chǔ)層的滲透率，為油氣提供有效、高速的滲流通道。儲(chǔ)層微觀孔喉半徑所控制的毛管力對(duì)致密砂巖氣藏的聚集有重要的影響[16-17]。當(dāng)微觀孔喉半徑大于臨界孔喉半徑，天然氣受浮力作用將會(huì)發(fā)生運(yùn)移；反之，天然氣可聚集成藏，形成致密砂巖氣藏[18-19]。在致密砂巖氣藏形成后，構(gòu)造形成的構(gòu)造裂縫可以對(duì)原有致密砂巖氣藏進(jìn)行調(diào)整改造。

L 區(qū)塊各地層裂縫發(fā)育程度與氣井分布交匯圖如圖6 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，裂縫指數(shù)大于0.6 時(shí)多為商業(yè)氣井，而非商業(yè)氣井的裂縫指數(shù)多小于0.6[20]。但是，紫金山隆起帶區(qū)域裂縫和斷裂均特別發(fā)育，這些區(qū)域的保存條件差，裂縫對(duì)天然氣的聚集主要起負(fù)向作用。裂縫過度發(fā)育會(huì)極大提高致密砂巖的孔滲性，從微觀來看，儲(chǔ)層微觀孔喉大于或遠(yuǎn)大于臨界孔喉，天然氣容易逸散，不易于致密砂巖氣藏的保存。對(duì)于紫金山帶以外的低幅度構(gòu)造區(qū)，適度發(fā)育的裂縫對(duì)天然氣的富集和保存均較為有利。

圖6 L 區(qū)塊各地層裂縫發(fā)育程度與氣井分布交匯圖

4 結(jié)論

本文建立了針對(duì)鄂爾多斯盆地東緣地區(qū)L 區(qū)塊基于常規(guī)測井參數(shù)的裂縫測井解釋改進(jìn)模型。裂縫分析結(jié)果表明，太原組和本溪組裂縫最為發(fā)育，而上覆地層僅局部發(fā)育裂縫。裂縫主要分布在低幅構(gòu)造的隆起區(qū)和斜坡區(qū)，其次為平緩構(gòu)造區(qū)，而挖槽帶裂縫相對(duì)欠發(fā)育。L 區(qū)塊本溪組和太原組裂縫對(duì)天然氣的聚集起負(fù)向作用；而上覆地層裂縫對(duì)天然氣的聚集起正向作用，即裂縫對(duì)該地區(qū)致密砂巖氣的富集具有一定正向作用。本文針對(duì)上古生界致密砂巖氣藏的裂縫測井評(píng)價(jià)研究，提出此裂縫測井評(píng)價(jià)方法，可以為致密砂巖裂縫型油氣勘探提供新的思路。