綜合利用測井技術識別測量裂縫

1、利用測井技術識別和探測裂縫摘要：裂縫性地層裂縫的測井解釋主要包括裂縫帶的識別和儲層裂縫參數的定量計算兩個方面。用測井方法識別儲層中的裂縫是目前最常用、最有效的方法，其中裂縫是否有效一直是測井解釋的一個難點。在測井方法中，常規(guī)的測井方法可以識別裂縫,只是精度不高，成像測井仍是目前最為可靠的裂縫識別依據，而雙側向測井方法可快速、便捷地確定裂縫的有效性。1.緒論裂縫，是巖石中由于構造變形或物理成巖作用形成的面狀不連續(xù)體，在碳酸鹽巖、火成巖和泥巖中均有發(fā)育，少量見于潛山變質巖中。裂縫不僅是流體的儲集空間,還是重要的流體滲濾通道.在致密的砂巖油氣藏中,裂縫主要作為滲流通道存在, 大大改善了低孔低滲透儲層

2、的生產能力；在碳酸鹽巖地層中,裂縫還控制著溶孔、溶洞的發(fā)育,影響著地層中原始流體的分布狀況和泥漿侵入特性；在火成巖地層中,裂縫是地層產能的最重要、最直接的影響因素.中深部儲層由于壓實作用多已致密化,天然氣的聚集及產出主要依賴于裂縫系統(tǒng),裂縫的存在勢必會對儲層的滲透性起到改善作用,形成有開發(fā)價值的產層.因此,研究地下裂縫的發(fā)育及其分布規(guī)律就顯得尤為重要.巖心是最為直接的裂縫資料,但往往存在取心數量有限、收獲率低和巖心不定向等三個方面的局限。用測井方法識別裂縫,具有成本低、識別力強和經濟效益高等優(yōu)點,已成為勘探裂縫性油氣藏的主要手段.2.裂縫按成因分為兩種: 天然裂縫,一般是成巖收縮或構造運動形成

3、的； 鉆井誘導,一般是在鉆井過程中因頻繁起、下鉆的震動和地應力場的不均衡造成井壁有規(guī)律的開裂。根據裂縫的形成原因,天然裂縫又分為非構造裂縫和構造裂縫兩類，非構造裂縫主要是由于巖石失水體積收縮或巖漿冷卻過程中體積收縮而形成的收縮裂縫以及壓溶作用形成的縫合線。構造裂縫是指在地殼運動過程中,巖石受構造作用力而產生的裂縫,這種裂縫是最廣泛存在的裂縫，包括開啟裂縫、閉合裂縫2種。開啟裂縫是沒有充填其它物質的裂縫。在水基泥漿中,裂縫中充填有導電的泥漿,這樣裂縫的電阻率就比巖石的電阻率低很多,所以,可以根據電阻率的異常來識別開啟裂縫。閉合裂縫是充填有其它礦物的裂縫,它示出由構造應力產生的開啟裂縫后來被富含鹽

4、的流體循環(huán)膠結,因此電阻率較高。鉆井誘生裂縫由于鉆開地層后,原始地層應力釋放,擠壓井眼周圍的地層,在井壁上產生了鉆井誘生裂縫，常見的有3種:鉆具振動形成的裂縫、重泥漿壓裂縫和應力釋放裂縫。按產狀分,裂縫的產狀一般表征分為裂縫面與水平面的夾角和裂縫面的傾向。其分類主要根據裂縫面傾角、傾向相互間的組合以及相關的地質資料,目前分為五大類:低角度裂縫、傾斜裂縫、高角度裂縫、低角度網狀裂縫及高角度網狀裂縫.圖1 裂縫類型3.裂縫的測井識別方法 根據不同測井序列對裂縫的響應程度,一般用于裂縫識別的常規(guī)測井資料有孔隙度、電阻率、聲波時差、變密度資料等,其成本低、資料全,利用其識別裂縫是可行的。裂縫在常規(guī)測井

5、資料上的響應主要有:自然電位具明顯負異常；聲波時差有跳波現象,整體時差值較高；深淺測向振幅差明顯,中值高；曲線形態(tài)整體較圓滑.3.1放射性測井法放射性測井是在鉆孔中測量放射性的測井方法，以自然伽馬測井為主。自然伽瑪測井主要測量地層中的不穩(wěn)定元素如鈾（238u）、釷（282th）、鉀（40k）發(fā)出的伽馬射線。含鉀的硅酸鹽礦物易于被風化分解，巖石風化后鉀析出并被水流帶走，含鉀的化合物也以機械搬運和水溶兩種形式遷移和再分配。難溶于水的釷化合物則殘留在原地，在表生條件下，釷以機械分化遷移為主，被搬運到別處沉積下來，小部分釷則在有利條件下形 成絡合物或有機絡合物，或以膠體的形式遷移。這兩種含量的礦物相對

6、比較穩(wěn)定。而鈾在自然界呈兩種穩(wěn)定的化合價狀態(tài)存在，價鈾的化合物不溶于水，而價鈾鹽可溶，以鈾酰離子的形式隨地下水遷移，在物理化學條件比較合適的區(qū)域轉變?yōu)閮r的化合物沉淀下來。正常情況下，泥巖具有較高的放射性數值，伽馬為高值，其主要是由富含鉀的粘土礦物以及殘留的釷元素富集，加上粘土礦物對鈾元素的吸收等造成的；對于鉀和釷含量較低的地層，鈾元素的富集往往指示裂縫的存在，因此可以通過元素鈾含量與釷鉀含量的差值進行裂縫的識別。 3.2三孔隙度測井法三孔隙度測井，即聲波，密度和補償中子測井。裂縫及其所含流體在巖石中形成的聲阻抗界面影響了聲波傳播, 聲波測井中有聲波時差、長源距聲波和全波波形測井用于裂縫探測。聲

7、波時差以周波跳躍反映水平縫、低角度縫的存在或者是含氣層的顯示。長源距聲波測井除直接應用時差曲線外,還可以通過計算縱、橫波幅度比或速度比值來體現裂縫的存在。在全波波形和變密度顯示圖上,裂縫層段出現縱、橫波能量衰減的“v,字型干涉條紋,可用于確定裂縫的位置并定性解釋低角度縫和網狀縫,該方法對水平縫顯示較好。密度測井主要反映巖石的總孔隙度,與測井儀器極板是否靠上裂縫關系極大。若極板靠上裂縫,曲線反映的孔隙度偏高；而與儀器極板不接觸或處于探測空間以外的裂縫溶洞則無法反映。為校正裂縫發(fā)育使井壁粗糙不平對密度測井測量結果產生的影響,需對密度測井曲線進行校正,該校正值可用來識別裂縫的存在,裂縫帶呈正的窄尖峰

8、狀顯示,但要注意區(qū)分鉆井時造成的人工裂縫對密度測井的影響。補償中子測井通過測量地層的含氫指數來反映地層孔隙度,在巖石骨架不含氫的情況下,它反映地層的總孔隙度,并不受孔隙空間幾何形態(tài)和分布的影響。由于致密巖石基質孔隙度很低,因此中子測井可直接反映裂縫和溶洞的發(fā)育程度。由三孔隙度測井的測量原理知，中子測井和密度測井反映了地層總孔隙度的大小，聲波速度測井主要反映原生的粒間孔隙度。聲波測井和中子測井在裂縫發(fā)育井段一般表現為高值，密度測井則表現為低值。但是，利用單個測井曲線來識別裂縫的效果往往不佳，將三種測井曲線相結合來進行測井裂縫識別更為有效。 3.3電阻率測井及傾入校正差比法對裂縫較為敏感的電阻率曲

9、線主要指深淺側向電阻率和微側向或微球聚焦測井。深、淺側向電阻率測井的差異就在于探測深度的不同，天然裂縫的存在，導致泥漿侵入鉆井遠處的地層，使深淺側向測井電阻率值出現差值異常，一般的，高角度（大于75）裂縫時差值為“正異?！?，角度愈高,差異愈大,裂縫張開度大,裂縫延伸長,其有效性就越好；低角度（小于45）裂縫時差值為“負異?！保町惙仍酱?裂縫張開度大,其有效性就越好；傾斜裂縫的差值不明顯。對于微側向或微球聚焦測井響應，一般將其與深淺雙側向測井相結合分析地層是否存在 裂縫。在井陘規(guī)則的情況下，天然裂縫較為發(fā)育的井段，其微側向或微球聚焦測井曲線會在雙側向電阻率曲線背景上發(fā)生數值偏離。侵入校正差比

10、法基于雙側向電阻率測井曲線進行裂縫識別。裂縫在雙側向測井曲線上的響應與裂縫的產狀、裂縫的寬度與長度、裂縫中的充填物及充填狀態(tài)、泥漿侵入深度等密切相關。由雙側向測井計算出地層真電阻率，然后構造電阻率侵入校正差比曲線來識別裂縫。當地層為裂縫性氣層時，侵入校正的地層真電阻率淺側向電阻率值，深淺電阻率差比值。圖2 利用常規(guī)測井技術識別裂縫3.4地層傾角測井法地層傾角測井和高分辨率地層傾角儀都是通過貼井壁極板上的微聚焦電極接觸裂縫時而產生的電導率來檢測出裂縫的,可以識別裂縫產狀并確定其走向。存在的問題是極板覆蓋率低,處理時難以區(qū)分泥質條帶和低角度裂縫及水平裂縫,只能反映高角度縫和斜交縫,而且儀器測量受井

11、眼影響比較大。利用地層傾角測井曲線識別裂縫的方法主要有裂縫識別測井lflj和電導率異常檢測ix二a兩種方法。dca處理方法通過檢測和比較開啟裂縫在不同極板上造成的電導率差異而識別斜交縫或高角度裂縫,根據異常極板有的方位可確定裂縫的走向。應用高分辨率地層傾角測井提供的4條微電阻率曲線、3條角度曲線和2條井徑曲線,依據開啟裂縫在電阻率曲線上顯示的低阻特征進行裂縫識別。針刺狀電導異常代表低角度縫、水平縫、斜交縫和網狀縫的測井響應,而高角度縫、垂直縫的測井響應對應于較長井段的低電阻異常,但要與角礫巖帶和地層層面產生的同為針刺狀的非裂縫電導異常相區(qū)別。值得注意的是,進行高導異常截止處理時難以區(qū)分泥質條帶

12、和低角度及水平裂縫,一般作為噪音予以消除,則處理結果只能反映出高角度和斜交裂縫。其次裂縫發(fā)育可能引起井壁巖塊的崩落形成橢圓井眼,利用雙井徑曲線的變化識別裂縫發(fā)育情況,區(qū)段分布一般較短。此外還可以根據儀器轉動差異(鍵槽效應)識別有無裂縫發(fā)育。圖3 埕北x井利用傾角測井資料識別裂縫3.5成像測井法最早的成像測井儀器誕生于1969年，經過幾十年的發(fā)展，目前主要有聲、電、核三大類。目前來說，成像測井是最直觀、最有效的裂縫判別依據，具體包括井下聲波電視測井、微電阻率掃描成像測井(fmi或emi)和井周成像測井方法(cbil)。其中fmi測井是國內各大油田裂縫識別時應用較為普遍的成像測井。fmi測井是通過

13、記錄極板上大量微電極的電流強度來反映井壁的微電阻率變化，然后對記錄數據進行一系列特殊處理，利用井壁圖像上的亮與暗來代表該位置電阻率值的高與低，從而得到井壁的電阻率圖像，從而獲得豐富的裂縫信息，如fva（裂縫開度）、fvdc（裂 縫 密 度）等，并且fmi的井眼覆蓋率接近80%。常見的fmi測井裂縫類型主要有高導縫，高阻縫，鉆井誘導縫，微裂縫，在碳酸鹽巖儲層中還會有溶蝕縫、縫合線等。這些fmi測井裂縫類型中，高導縫表示的是被流體或鉆井泥漿充填的開啟裂縫，能夠有效改善儲層的儲集性能。除fmi成像測井外，在裂縫的有效性評價方面，偶極子橫波成像、遠探測聲波成像以及方位電阻率成像測井均具有一定的應用前景

14、圖4 某井高角度開口裂縫與充填縫3.6裂縫測井綜合識別方法由于裂縫分布特征復雜，除了成像測井外，其它單一測井方法裂縫識別能力有限，僅使用常規(guī)測井曲線進行井上的裂縫識別無法滿足勘探開發(fā)的精度要求，針對這種情況，將測井裂縫識別與數值統(tǒng)計分析中的相關理論結合，形成了一系列新的裂縫測井綜合識別方法。3.6.1 概率密度法概率密度方法，其本質是將不同測井裂縫識別方法進行有效融合。不同的測井裂縫識別曲線（如侵入校正差比曲線和三孔隙度比值曲線等），其原理不同，量綱不同，量級差可能較大。將裂縫識別較為準確的位置提取出來，融合成一條新的測井曲線，從而提高裂縫的整體識別準確率。該方法的一般計算流程為：(1)將已有

15、裂縫識別曲線分別進行正態(tài)變換及歸一化處理；（2）基于單井裂縫先驗信息統(tǒng)計裂縫識別曲線的識別率；（3）將這 個識別率進行歸一化處理，得到各裂縫識別曲線的權重值；（4）將各裂縫識別曲線進行權值的乘積求和，得到新的曲線，即裂縫概率密度曲線。該方法能夠有效提升裂縫的井上識別率，且為連續(xù)曲線，可以作為測井約束參與到與裂縫相關的地震反演中。3.6.2 r/s變尺度分析法r/s 變尺度分析法是應用最廣泛的分形統(tǒng)計方法之一。其中r和s分別為極差和標準差，極差 代表時間序列的復雜程度，標準差 代表時間序列的平均趨勢，那么，可以用兩者的比值r/s 來代表無因次的時間序列相對波動強度。在實際應用中，先選取兩條對裂縫

16、較為敏感的測井曲線（例如自然伽馬和聲波曲線），并分別計算出兩曲線每個采樣點的r和s值為，然后將選取的兩條識別曲線與n作雙對數散點圖。在某一深度段內，將散點擬合為曲線，并計算該r/s 曲線的斜率h（一般稱為hurst指數），然后求取分形維數。一般情況下，井段裂縫越發(fā)育，則井段非均質性越強，r/s 與n的雙對數線性關系圖的變化越劇烈，表明d值越高。3.6.3 神經網絡裂縫識別方法近年來，神經網絡技術發(fā)展迅速，并將其引入石油地質勘探的實際問題中，用于預測井段的裂縫發(fā)育情況。其學習算法由正向傳播和反向傳播兩個過程組成。在正向傳播過程中，輸入信息從輸入層經隱蔽單元逐層處理，并傳向輸出層。若輸出層得不到期

17、望的輸出，則轉入反向傳播，將誤差信號沿原來的連通路返回，通過修改各層神經元之間的權值，使誤差信號最小。目前應用最廣泛的是bp（back propagation）網絡。在實際的裂縫識別過程中，首先，利用已知測井裂縫信息的井段對神經網絡進行訓練，達到精度需求時結束學習過程，然后，再利用已經訓練好的網絡對未知裂縫信息的層段進行預測。 4.儲層裂縫參數的定性和定量確定4.1 裂縫真?zhèn)斡行宰R別 鉆井誘導縫與天然裂縫的區(qū)別主要有: 根據裂縫的分布和排列,因為鉆井誘導裂縫只與現應力作用有關,排列整齊,規(guī)律性強,而天然裂縫常為多期構造運動形成,分布極不規(guī)則； 根據裂縫的形態(tài),誘導裂縫形狀規(guī)則,縫寬均勻,而天

18、然裂縫因地下水長期的溶蝕和沉淀作用,縫面形狀和寬度變化都較大； 根據裂縫的徑向延伸,誘導裂縫的徑向延伸都不大,而大多數天然裂縫的徑向延伸較大,常伴有電阻率下降。真、假裂縫的識別需要成像測井結合常規(guī)測井方法共同判斷，對于層界面與裂縫、縫合線與裂縫的鑒別,主要依靠電導率異常。層界面常常是一組互相平行的或接近平行的高電導率異常,且異常寬度窄而均勻；但裂縫總是與構造運動和溶蝕相伴生,因而高電導率異常一般既不平行,又不規(guī)則。由于縫合線是壓溶作用的結果,一般平行于層界面,但兩側有近垂直的細微高電導率異常,通常不具有滲透性；天然裂縫無此特征。至于斷層條帶與裂縫的鑒別則主要依據斷層面處的地層的錯動,與天然裂縫

19、的區(qū)別非常明顯。泥質條帶與裂縫的鑒別類似于層界面與裂縫的區(qū)別,依靠電導率異常識別。圖5層理面、裂縫面在成像測井圖像上的區(qū)別裂縫是否開啟、是否被充填,直接關系到裂縫能否成為油氣運移的通道(即裂縫的有效性)。對裂縫有效性的評價需要根據多種資料進行綜合判斷。第一,通過成像圖與雙側向或方位電阻率成像測井比較,判斷裂縫的有效性。當裂縫徑向延伸大時,深、淺側向電阻率讀數均降低；當裂縫徑向延伸較小時,淺側向電阻率讀數降低,深側向電阻率讀數無明顯變化。一般來講,井壁成像徑向探測深度比方位電阻率成像測井小得多,因此成像圖上能顯示的各種裂縫既包括有效裂縫也包括無效裂縫,而方位電阻率成像測井圖上能顯示出來的裂縫主要

20、是有效裂縫。第二,利用成像圖與核磁測井的tz分布判斷裂縫有效性。由于核磁共振測井能夠反映儲層當中的可動流體與束縛流體以及孔隙大小的分布,如果裂縫、孔洞被泥質充填,那么幾分布上將表現出束縛流體特征,沒有可動流體,由此可以判斷裂縫是被低阻礦物或泥質所充填；如果裂縫、孔洞不被泥質充填,那么毛分布上將表現出可動流體和大孔隙分布,即毛弛豫時間特別長,從而確定出有效裂縫和孔洞。第三,利用斯通利波測井判斷裂縫有效性。4. 2裂縫基本參數的評價4.2.1裂縫孔隙度的確定方法確定裂縫孔隙度的方法主要有雙側向法、光電俘獲截面法、雙孔隙度模型分析、次生孔隙度法和標定法等。實際上常用的是雙側向法。(1)雙側向法用雙側

21、向測井資料來估算裂縫孔隙度的前提是深、淺側向測井曲線之間存在有幅度差。而雙側向之間的幅度差與裂縫的產狀、裂縫張開度、泥漿侵入及孔隙流體性質等因素均有關,因此用雙側向測井資料估算裂縫孔隙度需要滿足一定的條件,比如,雙側向測井資料實際上只能計算高角度裂縫的孔隙度,對滲透性良好的低角度裂縫,雙側向無差異或負差異,則無法計算。(2)光電俘獲截面法它是利用光電俘獲截面受含鋇泥漿的強烈影響這一特性來評價的。只有當裂縫性巖石被含重晶石的泥漿侵入時,才可據此評價裂縫孔隙度。(3)雙孔隙度模型分析由雙孔隙度模型分析求取裂縫孔隙度的原理是,基于雙孔隙度模型可以得到孔隙度指數(反映孔隙通道彎曲程度的一個參數)m,再

22、結合裂縫分配系數g作成圖版,通過查圖版可定量求得裂縫孔隙度,但該圖版的使用條件是假定裂縫與巖石基塊孔隙是呈并聯的電阻率系統(tǒng)。(4)次生孔隙度法中子和密度測井所反映的巖石總孔隙度與聲波測井反映的巖石基質孔隙度之差即為包括裂縫在內的次生孔隙度,這是對裂縫孔隙度的一種粗略近似分析。該方法只有當地層孔隙度較高且不含氣時才較為適合,而且聲波孔隙度往往不反映基質孔隙度,如在水平裂縫發(fā)育帶上。(5)標定法石油勘探開發(fā)研究院利用地層微電阻率成像測井(fmi)圖像解釋的裂縫孔隙度對裂縫指數曲線進行標定,然后再用裂縫指示曲線來反映裂縫孔隙度的大小,但所確定的裂縫孔隙度只能從數量級上反映,因為除了存在井眼擴大、含其

23、它導電礦物外,還因為fmi所確定的裂縫孔隙度只能反映井壁的地層,探測深度太淺。4.2.2裂縫滲透率的確定方法其原理是巖石裂縫滲透率與裂縫孔隙度成正比,與裂縫張開寬度的平方成正比。值得注意的是由此所確定的裂縫滲透率為裂縫型儲層的絕對滲透率,而不是相對滲透率；并且這只是個經驗模型,其中裂縫張開度和裂縫孔隙度本身就不好確定。另外需注意,用測井資料確定粒間孔隙地層滲透率的問題都尚未解決,因此用測井資料來研究裂縫滲透率也只能是個嘗試。4.2.3裂縫發(fā)育程度的確定方法國內有的學者主張用巖石的完整性系數、破裂系數以及縱橫波速度比值來描述裂縫發(fā)育程度,并且認為這3個參數中用破裂系數較好。其使用條件為:若有密度

24、測井資料,且質量較好時,就選用破裂系數；若沒有密度測井資料或質量太差,則選用完整性系數或縱橫波速度比,但在使用縱橫波速度比時,還需注意由巖性差異引起的系統(tǒng)誤差。存在的問題是這些參數不能反映高角度裂縫、溶洞。4.2.4裂縫特征參數的確定方法裂縫長度、裂縫密度、裂縫開口和裂縫面積孔隙度是反映裂縫特征的4個重要參數。裂縫寬度指單位井段(1m)中各裂縫軌跡寬度立方和開立方,是裂縫水動力效應的一種擬合,單位為m； 裂縫密度為每米井段所見到的裂縫總長度,并經過傾斜校正后的結果,單位為條數/m；裂縫長度為每平方米井壁所見到的裂縫長度之和,單位為m/m2； 圖6 裂縫參數的定量計算4.2.5裂縫產狀的確定方法

25、在常規(guī)測井資料中,目前主要用雙側向測井、地層傾角測井和成像測井資料來估計裂縫產狀。雙側向測井的幅度差隨裂縫的產狀不同而不同,故利用其幅度差可近似判斷裂縫的傾角類型,即高角度裂縫(傾角大于75)和低角度裂縫(傾角小于67)。利用地層傾角測井資料可估計裂縫走向,并大致判斷出裂縫為低角度、斜交、高角度等類型,但只有當裂縫面通過井軸時才能由電導率異常檢測(dca)的方位頻率圖正確確定高角度裂縫的走向。井中電視和地層微電阻率掃描能夠確定裂縫的傾角和走向。另外,在碳酸鹽巖儲層中,還可以利用深、淺雙測向的電阻率比值大小來近似估計裂縫(高角度裂縫)的徑向延伸深度。需要注意的是在用雙側向測井資料確定裂縫性地層裂

26、縫參數時有一個重要的前提,即先要準確地識別裂縫及其產狀,否則計算的結果沒有意義,甚至會產生極不合理的結果。由此可見,這些常規(guī)評價方法都是對復雜問題作了簡化、近似,是在均質、線性、理想的條件下進行解釋的。5.結論近年來，石油勘探研究人員在不同地區(qū)不同巖性的測井裂縫預測工作中取得了較好的研究成果，但是，測井裂縫識別的準確度問題在生產實踐仍未有效解決，其原因在于：（）裂縫尺度小，同一地區(qū)的裂縫在不同井點處的裂縫開度、傾角、充填度等特征也會發(fā)生變化，單純利用常規(guī)測井數據來進行裂縫識別難度較大；（）測井施工過程中的誤差會影響測量值的準確性，在進行裂縫識別這種精細的測井資料分析時，該類誤差的影響不容輕視。

27、在實際應用中，成像測井仍是目前最為可靠的裂縫識別依據，可以作為驗證其他裂縫預測方法是否準確的依據，為了提高測井裂縫識別的精確度，一般通過多種測井裂縫識別方法的對比分析，來綜合性的進行測井的裂縫識別。參考資料1李新景,胡素云,程克明. 北美裂縫性頁巖氣勘探開發(fā)的啟示j. 石油勘探與開發(fā),2007,04:392-400. 2高霞,謝慶賓. 儲層裂縫識別與評價方法新進展j. 地球物理學進展,2007,05:1460-1465. 3孫煒,李玉鳳,付建偉,李天義. 測井及地震裂縫識別研究進展j. 地球物理學進展,2014,03:1231-1242. 4張希明,楊堅,楊秋來,張春冬. 塔河縫洞型碳酸鹽巖油

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