李錦鋒，張春灌

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065；2.延長石油下寺灣采油廠勘探開發(fā)研究所，陜西延安716000)

頁巖儲(chǔ)層微裂縫常規(guī)測(cè)井綜合識(shí)別研究
——以下寺灣油氣田延長組長7段頁巖為例

李錦鋒1，2，張春灌1

(1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710065；2.延長石油下寺灣采油廠勘探開發(fā)研究所，陜西延安716000)

鄂爾多斯盆地下寺灣油氣田延長組長7段黑色油頁巖分布面積廣、厚度大，頁巖儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)育北東向65°～85°微裂縫。結(jié)合前人研究成果，選取聲波時(shí)差(AC)、自然伽馬(GR)和補(bǔ)償中子(EN)等三條對(duì)儲(chǔ)層微裂縫敏感度較高的常規(guī)測(cè)井曲線，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換對(duì)下寺灣油氣田長7段頁巖儲(chǔ)層的微裂縫進(jìn)行識(shí)別，取得了較好的效果，為頁巖儲(chǔ)層微裂縫識(shí)別提供了一種較精確的方法。

下寺灣油氣田；延長組；頁巖；微裂縫

下寺灣油氣田位于鄂爾多斯盆地南部洛河流域，總面積約2400 km2。鄂爾多斯盆地的晚三疊世長7期湖盆大幅度沉降，深湖區(qū)廣泛發(fā)育，此時(shí)湖盆迅速擴(kuò)大，湖盆面積達(dá)到整個(gè)中生代最大范圍，發(fā)育了延長組最重要的一套生油巖—張家灘頁巖，為陸相頁巖氣藏得形成提供了條件[1，4，7]。

我國第一口陸相頁巖氣井—LP177井和第一口陸相頁巖氣水平井—YYP1井都在鄂爾多斯盆地下寺灣油氣田壓裂試氣成功，這不僅證實(shí)了我國陸相頁巖氣的存在，而且標(biāo)志著延長石油在陸相頁巖氣藏勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。

然而目前我國的陸相頁巖氣勘探開發(fā)還處于初始階段，對(duì)陸相頁巖氣藏的研究主要集中在頁巖氣成藏方面[1-6]，而對(duì)陸相頁巖儲(chǔ)層微裂縫發(fā)育特征及微裂縫識(shí)別研究相對(duì)較少。本文結(jié)合前人研究成果[2-4，6]，在分析了頁巖儲(chǔ)層微裂縫的發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換方法對(duì)頁巖儲(chǔ)層微裂縫的識(shí)別做了進(jìn)一步研究。

1 頁巖儲(chǔ)層微裂縫的發(fā)育特征

1.1 微裂縫產(chǎn)狀

裂縫按產(chǎn)狀可以分為高角度縫、斜交縫、低角度縫、水平縫和網(wǎng)狀縫[8]。通過對(duì)YY3井長7段頁巖巖心微裂縫觀察，分析認(rèn)為下寺灣油氣田中生界延長組長7段頁巖的構(gòu)造微裂縫以剪切微裂縫為主，主要為北東65°～85°。從圖1可以看出，研究區(qū)長7段頁巖構(gòu)造微裂縫以高角度微裂縫為主，約占76%，斜交縫相對(duì)較少，約占13%，偶有低角度縫及水平縫。

1.2 微裂縫開度

微裂縫的開度是反映微裂縫發(fā)育程度的重要參數(shù)之一[8]。通過對(duì)研究區(qū)長7段頁巖巖心鏡下薄片資料顯示，下寺灣油氣田長7段頁巖微裂縫發(fā)育開度以1～10 μm為主，約占90%。小部分微裂縫開度達(dá)到10～20 μm，極少數(shù)裂縫開度大于20 μm。圖2和圖3為下寺灣油氣田王坪區(qū)和柳洛峪區(qū)長7段頁巖微裂縫開度頻率分布圖。

圖1 微裂縫傾角頻率分布圖

圖2 王坪區(qū)微裂縫開度頻率分布圖

圖3 柳洛峪微裂縫開度頻率分布圖

1.3 微裂縫長度

通過對(duì)YYP1井及YY3井長7段巖心鏡下薄片鑒定統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為研究區(qū)頁巖儲(chǔ)層微裂縫的連通性較好且微裂縫的長度相差較大，較短的微裂縫約3～5 mm，較長的約8～15 mm，其中大多數(shù)微裂縫穿透了整個(gè)薄片。并在多口井中均監(jiān)測(cè)到有切穿若干層的一級(jí)微裂縫(YY1井等)和局限于單層內(nèi)的二級(jí)微裂縫(YY3井等)的存在。這些微裂縫既是頁巖氣成藏的重要滲流通道，又是很好的儲(chǔ)集空間。

1.4 微裂縫密度及間距

微裂縫的密度是又一個(gè)能夠反映微裂縫發(fā)育程度的參數(shù)[8]。YY3井和LP172井的巖心鏡下薄片和掃描電鏡資料顯示，YY3井長7段頁巖的線密度平均值為7.8條/cm，微裂縫間距為1282.06 μm，LP172井長7段頁巖的線密度均值為6.8條/cm，微裂縫間距為1470.59 μm。由此可以看出研究區(qū)長7段頁巖儲(chǔ)層微裂縫較為發(fā)育。

1.5 微裂縫的充填特征

微裂縫按裂縫破裂面的形態(tài)可分為開啟縫、閉合縫和充填縫[8]。運(yùn)用鑄體薄片觀察和掃描電鏡觀察方法對(duì)YY3井和LP172井巖心觀察統(tǒng)計(jì)分析，約85%的微裂縫為充填縫，約10%的微裂縫為閉合縫，極少量為開啟縫。充填縫中填充基質(zhì)主要為泥質(zhì)及石英、方解石等硅酸鹽礦物。

2 頁巖儲(chǔ)層微裂縫常規(guī)測(cè)井綜合識(shí)別研究

2.1 頁巖儲(chǔ)層微裂縫常規(guī)測(cè)井響應(yīng)

常規(guī)測(cè)井方法種類眾多，各種測(cè)井方法對(duì)微裂縫的敏感程度也各不相同，常規(guī)測(cè)井中對(duì)微裂縫響應(yīng)比較敏感的測(cè)井方法主要有聲波速度測(cè)井、中子測(cè)井、電阻率測(cè)井、密度測(cè)井、自然電位測(cè)井、自然伽馬測(cè)井、井徑測(cè)井等[9]，因此可以利用這些對(duì)儲(chǔ)層微裂縫敏感度較高的測(cè)井方法來識(shí)別和評(píng)價(jià)頁巖儲(chǔ)層微裂縫。

圖4 密度和中子交會(huì)圖

圖5 聲波時(shí)差和電阻率交會(huì)圖

根據(jù)下寺灣油氣田YYP1井、YY3井和LP172井延長組長7段油頁巖段的測(cè)井響應(yīng)繪制出了聲波時(shí)差和電阻率交會(huì)圖及密度和中子交會(huì)圖(圖4，圖5)。測(cè)井微裂縫的響應(yīng)特征：有微裂縫發(fā)育的層段其聲波時(shí)差(AC)增大(均大于270 μs·m-1)，常出現(xiàn)周波跳躍現(xiàn)象；補(bǔ)償中子數(shù)值增大(均大于40 p·u)；地層電阻率值明顯升高(均大于400 η·m)；密度曲線數(shù)值降低(均小于2.4 g/cm3)；自然電位(SP)曲線表現(xiàn)為負(fù)異常，并且在高角度微裂縫發(fā)育層段的負(fù)異常程度教斜交縫、低角度縫和水平縫的負(fù)異常程度更為明顯；在微裂縫發(fā)育的絕大部分層段會(huì)表現(xiàn)為明顯的擴(kuò)井現(xiàn)象，但也有極少數(shù)微裂縫發(fā)育層段因泥餅的存在而表現(xiàn)為擴(kuò)井現(xiàn)象。

2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于測(cè)井微裂縫識(shí)別的算法主要是BP算法。BP算法將學(xué)習(xí)過程分解為正向傳播和誤差反向傳播兩個(gè)過程[9]，其具體步驟如下：

(1)選定m個(gè)樣本，作為一個(gè)訓(xùn)練營；

(2)將權(quán)值和閾值初始化，初始值設(shè)為(-1，1)之間的隨機(jī)值；

(3)將作為輸入層的數(shù)據(jù)按照各個(gè)連接權(quán)重的大小加權(quán)輸入至隱含層的激活函數(shù)，然后再得到新的值，按照各個(gè)連接權(quán)重的大小加權(quán)輸入至輸出層的激活函數(shù)，計(jì)算出輸出層的輸出結(jié)果；

(4)如果輸出值和期望值有相對(duì)誤差，則計(jì)算訓(xùn)練誤差；

(5)進(jìn)一步調(diào)整權(quán)值及閾值；

(6)按照新的權(quán)值和閾值再進(jìn)行計(jì)算，直至訓(xùn)練營滿足條件為止。

BP算法在測(cè)井資料識(shí)別裂縫的應(yīng)用中，傳遞函數(shù)一般按下面方法構(gòu)建[9]：

(1)

式中y為神經(jīng)元的輸出值；

xi=(i=1，2，…，m)為輸入量，在微裂縫識(shí)別中為微裂縫敏感性參數(shù)，可以從常規(guī)測(cè)井資料中提取得到。

表1是運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理下寺灣油氣田YY3井延長組長7段頁巖的微裂縫識(shí)別成果表，從該表中可以看出，長7段頁巖儲(chǔ)層微裂縫較為發(fā)育，以高角度微裂縫為主，斜交縫相對(duì)較少。裂縫發(fā)育方向?yàn)楸睎|—西南向，與實(shí)際地質(zhì)情況相符合。

2.3 小波變換識(shí)別方法

與傅里葉變換相似，小波變換是將一個(gè)連續(xù)的信號(hào)分解為一系列小波的組合，從而將時(shí)域信號(hào)變換到小波域，而在小波域則表現(xiàn)為用于組合的系數(shù)系列。小波變換包含正變換和逆變換兩個(gè)步驟[9，10]。其處理流程是首先將時(shí)域信號(hào)變換到小波域，然后在小波域?qū)M合系數(shù)進(jìn)行修改，最后在進(jìn)行逆變換從而達(dá)到對(duì)信號(hào)的處理目的。將小波變換應(yīng)用于常規(guī)測(cè)井識(shí)別裂縫的實(shí)質(zhì)就是通過小波分解、重構(gòu)反映低頻和高頻成分能量信息系數(shù)，提取出測(cè)井曲線中反映裂縫發(fā)育情況的高頻微弱信號(hào)，從而用來識(shí)別裂縫發(fā)育層段。

表1 YY3井人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別裂縫成果表

Mallat小波基函數(shù)其快速算法為[9，10]：

正變換(分解算法)

(2)

逆變換(重構(gòu)算法)

(3)

式中h0、h1為濾波器系數(shù)，可由小波函數(shù)計(jì)算得到。c和d為組合系數(shù)，其中c為時(shí)域信號(hào)中低頻成分的能量信息，d為高頻成分的能量信息。

表2 YY3井及LP172井中小波變換識(shí)別裂縫的驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)表

圖6是下寺灣油氣田利用小波變換方法處理YY3井的結(jié)果。其中WLT-AC是對(duì)聲波時(shí)差測(cè)井曲線采用小波變換處理的裂縫指示曲線，在巖心上發(fā)育的井段絕大部分在裂縫指示曲線上有顯示。WLT為利用聲波時(shí)差、自然伽馬和補(bǔ)償中子三條測(cè)井曲線的小波變換處理的綜合裂縫指示曲線。從表2的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，利用小波變換方法可以很好的識(shí)別頁巖儲(chǔ)層微裂縫，且綜合曲線經(jīng)小波變換以后的裂縫識(shí)別效果總是好于單條曲線經(jīng)小波變換后的裂縫識(shí)別效果。

圖6 聲波速度測(cè)井曲線及綜合測(cè)井曲線的小波變換識(shí)別裂縫成果圖

3 結(jié)論

(1)下寺灣油氣田延長組長7段頁巖儲(chǔ)層主要發(fā)育高角度微裂縫，常規(guī)測(cè)井曲線在長7段頁巖儲(chǔ)層響應(yīng)特征差異明顯，具有高伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、高補(bǔ)償中子、低密度的特性。

(2)運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及小波變換方法可以很好的識(shí)別出頁巖儲(chǔ)層微裂縫，且運(yùn)用綜合測(cè)井曲線經(jīng)小波變換后的微裂縫識(shí)別效果比運(yùn)用單曲線經(jīng)小波變換以后的微裂縫識(shí)別效果要好。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頁巖儲(chǔ)層微裂縫較精確的識(shí)別。

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[責(zé)任編輯 李曉霞]

Micro-fractures Characterization and Identification by Conventional Logs of Shale Reservoirs
——Taking the Yanchang Formation Chang7 in Xiasiwan Oil and Gas Field for Example

LI Jin-feng1,2,ZHANG Chun-guan1

(1.School of Earth Sciences and Engineering,Xian ShiYou University,Xi′an 710065,China;2.Exploration and Production Research Institute of Yanchang Oilfield,Yan′an 716000,China)

The shale of the Mesozoic Yanchang formation Chang7 is widely developed in Xiasiwan oil and gas field.The results show that large numbers of 65～85 degrees North of east micro-fractures with high dip angles were developed, by using thin sections,blue epoxy resin-impregnated thin sections and SEM, which is not only the migration pathway of gas production,but also the shale gas accumulation space. With the results of previous researches,acoustic interval transit time, Gamma and compensated neutron logs are chosen to identify the micro-fractures by using artificial neural networks and wavelet transform，which provides a more accurate method to identify the micro-fractures.

Xiasiwan oil and gas field; Yanchang formation; shale gas reservoir; micro-fractures

2015-02-20

中國地質(zhì)調(diào)查局資源調(diào)查與評(píng)價(jià)項(xiàng)目(12120113040300-03)和陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1579)

李錦鋒(1987—)，男，陜西榆林人，延長石油助理工程師，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生。

TE122.1

A

1004-602X(2015)02-0014-04