崔維平, 楊玉卿, 張翔

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司, 河北 三河 065201; 2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué)), 湖北 武漢 430010)

0 引 言

對(duì)于天然縫、洞的相關(guān)參數(shù)如寬度、密度、孔隙度等,基于電成像測(cè)井的定量計(jì)算方法成熟,效果良好。人工壓裂和鉆井液與地應(yīng)力之間不均衡造成的規(guī)模較大的壓裂縫[1-2],其視寬度的快速計(jì)算方法尚屬空白。壓裂縫通常較為規(guī)則,規(guī)模較大,呈現(xiàn)相互平行的近垂直狀態(tài)。壓裂縫的寬度是重要的裂縫參數(shù),其徑向延伸雖然沒(méi)有天然裂縫那么遠(yuǎn),但在縱向上卻常有很大的穿層長(zhǎng)度,且其張開(kāi)度即寬度相對(duì)較大,可能造成鉆井液的嚴(yán)重漏失,漏失量與裂縫寬度有很大的關(guān)系[3]。在水力壓裂時(shí),水力裂縫寬度決定水力裂縫的導(dǎo)流能力,縫寬太小,使得攜砂液無(wú)法通過(guò),導(dǎo)致施工壓力急劇上升,超過(guò)施工限壓而使壓裂施工失敗[4],裂縫寬度還將影響壓裂井壓后產(chǎn)量[5]。分析影響水力裂縫寬度的因素,對(duì)優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)有一定意義。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井壁附近壓裂縫的寬度,明確縫寬對(duì)井筒壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律是控制漏失和保護(hù)儲(chǔ)層的關(guān)鍵。壓裂縫寬度預(yù)測(cè)有巖心描述[6]、室內(nèi)模擬[7]、理論計(jì)算[8]、數(shù)值模擬[9]、巖心描述與礦場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合[10]等方法。巖心描述可以獲得應(yīng)力釋放后裂縫寬度,室內(nèi)模擬得到巖心尺度的縫寬變化規(guī)律,理論計(jì)算針對(duì)單條水力壓裂縫。這些研究多以巖心為基礎(chǔ),對(duì)壓裂縫規(guī)模的反映不夠真實(shí),且成本高。電成像測(cè)井資料具有縱向分辨率高、能夠清晰反映井壁各種裂縫特征的優(yōu)勢(shì),并可定量計(jì)算各種裂縫的參數(shù),評(píng)價(jià)儲(chǔ)層質(zhì)量[11],但對(duì)規(guī)模較大的壓裂縫寬度的計(jì)算尚屬空白。鑒于人工水力壓裂縫受套管限制,不測(cè)電成像資料,難以求取。本文基于電成像測(cè)井圖像,采用圖像處理算法,重點(diǎn)對(duì)鉆井誘導(dǎo)壓裂縫視寬度的計(jì)算方法進(jìn)行探討。

1 壓裂縫視寬度計(jì)算方法

1.1 井壁壓裂縫電成像測(cè)井響應(yīng)

鉆井液與地應(yīng)力不平衡造成的誘導(dǎo)壓裂縫通常以高角度張性裂縫為主,在井壁呈現(xiàn)近垂直、相互平行狀態(tài),走向與最大水平主應(yīng)力方向平行,規(guī)模一般較自然裂縫大得多。這種裂縫與地應(yīng)力有密切關(guān)系,排列整齊,規(guī)律性強(qiáng)。在電成像測(cè)井圖像上響應(yīng)特征為[12]:

(1) 一般與井壁近似平行,寬度基本一致,呈近于180°對(duì)稱分布的暗色條帶分布,且總是出現(xiàn)在現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向。

(2) 當(dāng)井身垂直時(shí),以一條高角度張性裂縫為主,兩側(cè)有2組羽毛狀的微小裂縫,或彼此平行,或共軛相交;當(dāng)井身傾斜時(shí),壓裂縫全部變成同一方向,且彼此平行的傾斜縫。

1.2 壓裂縫視寬度計(jì)算

利用電成像測(cè)井圖像,采用圖像處理方法,具體分點(diǎn)模式與段模式2種方式分別提取壓裂縫目標(biāo),計(jì)算其視寬度。在點(diǎn)模式中選擇壓裂縫任一點(diǎn),計(jì)算該點(diǎn)周?chē)鷫毫芽p沿縫寬方向的視寬度;在段模式中選擇一段壓裂縫,計(jì)算該段壓裂縫的平均視寬度。

1.2.1 點(diǎn)模式

在電成像測(cè)井圖像上通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊壓裂縫中任一點(diǎn),通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)法提取鼠標(biāo)點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域沿縫寬方向的壓裂縫目標(biāo),計(jì)算該目標(biāo)的視寬度。

區(qū)域生長(zhǎng)法是一種串行區(qū)域分割方法,從某個(gè)像素作為種子點(diǎn)出發(fā),按照一定的準(zhǔn)則,將與種子點(diǎn)有相似屬性(如灰度級(jí)、紋理與顏色等特征)的點(diǎn)逐步加入鄰域像素,當(dāng)滿足一定的條件時(shí),區(qū)域生長(zhǎng)終止。點(diǎn)模式只計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)的壓裂縫視寬度,所以,只需要沿著圖像橫向方向進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)即可。圖1為點(diǎn)模式橫向區(qū)域生長(zhǎng)示意圖,圖1中紅色點(diǎn)表示種子點(diǎn),深、淺藍(lán)點(diǎn)表示壓裂縫區(qū)域,綠點(diǎn)表示非裂縫電成像區(qū)域;按照橫向區(qū)域生長(zhǎng),從紅色種子點(diǎn)開(kāi)始,沿當(dāng)前點(diǎn)左右橫向生長(zhǎng),當(dāng)不滿足閾值條件時(shí),停止生長(zhǎng),如圖1淺藍(lán)色點(diǎn)區(qū)域之間的距離即為當(dāng)前點(diǎn)壓裂縫的視寬度。

圖1 點(diǎn)模式區(qū)域生長(zhǎng)法示意圖

1.2.2 段模式

段模式是采用自動(dòng)與人機(jī)交互相結(jié)合的方式提取一段地層的壓裂縫視寬度。如圖2所示為段模式計(jì)算壓裂縫視寬度流程圖,首先生成壓裂目標(biāo)的電測(cè)井圖像,采用自動(dòng)方法對(duì)含有壓裂縫目標(biāo)的電成像測(cè)井圖像自動(dòng)分類(lèi),提取壓裂縫目標(biāo);輔助人機(jī)交互方式對(duì)自動(dòng)提取壓裂縫目標(biāo)進(jìn)行修正,達(dá)到最佳分割效果;最后對(duì)分割的壓裂縫目標(biāo)的平均視寬度進(jìn)行計(jì)算。

圖2 段模式計(jì)算壓裂縫視寬度流程圖

如果電成像測(cè)井圖像中只存在壓裂縫與一種背景時(shí),圖像直方圖顯示為雙峰特征。然而實(shí)測(cè)壓裂縫電成像測(cè)井圖像存在多類(lèi)目標(biāo),直方圖不存在雙峰情況,針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題提出了一種雙類(lèi)間最大方差法自動(dòng)提取壓裂縫目標(biāo)。如圖3是實(shí)測(cè)的電成像圖像直方圖,從圖3看該直方圖不是雙峰,而是3峰,用類(lèi)間最大方差法分割得不到好的壓裂縫目標(biāo)[13]。

圖3 實(shí)測(cè)的電成像圖像直方圖

(1) 雙類(lèi)間最大方差法。類(lèi)間最大方差法是采用2類(lèi)之間方差最大的準(zhǔn)則分割2類(lèi)的最佳分類(lèi)方法。對(duì)于圖3直方圖所示的壓裂縫、背景及其他目標(biāo)等3類(lèi)分類(lèi)問(wèn)題,首先使用類(lèi)間最大方差法將圖像分割成2類(lèi),即在類(lèi)間最大方差法確定最佳閾值t的基礎(chǔ)上,根據(jù)閾值t將電成像靜態(tài)灰度圖像分割為2部分。在分割后的2部分中,分別再使用類(lèi)間最大方差法,計(jì)算各自子類(lèi)中的最佳分類(lèi),分別確定2個(gè)最佳閾值t2與t3;選取閾值t2與閾值t3的類(lèi)間方差最大的閾值作為第2類(lèi)與第3類(lèi)的分割閾值,即從t2和t3這2個(gè)閾值中選取一個(gè)最佳分割值t1;由t1和t確定電成像測(cè)井圖像中壓裂縫與其他2種背景及另一種目標(biāo)等3類(lèi)。

(2) 人機(jī)交互精確提取壓裂縫。在自動(dòng)提取壓裂縫后,如果對(duì)自動(dòng)提取的壓裂縫結(jié)果不理想,可以輔助人機(jī)交互方式對(duì)自動(dòng)提取壓裂縫目標(biāo)進(jìn)行修正,即手動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)方式確定的分割雙閾值,以達(dá)到最佳分割效果。手動(dòng)調(diào)節(jié)雙閾值時(shí),可實(shí)時(shí)預(yù)覽當(dāng)前分割的結(jié)果。

段模式采用雙閾值的方法使壓裂縫目標(biāo)區(qū)域更加明確;同時(shí)輔助人工調(diào)節(jié)閾值,達(dá)到精確提取裂縫。

1.3 程序?qū)崿F(xiàn)

采用點(diǎn)模式與段模式計(jì)算壓裂縫視寬度方法移植到中海油EGPS平臺(tái)上。采用EGPS平臺(tái)進(jìn)行電成像測(cè)井預(yù)處理,生成壓裂縫電成像測(cè)井靜態(tài)圖像。通過(guò)選擇電成像靜態(tài)圖像,分別采用點(diǎn)模式與段模式計(jì)算壓裂縫視寬度。

2 實(shí)例分析

圖4所示為點(diǎn)模式計(jì)算壓裂縫視寬度軟件界面。界面左邊部分是電成像圖像,右上方是模式方式選擇框,右中部是點(diǎn)模式視寬度、傾向等顯示部分。在點(diǎn)模式下,在右上方模式選擇中選擇“點(diǎn)模式”,在右中部選擇合適閾值(初始值為5);界面左邊的電成像圖像的一條壓裂縫上鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊(種子點(diǎn)的選取),通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)法,提取當(dāng)前點(diǎn)處壓裂縫目標(biāo);同時(shí)也會(huì)在提取點(diǎn)壓裂縫區(qū)域左右顯示2條垂直綠線,2條垂直綠線之間距離表明為當(dāng)前點(diǎn)壓裂縫視寬度,依據(jù)實(shí)際深度與圖像高度比例關(guān)系,計(jì)算提取的壓裂縫的視寬度,如圖2提取的壓裂縫視寬度計(jì)算結(jié)果為1.9 mm,顯示在界面右中間部分。

圖4 點(diǎn)模式計(jì)算壓裂縫視寬度界面

圖5 段模式計(jì)算壓裂縫視寬度界面

如圖5所示為段模式計(jì)算壓裂縫視寬度軟件界面。該界面分為4個(gè)部分,右下方顯示段模式選擇的原始?jí)毫芽p的圖像;左上方為圖像對(duì)應(yīng)的灰度直方圖;左下方為雙類(lèi)間最大方差法及人機(jī)交互處理分割后壓裂縫圖像以及分割后區(qū)域選擇按鈕,左中部分為人機(jī)交互處理時(shí)手工調(diào)節(jié)2個(gè)閾值的滑動(dòng)條;右上方為壓裂縫信息,包括起始與終止深度,以及計(jì)算后的壓裂縫的視寬度。

段模式工作模式,在圖4右上方模式方式選擇框中選擇“段模式”,然后在圖4左邊的電成像圖像上,通過(guò)鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊2個(gè)點(diǎn),選擇一段壓裂縫,然后點(diǎn)擊“段模式確定”按鈕,彈出圖5所示段模式計(jì)算壓裂縫視寬度界面。此時(shí)采用雙類(lèi)間最大方差法分割壓裂縫圖像,分割結(jié)果如圖5左下方所示。依據(jù)左上方直方圖,采用人機(jī)交互方式對(duì)雙類(lèi)間最大方差法自動(dòng)分割結(jié)果進(jìn)行精細(xì)分割,通過(guò)調(diào)節(jié)圖5左邊中部閾值滑動(dòng)條改變這兩個(gè)值,使雙閾值圖達(dá)到最佳的效果,交互方式分割的壓裂縫圖像自動(dòng)更新圖5左下方分割顯示區(qū)域。根據(jù)最終的分割結(jié)果,選擇區(qū)域選擇作為壓裂縫目標(biāo),依據(jù)圖5選擇分割結(jié)果的黑色區(qū)域作為最終的壓裂縫目標(biāo),依據(jù)實(shí)際深度與圖像高度比例關(guān)系,計(jì)算該段壓裂縫的平均視寬度為2.02 mm。

基于以上實(shí)測(cè)電成像圖像壓裂視縫寬度計(jì)算,分別從適用性、性質(zhì)、速度及特點(diǎn)4方面對(duì)2種模式進(jìn)行總結(jié)如表1所示。點(diǎn)模式法對(duì)當(dāng)前點(diǎn)壓裂縫視寬度計(jì)算具有速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、方便但精度較低的特點(diǎn);段模式法對(duì)一段壓裂縫平均視寬度進(jìn)行計(jì)算具有速度慢、計(jì)算復(fù)雜但精度較高的特點(diǎn)。

表1 2種模式計(jì)算壓裂縫對(duì)比表

3 結(jié) 論

(1) 壓裂縫是一種誘導(dǎo)縫,是重泥漿與地應(yīng)力不均衡造成的,其存在不僅造成鉆井液的嚴(yán)重漏失,還將影響壓裂井的壓后產(chǎn)量。分析確定壓裂縫寬度,對(duì)優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)和指導(dǎo)鉆井工程有一定意義。

(2) 通過(guò)點(diǎn)模式與段模式的2種方法處理,依據(jù)電成像測(cè)井圖像分別計(jì)算出壓裂縫的視寬度,雙類(lèi)間最大方差法較好地處理直方圖非雙峰壓裂縫目標(biāo),同時(shí)加入人工交互的手段,使壓裂縫視寬度的計(jì)算更加精確。

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