陸云龍,崔云江,關葉欽,熊鐳

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459)

0 引 言

以渤中19-6潛山油氣藏等[1]為代表的渤海油田裂縫性油氣藏[2],其儲量規(guī)模較大,裂縫發(fā)育,是勘探、開發(fā)的重要目標。裂縫性油氣藏在裂縫特征、巖性、孔隙結構等方面與常規(guī)油氣藏相比存在一定差異,電阻率測井響應特征復雜、多解性強,通常結合電成像測井開展裂縫拾取與評價,但裂縫的延伸性和空間展布等仍難以準確刻畫。

Bremer等[3-5]基于常規(guī)測井曲線對裂縫測井響應特征進行總結,根據(jù)雙側向、三孔隙度等參數(shù)劃分裂縫段,實現(xiàn)儲層定性劃分,但無法做到定量計算。?；⒘值萚6-7]通過電成像測井理論模擬、成像處理、裂縫拾取等實現(xiàn)裂縫參數(shù)及面孔率定量表征,但裂縫有效性難以定量評價。Endo等[8]采用斯通利波反射波定性評價裂縫發(fā)育情況,使得陣列聲波測井成為裂縫評價的一種有效手段。近年來,隨著陣列聲波測井理論不斷完善,其在裂縫評價中表現(xiàn)出較大優(yōu)勢。Chen等[9]通過理論推導模擬出地層存在裂縫時理論聲波測井響應特征及變化規(guī)律,唐曉明[10]通過引入擠噴流理論對其進行進一步改進,得到含孔-裂隙條件下聲波測井響應特征,為裂縫評價奠定了理論基礎。呂洪志等[11]通過對含裂縫條件下的巖石物理模型推導得到一種等效介質(zhì)理論,計算的裂縫密度能夠定性表征裂縫的發(fā)育程度。

該文以陣列聲波測井資料為基礎,通過裂縫孔隙度計算確定裂縫發(fā)育區(qū)域,在此基礎上評價不同尺度裂縫的延伸性、開啟性及產(chǎn)液能力,進而實現(xiàn)裂縫的多尺度定量評價,為裂縫性油氣藏評價提供可靠的裂縫參數(shù)信息。

1 裂縫孔隙度計算及裂縫區(qū)域劃分

裂縫孔隙包含微裂縫與宏觀裂縫,是裂縫發(fā)育規(guī)模的總體反映,通常通過孔隙縱橫比刻畫裂縫的特征。巖石物理實驗表明,裂縫對巖石聲學及力學性質(zhì)較為敏感,通過陣列聲波測井提供的地層聲學、力學參數(shù)是評價裂縫孔隙度的有效手段。根據(jù)Norris[12-13]等提出的多孔介質(zhì)模型,儲層孔隙空間由一系列不同形狀的孔隙體組成,孔隙體由孔隙縱橫比及對應的體積表征。當儲層存在裂縫時,孔隙空間由孔隙與裂縫共同組成。由于孔隙形狀復雜多變,同時裂縫大小不一,對應的孔隙縱橫比較為復雜,為此需要進行簡化處理。根據(jù)等效基質(zhì)理論,將孔隙空間劃分為孔隙與裂縫2部分,給定2種孔隙體對應的孔隙縱橫比及對應體積。改進簡化的孔隙縱橫比譜分布函數(shù)[14],帶入多孔介質(zhì)模型,降低反演多解性,得到更為簡化的包含裂縫孔隙度和基質(zhì)孔隙度的巖石體積模量微分方程

φf[Kf-K(φ)]Pf+φp[Kp-K(φ)]Pp

(1)

φf[Gf-G(φ)]Qf+φp[Gp-G(φ)]Qp

(2)

式中,φ為孔隙度,小數(shù);K(φ)、G(φ)為巖石等效體積模量與剪切模量,GPa;φf、φp分別為裂縫、基質(zhì)孔隙度,小數(shù);υma為骨架體積百分含量,小數(shù);Pf、Qf為裂縫形狀因子;Pp、Qp為基質(zhì)孔隙度形狀因子;Pma、Qma為骨架形狀因子;Kf、Gf為裂縫內(nèi)流體的體積模量與剪切模量,GPa;Kp、Gp分別為基質(zhì)孔隙內(nèi)流體的體積模量與剪切模量,GPa;Kma、Gma分別為骨架體積模量與剪切模量,GPa。

由式(1)、式(2)可以看出,當儲層存在裂縫時,由于裂縫與基質(zhì)孔隙形狀因子不同,導致模型解產(chǎn)生變化。圖1為含裂縫微分等效模型體積模量計算效果圖,其中總孔隙度分別為10%、20%、30%,裂縫孔隙縱橫比為0.01、基質(zhì)孔隙縱橫比為1.00,骨架體積模量為44 GPa,孔隙中填充水。可以看出當總孔隙度不變時,隨著裂縫孔隙度不斷增加,巖石體積模量逐漸降低,而當裂縫孔隙度不變時,總孔隙度越高,巖石體積模量越低。

圖1 含裂縫微分等效模型體積模量計算效果圖

實際資料處理時,裂縫孔隙縱橫比已知,建立體積模量與剪切模量目標反演函數(shù)

F(φf)=|K-K(φ)|2+|G-G(φ)|2

(3)

式中,F(φf)為目標函數(shù);K、G分別為地層體積模量、剪切模量,GPa。

通過式(3)對裂縫孔隙度的不斷迭代計算,使得式(1)、式(2)計算的體積模量與剪切模量與實際地層測量結果誤差最小,最終確定裂縫孔隙度。

圖2為渤海BZ油田碳酸鹽巖地層裂縫孔隙度計算效果圖。通過測井曲線可見,4 356～4 375 m井段自然伽馬較低,深側向電阻率(第3道藍線)與淺側向電阻率(第3道紅線)較高,聲波時差較低,中子、密度曲線重疊,為石灰?guī)r地層,巖性較純,電成像測井顯示地層較為致密,無宏觀裂縫發(fā)育,等效介質(zhì)模型計算的裂縫孔隙度較低,裂縫不發(fā)育。4 375～4 400 m井段自然伽馬相對較高,深、淺電阻率較低,聲波時差增大,中子、密度曲線分開明顯,為白云巖地層,溶蝕明顯,電成像測井顯示裂縫較為發(fā)育,等效介質(zhì)模型計算的裂縫孔隙度較高,裂縫孔隙度計算結果與電成像測井匹配效果較好。

圖2 渤海BZ油田碳酸鹽巖地層裂縫孔隙度計算效果圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 多尺度裂縫有效性綜合評價方法

通過裂縫孔隙度可以劃分裂縫發(fā)育區(qū)域,但難以區(qū)分裂縫尺度類型及有效性。通常宏觀裂縫對于儲層產(chǎn)能貢獻較高,為此需要根據(jù)陣列聲波測井結合電成像測井等資料開展進一步分析,進行裂縫尺度類型、裂縫空間展布及開啟性、裂縫產(chǎn)液貢獻能力等有效性評價。

2.1 偶極橫波遠探測識別大尺度宏觀裂縫

大尺度宏觀裂縫對于儲層產(chǎn)能具有決定性作用,需要優(yōu)先尋找裂縫發(fā)育帶中大尺度宏觀裂縫?；陉嚵新暡y井的偶極橫波遠探測技術[15-16],以儀器接收的偶極彎曲波的反射波為基礎,通過數(shù)據(jù)疊加、偏移、成像等處理,探測井眼外地層20 m范圍內(nèi)裂縫產(chǎn)生的反射波,并定量刻畫裂縫產(chǎn)狀及范圍,是目前橫向探測深度最深的測井方法,對于大尺度裂縫評價具有不可替代的優(yōu)勢。該項技術使得測井評價由井壁附近延伸到井外,彌補了常規(guī)聲波測井橫向解釋深度較淺的局限性。

圖3為渤海LD-2井古近系沙河街組常規(guī)砂泥巖地層測井響應特征圖。該井2 656～2 720 m井段巖性為含礫細砂巖,通過常規(guī)測井曲線可以看出,2 656～2 685 m井段自然伽馬(第1道紅線)較低、電阻率(第3道)較高,密度(第4道紅線)較高、聲波時差(第4道黑線)較低,常規(guī)測井顯示儲層較為致密、物性較差,但偶極橫波遠探測(第5道)處理結果顯示,2 676～2 686 m井段存在較強的反射波,該深度范圍內(nèi)雖然物性較差,但發(fā)育大尺度宏觀裂縫,裂縫傾角范圍為35°～45°,裂縫長度范圍為45～47 m,因此,存在較好的滲透性,該井在2 682～2 686 m處鉆井發(fā)生大量井漏,進一步證實了偶極橫波遠探測識別的裂縫可靠性較高。2 685～2 720 m井段聲波時差較高,密度較低,儲層物性較好,但偶極橫波遠探測未見裂縫發(fā)育,儲層孔隙發(fā)育而裂縫不發(fā)育。

圖3 渤海LD-2井古近系沙河街組常規(guī)砂泥巖地層測井響應特征圖

2.2 裂縫延伸范圍及產(chǎn)液貢獻能力定量評價

電成像測井通過測量井壁電導率差異進而拾取井壁附近的宏觀裂縫產(chǎn)狀信息,通過裂縫開度、密度等信息間接判別裂縫有效性,難以定量評價拾取的裂縫延伸范圍及產(chǎn)液貢獻能力。陣列聲波測井橫向探測深度較深,能夠較好地反映裂縫的延伸范圍及產(chǎn)液貢獻能力。

陣列聲波測井通常采用正交偶極模式測量地層橫波特性,測量的彎曲波具有強烈的頻散特性。當?shù)貙哟嬖诹芽p時,巖石原有彈性張量發(fā)生變化有

(4)

式中,c44、c55為彈性剛度矩陣中的參數(shù),GPa;δ為裂縫發(fā)育程度因子。

由式(4)可以看出,當?shù)貙硬淮嬖诹芽p時,表現(xiàn)為各向同性特征,c44=c55。當?shù)貙哟嬖诹芽p時,c44發(fā)生變化,使得地層出現(xiàn)各向異性特征,導致橫波產(chǎn)生分裂現(xiàn)象[17],形成快、慢橫波?？鞕M波沿裂隙走向偏振,不受裂縫影響,僅與剪切模量有關,由c55確定。慢橫波垂直于裂隙平面?zhèn)鞑?受裂縫影響較大,由c44確定。當裂縫延伸范圍較大時,c44明顯降低,使得慢橫波速度降低,此時快、慢橫波頻散曲線將在低頻截止值附近產(chǎn)生較大差異。

裂縫有效性主要體現(xiàn)在裂縫的產(chǎn)液貢獻能力,產(chǎn)液能力越強,裂縫有效性越好。對于任一構造裂縫,均為地層破裂的直接結果,體現(xiàn)為一種微觀級別的斷層特征。當巖石在應力作用下產(chǎn)生裂縫后,裂縫面上的內(nèi)聚力非常小,此時裂縫的有效性受裂縫面上有效正應力與剪切應力控制,可通過摩擦系數(shù)表征

(5)

式中,μ為摩擦系數(shù);τ為有效切應力,MPa;σn為有效正應力,MPa。

摩擦系數(shù)反映裂縫存在的狀態(tài),同時控制著原生裂縫的變化,因此,摩擦系數(shù)的大小直接反應裂縫對產(chǎn)液能力的貢獻大小[18]。由式(5)可知,摩擦系數(shù)求取需要計算裂縫面上有效切應力與有效正應力,因裂縫傾角與方位隨機性較大,通常采用三維莫爾圓法[19]計算有效正應力與有效切應力。如圖4所示,處于三向有效主應力中的任一裂縫,其所對應的有效主應力σ1、σ2、σ3定義了3個莫爾圓,該裂縫在3個莫爾圓中所處的位置O可通過裂縫面法線與最大、最小有效主應力軸的夾角β1、β3進行確定,即根據(jù)2β1、2β3確定點M、N,以M’M、N’N為半徑繪制弧線,兩條弧線交點即為裂縫O在莫爾圓中的位置。

圖4 裂縫面在莫爾圓中位置O的表示方法

莫爾圓計算過程中的地應力,需通過陣列聲波測井提取的縱、橫波時差結合密度測井選取適合構造區(qū)的應力模型[20]進行計算,最大水平主應力方位根據(jù)快橫波方位或電成像測井鉆井誘導縫進行判別。根據(jù)成像測井拾取的裂縫傾角、方位、走向參數(shù),經(jīng)過莫爾圓計算后得到裂縫對應的摩擦系數(shù)。Barton[21]等在研究斷層封堵性及流體流動地質(zhì)問題中通過統(tǒng)計斷層摩擦系數(shù)大小提出了臨界應力斷層假說,認為水力傳導斷層是現(xiàn)今應力場中的臨界應力斷層,即當斷層摩擦系數(shù)分布在0.6～1.0,斷層處于力學活動狀態(tài);當斷層摩擦系數(shù)小于0.6時,斷層處于封閉狀態(tài),并且隨著斷層面摩擦系數(shù)的不斷變小,斷層逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)Barton理論通過莫爾圓計算的裂縫摩擦系數(shù)也符合這一變化規(guī)律,因此,通過計算裂縫摩擦系數(shù)大小可以定量反映裂縫產(chǎn)液貢獻能力高低。

圖5為渤海中生界火山巖裂縫有效性評價效果圖。從常規(guī)測井曲線特征可見,自然伽馬(第1道紅線)、電阻率(第3道)、三孔隙測井(第4道)全井段整體差異不大,無明顯裂縫發(fā)育指示特征,難以定量評價裂縫產(chǎn)液貢獻能力。通過莫爾圓計算的摩擦系數(shù)(第5道藍點)可以看出,該井不同裂縫產(chǎn)液能力差別較大,產(chǎn)液能力最好的裂縫摩擦系數(shù)可達0.7,而產(chǎn)液能力最差的裂縫摩擦系數(shù)不到0.1,裂縫有效性差異明顯。通過電成像測井裂縫測量結果可以看出,對于摩擦系數(shù)較低的裂縫,電成像圖中裂縫特征較弱,裂縫較窄且角度較低,快、慢橫波頻散曲線分開程度較小,裂縫延伸范圍很近,產(chǎn)液能力較差;對于摩擦系數(shù)較高的裂縫,電成像圖中裂縫特征明顯,裂縫寬度較大且角度較高,快、慢橫波頻散曲線分開程度較大,產(chǎn)液能力較強。

圖5 中生界火山巖裂縫有效性評價效果圖

3 應用實例

渤海LD油田位于遼東南洼東斜坡帶,主要含油層系為古近系沙河街組,儲層巖性主要為砂礫巖,礫石成分以石英為主,少量火成巖和碳酸鹽巖。圖6為LD油田X1井含油層段測井響應特征及儲層品質(zhì)評價效果圖。

由圖6可見,由于儲層為砂礫巖,礫石以石英為主,自然伽馬(第1道紅線)較低、自然電位(第1道藍線)較高、電阻率(第4道)較高、中子與聲波時差(第5道)較低、密度(第5道)較高。該井核磁共振測井(第7道)有效孔隙度為10.0%～13.0%,其中可動孔隙度為4.0%～5.0%,T2譜(第6道)顯示小孔隙相對發(fā)育,而大孔隙不發(fā)育,常規(guī)測井與核磁共振測井顯示儲層總體物性較差。

圖6 LD油田X1井測井響應特征及儲層品質(zhì)評價效果圖

盡管儲層物性相對較低,但陣列聲波測井處理結果顯示儲層裂縫孔隙度(第8道)達0.3%～1.0%,儲層裂縫較為發(fā)育。由于斯通利波反射波(第9道)較弱,同時偶極橫波遠探測(第10道)顯示井外宏觀縫發(fā)育較少,僅在2 572 m、2 596 m處探測到兩條外宏觀裂縫,因此,儲層宏觀裂縫不發(fā)育,而微觀裂縫較發(fā)育,導致裂縫孔隙度相對較高。由于裂縫連通著孔隙,因此,盡管儲層物性較差,但由于大量微觀裂縫的存在,成為儲層的主要滲流通道,使得儲層品質(zhì)得到極大改善。該井2 573 m、2 594 m處鑄體薄片顯示儲層存在大量微觀粒內(nèi)縫,證實了陣列聲波測井裂縫孔隙度計算結果的合理性。在該井2 569～2 572 m、2 592～2 605 m井段進行測試,日產(chǎn)油628.0 m3、日產(chǎn)氣69 484.0 m3,為高產(chǎn)油氣層,進一步證實盡管儲層物性相對較低,但由于裂縫的存在,儲層仍然具有較高產(chǎn)液能力。

4 結 論

(1)陣列聲波測井資料是儲層裂縫是否發(fā)育的重要指示因子,結合偶極橫波遠探測技術及摩擦系數(shù)計算,可以開展裂縫孔隙度定量分析,進行不同尺度下裂縫的有效性識別與評價,可解決裂縫多少、裂縫大小、裂縫是否有效的測井評價難題,是裂縫評價較為實用的測井項目。

(2)建立的含裂縫多孔介質(zhì)簡化模型,進一步突出了裂縫與孔隙兩種孔隙空間對多孔介質(zhì)模型的影響,能夠精確地計算裂縫在孔隙中所占的體積,實現(xiàn)陣列聲波測井裂縫孔隙度定量計算,有效劃分裂縫發(fā)育區(qū)。

(3)利用陣列聲波測井各向異性特征計算快、慢橫波頻散曲線,根據(jù)頻散曲線差異特征定性評價裂縫延伸范圍,同時根據(jù)地質(zhì)力學理論,利用莫爾圓計算裂縫面摩擦系數(shù),定量評價裂縫產(chǎn)液貢獻能力,解決了裂縫有效性定量評價難題,在油田開發(fā)、生產(chǎn)中具有重要意義。