蘇可嘉， 秦臻，2，3*， 鄧呈祥， 劉文輝， 劉亮， 張曉峰

(1.東華理工大學地球物理與測控技術學院， 南昌 330013； 2. 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)， 成都 610059； 3. 中國地質大學構造與油氣資源教育部重點實驗室， 武漢 430074； 4. 華北水利水電大學地球科學與工程學院， 鄭州 450046； 5. 山西工程技術學院地質與環(huán)境工程系， 陽泉 045000)

裂縫是致密砂巖儲層油氣的儲集空間和主要滲流通道[1]，其內部結構分布復雜，開發(fā)難度較大，因此準確描述、評價致密砂巖儲層裂縫對油田勘探和開發(fā)規(guī)劃有著十分重要的意義[2-5]。測井技術是評價致密砂巖儲層裂縫分布特征的常用手段[6-7]，綜合多種測井資料分析并識別裂縫填充程度，是提高致密砂巖裂縫的評價效果的關鍵[8]。

近年來，隨著對非常規(guī)油氣田勘探開發(fā)力度的加大，鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇油田延長組致密砂巖儲層是開發(fā)重點，致密砂巖裂縫儲層控制著油氣的滲流規(guī)律和產能，填充情況是裂縫形態(tài)的重要參數，精細評價和識別裂縫填充程度可為致密砂巖儲層油氣開發(fā)和井網部署的提供信息。中外眾多學者對裂縫的評價和識別開展了大量的研究工作，根據裂縫的地質成因采用野外觀察、巖心觀察資料評價裂縫的填充樣式[9-10]，利用測井資料評價裂縫的填充特征[11]，利用核磁共振測井資料分析不同孔隙范圍來評價裂縫的有效性[12-15]，利用成像測井和電鏡薄片資料，評價裂縫的微觀結構。地質資料、地球物理資料和生產資料的結合，使得裂縫的評價和識別向精細化發(fā)展。然而取心資料有限，成像測井費用較高，電鏡薄片應用范圍有限，利用常規(guī)測井資料的響應差異評價和識別裂縫將有更廣泛的應用。常規(guī)測井資料可以對裂縫的產狀、寬度等特征進行判別，但對有礦物填充裂縫和無礦物填充裂縫的測井響應研究程度較低(有礦物填充裂縫簡稱為有填充裂縫，無礦物填充裂縫簡稱為未填充裂縫)，裂縫致密砂巖儲層測井響應復雜，而裂縫填充程度進一步加劇了裂縫儲層的測井響應復雜程度影響了裂縫致密砂巖儲層的測井響應特征[16]，模糊不清的測井響應特征嚴重制約了儲層裂縫的評價精度，影響了勘探開發(fā)工作。

現以鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇油田延長組實際生產資料和地質資料為依據，結合巖心和成像測井資料，利用常規(guī)測井分析裂縫填充程度響應特征，對比有填充裂縫和未填充裂縫的測井響應差異，利用測井曲線變化幅度和變化率構建裂縫填充程度識別參數，為裂縫的評價提供新思路。

1 區(qū)域地質概況

鎮(zhèn)涇油田位于鄂爾多斯盆地天環(huán)凹陷帶南端，如圖1所示。受盆地西南緣的逆沖推覆作用，構造形變相對較弱。盆地邊緣斷裂褶皺較發(fā)育，在構造上可劃分為天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、渭北隆起、晉西撓褶帶、伊盟隆起和西緣逆沖帶6個構造單元，內部構造相對簡單，地層平緩。陸相致密油藏豐富，達到富集油氣所需的基本地球化學標準。其中延長組油層構造變化相對平緩，為油氣富集提供了良好的蓋層[17]，是油氣顯示最為豐富的層位。研究區(qū)儲層以細砂巖為主，少量粉砂巖和中砂巖；填充物主要由黏土膜、方解石、硅質等組成。儲層的孔隙類型以薄膜孔隙式和孔隙式為主，是典型的低孔隙度、低滲透率砂巖儲層。

圖1 鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇油田構造及地層示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and stratigraphy of Zhenjing oilfield， Ordos Basin

2 裂縫產狀和填充特征

2.1 取心概況與成像測井特征

鉆井取心可以直接觀察裂縫的發(fā)育情況，分析的裂縫巖心樣品25塊，累計取心尺寸72 m，取心率高于93%。因為延長組長8段儲層裂縫較為發(fā)育，在取心過程中受鉆探的影響和應力的釋放使得巖心從井下到地面發(fā)生破碎[18][圖2(a)]。JH-5井巖心第一筒，井段1 169.67～1 169.80 m，灰色泥質粉砂巖上有一條方解石填充的垂直裂縫[圖2(b)]。

成像測井是目前最有效的識別和評價裂縫的方法，利用成像資料識別裂縫時，能夠直觀地把地層巖性、裂縫等特征引起的電阻率差異在圖像上以不同色標呈現，對裂縫的描述更為直觀可靠[19]。由于成像測井采集信息量很大，方法比較耗時，花費較高，因此僅在少數重點井中實施。主要利用電阻率成像測井資料，以長8儲層HH1057-3井為例，其中砂巖部分由碎屑、基質等組成圖像顯示為淺色，在2 231.5～2 233.5 m發(fā)育4條高角度天然裂縫[圖3(a)]，其中2 231.5 m裂縫傾角為70.68°，2 231.75 m裂縫傾角為69.93°，2 232.62 m傾角77°，2 233.52 m傾角為81.73°；圖像整體表現偏暗，電阻率低，物性好。以長6儲層HH26井為例，在2 068.78～2 069.18 m處方解石全填充裂縫[圖3(b)]，被高阻填充后電阻率會增大，圖像整體偏亮，成像測井顯示白色。

圖2 研究區(qū)域取心概況Fig.2 Coring overview of the study area

2.2 裂縫產狀特征

研究區(qū)域裂縫寬度和傾角頻率分布情況如圖4所示。巖心觀測裂縫寬度為0.5 mm的裂縫56%，寬度為1 mm的裂縫21%，寬度小于0.5 mm的裂縫11%，寬度0.5～1 mm的裂縫1%，寬度大于1 mm的裂縫11%。延長組儲層以垂直縫為主，其中59%的裂縫傾角大于75°，傾角在45°～75°的高角度裂縫20%，傾角在0°～15°的水平裂縫11%，傾角在15°～45°的斜裂縫10%。取心段裂縫特別發(fā)育，平均線密度為1.1條/m。該地區(qū)垂直裂縫和高角度裂縫較為發(fā)育，裂縫傾角、線密度整體較大。

2.3 裂縫填充特征

研究收集了延長組40口井的295條不同類型的裂縫。圖5(a)所示為有填充裂縫(50%)、未填充裂縫(44%)統(tǒng)計圖，另有6%裂縫巖心破碎無法識別。

從巖性上看，研究區(qū)砂巖最多(84%)，泥巖(14%)、頁巖最少(2%)。其中砂巖中包括細砂巖(56%)、粉砂巖(19%)、中砂巖(9%)。

從是否有填充來看，細砂巖中未填充裂縫62條(41%)、有填充裂縫89條(59%)；粉砂巖中有填充裂縫32條(58%)、未填充裂縫23條(42%)；中砂巖中有填充裂縫1條(8%)、未填充裂縫12條(92%)；泥巖中有填充裂縫21條(51%)、未填充裂縫20條(49%)。

從填充礦物來看，方解石填充(85%)、泥質填充(8%)、碳屑填充(7%)。研究區(qū)域以方解石填充為主。

3 有未填充裂縫常規(guī)測井響應特征

由于鉆井取心操作復雜，取心的長度有限，成像測井成本高、數據量有限，難以大規(guī)模應用。受巖心資料和成像測井資料的局限性，使用常規(guī)測井研究有未填充裂縫的測井響應特征具有重要意義。

圖3 研究區(qū)域成像測井與取心巖樣對比圖Fig.3 Comparison of imaging logging and coring samples in the study area

圖4 裂縫寬度和傾角分布直方圖Fig.4 Histogram of fracture width and dip angle distribution

圖5 裂縫有無填充和填充礦物統(tǒng)計圖Fig.5 Fractures with unfilled and filled mineral statistics

3.1 巖性系列常規(guī)測井裂縫有無填充響應特征

巖性系列測井主要包括自然伽馬測井(naturalgamma raylog，GR)、井徑測井(Caliper，CAL)和自然電位測井(spontaneous potential，SP)(研究區(qū)未測量)。細砂巖具有一定滲透性，裂縫地層水中可能存在放射性的沉積物導致GR值增大，借此可以在一定程度上區(qū)分發(fā)育段裂縫。但研究區(qū)域有填充裂縫(自然伽馬為47～144.7 API)和未填充裂縫(自然伽馬為24.4～146.7 API)識別效果不明顯[圖6(a)]，可能是由于裂縫寬度較小[圖4(a)]、貢獻程度較小；井徑測井資料是利用井眼的擴張與縮小來劃分巖性，井徑曲線會因為井壁的坍塌出現擴徑現象，在鉆井過程中泥漿濾液的滲透，出現縮徑現象。研究區(qū)域有填充裂縫井徑為20.8～24.89 cm，未填充裂縫井徑為20.6～29.05 cm[圖6(b)]響應效果不明顯，可能由于裂縫寬度較小[圖4(a)]，識別效果不明顯。

3.2 感應系列常規(guī)測井裂縫有未填充響應特征

雙感應系列測井主要是根據電磁感應原理來獲取地層的電導率或電阻率，具有較好的徑向探測深度和縱向分辨能力。研究區(qū)域有填充裂縫深感應(deep induction logging，ILD)為9.11～49.45 Ω·m，整體高于未填充裂縫(7.01～24.33 Ω·m)，識別效果明顯；有填充裂縫中感應(medium induction logging，ILM)為9.39～54.75 Ω·m整體高于未填充(7.31～25.52 Ω·m)[圖6(d)]，可能是裂縫發(fā)育段受有無填充的影響造成了電阻率的變化，識別效果明顯。

3.3 孔隙度系列常規(guī)測井裂縫有未填充響應特征

孔隙度測井主要是聲波時差測井(acoustic，AC)、密度測井(density，DEN)和中子孔隙度測井(compensated neutron logging，CNL)。聲波時差測井利用滑行橫縱波在不同介質中傳播的時間差來表征聲波在地層中的傳播速度。裂縫中填充較小密度或流體時縱波的傳播速度會變慢，聲波時差曲線會出現“周波跳躍”，以此來識別地層中裂縫的發(fā)育情況。研究區(qū)域未填充裂縫聲波為216.3～315.7 μs/m，整體高于有填充裂縫(208～254.4 μs/m)[圖6(b)]，可以較好地識別該地區(qū)的裂縫有未填充。

圖6 常規(guī)測井參數交會圖分析Fig.6 Conventional logging parameter cross-plot analysis

根據康普頓效應測出相應地層的密度，稱為密度測井，當密度測井極板接觸到泥漿侵入的天然裂縫中，密度會相應降低。研究區(qū)域有填充裂縫密度為2.42～2.67 g/cm3高于未填充裂縫(2.26～2.62 g/cm3)[圖6(c)]，有一定識別效果。中子孔隙度測量值取決于地層的含氫指數，而裂縫的存在會相應增大中子孔隙度的測量值。研究區(qū)域未填充裂縫中子為(13.3%～30.6%)高于有填充裂縫中子(12.88%～30.1%)[圖6(c)]。

在研究區(qū)域使用聲波測井(AC)、自然伽馬測井(GR)、中子測井(CNL)、密度測井(DEN)、深感應測井(ILD)、中感應測井(ILM)、井徑測井(CAL)交會分析裂縫有未填充響應特征，結果如圖6所示，得到了有填充和未填充裂縫的測井響應參數特征(表1)，可供有未填充裂縫的測井響應分析參考。

研究區(qū)域有填充裂縫和未填充裂縫的測井響應正態(tài)分布可以直觀地區(qū)分測井參數的范圍(圖7)，自然伽馬的曲線峰值相近，區(qū)域重合度大，該地區(qū)裂縫巖性以砂巖為主，放射性較小，響應效果不明顯[圖7(a)]；聲波的未填充裂縫曲線整體在有填充裂縫右側，未填充裂縫聲波高于有填充裂縫，響應效果明顯，可以較好地識別裂縫有未填充[圖7(b)]；中子和密度曲線有部分重合，未填充裂縫中子整體略高于有填充裂縫[圖7(c)]；有填充裂縫的密度整體略高于未填充裂縫[圖7(f)]，有一定的響應特征；深感應和中感應曲線重合區(qū)域較小[圖7(d)]，有填充裂縫的深感應和中感應整體高于未填充裂縫[圖7(e)]，該地區(qū)有未填充的響應差異引起了電阻率變化，響應效果明顯；而井徑曲線展部重合較大，響應效果不明顯[圖7(g)]。

4 常規(guī)測井參數識別裂縫填充方法

4.1 基于測井曲線變化幅度的裂縫有未填充參數構建

裂縫與地層基質的地球物理特征差異會引起不同的測井響應，在對延長組長6、長8儲層裂縫有未填充的識別過程中，發(fā)現不同井的裂縫在測井曲線上有未填充的響應特征不同，識別較為困難。根據交會分析和正態(tài)分布分析，選取聲波、深感應、中感應、密度、中子測井參數來構建裂縫填充指示參數，對長6、長8儲層裂縫有無填充進行識別。為了方便綜合分析各項參數對裂縫有無填充的響應特征，先對常規(guī)測井參數進行歸一化處理[20-21]，公式為

表1 延長組細砂巖有填充和未填充裂縫的測井響應參數特征Table 1 Logging response intervals for filled and unfilled fractures in the Yanchang section of fine sandstone

圖7 常規(guī)測井響應正態(tài)分布Fig.7 Normal distribution of logging response

(1)

式(1)中：Xmax為某種常規(guī)測井曲線目的層段測井參數最大值；Xmin為某種常規(guī)測井曲線目的層段測井參數最小值；X為該曲線值；XI為該曲線反映裂縫填充程度異常變化指數。

為避免單參數識別裂縫帶來的誤差，分析多條測井參數對裂縫填充的敏感程度，將不同參數對裂縫填充的敏感程度進行加權綜合得到裂縫有未填充指示參數，公式為

(2)

式(2)中：n為反映裂縫參數的數量，個；ai為第i種反映裂縫填充特征參數的加權系數；XIi為第i種反映裂縫填充差異變化指數；FIA為算術加權裂縫填充指示參數。

4.2 基于測井曲線變化率裂縫有未填充程度參數構建

在計算不同曲線變化率裂縫表征參數基礎上，根據不同測井參數對裂縫填充響應的敏感度，對曲線進行算術平均，建立曲線變化率綜合指數，公式為

(3)

式(3)中:FIR為曲線變化率裂縫填充指示參數；n為反映曲線變化率的特征參數個數；ci為第i種反映曲線變化率特征參數值的加權系數；Δyi為第i種曲線變化率裂縫表征參數。

4.3 構建裂縫有未填充綜合識別指數

在研究區(qū)域通過對以上裂縫填充識別參數的構建，標定相對敏感的曲線。通過曲線變化率裂縫表征指數，可得到裂縫有未填充識別指數，公式為

FFA=FIAFIR

(4)

式(4)中：FIA為曲線幅度算術加權裂縫填充指示參數；FIR為曲線變化率裂縫填充指示參數；FFA為裂縫有無填充識別指數。通過綜合分析與對比，有填充裂縫的FFA值高于0.06，未填充裂縫FFA值低于0.06，可對裂縫填充情況進行識別和篩選。

5 應用效果分析

利用以上建立的識別指數對裂縫有未填充進行識別。選取延長組長6、長8層兩口高產直井HH26和HH373zh的50條裂縫，結合成像測井資料和常規(guī)測井資料進行驗證。采取人工識別的方法，排除泥質填充和巖性影響，在選取識別裂縫井段時，參照自然伽馬和井徑曲線變化較緩井段作為裂縫填充識別井段。HH26井1 879.5～1 895.05 m井段(圖8)共有17條裂縫，其中有填充裂縫10條(A4～A6、A10～A12、A14～A17)，未填充裂縫7條(A1～A3、A7～A9、A13)。巖性以細砂巖為主，砂巖中層理較為發(fā)育。從電成像靜態(tài)圖上看，砂巖顏色較亮，呈淺黃色和近白色，反映巖性致密，電阻率高；該段地層裂縫發(fā)育，在成像圖中表現為明顯的正弦波，研究區(qū)填充物主要為方解石，填充后的裂縫電阻率較高，在圖像中表現為亮色，未填充裂縫會受到鉆井液的注入導致電阻率偏低，圖像中表現較暗。在幾種參數共同約束下，識別出有填充裂縫A4、A6、A10～A12、A14～A17；未填充裂縫A1、A2、A7～A9。對有填充裂縫識別率為75%，對未填充裂縫識別率為80%。

圖8 HH26井長6儲層砂巖裂縫常規(guī)測井、成像測井裂縫評價效果圖Fig.8 The fracture evaluation effect diagram of conventional logging and imaging logging in well HH26 Chang 6 reservoir of sandstone fractures

成像測井受條件影響并不能應用于所有井中，通過分析常規(guī)測井參數對裂縫有未填充進行識別。HH373井在1 987～2 007 m井段(圖9)共有33條裂縫。從巖心觀察可知HH373長8段裂縫發(fā)育段1 992.12～1 994.68 m巖心可見一組未填充個裂縫(圖9)[24]。其中有填充裂縫5條(B17、B25～B27、B33)，未填充裂縫28條(B1～B16、B18～B24、B28～B32)。在各種參數共同約束下，識別出有填充裂縫B17、B25～B27、B33，識別出未填充裂縫B1～B9、B11～B14、B18～B24、B28、B29。對有填充裂縫的識別率為71%，對未填充裂縫的識別率為73%。綜上所述，本方法在一定程度上能夠較好地識別出有填充裂縫和未填充裂縫，綜合識別率為76%。

圖9 HH373長8儲層砂巖裂縫常規(guī)測井曲線響應特征Fig.9 Response characteristics of conventional logging curves for HH373 Chang 8 reservoir sandstone fractures

6 結論

(1)綜合分析結果表明，鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇油田延長組致密砂巖裂縫主要發(fā)育于細砂巖和粉砂巖中，寬度主要為0.2～0.5 mm，取心段平均線密度為1.1條/m，以垂直裂縫和高角度裂縫為主，方解石為主要填充物，有填充裂縫較為發(fā)育。

(2)交會圖分析和正態(tài)分布分析可知，常規(guī)測井響應對裂縫有未填充較為敏感的參數依次是深感應電阻率、聲波時差、中感應電阻率、密度、中子。利用常規(guī)測井對裂縫有無填充進行識別，發(fā)現有填充裂縫對應的雙感應電阻率增大、聲波時差減小、密度增大、中子減小的特征。

(3)通過巖心和成像測井資料的標定，結合常規(guī)測井資料，建立裂縫有無填充識別指數，通過綜合分析對比，有填充裂縫段對應的識別指數下限值為0.06，應用于兩口井中進行驗證，識別準確率接近76%。利用響應特征和識別方法可以提高對裂縫有無填充的識別準確性。可為致密砂巖裂縫填充評價提供新思路，完善裂縫致密砂巖儲層的評價方法。

致密砂巖儲層裂縫測井響應受到填充礦物、裂縫參數、迂曲等影響，下一步計劃開展這些因素對裂縫有無填充的測井響應及識別的研究。