大牛地气田裂缝有效性分步表征方法及应用

彭先锋, 邓虎成, 张烨毓, 肖　睿, 欧浩淼, 唐　杰

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610500;3.页岩气评价与开采四川省重点实验室，成都 610051)

大牛地气田裂缝有效性分步表征方法及应用

彭先锋1, 邓虎成1, 张烨毓2,3, 肖睿1, 欧浩淼1, 唐杰1

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610500;3.页岩气评价与开采四川省重点实验室，成都 610051)

[摘要]裂缝是低品位气田天然气运移的主要通道，其发育程度是控制储层品质的重要因素，分步表征裂缝有效性有助于典型裂缝性气藏的储层评价。本文采用多种测井系列分步表征裂缝有效性，通过大量的岩心观察掌握鄂尔多斯盆地大牛地气田裂缝的基本特征，采用交会图法分析裂缝的测井响应特征，并建立基于常规测井的判别分析模型，在定量计算裂缝宽度的基础上，利用分形理论法表征其裂缝的有效性。分步表征方法克服了裂缝宽度计算公式选择的盲目性和单井数据整体偏移的影响，避免了非裂缝段的干扰。

[关键词]裂缝性气藏；大牛地；裂缝；表征方法

裂缝性气藏是目前勘探开发的热点[1]。此类气藏裂缝发育程度是控制产能的重要因素，因为裂缝既是重要的储集空间，又是良好的渗流通道。裂缝发育的多期次性、不均匀性以及储层各向异性等地质因素的影响，裂缝性气藏的测井评价存在诸多难点：常规测井系列解释具有多解性，无法精准识别裂缝有效性；地层微电阻率扫描成像测井能提供井壁图像，进而识别井眼尺度的裂缝系统和对井筒范围内的裂缝精细刻画[2]，但受经济效益的制衡和泥浆污染影响，缺少广泛推广且其不能表征裂缝的有效性。因此，利用常规测井资料表征裂缝及表征裂缝有效性具有重要意义。

1裂缝特征

对鄂尔多斯盆地大牛地气田86口取心井的裂缝产状统计表明：以垂直裂缝和高角度斜交裂缝为主，少见低角度斜交裂缝和水平裂缝。其中垂直裂缝(裂缝倾角>75°[3])51条，占70.83%；垂直裂缝走向平直，缝面见水平方向的擦痕和“X”型剪切破裂。斜交裂缝21条，占29.17%；缝面见擦痕、阶步等缝面构造，剖面为“X”型剪切破裂，该类裂缝往往有共轭现象[4](图1)。充填裂缝以垂直裂缝、高角度裂缝、网状裂缝为主，充填物主要为方解石、白云石和泥质(图2)。

图1　大牛地气田裂缝产状特征Fig.1　Characteristics of crack occurrence in Daniudi gas field

图2　大牛地气田裂缝充填特征Fig.2　Characteristics of crack filling in Daniudi gas field

2裂缝识别

2.1测井响应

提取裂缝的测井响应参数是应用常规测井资料解释和表征裂缝有效性的根本。从300条裂缝中选取128个典型裂缝样本和岩心上非裂缝段的79个典型非裂缝样本，共计207个样本点进行测井信号响应分析。对207个样本点所对应的测井电信号参数分别进行选择性数据读取和统计：垂直裂缝测井参数取平均值，斜交裂缝取极值，非裂缝段取平均值；为凸显电阻率和井径对裂缝的响应，组合深、浅双侧向电阻率测井和2个垂直方向的井径测井，形成“深浅双侧向电阻率差”和“井径差”。结合岩心观察结果、常规测井响应对裂缝的分辨能力和裂缝对产能的意义，不考虑裂缝充填程度仅对裂缝有限性进行识别，将裂缝划分为2类进行表征：一类为有效裂缝(包括未充填裂缝和半充填裂缝)；另一类为无效裂缝(包括无裂缝和完全充填裂缝)。工区内207个样品点进行测井参数取值并编制测井电性交会图(图3～图6)。常规测井能区分测井响应特征不同的有效裂缝和无效裂缝：有效裂缝相对无效裂缝测井响应上表现为声波时差测井值增大，中子测井值增加；部分样本的密度值略有降低，自然伽马测井值变大、裂缝段有井径突变现象，自然电位测井对裂缝没有响应。

图3　声波时差与自然伽马测井交会图Fig.3　Crossplot of acoustic time and natural gamma ray logging

图4　中子与自然伽马测井交会图Fig.4　Crossplot of neutron and natural gamma ray logging

图5　深浅电阻率差与井径差测井交会图Fig.5　Crossplot of depth of resistivity difference and difference of caliper logging

2.2判别模型

采用极差正规化[5,6]对数据预处理[式(1)]，使测井参数分布在0～1，从而消除测井响应值因数量级差异或井间环境未校正产生的系统误差，确保测井参数对裂缝判别模型贡献的真实性。

设原始数据xij(i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,m)

(1)

图6　自然电位与密度测井交会图Fig.6　Crossplot of spontaneous potential and density logging

式中：xj max为n个样本中第j个变量的最大值;xj min为n个样本中第j个变量的最小值。

引入自然伽马、自然电位、密度、双井径、声波、中子、深浅双侧向测井等测井系列采用逐步判别方法和贝叶斯(Bayes)判别准则，通过剔除各项测井参数，确立2类样品的判别函数并建立裂缝判别模型[式(2)、式(3)]。初始验证下判别结果为有效裂缝的识别率为87.5%，无效裂缝的识别率为98.7%；交叉验证下有效裂缝识别率为86.7%，无效裂缝识别率为97.5%(表1)。判别分析筛选的样本具有足够的典型性，裂缝判别模型对大牛地气田裂缝有效性具有判识能力。

表1　裂缝样本判别结果

Y1=5.041(XCAL2-XCAL1)+65.765(XLLD

-XLLS)+10.454XAC+12.031XCNL-6.734

(2)

Y2=2.254(XCAL2-XCAL1)+146.346(XLLD

-XLLS)+0.462XAC+7.916XCNL-2.528

(3)

式中：Y1为有效裂缝判别函数；Y2为无效裂缝判别函数；XCAL1、XCAL2为井径测井；XLLD为深侧向电阻率测井；XLLS为浅侧向电阻率测井；XAC为声波时差测井；XCNL为中子测井。

对比钻井岩心裂缝发育情况，有效裂缝的判别概率标准为>0.6，无效裂缝的判别概率标准为<0.4。判别分析得到的判别概率值<0.4的层段裂缝往往不发育；判别概率值在0.4～0.6时与半充填裂缝段相对应；判别概率值在0.6～1时与有效裂缝发育段吻合；识别结果与岩心观察结果吻合度为85%(图7)。裂缝判别模型识别的有效裂缝段具有较高的可信度，可作为裂缝性气藏裂缝有效性的表征手段之一。

图7　大92井裂缝判别分析剖面图Fig.7　Discrimination analysis of fractures of Well DA92

2.3裂缝宽度

大牛地气田主要发育的斜交裂缝和垂直裂缝在深浅双侧向测井上具有明显正幅度差，可以用公式(4)计算解释裂缝宽度[7-9]。裂缝宽度集中在15.91～2 970.75 μm，有效裂缝的宽度下限为470 μm，裂缝宽度具有<470 μm、470～630 μm和>630 μm 3个峰态。第一个区间的裂缝一般为完全充填或处于闭合状态的裂缝和非裂缝段；第二个区间对应半充填或裂缝张开度不高、有效性差的半充填裂缝；第三个区间为裂缝张开度大(未充填)，属于有效程度高的裂缝，反映有效裂缝的宽度参数特征。

(4)

式中：

b为裂缝张开度(μm)；Cm为泥浆电性参数；α为裂缝倾角(°)；γLLS、γLLD为地层浅侧向、深侧向电导率(S/m)；ρLLS、ρLLD为地层浅侧向、深侧向电阻率(Ω·m)；ρm为泥浆电阻率(Ω·m)；r为井筒半径(m)；d为侧向测井聚焦电流层厚度(m)；ds为地层浅侧向电极探测距离(m)；dd为地层深侧向电极探测距离(m)。

2.4分形识别法

分形理论(R/S)主要用来描述、评价和预测某参数在空间的复杂分布，使在经典几何空间里无法刻画的复杂几何体，可以被准确客观地认识[10]。R/S法在双对数坐标下拟合的直线斜率可以反映分形参数的复杂程度，结合岩心裂缝发育数据，选择声波时差测井作为R/S分析法的分析参数，其中纵坐标R/S代表无因次的测井数据序列相对波动强度，横坐标N代表无因次的样本编号。由声波时差测井的R/S分析曲线(图8)可知：裂缝发育段的特征为赫斯特指数(H)减小，分形维数(D)增大；岩心上发育有效裂缝(未充填裂缝、不完全充填裂缝或是破碎段)，曲线偏离初始曲线斜率并出现下凹段[11,12]。储层岩性变化影响声波时差数据的复杂程度进而影响R/S法识别精度——由于岩性突变，储层岩性界面处易出现曲线分形维数急剧增加。该方法对大牛地气田裂缝识别效果较好，可作为裂缝有效性分步表征的依据之一(图9)。

3裂缝分步表征

常规测井进行裂缝有效性识别易受钻井泥浆、地层流体、储层岩性等诸多因素影响。上述各种方法从常规测井的不同层次，分析判断后提取反映裂缝响应特征信息。由于各方法受到的影响因素各有侧重，通过综合上述方法分步表征裂缝有效性可显著提高其精度：①根据岩心观察确定大牛地气田裂缝特征；②在明确裂缝特征的基础上，分析裂缝样本的常规测井响应特征；③根据裂缝测井响应特征，选择合适测井参数建立裂缝判别模型并进行单井裂缝发育段判别；④计算裂缝宽度，用单井裂缝发育段的裂缝宽度分布区间确定无效裂缝、较有效裂缝和有效裂缝；⑤利用分形识别法印证有效裂缝，排除单井纵向上数据整体偏移的影响。根据裂缝分步表征流程，制定大牛地气田裂缝有效性分布表征识别标准(表2)。大牛地气田的单井裂缝有效性评价结果和钻完井历史、录井描述、单井取心实际、生产动态曲线以及增产效果相一致。

图8　声波时差测井的R/S与N之间的对数曲线Fig.8　Difference of logging acoustic time between R/S and N logarithmic curve

图9　大92井R/S法有效裂缝识别剖面Fig.9　R/S method of identification of effective fractures of Well DA92

表2　大牛地气田裂缝分布表征识别标准

4结论

大牛地气田有效裂缝相比无效裂缝声波时差测井值增大，电阻率出现幅度差，中子测井值增加，部分样品密度测井值降低、自然伽马测井值变大，有扩径现象。

裂缝有效性分步表征方法克服了裂缝宽度计算公式选择的盲目性，判别模型的建立避免了非裂缝发育段(例如物性好的层段)裂缝宽度计算值对利用裂缝宽度计算值表征裂缝有效性的干扰，分形识别法排除了裂缝宽度因单井纵向上数据整体偏移的影响。

在大牛地气田裂缝有效性评价中的应用表明：裂缝有效性分步表征方法是有效可行的，可作为后续裂缝成因分析、裂缝分布预测的基础，也为其他裂缝性气藏的裂缝描述提供借鉴。

[参考文献]

[1] 张晓峰,侯明才,陈安清.鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组致密砂岩储层特征及主控因素[J].天然气工业,2010,30(11):34-38.

Zhang X F, Hou M C, Chen A Q. Features and main controlling factors of tight sandstone reservoirs in the Lower Shihezi Formation in the northeastern Ordos Basin[J]. Natural Gas Industry, 2010, 30(11): 34-38. (In Chinese)

[2] 贾文玉,田素月,孙耀庭.成像测井技术与应用[M].北京:石油工业出版社,2000.

Jia W Y, Tian S Y, Sun Y T. Imaging Logging Technology and Application[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2000. (In Chinese)

[3] 周文.裂缝性致密油气储集层[M].成都:四川科学技术出版社,1998:111.

Zhou W. Fracture Oil and Gas Reservoir[M]. Chengdu: Sichuan Science and Technology Press, 1998: 111. (In Chinese)

[4] 邓虎成,周文,郭睿,等.伊拉克艾哈代布油田中-下白垩统碳酸盐岩储层孔隙结构及控制因素[J].岩石学报,2014,30(3):801-812.

Deng H C, Zhou W, Guo R,etal. Pore structure characteristics and control factors of carbonate reservoirs: The Middle-Lower Cretaceous formation, AI Hardy cloth Oilfield, Iraq [J]. Acta Petrologica Sinica, 2014, 30(3): 801-812. (In Chinese)

[5] 武玉宏,王慧,高红艳.对三孔隙度交会图法进行测井曲线标准化的改进[J].油气地质与采收率,2005,12(2): 38-41.

Wu Y H, Wang H, Gao H Y. Normalization improvement on log curve by three-porosity crossplot approach[J]. Oil & Gas Recovery Technology, 2005, 12(2): 38-41. (In Chinese)

[6] 郭科,龚灏.多元统计方法及其应用[M].成都:电子科技大学出版社,2003:41-45.

Guo K, Gong H. Multivariate Statistical Methods and Their Application[M]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology Press, 2003: 41-45. (In Chinese)

[7] 吴文圣,陈钢花,雍世和.利用双侧向测井方法判别裂缝的有效性[J].石油大学学报:自然科学版,2001, 25(1):87-89.

Wu W S, Chen G H, Yong S H. Determination of effectiveness of fractures using dual laterolog [J]. Journal of the University of Petroleum, China, 2001, 25(1): 87-89. (In Chinese)

[8] 罗贞耀.用侧向资料计算裂缝张开度的初步研究[J].地球物理测井,1990,14(2):83-92.

Luo Z Y. Preliminary study on the calculation of fracture aperture using laterolog log[J]. Well Logging Technology, 1990, 14(2): 83-92. (In Chinese)

[9] 李善军,肖承文,汪涵明,等.裂缝的双侧向测井响应的数学模型及裂缝孔隙度的定量解释[J].地球物理学报,1996,39(6):845-852.

Li S J, Xiao C W, Wang H M,etal. Mathematical model of dual laterolog response to fracture and quantitative interpretation of fracture porosity[J]. Chinese Journal of Geophysics, 1996, 39(6): 845-852. (In Chinese)

[10] 文环明.分形测井解释理论方法研究[D].成都:成都理工大学档案馆,2003.

Wen H M. Study of Fractal Log Interpretation Theory and Method[D]. Chengdu: The Archive of Chengdu University of Technology, 2003. (In Chinese)

[11] 刘丽丽,赵中平,李亮,等.变尺度分形技术在裂缝预测和储层评价中的应用[J].石油与天然气地质,2008,29(1):31-37.

Liu L L, Zhao Z P, Li L,etal. Application of the variable scale fractal technique in fracture prediction and reservoir evaluation[J]. Oil & Gas Geology, 2008, 29(1): 31-37. (In Chinese)

[12] 马旭杰,周文,唐瑜,等.川西新场地区须家河组二段气藏天然裂缝形成期次的确定[J].天然气工业,2013,33(8):15-19.

Ma X J, Zhou W, Tang Y,etal. Timing of natural fractures formed in the gas reservoirs of the 2nd member of Xujiahe Fm in the Xinchang area, western Sichuan Basin[J]. Natural Gas Industry, 2013, 33(8): 15-19. (In Chinese)

Research and application of fracture valid characterization approach in Daniudi gas field, Ordos Basin, China

PENG Xian-feng1, DENG Hu-cheng1, ZHANG Ye-yu2,3, XIAO Rui1,OU Hao-miao1, TANG Jie1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059 ,China;2.EngineeringInvestigationandDesignInstituteofSichuanProvincialCoalfieldBureau,Chengdu610500,China;3.SichuanProvincialKeyLaboratoryofShaleGasEvaluation&Exploitation,Chengdu610051 ,China

Abstract:Fractures play an important role in migration of natural gas in the rocks, therefore fracture development is vital for improving the quality of reservoir. Validity of the fractures is significant in evaluation of low-quality fractured gas field, so it is a key to reservoir assessment in Daniudi gas field. Mass core observation, multiple well logging interpretations and electrical property cross plot are used to study the characteristics of fractures in Daniudi gas field, obtain the conventional well logging response characteristics, establish well logging discrimination model and calculate parameters by fractal recognition approach to recognize single well fractures and determine fracture validity. It shows that fractal recognition approach is useful in the fracture validity evaluation of Daniudi fractured gas field, and it also provides valuable reference for other fractured gas fields. The application of this approach can avoid the interference of non fracture section and avoid the influence of selection of calculating formula of fracture width.

Key words:fractured gas reservoir; Daniudi gas field; fractures; characterization method

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.03.08

[文章编号]1671-9727(2016)03-0320-06

[收稿日期]2015-05-26。

[基金项目]国家自然科学基金项目(41202096)。

[分类号]TE122.23

[文献标志码]A

[第一作者] 彭先锋(1990-),男,硕士研究生,研究方向:油气藏地质综合评价, E-mail:xianfengxinxin@gmail.com。