延长南部低渗透储层天然裂缝定量识别技术

王永东 ，雷俊杰 ，樊万红 ，林利飞 ，胡国祥 ，谯勇

（1.延长油田股份有限公司，陕西 延安 716000；2.北京旭日昌盛科技有限公司，北京 102200）

0 引言

一般将储集岩空气渗透率小于50×10-3μm2的油气储层称为低渗透油气储层［1］。低渗透油气藏的资源量占中国油气总资源量的65%，低渗储层在大庆、胜利、吉林、辽河等油区均存在，可采资源量巨大［2］。天然裂缝是低渗透储层的“甜点”之一，因此，对低渗透储层裂缝的准确识别具有重要的实际意义。

低渗透储层的特点一般为砂体薄、岩性密、孔隙度和渗透率低且天然能量不充足［3-4］。延长组是鄂尔多斯盆地南部重要的含油层系，是典型的低渗透储层［3-5］，储层岩性主要为灰色、浅灰绿色长石砂岩，部分岩屑长石砂岩，粒度以细砂为主，其次为粉砂和中砂。储层在成岩过程中经历了不同程度的压实作用、胶结作用、交代作用，填隙物质量分数平均为13.11%，胶结物占填隙物总量的64.2%，杂基以云母和泥质为主，平均质量分数为5.8%，胶结物主要为石英、长石和方解石，少量白云石、黄铁矿。分选好，磨圆度以次棱角状—次圆状为主，呈颗粒支撑，颗粒间以线接触为主，胶结类型以孔隙式和加大孔隙式为主。延长组孔隙度和渗透率值变化大，非均质性强，孔隙度为0.016%～20.350%，平均9.800%；渗透率为 0.001×10-3～10.950×10-3μm2，平均为0.650×10-3μm2。天然裂缝的存在成为了低渗透储层的“甜点”，构造应力下派生的天然裂缝系统一般能成为低渗透储层的储集空间，控制油气的富集，并且在油气运移的过程中起到通道的作用［6］。

天然裂缝一般受到构造特征、沉积环境特征和岩石性质等多因素共同的影响，在空间范围内的分布规律性差。当前对裂缝描述和预测的方法主要有：岩心、露头观察法［7］；显微镜观察与分析法；数学分析法（分析裂缝间距指数、裂缝密度等）；地球化学分析法（主要借助包裹体研究的相关技术手段）［8］；地球物理测井技术［9］；三维地震勘探数据分析（纵横波检测、地震相干体与分析等）［10］；构造应力分析法［11］；基于地质观测，地震及测井裂缝解释识别的裂缝随机建模。天然裂缝的识别评价可以针对具体的研究目标，根据数据资料的不同，合理选用并组合上述裂缝识别描述方法，最大限度地应用现有资料，对裂缝作出综合识别评价。

由于三维地震数据的缺失，鄂尔多斯盆地南部延长组天然裂缝的发育特征研究较少。本文以鄂尔多斯盆地南部延长组地层为例，根据现有的数据资料，通过地质、测井及三维裂缝随机建模等裂缝识别评价技术，对研究区的天然裂缝发育特征进行研究。

1 延长组野外地质露头的裂缝特征调查

通过观察与测量鄂尔多斯盆地南部富县—黄陵地区野外出露的延长组低渗透地层中的裂缝，共获得了261条有效裂缝数据。分析裂缝数据发现：工区主要发育以高角度为主的近直立裂缝，裂缝倾角一般大于60°；裂缝间距指数（FSI）为 1.252［12］，裂缝间距率（FSR）平均为1.06；发育构造裂缝，见少量非构造裂缝；三叠系地层中发育了多期次不同产状的裂缝系统，即近E—W向、近S—N向、NWW—SEE向及NE—SW向。

2 低渗透储层中天然裂缝综合识别方法

由于本工区内的地表被黄土覆盖，严重影响了地震数据采集质量，本次研究区内无三维地震数据，且采用的测井系列为常规测井，因此，如何使用常规测井资料识别裂缝对后续的勘探开发具有重要意义。为了识别本工区的天然裂缝，本次研究确定了以下研究流程：

1）选取关键井进行成像测井。对关键井的要求是钻遇延长组研究地层且有钻井取心资料。

2）根据成像测井资料，对研究层段内的裂缝进行识别并计算出裂缝的产状特征，且与野外地质露头的裂缝调查分析结果对比。

3）将成像测井识别的裂缝与各类常规测井响应进行对比，确定常规测井系列中对裂缝响应敏感的测井类型，建立常规测井裂缝识别模型。

4）对研究工区内的单井测井资料进行标准化处理后，使用常规测井裂缝识别模型对研究工区内的单井进行裂缝识别。

5）使用岩心描述资料对单井识别裂缝进行进一步标定，以确保常规测井裂缝识别模型的准确性。

2.1 成像测井裂缝识别

天然裂缝在成像测井中的分布通常是不规律的，在砂泥岩序列中，裂缝条纹通常是切割地层层理的明暗条纹。其中：亮色条纹代表高电阻特征，多为高阻矿物（石英、长石、方解石等）填充缝；暗色条纹为低阻特征，多为开启缝或由黏土矿物填充的闭合裂缝［13-16］。

由成像测井解释成果可知，延长组地层为比较平缓的单斜构造，地层倾角普遍小于10°，延长组地层中的天然裂缝普遍为高角度裂缝，裂缝面与地层存在明显的切割关系。图1和图2分别为裂缝走向和倾角统计。由图1，2可知，延长组的裂缝走向为近东西向，裂缝为高角度裂缝，其中90%以上的裂缝倾角大于60°，与野外露头观测的天然裂缝统计规律有很好的一致性，说明了成像测井解释结果的可靠性。

图1 成像测井裂缝走向统计

图2 成像测井裂缝倾角统计

2.2 建立常规测井裂缝识别模型

常规测井对裂缝响应的机理是：裂缝（尤其是张开缝）在钻井过程中，由于钻井液侵入而与围岩产生的差异，其在测井曲线上的反映。常规测井对裂缝的响应取决于钻井液性能、裂缝的开启度（非填充缝、局部充填、半充填和全充填）、裂缝的产状、测井仪器纵向分辨率、测井仪器的测量响应特征等。通过成像测井解释与常规测井响应的对比，发现以下规律：

1）在裂缝发育带，自然电位在长7段底部的裂缝发育段见负异常，自然伽马曲线主要反映了岩性变化，对裂缝响应不明显。2）双感应和八侧向曲线在个别裂缝发育段出现低值，但该低值主要反映了地层流体的变化，对裂缝没有明显的差异和电阻率变化。3）井径曲线在个别井段出现扩径。4）声波时差在部分裂缝发育井段出现高值。5）微电位和微梯度曲线在裂缝发育段可见明显的低电阻率跳尖，且微电位和微梯度的电阻率差异明显减小，对裂缝发育段响应明显。

由成像测井和常规测井的对比及常规测井的裂缝响应特征可以看出，虽然自然电位、自然伽马、双感应和八侧向、声波时差和井径测井都会对裂缝发育带产生一定的响应特征，但由于仪器的测量原理和纵向分辨率的限制，很难区分出测井响应的变化是由于岩性变化或地层流体变化产生，还是由于裂缝造成，从而使得有效识别单一裂缝变得十分困难。相对于其他测井方法，微电极测井由于有相对较高的纵向分辨率及其与成像测井相似的测量原理，成为识别单一裂缝的有效方法。

微电极测井提取地层中的裂缝特征是基于以下基本原理：1）钻井钻遇的高角度构造缝，由于地层倾角和井斜的影响，在大概率上会切割井壁。2）对于水基钻井液，由于裂缝的渗透性，钻井液滤液的侵入，在微电极测井上会产生明显的低电阻跳尖。3）微电位和微梯度测井由于探测深度的不同，在渗透性地层中会存在差异，且差异的大小取决于地层的渗透性和钻井液性质。对于非渗透性或低渗透性地层，微电极和微电位的差异常表现为幅度变化很小的正差异。当地层中存在裂缝时，由于裂缝的渗透性，微电位和微梯度将同时受到钻井液滤液的影响，因而在曲线上表现出很小的差异。4）由于微梯度测井的纵向分辨率为3.75 cm，高于微电位测井，因而微梯度电阻率对裂缝的响应相对较好。5）对微梯度测井曲线进行二次求导，裂缝形成的微梯度测井低电阻异常响应会出现在二次求导的正向拐点最大值处。

根据成像测井及岩心描述，利用微电极测井提取地层中的裂缝特征的步骤为：1）计算微电位和微梯度电阻率差异。对于延长油田使用的水基钻井液性能，微电位和微电极将会显示正差异特征。2）对微梯度测井曲线进行二次求导，得到测井曲线的拐点特征。3）在成像测井无裂缝显示的井段，分别提取微电极/微梯度测井的电阻率差异和微电极测井的电阻率背景值，确定裂缝识别的阈值。4）根据以上确定的裂缝识别阈值，结合微梯度测井的拐点特征，综合识别裂缝。

地层中无裂缝井段的测井曲线特征，微电极测井背景值及井眼状况见图3。由图3可见，延长组地层展现出砂泥岩互层序列，地层产状平稳，可见水平层理和交错层理，无裂缝特征。当地层中无裂缝时，微梯度拐点分析曲线无明显正负异常，微电位/微梯度差异统计直方图显示差异值为2～4 Ω·m，同时微梯度统计直方图显示电阻率为9～20 Ω·m。由此可以确定，无裂缝地层的微电极测井背景值为微电位/微梯度差异大于2 Ω·m，微梯度电阻率大于 9 Ω·m。

根据确定的无裂缝地层微电极测井背景值，结合微梯度测井的拐点分析，可识别出地层中的裂缝特征。延长组地层中微电极测井裂缝识别结果与成像测井裂缝解释见图4。由图4可见，当微电极测井仪器经过单条裂缝时，微电极测井曲线呈现如下裂缝特征：1）微电极测井曲线可见明显的低电阻率跳尖，微梯度电阻率统计直方图显示，裂缝的微电极电阻率分布在1.0～9.0 Ω·m；2）微电位/微梯度电阻率差值明显降低，裂缝的微电位/微梯度电阻率差值在 0.1～2.0 Ω·m；3） 微梯度拐点分析曲线可见明显的正异常指示。

成像测井确定的裂缝深度是计算的裂缝面与井眼平面交会处的深度。由于微电极测井仪器限制，裂缝识别的深度是微电极仪器经过裂缝时产生裂缝响应最大值的深度，与成像测井识别的裂缝深度相比，两者之间可能有一定的深度差异，这取决于微电极测井仪器与裂缝接触时的实际位置。

过井眼裂缝高度见图5。当井径为23 cm，裂缝倾角为80°时，过井眼的裂缝高度为130.44 cm。因此，在同等条件下，微电极测井识别的裂缝深度与同等条件下成像测井识别的裂缝深度会存在最大±65.22 cm的差异。

根据建立的微电极测井裂缝识别模型，对研究工区内的单井测井资料进行标准化处理后，使用微电极测井裂缝识别模型对研究工区内的单井做裂缝识别，并用岩心描述资料对单井识别裂缝进行进一步标定，以确保常规测井裂缝识别模型的准确性，为随后的三维裂缝建模提供可靠的输入。

图3 延长组无裂缝地层微电极测井响应

图4 延长组地层微电极裂缝识别与成像测井对比

图5 裂缝过井眼高度

图6为常规测井裂缝识别与岩心描述的对比，可见裂缝识别结果与实际岩心情况一致。

3 三维裂缝模型的建立

综合野外地质露头勘测、岩心描述、成像测井及常规测井资料，成功识别了研究区内的裂缝在区域及单井上的分布及发育特征，为最终建立油藏开发可用的三维裂缝模型奠定了基础。要建立三维裂缝模型，需获取单井裂缝密度。由于本研究区内缺乏地震数据，无法获得评价井间裂缝发育程度的实测资料，因此，使用随机模拟的序贯高斯算法对井间裂缝密度进行插值，同时在建模过程中结合了储层的构造及岩相特征。

图6 常规测井裂缝识别与岩心描述的对比

序贯高斯法能提供多个等概率结果以供优选，由于随机建模在插值过程中随机性比较大，需利用所有可供参考的数据对插值结果进行约束。根据野外观测结果，泥岩对砂岩中裂缝的发育具有较大的限制作用，裂缝发育于砂岩而止于泥岩，由此可见岩性对裂缝发育具有很强的约束作用。野外地质勘测及多井岩相对比可见岩性在空间上具有较好的连续性，因此，通过井点外推到井间的岩性数据是较为可靠的。

综上所述，本次裂缝密度建模过程中采用岩相模型进行相控，同时利用泥质质量分数辅助插值，最终生成了可靠的裂缝密度模型。

通过三维裂缝模型，可以直观展现天然裂缝的空间分布规律（见图7）。由图7可见，天然裂缝在平面上呈块状富集，主要集中分布在研究工区的北部、西南部和东部附近。

图7 研究工区天然裂缝空间

4 结论

1）选取关键井进行成像测井，对研究层段内的裂缝进行识别并计算出裂缝的产状特征，且与野外地质露头的裂缝调查分析结果对比发现，成像测井预测的裂缝统计特征与野外露头调查一致，说明了成像测井识别裂缝的可靠性。

2）在裂缝发育带，声波时差、井径和自然电位测井对裂缝均有反映，由于测井仪器的分辨率限制，对单一裂缝的识别存在很大的局限性。相比与其他常规测井，微电极测井对于裂缝有很好的测井响应，且与成像测井的裂缝响应有较好的一致性。针对研究工区使用的测井系列，建立了以微电极测井响应为主的裂缝识别模型，该模型的裂缝识别成果与岩心的裂缝描述具有很好的一致性。

3）由于缺失三维地震数据，通过随机模拟的序贯高斯算法对井间裂缝密度进行插值，建立了完整的三维裂缝模型。

［1］赵靖舟，吴少波，武富礼.论低渗透储层的分类与评价标准：以鄂尔多斯盆地为例［J］.岩性油气藏，2007，19（3）：28-31.

［2］李道品.低渗透油田概念及我国储量分布状况［J］.低渗透油气田，1996，1（1）：1-8.

［3］李荣西，段立志，张少妮，等.鄂尔多斯盆地低渗透油气藏形成研究现状与展望［J］.地球科学与环境学报，2011，33（4）：364-372.

［4］胡文瑞.中国低渗透油气的现状与未来［J］.中国石油企业，2009，11（6）：29-37.

［5］程敬华，李荣西，覃小丽，等.成岩相对低渗透储层砂岩岩石力学性质的控制：以鄂尔多斯盆地东部上古生界天然气储层为例［J］.石油学报，2016，37（10）：1256-1264.

［6］杜江民，张小莉，王青春，等.柴达木盆地英西地区储层裂缝发育特征［J］.兰州大学学报（自然科学版），2017，53（4）：452-458.

［7］潘欣，周立发，刘彬辉，等.鄂尔多斯盆地中西部下白垩统露头区裂缝研究［J］.断块油气田，2010，17（4）：430-433.

［8］王峭梅，荆玲，赵泳，等.文留地区泥岩裂缝油气地球化学特征分析［J］.断块油气田，2007，14（4）：4-6.

［9］谭海芳，师桂祥，申梅英，等.利用常规测井资料识别砂泥岩中裂缝的方法研究［J］.断块油气田，2004，11（6）：81-82.

［10］汪功怀，邓明霞，宋萍，等.东濮凹陷沙三上盐间泥岩裂缝油气藏地震识别及描述［J］.断块油气田，2011，18（4）：461-464.

［11］江涛.低渗透油藏储层裂缝预测技术研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2007.

［12］姜琳，王清晨，王香增，等.鄂尔多斯盆地东南部中生界地层节理发育特征与古应力场［J］.岩石学报，2013，29（5）：1774-1790.

［13］黄继新，彭仕宓，王小军，等.成像测井资料在裂缝和地应力研究中的应用［J］.石油学报，2006，27（6）：65-69.

［14］CARLOS M，ISABELLE L N，JOSSELIN K B，et al，Fracture aperture calculations from wireline and logging while drilling imaging tools［R］.SPE 170848，2014.

［15］刘国范.石油测井［M］.北京：石油工业出版社，2010：30-50.

［16］程兰，王晨光，周威.塔河油田三叠系水淹层测井响应特征及识别［J］.石油实验地质，2017，39（增刊 1）：17-22.