致密砂岩裂缝测井识别特色技术及其应用效果——以四川盆地川西坳陷新场气田上三叠统须家河组二段为例

刘志远，李 浩，武清钊，南泽宇，苏俊磊，金武军

(中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083)

致密砂岩是指孔隙度小于10%、覆压基质渗透率低于0.1×10-3μm2的砂岩[1-2]，在中国分布广泛，特别是在四川盆地、鄂尔多斯盆地陆相地层。其中，致密油可采资源量达到(10～20)×108t[3]，天然气可采资源量达到(8.8～12.1)×1012m[4]，是中国最具潜力的油气资源。致密砂岩中常发育裂缝，而裂缝不但是致密砂岩油气储集与运移的重要通道，更是这类储层能否获得高产及稳产的重要因素[5-9]。准确识别井点上的裂缝，可以为搞清致密砂岩中裂缝分布、寻找致密砂岩甜点与有效开发提供有利的依据。

电成像是识别裂缝的有效方法[10-14]，但由于电成像价格高、测速慢，在实际生产中应用并不广泛。利用常规测井识别裂缝很早就被提出并被持续研究，J.苏等人采用孔隙度与微球形聚焦电阻率交会识别裂缝[15]，孙建孟采用曲线变化率法和孔隙结构指数法等方法识别裂缝[16]，谭海芳提出通过孔隙度差值、电阻率下降、声波时差增大和变密度异常等指示裂缝[17]，赵永刚提出基于井径、电阻率、密度和声波等常规测井曲线计算出8个裂缝指示参数，构建裂缝综合识别参数进行裂缝识别[18]。由于受常规测井分辨率低、致密砂岩段岩性和物性变化快以及裂缝发育规模小且产状多变等因素影响，裂缝识别难度较大[19-20]，严重影响了致密砂岩气藏评价与有效开发。因此，有必要进一步探索利用常规测井识别致密砂岩裂缝的方法。

本文以川西坳陷新场气田上三叠统须家河组二段致密砂岩为例，依据岩心、电成像和生产测试等一手资料明确裂缝层段，搞清裂缝常规测井响应特征，通过提取多个裂缝敏感参数，采用灰色关联识别裂缝，模式聚类识别裂缝类型，取得了较好的应用效果，研究成果对致密砂岩新井投产方案设计、老井挖潜、储层类型评价和产能预测等具有积极意义。

1 研究区概况

川西坳陷位于龙门山冲断带与龙泉山隆起带所限定的四川盆地西部，是晚三叠世以来形成的叠覆型盆地，坳陷呈现“三隆两凹一坡”的构造格局[21]，即龙门山前构造带、新场构造带、知新场构造带、成都凹陷、梓潼凹陷和中江斜坡。新场气田处于川西坳陷中段NEE向新场构造带上，是从晚三叠世以来经历了多期构造运动的复合大型隆起带[22-23](图1)，气田位于该构造带西部，整体上表现为NWW向构造，南陡北缓。

四川盆地自元古宙—新生代沉积有巨厚的海-陆两相岩层，须家河组为晚三叠世海-陆过渡相与早期陆相沉积，该时期川西坳陷处于龙门山类前陆盆地的前缘坳陷带沉降和沉积中心[24-25]，存在西部龙门山、东部川中古隆起以及北部米仓山-大巴山造山带等多个物源。纵向上须家河组可分为5段，其中须二段早中期主要为三角洲-湖泊沉积体系，后期河道发育，发育数个规模较大的辫状河三角洲沉积体系，这使得新场地区须二段沉积厚度较大(钻厚560～660 m)，中、上部地层岩性以厚层细粒岩屑砂岩为主，砂体单层厚度平均可达70 m，下部主要为砂岩和泥页岩互层，砂体中常夹有泥质条带和煤层(线)。

须二段砂体物性致密，孔隙度主要分布在2.5%～4.5%，基质渗透率差，普遍低于0.1×10-3μm2，但局部也存在孔隙较发育层段，如新203井部分岩心孔隙度达到9%，渗透率达0.2×10-3μm2。

受多期构造运动的影响，砂体中裂缝发育[26-27]，岩心多见低角度裂缝(图2a)，局部见高角度裂缝。低角度裂缝密度较大，部分岩心呈薄饼状，但开度小，常有次生方解石、次生石英等填充。高角度裂缝密度相对较低，裂缝开度相对较大，呈填充-半填充状(图2b)。

邻近的什邡金河剖面露头显示(图2c)，须家河组厚层岩屑砂岩中发育大型低角度裂缝组合，其中2条大开度低角度裂缝稳定发育，裂缝开度大、延伸长，但裂缝密度低，其周围发育大量的伴生裂缝，这些伴生裂缝虽裂缝密度大，但开度小，产状复杂多变。

2 裂缝测井响应特征

裂缝为连续或不连续的面状非均质储集空间，其中充注有油气和地层水等原始流体。由于钻井过程中采用井筒压力大于地层压力钻井，钻井液会沿着张开裂缝侵入地层，驱替其中的原始流体。测井时，缝间流体、裂缝产状、裂缝密度、开度和填充程度等因素都会对测井仪器响应造成不同程度的影响，部分测井系列响应较为明显。

2.1 电阻率测井响应

裂缝对侧向系列电阻率测井影响较大。由于工区内钻井液主要采用水基泥浆，导电性较好，侵入裂缝的泥浆与地层形成并联导电[28]，造成裂缝段电阻率较之邻近相似无缝地层突变降低，特别是在高阻背景条件下(图3，深度4 955～4 960 m)。裂缝数值模拟[29]显示，裂缝段电阻率降低程度与裂缝张开度、裂缝内泥浆矿化度、背景电阻率等因素呈正比，而与裂缝填充程度呈反比。

双侧向幅度差异也受裂缝影响，主要是由于深、浅侧向探测深度不同，裂缝-地层并联导电系统中裂缝影响存在差异[30]，网状缝与高角缝的双侧向表现为明显的正差异特征，而低角缝双侧向基本重合。

造成电阻率降低的并非只有裂缝，孔隙发育、泥质条带甚至岩石粒度变细也会造成电阻率降低(图4，深度5 006～5 011 m)。引起双侧向正差异的也不仅仅只有天然裂缝，钻井过程中形成的钻井诱导缝、泥浆压裂缝和应力释放缝等人工诱导裂缝，甚至井眼严重扩径也会造成双侧向正差异。图5中应力释放造成局部井壁崩落引起大段双侧向正差异现象。

2.2 补偿声波测井响应

声波时差对裂缝的响应随裂缝倾角的不同而存在较大差异，这是由于在补偿声波测量过程中，滑行波沿井壁表层传播[31]。对于低角缝、斜交缝以及裂缝破碎带，滑行波在裂缝面发生反射、折射，波形幅值衰减明显[32]，幅值衰减可导致首波波至触发后延，甚至周波跳跃，引起声波时差明显增大。而对于高角缝与垂直缝，由于大部分滑行波不受裂缝影响[28]，声波时差整体变化不大。

裂缝声波模拟表明[33]，低角缝开度越大，声波幅值衰减越明显，引起的声波时差增大特征也越明显。图3中X3井4 957.5～4959.5 m深度裂缝破碎带的声波时差较相邻未发育裂缝段明显增大，而在裂缝发育相对稀疏的4 955.0～4 956.5 m深度，声波时差增大程度不及下部裂缝破碎带。

2.3 自然电位测井响应

对于自然电位，裂缝段也常表现出负异常特征[34]，图3中的X3井裂缝破碎带自然电位负异常特征明显，认为主要是裂缝的高渗透性造成的过滤电动势所引起[35]。

对于自然伽马、补偿中子等仪器居中测量的放射性测井，裂缝对曲线影响较少。

3 裂缝敏感参数与约束指标提取

3.1 测井敏感参数提取

可以看出，测井响应是裂缝发育程度、裂缝产状以及噪音干扰信号的综合响应，这些响应一方面是识别、区分裂缝的重要依据，另一方面也增大了裂缝识别的难度，测井裂缝响应的提取与去噪技术是裂缝识别的关键。本文通过提取多个相互独立的裂缝敏感参数与约束指标(表1)，用以放大裂缝测井响应同时压制其他因素干扰影响，为后续裂缝识别提供可靠参数。

电阻率降低因子。通过求取深侧向电阻率与其最大包络差值，在放大裂缝造成电阻率降低响应的同时减弱基质导电背景影响，公式中通过其与自然伽马比值以减小泥质的影响，该因子对各类有效裂缝均敏感。

电阻率最大包络算法流程大致包括3个方面。①标记种子点：循环对比对数电阻率相邻点大小，当对比点大于等于相邻点对数电阻率记为包络线种子点；②剔除泥质夹层：判断电阻率曲线对应泥质含量是否超出预设泥质含量门槛值，大于门槛值即将该点作为包络线种子点；③插值计算：种子点间线性插值计算包络线。

时差增大因子考虑到裂缝造成声波时差增大的特征，通过求取声波时差与其最小包络线差值(算法与电阻率最大包络类似)，放大裂缝声波时差增大响应，压制背景声波时差影响，并通过进一步与非泥质体积乘积，减除泥质的干扰影响。时差增大因子对于低角缝与裂缝破碎带敏感。

高角缝和垂直缝发育常造成双侧向电阻率正差异增大，但在新场气田须二段致密砂岩内，受人工诱导缝等影响，双侧向也常表现为大段正差异，严重干扰利用双侧向电阻率差异特征对裂缝的识别。研究中在分别求取深、浅双侧向电阻率最大包络趋势线基础上，通过比较双侧向电阻率与对应包络线幅度差的差异大小，计算电阻率幅度差因子，尽量压制由于人工裂缝等背景因素引起的双侧向电阻率幅度差影响，突出裂缝因素引起的双侧向电阻率幅度差。

3.2 干扰因素消除技术

如前所述，裂缝发育段常具有突变性，从而导致电阻率与声波曲线形态复杂化，这与孔隙发育引起的平缓变化特征存在一定差异。考虑到常规测井曲线纵向分辨率相对较低，研究中通过分段计算单位厚度内曲线长度反映曲线维度(表1)。图5和图6分别显示了X501与X5井裂缝与非裂缝段曲线维度对比，可以看出裂缝发育段电阻率与声波维度较大[36]，而非裂缝段两个维度均明显偏低。研究中可以据此设置门槛值作为约束指标，对孔隙储层进行筛除。

4 灰色关联识别裂缝

利用电成像等资料明确裂缝层段作为样本，通过提取上述敏感因子作为已知信息，应用灰色关联分析确定敏感因子的权重系数，加权计算裂缝指示曲线，进而采用阈值约束识别裂缝，并在建立裂缝敏感因子响应模式库的基础上，采用模式识别来判断裂缝类型。

采用灰色关联确定敏感因子权重系数，首先对敏感因子进行标准化处理，然后计算子因素(裂缝敏感因子)与母因素(电成像裂缝发育程度)之间的关联度，最后用关联度与其总和之比确定各敏感因子权重系数，计算过程主要包括母序列与子序列的选定、关联系数、关联度、关联序和关联矩阵的计算[37-39]，具体算法如下。

1)母、子序列选定

将电成像裂缝发育程度作为关联分析的母序列记为{Xt(0)(0)}，其中：Xt(0)(0)表示电成像裂缝发育程度，%；t为裂缝层段样本标记，取值为1，2，…，n。确定对应样本的敏感因子作为子序列记为{Xt(0)(i)}，其中：Xt(0)(i)表示裂缝层段敏感因子；i为子因素(敏感因子)标记，取值为1，2，…，m。

2)原始数据变换

由于母、子序列中因素的物理意义不同，数据的量纲也不一定相同，因此需要对原始数据做变换以消除量纲间的差异。对母、子序列数据进行归一化：

(1)

式中：min为取最小值；max为取最大值；Xt(1)(i)为归一化变换后的序列，无量纲。

将变换后的母序列记为{Xt(1)(0)}，将子序列记为{Xt(1)(i)}，进一步计算出同一样品点子因素与母因素观测值之间的绝对值及其级值分别为：

式中：Δt(i,0)为某一样品点相比较序列的绝对差，无量纲；maxi为取同一子因素的子因素与母因素观测值之间的绝对值的最大值；maxt为取同一样品点子因素与母因素观测值之间的绝对值的最大值；mini为取同一子因素的子因素与母因素观测值之间的绝对值的最小值；mint为取同一样品点子因素与母因素观测值之间的绝对值的最小值；Δmax与Δmin为所有比较序列各个样品点中的绝对差中的最大值和最小值，无量纲；Δmin一般为0。

母序列与子序列的关联系数Lt(i,0)计算结果，计算公式为：

(5)

式中：ρ为分辨系数，其目的是为削弱最大绝对差数值太大而失真的影响，提高关联系数之间的差异显著性，一般情况下取0.1～0.5，本次取0.25，无量纲。

各子因素对母因素之间的关联度ri,0可以由下式得出

(6)

式中：ri,0为各子因素(裂缝敏感因子)关联度，无量纲。

各子因素(裂缝敏感因子)权重系数为各子因素关联度与总和比，归一化确定缝敏感因子权重系数，公式为：

(7)

式中：αi为各子因素权重系数，无量纲。

通过上述算法确定川西凹陷新场须二中亚段裂缝敏感因子权重系数，电阻率降低因子权重0.407，时差增大因子权重0.279，电阻率幅度差因子权重0.178，自然电位因子权重0.136，其中电阻率降低因子权重最大，对于裂缝最为敏感，同时依据表1中算法，依据刻度范围归一化后，结合样品约束指标范围，确定了裂缝约束指标阈值，电阻率与声波维度阈值均取0.05，无量纲。

据此，采用各裂缝敏感因子加权计算得到裂缝指示。

FRACT_FF=∑αiVi

(8)

式中：FRACT_FF为裂缝指示，无量纲；Vi为归一化后的裂缝敏感因子，无量纲。

进一步采用裂缝指示曲线与电成像裂缝发育程度相关对比，确定裂缝指示阈值取0.1较为合适，据此进行裂缝识别。

由于各敏感因子对不同类型裂缝响应存在差异，可依据敏感因子差异采用模式识别方式进行裂缝类型判断。研究中在归纳各类裂缝典型响应基础上，建立了须二段裂缝敏感因子模式库(表2)，通过对比待评价样本与各裂缝间模式欧式距离远近进行裂缝类型判别。

表2 川西坳陷新场气田须二段裂缝敏感因子模式库

裂缝模式识别表达式为：

(9)

5 应用效果

为了验证上述识别方法的有效性，选取研究区有成像测井资料的井，利用成像资料标记出裂缝发育段，并根据常规测井资料计算裂缝指示曲线，两者对比后即可开展应用效果分析。

图5显示了X501井常规测井裂缝识别效果。电成像显示该井多段斜交缝与网状缝发育，常规测井表现为电阻率降低、声波时差增大特征，对应的裂缝敏感因子中的电阻率降低因子与声波时差因子响应明显，由此计算裂缝指示曲线与电成像裂缝基本一致。模式识别以网状缝与斜交缝为主，也与电成像吻合较好，仅有电成像上个别孤立裂缝未能有效识别。图中还可看出，在孔隙相对发育的5 125～5 131 m深度段，虽然电阻率降低同时声波时差增大，但电阻率维度低于其阈值下限，在裂缝识别中可以有效剔除。

图6显示了X5井常规测井裂缝识别效果，该井双侧向大段正差异，为井眼局部垮塌引起，电成像显示多段裂缝发育，对应双侧向电阻率有所减低，声波时差增大，特别在电成像裂缝发育的5 033～5 041 m深度段，电阻率降低、自然电位等裂缝响应因子响应明显，由此计算的裂缝指示曲线与电成像裂缝对应关系较好，整体上双侧向差异因子对双侧向大段正差异与泥岩层段都有很好的抑制。从电成像裂缝特征来看，5 075～5 092 m深度段见高角缝与低角缝间互发育，常规测井裂缝识别情况与之对应。

通过与X5和X101等多口井电成像对比，裂缝段识别符合率达到90%以上(表3)。

表3 川西坳陷新场气田须二段裂缝识别符合率统计

6 结论

1)受构造运动作用影响，川西坳陷新场气田须二段厚层致密砂岩裂缝发育，主要为低角缝与高角缝，并见有大型低角度裂缝组合，其中发育大开度低角度主缝与大量产状复杂的伴生缝。

2)常规测井中双侧向电阻率与补偿声波对裂缝响应敏感，裂缝段双侧向电阻率见明显降低，其中高角缝与网状缝段见明显正差异，低角缝、斜交缝与网状缝段声波时差具增大特征，泥质条带、溶孔发育与人工诱导缝具有相似响应，对裂缝识别造成干扰。

3)裂缝发育段电阻率与声波时差曲线常具有突变特征，曲线形态复杂，维度增大，通过分段计算单位厚度内曲线长度，反映维度变化，设置阈值可有效筛除孔隙发育段等干扰影响。

4)通过提取电阻率降低因子等独立裂缝敏感因子，放大裂缝响应同时压制干扰，采用灰色关联确定敏感因子权重系数，加权计算裂缝指示曲线，阈值标定识别裂缝，聚类模式识别裂缝类型，裂缝识别符合率达到90%以上。