海上油气田致密砂岩储层压裂裂缝高度精确评价方法*

王 猛 杨玉卿 徐大年 张国栋 钱玉萍 李明涛 张志强

(1. 中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201； 2. 中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200335)

海上油气田致密砂岩储层压裂裂缝高度精确评价方法*

王 猛1杨玉卿1徐大年1张国栋2钱玉萍1李明涛1张志强1

(1. 中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201； 2. 中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200335)

王猛,杨玉卿,徐大年，等.海上油气田致密砂岩储层压裂裂缝高度精确评价方法[J].中国海上油气，2016,28(6)：34-39.

Wang Meng,Yang Yuqing,Xu Danian，et al.Accurate evaluation method of hydraulic fracture height in offshore tight sandstone reservoir[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):34-39.

储层压裂裂缝高度精确评价是海上油气田致密储层压裂效果评价的核心内容之一，直接影响油气田开采效果。受制于评价精度不高、放射性污染及管柱条件等因素，井温测井等传统的压裂裂缝高度评价方法无法在海上油气田应用。将过套管交叉偶极子阵列声波各向异性和径向速度层析成像测井技术相结合，不仅可以准确地确定海上油气田致密储层压裂后裂缝沿井壁波及段高度和集中破裂段高度，还可对储层压裂后产能高效贡献井段进行评价。东海西湖凹陷应用表明,过套管交叉偶极子阵列声波测井无污染、时效高，满足海上作业要求，值得广泛推广应用。

海上油气田；致密砂岩储层；压裂；裂缝波及段高度；集中破裂段高度；声波各向异性；声波径向速度层析成像；西湖凹陷

近年来，随着东海盆地西湖凹陷勘探力度逐渐增大，在该地区深部目的层系发现了大量致密油气储层，致密油气储量呈逐年增长的势头[1]，初步估算该地区致密油气储量占目前已发现油气储量的比重高达70%左右[2]。然而，致密油气储层常规测试无法获得自然产能，只能通过压裂改造达到增产目的。近几年，在西湖凹陷针对致密储层多次应用压裂测试作业，实现致密储层的商业化产能，取得了较好效果，但致密储层压裂效果评价的核心参数，如压裂裂缝高度，由于传统测井评价方法无法在海上应用，只能根据压裂施工后的参数进行定性评估。

致密储层压裂作业前后，有无压裂缝时测井响应存在差异，通过对比测井资料可检测压裂缝高度，评价压裂改造效果[3]。传统压裂缝高度测井评价方法主要有3种，即井温测井、同位素测井和注硼(钆)中子寿命测井[4]，其中井温测井判断裂缝高度方法简单，不足之处在于精度相对较低，压裂缝高度评价结果存在较大误差，目前各油田均较少使用；同位素测井是陆地油田使用较多的一种压裂缝高度评价方法，该方法判断压裂缝高度非常简捷、快速[5-7]，但不足之处在于放射性物质对井筒、储层会造成污染，且放喷返出的流体处理困难，无法满足海上致密储层作业环境保护要求；注硼(钆)中子寿命测井评价压裂裂缝高度原理与同位素测井评价原理相似，作业上的差异主要是压裂液中注入物变成了硼酸或钆酸，利用了硼元素或钆元素作为一种示踪剂[8]，该方法判断压裂缝高度受储层孔隙度影响较大，如果储层过于致密，则会影响评价精度，且还受海上压裂一体化测试管柱与注示踪剂施工管柱不能匹配使用及占用海上平台作业时间较长等限制。

鉴于过套管交叉偶极子阵列声波测井和声波径向速度层析成像测井作业时间灵活、时效高、对储层无污染，且在裸眼及套管井中均可应用，完全能够满足海上作业要求，本文通过综合应用这2种测井新技术，探讨声波在西湖凹陷致密砂岩储层纵向各向异性和径向速度变化的特征，以期准确评价该地区致密储层压裂裂缝高度，为正确评估压裂施工效果提供帮助和指导。

1 方法原理

1.1 声波各向异性测井评价

地下岩层由于受现今不均衡地应力或裂缝等因素的影响，通常表现为方位各向异性。在声学上，地层方位各向异性往往具有横波分裂现象，即存在相互正交的快横波面和慢横波面。交叉偶极横波测井仪是由两组相互正交的偶极发射探头和相互正交的接收阵列组成，如图1所示。当交叉偶极横波测井仪发射的横波信号入射到各向异性地层时，会出现快、慢横波分裂现象。利用相关反演技术对八组阵列接收器的偶极子横波波形数据进行联立求解，可以确定地层快、慢横波慢度，进而分析地层各向异性[9-10]。主要代表仪器有斯伦贝谢公司的偶极横波成像测井仪(DSI)、贝克阿特拉斯公司的多极子阵列声波测井仪(XMACII)和中海油田服务股份有限公司的交叉偶极子阵列声波测井仪(EXDT)。

图1 各向异性地层交叉偶极子阵列声波测井示意图

横波各向异性程度是用各向异性系数来衡量的，而各向异性系数是用快、慢横波慢度来反演计算[11]，其定义为

(1)

式(1)中：s1为慢横波慢度；s2为快横波慢度；Δs=s1-s2。

各向异性系数越大，表明地层裂缝或地应力非均质性越强，因此储层固井质量好时套管内测量的横波信息能较准确地反映地层的真实横波时差[12-14]，由此判断储层中是否存在裂缝。当储层不存在压裂裂缝时，快、慢横波慢度一致，即各向异性系数近乎为零，储层无明显各向异性。当储层被压裂后形成沿井壁延伸的压裂裂缝时，各向异性系数将显著增大，对比压裂前、后声波各向异性系数的变化，各向异性系数差异明显段就是裂缝存在的位置，即储层被压开后裂缝沿井壁延伸的高度。

1.2 声波径向速度层析成像测井评价

交叉偶极子阵列声波测井仪发射的声波在速度径向变化地层中传播，地层径向速度变化使得不同接收器接收到的声波径向穿透深度不同，如图2所示。在这种情况下，由接收器阵列测到的声波速度具有不确定性，这与速度的径向变化程度以及声源到接收器的距离有关。既然不同射线可以感受到地层不同径向深度上的速度差异，那么声波的走时就含有地层速度径向变化的信息，从而可以用来确定地层速度的径向变化。

图2 速度径向变化地层中声波射线路径示意图

利用声波径向速度层析成像测井进行压裂裂缝评价的一个重要依据是压裂作业使井壁周围岩石破碎，产生大量的压裂裂缝，形成岩石的扩容。岩石扩容造成岩石弹性波速下降已被大量实验数据证实[15]，而岩石破碎扩容程度随远离井眼而逐渐减弱，声波速度径向层析成像技术恰恰可以反映岩石弹性波速在横向上的变化。当井壁不存在压裂裂缝时，声波径向速度剖面成像显示不同深度的地层速度差异较小；当井壁被压裂后，岩石产生破碎并随远离压裂井眼段而减弱，声波径向速度剖面显示这种速度差异将显著增大，对比压裂前、后声波径向速度剖面，差异明显段就是压裂破碎段及裂缝发育段。

1.3 2种方法评价效果对比

声波各向异性测井评价方法可准确检测压裂裂缝纵向延展范围，即压裂裂缝高度，但该压裂裂缝高度代表了裂缝沿井壁表面纵向上的延伸范围，在此范围内地层破裂程度及裂缝密集程度的差异体现不明显，即地层各向异性系数值具有总体平均的特性，往往导致某些井压裂作业后出现声波各向异性评价的压裂裂缝高度与压裂设计的裂缝支撑高度存在很大差异的现象，甚至怀疑该技术方法的准确性。

声波径向速度层析成像测井评价方法既可以确定压裂裂缝纵向延展高度，也可以对近井地带储层破裂程度差异给出精确评价。在储层压裂段，压裂效果显著的地方为储层破碎段，表现为地层速度沿纵向和径向显著变化(即严重衰减)，压裂效果不显著的地方为仅有单个或多个裂缝发育段，表现为地层速度在纵向和径向上的微弱变化(即微弱衰减)。本文把严重衰减段定义为压裂集中破裂段，为压裂的集中受效段，也是真正的压裂后的产能高效贡献井段，其高度对应于压裂加砂支撑缝设计高度；而把微弱衰减段定义为压裂裂缝波及段，为压裂的波及影响段，其高度相当于声波各向异性方法确定的压裂裂缝段高度。

图3为东海西湖凹陷A油气田N-1井花港组上段声波各向异性和径向速度层析成像测井压裂裂缝高度评价结果，可以看出：由声波各向异性测井方法评价的压裂裂缝高度为A1，在A1范围内各向异性系数差异不明显；由声波径向速度层析成像测井方法评价的裂缝波及段高度为A2，集中破裂段高度为A*，显然A2与A1的高度基本相等，而A*的高度与压裂加砂支撑缝设计高度A0大致相当。可见，基于声波径向速度层析成像测井技术评价压裂裂缝高度的方法较之声波各向异性测井评价技术更具优势，对于准确认识压裂效果和指导下步压裂施工具有重要意义。

图3 西湖凹陷A油气田N-1井声波各向异性和径向速度层析成像测井压裂裂缝高度评价结果

2 在东海西湖凹陷的应用

西湖凹陷位于东海陆架盆地东北部，面积5.9万km2，重要产油气层为渐新统花港组[16]。花港组发育河流-湖泊-三角洲沉积体系，岩性以中—细砂岩为主，成分成熟度中等，致密储层多位于3 500 m以下，大部分孔隙度小于10%，部分渗透率不足0.1 mD[16]，Y-1井为西湖凹陷B油气田的关键探井，在主力目的层花港组8段中部3 959～3 969 m射孔，之后进行加砂压裂DST测试求产。

Y-1井压裂作业前、后分别进行了交叉偶极子阵列声波测井。图4为该井声波各向异性处理成果，可以看出，该井压裂前主力目的层快、慢横波基本重合，各向异性系数为2%～3%，与相邻地层的各向异性系数无明显差异，表明储层无压裂裂缝存在。该井压裂后主力目的层附近快、慢横波分裂明显，各向异性系数最大达15%。在3 940～3 985 m井段压裂前、后各向异性系数差异明显，由此可以判断该井主力目的层段经压裂测试作业后形成了一定规模的压裂裂缝，压裂裂缝纵向延伸段范围H1为3 940～3 985 m，即压裂裂缝高度为45 m。该井经压裂作业，裂缝自射孔段上延伸19 m，下延伸16 m，未出现压裂窜层；该井段压裂前比采气指数为0，压裂改造后比采气指数为683 m3/(d·MPa·m)，压裂效果良好。

图5为Y-1井声波径向速度层析成像处理成果，可以看出，压裂前该井3 930～3 995 m井段地层径向纵波速度变化较小(仅在3 944 m附近受煤层影响有一定变化)，且没有明显的纵波变化特征。压裂后该井3 940～3 985 m井段地层声波速度径向变化特征明显，表现为纵波速度明显小于原状地层纵波速度，由此可以判断该井主力目的层段经压裂测试作业后形成了一定规模的压裂裂缝，压裂裂缝延伸段(3 940～3 985 m)为H2，实际为裂缝波及段高度45 m，与声波各向异性评价高度H1完全一致。

图5第4道为压裂后径向速度层析成像剖面，在压裂裂缝高H2范围内纵波速度变化很大；H2顶部显示为煤层，底部为砂泥岩薄互层，中部H*段速度差异最显著，其他井段速度差异较弱，可见H2段即为该井压裂波及段，H*段受力变化最显著，高度与压裂前设计的加砂支撑缝高度基本一致，为该井压裂的集中破裂段。

图4 西湖凹陷B油气田Y-1井声波各向异性处理成果

图5 西湖凹陷B油气田Y-1井声波径向速度层析成像处理成果

综上所述，应用交叉偶极子阵列声波各向异性和声波径向速度层析成像2种方法对压裂裂缝高度进行综合评价，在准确确定压裂后裂缝纵向延伸高度(即裂缝波及段高度)的基础上，又对压裂的集中受效段(真正压裂开的产能高效贡献井段 ，即集中破裂段)精细评价，其高度与压裂设计支撑缝高度一致性好。由此可见，这是目前海上致密储层压裂裂缝高度及压裂效果评价的最佳方法，值得在海上油气田推广应用。

3 结论

1) 海上油气田储层压裂效果评价至关重要，但受制于评价精度不高、放射性污染及管柱条件等因素，井温测井等传统压裂裂缝高度评价方法无法在海上油气田应用。而交叉偶极子阵列声波各向异性和声波径向速度层析成像测井技术相结合，不仅可以准确地确定海上油气田致密储层压裂裂缝纵向延伸高度(即裂缝波及段高度)，也可精细评价压裂后储层破碎段高度(即集中破裂段高度)，是目前最有效的压裂效果评价方法。

2) 东海西湖凹陷应用表明，过套管交叉偶极子阵列声波测井无污染、时效高，满足海上油气田作业要求，是今后海上油气田致密储层压裂效果评价的最佳技术，值得广泛推广使用。

[1] 朱伟林，米立军，高阳东，等. 领域性突破展现中国近海油气勘探前景:2011年中国近海油气勘探回顾[J].中国海上油气，2012，24(1)：1-5. Zhu Weilin，Mi Lijun，Gao Yangdong，et al.Exploratory field breakthroughs exhibit the future of hydrocarbon exploration offshore China:a review of hydrocarbon exploration offshore China in 2011[J].China Offshore Oil and Gas，2012，24(1)：1-5.

[2] 施荣富.西湖凹陷低孔低渗储层压裂改造技术体系探索与实践[J].中国海上油气，2013，25(2)：79-82. Shi Rongfu.Exploration and application of fracturing reconstruction technique for low porosity and low permeability reservoirs in Xihu sag[J].China Offshore Oil and Gas，2013，25(2)：79-82.

[3] 何豹，罗宁，李国宝.水力压裂缝高度的偶极横波判断方法[J].石油仪器，2008，22(4)：58-60. He Bao，Luo Ning，Li Guobao.A method of water power pressure altitude judgment by dipole shear wave logging[J].Petroleum Instruments，2008，22(4)：58-60.

[4] 罗宁，丁邦春，侯俊乾，等.压裂裂缝高度的测井评价方法[J].钻采工艺，2009，32(1)：43-45. Luo Ning，Ding Bangchun，Hou Junqian，et al.Logging evaluation methods of fracturing height[J].Drilling & Production Technology，2009，32(1)：43-45.

[5] 易新民，唐雪萍，梁涛，等.利用测井资料预测判断水力压裂裂缝高度[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2009，31(5)：21-24. Yi Xinmin，Tang Xueping，Liang Tao，et al.Prediction and assessment of fracture height of hydraulic fracturing with logging data[J].Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition)，2009，31(5)：21-24.

[6] 罗宁，何绪全，唐杰，等.同位素测井在四川油气田的应用[J].天然气勘探与开发，2007，30(3)：27-28. Luo Ning，He Xuquan，Tang Jie，et al.Application of isotope logging to Sichuan oil and gas fields[J].Natural Gas Exploration & Development，2007，30(3)：27-28.

[7] 姜文达.放射性同位素示踪注水剖面测井[M].北京：石油工业出版社，1997.

[8] 张雪芹，陶婧，刘镇领，等.注硼中子寿命测井技术在华北油田的应用与发展[J].测井技术，2001，25(6):423-427. Zhang Xueqin，Tao Jing，Liu Zhenling，et al.Application and development of boron-injected neutron life-time logging technology in Huabei oilfield[J].Well Logging Technology，2001，25(6):423-427.

[9] 刘西恩，孙志峰，仇傲，等.EXDT正交偶极阵列声波测井仪在地层各向异性评价中的应用[J].测井技术，2010，34(6)：565-568. Liu Xien，Sun Zhifeng，Qiu Ao，et al.Application of the EXDT cross-dipole array acoustic logging tool to anisotropic formations evaluation[J].Well Logging Technology，2010，34(6)：565-568.

[10] 杨双定，姜微微，赵静，等.低孔低渗储层压裂效果测井评价方法研究[C]∥油气藏监测与管理国际会议论文集，2011. Yang Shuangding，Jiang Weiwei，Zhao Jing，et al.Method research for logging evaluation of fracturing effect on low porosity & permeability reservoir[C]∥International Conference on Reservoir Surveillance and Management，2011.

[11] 高锋博，李强，邓咸安，等.基于过套管偶极子横波测井的压裂缝高度模型研究及应用[J].西部探矿工程，2015，27(3)：68-69. Gao Fengbo，Li Qiang，Deng Xian’an，et al.Research and application of fracturing height model through casing dipole shear wave logging[J].West-China Exploration Engineering，2015，27(3)：68-69.

[12] 罗利，姚声贤，孟英峰，等.套管井阵列声波测井效果评价[J].天然气工业，2000，26(8)：50-52. Luo Li，Yao Shengxian，Meng Yingfeng，et al.Evaluation of array sonic logging effects in cased holes[J].Natural Gas Industry，2000，26(8)：50-52.

[13] 董经利.多极子阵列声波测井资料处理及应用[J].测井技术，2009，33(2)：115-119. Dong Jingli.Processing of multipole array acoustic log data and its application[J].Well Logging Technology，2009，33(2)：115-119.

[14] 窦伟坦，侯雨庭.利用偶极声波测井进行储层压裂效果评价[J].中国石油勘探，2007，12(3)：58-63. Dou Weitan，Hou Yuting.Evaluation on fracturing effect of reservoirs based on dipole sonic logging[J].China Petroleum Exploration，2007，12(3)：58-63.

[15] 唐晓明，郑传汉.定量测井声学[M].赵晓敏，译.北京：石油工业出版社，2004：153-161.

[16] 刘金水，曹冰，徐志星，等.西湖凹陷某构造花港组沉积相及致密砂岩储层特征[J].成都理工大学学报(自然科学版)，2012，39(2)：130-136. Liu Jinshui，Cao Bing，Xu Zhixing，et al.Sedimentary facies and the characteristics of tight sandstone reservoirs of Huagang Formation in Xihu depression，East China Sea Basin[J].Journal of Chengdu University Of Technology (Science & Technology Edition)，2012，39(2)：130-136.

(编辑：冯 娜)

Accurate evaluation method of hydraulic fracture height in offshore tight sandstone reservoir

Wang Meng1Yang Yuqing1Xu Danian1Zhang Guodong2Qian Yuping1Li Mingtao1Zhang Zhiqiang1

(1.COSL,Sanhe,Hebei065201,China； 2.ShanghaiBranchofCNOOCLtd.,Shanghai200335,China)

Accurate evaluation of hydraulic fracture height in offshore tight sandstone reservoir is one of the key evaluation works, which directly affects the oilfield development. Such traditional technologies as borehole temperature logging cannot be applied to evaluate the hydraulic fracture height for offshore oilfield due to low accuracy, radioactive pollution and down hole strings constraint. The proposed method, combining through casing cross-dipole acoustic array logging and radial velocity tomography logging, can accurately evaluate hydraulic fracture height along the wellbore, the fracture-concentrated zone, and the most productive reservoir interval after hydraulic fracturing. The applications in Xihu sag of the East China Sea basin show that the method can be applied widely due to the advantages of non-pollution and high efficiency, meeting the requirements of offshore operation.

offshore oil and gas field; tight sandstone reservoir; fracturing; fracture-extended zone height; fracture-concentrated zone height; acoustic anisotropy; radial velocity tomography; Xihu sag

1673-1506(2016)06-0034-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.006

*中国海洋石油总公司“十二五”科技重大项目“中国近海低孔低渗油气藏勘探开发关键技术与实践(编号：CNOOC-KJ 125 ZDXM 07 LTD)”部分研究成果。

王猛，男，工程师，2008年毕业于中国石油大学(北京)石油地质专业，获硕士学位，现从事测井及地质资料综合解释评价与研究工作。地址：河北省三河市燕郊开发区行宫西大街81号(邮编：065201)。E-mail：wangmeng10@cosl.com.cn。

P631.8

A

2016-03-18 改回日期：2016-05-16