裂缝性碳酸盐岩储层气水识别的测井解释新途径——以四川盆地九龙山地区中二叠统为例

杨 华 张本健 陈明江 孙志昀 田云英杨 迅 王宇峰 汤兴宇 胡 欣

1.中国石油西南油气田公司川西北气矿 2.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院

3.中国石油集团川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院

0 引言

九龙山构造位于四川盆地西北部苍溪县境内，经过多轮油气勘探，在多套深层海相地层测试获得了高产气流，区带内天然气资源量大，立体勘探优势凸显，是川西北部深层海相天然气勘探开发示范工程的重要组成部分[1-3]。目前，该区中二叠统完井9口，累计测试产量为671.14×104m3/d，其中茅口组测试井7口，产气井4口，产水井3口；栖霞组完成测试井3口，产气井2口，产水井1口。由此可见，该区中二叠统一方面表现出较大的勘探潜力，另一方面又表现出复杂的储层特征和气水关系，气、水层识别难度大。为了准确评价气藏特征，打开勘探新局面，有必要开展针对性的气、水层识别方法研究。

前人提出的视地层水电阻率谱法、弹性参数法、曲线重叠法、数理统计法及核磁共振T1—T2连续谱法等多种方法，在判别孔隙度相对较高的碳酸盐岩储层流体类型中效果较好[4-14]。然而，这些方法在九龙山地区中二叠统的应用效果差，根本原因在于中二叠统储层为一套低孔裂缝性储层[15-16]，平均孔隙度小于2 %，同时发育大量非均匀岩石构造，电阻率变化剧烈、三孔隙度曲线基本不反映流体信息，气、水层识别难度远高于以孔隙或孔洞为主的储层。为此，笔者从裂缝及储层类型的识别入手，采用一种新方法来降低裂缝对电阻率的影响，以期提高气、水层识别的准确率。

1 非相关性裂缝识别方法

九龙山地区中二叠统气、水层识别的关键在于正确识别天然裂缝，而各种非均匀岩石构造、诱导压裂缝和应力释放缝成为天然裂缝识别的最大障碍。中二叠统发育多种非均匀岩石构造，其中以薄层状构造、眼球状构造和石灰岩团块构造为主。这些沉积构造的常规测井响应特征尽管都表现为电阻率降低、声波时差增高、密度呈锯齿状起伏、中子孔隙度略有增大等特点，与天然裂缝性储层的测井响应特征虽有一定的相似性，但曲线间的相关性相对较好，即三孔隙度曲线之间以及深、浅探测电阻率曲线之间的相对变化趋势基本保持一致，如图1所示。此外，该区地层压力系数很高，介于2.0～2.2，属于超压地层，在钻井中使用的钻井液密度大，造成井壁频繁出现诱导压裂缝，与应力释放裂缝、非均匀岩石构造、泥质条纹和天然裂缝交织，给成像测井识别天然裂缝也带来巨大挑战。为此，提出了利用常规测井曲线的非相关性特征识别裂缝及储层类型的方法。

天然裂缝在地层中的发育具有较强的非均质性，在纵向、径向、水平方位上的宽度、密度、弯曲度常有很大的变化，导致探测深度、纵向分辨率、探测方位和探测机理各不相同的测井曲线呈现不一致的变化趋势，即非相关性变化。通过分析各测井曲线自身特征及相互间的变化趋势即可准确识别裂缝并判断储层类型。研究区测井曲线间的非相关性具体表现在以下两个方面。

1.1 天然裂缝导致三孔隙度曲线间的非相关性

1.1.1 声波时差

理论与实验研究均表明，对于高角度裂缝，无论其发育程度如何，声波时差均无增高趋势，其值基本为岩石骨架时差。当裂缝发育程度相同时，随着裂缝倾角的减小，声波时差逐渐增大；对于低角度裂缝或水平裂缝，声波时差将显著增高，甚至发生跳波。

1.1.2 中子孔隙度

中子孔隙度大小取决于地层中的含氢指数，包括岩石空隙中所含流体的含氢指数、黏土矿物结晶水、束缚水，岩石骨架的等效含氢指数等。由于裂缝的孔隙度很小，一般都低于1 %，因此裂缝对中子含氢指数的贡献远小于地层其他介质的贡献，特别当裂缝含气时，其含氢指数对应的中子孔隙度几乎可忽略不计。

1.1.3 密度

密度测井仪是极板推靠型仪器，对于均匀、各向同性地层，密度测井孔隙度等于地层总孔隙度；对于非均质性较强的裂缝性地层，密度测井值的大小易受极板与裂缝的相对位置影响而呈现锯齿状或尖刺状起伏，导致密度孔隙度可能高于或低于地层总孔隙度。

由此可见，裂缝导致密度和声波时差的变化趋势与中子孔隙度呈现明显的不一致甚至相反的变化趋势，即非相关性变化，其相对变化特征与裂缝产状密切相关；非均匀岩石构造的三孔隙度曲线尽管表现出一定起伏特征，但相对变化趋势却保持较好的一致性，即相关性好。

1.2 天然裂缝导致深、浅探测电阻率之间的非相关性

天然裂缝的产状、张开度和充填程度的变化常常导致深、浅探测电阻率的高低和差异性质出现非相关性变化。高角度裂缝常导致深、浅探测电阻率呈现大幅正差异特征，且差异幅度与流体性质无关，而是随裂缝产状变化而变化。如图2所示，LT-1井5 885～5 889 m双侧向电阻率呈大幅正差异剧烈起伏，同时声波与密度曲线呈锯齿状起伏与中子孔隙度曲线呈明显的非相关性，表明该段高角度裂缝非常发育并得到成像测井的证实。诱导压裂缝也常导致深、浅探测电阻率呈大幅正差异特征，但因其径向延伸浅，且产状、宽度基本保持稳定，使深、浅探测电阻率差异幅度变化极小，呈近于稳定、平行的“双轨”特征，如图2下部5 902～5 905 m井段所示。

低角度裂缝的深、浅探测电阻率曲线呈尖刺状降低，基本重合或小幅负差异，两者变化趋势一致，具有较好的相关性，但密度和声波时差曲线与中子孔隙度曲线仍然表现出明显的非相关性，即密度降低、声波时差增大，而中子孔隙度无明显变化（图3）。

基于上述裂缝识别方法及薄片鉴定和岩心观察，确定了九龙山中二叠统茅口组和栖霞组储层类型均以缝洞型为主，其次为孔洞型和裂缝型，并总结了各类储层和非均匀岩石构造的常规测井曲线非相关性特征及模式（图4）。基于该特征模式，可有效地识别储层类型，为气、水层的识别创造了条件。

2 气、水层识别方法

中二叠统裂缝性储层的气、水层识别面临两大难题：①储层孔隙度极低，且所含天然气为干气，中子孔隙度变化极小，三孔隙度曲线重叠法已不再适用；②裂缝对测量电阻率影响极大，且随着裂缝产状、张开度、充填度和充填物质的不同而产生剧烈变化，同时钻井液对裂缝的侵入较深，特别对气层中的低角度裂缝侵入深度会更大，常超过测井的径向探测深度，使气层电阻率进一步下降。由图5-a所示，8口测试井中有6口井产气（红色点）、2口井产水（蓝色点），测试气层段电阻率最小值小于20 Ω·m，而水层段电阻率最大值超过1 000 Ω·m，两者电阻率重叠，无显著界线。这是裂缝性碳酸盐岩储层普遍存在的问题，也因此而导致部分学者认为电阻率法已完全不适用于裂缝性碳酸盐岩储层的流体类型判别。然而，在仅有常规测井资料的条件下，电阻率信息是唯一能够用于流体类型判别的资料。

通过对测试井段电阻率特征的深入分析，认为导致气、水层电阻率重叠的根本原因是测试井段既包含了裂缝发育段，也包含了致密层和非均匀岩石构造层，导致电阻率变化范围较大。利用前述非相关性分析法排除非均匀岩石构造和致密层，得到如图5-b所示交会图。从图5-b中可以看出，绝大部分气、水层交会点已明显分离，但仍有部分重叠，必须对电阻率曲线作进一步处理。

由于地层电阻率受岩石构造、空隙空间结构和流体类型及饱和度等多种因素的综合影响，要完全消除某一种影响因素几乎是不可能的。但通常认为，裂缝性储层局部电阻率的降低受裂缝的影响最显著，而宏观电阻率（背景电阻率）则主要受基质岩块所含流体类型的影响。基于此，采用高斯滤波公式对深侧向电阻率进行滤波处理，既可消除低角度裂缝造成的低电阻率异常，又能减小高阻致密层和非均匀岩石构造的影响，突出反映基质岩块流体性质的宏观电阻率。高斯滤波公式为：

式中x、G分别表示原始电阻率和滤波电阻率，Ω·m；μ表示均值；σ表示方差。

高斯滤波在信号和图像处理中被广泛应用，其实质上是对信号进行平滑处理，消除噪声。滤波电阻率为该点原始电阻率和滤波窗长内相邻点的加权平均值。图6展示了不同滤波窗长滤波后电阻率曲线对比，随着滤波窗长的增大，滤波曲线变得更加平滑，对电阻率尖刺状降低点的过滤效果明显，而电阻率整体平均值的变化较小。本次采用4 m窗长对研究区原始电阻率曲线进行滤波，得到图5-c所示交会图。由图5-c可见，虽然气、水层交会点已明显分离，但电阻率界线并非定值，原因在于不同储层类型的气、水层电阻率变化范围是存在差异的。

基于前述储层类型的识别方法，将图5-c中的交会点按储层类型进行区分，得到如图7所示交会图版。图7中电阻率随孔隙度变化的直线斜率反映的是空隙空间结构指数，即阿尔奇公式中的m值。实践表明，取Sw=50%时，不同m值的变化范围可区分不同的储层类型。裂缝型储层m值最低，通常介于1.2～1.6；缝洞型储层的m值变化范围较大，通常介于1.6～2.2之间；孔洞型储层m值通常大于2.2，且孔洞连通性越差，m值越高[17-20]。根据图7中交会点的分布可以确定裂缝型气层电阻率下限为100 Ω·m；缝洞型气层电阻率下限为200 Ω·m，缝洞型水层电阻率上限为160 Ω·m； 孔洞型气层电阻率下限为300 Ω·m，孔洞型水层电阻率上限为200 Ω·m。值得注意的是，图7-c中蓝色交会点虽然为孔洞型储层，但分布在m=2.2、Sw=50%线的左侧，其原因在于水层的含水饱和度大于50%。图7中不同类型储层的气、水层电阻率界限并非定值，从裂缝型到缝洞型、孔洞型，气层电阻率下限由100 Ω·m逐渐增大至300 Ω·m；水层的电阻率上限也由缝洞型储层的160 Ω·m增大至孔洞型储层的200 Ω·m。将不同类型储层的气、水层交会点绘制在同一交会图中便得到如图8-a所示的气、水层判别图版，并可确定两条向右上倾斜的直线，分别为气层电阻率下限和水层电阻率上限。从水层电阻率上限的变化趋势可确定裂缝型水层电阻率上限为80 Ω·m。利用该图版对L004-3井茅口、栖霞组储层的流体性质进行了判别，交会点全部在水层区，判别为水层（图8-b）。该井栖霞和茅口组合试日产水432 m3，仅含微气，验证了该图版对裂缝性储层气、水判别的有效性。

3 结束语

1）电阻率曲线是常规测井资料中能够对裂缝性储层进行气、水判别的最重要信息，但在应用时须首先准确识别裂缝及储层类型，并通过选择合适的滤波窗长对电阻率曲线进行高斯滤波处理，降低裂缝对电阻率的影响，并根据储层类型分别确定气、水层的电阻率界限值。

2）所建立的高斯滤波电阻率—孔隙度交会图版不仅提高了九龙山中二叠统茅口、栖霞组气、水层判别的准确性，同时该方法也可应用于其他地区裂缝性储层的流体类型判别。