川东北地区钙屑砂岩储层裂缝识别及有效性评价

2022-05-16袛淑华张荣新葸春平贺彤彤

复杂油气藏 2022年1期

袛淑华，袁龙，张荣新，葸春平，曹原，贺彤彤

（1.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院，陕西西安 710021；2.中国石油集团测井有限公司长庆分公司，陕西西安 710021；3.中国石油长庆油田第九采油厂，宁夏银川 750000）

近几年，我国致密砂岩储层油气产能建设的规模已达总产量的70%以上，成为我国油气田开发研究和建设的主战场，也是目前测井解释评价的主要对象之一［1-3］。然而，致密砂岩储层的岩石类型复杂多样且裂缝发育，影响储层测井参数计算的因素也十分复杂，造成储层有效性综合评价研究面临新的困难。

上世纪九十年代以前研究人员主要是利用侧向电阻率测井资料开展相关裂缝识别的工作［4-7］。随着测井新技术的出现和应用，采用电成像、阵列声波等测井新技术进行裂缝识别成为研究的重点。根据大量文献分析总结，川东北地区钙屑砂岩储层岩性、孔隙结构特征与其他地区的致密储层存在很大的差异性。

本文利用常规和成像测井等资料，建立了三孔隙度指数法、电阻率时频分析法等多种方法来有效识别储层裂缝。同时，基于沉积微相、储层岩性分类，采用孔隙度、泥质含量、裂缝参数等多参数融合的储层有效性评价方法和标准，在油田的现场应用中取得了良好效果。

1 储层特征

1.1 岩性特征

根据川东北地区上三叠统须家河组须三段储层岩心和录井等资料分析，岩性主要以钙屑砂岩为主，其次为钙屑砂砾岩、岩屑砂岩及少量石英砂砾岩。钙屑砂岩的岩石成分以石英为主，长石、岩屑次之；与岩屑砂岩最大的差异是前者的岩屑成分以碳酸盐岩为主且岩屑含量一般大于50%，钙质胶结物占25%，一般岩性较细，以细粒—粉粒为主，岩石碎屑颗粒多为次棱角状，分选为中等—较好，岩性较致密，常被误划为非储集岩类。

1.2 物性特征

根据薄片分析，须三段致密气藏的储集空间以粒间溶孔和粒内溶孔为主，储层孔隙度一般小于8%，岩心渗透率-孔隙度的相关性复杂（图1），明显存在两种孔隙结构类型，以基质孔隙发育为主的钙屑砂岩样本点（蓝色），随孔隙度增大渗透率略有增加，但渗透率一般小于0.01×10-3µm2；而占有相当比重的孔隙度较低且以裂缝发育为主的样品（黄色），由于微裂缝和裂缝发育具有较高的渗透率，最高可达650×10-3µm2，裂缝发育对改善储层的储集性和渗流性起到非常重要的作用。

图1 须三段孔隙度与渗透率关系

1.3 裂缝特征

川东北地区须三段的钙屑砂岩气藏为准层状“连续型”气藏，而裂缝的发育程度对于改善储集性能相对显著［8］。钙屑砂岩和钙屑砂砾岩储层部分井段发育有低角度裂缝和斜交缝，高角度裂缝较少，岩屑砂岩孔隙较发育，裂缝一般不发育。

根据成像测井资料分析观察，川东北地区须家河组的钙屑砂岩储层主要发育低角度裂缝和微裂缝，高角度裂缝较少。主要有以下几种情况:①以构造作用为主的低角度缝，其裂缝面有明显溶蚀侵入且连续性较好的特征，促使有效储层的形成和改造，对致密油气藏的储渗具有重要意义（图2a）；②微裂缝的张开度小，其空间多被泥质所充填，导致连续性及连通性相对较差，这类裂缝在钙屑砂岩储层中较为发育，测井电阻率值相对低（图2b）；③高角度缝的张开度大，易被砂砾所充填，有效性较差，裂缝面具有明显的溶蚀侵入特征且具有相对不规则的裂缝轨迹（图2c）。

图2 研究区须三段裂缝特征成像

2 裂缝识别方法

川东北地区钙屑砂岩储层往往具有岩性复杂、储集空间复杂、储层非均质性强等特征，大部分致密砂岩储层都需要经过压裂酸化改造才能获得产能。储层裂缝识别已成为致密砂岩气藏勘探开发过程中需要解决的关键问题之一，也是致密砂岩储层评价的重要内容之一［9-12］。

测井资料综合分析认为，川东北地区须三段钙屑砂岩仅依靠常规测井识别裂缝存在困难，其原因主要表现在以下几方面:①钙屑砂岩仅发育一些低角度裂缝，并且裂缝张开度、裂缝密度、裂缝孔隙度和裂缝径向延伸深度均较小，在常规曲线上难以直观而有规律地反映出来；②常规测井曲线受到地层流体性质的影响，导致利用深、浅双侧向差异特征来判别裂缝产状也存在一定的困难；③常规测井曲线还会受到非地层因素的影响，如井径扩大也会造成深、浅双侧向出现大幅度差异。因此，本文采用三孔隙度指数、成像测井及时频分析等多方法进行储层裂缝精细识别研究。

2.1 三孔隙度指数法

Roberto 等［13］在双孔隙度模型研究的基础上，研究了三孔隙度模型中的孔隙度指数计算模型。在三孔隙度模型组成结构中，岩石模型的孔隙空间主要由相互连通的缝洞孔隙体积V2、非连通的缝洞体积Vnc及总孔隙除去前两者后的骨架孔隙空间Vp这三部分构成，如图3所示。

图3 三孔隙度模型

对有缝洞发育的地层，利用阿尔奇定律和地层中导电等效电阻的串、并联关系，可得到各孔隙度与地层的胶结指数间的关系:

式中，M为组合系统的胶结指数，无因次；Mb为基质孔隙部分的胶结指数，约定为2；ϕ2为连通缝洞的孔隙度，小数；ϕnc为不连通缝洞的孔隙度，小数；ϕb是不考虑次生孔隙（溶洞、裂缝等）时的岩石骨架体系中的基质孔隙空间与岩石骨架系统体积之比，小数。

川东北地区须三段钙屑砂岩的孔隙结构复杂，发育大量粒间溶孔、粒内溶孔和微裂缝。由于这类储层结构致密，而孔喉形状多不规则，以孔隙缩小型喉道、片状喉道相连。当岩石中存在连通的裂缝和孔隙时，导致电阻率测井值降低，M值减小；孔隙度小，裂缝不发育段，M值较高（如图4）。即裂缝越发育，ϕ2越高，M值越低；反之，非储层段ϕ2低，M值高。

图4 孔隙度与胶结指数关系

图5 是应用三孔隙度模型和M值的变化规律，对DB10 井采用三孔隙度模型法求取M值。图中第六道的红线为M=2，可以看到当连通孔隙、裂缝发育较好时，M值小于2，指示渗透性较好，为有效储层。利用FMI 成像测井资料处理的成像图来证明三孔隙度模型法识别裂缝发育段的可靠性，如井段4 144～4 146 m、4 155～4 157 m，FMI 上显示裂缝发育，在岩心照片4 145.3 m、4 156.2 m 上显示明显的斜交缝发育，与之对应的M值也小于2，说明三孔隙度模型求解的M值分布范围可以有效识别裂缝，并以此来确定储层裂缝发育段。

图5 DB10井须三段三孔隙度模型处理成果

2.2 成像测井识别法

通过对成像测井资料进行研究分析，能够准确地识别储层裂缝，并确定裂缝密度、产状和充填等情况。

张开缝:在直井中，高角度裂缝在FMI 图像上表现为暗色的正弦形态，角度越高，正弦幅度越大（图6a）；低角度缝在FMI 图像上表现为幅度相对较低的暗色正弦曲线形态，裂缝倾角越小，正弦曲线幅度越低；一般认为当小于10 度时裂缝就是水平缝，成像图上表现为近似水平的暗色条状（图6b、图6c）。

网状微裂缝:网状微裂缝在FMI 图像上表现为轨迹杂乱无章，不同角度的大、中、小及微级别裂缝相互切割、交叉（图6d）。

图6 成像测井裂缝识别

2.3 时频分析法

通过大量的电阻率与电成像资料对比分析，储层中裂缝发育的信息一般被深浅电阻率曲线的微差波形形态所隐含着。微差波形信号可以通过对短时傅里叶变换频谱特征进行研究，再将其信号转为在时间频率域平面上的频谱能量，最终根据在时频上电阻率值的变化特征来研究裂缝发育的幅度差异。

考虑电阻率值的差异性和幅值成正比例的关系，可通过幅值来直接反映变化的电阻率值。在时频分析电阻率曲线的时候，使得电阻率的变化信息得以突显出来，更好地在时间-频率域中对电阻率能量变化进行反映，从而能够在均质和发育裂缝地层中认识电流传播不同的响应特征，有效地进行裂缝识别。

考虑到选取窗函数的综合分辨能力，结合实际研究区的资料，最终选取汉明窗函数的两个长短窗长分别为25 和251 个采样点（如图7）。结合本区资料分析发现:当为25 个采样点的窗长时，裂缝发育段的幅值一般要高于300 dB；而小于该值时，那么裂缝一般就不发育；当为251个采样点的窗长时，裂缝发育段的幅值一般要高于100 dB。

图7 DB12井时频分布

对DB101 井电阻率曲线做短时傅立叶变换后进行裂缝研究及处理。图8中采用时频分析图版中较高幅度的能量信号，随着电阻率曲线变化有效地反映裂缝的发育程度。在时频分析中，当窗函数为小时窗时，分析得出4 380～4 392 m、4 402～4 406 m为裂缝发育段；而当窗函数为大时窗时，4 382～4 392 m、4 396～4 400 m为裂缝发育段。由于小时窗具有较低的分辨率频率和较高的时间分辨率，而在4 396～4 400 m 层段具有较低的幅值，裂缝的发育状况不能更好地反映出来；相反，大时窗具有较高的分辨率频率和较低的时间分辨率，而在4 396～4 400 m层段幅值较高，指示出了裂缝的发育状况，对应的岩心照片、FMI 成像测井图表现为斜交缝和微裂缝发育。

图8 DB101井4 380～4 406 m常规曲线与时频分析综合解释

结合试油资料表明4 380～4 406 m 解释层段产气72.2×104m3/d，证明短时傅立叶变换后的时频分析结果与试油资料相符。与常规方法相比，采用短时傅立叶变换频谱特征对储层裂缝的识别方法得到扩展，同时也提高识别精度。

3 裂缝有效性评价

3.1 裂缝产状

结合测试资料，发现低角度裂缝、斜交缝发育的井试气产量较高，高角度裂缝发育的井试气量较低（图9），与川东北地区内收集到的岩心照片和薄片等现场资料得到的结论相一致。因此，当储层段发育低角度裂缝、斜交缝时要比发育高角度裂缝的储层更为有效且产量高，其原因是沿着低角度裂缝、斜交缝发育溶蚀孔洞而构成良好的储层。

图9 试气段裂缝发育统计

3.2 裂缝密度

从成像测井图上统计试气层段的有效裂缝密度参数，建立裂缝密度与试气量的关系，排除了干扰因素（如DB10 井试气段受断层的影响），得出随着裂缝密度的增大，试气量增大。

3.3 裂缝张开度

裂缝张开度决定了裂缝规模，是裂缝定量评价的重要参数。在现有资料情况下，根据探测深度较大的深、浅双侧向电阻率测井数据做一些近似估计，本次研究采用sibbit 公式（Schlumberger，1985）得到钙屑砂岩储层的裂缝张开度与产气量作相关性分析，随着裂缝张开度增大，钙屑砂岩储层的产气量也随之增大。

3.4 裂缝孔隙度

利用收集到的微电阻率成像测井资料来处理出裂缝孔隙度，并与储层产气量作相关性分析，得到储层产气量与裂缝孔隙度呈指数相关。钙屑砂岩储层的产气量随着裂缝孔隙度的增大而相应增高，反映出裂缝孔隙度可作为对裂缝有效性进行评价的有效参数之一。

4 储层有效性综合评价

根据测试产能资料将储层划分为三个级别，按四种岩性分别对储层的电性特征、解释参数特征、裂缝、储层纵横向分布和沉积相环境进行有效性评价（表1）。

表1 川东北地区须三段储层综合分类评价

通过整体上分析，川东北地区须三段钙屑砂岩、石英砂砾岩、钙屑砂砾岩及岩屑砂岩储层常规测井及参数特征与一般致密砂岩储层的规律不同。研究区内须三段储层的钙屑、含砾等成分含量越高（DEN、RT值增大）、岩性越致密（GR、AC、CNL值减小），物性较差（DEN值高），反而易产生微裂缝，从而大大改善了物性特征，形成高产气层。从裂缝有效性来说，随着裂缝张开度和裂缝孔隙度的增大，产气量有增大的趋势；从储层纵横向分布规律来说，横向上西北部储层最发育、其次为东南部，最后为中部，纵向上须三段储层较发育，其中，西北部须三下亚段储层最为发育；从沉积相来说，辫状河道沉积相为储层发育有利相带，其次为水下分流河道。