常规测井技术识别火山岩裂缝方法研究——以松南火山岩为例

刘双莲

(中国石化石油工程技术研究院,北京 102206)

0 引言

有关裂缝的识别方法已有许多,通常采用岩心标定成像测井及成像测井标定常规测井的方法来识别裂缝。但当裂缝中存在流体时,流体对裂缝的测井响应特征有何影响,却少见相关的研究报道。而火山岩裂缝具有产状各异、分布不均等特点,对测井响应特征的识别具有多干扰性,且含气与裂缝因素叠加以后,储层的含气测井响应与裂缝测井响应难以区分[1],这个难题长期困扰测井专业。

野外露头、岩心观察以及成像测井均显示,松南火山岩中的构造裂缝较发育,裂缝具有延伸远、切割较深、具明显的延伸方向及多组系特点。在近火山口相的火山角砾岩和角砾熔岩中裂缝呈多方向性,在其他相带的火山岩主要发育近EW向和近NS向2组裂缝,NS向裂缝延伸较长,EW向裂缝则较短。从成像测井资料分析,松南火山岩发育多种类型的裂缝,有高导缝与高阻缝。根据裂缝的产状,将高导缝(可能的开启缝)又分为高角度缝(裂缝倾角大于75°)和中低角度缝(裂缝倾角小于75°)。

当流体与裂缝共存时,测井信号的相互叠加或消弱,影响裂缝的识别,这是当前需要攻克的难题。该文从常规测井原理出发,分类研究含气与不同裂缝类型(高角度裂缝和中低角度裂缝)条件下的双侧向电阻率、补偿密度、补偿中子、声波时差及自然伽马能谱等测井曲线的响应特征,发现双侧向电阻率测井、声波时差及补偿密度对高、低角度缝比较敏感,且高、低角度缝的双侧向电阻率、声波时差及补偿密度响应差异明显；根据响应差异,形成了对不同裂缝类型含气与不含气2种情况下的测井曲线组合识别法,实现了裂缝与含气信号的识别。

1 裂缝的常规测井响应特征

常规测井曲线记录了地层的各种信息,包括流体、孔隙结构及岩性等信息。结合岩心与成像分析,利用测井原理[2-5],分析各测井曲线对裂缝的响应,以确定识别裂缝的敏感测井曲线。

1.1 裂缝在双侧向测井曲线上的响应特征

双侧向电阻率测井是利用电流聚焦方式对与电极系距离不同的地层进行测量的方法[6-8]。其中,深侧向电阻率径向探测深度最大,测量的基本是地层的“真实”电阻率；浅侧向电阻率径向探测深度浅,测量的是侵入带的电阻率。裂缝产状与双侧向电阻率曲线差异形态的对应关系如图1所示。

图1 裂缝产状与双侧向电阻率曲线差异形态的对应关系图Fig.1 Corresponding relationship between fracture occurrence and curves differential form of dual lateral resistivity

图1表明,当裂缝角度高于75°时,双侧向电阻率为“正差异”,即浅侧向电阻率值大于深侧向电阻率值；当裂缝角度低于75°时,双侧向电阻率为“负差异”,即深侧向电阻率值大于浅侧向电阻率值；当无裂缝时,深、浅双侧向曲线基本重合。

深侧向和浅侧向电阻率指示裂缝发育的敏感性不同,是由其测井原理决定的[9-10]。因为岩石的导电性由裂缝与基质孔隙等导电物质并联而成,当裂缝中侵入泥浆时,泥浆电阻率值一般比基岩的背景电阻率值低,所以在裂缝发育段,深浅侧向电阻率值将低于围岩。当存在高角度裂缝时,靠近井壁的裂缝形成了浅侧向的电流通路,因此浅侧向电阻率低于深侧向电阻率,即双侧向电阻率为“正差异”；当存在低角度裂缝时,裂缝对电流的聚焦作用加强,根据侧向测井原理,深侧向的探测深度远,受泥浆侵入的影响较浅侧向更大,导致深侧向电阻率比浅侧向电阻率低,呈现为 “负差异”现象。

1.2 裂缝在声波测井曲线上的响应特征

根据声波测井原理[3],在裂缝发育部位,对于高角度裂缝,声波按最短时间传播声程的原则将绕过裂缝或溶洞,因此,它对单个高角度裂缝的反应不灵敏。

图2是S1井5 705.5～5 708.5 m段有一组高角度缝发育特征,声波时差值没有明显的变化(图2a中红色标注位置是图2b的深度范围。成像图中颜色的深浅代表电阻率高低,暗色代表电阻率低,亮色代表电阻率高。正弦曲线表示为高角度缝,缝中暗色表示被泥浆充填)。声波在斜交缝、水平缝或网状缝中传播时,其能量耗损较大,声波时差会变大或呈现周波跳跃现象[11],曲线显示为小的锯齿状。

图2 S1井高角度缝测井响应特征Fig.2 Response characteristics of high angle fracture logging in well S1

图3是S2井5 519.0～5 520.0 m低角度缝发育段测井响应特征(图3a中蓝色标注位置是图3b的深度范围。图3b成像图中颜色的深浅代表电阻率高低,暗色代表电阻率低,亮色代表电阻率高。正弦曲线表示为低角度缝,缝中暗色表示被泥浆充填)。成像测井图表现为规则单一暗色条带模式,声波时差值明显增高。

1.3 裂缝在放射性测井曲线上的响应特征

通常裂缝中的流体密度小于储层骨架密度,所以在裂缝外,补偿密度值与中子伽马值低,补偿中子值高,自然伽马曲线幅度变化不大。另外,地下水中铀等放射元素在裂缝处易析出沉淀,自然伽马能谱测井中的铀和钍含量值在裂缝处较高[12-15]。

由以上分析可知,当裂缝存在时,对电阻率、声波时差、补偿密度与补偿中子的响应较敏感,且高角度缝与低角度缝的测井响应特征受测井原理影响而存在不同。图2表明,当存在高角度裂缝时,深浅电阻率值有明显降低,且正差异明显；井径无变化,密度值降低且齿化,中子值没有明显的变化；自然伽马没有增大的现象,表现平直。图3表明,当存在低角度裂缝时,深浅电阻率值有明显降低,且有些微负差异；井径无变化,补偿密度值与补偿中子值均略有降低。当流体存在于裂缝中时,流体性质将干扰裂缝的测井响应特征,流体的测井响应与裂缝的测井响应叠加或消弱,更增加了利用常规测井响应特征识别裂缝与流体的难度。现以裂缝中气体发育为例,分析气层裂缝发育时的测井识别方法。

图3 S2井段低角度缝测井响应特征Fig.3 Response characteristics of low angle fracture logging in well S2

2 气层与裂缝组合的常规测井响应特征

由前面分析可知,开启裂缝又分为高角度缝与低角度缝,因此该文考虑2种裂缝模式下气层与裂缝的识别方法。

2.1 气层裂缝发育段识别特征

2.1.1 气层与高角度裂缝发育段的识别特征

图4是YS1井气层高角度缝测井分析图(井壁成像测井图中颜色的深浅代表电阻率高低,暗色代表电阻率低,亮色代表电阻率高)。从FMI上可以看出,裂缝在3 564.0～3 580.0 m处比较发育,该段为气层,裂缝类型以高角度(近乎垂直的)的诱导缝为主,共发育4条高角度的高导缝(3 565.0 m,3 572.5 m,3 575.0 m和3 576.0 m)、1条低角度的高导缝(3563.0 m)及应力释放(成岩收缩)的微裂缝。

对应4条高角度裂缝深度处,从常规测井曲线可见,由于受含气性叠加影响,双侧向电阻率曲线值表现出略有降低,曲线呈“双轨”现象。深侧向电阻率测井值大于浅侧向测井值,表现为“正差异”特征。该现象表明,双侧向电阻率的响应特征既受到裂缝类型的影响,也受到储层空间内气体的影响。当裂缝或其他储集空间里有残余气存在并达到一定规模时,由于深浅侧向电阻率的探测深度不同,会出现深侧向电阻率大于浅侧向电阻率的情况。与上下裂缝不发育的层段相比,补偿密度测井曲线值略有降低,补偿中子与声波时差测井曲线值均略有增大,测井曲线的特征表明高角度裂缝存在。

该案例表明,当裂缝中充满气体时,气体的响应特征与裂缝的响应特征有相互累加与消减的作用,该作用的强弱与哪方面占优势有很大的关系。当裂缝特征明显大过气体的测井响应特征时,气体的响应特征显现则相对较弱,反之亦然。该案例中气体的响应特征消弱了裂缝对双侧向电阻率的影响,但补偿密度、补偿中子与声波时差的曲线特征佐证了高角度裂缝的存在。

2.1.2 气层与低角度裂缝发育段的识别特征

图5是YS1井气层中低角度缝测井分析图(井壁成像测井图中颜色的深浅代表电阻率高低,暗色代表电阻率低,亮色代表电阻率高)。从FMI上可以看出,裂缝在3 586～3 592 m处比较发育,该段为气层。其中,裂缝类型以中低角度的高导缝为主,偶有1条高角度的高导缝。在常规测井曲线的相应深度段上,补偿密度测井曲线值明显降低,补偿中子和声波时差值明显升高,这与该段发育低角度缝有直接关系。

图5 YS1井气层中低角度缝测井分析图Fig.5 Log analysis of low angle fracture in gas reservoir of well YS1

该气层与其上下气层的双侧向电阻率比较发现,其双侧向电阻率曲线值明显降低,且表现为“正差异”特征,三孔隙度曲线的增加幅度明显增大,也是该深度段中低角度缝发育的一个佐证。

该案例表明,当裂缝中充满气体时,气体对补偿密度与声波时差的测井响应特征与裂缝的响应特征有相互累加的作用,而对中子与电阻率有消减的作用。总体而言,该案例中气体的响应特征消弱了裂缝对双侧向电阻率的影响,但密度与声波的特征佐证了低角度裂缝的存在。

2.2 非气层裂缝发育段的识别特征

2.2.1 非气层高角度裂缝发育段的识别特征

图6是YS101井非气层高角度缝测井分析图(井壁成像测井图中颜色的深浅代表电阻率高低,暗色代表电阻率低,亮色代表电阻率高)。从FMI上可看出,在3 637～3 645 m处的裂缝主要发育高角度的高导缝和诱导缝,有少量低角度的高导缝和应力释放(成岩收缩)的微裂缝。在常规测井曲线的相应深度段上,双侧向电阻率测井值明显降低,并具有明显的“正差异”现象。补偿密度测井曲线值略有降低,补偿中子测井曲线值略有升高,声波时差曲线基本上无变化。由于该深度段是致密层,双侧向电阻率曲线的正差异及电阻率值的降低是高角度缝所致。

图6 YS101井非气层高角度缝测井分析图Fig.6 Log analysis of high angle fracture in non gas reservoir of well YS101

2.2.2 非气层低角度裂缝发育段的识别特征

图7是YS101井非气层中低角度缝测井分析图(井壁成像测井图中颜色的深浅代表电阻率高低,暗色代表电阻率低,亮色代表电阻率高)。从FMI上可看出,在3 815～3 825 m处发育以中低角度高导缝为主的裂缝。在相应深度的常规测井曲线上,双侧向电阻率曲线无差异且曲线测值增加。从FMI成像可以看出,该段岩性致密,是导致电阻率测值增加的主要因素。

图7 YS101井非气层中低角度缝测井分析图Fig.7 Log analysis of medium and low angle fractures in non gas reservoir of well YS101

3 结论

利用常规测井各曲线响应特征,可有效地识别裂缝类型。

1)当裂缝角度高于75°时,双侧向电阻率曲线为“正差异”,反之为“负差异”。声波时差曲线对高角度裂缝不敏感；对低角度裂缝,声波时差曲线值会变大或发生跳跃现象。在裂缝发育层段,补偿密度值通常低于骨架密度,补偿中子显示为高值。

2)当裂缝中存在气体,常规测井中的双侧向电阻率曲线“正差异”明显,深浅侧向曲线间如同“双轨”,补偿密度值变低,补偿中子与声波时差值变大。

3)当裂缝中不含气体且为低角度裂缝时,双侧向电阻率曲线在低角度裂缝处基本重合,补偿密度、补偿中子与声波时差无明显异常显示；裂缝为高角度缝时,双侧向电阻率曲线正差异明显,在裂缝边界处具收敛性,补偿密度曲线呈齿化状,曲线值略有降低,补偿中子与声波时差曲线无明显异常显示。