致密砂岩裂缝填充识别及其测井响应特征——以鄂尔多斯盆地镇泾油田延长组为例

苏可嘉， 秦臻，2，3*， 邓呈祥， 刘文辉， 刘亮， 张晓峰

(1.东华理工大学地球物理与测控技术学院， 南昌 330013； 2. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)， 成都 610059； 3. 中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室， 武汉 430074； 4. 华北水利水电大学地球科学与工程学院， 郑州 450046； 5. 山西工程技术学院地质与环境工程系， 阳泉 045000)

裂缝是致密砂岩储层油气的储集空间和主要渗流通道[1]，其内部结构分布复杂，开发难度较大，因此准确描述、评价致密砂岩储层裂缝对油田勘探和开发规划有着十分重要的意义[2-5]。测井技术是评价致密砂岩储层裂缝分布特征的常用手段[6-7]，综合多种测井资料分析并识别裂缝填充程度，是提高致密砂岩裂缝的评价效果的关键[8]。

近年来，随着对非常规油气田勘探开发力度的加大，鄂尔多斯盆地镇泾油田延长组致密砂岩储层是开发重点，致密砂岩裂缝储层控制着油气的渗流规律和产能，填充情况是裂缝形态的重要参数，精细评价和识别裂缝填充程度可为致密砂岩储层油气开发和井网部署的提供信息。中外众多学者对裂缝的评价和识别开展了大量的研究工作，根据裂缝的地质成因采用野外观察、岩心观察资料评价裂缝的填充样式[9-10]，利用测井资料评价裂缝的填充特征[11]，利用核磁共振测井资料分析不同孔隙范围来评价裂缝的有效性[12-15]，利用成像测井和电镜薄片资料，评价裂缝的微观结构。地质资料、地球物理资料和生产资料的结合，使得裂缝的评价和识别向精细化发展。然而取心资料有限，成像测井费用较高，电镜薄片应用范围有限，利用常规测井资料的响应差异评价和识别裂缝将有更广泛的应用。常规测井资料可以对裂缝的产状、宽度等特征进行判别，但对有矿物填充裂缝和无矿物填充裂缝的测井响应研究程度较低(有矿物填充裂缝简称为有填充裂缝，无矿物填充裂缝简称为未填充裂缝)，裂缝致密砂岩储层测井响应复杂，而裂缝填充程度进一步加剧了裂缝储层的测井响应复杂程度影响了裂缝致密砂岩储层的测井响应特征[16]，模糊不清的测井响应特征严重制约了储层裂缝的评价精度，影响了勘探开发工作。

现以鄂尔多斯盆地镇泾油田延长组实际生产资料和地质资料为依据，结合岩心和成像测井资料，利用常规测井分析裂缝填充程度响应特征，对比有填充裂缝和未填充裂缝的测井响应差异，利用测井曲线变化幅度和变化率构建裂缝填充程度识别参数，为裂缝的评价提供新思路。

1 区域地质概况

镇泾油田位于鄂尔多斯盆地天环凹陷带南端，如图1所示。受盆地西南缘的逆冲推覆作用，构造形变相对较弱。盆地边缘断裂褶皱较发育，在构造上可划分为天环坳陷、伊陕斜坡、渭北隆起、晋西挠褶带、伊盟隆起和西缘逆冲带6个构造单元，内部构造相对简单，地层平缓。陆相致密油藏丰富，达到富集油气所需的基本地球化学标准。其中延长组油层构造变化相对平缓，为油气富集提供了良好的盖层[17]，是油气显示最为丰富的层位。研究区储层以细砂岩为主，少量粉砂岩和中砂岩；填充物主要由黏土膜、方解石、硅质等组成。储层的孔隙类型以薄膜孔隙式和孔隙式为主，是典型的低孔隙度、低渗透率砂岩储层。

图1 鄂尔多斯盆地镇泾油田构造及地层示意图Fig.1 Schematic diagram of structure and stratigraphy of Zhenjing oilfield， Ordos Basin

2 裂缝产状和填充特征

2.1 取心概况与成像测井特征

钻井取心可以直接观察裂缝的发育情况，分析的裂缝岩心样品25块，累计取心尺寸72 m，取心率高于93%。因为延长组长8段储层裂缝较为发育，在取心过程中受钻探的影响和应力的释放使得岩心从井下到地面发生破碎[18][图2(a)]。JH-5井岩心第一筒，井段1 169.67～1 169.80 m，灰色泥质粉砂岩上有一条方解石填充的垂直裂缝[图2(b)]。

成像测井是目前最有效的识别和评价裂缝的方法，利用成像资料识别裂缝时，能够直观地把地层岩性、裂缝等特征引起的电阻率差异在图像上以不同色标呈现，对裂缝的描述更为直观可靠[19]。由于成像测井采集信息量很大，方法比较耗时，花费较高，因此仅在少数重点井中实施。主要利用电阻率成像测井资料，以长8储层HH1057-3井为例，其中砂岩部分由碎屑、基质等组成图像显示为浅色，在2 231.5～2 233.5 m发育4条高角度天然裂缝[图3(a)]，其中2 231.5 m裂缝倾角为70.68°，2 231.75 m裂缝倾角为69.93°，2 232.62 m倾角77°，2 233.52 m倾角为81.73°；图像整体表现偏暗，电阻率低，物性好。以长6储层HH26井为例，在2 068.78～2 069.18 m处方解石全填充裂缝[图3(b)]，被高阻填充后电阻率会增大，图像整体偏亮，成像测井显示白色。

图2 研究区域取心概况Fig.2 Coring overview of the study area

2.2 裂缝产状特征

研究区域裂缝宽度和倾角频率分布情况如图4所示。岩心观测裂缝宽度为0.5 mm的裂缝56%，宽度为1 mm的裂缝21%，宽度小于0.5 mm的裂缝11%，宽度0.5～1 mm的裂缝1%，宽度大于1 mm的裂缝11%。延长组储层以垂直缝为主，其中59%的裂缝倾角大于75°，倾角在45°～75°的高角度裂缝20%，倾角在0°～15°的水平裂缝11%，倾角在15°～45°的斜裂缝10%。取心段裂缝特别发育，平均线密度为1.1条/m。该地区垂直裂缝和高角度裂缝较为发育，裂缝倾角、线密度整体较大。

2.3 裂缝填充特征

研究收集了延长组40口井的295条不同类型的裂缝。图5(a)所示为有填充裂缝(50%)、未填充裂缝(44%)统计图，另有6%裂缝岩心破碎无法识别。

从岩性上看，研究区砂岩最多(84%)，泥岩(14%)、页岩最少(2%)。其中砂岩中包括细砂岩(56%)、粉砂岩(19%)、中砂岩(9%)。

从是否有填充来看，细砂岩中未填充裂缝62条(41%)、有填充裂缝89条(59%)；粉砂岩中有填充裂缝32条(58%)、未填充裂缝23条(42%)；中砂岩中有填充裂缝1条(8%)、未填充裂缝12条(92%)；泥岩中有填充裂缝21条(51%)、未填充裂缝20条(49%)。

从填充矿物来看，方解石填充(85%)、泥质填充(8%)、碳屑填充(7%)。研究区域以方解石填充为主。

3 有未填充裂缝常规测井响应特征

由于钻井取心操作复杂，取心的长度有限，成像测井成本高、数据量有限，难以大规模应用。受岩心资料和成像测井资料的局限性，使用常规测井研究有未填充裂缝的测井响应特征具有重要意义。

图3 研究区域成像测井与取心岩样对比图Fig.3 Comparison of imaging logging and coring samples in the study area

图4 裂缝宽度和倾角分布直方图Fig.4 Histogram of fracture width and dip angle distribution

图5 裂缝有无填充和填充矿物统计图Fig.5 Fractures with unfilled and filled mineral statistics

3.1 岩性系列常规测井裂缝有无填充响应特征

岩性系列测井主要包括自然伽马测井(naturalgamma raylog，GR)、井径测井(Caliper，CAL)和自然电位测井(spontaneous potential，SP)(研究区未测量)。细砂岩具有一定渗透性，裂缝地层水中可能存在放射性的沉积物导致GR值增大，借此可以在一定程度上区分发育段裂缝。但研究区域有填充裂缝(自然伽马为47～144.7 API)和未填充裂缝(自然伽马为24.4～146.7 API)识别效果不明显[图6(a)]，可能是由于裂缝宽度较小[图4(a)]、贡献程度较小；井径测井资料是利用井眼的扩张与缩小来划分岩性，井径曲线会因为井壁的坍塌出现扩径现象，在钻井过程中泥浆滤液的渗透，出现缩径现象。研究区域有填充裂缝井径为20.8～24.89 cm，未填充裂缝井径为20.6～29.05 cm[图6(b)]响应效果不明显，可能由于裂缝宽度较小[图4(a)]，识别效果不明显。

3.2 感应系列常规测井裂缝有未填充响应特征

双感应系列测井主要是根据电磁感应原理来获取地层的电导率或电阻率，具有较好的径向探测深度和纵向分辨能力。研究区域有填充裂缝深感应(deep induction logging，ILD)为9.11～49.45 Ω·m，整体高于未填充裂缝(7.01～24.33 Ω·m)，识别效果明显；有填充裂缝中感应(medium induction logging，ILM)为9.39～54.75 Ω·m整体高于未填充(7.31～25.52 Ω·m)[图6(d)]，可能是裂缝发育段受有无填充的影响造成了电阻率的变化，识别效果明显。

3.3 孔隙度系列常规测井裂缝有未填充响应特征

孔隙度测井主要是声波时差测井(acoustic，AC)、密度测井(density，DEN)和中子孔隙度测井(compensated neutron logging，CNL)。声波时差测井利用滑行横纵波在不同介质中传播的时间差来表征声波在地层中的传播速度。裂缝中填充较小密度或流体时纵波的传播速度会变慢，声波时差曲线会出现“周波跳跃”，以此来识别地层中裂缝的发育情况。研究区域未填充裂缝声波为216.3～315.7 μs/m，整体高于有填充裂缝(208～254.4 μs/m)[图6(b)]，可以较好地识别该地区的裂缝有未填充。

图6 常规测井参数交会图分析Fig.6 Conventional logging parameter cross-plot analysis

根据康普顿效应测出相应地层的密度，称为密度测井，当密度测井极板接触到泥浆侵入的天然裂缝中，密度会相应降低。研究区域有填充裂缝密度为2.42～2.67 g/cm3高于未填充裂缝(2.26～2.62 g/cm3)[图6(c)]，有一定识别效果。中子孔隙度测量值取决于地层的含氢指数，而裂缝的存在会相应增大中子孔隙度的测量值。研究区域未填充裂缝中子为(13.3%～30.6%)高于有填充裂缝中子(12.88%～30.1%)[图6(c)]。

在研究区域使用声波测井(AC)、自然伽马测井(GR)、中子测井(CNL)、密度测井(DEN)、深感应测井(ILD)、中感应测井(ILM)、井径测井(CAL)交会分析裂缝有未填充响应特征，结果如图6所示，得到了有填充和未填充裂缝的测井响应参数特征(表1)，可供有未填充裂缝的测井响应分析参考。

研究区域有填充裂缝和未填充裂缝的测井响应正态分布可以直观地区分测井参数的范围(图7)，自然伽马的曲线峰值相近，区域重合度大，该地区裂缝岩性以砂岩为主，放射性较小，响应效果不明显[图7(a)]；声波的未填充裂缝曲线整体在有填充裂缝右侧，未填充裂缝声波高于有填充裂缝，响应效果明显，可以较好地识别裂缝有未填充[图7(b)]；中子和密度曲线有部分重合，未填充裂缝中子整体略高于有填充裂缝[图7(c)]；有填充裂缝的密度整体略高于未填充裂缝[图7(f)]，有一定的响应特征；深感应和中感应曲线重合区域较小[图7(d)]，有填充裂缝的深感应和中感应整体高于未填充裂缝[图7(e)]，该地区有未填充的响应差异引起了电阻率变化，响应效果明显；而井径曲线展部重合较大，响应效果不明显[图7(g)]。

4 常规测井参数识别裂缝填充方法

4.1 基于测井曲线变化幅度的裂缝有未填充参数构建

裂缝与地层基质的地球物理特征差异会引起不同的测井响应，在对延长组长6、长8储层裂缝有未填充的识别过程中，发现不同井的裂缝在测井曲线上有未填充的响应特征不同，识别较为困难。根据交会分析和正态分布分析，选取声波、深感应、中感应、密度、中子测井参数来构建裂缝填充指示参数，对长6、长8储层裂缝有无填充进行识别。为了方便综合分析各项参数对裂缝有无填充的响应特征，先对常规测井参数进行归一化处理[20-21]，公式为

表1 延长组细砂岩有填充和未填充裂缝的测井响应参数特征Table 1 Logging response intervals for filled and unfilled fractures in the Yanchang section of fine sandstone

图7 常规测井响应正态分布Fig.7 Normal distribution of logging response

(1)

式(1)中：Xmax为某种常规测井曲线目的层段测井参数最大值；Xmin为某种常规测井曲线目的层段测井参数最小值；X为该曲线值；XI为该曲线反映裂缝填充程度异常变化指数。

为避免单参数识别裂缝带来的误差，分析多条测井参数对裂缝填充的敏感程度，将不同参数对裂缝填充的敏感程度进行加权综合得到裂缝有未填充指示参数，公式为

(2)

式(2)中：n为反映裂缝参数的数量，个；ai为第i种反映裂缝填充特征参数的加权系数；XIi为第i种反映裂缝填充差异变化指数；FIA为算术加权裂缝填充指示参数。

4.2 基于测井曲线变化率裂缝有未填充程度参数构建

在计算不同曲线变化率裂缝表征参数基础上，根据不同测井参数对裂缝填充响应的敏感度，对曲线进行算术平均，建立曲线变化率综合指数，公式为

(3)

式(3)中:FIR为曲线变化率裂缝填充指示参数；n为反映曲线变化率的特征参数个数；ci为第i种反映曲线变化率特征参数值的加权系数；Δyi为第i种曲线变化率裂缝表征参数。

4.3 构建裂缝有未填充综合识别指数

在研究区域通过对以上裂缝填充识别参数的构建，标定相对敏感的曲线。通过曲线变化率裂缝表征指数，可得到裂缝有未填充识别指数，公式为

FFA=FIAFIR

(4)

式(4)中：FIA为曲线幅度算术加权裂缝填充指示参数；FIR为曲线变化率裂缝填充指示参数；FFA为裂缝有无填充识别指数。通过综合分析与对比，有填充裂缝的FFA值高于0.06，未填充裂缝FFA值低于0.06，可对裂缝填充情况进行识别和筛选。

5 应用效果分析

利用以上建立的识别指数对裂缝有未填充进行识别。选取延长组长6、长8层两口高产直井HH26和HH373zh的50条裂缝，结合成像测井资料和常规测井资料进行验证。采取人工识别的方法，排除泥质填充和岩性影响，在选取识别裂缝井段时，参照自然伽马和井径曲线变化较缓井段作为裂缝填充识别井段。HH26井1 879.5～1 895.05 m井段(图8)共有17条裂缝，其中有填充裂缝10条(A4～A6、A10～A12、A14～A17)，未填充裂缝7条(A1～A3、A7～A9、A13)。岩性以细砂岩为主，砂岩中层理较为发育。从电成像静态图上看，砂岩颜色较亮，呈浅黄色和近白色，反映岩性致密，电阻率高；该段地层裂缝发育，在成像图中表现为明显的正弦波，研究区填充物主要为方解石，填充后的裂缝电阻率较高，在图像中表现为亮色，未填充裂缝会受到钻井液的注入导致电阻率偏低，图像中表现较暗。在几种参数共同约束下，识别出有填充裂缝A4、A6、A10～A12、A14～A17；未填充裂缝A1、A2、A7～A9。对有填充裂缝识别率为75%，对未填充裂缝识别率为80%。

图8 HH26井长6储层砂岩裂缝常规测井、成像测井裂缝评价效果图Fig.8 The fracture evaluation effect diagram of conventional logging and imaging logging in well HH26 Chang 6 reservoir of sandstone fractures

成像测井受条件影响并不能应用于所有井中，通过分析常规测井参数对裂缝有未填充进行识别。HH373井在1 987～2 007 m井段(图9)共有33条裂缝。从岩心观察可知HH373长8段裂缝发育段1 992.12～1 994.68 m岩心可见一组未填充个裂缝(图9)[24]。其中有填充裂缝5条(B17、B25～B27、B33)，未填充裂缝28条(B1～B16、B18～B24、B28～B32)。在各种参数共同约束下，识别出有填充裂缝B17、B25～B27、B33，识别出未填充裂缝B1～B9、B11～B14、B18～B24、B28、B29。对有填充裂缝的识别率为71%，对未填充裂缝的识别率为73%。综上所述，本方法在一定程度上能够较好地识别出有填充裂缝和未填充裂缝，综合识别率为76%。

图9 HH373长8储层砂岩裂缝常规测井曲线响应特征Fig.9 Response characteristics of conventional logging curves for HH373 Chang 8 reservoir sandstone fractures

6 结论

(1)综合分析结果表明，鄂尔多斯盆地镇泾油田延长组致密砂岩裂缝主要发育于细砂岩和粉砂岩中，宽度主要为0.2～0.5 mm，取心段平均线密度为1.1条/m，以垂直裂缝和高角度裂缝为主，方解石为主要填充物，有填充裂缝较为发育。

(2)交会图分析和正态分布分析可知，常规测井响应对裂缝有未填充较为敏感的参数依次是深感应电阻率、声波时差、中感应电阻率、密度、中子。利用常规测井对裂缝有无填充进行识别，发现有填充裂缝对应的双感应电阻率增大、声波时差减小、密度增大、中子减小的特征。

(3)通过岩心和成像测井资料的标定，结合常规测井资料，建立裂缝有无填充识别指数，通过综合分析对比，有填充裂缝段对应的识别指数下限值为0.06，应用于两口井中进行验证，识别准确率接近76%。利用响应特征和识别方法可以提高对裂缝有无填充的识别准确性。可为致密砂岩裂缝填充评价提供新思路，完善裂缝致密砂岩储层的评价方法。

致密砂岩储层裂缝测井响应受到填充矿物、裂缝参数、迂曲等影响，下一步计划开展这些因素对裂缝有无填充的测井响应及识别的研究。