致密砂岩气藏裂缝测井评价研究＊

孙伟豪，闫浩霖，朱金玉，郭芮洁

（西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065）

近年来，鄂尔多斯盆地东部天然气勘探取得新突破，预示着盆地东部具有良好的天然气勘探前景[1]。然而，目前针对盆地东缘地区上古生界天然气成藏控制因素的研究仍较为薄弱，如研究区储层整体较薄，盒8段在10～20 m，山1 段在5～15 m，薄砂体内天然气成藏规律尚不十分清楚；储层埋深较大，普遍在4 000～5 000 m，但部分储层段孔隙度仍大于10%，深部优质储层发育规律有待研究[2-3]。邻近井区之间成藏条件相似，但是天然气富集程度相差较大，天然气富集成藏规律并不清楚，这些问题很大程度上限制了该区勘探工作的深入进行。因此，有必要对鄂尔多斯盆地东缘上古生界天然气成藏特征进行深入研究，力求可以在天然气勘探目标的预测方面指明方向并提供佐证。

目前在致密砂岩储层裂缝预测的领域，国际上通常采用的技术方法有地质及测井分析法、地震预测方法、构造曲率分析法及构造应力场数值模拟方法等[4-6]。例如，何平等[7]在对以巴喀油气田八道湾组气藏储集层为代表的低渗、特低渗透率裂缝性储集层裂缝的研究中，通过定量分析，结合常规测井资料，运用分形学原理，通过R/S 数据分析及由其得出的分形维数，在一定程度上可以定量反映储集层中裂缝的发育程度；刘俊州等[8]针对川西XC 地区致密砂岩提出一套基于地震叠前与叠后多属性融合的裂缝地震预测方法，其预测结果表明，运用多尺度裂缝综合预测技术可以很好地描述裂缝性储层，且预测结果与实际生产中井的油气产出情况吻合度高；刘畅等[9]以沁水盆地南部地区山西组为例，运用古构造应力场模拟的方法，系统地对煤系致密砂岩的裂缝发育特征进行了研究，并在此基础上对裂缝发育区进行了有效预测等，这些都是致密砂岩裂缝预测的成功案例。

采用常规测井方法建立模型来识别致密砂岩裂缝是目前国内外研究的热点和难点。目前，鄂尔多斯盆地东缘低幅构造区的裂缝测井识别精度不高，在一定程度上对该地区煤系致密砂岩气的高效勘探开发造成了不利影响。为了提高该地区上古生界致密气藏的勘探成功率，本文运用R/S变尺度法，针对L 区块进行了上古生界致密砂岩气藏的裂缝测井评价研究，提出了一套适用于该地区致密气藏裂缝的测井评价思路及方法，可以为致密砂岩裂缝型油气勘探提供新的思路。

1 地质背景

1.1 上古生界现今构造特征

研究区鄂东地区位于晋西及邻区的挠曲褶皱带上，在中晚元古代至古生代为相对隆起区，早二叠世之前沉积速率较小；在中生代晚侏罗世之后不断发生抬升，改造成为鄂尔多斯盆地西倾大单斜的组成部分。晋西挠褶带的构造演化活动受东部吕梁山隆起和基底断裂的联合控制，褶皱和断裂活动主要受燕山期构造运动的影响，并最终定型于喜马拉雅构造运动期[10]。

研究区内褶皱的构造行迹以NS（南北）向为主，表现为宽缓褶皱，局部发育一些逆断层。临兴区块的东南部为紫金山隆起，从隆起顶部向外划分为隆起带、斜坡带、凹槽带及平缓构造带。研究区缺失侏罗系-白垩系，地层自白垩纪以来发生了强烈剥蚀隆升，剥蚀厚度为1 300～2 000 m。

1.2 岩心裂缝发育特征

构造裂缝及非构造裂缝广泛分布于目的层石千峰组、上石河子组、下石河子组、山西组、太原组和本溪组的致密砂岩中，以构造裂缝为主，主要包括张性缝、剪切缝及一定数量挤压缝。岩心观察结果表明，目的层裂缝的产状包含水平、低角度、高角度及垂直等多种类型，整体上以近水平和近垂直裂缝为主。目的层裂缝砂岩特征岩心观察如图1 所示。图1（a）为张性缝，LX-5 井，1 284～1 285 m，盒1 段；图1（b）为剪切缝，LX-5 井，1 731.27～1 731.52 m，太1 段；图1（c）为水平层理滑动缝，LX-10 井，1 610 m，盒8 段。

图1 目的层裂缝砂岩特征岩心观察

对目的层致密砂岩中的不同类型裂缝的成因进行分类及统计，统计结果如图2 所示。

图2 不同类型裂缝类型及倾角统计结果表（13 口井，样本参数N=198）

从图2 中可以看出，目的层致密砂岩中主要发育有张性缝、剪切缝及水平滑动缝，同时发育少量挤压缝及溶蚀缝。张性缝是在拉张应力条件下形成的裂缝，通常具有位移方向与破裂面相垂直的特点，缝面粗糙不平整，裂缝常常围绕矿物颗粒等薄弱面分布[11]。在致密砂岩中张性缝的比例约为18.72%。剪切缝是由构造剪切作用而形成的，地层应力条件下有时紧闭（不开启），该类裂缝往往较为平直，延伸距离较长。剪切缝一般以组系发育，缝面平滑且常切过岩石颗粒，其所占的比例最大，约为36.9%；水平滑动缝也是目的层中一种极为重要的裂缝类型，其比例约为24.6%；挤压缝和溶蚀缝在致密砂岩中所占比例相对较小，分别约占6.42%、13.37%。

2 基于常规测井模型的裂缝识别

采用多常规测井系列，基于“R/S变尺度法”识别致密砂岩裂缝的效果较好。本研究采用该方法对裂缝进行测井识别，其识别裂缝的主要依据为裂缝的存在能增加测井数据的复杂性[12]。通过研究单测井参数序列的过程序列全层段极差R（n）与标准差S（n）的比值与测井点数n之间的变化关系，对天然裂缝发育段进行预测[13-14]。通过与裂缝实际观察结果进行对比，可以验证该方法的裂缝识别效果。

裂缝测井识别图版显示如图3 所示。

图3 裂缝测井识别图版

首先，对裂缝存在的敏感测井系列进行分析。基于上述裂缝发育层段识别结果，对裂缝测井参数进行了提取。声波时差和电阻率测井系列对致密砂岩裂缝有较好的识别作用[13]。裂缝段的声波时差分布在57～77 μs/ft，平均值为68 μs/ft；非裂缝段的声波时差分布在47～67 μs/ft，平均值为58.9 μs/ft。裂缝段的电阻率分布为12～79 Ω·m，平均值为36.6 Ω·m；非裂缝段的电阻率分布为34～135 Ω·m，平均值为71.8 Ω·m。考虑到各单井常规测井中所包含的测井参数类别，最终选取AC、DEN、GR 及RLLD 这4 条测井曲线进行裂缝测井评价。致密砂岩中裂缝的存在均能在这4 类测井曲线上产生一定程度响应。以LXDG-01 井为例，利用上述原理对目的层样本数据进行测井处理，获得R/S与样本参数N。然后，求取这2 个参数的双对数值，如图4 所示。

图4 LXDG-01 井R/S 与样本参数N 双对数关系

上述曲线的斜率越小间接表明其存在裂缝的概率值就越大，与此同时在曲线上的表现则为曲线形态特征越为复杂，也就代表有裂缝存在的概率也越大。然而必须认识到致密储集层大都具有较强的非均质性及各向异性，而且测井曲线的变化规律也较为复杂，测井数据复杂性的增加并不一定仅受控于裂缝，但该方法依然可以用于地层裂缝的概率判别。通过对不同类型常规测井数据进行判别结果对比，可优选出在识别裂缝中较为可靠或相关性最强的常规测井系列[15]。

从图4 的解释结果来看，直接通过该计算所获得的结果的离散度较高，并不能有效提取裂缝信息，因此对该方法进行了改进。利用二阶导数可以指示曲线的斜率。同时，利用该方法可以有效剔除无效的裂缝信息，提高裂缝测井识别效果。该方法的基本原理如下：

以上为各单一测井系列的二阶求导结果K，可以认为当K＜0 时，裂缝不发育；而当K＞0 时，裂缝发育，且K值越高裂缝的发育程度越高。在对各单一测井系列K值求取的基础上，最终利用多元回归法，综合4 条测井曲线的裂缝信息，完成对裂缝的测井预测。该计算公式如下所示，F为裂缝指数：

LX-4 井各测井系列K值及裂缝测井评价如图5所示。

图5 LX-4 井各测井系列K 值及裂缝测井评价

根据式（1）—式（4）求取最终裂缝预测结果K及裂缝指数F。LX-4 井位于紧邻紫金山岩体北部的平缓构造带。该井太2 段是产气量高、产水少的代表井。将测井预测结果与FMI 裂缝识别结果进行了对比。该井段共发育26 个裂缝段，利用该测井解释结果识别出其中的21 个，裂缝识别率为81%。本裂缝测井解释方案对L 区块主要目的层的裂缝平面分布进行了测井评价。从裂缝的分布特征来看，下覆本溪组和太原组裂缝发育程度最高；而上覆山西组到石千峰组的裂缝仅在局部富集，发育程度相对要低一些。裂缝测井解释结果与裂缝实际观察结果是一致的。

3 裂缝的控气作用

裂缝是油气储层特别是裂缝性储层的重要储集空间，更是良好的渗流通道。相比岩石孔隙度，裂缝可以更加有效地增加储层的渗透率，为油气提供有效、高速的渗流通道。储层微观孔喉半径所控制的毛管力对致密砂岩气藏的聚集有重要的影响[16-17]。当微观孔喉半径大于临界孔喉半径，天然气受浮力作用将会发生运移；反之，天然气可聚集成藏，形成致密砂岩气藏[18-19]。在致密砂岩气藏形成后，构造形成的构造裂缝可以对原有致密砂岩气藏进行调整改造。

L 区块各地层裂缝发育程度与气井分布交汇图如图6 所示。可以发现，裂缝指数大于0.6 时多为商业气井，而非商业气井的裂缝指数多小于0.6[20]。但是，紫金山隆起带区域裂缝和断裂均特别发育，这些区域的保存条件差，裂缝对天然气的聚集主要起负向作用。裂缝过度发育会极大提高致密砂岩的孔渗性，从微观来看，储层微观孔喉大于或远大于临界孔喉，天然气容易逸散，不易于致密砂岩气藏的保存。对于紫金山带以外的低幅度构造区，适度发育的裂缝对天然气的富集和保存均较为有利。

图6 L 区块各地层裂缝发育程度与气井分布交汇图

4 结论

本文建立了针对鄂尔多斯盆地东缘地区L 区块基于常规测井参数的裂缝测井解释改进模型。裂缝分析结果表明，太原组和本溪组裂缝最为发育，而上覆地层仅局部发育裂缝。裂缝主要分布在低幅构造的隆起区和斜坡区，其次为平缓构造区，而挖槽带裂缝相对欠发育。L 区块本溪组和太原组裂缝对天然气的聚集起负向作用；而上覆地层裂缝对天然气的聚集起正向作用，即裂缝对该地区致密砂岩气的富集具有一定正向作用。本文针对上古生界致密砂岩气藏的裂缝测井评价研究，提出此裂缝测井评价方法，可以为致密砂岩裂缝型油气勘探提供新的思路。