油基泥浆下深层储层裂缝表征及有效性评价

关键词：油基泥浆；致密砂岩；电成像测井；裂缝面法向应力；有效性评价

引言

库车地区发育典型的裂缝性致密砂岩储层，岩性致密，基质孔渗极低，一般难以形成有效储层，由于致密砂岩密度大，脆性大，在强烈的构造运动作用下裂缝普遍发育[1]，裂缝的发育有效地改善了储层品质，故裂缝有效性是评价储层有效性的关键[2]。库车山前构造目的层上部盖层为巨厚盐膏层，高压盐水层发育，为保证安全，大部分井采用油基泥浆钻井[3]。油基泥浆导电性能差，适用于油基泥浆井眼的微电阻率成像测井仪，如早期油基泥浆电成像测井仪（EarthImager，EI），测量过程中采用交变电流能够将因油基泥浆和泥饼形成的电容击穿，在极板与地层之间形成导电回路，从而得到井壁电成像数据[3]，它能清楚地识别地层层理，但识别裂缝还存在很大问题。此外，在钻井过程中，油基泥浆侵入地层，不仅影响了储层电阻率，侵入特性的不同也改变了深浅电阻率的关系，且成像图形上易形成地质假象，给裂缝的识别和评价带来很大难度[4]。在这样的条件下，裂缝的有效性评价尤为复杂。邓晓航等[1]利用成像测井资料与常规测井曲线识别井下裂缝和判断其有效性。虞兵等[2]利用成像测井资料建立了多角度、多参数的裂缝有效性评级标准，在基质与裂缝分级评价的基础上形成了一套储层有效性评价标准。管英柱等[5]在岩芯刻度的基础上，综合利用成像与双侧向测井资料，采用图像数值模拟计算技术获得裂缝宽度与裂缝孔隙度参数，进而估算裂缝渗透率，预测产能。司马立强等[6]综合分析化验资料、常规测井与特殊测井资料，获得了储层孔喉结构、储集性、渗滤性和裂缝发育程度等4项指标，对储层有效性进行综合评价，确定了合川气田气井的产能级别。上述方法均是在成像资料较易识别裂缝的基础上开展，但不适合油基泥浆条件下的裂缝有效性评价。甘泉等[4]结合声与电成像测井资料综合得出油基泥浆条件下裂缝识别的方法。赵元良等[7]也介绍了应用新一代油基钻井液电成像测井在低孔砂岩储集层区分张开缝和闭合缝的方法。但均缺乏对裂缝有效性的综合评价。

声波幅度衰减与裂缝发育程度密切相关且受泥浆电阻率影响较小，因此，引入了超声成像仪（UltrasonicXplorer，UXPL），它采用旋转式超声换能器，对井眼四周进行扫描，岩石声阻抗的变化会引起回波幅度的变化，井眼的变化会引起回波传播时间的变化，通过接收返回信号，得到井眼图形。将测量的反射波幅度和传播时间按井眼360◦方位显示成图像，就可得到井壁高分辨率成像图[4]。UXPL对不同张开度的裂缝均有较为清晰的识别，本文利用微电阻率成像仪EI与超声成像测井仪UXPL结合，电成像识别层理、声成像识别裂缝，两者组合进行库车地区油基泥浆下裂缝精细识别；新型的非传导泥浆地质成像仪（Nonconductive-mudGeologicalImager，NGI）与传统适用于油基泥浆的成像仪不同，采用了创新探头通过测量8个极板192个微电机的交流电，增加了竖直与横向特征的敏感度，大大提高了图像分辨率和覆盖率，能够单独进行裂缝的精细识别，本文总结了NGI识别不同种类裂缝的方法，同时系统分析裂缝面法向应力、裂缝走向与最大主应力夹角与产能的关系，从而建立库车地区评价油基泥浆裂缝有效性的定量标准，形成了油基泥浆体系下裂缝精细识别与有效性评价方法。

1油基泥浆电成像测井裂缝识别方法

微电阻率成像测井仪要求周围介质有一定的电导率，以使电流能流入和流出成像传感器。由于典型水基泥浆电导率平均为油基泥浆的100万倍，因此，在油基泥浆（非导电）井眼环境下，不能用常规微电阻率成像仪测量[825]。针对库车地区现有的资料，经过对比研究各大油气公司油基泥浆电成像测井资料，介绍在该地区油基泥浆下应用效果最好的两种裂缝精细识别的方法。

1.1EI与UXPL测井结合精细识别裂缝

High-DefinitionFMI与EI分别是斯伦贝谢和贝克休斯公司早期的油基泥浆电成像测井仪，覆盖率最大分别能达到80%、63%，分辨率也优于同期的其他仪器，因此，被广泛应用于库北的油基泥浆井眼电成像资料采集。油基泥浆条件下电成像识别层理较为清楚，但裂缝识别率较低。如图1，HZ212井采用油基泥浆钻井，采集的FMI数据识别裂缝53条，后来用水基泥浆替换油基泥浆后又采集了FMI电成像资料，该资料识别裂缝206条，可以看出，油基泥浆电成像裂缝识别率较水基泥浆电成像裂缝识别率低。

同时，由于无论是充填非导电性油基泥浆的张开裂缝，还是充填不导电矿物的闭合缝，它们的电阻率都高，油基泥浆电成像图像都显示为亮色，难以区分，因此，引入了声成像测井UXPL。基于声、电成像不同的测量原理，利用电成像对地层层理、构造识别清楚，声成像UXPL主要反映声波在地层中反射情况，对不同张开度的裂缝、井眼崩落、诱导缝等均有较为清晰的识别，但无法识别层理的特点，两者结合进行油基泥浆电成像资料的评价。

如图2中HB4井6997.0∼7000.0m段，左边EI图像可看到明显的层理，右边UXPL图像识别裂缝能力强。图3中HS03井6991.0∼6993.5m段，裂缝张开度较大，EI电成像与UXPL声成像都可以明显地识别裂缝；6994.0∼6995.0m段张开度比较小的微裂缝，在电成像上没有明显特征，仅在声成像上可以识别。

通过观察16口油基泥浆取芯井归位后的岩芯照片，分析总结了不同类型裂缝在电成像和声成像图像上的响应特征，建立了油基泥浆下典型地质特征的成像识别图版，如图4所示。

由图4可以看出，层理在电成像测井图像上表现为平行地层层面亮色正弦线，在声成像上没有明显响应；斜交张开缝在电成像测井图像上表现为连续亮色正弦线（易被亮色背景掩盖），形状取决于裂缝产状，在声成像上为深色正弦线；井壁上的张开直劈缝在电成像测井图像上为连续或间断的竖直亮色条带（易被亮色背景掩盖），在声成像测井图像上为竖直深色条带。

1.2NGI识别裂缝

斯伦贝谢新一代油基泥浆电成像测井仪器NGI通过纽扣电极发射高低两种频率的交流电流，其中，高频信号更有利于穿过油基钻井液到达地层，获得地层信号，提高信噪比，最大覆盖率可达90%。NGI的纽扣电极实际测量的为井周阻抗信息，经过反演处理后，可将阻抗信息反演为地层电阻率信息，得到高分辨率地层电阻率动、静态图像以及电极与井壁地层间隙图像[7]。充填油基泥浆的张开缝与充填方解石等矿物的闭合缝在NGI动静态图上均为高阻亮色正弦线，但在井壁地层间隙图上，前者由于电极和井壁之间的间隙增大显示暗色特征，但后者由于间隙小呈亮色正弦线或者无显示；而由于半张开缝开度小，所测的信号主要来自于泥饼信息，泥饼较油基泥浆电阻率低，因而，在动静态图上为暗色正弦线，其间隙图上则为不连续暗色图像或无显示。如图5所示，HII03井NGI电成像与岩芯对比图上，张开缝1在动、静态图上为亮点正弦线，在间隙图像上为暗色正弦线，闭合缝2在动、静态图上上，均为亮点正弦线，而在间隙图像上无显示。

2裂缝有效性评价

2.1裂缝面法向应力评价有效性

油基泥浆体系下，电成像资料仅可以定性地识别裂缝，但还无法进行裂缝参数的准确计算，因此，本文引入裂缝法向应力（图6中 n）来实现油基泥浆电成像中裂缝的半定量解释。

其原理是采用一维岩石力学建模计算三轴主应力数据 H、 h和 v，并通过方向余弦计算法向应力 n，其中用到的 与 则是通过成像资料中裂缝刻画所得。如图7，HS03井6845.0∼6872.0m段试油段裂缝法向有效应力基本小于30MPa，测试产气189000m3/d，HZ15井6710.0∼6748.0m段裂缝法向有效应力在60MPa左右，测试后为干层。两口井基质孔相当，说明裂缝法向应力越小则产能越好。

利用裂缝面法向有效应力与米采气指数关系建立图版来评价裂缝的有效性。通过30口井油基泥浆井数据的统计，当裂缝法向应力超过60MPa，米产气指数几乎为零，表示无产能；当裂缝法向应力小于38MPa时，米产气指数基本大于300m3/（MPa·m·d），表示产能较高。因此，通过图8所示图版可以半定量地评价油基泥浆成像测井裂缝的有效性。

2.2最大主应力与裂缝走向夹角评价裂缝有效性

2.2.1最大主应力方向确定

最大主应力方向与裂缝走向的夹角大小也可以定性评价裂缝的有效性，直井中最大主应力方向可由井眼崩落、椭圆井眼、诱导缝及快横波方位各向异性确定，其原理均是由于井眼水平方向受力不均导致的井眼变形，长轴方向是最小主应力方向，也是井眼崩落方向；其垂直方向即为最大主应力方向，正是由于最大主应力的挤压，使得该方向成为了椭圆井眼的短轴方向。井筒中无论是应力释放缝还是压裂缝均发育在最大主应力方向上。库车地区油基泥浆井眼井壁垮塌较多，图像上呈两条亮色的相互平行的对称竖形线状模式；压裂缝较少，诱导缝以应力释放缝居多，图像上呈雁列式线状分布，如图9所示。值得注意的是，在电成像图上表征诱导缝时有两种方法：正弦线和对称单竖线，如图10所示。当用正弦线刻画诱导缝时，它的走向代表的是最大主应力方向，当用双竖线刻画诱导缝时，它的倾向镜像方向代表最大主应力方向。

2.2.2裂缝有效性评价

通常直观地认为，当最大主应力方向与裂缝走向（成像拾取蝌蚪尾的垂直方向）一致或角度很小时，地应力对裂缝的挤压作用小，使得裂缝张开度较大，裂缝有效性较强；当最大主应力方向与裂缝走向角度较大或垂直时，裂缝可能被地应力压住，使得裂缝张开度小，甚至闭合，此时裂缝有效性差，如表1中3口井最大主应力方向与裂缝走向基本一致，米采气指数均大于600m3/（MPa·m·d），表2中3口井最大主应力方向与裂缝走向有一定夹角或几乎垂直，米采气指数小于30m3/（MPa·m·d）。

统计15口油基泥浆井试油段最大主应力方向与裂缝走向夹角，并建立该夹角与产能关系。如图11所示，当裂缝走向与最大主应力夹角小于34◦，产能较高，米采气指数几乎都大于300m3/（MPa·m·d），裂缝有效性较好；当裂缝走向与最大主应力夹角大于60◦，产能几乎为零，裂缝有效性差。

3应用效果分析

基于上述分析，计算了HS05井裂缝法向应力，统计了裂缝走向与最大主应力方向夹角。如图12与表3所示，该井裂缝法向应力基本小于34MPa（图中第七道蓝色线），裂缝走向与最大主应力方向夹角也基本小于20◦，且裂缝发育段斯通利波有衰减，各向异性较强，判断该段为裂缝有效性较好的井段，酸化后日产气698136m3，获得高产工业油气流。可见，裂缝走向与最大主应力方向夹角及裂缝面法向应力和产能是成反比的，两者越小产能越高，说明该储层裂缝的有效性越好。

4结论

1）介绍了不同油基泥浆电成像定性识别裂缝的方法，早期采用EI与UXPL结合，基于电成像对层理的识别，声成像主要反映声波在地层中反射情况，对不同张开度的裂缝均有较为清晰的识别，两者组合可在油基泥浆体系下进行精细的裂缝识别。同时，总结了新型的油基泥浆电成像测井仪NGI在库车地区识别不同种类裂缝的方法。

2）总结了库车地区油基泥浆井眼中垮塌与诱导缝类型，并指出诱导缝不同的刻画方式下最大主应力方向确定方式，当使用双竖线表征诱导缝，倾向镜像方向为最大主应力方向，当使用正弦线表征诱导缝，其走向代表最大主应力方向。

3）系统分析裂缝面法向应力、裂缝走向与最大主应力夹角与产能的关系，从而确定库车地区在油基泥浆井眼中评价裂缝有效性的标准，形成了油基泥浆体系下半定量裂缝有效性评价方法。