塔河油田奧陶系縫洞型儲層小型縫洞及其充填物測井識別

田 飛，金 強，李 陽，張宏方，張文博

(1.中國石油大學地球科學與技術(shù)學院，山東青島266555;2.中國石化 油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京100029;3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京100083)

塔北古巖溶露頭和塔河油田巖心觀察表明，縫洞儲層中洞高小于0.5 m的小型洞穴數(shù)目遠比大型洞穴數(shù)量多，Craig［1］對Yates油田的研究發(fā)現(xiàn)小型洞穴是縫洞儲層的重要組成部分和有利油氣儲集空間。洞穴充填物具有多種類型和明顯期次性［2］，具有成因聯(lián)系的洞穴內(nèi)部的充填物類型和期次相似［3］。洞頂和洞壁發(fā)育與洞穴具有成因關(guān)系的環(huán)形和放射狀裂縫［4］。

一般而言，洞高超過5 m的洞穴在三維地震資料上可有顯示［5］，洞高0.5～5 m的洞穴在地震和鉆井上沒有明顯異常，要利用測井數(shù)據(jù)進行適當變換才可以明確識別［6］。小型縫洞地球物理響應弱，易受圍巖和流體等因素影響，極難識別［7］。如果小型縫洞不能識別，會導致儲集空間認識不清，直接影響縫洞型儲層勘探和開發(fā)［8］，因此，小型縫洞識別成為油田生產(chǎn)亟需解決的科學和實際問題。

筆者在塔河油田地質(zhì)研究中，通過對巖心和常規(guī)測井資料的反復對比，發(fā)現(xiàn)垂向分辨率較高、資料豐富的常規(guī)測井信息能夠比較有效的識別小型洞穴、裂縫和縫洞復合體，與巖心和成像成果對比符合率較高，為精細識別縫洞儲集體提供了有效方法，同時劃分了洞穴內(nèi)部充填物類型，為全面認識塔河油田縫洞型儲層提供了新成果。

1 小型縫洞地質(zhì)特征

塔河油田奧陶系巖溶碳酸鹽巖發(fā)育洞穴、裂縫和縫洞復合體3種溶蝕縫洞。部分井的巖心和成像測井資料顯示了存在數(shù)米或幾十米的大型洞穴［9－10］。受多期巖溶疊加改造的影響，小型縫洞數(shù)目遠多于大型洞穴［11－12］，往往存在多層、網(wǎng)狀縫洞系統(tǒng)［13］。在縫洞發(fā)育和埋藏期，多數(shù)縫洞會被機械沉積物、垮塌角礫巖和化學淀積物所充填，但是縫洞充填物可以是單一類型的、也可以是多種類型的組合［14－15］。

縫洞復合體是寬度小于30 cm、裂縫被溶蝕加寬而發(fā)育的條帶狀處于縫和洞之間的復合結(jié)構(gòu)?？p洞復合體是洞穴的雛形，發(fā)育數(shù)目多，在露頭和巖心上較為常見。塔北柯坪發(fā)育典型縫洞復合體露頭(圖1)，“X”型節(jié)理被溶蝕擴大幾倍至十幾倍，發(fā)育方向受原始裂縫走向控制，縫洞復合體與裂縫有效連通，并且在裂縫的相交處受兩個方向的溶蝕作用，溶蝕規(guī)模擴大更多，呈三角狀(圖1中a，b點)。塔河油田 S64井5 499.3～5 499.6 m和5 500.0～5 500.3 m處各發(fā)育0.3 m的砂泥質(zhì)充填小型洞穴，洞緣發(fā)育較多裂縫。5 498.6～5 498.7 m和5 498.9～5 499.1 m處發(fā)育縫洞復合體，充填物為化學淀積物和砂泥質(zhì)。S64井的小型縫洞段井徑并無明顯異常，自然伽馬有所增大、雙側(cè)向電阻率測井降低(圖2)，裂縫和縫洞復合體井段的井徑、自然伽馬、雙側(cè)向電阻率沒有明顯的異常。

2 小型縫洞的識別

小型縫洞測井響應復雜，受圍巖和洞穴內(nèi)流體影響，測井信息難以真實反映地層情況，給測井識別縫洞帶來一定困難。筆者通過巖心和成像測井資料標定常規(guī)測井信息，經(jīng)過歸一化加權(quán)，建立了塔河油田小型縫洞識別函數(shù)，利用交會圖識別出洞穴充填物類型，解釋結(jié)論實際應用效果較好。

圖1 塔北柯坪縫洞復合體露頭Fig.1 Outcrop of fractured-vuggy complex in Keping area，northem Tarim Basin

圖2 塔河油田S64井小型縫洞巖心剖面Fig.2 Core section with small fracture-vugs in Well S64，Tahe oilfield

2.1 小型洞穴面識別

通過測井資料分析表明，洞穴段井徑明顯擴徑，充填機械沉積物時自然伽馬明顯增大(＞30 API)，雙側(cè)向電阻率較低(＜500 Ω·m)，密度較小(＜2.72 g/cm3)，聲波時差較大(＞48 μs/ft)，中子孔隙度較大(＞1.5%)。隨著洞穴規(guī)模越大，測井響應異常幅度越明顯。通過分析，優(yōu)選出 DEN，CNL，Vsh，1/RLLS，K3共 5 個敏感參數(shù)用于識別小型洞穴，并建立了綜合識別圖版(圖3)，5個參數(shù)表征如下。

1)巖性密度(DEN)

巖性密度測井主要反映巖石體積密度，與巖性構(gòu)成密切相關(guān);洞穴段由于被機械沉積物、角礫巖和化學淀積物所充填，與周圍非洞穴段(原巖、裂縫和縫洞復合體)密度有一定的差異，非洞穴段密度大(＞2.70 g/cm3)而洞穴內(nèi)部密度小(一般＜2.73 g/cm3)。

2)中子孔隙度(CNL)

中子孔隙度測井反應地層含氫指數(shù)，洞穴內(nèi)部中子孔隙度響應較高(＞0.5%)，巖心實驗證實非洞穴段尤其是原巖段基質(zhì)孔隙度低，中子孔隙度大多小于1%。

3)泥質(zhì)含量(Vsh)

采用自然伽馬(GR)計算泥質(zhì)含量。

式中:GR為標準化后的自然伽馬值，API;GRmax為洞穴內(nèi)純泥巖段自然伽馬值，API;GRmin為純碳酸鹽巖段自然伽馬值，API;SH1為過渡參數(shù)，無量綱;Vsh為泥質(zhì)含量，%。

非洞穴段以純碳酸鹽巖為主，泥質(zhì)含量低。洞穴段內(nèi)充填機械沉積物和角礫時泥質(zhì)含量會明顯升高，化學淀積物縫隙中容易殘留地層水攜帶的粘土，泥質(zhì)含量也有所升高，因此利用泥質(zhì)含量差別也可以劃分洞穴段和非洞穴段。

4)淺側(cè)向電導率(1/RLLS)

電阻率測井反映儲層的導電性能，與巖性、孔隙結(jié)構(gòu)和流體性質(zhì)等因素直接相關(guān);洞穴段因泥漿濾液侵入，造成雙側(cè)向電阻率塊狀降低，RLLS降低尤為明顯，一般小于200 Ω·m，表現(xiàn)為高電阻率背景值下相對較低的電阻率，因此洞穴段的淺側(cè)向電導率明顯比非洞穴段大。

5)雙側(cè)向電導率差絕對值(K3)

式中:RLLS為淺側(cè)向電阻率，Ω·m;RLLD為深側(cè)向電阻率，Ω·m;K3為雙側(cè)向電導率差的絕對值，S/m。

雙側(cè)向電阻率儀具有探測深度較大的特點［16］，對充滿流體的洞穴十分敏感。洞穴發(fā)育段雙側(cè)向電阻率具有明顯幅度差，而非洞穴段內(nèi)雙側(cè)向測井值都很高(＞1 000 Ω·m)，且?guī)缀鯖]有幅度差。雙側(cè)向電導率差絕對值突出較低電阻率值的幅度差并且壓制高電阻率的幅度差，能有效區(qū)分洞穴和非洞穴段。

從交會圖(圖3)可知，非洞穴段 Vsh，CNL，K3和1/RLLS數(shù)值都很小，并且數(shù)據(jù)點分布較集中，洞穴段響應特征剛好相反，這3個參數(shù)數(shù)值較高數(shù)據(jù)點分布范圍較大;DEN在洞穴段為低值而非洞穴段為高值。洞穴段1/RLLS大于10－2s/m(圖3a)，Vsh一般大于8%(圖3b)，K3大于10－3s/m(圖3c)，CNL 大于1.5%(圖3d)，并且非洞穴段的密度一般大于2.7 g/cm3。利用這5個參數(shù)組成的交會圖圖版，能夠相互補充，較好劃分洞穴段和非洞穴段［17］。

圖3 塔河油田洞穴和非洞穴段交會圖識別圖版Fig.3 Cross plot identification chart boards for intervals with and without caverns in Tahe oilfield

為定量化評價小型洞穴，對上述5個敏感參數(shù)歸一化加權(quán)，建立了洞穴綜合識別函數(shù)［18］，即首先對敏感參數(shù)歸一化，消除不同數(shù)值范圍造成的差異，然后根據(jù)參數(shù)敏感性大小對各權(quán)系數(shù)賦初值，計算判別函數(shù)P值并自動劃分洞穴段。通過多次權(quán)系數(shù)賦值，劃分結(jié)果與巖心、成像結(jié)論對比，最終確定最佳權(quán)系數(shù)。通過對取心段和成像井小型洞的洞頂、洞底對應的P值計算，P值大于0.3時小型洞穴符合率81.32%，故設(shè)定P＞0.3時是洞穴發(fā)育段。

式中:X1為電導率差絕對值的歸一化值，S/m;X2為中子孔隙度歸一化值，%;X3為巖性密度歸一化值，g/cm3;X4為淺側(cè)向電導率歸一化值，S/m;X5為泥質(zhì)含量歸一化值，%。

通過巖心對比發(fā)現(xiàn)多參數(shù)歸一化加權(quán)法對小型洞穴識別率高，能有效識別機械沉積物或角礫充填的小型洞穴，對方解石和硅質(zhì)充填小型洞識別精度有待提高，并隨著洞穴規(guī)模變小，符合率有所降低(表1)。如T403井取心段共發(fā)育3個總厚1.7 m的機械沉積物充填洞，常規(guī)測井識別符合率100%?？逅堑[巖充填洞穴發(fā)育3個，累厚13 m，測井解釋識別符合率98.50%，但對某些小型洞穴不能完全識別。方解石充填小型洞識別符合率較低，T403井取心段共發(fā)育2個化學淀積物充填洞穴，累計厚度為0.9 m，僅識別出1個，厚0.4 m，符合率44.40%。15口取心井洞穴發(fā)育63.2 m，其中發(fā)育5.6 m小型洞穴，測井解釋有效識別4.6 m，符合率81.82%。全區(qū)14口成像井共發(fā)育洞穴166.5 m，其中發(fā)育13.2 m小型洞穴，常規(guī)測井有效識別10.9 m，符合率82.60%。

表1 塔河油田T403井洞穴解釋結(jié)果與巖心對比Table 1 Correlation of caverns identified through well log interpretation with those identified through core observation for Well T403 in Tahe oilfield

2.2 裂縫和縫洞復合體識別

巖心裂縫發(fā)育段與致密碳酸鹽巖段測井響應有所差異，存在井徑略微擴徑，雙側(cè)向電阻率刺刀狀降低，自然伽馬、中子孔隙度有所增大的特點。詳細對比認為由裂縫溶蝕擴大之后形成的縫洞復合體的測井響應與裂縫相似，裂縫和縫洞復合體可以一起進行識別。通過制作響應參數(shù)交會圖，優(yōu)選 1/RLLS，Vsh和 K3× Rmf三個敏感參數(shù)，得到了裂縫和縫洞復合體交會圖識別圖版(圖 4)。

1)淺側(cè)向電導率(1/RLLS)

裂縫發(fā)育段具有雙側(cè)向電阻率微弱降低的特點，尤其是裂縫特別發(fā)育時淺側(cè)向降低幅度比深側(cè)向明顯，所以裂縫段的淺側(cè)向電導率有所增大。

2)泥質(zhì)含量(Vsh)

裂縫本身對自然伽馬測井并沒有太大的響應，但是地下水活動會將鈾元素沉積到裂縫周圍的壁上，造成鈾元素富集，使自然伽馬值升高，從而計算得到的泥質(zhì)含量增大，能夠有效指示裂縫發(fā)育帶。

3)電導率差絕對值與泥漿濾液電阻率乘積(K3×Rmf)

單位長度內(nèi)裂縫累計開度越大，說明有效裂縫越發(fā)育，Sibbit等根據(jù)模擬實驗和三維有限元模擬［19］得出裂縫的深淺雙側(cè)向電導率差和泥漿濾液電阻率的乘積跟裂縫的開度成正比，裂縫發(fā)育段K3×Rmf數(shù)值明顯增大。

利用電性差異能夠較好的區(qū)分原巖、裂縫和縫洞復合體。原巖段1/RLLS小于10－2S/m(圖4a，b)，能夠與裂縫和縫洞復合體區(qū)分開。裂縫段的Vsh一般在8% ～13%，縫洞復合體的Vsh一般大于11%(圖4a)，結(jié)合二者的K3×Rmf的差異(圖4b)，也能較好的區(qū)分裂縫和縫洞復合體。

圖4 塔河油田原巖、裂縫和縫洞復合體交會圖識別圖版Fig.4 Cross plot identification chart boards for initial rock，fracture and fracture-vug complex in Tahe oilfield

識別出洞穴段之后，對非洞穴段采用淺側(cè)向電導率(1/RLLS)、泥質(zhì)含量(Vsh)和電導率差絕對值與泥漿濾液電阻率乘積(K3×Rmf)三個敏感參數(shù)建立了多參數(shù)歸一化加權(quán)函數(shù)來識別縫洞和裂縫結(jié)合體發(fā)育段:

式中:Y1為泥質(zhì)含量標準化值;Y2為淺側(cè)向電導率標準化值;Y3為電導率差絕對值與泥漿電阻率乘積標準化值。

計算裂縫發(fā)育頂段和底段的M值，M值大于0.45時縫洞復合體符合率為86.4%，M值大于0.15時裂縫段符合率82.0%，所以設(shè)定M≥0.45時是縫洞復合體發(fā)育段，0.15＜M＜0.45時為裂縫發(fā)育段。

縫洞復合體測井響應明顯，綜合判斷指數(shù)M值大，識別符合率大于85%。裂縫密度較高特別是以大縫為主的裂縫強發(fā)育段，M值一般大于0.3，符合率也較高。T402井 5 366.6～5 372.2 m處是裂縫強發(fā)育段(表2)，裂縫段厚度5.6 m，線密度30條/m，識別符合率100%。方解石充填小縫段(縫合線等)測井響應微弱，M值一般小于0.1，識別率較低(5 363.7～5 366.2 m)。裂縫線密度較低井段測井響應微弱，被周圍背景值影響符合率低。15口取心井共發(fā)育裂縫237.6 m，識別出194.8 m，符合率為81.98%。全區(qū)15口成像井累計識別裂縫525.5 m，常規(guī)測井識別裂縫444.25 m，符合率84.54%。未識別的井段主要是方解石充填小縫段和裂縫弱發(fā)育段。

2.3 洞穴充填物識別

常規(guī)測井資料識別中將縫洞內(nèi)部分為未充填段、機械沉積物、垮塌角礫巖和化學淀積物四部分。根據(jù)不同充填物密度、電阻率、自然伽馬、聲波時差等測井響應的差別［20］，制作相應交會圖，優(yōu)選Vsh－DEN和Vsh－RLLD兩種交會圖圖版對充填物進行了有效的識別，識別符合率84.7%(圖 5，圖6)。

洞穴未充填部分被鉆井液占據(jù)，測井顯示密度一般小于2.61 g/cm3，并且泥質(zhì)含量小于15%(圖5)。機械沉積物密度變化范圍較大，以泥質(zhì)為主時，密度一般小于2.61 g/cm3，泥質(zhì)含量大于15%;以砂質(zhì)為主時，密度在2.61～2.68 g/cm3;孔隙被后期化學淀積物充填時，密度在2.68～2.71 g/cm3，并且泥質(zhì)含量較高，一般大于15%。垮塌角礫巖間充填機械沉積物時密度在2.68～2.71 g/cm3之間，泥質(zhì)含量小于15%;角礫間充填化學淀積物時密度大于2.71 g/cm3，同時泥質(zhì)含量相對純化學淀積物要大，二者以8%為界限。化學淀積物的密度大于2.71 g/cm3且泥質(zhì)含量小于8%(表3)。

機械沉積物、垮塌角礫巖到化學淀積物具有深側(cè)向電阻率逐漸增大和泥質(zhì)含量逐漸減小的特點，利用深側(cè)向電阻率和泥質(zhì)含量交會圖能劃分充填物類型?；瘜W淀積物具有高電阻率和低泥質(zhì)含量的特征，而未充填段則低電阻率、低泥質(zhì)含量，二者在交會圖上位于明顯不同的位置(圖6)。在泥質(zhì)含量相同的情況下，由于機械沉積物砂質(zhì)中含有易導電流體，使得電阻率較低;而垮塌角礫巖中除了泥質(zhì)之外以灰?guī)r角礫為主，深側(cè)向電阻率相對較高。利用巖心中縫洞段測井數(shù)據(jù)得到了深側(cè)向電阻率－泥質(zhì)含量判別模板，同時給出了不同充填物的劃分標準(表4)。

表2 塔河油田T402井裂縫解釋結(jié)果與巖心對比Table 2 Correlation of fractures identified through well log interpretation with that through core observation in Well T402，Tahe oilfield

圖5 塔河油田DEN－Vsh洞穴充填物識別圖版Fig.5 Chart board for identification of fillings in Tahe oilfield with DEN-Vsh

圖6 塔河油田RLLD－Vsh洞穴充填物識別圖版Fig.6 Chart board for identification of fillings in Tahe oilfield with RLLD-Vsh

表3 塔河油田DEN－Vsh圖版識別洞穴內(nèi)部充填物劃分Table 3 Classification of fillings in Tahe oilfield identified with DEN-Vshchart board

表4 塔河油田RLLD－Vsh圖版劃分洞穴充填物標準Table 4 Criteria for filling identification with RLLD-Vshchart board in Tahe oilfield

3 應用實例

選取塔河油田S74井典型小型縫洞發(fā)育井段，將解釋結(jié)果與成像測井圖像進行對比(圖7)，常規(guī)測井解釋5 652.0～5 658.0 m井段小型縫洞較發(fā)育，在5 653.8～5 654.3 m發(fā)育0.5 m小型機械沉積物充填洞穴，5 654.3～5 655.8 m發(fā)育縫洞復合體，5 655.8 m以下發(fā)育高角度裂縫，解釋結(jié)論與成像解釋成果基本符合;在小型洞穴發(fā)育段，常規(guī)測井解釋結(jié)論和成像解釋成果十分對應。對塔河油田117口井常規(guī)測井解釋，共識別出洞穴段1 076.5 m，其中小型洞穴89.5 m，裂縫發(fā)育段2 289.6 m，縫洞復合體213.8 m，提高了縫洞識別的精度，為縫洞型儲層的高效開發(fā)提供了有效資料［21－23］。

圖7 塔河油田S74井5 652～5 657 m井段小型縫洞發(fā)育特征Fig.7 Development characteristics of the small fracture-vugs in interval of 5652 －5657m in Well S74，Tahe oilfield

4 結(jié)論

1)利用巖心和成像測井資料標定常規(guī)測井信息，建立了小型洞穴、裂縫和縫洞復合體識別函數(shù)，識別成功率在81%以上;利用圖版法劃分了出洞穴內(nèi)充填物類型，識別成功率大于84%。

2)塔河油田117口井中識別小型洞穴89.5 m，共識別洞穴發(fā)育段1 076.5 m，明確了小型洞穴的發(fā)育部位和充填物特征，提高了縫洞儲層識別精度。同時識別出裂縫發(fā)育段2 289.6 m，縫洞復合體213.8 m。

3)利用豐富的常規(guī)測井資料有效識別出縫洞型儲層內(nèi)小型縫洞及其充填物，同時也適用于洞高0.5 m以上縫洞的識別，為探索縫洞型儲層發(fā)育規(guī)律和建立縫洞型儲層地質(zhì)模型提供了方法。

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