基于電成像測井圖像的井壁壓裂縫視寬度計算

崔維平, 楊玉卿, 張翔

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司, 河北 三河 065201; 2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室(長江大學(xué)), 湖北 武漢 430010)

0 引 言

對于天然縫、洞的相關(guān)參數(shù)如寬度、密度、孔隙度等,基于電成像測井的定量計算方法成熟,效果良好。人工壓裂和鉆井液與地應(yīng)力之間不均衡造成的規(guī)模較大的壓裂縫[1-2],其視寬度的快速計算方法尚屬空白。壓裂縫通常較為規(guī)則,規(guī)模較大,呈現(xiàn)相互平行的近垂直狀態(tài)。壓裂縫的寬度是重要的裂縫參數(shù),其徑向延伸雖然沒有天然裂縫那么遠(yuǎn),但在縱向上卻常有很大的穿層長度,且其張開度即寬度相對較大,可能造成鉆井液的嚴(yán)重漏失,漏失量與裂縫寬度有很大的關(guān)系[3]。在水力壓裂時,水力裂縫寬度決定水力裂縫的導(dǎo)流能力,縫寬太小,使得攜砂液無法通過,導(dǎo)致施工壓力急劇上升,超過施工限壓而使壓裂施工失敗[4],裂縫寬度還將影響壓裂井壓后產(chǎn)量[5]。分析影響水力裂縫寬度的因素,對優(yōu)化壓裂設(shè)計有一定意義。

準(zhǔn)確預(yù)測井壁附近壓裂縫的寬度,明確縫寬對井筒壓力的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律是控制漏失和保護(hù)儲層的關(guān)鍵。壓裂縫寬度預(yù)測有巖心描述[6]、室內(nèi)模擬[7]、理論計算[8]、數(shù)值模擬[9]、巖心描述與礦場測試相結(jié)合[10]等方法。巖心描述可以獲得應(yīng)力釋放后裂縫寬度,室內(nèi)模擬得到巖心尺度的縫寬變化規(guī)律,理論計算針對單條水力壓裂縫。這些研究多以巖心為基礎(chǔ),對壓裂縫規(guī)模的反映不夠真實,且成本高。電成像測井資料具有縱向分辨率高、能夠清晰反映井壁各種裂縫特征的優(yōu)勢,并可定量計算各種裂縫的參數(shù),評價儲層質(zhì)量[11],但對規(guī)模較大的壓裂縫寬度的計算尚屬空白。鑒于人工水力壓裂縫受套管限制,不測電成像資料,難以求取。本文基于電成像測井圖像,采用圖像處理算法,重點對鉆井誘導(dǎo)壓裂縫視寬度的計算方法進(jìn)行探討。

1 壓裂縫視寬度計算方法

1.1 井壁壓裂縫電成像測井響應(yīng)

鉆井液與地應(yīng)力不平衡造成的誘導(dǎo)壓裂縫通常以高角度張性裂縫為主,在井壁呈現(xiàn)近垂直、相互平行狀態(tài),走向與最大水平主應(yīng)力方向平行,規(guī)模一般較自然裂縫大得多。這種裂縫與地應(yīng)力有密切關(guān)系,排列整齊,規(guī)律性強。在電成像測井圖像上響應(yīng)特征為[12]:

(1) 一般與井壁近似平行,寬度基本一致,呈近于180°對稱分布的暗色條帶分布,且總是出現(xiàn)在現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向。

(2) 當(dāng)井身垂直時,以一條高角度張性裂縫為主,兩側(cè)有2組羽毛狀的微小裂縫,或彼此平行,或共軛相交;當(dāng)井身傾斜時,壓裂縫全部變成同一方向,且彼此平行的傾斜縫。

1.2 壓裂縫視寬度計算

利用電成像測井圖像,采用圖像處理方法,具體分點模式與段模式2種方式分別提取壓裂縫目標(biāo),計算其視寬度。在點模式中選擇壓裂縫任一點,計算該點周圍壓裂縫沿縫寬方向的視寬度;在段模式中選擇一段壓裂縫,計算該段壓裂縫的平均視寬度。

1.2.1 點模式

在電成像測井圖像上通過鼠標(biāo)點擊壓裂縫中任一點,通過區(qū)域生長法提取鼠標(biāo)點周圍區(qū)域沿縫寬方向的壓裂縫目標(biāo),計算該目標(biāo)的視寬度。

區(qū)域生長法是一種串行區(qū)域分割方法,從某個像素作為種子點出發(fā),按照一定的準(zhǔn)則,將與種子點有相似屬性(如灰度級、紋理與顏色等特征)的點逐步加入鄰域像素,當(dāng)滿足一定的條件時,區(qū)域生長終止。點模式只計算當(dāng)前點的壓裂縫視寬度,所以,只需要沿著圖像橫向方向進(jìn)行區(qū)域生長即可。圖1為點模式橫向區(qū)域生長示意圖,圖1中紅色點表示種子點,深、淺藍(lán)點表示壓裂縫區(qū)域,綠點表示非裂縫電成像區(qū)域;按照橫向區(qū)域生長,從紅色種子點開始,沿當(dāng)前點左右橫向生長,當(dāng)不滿足閾值條件時,停止生長,如圖1淺藍(lán)色點區(qū)域之間的距離即為當(dāng)前點壓裂縫的視寬度。

圖1 點模式區(qū)域生長法示意圖

1.2.2 段模式

段模式是采用自動與人機交互相結(jié)合的方式提取一段地層的壓裂縫視寬度。如圖2所示為段模式計算壓裂縫視寬度流程圖,首先生成壓裂目標(biāo)的電測井圖像,采用自動方法對含有壓裂縫目標(biāo)的電成像測井圖像自動分類,提取壓裂縫目標(biāo);輔助人機交互方式對自動提取壓裂縫目標(biāo)進(jìn)行修正,達(dá)到最佳分割效果;最后對分割的壓裂縫目標(biāo)的平均視寬度進(jìn)行計算。

圖2 段模式計算壓裂縫視寬度流程圖

如果電成像測井圖像中只存在壓裂縫與一種背景時,圖像直方圖顯示為雙峰特征。然而實測壓裂縫電成像測井圖像存在多類目標(biāo),直方圖不存在雙峰情況,針對此類問題提出了一種雙類間最大方差法自動提取壓裂縫目標(biāo)。如圖3是實測的電成像圖像直方圖,從圖3看該直方圖不是雙峰,而是3峰,用類間最大方差法分割得不到好的壓裂縫目標(biāo)[13]。

圖3 實測的電成像圖像直方圖

(1) 雙類間最大方差法。類間最大方差法是采用2類之間方差最大的準(zhǔn)則分割2類的最佳分類方法。對于圖3直方圖所示的壓裂縫、背景及其他目標(biāo)等3類分類問題,首先使用類間最大方差法將圖像分割成2類,即在類間最大方差法確定最佳閾值t的基礎(chǔ)上,根據(jù)閾值t將電成像靜態(tài)灰度圖像分割為2部分。在分割后的2部分中,分別再使用類間最大方差法,計算各自子類中的最佳分類,分別確定2個最佳閾值t2與t3;選取閾值t2與閾值t3的類間方差最大的閾值作為第2類與第3類的分割閾值,即從t2和t3這2個閾值中選取一個最佳分割值t1;由t1和t確定電成像測井圖像中壓裂縫與其他2種背景及另一種目標(biāo)等3類。

(2) 人機交互精確提取壓裂縫。在自動提取壓裂縫后,如果對自動提取的壓裂縫結(jié)果不理想,可以輔助人機交互方式對自動提取壓裂縫目標(biāo)進(jìn)行修正,即手動調(diào)節(jié)自動方式確定的分割雙閾值,以達(dá)到最佳分割效果。手動調(diào)節(jié)雙閾值時,可實時預(yù)覽當(dāng)前分割的結(jié)果。

段模式采用雙閾值的方法使壓裂縫目標(biāo)區(qū)域更加明確;同時輔助人工調(diào)節(jié)閾值,達(dá)到精確提取裂縫。

1.3 程序?qū)崿F(xiàn)

采用點模式與段模式計算壓裂縫視寬度方法移植到中海油EGPS平臺上。采用EGPS平臺進(jìn)行電成像測井預(yù)處理,生成壓裂縫電成像測井靜態(tài)圖像。通過選擇電成像靜態(tài)圖像,分別采用點模式與段模式計算壓裂縫視寬度。

2 實例分析

圖4所示為點模式計算壓裂縫視寬度軟件界面。界面左邊部分是電成像圖像,右上方是模式方式選擇框,右中部是點模式視寬度、傾向等顯示部分。在點模式下,在右上方模式選擇中選擇“點模式”,在右中部選擇合適閾值(初始值為5);界面左邊的電成像圖像的一條壓裂縫上鼠標(biāo)左鍵點擊(種子點的選取),通過區(qū)域生長法,提取當(dāng)前點處壓裂縫目標(biāo);同時也會在提取點壓裂縫區(qū)域左右顯示2條垂直綠線,2條垂直綠線之間距離表明為當(dāng)前點壓裂縫視寬度,依據(jù)實際深度與圖像高度比例關(guān)系,計算提取的壓裂縫的視寬度,如圖2提取的壓裂縫視寬度計算結(jié)果為1.9 mm,顯示在界面右中間部分。

圖4 點模式計算壓裂縫視寬度界面

圖5 段模式計算壓裂縫視寬度界面

如圖5所示為段模式計算壓裂縫視寬度軟件界面。該界面分為4個部分,右下方顯示段模式選擇的原始壓裂縫的圖像;左上方為圖像對應(yīng)的灰度直方圖;左下方為雙類間最大方差法及人機交互處理分割后壓裂縫圖像以及分割后區(qū)域選擇按鈕,左中部分為人機交互處理時手工調(diào)節(jié)2個閾值的滑動條;右上方為壓裂縫信息,包括起始與終止深度,以及計算后的壓裂縫的視寬度。

段模式工作模式,在圖4右上方模式方式選擇框中選擇“段模式”,然后在圖4左邊的電成像圖像上,通過鼠標(biāo)左鍵點擊2個點,選擇一段壓裂縫,然后點擊“段模式確定”按鈕,彈出圖5所示段模式計算壓裂縫視寬度界面。此時采用雙類間最大方差法分割壓裂縫圖像,分割結(jié)果如圖5左下方所示。依據(jù)左上方直方圖,采用人機交互方式對雙類間最大方差法自動分割結(jié)果進(jìn)行精細(xì)分割,通過調(diào)節(jié)圖5左邊中部閾值滑動條改變這兩個值,使雙閾值圖達(dá)到最佳的效果,交互方式分割的壓裂縫圖像自動更新圖5左下方分割顯示區(qū)域。根據(jù)最終的分割結(jié)果,選擇區(qū)域選擇作為壓裂縫目標(biāo),依據(jù)圖5選擇分割結(jié)果的黑色區(qū)域作為最終的壓裂縫目標(biāo),依據(jù)實際深度與圖像高度比例關(guān)系,計算該段壓裂縫的平均視寬度為2.02 mm。

基于以上實測電成像圖像壓裂視縫寬度計算,分別從適用性、性質(zhì)、速度及特點4方面對2種模式進(jìn)行總結(jié)如表1所示。點模式法對當(dāng)前點壓裂縫視寬度計算具有速度快、計算簡單、方便但精度較低的特點;段模式法對一段壓裂縫平均視寬度進(jìn)行計算具有速度慢、計算復(fù)雜但精度較高的特點。

表1 2種模式計算壓裂縫對比表

3 結(jié) 論

(1) 壓裂縫是一種誘導(dǎo)縫,是重泥漿與地應(yīng)力不均衡造成的,其存在不僅造成鉆井液的嚴(yán)重漏失,還將影響壓裂井的壓后產(chǎn)量。分析確定壓裂縫寬度,對優(yōu)化壓裂設(shè)計和指導(dǎo)鉆井工程有一定意義。

(2) 通過點模式與段模式的2種方法處理,依據(jù)電成像測井圖像分別計算出壓裂縫的視寬度,雙類間最大方差法較好地處理直方圖非雙峰壓裂縫目標(biāo),同時加入人工交互的手段,使壓裂縫視寬度的計算更加精確。

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