裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層氣水識(shí)別的測(cè)井解釋新途徑
——以四川盆地九龍山地區(qū)中二疊統(tǒng)為例

楊 華 張本健 陳明江 孫志昀 田云英楊 迅 王宇峰 湯興宇 胡 欣

1.中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦 2.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院

3.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開(kāi)發(fā)研究院

0 引言

九龍山構(gòu)造位于四川盆地西北部蒼溪縣境內(nèi)，經(jīng)過(guò)多輪油氣勘探，在多套深層海相地層測(cè)試獲得了高產(chǎn)氣流，區(qū)帶內(nèi)天然氣資源量大，立體勘探優(yōu)勢(shì)凸顯，是川西北部深層海相天然氣勘探開(kāi)發(fā)示范工程的重要組成部分[1-3]。目前，該區(qū)中二疊統(tǒng)完井9口，累計(jì)測(cè)試產(chǎn)量為671.14×104m3/d，其中茅口組測(cè)試井7口，產(chǎn)氣井4口，產(chǎn)水井3口；棲霞組完成測(cè)試井3口，產(chǎn)氣井2口，產(chǎn)水井1口。由此可見(jiàn)，該區(qū)中二疊統(tǒng)一方面表現(xiàn)出較大的勘探潛力，另一方面又表現(xiàn)出復(fù)雜的儲(chǔ)層特征和氣水關(guān)系，氣、水層識(shí)別難度大。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)氣藏特征，打開(kāi)勘探新局面，有必要開(kāi)展針對(duì)性的氣、水層識(shí)別方法研究。

前人提出的視地層水電阻率譜法、彈性參數(shù)法、曲線(xiàn)重疊法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法及核磁共振T1—T2連續(xù)譜法等多種方法，在判別孔隙度相對(duì)較高的碳酸鹽巖儲(chǔ)層流體類(lèi)型中效果較好[4-14]。然而，這些方法在九龍山地區(qū)中二疊統(tǒng)的應(yīng)用效果差，根本原因在于中二疊統(tǒng)儲(chǔ)層為一套低孔裂縫性?xún)?chǔ)層[15-16]，平均孔隙度小于2 %，同時(shí)發(fā)育大量非均勻巖石構(gòu)造，電阻率變化劇烈、三孔隙度曲線(xiàn)基本不反映流體信息，氣、水層識(shí)別難度遠(yuǎn)高于以孔隙或孔洞為主的儲(chǔ)層。為此，筆者從裂縫及儲(chǔ)層類(lèi)型的識(shí)別入手，采用一種新方法來(lái)降低裂縫對(duì)電阻率的影響，以期提高氣、水層識(shí)別的準(zhǔn)確率。

1 非相關(guān)性裂縫識(shí)別方法

九龍山地區(qū)中二疊統(tǒng)氣、水層識(shí)別的關(guān)鍵在于正確識(shí)別天然裂縫，而各種非均勻巖石構(gòu)造、誘導(dǎo)壓裂縫和應(yīng)力釋放縫成為天然裂縫識(shí)別的最大障礙。中二疊統(tǒng)發(fā)育多種非均勻巖石構(gòu)造，其中以薄層狀構(gòu)造、眼球狀構(gòu)造和石灰?guī)r團(tuán)塊構(gòu)造為主。這些沉積構(gòu)造的常規(guī)測(cè)井響應(yīng)特征盡管都表現(xiàn)為電阻率降低、聲波時(shí)差增高、密度呈鋸齒狀起伏、中子孔隙度略有增大等特點(diǎn)，與天然裂縫性?xún)?chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征雖有一定的相似性，但曲線(xiàn)間的相關(guān)性相對(duì)較好，即三孔隙度曲線(xiàn)之間以及深、淺探測(cè)電阻率曲線(xiàn)之間的相對(duì)變化趨勢(shì)基本保持一致，如圖1所示。此外，該區(qū)地層壓力系數(shù)很高，介于2.0～2.2，屬于超壓地層，在鉆井中使用的鉆井液密度大，造成井壁頻繁出現(xiàn)誘導(dǎo)壓裂縫，與應(yīng)力釋放裂縫、非均勻巖石構(gòu)造、泥質(zhì)條紋和天然裂縫交織，給成像測(cè)井識(shí)別天然裂縫也帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。為此，提出了利用常規(guī)測(cè)井曲線(xiàn)的非相關(guān)性特征識(shí)別裂縫及儲(chǔ)層類(lèi)型的方法。

天然裂縫在地層中的發(fā)育具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，在縱向、徑向、水平方位上的寬度、密度、彎曲度常有很大的變化，導(dǎo)致探測(cè)深度、縱向分辨率、探測(cè)方位和探測(cè)機(jī)理各不相同的測(cè)井曲線(xiàn)呈現(xiàn)不一致的變化趨勢(shì)，即非相關(guān)性變化。通過(guò)分析各測(cè)井曲線(xiàn)自身特征及相互間的變化趨勢(shì)即可準(zhǔn)確識(shí)別裂縫并判斷儲(chǔ)層類(lèi)型。研究區(qū)測(cè)井曲線(xiàn)間的非相關(guān)性具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1.1 天然裂縫導(dǎo)致三孔隙度曲線(xiàn)間的非相關(guān)性

1.1.1 聲波時(shí)差

理論與實(shí)驗(yàn)研究均表明，對(duì)于高角度裂縫，無(wú)論其發(fā)育程度如何，聲波時(shí)差均無(wú)增高趨勢(shì)，其值基本為巖石骨架時(shí)差。當(dāng)裂縫發(fā)育程度相同時(shí)，隨著裂縫傾角的減小，聲波時(shí)差逐漸增大；對(duì)于低角度裂縫或水平裂縫，聲波時(shí)差將顯著增高，甚至發(fā)生跳波。

1.1.2 中子孔隙度

中子孔隙度大小取決于地層中的含氫指數(shù)，包括巖石空隙中所含流體的含氫指數(shù)、黏土礦物結(jié)晶水、束縛水，巖石骨架的等效含氫指數(shù)等。由于裂縫的孔隙度很小，一般都低于1 %，因此裂縫對(duì)中子含氫指數(shù)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于地層其他介質(zhì)的貢獻(xiàn)，特別當(dāng)裂縫含氣時(shí)，其含氫指數(shù)對(duì)應(yīng)的中子孔隙度幾乎可忽略不計(jì)。

1.1.3 密度

密度測(cè)井儀是極板推靠型儀器，對(duì)于均勻、各向同性地層，密度測(cè)井孔隙度等于地層總孔隙度；對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的裂縫性地層，密度測(cè)井值的大小易受極板與裂縫的相對(duì)位置影響而呈現(xiàn)鋸齒狀或尖刺狀起伏，導(dǎo)致密度孔隙度可能高于或低于地層總孔隙度。

由此可見(jiàn)，裂縫導(dǎo)致密度和聲波時(shí)差的變化趨勢(shì)與中子孔隙度呈現(xiàn)明顯的不一致甚至相反的變化趨勢(shì)，即非相關(guān)性變化，其相對(duì)變化特征與裂縫產(chǎn)狀密切相關(guān)；非均勻巖石構(gòu)造的三孔隙度曲線(xiàn)盡管表現(xiàn)出一定起伏特征，但相對(duì)變化趨勢(shì)卻保持較好的一致性，即相關(guān)性好。

1.2 天然裂縫導(dǎo)致深、淺探測(cè)電阻率之間的非相關(guān)性

天然裂縫的產(chǎn)狀、張開(kāi)度和充填程度的變化常常導(dǎo)致深、淺探測(cè)電阻率的高低和差異性質(zhì)出現(xiàn)非相關(guān)性變化。高角度裂縫常導(dǎo)致深、淺探測(cè)電阻率呈現(xiàn)大幅正差異特征，且差異幅度與流體性質(zhì)無(wú)關(guān)，而是隨裂縫產(chǎn)狀變化而變化。如圖2所示，LT-1井5 885～5 889 m雙側(cè)向電阻率呈大幅正差異劇烈起伏，同時(shí)聲波與密度曲線(xiàn)呈鋸齒狀起伏與中子孔隙度曲線(xiàn)呈明顯的非相關(guān)性，表明該段高角度裂縫非常發(fā)育并得到成像測(cè)井的證實(shí)。誘導(dǎo)壓裂縫也常導(dǎo)致深、淺探測(cè)電阻率呈大幅正差異特征，但因其徑向延伸淺，且產(chǎn)狀、寬度基本保持穩(wěn)定，使深、淺探測(cè)電阻率差異幅度變化極小，呈近于穩(wěn)定、平行的“雙軌”特征，如圖2下部5 902～5 905 m井段所示。

低角度裂縫的深、淺探測(cè)電阻率曲線(xiàn)呈尖刺狀降低，基本重合或小幅負(fù)差異，兩者變化趨勢(shì)一致，具有較好的相關(guān)性，但密度和聲波時(shí)差曲線(xiàn)與中子孔隙度曲線(xiàn)仍然表現(xiàn)出明顯的非相關(guān)性，即密度降低、聲波時(shí)差增大，而中子孔隙度無(wú)明顯變化（圖3）。

基于上述裂縫識(shí)別方法及薄片鑒定和巖心觀(guān)察，確定了九龍山中二疊統(tǒng)茅口組和棲霞組儲(chǔ)層類(lèi)型均以縫洞型為主，其次為孔洞型和裂縫型，并總結(jié)了各類(lèi)儲(chǔ)層和非均勻巖石構(gòu)造的常規(guī)測(cè)井曲線(xiàn)非相關(guān)性特征及模式（圖4）。基于該特征模式，可有效地識(shí)別儲(chǔ)層類(lèi)型，為氣、水層的識(shí)別創(chuàng)造了條件。

2 氣、水層識(shí)別方法

中二疊統(tǒng)裂縫性?xún)?chǔ)層的氣、水層識(shí)別面臨兩大難題：①儲(chǔ)層孔隙度極低，且所含天然氣為干氣，中子孔隙度變化極小，三孔隙度曲線(xiàn)重疊法已不再適用；②裂縫對(duì)測(cè)量電阻率影響極大，且隨著裂縫產(chǎn)狀、張開(kāi)度、充填度和充填物質(zhì)的不同而產(chǎn)生劇烈變化，同時(shí)鉆井液對(duì)裂縫的侵入較深，特別對(duì)氣層中的低角度裂縫侵入深度會(huì)更大，常超過(guò)測(cè)井的徑向探測(cè)深度，使氣層電阻率進(jìn)一步下降。由圖5-a所示，8口測(cè)試井中有6口井產(chǎn)氣（紅色點(diǎn)）、2口井產(chǎn)水（藍(lán)色點(diǎn)），測(cè)試氣層段電阻率最小值小于20 Ω·m，而水層段電阻率最大值超過(guò)1 000 Ω·m，兩者電阻率重疊，無(wú)顯著界線(xiàn)。這是裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層普遍存在的問(wèn)題，也因此而導(dǎo)致部分學(xué)者認(rèn)為電阻率法已完全不適用于裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層的流體類(lèi)型判別。然而，在僅有常規(guī)測(cè)井資料的條件下，電阻率信息是唯一能夠用于流體類(lèi)型判別的資料。

通過(guò)對(duì)測(cè)試井段電阻率特征的深入分析，認(rèn)為導(dǎo)致氣、水層電阻率重疊的根本原因是測(cè)試井段既包含了裂縫發(fā)育段，也包含了致密層和非均勻巖石構(gòu)造層，導(dǎo)致電阻率變化范圍較大。利用前述非相關(guān)性分析法排除非均勻巖石構(gòu)造和致密層，得到如圖5-b所示交會(huì)圖。從圖5-b中可以看出，絕大部分氣、水層交會(huì)點(diǎn)已明顯分離，但仍有部分重疊，必須對(duì)電阻率曲線(xiàn)作進(jìn)一步處理。

由于地層電阻率受巖石構(gòu)造、空隙空間結(jié)構(gòu)和流體類(lèi)型及飽和度等多種因素的綜合影響，要完全消除某一種影響因素幾乎是不可能的。但通常認(rèn)為，裂縫性?xún)?chǔ)層局部電阻率的降低受裂縫的影響最顯著，而宏觀(guān)電阻率（背景電阻率）則主要受基質(zhì)巖塊所含流體類(lèi)型的影響。基于此，采用高斯濾波公式對(duì)深側(cè)向電阻率進(jìn)行濾波處理，既可消除低角度裂縫造成的低電阻率異常，又能減小高阻致密層和非均勻巖石構(gòu)造的影響，突出反映基質(zhì)巖塊流體性質(zhì)的宏觀(guān)電阻率。高斯濾波公式為：

式中x、G分別表示原始電阻率和濾波電阻率，Ω·m；μ表示均值；σ表示方差。

高斯濾波在信號(hào)和圖像處理中被廣泛應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)上是對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理，消除噪聲。濾波電阻率為該點(diǎn)原始電阻率和濾波窗長(zhǎng)內(nèi)相鄰點(diǎn)的加權(quán)平均值。圖6展示了不同濾波窗長(zhǎng)濾波后電阻率曲線(xiàn)對(duì)比，隨著濾波窗長(zhǎng)的增大，濾波曲線(xiàn)變得更加平滑，對(duì)電阻率尖刺狀降低點(diǎn)的過(guò)濾效果明顯，而電阻率整體平均值的變化較小。本次采用4 m窗長(zhǎng)對(duì)研究區(qū)原始電阻率曲線(xiàn)進(jìn)行濾波，得到圖5-c所示交會(huì)圖。由圖5-c可見(jiàn)，雖然氣、水層交會(huì)點(diǎn)已明顯分離，但電阻率界線(xiàn)并非定值，原因在于不同儲(chǔ)層類(lèi)型的氣、水層電阻率變化范圍是存在差異的。

基于前述儲(chǔ)層類(lèi)型的識(shí)別方法，將圖5-c中的交會(huì)點(diǎn)按儲(chǔ)層類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，得到如圖7所示交會(huì)圖版。圖7中電阻率隨孔隙度變化的直線(xiàn)斜率反映的是空隙空間結(jié)構(gòu)指數(shù)，即阿爾奇公式中的m值。實(shí)踐表明，取Sw=50%時(shí)，不同m值的變化范圍可區(qū)分不同的儲(chǔ)層類(lèi)型。裂縫型儲(chǔ)層m值最低，通常介于1.2～1.6；縫洞型儲(chǔ)層的m值變化范圍較大，通常介于1.6～2.2之間；孔洞型儲(chǔ)層m值通常大于2.2，且孔洞連通性越差，m值越高[17-20]。根據(jù)圖7中交會(huì)點(diǎn)的分布可以確定裂縫型氣層電阻率下限為100 Ω·m；縫洞型氣層電阻率下限為200 Ω·m，縫洞型水層電阻率上限為160 Ω·m； 孔洞型氣層電阻率下限為300 Ω·m，孔洞型水層電阻率上限為200 Ω·m。值得注意的是，圖7-c中藍(lán)色交會(huì)點(diǎn)雖然為孔洞型儲(chǔ)層，但分布在m=2.2、Sw=50%線(xiàn)的左側(cè)，其原因在于水層的含水飽和度大于50%。圖7中不同類(lèi)型儲(chǔ)層的氣、水層電阻率界限并非定值，從裂縫型到縫洞型、孔洞型，氣層電阻率下限由100 Ω·m逐漸增大至300 Ω·m；水層的電阻率上限也由縫洞型儲(chǔ)層的160 Ω·m增大至孔洞型儲(chǔ)層的200 Ω·m。將不同類(lèi)型儲(chǔ)層的氣、水層交會(huì)點(diǎn)繪制在同一交會(huì)圖中便得到如圖8-a所示的氣、水層判別圖版，并可確定兩條向右上傾斜的直線(xiàn)，分別為氣層電阻率下限和水層電阻率上限。從水層電阻率上限的變化趨勢(shì)可確定裂縫型水層電阻率上限為80 Ω·m。利用該圖版對(duì)L004-3井茅口、棲霞組儲(chǔ)層的流體性質(zhì)進(jìn)行了判別，交會(huì)點(diǎn)全部在水層區(qū)，判別為水層（圖8-b）。該井棲霞和茅口組合試日產(chǎn)水432 m3，僅含微氣，驗(yàn)證了該圖版對(duì)裂縫性?xún)?chǔ)層氣、水判別的有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）電阻率曲線(xiàn)是常規(guī)測(cè)井資料中能夠?qū)α芽p性?xún)?chǔ)層進(jìn)行氣、水判別的最重要信息，但在應(yīng)用時(shí)須首先準(zhǔn)確識(shí)別裂縫及儲(chǔ)層類(lèi)型，并通過(guò)選擇合適的濾波窗長(zhǎng)對(duì)電阻率曲線(xiàn)進(jìn)行高斯濾波處理，降低裂縫對(duì)電阻率的影響，并根據(jù)儲(chǔ)層類(lèi)型分別確定氣、水層的電阻率界限值。

2）所建立的高斯濾波電阻率—孔隙度交會(huì)圖版不僅提高了九龍山中二疊統(tǒng)茅口、棲霞組氣、水層判別的準(zhǔn)確性，同時(shí)該方法也可應(yīng)用于其他地區(qū)裂縫性?xún)?chǔ)層的流體類(lèi)型判別。