基于陣列聲波測(cè)井的裂縫有效性定量評(píng)價(jià)方法

陸云龍,崔云江,關(guān)葉欽,熊鐳

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司,天津300459)

0 引 言

以渤中19-6潛山油氣藏等[1]為代表的渤海油田裂縫性油氣藏[2],其儲(chǔ)量規(guī)模較大,裂縫發(fā)育,是勘探、開發(fā)的重要目標(biāo)。裂縫性油氣藏在裂縫特征、巖性、孔隙結(jié)構(gòu)等方面與常規(guī)油氣藏相比存在一定差異,電阻率測(cè)井響應(yīng)特征復(fù)雜、多解性強(qiáng),通常結(jié)合電成像測(cè)井開展裂縫拾取與評(píng)價(jià),但裂縫的延伸性和空間展布等仍難以準(zhǔn)確刻畫。

Bremer等[3-5]基于常規(guī)測(cè)井曲線對(duì)裂縫測(cè)井響應(yīng)特征進(jìn)行總結(jié),根據(jù)雙側(cè)向、三孔隙度等參數(shù)劃分裂縫段,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層定性劃分,但無法做到定量計(jì)算。牛虎林等[6-7]通過電成像測(cè)井理論模擬、成像處理、裂縫拾取等實(shí)現(xiàn)裂縫參數(shù)及面孔率定量表征,但裂縫有效性難以定量評(píng)價(jià)。Endo等[8]采用斯通利波反射波定性評(píng)價(jià)裂縫發(fā)育情況,使得陣列聲波測(cè)井成為裂縫評(píng)價(jià)的一種有效手段。近年來,隨著陣列聲波測(cè)井理論不斷完善,其在裂縫評(píng)價(jià)中表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。Chen等[9]通過理論推導(dǎo)模擬出地層存在裂縫時(shí)理論聲波測(cè)井響應(yīng)特征及變化規(guī)律,唐曉明[10]通過引入擠噴流理論對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn),得到含孔-裂隙條件下聲波測(cè)井響應(yīng)特征,為裂縫評(píng)價(jià)奠定了理論基礎(chǔ)。呂洪志等[11]通過對(duì)含裂縫條件下的巖石物理模型推導(dǎo)得到一種等效介質(zhì)理論,計(jì)算的裂縫密度能夠定性表征裂縫的發(fā)育程度。

該文以陣列聲波測(cè)井資料為基礎(chǔ),通過裂縫孔隙度計(jì)算確定裂縫發(fā)育區(qū)域,在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)不同尺度裂縫的延伸性、開啟性及產(chǎn)液能力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裂縫的多尺度定量評(píng)價(jià),為裂縫性油氣藏評(píng)價(jià)提供可靠的裂縫參數(shù)信息。

1 裂縫孔隙度計(jì)算及裂縫區(qū)域劃分

裂縫孔隙包含微裂縫與宏觀裂縫,是裂縫發(fā)育規(guī)模的總體反映,通常通過孔隙縱橫比刻畫裂縫的特征。巖石物理實(shí)驗(yàn)表明,裂縫對(duì)巖石聲學(xué)及力學(xué)性質(zhì)較為敏感,通過陣列聲波測(cè)井提供的地層聲學(xué)、力學(xué)參數(shù)是評(píng)價(jià)裂縫孔隙度的有效手段。根據(jù)Norris[12-13]等提出的多孔介質(zhì)模型,儲(chǔ)層孔隙空間由一系列不同形狀的孔隙體組成,孔隙體由孔隙縱橫比及對(duì)應(yīng)的體積表征。當(dāng)儲(chǔ)層存在裂縫時(shí),孔隙空間由孔隙與裂縫共同組成。由于孔隙形狀復(fù)雜多變,同時(shí)裂縫大小不一,對(duì)應(yīng)的孔隙縱橫比較為復(fù)雜,為此需要進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。根據(jù)等效基質(zhì)理論,將孔隙空間劃分為孔隙與裂縫2部分,給定2種孔隙體對(duì)應(yīng)的孔隙縱橫比及對(duì)應(yīng)體積。改進(jìn)簡(jiǎn)化的孔隙縱橫比譜分布函數(shù)[14],帶入多孔介質(zhì)模型,降低反演多解性,得到更為簡(jiǎn)化的包含裂縫孔隙度和基質(zhì)孔隙度的巖石體積模量微分方程

φf[Kf-K(φ)]Pf+φp[Kp-K(φ)]Pp

(1)

φf[Gf-G(φ)]Qf+φp[Gp-G(φ)]Qp

(2)

式中,φ為孔隙度,小數(shù);K(φ)、G(φ)為巖石等效體積模量與剪切模量,GPa;φf、φp分別為裂縫、基質(zhì)孔隙度,小數(shù);υma為骨架體積百分含量,小數(shù);Pf、Qf為裂縫形狀因子;Pp、Qp為基質(zhì)孔隙度形狀因子;Pma、Qma為骨架形狀因子;Kf、Gf為裂縫內(nèi)流體的體積模量與剪切模量,GPa;Kp、Gp分別為基質(zhì)孔隙內(nèi)流體的體積模量與剪切模量,GPa;Kma、Gma分別為骨架體積模量與剪切模量,GPa。

由式(1)、式(2)可以看出,當(dāng)儲(chǔ)層存在裂縫時(shí),由于裂縫與基質(zhì)孔隙形狀因子不同,導(dǎo)致模型解產(chǎn)生變化。圖1為含裂縫微分等效模型體積模量計(jì)算效果圖,其中總孔隙度分別為10%、20%、30%,裂縫孔隙縱橫比為0.01、基質(zhì)孔隙縱橫比為1.00,骨架體積模量為44 GPa,孔隙中填充水?？梢钥闯霎?dāng)總孔隙度不變時(shí),隨著裂縫孔隙度不斷增加,巖石體積模量逐漸降低,而當(dāng)裂縫孔隙度不變時(shí),總孔隙度越高,巖石體積模量越低。

圖1 含裂縫微分等效模型體積模量計(jì)算效果圖

實(shí)際資料處理時(shí),裂縫孔隙縱橫比已知,建立體積模量與剪切模量目標(biāo)反演函數(shù)

F(φf)=|K-K(φ)|2+|G-G(φ)|2

(3)

式中,F(φf)為目標(biāo)函數(shù);K、G分別為地層體積模量、剪切模量,GPa。

通過式(3)對(duì)裂縫孔隙度的不斷迭代計(jì)算,使得式(1)、式(2)計(jì)算的體積模量與剪切模量與實(shí)際地層測(cè)量結(jié)果誤差最小,最終確定裂縫孔隙度。

圖2為渤海BZ油田碳酸鹽巖地層裂縫孔隙度計(jì)算效果圖。通過測(cè)井曲線可見,4 356～4 375 m井段自然伽馬較低,深側(cè)向電阻率(第3道藍(lán)線)與淺側(cè)向電阻率(第3道紅線)較高,聲波時(shí)差較低,中子、密度曲線重疊,為石灰?guī)r地層,巖性較純,電成像測(cè)井顯示地層較為致密,無宏觀裂縫發(fā)育,等效介質(zhì)模型計(jì)算的裂縫孔隙度較低,裂縫不發(fā)育。4 375～4 400 m井段自然伽馬相對(duì)較高,深、淺電阻率較低,聲波時(shí)差增大,中子、密度曲線分開明顯,為白云巖地層,溶蝕明顯,電成像測(cè)井顯示裂縫較為發(fā)育,等效介質(zhì)模型計(jì)算的裂縫孔隙度較高,裂縫孔隙度計(jì)算結(jié)果與電成像測(cè)井匹配效果較好。

圖2 渤海BZ油田碳酸鹽巖地層裂縫孔隙度計(jì)算效果圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 多尺度裂縫有效性綜合評(píng)價(jià)方法

通過裂縫孔隙度可以劃分裂縫發(fā)育區(qū)域,但難以區(qū)分裂縫尺度類型及有效性。通常宏觀裂縫對(duì)于儲(chǔ)層產(chǎn)能貢獻(xiàn)較高,為此需要根據(jù)陣列聲波測(cè)井結(jié)合電成像測(cè)井等資料開展進(jìn)一步分析,進(jìn)行裂縫尺度類型、裂縫空間展布及開啟性、裂縫產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力等有效性評(píng)價(jià)。

2.1 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)識(shí)別大尺度宏觀裂縫

大尺度宏觀裂縫對(duì)于儲(chǔ)層產(chǎn)能具有決定性作用,需要優(yōu)先尋找裂縫發(fā)育帶中大尺度宏觀裂縫。基于陣列聲波測(cè)井的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)[15-16],以儀器接收的偶極彎曲波的反射波為基礎(chǔ),通過數(shù)據(jù)疊加、偏移、成像等處理,探測(cè)井眼外地層20 m范圍內(nèi)裂縫產(chǎn)生的反射波,并定量刻畫裂縫產(chǎn)狀及范圍,是目前橫向探測(cè)深度最深的測(cè)井方法,對(duì)于大尺度裂縫評(píng)價(jià)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)技術(shù)使得測(cè)井評(píng)價(jià)由井壁附近延伸到井外,彌補(bǔ)了常規(guī)聲波測(cè)井橫向解釋深度較淺的局限性。

圖3為渤海LD-2井古近系沙河街組常規(guī)砂泥巖地層測(cè)井響應(yīng)特征圖。該井2 656～2 720 m井段巖性為含礫細(xì)砂巖,通過常規(guī)測(cè)井曲線可以看出,2 656～2 685 m井段自然伽馬(第1道紅線)較低、電阻率(第3道)較高,密度(第4道紅線)較高、聲波時(shí)差(第4道黑線)較低,常規(guī)測(cè)井顯示儲(chǔ)層較為致密、物性較差,但偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)(第5道)處理結(jié)果顯示,2 676～2 686 m井段存在較強(qiáng)的反射波,該深度范圍內(nèi)雖然物性較差,但發(fā)育大尺度宏觀裂縫,裂縫傾角范圍為35°～45°,裂縫長(zhǎng)度范圍為45～47 m,因此,存在較好的滲透性,該井在2 682～2 686 m處鉆井發(fā)生大量井漏,進(jìn)一步證實(shí)了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)識(shí)別的裂縫可靠性較高。2 685～2 720 m井段聲波時(shí)差較高,密度較低,儲(chǔ)層物性較好,但偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)未見裂縫發(fā)育,儲(chǔ)層孔隙發(fā)育而裂縫不發(fā)育。

圖3 渤海LD-2井古近系沙河街組常規(guī)砂泥巖地層測(cè)井響應(yīng)特征圖

2.2 裂縫延伸范圍及產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力定量評(píng)價(jià)

電成像測(cè)井通過測(cè)量井壁電導(dǎo)率差異進(jìn)而拾取井壁附近的宏觀裂縫產(chǎn)狀信息,通過裂縫開度、密度等信息間接判別裂縫有效性,難以定量評(píng)價(jià)拾取的裂縫延伸范圍及產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力。陣列聲波測(cè)井橫向探測(cè)深度較深,能夠較好地反映裂縫的延伸范圍及產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力。

陣列聲波測(cè)井通常采用正交偶極模式測(cè)量地層橫波特性,測(cè)量的彎曲波具有強(qiáng)烈的頻散特性。當(dāng)?shù)貙哟嬖诹芽p時(shí),巖石原有彈性張量發(fā)生變化有

(4)

式中,c44、c55為彈性剛度矩陣中的參數(shù),GPa;δ為裂縫發(fā)育程度因子。

由式(4)可以看出,當(dāng)?shù)貙硬淮嬖诹芽p時(shí),表現(xiàn)為各向同性特征,c44=c55。當(dāng)?shù)貙哟嬖诹芽p時(shí),c44發(fā)生變化,使得地層出現(xiàn)各向異性特征,導(dǎo)致橫波產(chǎn)生分裂現(xiàn)象[17],形成快、慢橫波?？鞕M波沿裂隙走向偏振,不受裂縫影響,僅與剪切模量有關(guān),由c55確定。慢橫波垂直于裂隙平面?zhèn)鞑?受裂縫影響較大,由c44確定。當(dāng)裂縫延伸范圍較大時(shí),c44明顯降低,使得慢橫波速度降低,此時(shí)快、慢橫波頻散曲線將在低頻截止值附近產(chǎn)生較大差異。

裂縫有效性主要體現(xiàn)在裂縫的產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力,產(chǎn)液能力越強(qiáng),裂縫有效性越好。對(duì)于任一構(gòu)造裂縫,均為地層破裂的直接結(jié)果,體現(xiàn)為一種微觀級(jí)別的斷層特征。當(dāng)巖石在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫后,裂縫面上的內(nèi)聚力非常小,此時(shí)裂縫的有效性受裂縫面上有效正應(yīng)力與剪切應(yīng)力控制,可通過摩擦系數(shù)表征

(5)

式中,μ為摩擦系數(shù);τ為有效切應(yīng)力,MPa;σn為有效正應(yīng)力,MPa。

摩擦系數(shù)反映裂縫存在的狀態(tài),同時(shí)控制著原生裂縫的變化,因此,摩擦系數(shù)的大小直接反應(yīng)裂縫對(duì)產(chǎn)液能力的貢獻(xiàn)大小[18]。由式(5)可知,摩擦系數(shù)求取需要計(jì)算裂縫面上有效切應(yīng)力與有效正應(yīng)力,因裂縫傾角與方位隨機(jī)性較大,通常采用三維莫爾圓法[19]計(jì)算有效正應(yīng)力與有效切應(yīng)力。如圖4所示,處于三向有效主應(yīng)力中的任一裂縫,其所對(duì)應(yīng)的有效主應(yīng)力σ1、σ2、σ3定義了3個(gè)莫爾圓,該裂縫在3個(gè)莫爾圓中所處的位置O可通過裂縫面法線與最大、最小有效主應(yīng)力軸的夾角β1、β3進(jìn)行確定,即根據(jù)2β1、2β3確定點(diǎn)M、N,以M’M、N’N為半徑繪制弧線,兩條弧線交點(diǎn)即為裂縫O在莫爾圓中的位置。

圖4 裂縫面在莫爾圓中位置O的表示方法

莫爾圓計(jì)算過程中的地應(yīng)力,需通過陣列聲波測(cè)井提取的縱、橫波時(shí)差結(jié)合密度測(cè)井選取適合構(gòu)造區(qū)的應(yīng)力模型[20]進(jìn)行計(jì)算,最大水平主應(yīng)力方位根據(jù)快橫波方位或電成像測(cè)井鉆井誘導(dǎo)縫進(jìn)行判別。根據(jù)成像測(cè)井拾取的裂縫傾角、方位、走向參數(shù),經(jīng)過莫爾圓計(jì)算后得到裂縫對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)。Barton[21]等在研究斷層封堵性及流體流動(dòng)地質(zhì)問題中通過統(tǒng)計(jì)斷層摩擦系數(shù)大小提出了臨界應(yīng)力斷層假說,認(rèn)為水力傳導(dǎo)斷層是現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)中的臨界應(yīng)力斷層,即當(dāng)斷層摩擦系數(shù)分布在0.6～1.0,斷層處于力學(xué)活動(dòng)狀態(tài);當(dāng)斷層摩擦系數(shù)小于0.6時(shí),斷層處于封閉狀態(tài),并且隨著斷層面摩擦系數(shù)的不斷變小,斷層逐漸趨于穩(wěn)定。根據(jù)Barton理論通過莫爾圓計(jì)算的裂縫摩擦系數(shù)也符合這一變化規(guī)律,因此,通過計(jì)算裂縫摩擦系數(shù)大小可以定量反映裂縫產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力高低。

圖5為渤海中生界火山巖裂縫有效性評(píng)價(jià)效果圖。從常規(guī)測(cè)井曲線特征可見,自然伽馬(第1道紅線)、電阻率(第3道)、三孔隙測(cè)井(第4道)全井段整體差異不大,無明顯裂縫發(fā)育指示特征,難以定量評(píng)價(jià)裂縫產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力。通過莫爾圓計(jì)算的摩擦系數(shù)(第5道藍(lán)點(diǎn))可以看出,該井不同裂縫產(chǎn)液能力差別較大,產(chǎn)液能力最好的裂縫摩擦系數(shù)可達(dá)0.7,而產(chǎn)液能力最差的裂縫摩擦系數(shù)不到0.1,裂縫有效性差異明顯。通過電成像測(cè)井裂縫測(cè)量結(jié)果可以看出,對(duì)于摩擦系數(shù)較低的裂縫,電成像圖中裂縫特征較弱,裂縫較窄且角度較低,快、慢橫波頻散曲線分開程度較小,裂縫延伸范圍很近,產(chǎn)液能力較差;對(duì)于摩擦系數(shù)較高的裂縫,電成像圖中裂縫特征明顯,裂縫寬度較大且角度較高,快、慢橫波頻散曲線分開程度較大,產(chǎn)液能力較強(qiáng)。

圖5 中生界火山巖裂縫有效性評(píng)價(jià)效果圖

3 應(yīng)用實(shí)例

渤海LD油田位于遼東南洼東斜坡帶,主要含油層系為古近系沙河街組,儲(chǔ)層巖性主要為砂礫巖,礫石成分以石英為主,少量火成巖和碳酸鹽巖。圖6為L(zhǎng)D油田X1井含油層段測(cè)井響應(yīng)特征及儲(chǔ)層品質(zhì)評(píng)價(jià)效果圖。

由圖6可見,由于儲(chǔ)層為砂礫巖,礫石以石英為主,自然伽馬(第1道紅線)較低、自然電位(第1道藍(lán)線)較高、電阻率(第4道)較高、中子與聲波時(shí)差(第5道)較低、密度(第5道)較高。該井核磁共振測(cè)井(第7道)有效孔隙度為10.0%～13.0%,其中可動(dòng)孔隙度為4.0%～5.0%,T2譜(第6道)顯示小孔隙相對(duì)發(fā)育,而大孔隙不發(fā)育,常規(guī)測(cè)井與核磁共振測(cè)井顯示儲(chǔ)層總體物性較差。

圖6 LD油田X1井測(cè)井響應(yīng)特征及儲(chǔ)層品質(zhì)評(píng)價(jià)效果圖

盡管儲(chǔ)層物性相對(duì)較低,但陣列聲波測(cè)井處理結(jié)果顯示儲(chǔ)層裂縫孔隙度(第8道)達(dá)0.3%～1.0%,儲(chǔ)層裂縫較為發(fā)育。由于斯通利波反射波(第9道)較弱,同時(shí)偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)(第10道)顯示井外宏觀縫發(fā)育較少,僅在2 572 m、2 596 m處探測(cè)到兩條外宏觀裂縫,因此,儲(chǔ)層宏觀裂縫不發(fā)育,而微觀裂縫較發(fā)育,導(dǎo)致裂縫孔隙度相對(duì)較高。由于裂縫連通著孔隙,因此,盡管儲(chǔ)層物性較差,但由于大量微觀裂縫的存在,成為儲(chǔ)層的主要滲流通道,使得儲(chǔ)層品質(zhì)得到極大改善。該井2 573 m、2 594 m處鑄體薄片顯示儲(chǔ)層存在大量微觀粒內(nèi)縫,證實(shí)了陣列聲波測(cè)井裂縫孔隙度計(jì)算結(jié)果的合理性。在該井2 569～2 572 m、2 592～2 605 m井段進(jìn)行測(cè)試,日產(chǎn)油628.0 m3、日產(chǎn)氣69 484.0 m3,為高產(chǎn)油氣層,進(jìn)一步證實(shí)盡管儲(chǔ)層物性相對(duì)較低,但由于裂縫的存在,儲(chǔ)層仍然具有較高產(chǎn)液能力。

4 結(jié) 論

(1)陣列聲波測(cè)井資料是儲(chǔ)層裂縫是否發(fā)育的重要指示因子,結(jié)合偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)及摩擦系數(shù)計(jì)算,可以開展裂縫孔隙度定量分析,進(jìn)行不同尺度下裂縫的有效性識(shí)別與評(píng)價(jià),可解決裂縫多少、裂縫大小、裂縫是否有效的測(cè)井評(píng)價(jià)難題,是裂縫評(píng)價(jià)較為實(shí)用的測(cè)井項(xiàng)目。

(2)建立的含裂縫多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化模型,進(jìn)一步突出了裂縫與孔隙兩種孔隙空間對(duì)多孔介質(zhì)模型的影響,能夠精確地計(jì)算裂縫在孔隙中所占的體積,實(shí)現(xiàn)陣列聲波測(cè)井裂縫孔隙度定量計(jì)算,有效劃分裂縫發(fā)育區(qū)。

(3)利用陣列聲波測(cè)井各向異性特征計(jì)算快、慢橫波頻散曲線,根據(jù)頻散曲線差異特征定性評(píng)價(jià)裂縫延伸范圍,同時(shí)根據(jù)地質(zhì)力學(xué)理論,利用莫爾圓計(jì)算裂縫面摩擦系數(shù),定量評(píng)價(jià)裂縫產(chǎn)液貢獻(xiàn)能力,解決了裂縫有效性定量評(píng)價(jià)難題,在油田開發(fā)、生產(chǎn)中具有重要意義。