孫建孟, 劉坤, 王艷, 趙杰

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580; 2.大慶鉆探工程公司測井公司, 黑龍江 大慶 163412; 3.大慶油田有限責(zé)任公司勘探事業(yè)部, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

A區(qū)B段主要發(fā)育深湖-半深湖沉積亞相,巖性主要為泥頁巖。泥頁巖油藏為自生自儲型,泥頁巖既是烴源巖又是儲層。鉆井取心和試油資料表明,該段儲層主要表現(xiàn)為裂縫儲集層和硅質(zhì)及鈣質(zhì)含量高的層段。隨著石油資源的日益匱乏和勘探開發(fā)技術(shù)的日益成熟,如何預(yù)測泥頁巖中有效儲層成為亟待解決的問題。本文通過對大量表征儲層參數(shù)的研究,選擇泥頁巖儲層總有機碳含量、巖石脆性和裂縫發(fā)育情況來進行泥頁巖有效儲層的預(yù)測研究。鑒于總有機碳含量和巖石脆性指數(shù)的計算[1-2],前人已經(jīng)做了大量工作,但是裂縫的評價工作還存在一些問題[3]:常規(guī)方法直接識別裂縫得到的裂縫響應(yīng)特征往往不夠直觀、明顯;成像測井資料研究裂縫雖然能取得比較好的效果,但其測井成本較高,大部分井并沒有成像測井資料[4-5];常規(guī)測井曲線小波變換方法往往只是單條曲線,而且識別裂縫只停留在定性層面[6-7]。本文針對以上問題,以聲波、自然伽馬和微球聚焦電阻率測井為基礎(chǔ),通過對其進行小波多尺度分解、閾值去噪和最大熵預(yù)測誤差分析,將分析結(jié)果歸一化和加權(quán)組合,然后計算出裂縫發(fā)育綜合指標(biāo),給出裂縫發(fā)育等級評價參數(shù)。

1 研究區(qū)裂縫發(fā)育類型分析

前人成果表明,研究層段中泥巖裂縫是成巖作用和異常高壓共同作用的結(jié)果,主要發(fā)育非構(gòu)造裂縫,這些裂縫不受構(gòu)造應(yīng)力影響,分布隨機性較大,縱向上切穿深度淺,順層面具有彎曲、斷續(xù)、分枝、尖滅等現(xiàn)象,但通常具有較好的延伸性和連通性[8]。

1.1 成巖裂縫

主要包括成巖層間裂縫、溶蝕裂縫、收縮裂縫。成巖收縮縫又分為由于壓實作用沉積物失水收縮形成的脫水收縮縫和由于黏土礦物蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化脫水形成的礦物相變縫兩大類。研究層段中存在著大量水平或近水平的層間裂縫,這類裂縫在泥巖中分布的較多,裂縫中含油,斷面上均可見一層黃綠色的油膜,熒光照射呈亮黃色;目標(biāo)層段泥頁巖中含有大量的介形蟲,即巖石中方解石含量較高,因此,地層條件下方解石容易形成大量的溶蝕裂縫;目標(biāo)層段泥頁巖在成巖作用下,由于上覆地層壓力導(dǎo)致沉積物脫水收縮,因而在同一巖層內(nèi),形成延伸長度較小的縱向裂縫以及不規(guī)則的多向裂縫。

1.2 異常高壓裂縫

泥頁巖在一定埋深下處于壓力封閉狀態(tài)時,由于烴類生成、黏土礦物脫水、水熱增壓、膠結(jié)作用等影響,在泥頁巖內(nèi)部形成異常高壓。當(dāng)異常高壓帶內(nèi)的剩余地層壓力大于巖石的抗張強度時,巖石就會破裂形成擴張裂縫。

2 測井屬性分析技術(shù)識別裂縫研究

測井屬性分析從測井?dāng)?shù)據(jù)中拾取隱藏在這些數(shù)據(jù)中的有關(guān)地層巖性、儲層物性、流體和裂縫信息。測井屬性和地層的裂縫發(fā)育程度之間存在某種形式的內(nèi)在聯(lián)系,這是測井屬性技術(shù)識別裂縫理論基礎(chǔ)。研究層段為一套優(yōu)質(zhì)的烴源巖,多發(fā)育水平縫及低角度縫,裂縫及其所含流體在巖石中形成的聲阻抗界面影響了聲波傳播,這是用聲波探測裂縫技術(shù)的基礎(chǔ),聲波時差多以周波跳躍反映水平縫、低角度縫的存在[9];烴源巖段的自然伽馬值偏高,當(dāng)泥漿濾液的侵入裂縫時,導(dǎo)致自然伽馬曲線顯示為低尖[10];微球聚焦測井反映沖洗帶電阻率,由于裂縫的不均一性,導(dǎo)致電阻率測井曲線形態(tài)常呈高低間互、起伏不平的多尖峰狀[11]。本文通過多尺度小波分解[12]和最大熵預(yù)測誤差[13]測井屬性分析方法增強和提取測井曲線中有關(guān)的裂縫信息。

2.1 測井屬性分析原理

2.1.1 小波變換原理

小波變換的基本思想來源于函數(shù)的伸縮與平移。它是把某小波函數(shù)ψ(t)的自變量t進行伸縮與平移處理后與待變換的函數(shù)作內(nèi)積而得到具有雙參數(shù)a和b的函數(shù)Wf(a,b)

(1)

通常,ψ(t)具有有限支撐集,即ψ(t)在t的有限集合之外全部等于0?；拘〔ɑ蛐〔负瘮?shù)定義為

(2)

式中,b為位移因子,它決定了逼近測井信號的時間位置;a為尺度因子,它決定了測井信號的采樣窗長。尺度a越小表示小波被壓縮,時軸上觀察范圍小,對應(yīng)于信號的高頻分量,即用高頻小波作細致觀察;尺度a越大表示小波被伸展,時軸上觀察范圍大,對應(yīng)于信號的低頻分量,即用低頻小波作概貌觀察。

測井信號中存在與地層信息無關(guān)的統(tǒng)計起伏和毛刺干擾,需要進行相應(yīng)的去噪處理,常用的閾值去噪有4種:采用固定的閾值去噪、最小極大方差閾值去噪、基于Stein無偏似然估計的閾值去噪和啟發(fā)式閾值去噪。本文通過對比分析,選擇基于Stein無偏似然估計閾值去噪進行信號的去噪,該方法能在一定程度上有效控制噪聲。

2.1.2 最大熵預(yù)測誤差原理

最大熵譜是分析信息譜的一種數(shù)學(xué)方法,它以信息熵最大為準則并且通過外推得到自相關(guān)函數(shù),其目的是為了使頻譜估計的分辨率得到提高。與其他頻譜分析方法相比(如周期圖法和傅里葉法),最大熵譜分析具有高頻譜分辨率和不受采樣長度限制等優(yōu)勢。

最大熵譜是求功率譜,目前使用的是Burg算法求解。求解的曲線是x(n),具體的算法如下

(1) 計算預(yù)測誤差的初始值

(3)

和向后預(yù)測誤差的初始值,并令m=1。

f0(n)=g0(n)=x(n)

(4)

(2) 求反射系數(shù)

(5)

(3) 計算前向預(yù)測濾波器系數(shù)

i=1,2,…,m-1

(6)

am(m)=km

(7)

(4) 計算預(yù)測誤差功率

pm=(1-|km|2)pm-1

(8)

(5) 計算濾波器輸出

fm(n)=fm-1(n-1)+kmgm-1(n-1)

(9)

(10)

(6) 令m←m+1并重復(fù)步驟2至步驟5,直到預(yù)測誤差功率pm不會明顯減小。

預(yù)測誤差濾波分析技術(shù)建立在最大熵譜分析技術(shù)的基礎(chǔ)上,預(yù)測誤差為每一個深度點利用最大熵譜分析技術(shù)計算出來的預(yù)測值與該深度點的測井曲線值進行數(shù)值相減而得到的結(jié)果,即:誤差=實際數(shù)據(jù)-濾波數(shù)據(jù)。預(yù)測誤差曲線是一條變化不規(guī)則的鋸齒狀曲線,該曲線可看作是一條能夠解釋地層連續(xù)性的指示曲線。而裂縫發(fā)育的地層,連續(xù)性會發(fā)生突變。

2.2 泥頁巖裂縫發(fā)育程度等級劃分

在泥巖裂縫性儲層評價中,許多因素都可能引起與裂縫響應(yīng)相似的曲線異常特征,而且某些產(chǎn)狀較特殊的裂縫帶在測井曲線上并無顯示,以至利用單一測井曲線很難準確評價泥巖裂縫。然而,裂縫與非裂縫,以及不同類型和不同發(fā)育程度的裂縫在結(jié)構(gòu)、物性上的差異,在測井曲線上不同程度的具有某種特定的響應(yīng)特征。因此利用多種測井屬性分析方法綜合多條裂縫敏感曲線進行裂縫的識別研究是可行的。

由于常規(guī)測井曲線分辨率低,而單一的測井屬性裂縫信息處理結(jié)果雖然可以在一定程度上指示泥頁巖裂縫信息,但存在一些由于巖性和層序突變造成的虛假裂縫信息,而且測井屬性提取的裂縫信息只是定性指示裂縫的存在。為了更好地利用測井屬性分析提取的裂縫信息,通過結(jié)合錄井和試油資料,對聲波、自然伽馬和微球聚焦測井曲線進行小波多尺度分解和最大熵預(yù)測誤差處理,建立裂縫發(fā)育程度綜合評價指標(biāo),以此半定量評價裂縫發(fā)育情況。

(1) 確定各屬性方法裂縫發(fā)育情況子參數(shù)。以測井屬性處理的裂縫信息結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)測井資料特點進行反復(fù)組合試驗,確定將小波多尺度分解高頻屬性評價參數(shù)A1、預(yù)測誤差屬性評價參數(shù)A2作為測井屬性泥頁巖裂縫評價子參數(shù)

A1=|H1-H2|/HMAX

(11)

A2=|E1-E2|/EMAX

(12)

式中,H1為小波高頻屬性模值;H2為小波高頻屬性模值平均值;HMAX為小波高頻屬性模值最大值;E1為預(yù)測誤差屬性模值;E2為預(yù)測誤差屬性模值平均值;EMAX為預(yù)測誤差屬性模值最大值。其計算值見表1。

表1 判別參數(shù)代入計算值表

(2) 確定單曲線多屬性裂縫評價參數(shù)Ki。依據(jù)表1,將A1、A2在特定數(shù)值范圍內(nèi)劃分成4個等級,并將其等級作為計算代入值,依據(jù)各個屬性子參數(shù)對裂縫發(fā)育情況識別的敏感性和準確性,賦予代入值不同的權(quán)值,然后計算出研究區(qū)的綜合屬性裂縫評價參數(shù)Ki,i代表第i條測井曲線。

Ki=a1V1+a2V2

(13)

式中,a1和a2分別為小波高頻和預(yù)測誤差屬性的權(quán)系數(shù)。以鉆井取心描述關(guān)鍵井為分析對象,確定出研究層段裂縫真實發(fā)育層段數(shù)、小波多尺度分解和最大熵預(yù)測誤差識別出的裂縫層段數(shù),計算出各種方法的識別率x1和x2,識別率越大,該測井屬性方法的權(quán)系數(shù)也就越大。

a1=x1/(x1+x2)

(14)

a2=x2/(x1+x2)

(15)

(3) 確定多曲線多屬性裂縫評價參數(shù)K。借鑒單曲線多屬性的權(quán)系數(shù)確定方法,同樣能給出多曲線多屬性的裂縫評價參數(shù)

K=K1b1+K2b2+K3b3

(16)

式中,K1、K2和K3分別為聲波、自然伽馬和微球聚焦測井的多屬性裂縫評價參數(shù);b1、b2和b3分別為其對應(yīng)的權(quán)系數(shù)。通過統(tǒng)計鉆井取心資料,確定總的裂縫響應(yīng),統(tǒng)計每條測井曲線的裂縫響應(yīng),計算每條測井曲線的測井響應(yīng)率,參考第2步計算權(quán)系數(shù)的方法,計算出每條曲線對應(yīng)的權(quán)系數(shù)。

(4) 給出裂縫發(fā)育程度半定量評價指標(biāo)。通過對比鉆井取心裂縫描述資料,把裂縫發(fā)育程度劃分為3個等級:發(fā)育、欠發(fā)育和不發(fā)育,并確定出裂縫評價參數(shù)K的分級標(biāo)準(見表2)。

表2 裂縫發(fā)育等級分類表

2.3 裂縫識別實例效果分析

圖1為×1井裂縫識別成果圖。從1 975.00～2 085.00 m井段井眼存在擴徑現(xiàn)象?！?井試油層段巖性除了純泥巖有粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,取心見裂縫發(fā)育。鉆井取心130 m,在泥巖中見延伸長度超過5 cm的縱向裂縫僅18條,其中最長的2條長達74 cm。水平方向延伸的裂縫很發(fā)育,鉆井取心中僅見含油水平裂縫達26處,試油井段為1 975.00～2 085.00 m,結(jié)論為低產(chǎn)油層,日產(chǎn)油0.618 t。

3 泥頁巖有效儲層等級分類評價

石玉江等[14]根據(jù)致密油地質(zhì)與工程應(yīng)用需求,在常規(guī)儲層“四性”評價基礎(chǔ)上,重構(gòu)了致密油“三品質(zhì)”測井評價參數(shù)體系,包括儲層品質(zhì)、烴源巖品質(zhì)和完井品質(zhì)。本文在“三品質(zhì)”測井評價參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用總有機碳含量(TOC)、巖石脆性指數(shù)和裂縫發(fā)育綜合指標(biāo)進行泥頁巖儲層有效性的研究。泥頁巖儲層烴源巖生烴能力對含油分布具有控制作用,是進行優(yōu)勢儲層預(yù)測的基礎(chǔ)。泥頁巖油藏一般滲透率極低,自然產(chǎn)能低甚至沒有產(chǎn)能,通常都需要實施壓裂改造。巖石的脆性不僅決定了天然裂縫的發(fā)育程度還決定了壓裂改造的成功與否,對于非常規(guī)泥頁巖油氣藏,巖石脆性不僅反映巖石的力學(xué)性質(zhì)更是儲層好壞的重要評價指標(biāo)。考慮到裂縫的存在會在很大程度上改善壓裂效果,提高采收率,因此把裂縫的存在與否作為衡量儲層好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。通過對研究區(qū)的大量統(tǒng)計分析,給出了研究區(qū)泥頁巖儲層的等級分類評價指標(biāo)。Ⅰ類:TOC≥1.8%,脆性指數(shù)≥0.48,存在裂縫且較發(fā)育;Ⅱ類:TOC≥1.2%,脆性指數(shù)≥0.42,存在裂縫;Ⅲ類:TOC<1.2%或脆性指數(shù)<0.42代表壓后也沒產(chǎn)能的層段。

圖1 ×1井裂縫識別成果圖

圖2 ×2井有效儲層預(yù)測成果圖

圖2和圖3為×2井、×3井應(yīng)用上述方法得到的有效儲層預(yù)測成果圖。圖2、圖3中第6道和第7道為優(yōu)勢儲層評價結(jié)果,從中很容易預(yù)測出優(yōu)勢儲層段(見表3和表4),第8道為一次測井解釋結(jié)論。根據(jù)預(yù)測結(jié)果給出建議:×2井1 983.60～1 987.60 m,1 989.40～1 990.20 m井段2層合壓后試油;×3井2 416.40～2 429.40 m井段壓后試油。第9道為壓后試油結(jié)論,2井壓后試油結(jié)論與儲層預(yù)測結(jié)果吻合較好,表明該預(yù)測方法具有一定的可行性。

圖3 ×3井有效儲層預(yù)測成果圖

表3 ×2井有效儲層預(yù)測成果分析表

表4 ×3井有效儲層預(yù)測成果分析表

4 結(jié) 論

(1) 泥頁巖既是烴源巖又是儲層,具有自生自儲特點,其儲層類型主要為硅質(zhì)、鈣質(zhì)含量高的層段和裂縫發(fā)育段。

(2) 以聲波、自然伽馬和微球聚焦電阻率測井為基礎(chǔ),通過小波多尺度分解、閾值去噪和最大熵預(yù)測誤差分析提取裂縫信息,將裂縫信息歸一化和加權(quán)組合,計算出裂縫發(fā)育綜合指標(biāo),把裂縫發(fā)育程度分為3個等級:發(fā)育、欠發(fā)育和不發(fā)育,處理結(jié)果表明裂縫發(fā)育等級與鉆井取心吻合較好,表明測井屬性分析識別裂縫可行。

(3) 以TOC、脆性指數(shù)和裂縫發(fā)育情況建立有效儲層的等級分類標(biāo)準從最基本的參數(shù)體現(xiàn)了“三品質(zhì)”評價原則。TOC越高、脆性指數(shù)越大、裂縫越發(fā)育,儲層也就越有效。應(yīng)用該分類方法把儲層分為Ⅰ類、Ⅱ類和干層,評價結(jié)果經(jīng)壓裂后試油驗證表明該預(yù)測方法可行。

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