周彥球,崔巖磊,徐潔

(中國石油集團(tuán)測井有限公司大慶分公司,黑龍江大慶163412)

0 引 言

微電阻率成像測井資料以圖像形式對井壁附近地層中的裂縫進(jìn)行直觀呈現(xiàn),而且可用于裂縫產(chǎn)狀的拾取、統(tǒng)計(jì)及裂縫發(fā)育參數(shù)的定量計(jì)算,對于裂縫性儲層的精細(xì)評價獨(dú)具優(yōu)勢。在大慶地區(qū)的電成像測井解釋中,不僅要根據(jù)裂縫的自然發(fā)育情況對裂縫參數(shù)進(jìn)行分段讀值,在解釋報告中提供裂縫參數(shù)表,對于特殊巖性的儲層還要對裂縫參數(shù)按層取值,體現(xiàn)于巖性細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)表中。隨著勘探開發(fā)目標(biāo)的日趨復(fù)雜化及相應(yīng)的工程技術(shù)手段發(fā)展,對成像測井解釋的需求也在不斷豐富,以儲層的精細(xì)評價為目標(biāo),通過計(jì)算機(jī)的自動化處理,實(shí)現(xiàn)裂縫的智能化、抽象化描述,為油田甲方提供可靠技術(shù)支持的同時,減輕解釋人員的工作負(fù)擔(dān),已經(jīng)成為成像測井解釋技術(shù)發(fā)展中亟需解決的關(guān)鍵問題。

本文結(jié)合大慶地區(qū)的成像測井解釋生產(chǎn)實(shí)踐,以儲層的總體屬性為對象,以計(jì)算機(jī)編程為手段,在裂縫發(fā)育參數(shù)的自動化二次統(tǒng)計(jì)、裂縫產(chǎn)狀及其組合類型的判別,以及天然裂縫在壓裂時開啟的難易性質(zhì)等方面展開理論分析及算法研究。

1 理論研究及算法分析

1.1 裂縫發(fā)育參數(shù)的二次統(tǒng)計(jì)

通常使用寬度、長度、密度、面孔率等參數(shù)描述裂縫的發(fā)育狀況,根據(jù)斯倫貝謝公司的定義[1],依次表示單位井段內(nèi)全部裂縫的平均水動力寬度(FVAH,mm)、每平方米井壁上所見到的裂縫長度之和(FVTL,m/m2或1/m)、單位井段所見到的裂縫總條數(shù)(FVDC,條/m)及裂縫在單位面積上的百分比(FVPA,%)。習(xí)慣使用GeoFrame軟件中的Geology應(yīng)用包處理而生成,根據(jù)成像測井的圖像特征,識別并拾取天然的開啟縫,結(jié)合常規(guī)淺側(cè)向資料進(jìn)行刻度,進(jìn)而使用相應(yīng)的擬合公式計(jì)算上述4個參數(shù)。

對于火山巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖等復(fù)雜巖性儲層,基巖孔隙度一般較低,裂縫成為重要的儲集空間,或者是連接基質(zhì)孔隙、溶蝕孔洞的有利通道。因而,表征裂縫發(fā)育狀況的上述4個參數(shù),能夠直接指示該類儲層的物性好壞,在單井儲層評價及后期的油氣開發(fā)中一直以來都備受關(guān)注。大慶地區(qū)的成像測井解釋中,在實(shí)現(xiàn)裂縫參數(shù)計(jì)算、輸出上述4條裂縫參數(shù)曲線的基礎(chǔ)上,不但要根據(jù)裂縫的垂向連續(xù)性進(jìn)行手動分層,對裂縫參數(shù)按小層讀取平均值,形成解釋報告中的裂縫參數(shù)表(以下簡稱裂縫自然表),而且,根據(jù)常規(guī)解釋所劃分的儲層,也要對裂縫參數(shù)按層讀值,體現(xiàn)于解釋數(shù)據(jù)表中(以下簡稱儲層裂縫表)。前者根據(jù)全井裂縫的自然發(fā)育狀況,提供裂縫所在深度段及其寬度、長度、密度、面孔率等參數(shù)的定量描述;后者以儲層為對象,對于指定深度段提供量化指標(biāo),為儲層評價提供重要依據(jù),對于確定解釋結(jié)論及制定試油方案等環(huán)節(jié)尤為重要。通常在勘探目的層位的復(fù)雜巖性地層中,裂縫較為發(fā)育,解釋員往往需要花費(fèi)較多的時間和精力統(tǒng)計(jì)、編制、校對這2種表格。

通過編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動統(tǒng)計(jì)、制表,需模擬人工分析的過程,并確定相應(yīng)的原則,其算法要點(diǎn):

(1)裂縫自然表需先實(shí)現(xiàn)自動分層。篩選確定使用連續(xù)性最好的FVDC曲線為基準(zhǔn)曲線,由用戶指定的最大合并間距(或最小層間距,缺省為5 m)進(jìn)行自動分層。即從FVDC曲線上的第1個有效數(shù)值點(diǎn)開始,按深度遍歷FVDC曲線的每個采樣點(diǎn),數(shù)值連續(xù)有效或者單個“無效夾層”的厚度不超過最大合并間距,視作同一個層,否則確定為該層的終點(diǎn)而跳出,繼續(xù)搜尋下一個有效數(shù)值點(diǎn)作為下一個層的開始點(diǎn),使用相同準(zhǔn)則繼續(xù)逐一判別每個數(shù)值點(diǎn),直到FVDC曲線的終點(diǎn),從而自動確定了各層的頂?shù)咨疃?完成自動分層。

(2)裂縫自然表實(shí)現(xiàn)自動分層后,與已知各層頂、底深度的儲層裂縫表的后續(xù)作法一致,即對各層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)讀值。根據(jù)該地區(qū)的慣例,各層對FVAH、FVTL、FVDC、FVPA等曲線求取平均值,需要注意的是,無效數(shù)值(通常為-9 999.0)在累加前應(yīng)以0替換,而非忽略不計(jì)。

(3)按生產(chǎn)中的固定格式,寫出對應(yīng)的數(shù)據(jù)表格。

1.2 裂縫產(chǎn)狀及其組合類型的判別

本文主要討論構(gòu)造成因的天然裂縫,它們一般有較為規(guī)則的裂縫面(在成像測井展開圖中為正弦線),其產(chǎn)狀包括傾角、傾向和走向等要素,體現(xiàn)了裂縫在三維空間的延展特性,是其形成條件下的地層應(yīng)力的綜合響應(yīng),對于油氣的儲集和運(yùn)移有著至關(guān)重要的影響,同時也是勘探開發(fā)中必須考慮的關(guān)鍵因素之一。

在成像測井處理中主要由人工拾取裂縫軌跡,進(jìn)而通過處理軟件實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(井眼坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)),將視傾角轉(zhuǎn)為真傾角,從而獲得裂縫的產(chǎn)狀要素。以儲層為對象進(jìn)行裂縫分析,需要解決的重點(diǎn)問題是,對指定層段內(nèi)的各條裂縫的產(chǎn)狀數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析,以確定該儲層中裂縫產(chǎn)狀的總體屬性,為后續(xù)的地質(zhì)或工程分析工作提供抽象的、定性的結(jié)論。因而,需在單一裂縫產(chǎn)狀分類描述的基礎(chǔ)上,對其空間組合類型進(jìn)行判別和分析。單一裂縫的產(chǎn)狀,可分別根據(jù)其傾角、傾向數(shù)值的所屬區(qū)間進(jìn)行分類。

1.2.1 單一裂縫按傾角的分類

根據(jù)裂縫傾角的高低,一般將其劃分為水平縫、低角縫、高角縫和垂直縫等4種類型。至于各類型之間的邊界的確定,各家意見并不一致,分別提出了各自的方案[1-3],如水平縫的傾角上限,有的以5°為準(zhǔn),有的則主張為10°甚至30°;垂直縫的下限,也有70°、80°等劃分方式。約在2010年以后[4-7],業(yè)內(nèi)較為普遍地采用15°、45°、75°作為上述4種類型的劃分邊界(見圖1)。這一劃分方式,其角度設(shè)計(jì)的視覺感符合人的主觀認(rèn)識,而且各類型所占區(qū)間相對均勻,在生產(chǎn)實(shí)踐中不會導(dǎo)致水平縫或垂直縫難求一見的情況,對于構(gòu)造裂縫的劃分較為合理。

圖1 裂縫按傾角的分類

1.2.2 方位數(shù)值分區(qū)

地質(zhì)學(xué)對于地質(zhì)體方位(包括裂縫、層理、斷層等的傾向、走向)的粗略估計(jì)或抽象描述,一般使用十六分的方位系統(tǒng),即從正北開始,沿順時針方向?qū)⑵矫娴?60°依次劃分為北(N)、北北東(NNE)、北東(NE)、北東東(NEE)、東(E)、……、北北西(NNW)等16個方位,相鄰方位均相間22.5°。事實(shí)上,上述每一方位均代表以某一方位線(如NNE,22.5°)為中心、占一定寬度的方位區(qū)域,而不只局限于某一精確的方位點(diǎn)。比如,20°與25°方位均可泛稱為北北東(NNE)。對于各方位的具體數(shù)值范圍,前人的研究中并未作出明確的界定,然而卻是對地質(zhì)體產(chǎn)狀進(jìn)行數(shù)值分析和歸類的必要依據(jù)。對于方位的數(shù)值分區(qū),本文提出以下原則:

(1)各方位區(qū)間以上述16條方位線為中心對稱延伸,且寬度應(yīng)相對均勻。

(2)各區(qū)間臨界值應(yīng)盡量取整,便于記憶和理解。

(3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識,北東(NE)、南東(SE)、南西(SW)、北西(NW)等過渡方位的跨度可適當(dāng)增加。

設(shè)計(jì)劃分方案見圖2。除4個過渡方位跨度為30°外,其他方位區(qū)間均為20°,各區(qū)間的臨界值較符合人們的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識,具有較強(qiáng)的可操作性。

圖2 方位的數(shù)值分區(qū)

1.2.3 裂縫產(chǎn)狀組合類型劃分及實(shí)現(xiàn)算法

以儲層(或指定深度段)為對象,對其中發(fā)育的裂縫進(jìn)行總體描述,除了逐一分析各條裂縫的產(chǎn)狀類型外,還需考慮它們之間的空間分布及交切關(guān)系。對此,前人根據(jù)裂縫的傾角高低或彼此的交切關(guān)系,提出了“斜交縫”的概念[1-7],本文沿用這一概念,同時,為了避免理解上的混亂,僅用它表示裂縫之間的交切關(guān)系。而且,對于裂縫斜交的情況,前人一般只著眼于考慮其傾角的差異。筆者認(rèn)為,2條裂縫即使傾角一致,如果其傾向不同,也會形成斜交關(guān)系。此外,產(chǎn)狀不同、深度接近的多條裂縫,即使在成像圖像上(即井壁附近)顯示尚有一定距離,但若假設(shè)它們在空間上延伸得足夠遠(yuǎn),也能形成斜交關(guān)系。因而,對于儲層(或指定深度段)的裂縫產(chǎn)狀組合類型的確定,結(jié)合上述單一裂縫的傾角及方位的分類方案,提出以下原則:

(1)如果裂縫的傾角類型及傾向分布均較為集中,則與單一裂縫的分類類似,分別確定為低角縫、高角縫等。

(2)如果裂縫的傾角類型集中,而傾向分散,則確定為低角斜交縫、高角斜交縫等。

(3)如果裂縫的傾角類型分散,而傾向集中,則稱“混和斜交縫”。

(4)如果裂縫的傾角類型及傾向分布均分散,則稱“雜亂斜交縫”。

(5)如果裂縫的傾角類型主要為水平縫或垂直縫,則不考慮其傾向的分布情況,仍稱水平縫或垂直縫。

從而形成如表1所示的綜合劃分方案?？梢?通常所說的網(wǎng)狀縫、共軛縫等只是裂縫斜交的一些特殊情況。

表1 裂縫產(chǎn)狀組合類型的判別

基于以上認(rèn)識,實(shí)際操作時,主要使用主頻分析法,對目的層段的裂縫傾角和傾向分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定其主要類型及集中、分散情況,再確定該段裂縫產(chǎn)狀組合類型。

使用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)時,確定傾角主頻的算法:依上述準(zhǔn)則將裂縫傾角劃分為水平縫、低角縫、高角縫和垂直縫等4個分區(qū),統(tǒng)計(jì)目的層段裂縫落在4個分區(qū)的數(shù)目及頻率,如果其中某個分區(qū)的頻率超過2/3,則判定為該層段的主要傾角類型,否則認(rèn)為裂縫傾角分散。

確定傾向主頻的算法:將0°～360°的傾向角范圍等分為36個分區(qū)(每個分區(qū)10°),統(tǒng)計(jì)目的層段的裂縫落在各分區(qū)的數(shù)目及頻率;將大于或等于有值區(qū)間平均頻率者保留,否則清零;經(jīng)篩選后,相鄰區(qū)間進(jìn)行合并處理:合并頻數(shù),重算平均值,重新劃分分區(qū);對剩余的分區(qū)及相應(yīng)頻數(shù)重新計(jì)算權(quán)重,采用“三分之一”原則確定主頻,即頻率大于1/3者作為主頻保留,否則舍棄;如果只有一個主頻,認(rèn)為傾向集中,否則為傾向分散。

根據(jù)上述對傾角、傾向的統(tǒng)計(jì)處理,即可確定儲層裂縫對應(yīng)的產(chǎn)狀組合類型,對各儲層的裂縫產(chǎn)狀形成總體的、抽象的認(rèn)識,這是儲層精細(xì)描述和解釋的一個重要方面。

1.3 壓裂難易性質(zhì)的判別

分析裂縫的走向,判斷其在注水壓裂過程中進(jìn)一步開啟的難易性質(zhì)。一般認(rèn)為,注水壓裂過程中產(chǎn)生的人工裂縫的方向垂直于地層最小主應(yīng)力,平行于地層最大主應(yīng)力,這是因?yàn)樽钚≈鲬?yīng)力更易于被克服而在地層中形成張裂縫。在深部地層中(深度大于1 500 m),垂向主應(yīng)力較大,最小主應(yīng)力出現(xiàn)在水平方向上,注水壓裂產(chǎn)生的人工裂縫為垂直縫。此時,對于地層中的天然裂縫,如果其走向接近垂直于最小水平主應(yīng)力,即大致與最大水平主應(yīng)力的方向接近,則更易于伴隨著人工裂縫被進(jìn)一步壓開,否則,如果其走向與最小水平主應(yīng)力方向交角較小,即接近垂直于最大水平主應(yīng)力,則更難被進(jìn)一步壓開。本文以天然裂縫與最大水平主應(yīng)力夾角的45°為界,定性判別其在壓裂過程中進(jìn)一步開啟的難易性質(zhì),即,如果天然裂縫走向與最大水平主應(yīng)力的夾角小于45°,則認(rèn)為在壓裂過程中容易開啟,否則認(rèn)為難以開啟。

對于目的層段的裂縫,其走向的統(tǒng)計(jì)方法及原則與上述傾向的處理方法類似。不同的是,通常使用一組相差180°的方位角(如走向?yàn)?0°～210°)描述地質(zhì)體的走向,因而,一方面,傾向相反的裂縫,其走向相同,對于同一目的層,其裂縫的走向分布和傾向分布會有所不同;另一方面,在程序處理時,使用在0°～180°范圍的走向方位角即可,即總共只需平均劃分為18個不同的分區(qū)。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì),如果目的層段的裂縫走向只有一個主頻,則通過計(jì)算其與最大水平主應(yīng)力方向的夾角,確定是否容易在壓裂中開啟;如果存在2個以上的主頻,則分別計(jì)算上述夾角,如果各組分的壓裂難易性質(zhì)相同,可給出一致結(jié)論,否則,其壓裂開啟性質(zhì)視為“不確定”。

2 軟件實(shí)現(xiàn)及討論

使用CIFLog測井解釋平臺開發(fā)了地質(zhì)統(tǒng)計(jì)模塊,實(shí)現(xiàn)了上述功能。CIFLog測井平臺在數(shù)據(jù)操作、預(yù)處理、成果輸出等方面的基礎(chǔ)功能強(qiáng)大,且支持應(yīng)用程序二次開發(fā)與多語言集成掛接,具有良好的開放性及可擴(kuò)展性[8-9]。

對于裂縫參數(shù)曲線,根據(jù)儲層裂縫表和裂縫自然表2種需求,編程實(shí)現(xiàn)了自動統(tǒng)計(jì)及制表,該步驟主要的界面參數(shù)只有“最大合并間距”,而且支持多段處理,用戶可同時輸入多個目的層段,經(jīng)一次運(yùn)行即可生成所需表格。成果表格可導(dǎo)出為EXCEL表格形式,稍作整理,即可用于解釋數(shù)據(jù)表或解釋報告中。該模塊不僅簡單易用,而且大大減輕了解釋員手動統(tǒng)計(jì)、制表的工作負(fù)荷,提高了工作效率。通常,處理1口裂縫相對發(fā)育的井(包含裂縫約100條左右),解釋員手動統(tǒng)計(jì)制作裂縫參數(shù)表格的總時間大約2 h左右,而且往往需要反復(fù)校對以確保準(zhǔn)確無誤,使用該模塊進(jìn)行自動處理,則只需不到1 min時間,結(jié)果更穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

對于裂縫產(chǎn)狀組合及開啟難易的判別,該模塊的處理邏輯順序:首先,根據(jù)手動拾取的裂縫傾角、傾向等產(chǎn)狀數(shù)據(jù),基于前述準(zhǔn)則,逐一判別各條裂縫的產(chǎn)狀屬性及類型,并輸出單條裂縫表格;根據(jù)用戶指定的細(xì)分小層間隔并考慮每條裂縫在縱向上的延伸范圍(結(jié)合鉆頭直徑),進(jìn)行自動分層;依據(jù)上述組合類型的判別準(zhǔn)則,確定各個細(xì)分小層裂縫產(chǎn)狀組合類型,并判斷其壓裂開啟難易性質(zhì)。這樣,用戶只需在界面輸入各個壓裂深度段,并且指定細(xì)分小層的間隔,一次運(yùn)行即可得到所需表格(見表2)。

本文提出的8種裂縫產(chǎn)狀組合類型,基本上涵蓋了裂縫產(chǎn)狀描述的所有可能情況,結(jié)合大量實(shí)際生產(chǎn)資料分析發(fā)現(xiàn),各種類型均可見,證明了該分類方案的合理性、適用性。以LT-12井為主,選取了高角縫、低角斜交縫、混合斜交縫、雜亂斜交縫等4例(見圖3),結(jié)合成像圖像及裂縫產(chǎn)狀的手動分析、統(tǒng)計(jì)可見,程序自動處理的結(jié)果是正確、可靠的。

表2 裂縫產(chǎn)狀組合類型及壓裂難易的自動判別成果表

圖3 裂縫產(chǎn)狀組合類型及壓裂難易性質(zhì)的自動判別

3 在壓裂施工中的應(yīng)用

以儲層作為整體研究對象,裂縫發(fā)育參數(shù)可定量地指示該層段內(nèi)裂縫的相對發(fā)育情況,裂縫產(chǎn)狀組合類型描述該儲層中裂縫的總體產(chǎn)狀,對于儲層的精細(xì)評價及后期的開發(fā)工作均具有重要的指導(dǎo)意義,而天然裂縫在壓裂時的開啟難易性質(zhì)則為壓裂施工提供關(guān)鍵的參考信息。

LT-12井位于松遼盆地古中央隆起帶,是針對基巖風(fēng)化殼及內(nèi)幕破碎帶而部署的1口深層天然氣勘探井?；椎貙又饕獮槟噘|(zhì)變質(zhì)巖及碎裂花崗巖,裂縫極其發(fā)育,成像測井解釋員共拾取了1 500余條裂縫。應(yīng)甲方要求,首次進(jìn)行了裂縫產(chǎn)狀類型描述及壓裂難易性質(zhì)分析。對于儲層的壓裂改造,施工方的總體思路是在壓裂產(chǎn)生人工主縫的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開啟井眼附近的天然裂縫,并與主縫連通,形成支縫、微縫系統(tǒng),從而盡可能地有效溝通天然裂縫,形成復(fù)雜縫網(wǎng),擴(kuò)大裂縫的波及面積,提高單井產(chǎn)能,因而設(shè)計(jì)采用以節(jié)點(diǎn)支撐為手段的分段暫堵轉(zhuǎn)向復(fù)合體積壓裂工藝。

根據(jù)成像測井對于各儲層段天然裂縫的精細(xì)描述,對于天然縫發(fā)育且難以開啟的儲層,采用層間暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù),利用層間應(yīng)力差異,采用不同粒徑組合的暫堵轉(zhuǎn)向劑,將已開啟裂縫進(jìn)行有效的橋堵,使壓裂液體進(jìn)入其他未充分改造進(jìn)液的地層,達(dá)到開起新裂縫的目的,并使用大規(guī)模滑溜水溝通天然裂縫;反之,對于天然縫發(fā)育且易于開啟的儲層,使用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù),利用縫內(nèi)暫堵轉(zhuǎn)向劑,提高縫內(nèi)靜壓,開啟新的裂縫,并結(jié)合凍膠破巖,滑溜水?dāng)y粉陶支撐微縫。

該井通過結(jié)合成像測井的裂縫精細(xì)分析,合理設(shè)計(jì)施工方案,經(jīng)測試壓裂、主壓裂的施工分析及現(xiàn)場的微地震監(jiān)測,天然裂縫發(fā)育情況及開啟難易性與施工結(jié)果符合良好。如該井X段,采用層間暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù),經(jīng)測試壓裂,停泵壓力梯度0.026,近井摩阻3.4 MPa,濾失較大,說明裂縫系統(tǒng)較復(fù)雜(見表3);結(jié)合G函數(shù)曲線特征分析,裂縫發(fā)育,與地質(zhì)解釋(裂縫密度3.5～9.3條/m)一致,微裂縫開啟程度與壓前天然裂縫開啟難易性分析一致(見圖4)。經(jīng)主壓裂施工后,通過微地震監(jiān)測,該井全井壓裂段平均全縫長444.8 m,平均監(jiān)測縫高35.8 m,整體改造體積244.8×104 m3,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該井儲層經(jīng)壓裂改造后,試氣日產(chǎn)量為2.43萬m3工業(yè)氣流。

表3 測試壓裂解釋結(jié)果

圖4 LT12井G函數(shù)解釋曲線

4 結(jié) 論

(1)厘定了單一裂縫按傾角、方位的數(shù)值化分類準(zhǔn)則,并確定其空間組合類型為水平縫、垂直縫、低角縫、高角縫、高角斜交縫、低角斜交縫、混和斜交縫、雜亂斜交縫等8種,分別給出了統(tǒng)計(jì)定義及基于主頻分析的具體判別算法,可作為該地區(qū)該類解釋的規(guī)范,對于裂縫產(chǎn)狀的相關(guān)研究也具有重要的參考價值。

(2)統(tǒng)計(jì)儲層中裂縫的主要走向并分析其頻散情況,計(jì)算其與地應(yīng)力方向的夾角大小,判斷裂縫在壓裂時開啟的難易性質(zhì),指導(dǎo)壓裂施工設(shè)計(jì),取得良好的應(yīng)用效果,較好地提升了成像測井地質(zhì)、工程應(yīng)

用的內(nèi)涵和外延。

(3)編程實(shí)現(xiàn)了裂縫發(fā)育參數(shù)的二次統(tǒng)計(jì)及自動制表、裂縫產(chǎn)狀及組合類型的描述以及壓裂難易性質(zhì)的判別,處理結(jié)果符合基于成像測井圖像的人工分析,實(shí)現(xiàn)了裂縫的自動化、智能化精細(xì)描述,減輕了解釋人員的工作強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率。