韓 剛，何 峰，張孝珍，王立華，祝彥賀，雷克輝

（1.中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京100027；2.北京博達(dá)瑞恒科技有限公司，北京100094）

單井裂縫發(fā)育段的識別是實(shí)現(xiàn)后續(xù)裂縫研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是決定裂縫預(yù)測精度的支撐資料。裂縫識別的方法較多，包括巖心分析、薄片鑒定、常規(guī)測井（聲波、中子、密度及電阻率測井），以及特殊測井（微電阻率成像測井及陣列聲波測井）等［1-5］。其中巖心分析和薄片鑒定最直觀可靠，但取心資料往往少且不連續(xù)，不利于認(rèn)識全區(qū)整個目的層段的裂縫發(fā)育規(guī)律；常規(guī)測井經(jīng)濟(jì)實(shí)用且系列齊全，但其探測深度淺，縱向分辨率低，特別是當(dāng)儲層以孔隙為主，且孔隙對測井曲線的響應(yīng)遠(yuǎn)大于裂縫對測井曲線的貢獻(xiàn)時，裂縫的響應(yīng)信息易被掩蓋，用常規(guī)測井曲線很難達(dá)到精準(zhǔn)識別裂縫的目的。微電阻率成像測井具有高分辨率且連續(xù)測量的特征，能夠直觀地反映裂縫信息，但由于測量成本高昂，資料往往有限［6-8］。

目前中外針對陣列聲波測井在裂縫測井識別中的應(yīng)用已進(jìn)行了大量的研究，朱留方研究了交叉偶極子陣列聲波測井在裂縫性碳酸鹽巖儲層評價中的應(yīng)用［9］，陳英闡述了利用多極子陣列聲波測井識別裂縫的方法［10］，唐軍等進(jìn)行了陣列聲波測井技術(shù)在識別碳酸鹽巖儲層類型中的應(yīng)用研究［11］，尹帥等利用陣列聲波測井資料對海陸過渡相碎屑巖地層單井裂縫發(fā)育段進(jìn)行定量識別［12］，前人的應(yīng)用研究多集中在裂縫相對發(fā)育的碳酸鹽巖地層和特低孔碎屑巖儲層。鄂爾多斯盆地K區(qū)為致密砂巖儲層，孔隙度為4%～12%，裂縫僅少量發(fā)育，一般成像測井見1～3條裂縫，常規(guī)測井對裂縫發(fā)育段無明顯響應(yīng)特征，且目的層段受煤層、泥巖垮塌的影響，裂縫識別多解性強(qiáng)。

通常充滿流體的裂縫其聲阻抗顯著區(qū)別于巖石聲阻抗，當(dāng)聲波通過裂縫時，必然引起聲波能量的衰減。為此，利用陣列聲波處理后的能量幅度衰減信息，與巖心、薄片、常規(guī)測井資料及微電阻率成像測井資料相互對比標(biāo)定，去偽存真，實(shí)現(xiàn)了致密砂巖儲層裂縫發(fā)育段的識別，以期為類似地區(qū)裂縫識別提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

K區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣，構(gòu)造上處于晉西擠壓構(gòu)造褶皺變形帶，是發(fā)育在上古生界煤系烴源巖層上的大型致密砂巖氣藏［13］。研究區(qū)上古生界自下而上發(fā)育本溪組、太原組（包含太1—太2段）、山西組（包含山1—山2段）、石盒子組（包含盒1—盒8段）和石千峰組（包含千1—千4段）。石盒子組儲層孔隙度主要為4%～12%，其儲集空間類型多樣，主要包括粒間溶孔和溶蝕顆?？祝l(fā)育少量裂縫。部分巖心及成像測井資料裂縫特征分析表明，研究區(qū)存在壓溶縫、溶蝕縫、構(gòu)造縫等多種成因縫，以構(gòu)造縫為主（圖1）。研究區(qū)低幅度褶皺和斷裂主要受燕山期、喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動和早白堊世紫金山地區(qū)火山侵入抬升的影響［14-15］。

圖1 鄂爾多斯盆地K區(qū)巖心及薄片裂縫特征Fig.1 Fracture characteristics of core and thin section in Area K of Ordos Basin

2 基于陣列聲波的裂縫發(fā)育段識別方法

中海油田服務(wù)股份有限公司自行研制的交叉偶極陣列聲波測井儀EXDT具有8個陣列寬帶接收器、1個近單極發(fā)射器、2個正交偶極發(fā)射器和1個遠(yuǎn)單極發(fā)射器，接收器陣列對傳播波場可進(jìn)行廣泛的空間采樣，發(fā)射器和接收器陣列的排列可測得較深地層處聲波傳播的信息。利用每個深度點(diǎn)記錄的單極源波形和偶極源波形，可分別提取縱波、橫波和斯通利波相關(guān)信息［16-19］。隨后利用巖心薄片及微電阻率成像刻度對比陣列聲波處理成果曲線，分析陣列聲波測井的裂縫響應(yīng)特征，用于單井裂縫發(fā)育段的識別。

2.1 陣列聲波測井處理

EXDT測井儀接收的信號包括縱波、橫波和斯通利波等?？v波以液體壓縮波形式從發(fā)射器傳播到地層，在井壁產(chǎn)生折射后以地層的縱波速度沿井壁傳播，并以液體壓縮波的形式傳到接收器。橫波速度低于縱波，所以到達(dá)接收器的時間晚于縱波，但橫波不能在軟地層中傳播，儀器接收到的是偶極子發(fā)射器產(chǎn)生的沿井壁傳播的撓曲波，撓曲波是一種頻散界面波，在低頻時以橫波速度傳播。繼橫波之后到達(dá)的斯通利波以井內(nèi)液體壓縮波的形式從發(fā)射器直接傳到接收器［20-21］。井中傳播的這些波的總和構(gòu)成了井下聲波的全波列（圖2）。

圖2 聲波全波列波形圖Fig.2 Diagram of acoustic full waveform

針對EXDT測井得到的全波列數(shù)據(jù)，利用EGPS軟件的陣列聲波模塊完成陣列聲波的處理，主要包括地層縱波、橫波和斯通利波的提取及時差計算、到時計算、幅度曲線計算、衰減曲線計算等，處理流程見圖3所示。

圖3 陣列聲波測井處理流程Fig.3 Array acoustic logging processing flow chart

在全波列圖像上正確區(qū)分和提取縱波、橫波及斯通利波是幅度衰減曲線精確計算的基本保證。區(qū)分縱波和橫波，主要根據(jù)幅度、相位及到達(dá)時間，其區(qū)別在于：①橫波幅度大于縱波幅度；②在聲波全波列圖上，縱波和橫波首波相位是相反的，即相位相差180°；③一般橫波首波比縱波首波滯后5—8個周期。斯通利波是用低頻脈沖激勵單極發(fā)射器發(fā)射時產(chǎn)生的，到達(dá)時間更晚，頻率較低?；谶@3種波的特性，對每個深度點(diǎn)的全波列數(shù)據(jù)設(shè)置合理的起始時間、處理窗長和頻率范圍，采用時間慢度相關(guān)法得到每個深度下的時間慢度相關(guān)圖（圖4a），然后將其投影在時間慢度軸坐標(biāo)，3個峰值對應(yīng)的慢度值即分別為該深度點(diǎn)的縱波、橫波及斯通利波時差（圖4b）。隨后計算每個接收器接收到的每種波的到達(dá)時間，然后對其進(jìn)行精確開窗，完成每種波的幅度和衰減曲線計算。

圖4 縱波、橫波和斯通利波時差提取方法Fig.4 Extraction method for P-wave，S-wave and Stoneley-wave

2.2 裂縫發(fā)育段陣列聲波響應(yīng)特征

縱波、橫波、斯通利波幅度衰減曲線及斯通利波在變密度圖上的干涉條紋是指示裂縫的良好標(biāo)志。但幅度衰減曲線及干涉條紋對擴(kuò)徑及煤層極為敏感，為有效識別裂縫發(fā)育段，需與常規(guī)測井及電阻率成像相互對比，區(qū)分不同地質(zhì)信息的測井響應(yīng)特征差異，提取反映裂縫發(fā)育段的有用信息。

擴(kuò)徑段特征 自然伽馬（GR）高值為研究區(qū)典型的泥巖標(biāo)志，其對應(yīng)的波形曲線（WV01）有明顯的干涉條紋，縱波幅度衰減曲線（ATTNC）、橫波幅度衰減曲線（ATTNS）及斯通利波幅度衰減曲線（ATTNST）明顯高值異常。但其對應(yīng)井徑曲線（CAL）明顯增大（圖5）。1 701～1 712 m為擴(kuò)徑的泥巖段，并非裂縫發(fā)育段。

煤層特征 GR相對低值，中子孔隙度（CNCF）和聲波時差（DTC）急劇增大，對應(yīng)的密度（ZDEN）急劇減小，為目標(biāo)區(qū)典型的煤層測井特征，WV01干涉條紋明顯，ATTNC，ATTNS及ATTNST明顯高值異常，微電阻率成像測井無明顯的裂縫正弦特征（圖6）。1 941～1 946 m為煤層，陣列聲波的一系列響應(yīng)特征均為煤層影響導(dǎo)致，并非裂縫發(fā)育段。

裂縫發(fā)育段特征 GR相對低值，CNCF均值為0.09 v/v，DTC均值為223 μs/m，ZDEN均值為2.52 g/cm3，為目標(biāo)區(qū)典型的砂巖測井特征，WV01有干涉條紋，但較擴(kuò)徑及煤層段變?nèi)?，ATTNC，ATTNS及ATTNST明顯高值異常，微電阻率成像測井存在多條開啟裂縫（圖7）。陣列聲波的一系列響應(yīng)受到裂縫影響，所以1 794～1 803 m為裂縫發(fā)育段。

圖5 鄂爾多斯盆地K區(qū)泥巖擴(kuò)徑段陣列聲波特征Fig.5 Array acoustic logging plots in enlarged borehole section in Area K of Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地K區(qū)煤層段陣列聲波特征Fig.6 Array acoustic logging plot in coal section in Area K of Ordos Basin

圖7 鄂爾多斯盆地K區(qū)裂縫發(fā)育段陣列聲波特征Fig.7 Array acoustic logging plot in fracture development section in Area K of Ordos Basin

2.3 裂縫發(fā)育段陣列聲波界限值

為進(jìn)一步提高單井裂縫發(fā)育段判別的精準(zhǔn)性，以巖心照片及成像測井驗(yàn)證過的井段作為樣本點(diǎn)，制作密度與縱波、橫波及斯通利波衰減曲線的交會圖版（圖8—圖10），以確定聲波幅度衰減曲線的界限值。裂縫發(fā)育段的縱波、橫波和斯通利波幅度衰減曲線界限值分別為12.5，13和5.6 db/m，考慮到全波列波形的幅度衰減強(qiáng)弱與裂縫傾角息息相關(guān)，所以若某井段內(nèi)僅其中的1條或2條幅度衰減曲線異常，也應(yīng)考慮到其裂縫發(fā)育的可能性。

圖8 密度與縱波幅度衰減曲線交會圖Fig.8 Cross plot of density with P-wave amplitude attenuation

圖9 密度與橫波幅度衰減曲線交會圖Fig.9 Cross plot of density with S-wave amplitude attenuation

圖10 密度與斯通利波幅度衰減曲線交會圖Fig.10 Cross plot of density with Stoneley-wave amplitude attenuation

2.4 裂縫發(fā)育特征

基于前述裂縫段陣列聲波的測井特征，對研究區(qū)內(nèi)23口井進(jìn)行裂縫發(fā)育段識別與分析，將裂縫發(fā)育段頻次按小層進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，縱向上千5、盒2、盒4和盒6段儲層裂縫較其他小層發(fā)育，且部分井受紫金山隆起區(qū)、褶皺及斷層影響，裂縫相對發(fā)育（圖11）。

圖11 裂縫縱向發(fā)育特征Fig.11 Vertical fracture characteristics in different layers

3 裂縫對儲層改造作用及實(shí)例分析

3.1 裂縫對儲層物性的改造作用

基于柱塞巖樣物性分析數(shù)據(jù)，將巖心孔隙度與滲透率進(jìn)行交會分析，發(fā)現(xiàn)裂縫樣品孔滲擬合趨勢線高于純基質(zhì)樣品擬合線，表明在基質(zhì)孔隙相同的情況下，裂縫對儲層滲透率有明顯提高作用（圖12a）。W5井發(fā)育上、下2套砂巖，均為中粗長石巖屑砂巖，溶蝕孔-裂縫發(fā)育（圖12b），基質(zhì)孔隙度為15%，氣測滲透率為10.5 mD，砂巖溶蝕孔發(fā)育，無裂縫（圖12c），基質(zhì)孔隙度為16.2%，滲透率為4.9 mD，兩者孔隙相近，但上套砂巖的滲透率高于下套，所以裂縫對儲層滲透性具有積極改造作用。

圖12 巖心孔滲分析Fig.12 Analysis of porosity and permeability of core

3.2 測井識別裂縫發(fā)育段實(shí)例分析

以A1井為例，1 458.0～1 467.0 m測井解釋為氣層，其陣列聲波變密度圖干涉條紋明顯，縱波、橫波和斯通利波幅度衰減曲線分別為23.4，25.9和52.5 db/m。1 460.0～1 466.0 m確定為裂縫發(fā)育段（圖13），其壓裂前產(chǎn)量達(dá)12 120 m3/d，裂縫起高導(dǎo)流通道的作用。

圖13 A1井測井綜合解釋成果Fig.13 Logging interpretation result of Well A1

以A2井為例，1 905.0～1 907.0 m測井解釋為氣層，陣列聲波變密度圖清晰可辨無明顯干涉條紋，幅度衰減曲線也無明顯變化（圖14），認(rèn)為此井段裂縫不發(fā)育，其壓裂前、后均未獲得工業(yè)氣流。

圖14 A2井測井綜合解釋成果Fig.14 Logging interpretation result of Well A2

4 結(jié)論

針對鄂爾多斯盆地K區(qū)以孔隙為主、裂縫少量發(fā)育的儲層，形成了一套利用巖心、微電阻率成像標(biāo)定陣列聲波幅度衰減曲線，確定裂縫衰減曲線界限值，準(zhǔn)確識別有效裂縫的方法。該方法彌補(bǔ)了常規(guī)測井對裂縫響應(yīng)特征不敏感的問題，提高了裂縫發(fā)育段的識別精度，拓展了陣列聲波裂縫識別思路。明確了研究區(qū)裂縫縱向發(fā)育特征，其中千5、盒2、盒4和盒6段裂縫較發(fā)育，與主力產(chǎn)層段有較好對應(yīng)性。裂縫對儲層改造作用明顯，提高了儲層滲透率，對產(chǎn)能起到了積極貢獻(xiàn)作用。單井裂縫發(fā)育段的準(zhǔn)確劃分對于射孔開發(fā)及壓裂具有指導(dǎo)意義。