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综合利用测井技术识别测量裂缝

利用测井技术识别和探测裂缝

摘要：

裂缝性地层裂缝的测井解释主要包括裂缝带的识别和储层裂缝参数的定量计算两个方面。

用测井方法识别储层中的裂缝是目前最常用、最有效的方法，其中裂缝是否有效一直是测井解释的一个难点。

在测井方法中，常规的测井方法可以识别裂缝,只是精度不高，成像测井仍是目前最为可靠的裂缝识别依据，而双侧向测井方法可快速、便捷地确定裂缝的有效性。

1.绪论

裂缝，是岩石中由于构造变形或物理成岩作用形成的面状不连续体，在碳酸盐岩、火成岩和泥岩中均有发育，少量见于潜山变质岩中。

裂缝不仅是流体的储集空间,还是重要的流体渗滤通道.在致密的砂岩油气藏中,裂缝主要作为渗流通道存在,大大改善了低孔低渗透储层的生产能力；在碳酸盐岩地层中,裂缝还控制着溶孔、溶洞的发育,影响着地层中原始流体的分布状况和泥浆侵入特性；在火成岩地层中,裂缝是地层产能的最重要、最直接的影响因素.中深部储层由于压实作用多已致密化,天然气的聚集及产出主要依赖于裂缝系统,裂缝的存在势必会对储层的渗透性起到改善作用,形成有开发价值的产层.因此,研究地下裂缝的发育及其分布规律就显得尤为重要.

岩心是最为直接的裂缝资料,但往往存在取心数量有限、收获率低和岩心不定向等三个方面的局限。

用测井方法识别裂缝,具有本钱低、识别力强和经济效益高等优点,已成为勘探裂缝性油气藏的主要手段.

2.裂缝

按成因分为两种:

①天然裂缝,一般是成岩收缩或构造运动形成的；②钻井诱导,一般是在钻井过程中因频繁起、下钻的震动和地应力场的不均衡造成井壁有规律的开裂。

根据裂缝的形成原因,天然裂缝又分为非构造裂缝和构造裂缝两类，非构造裂缝主要是由于岩石失水体积收缩或岩浆冷却过程中体积收缩而形成的收缩裂缝以及压溶作用形成的缝合线。

构造裂缝是指在地壳运动过程中,岩石受构造作用力而产生的裂缝,这种裂缝是最广泛存在的裂缝，包括开启裂缝、闭合裂缝2种。

开启裂缝是没有充填其它物质的裂缝。

在水基泥浆中,裂缝中充填有导电的泥浆,这样裂缝的电阻率就比岩石的电阻率低很多,所以,可以根据电阻率的异常来识别开启裂缝。

闭合裂缝是充填有其它矿物的裂缝,它示出由构造应力产生的开启裂缝后来被富含盐的流体循环胶结,因此电阻率较高。

钻井诱生裂缝由于钻开地层后,原始地层应力释放,挤压井眼周围的地层,在井壁上产生了钻井诱生裂缝，常见的有3种:

钻具振动形成的裂缝、重泥浆压裂缝和应力释放裂缝。

按产状分,裂缝的产状一般表征分为裂缝面与水平面的夹角和裂缝面的倾向。

其分类主要根据裂缝面倾角、倾向相互间的组合以及相关的地质资料,目前分为五大类:

低角度裂缝、倾斜裂缝、高角度裂缝、低角度网状裂缝及高角度网状裂缝.

图1裂缝类型

3.　裂缝的测井识别方法

根据不同测井序列对裂缝的响应程度,一般用于裂缝识别的常规测井资料有孔隙度、电阻率、声波时差、变密度资料等,其本钱低、资料全,利用其识别裂缝是可行的。

裂缝在常规测井资料上的响应主要有:

①自然电位具明显负异常；②声波时差有跳波现象,整体时差值较高；③深浅测向振幅差明显,中值高；曲线形态整体较圆滑.

3.1放射性测井法

放射性测井是在钻孔中测量放射性的测井方法，以自然伽马测井为主。

自然伽玛测井主要测量地层中的不稳定元素如铀〔238U〕、钍〔282Th〕、钾〔40K〕发出的伽马射线。

含钾的硅酸盐矿物易于被风化分解，岩石风化后钾析出并被水流带走，含钾的化合物也以机械搬运和水溶两种形式迁移和再分配。

难溶于水的钍化合物那么残留在原地，在表生条件下，钍以机械分化迁移为主，被搬运到别处沉积下来，小局部钍那么在有利条件下形成络合物或有机络合物，或以胶体的形式迁移。

这两种含量的矿物相比照拟稳定。

而铀在自然界呈两种稳定的化合价状态存在，＋４价铀的化合物不溶于水，而＋６价铀盐可溶，以铀酰离子的形式随地下水迁移，在物理化学条件比拟适宜的区域转变为＋４价的化合物沉淀下来。

正常情况下，泥岩具有较高的放射性数值，伽马为高值，其主要是由富含钾的粘土矿物以及残留的钍元素富集，加上粘土矿物对铀元素的吸收等造成的；对于钾和钍含量较低的地层，铀元素的富集往往指示裂缝的存在，因此可以通过元素铀含量与钍钾含量的差值进展裂缝的识别。

3.2三孔隙度测井法

三孔隙度测井，即声波，密度和补偿中子测井。

裂缝及其所含流体在岩石中形成的声阻抗界面影响了声波传播,声波测井中有声波时差、长源距声波和全波波形测井用于裂缝探测。

声波时差以周波跳跃反映水平缝、低角度缝的存在或者是含气层的显示。

长源距声波测井除直接应用时差曲线外,还可以通过计算纵、横波幅度比或速度比值来表达裂缝的存在。

在全波波形和变密度显示图上,裂缝层段出现纵、横波能量衰减的“V’,字型干预条纹,可用于确定裂缝的位置并定性解释低角度缝和网状缝,该方法对水平缝显示较好。

密度测井主要反映岩石的总孔隙度,与测井仪器极板是否靠上裂缝关系极大。

假设极板靠上裂缝,曲线反映的孔隙度偏高；而与仪器极板不接触或处于探测空间以外的裂缝溶洞那么无法反映。

为校正裂缝发育使井壁粗糙不平对密度测井测量结果产生的影响,需对密度测井曲线进展校正,该校正值可用来识别裂缝的存在,裂缝带呈正的窄尖峰状显示,但要注意区分钻井时造成的人工裂缝对密度测井的影响。

补偿中子测井通过测量地层的含氢指数来反映地层孔隙度,在岩石骨架不含氢的情况下,它反映地层的总孔隙度,并不受孔隙空间几何形态和分布的影响。

由于致密岩石基质孔隙度很低,因此中子测井可直接反映裂缝和溶洞的发育程度。

由三孔隙度测井的测量原理知，中子测井和密度测井反映了地层总孔隙度的大小，声波速度测井主要反映原生的粒间孔隙度。

声波测井和中子测井在裂缝发育井段一般表现为高值，密度测井那么表现为低值。

但是，利用单个测井曲线来识别裂缝的效果往往不佳，将三种测井曲线相结合来进展测井裂缝识别更为有效。

3.3电阻率测井及倾入校正差比法

对裂缝较为敏感的电阻率曲线主要指深浅侧向电阻率和微侧向或微球聚焦测井。

深、浅侧向电阻率测井的差异就在于探测深度的不同，天然裂缝的存在，导致泥浆侵入钻井远处的地层，使深浅侧向测井电阻率值出现差值异常，一般的，高角度〔大于75℃〕裂缝时差值为“正异常〞，角度愈高,差异愈大,裂缝开度大,裂缝延伸长,其有效性就越好；低角度〔小于45℃〕裂缝时差值为“负异常〞，差异幅度越大,裂缝开度大,其有效性就越好；倾斜裂缝的差值不明显。

对于微侧向或微球聚焦测井响应，一般将其与深浅双侧向测井相结合分析地层是否存在裂缝。

在井陉规那么的情况下，天然裂缝较为发育的井段，其微侧向或微球聚焦测井曲线会在双侧向电阻率曲线背景上发生数值偏离。

侵入校正差比法基于双侧向电阻率测井曲线进展裂缝识别。

裂缝在双侧向测井曲线上的响应与裂缝的产状、裂缝的宽度与长度、裂缝中的充填物及充填状态、泥浆侵入深度等密切相关。

由双侧向测井计算出地层真电阻率，然后构造电阻率侵入校正差比曲线来识别裂缝。

当地层为裂缝性气层时，侵入校正的地层真电阻率＞浅侧向电阻率值，深浅电阻率差比值＞０。

图2利用常规测井技术识别裂缝

3.4地层倾角测井法

地层倾角测井和高分辨率地层倾角仪都是通过贴井壁极板上的微聚焦电极接触裂缝时而产生的电导率来检测出裂缝的,可以识别裂缝产状并确定其走向。

存在的问题是极板覆盖率低,处理时难以区分泥质条带和低角度裂缝及水平裂缝,只能反映高角度缝和斜交缝,而且仪器测量受井眼影响比拟大。

利用地层倾角测井曲线识别裂缝的方法主要有裂缝识别测井lFlJ和电导率异常检测IX二A两种方法。

DCA处理方法通过检测和比拟开启裂缝在不同极板上造成的电导率差异而识别斜交缝或高角度裂缝,根据异常极板有的方位可确定裂缝的走向。

应用高分辨率地层倾角测井提供的4条微电阻率曲线、3条角度曲线和2条井径曲线,依据开启裂缝在电阻率曲线上显示的低阻特征进展裂缝识别。

针刺状电导异常代表低角度缝、水平缝、斜交缝和网状缝的测井响应,而高角度缝、垂直缝的测井响应对应于较长井段的低电阻异常,但要与角砾岩带和地层层面产生的同为针刺状的非裂缝电导异常相区别。

值得注意的是,进展高导异常截止处理时难以区分泥质条带和低角度及水平裂缝,一般作为噪音予以消除,那么处理结果只能反映出高角度和斜交裂缝。

其次裂缝发育可能引起井壁岩块的崩落形成椭圆井眼,利用双井径曲线的变化识别裂缝发育情况,区段分布一般较短。

此外还可以根据仪器转动差异（键槽效应）识别有无裂缝发育。

图3埕北X井利用倾角测井资料识别裂缝

3.5成像测井法

最早的成像测井仪器诞生于1969年，经过几十年的开展，目前主要有声、电、核三大类。

目前来说，成像测井是最直观、最有效的裂缝判别依据，具体包括井下声波电视测井、微电阻率扫描成像测井（FMI或EMI）和井周成像测井方法（CBIL）。

其中FMI测井是国各大油田裂缝识别时应用较为普遍的成像测井。

FMI测井是通过记录极板上大量微电极的电流强度来反映井壁的微电阻率变化，然后对记录数据进展一系列特殊处理，利用井壁图像上的亮与暗来代表该位置电阻率值的高与低，从而得到井壁的电阻率图像，从而获得丰富的裂缝信息，如FVA〔裂缝开度〕、FVDC〔裂缝密度〕等，并且FMI的井眼覆盖率接近80%。

常见的FMI测井裂缝类型主要有高导缝，高阻缝，钻井诱导缝，微裂缝，在碳酸盐岩储层中还会有溶蚀缝、缝合线等。

这些FMI测井裂缝类型中，高导缝表示的是被流体或钻井泥浆充填的开启裂缝，能够有效改善储层的储集性能。

除FMI成像测井外，在裂缝的有效性评价方面，偶极子横波成像、远探测声波成像以及方位电阻率成像测井均具有一定的应用前景

图4某井高角度开口裂缝与充填缝

3.6裂缝测井综合识别方法

由于裂缝分布特征复杂，除了成像测井外，其它单一测井方法裂缝识别能力有限，仅使用常规测井曲线进展井上的裂缝识别无法满足勘探开发的精度要求，针对这种情况，将测井裂缝识别与数值统计分析中的相关理论结合，形成了一系列新的裂缝测井综合识别方法。

3.6.1概率密度法

概率密度方法，其本质是将不同测井裂缝识别方法进展有效融合。

不同的测井裂缝识别曲线〔如侵入校正差比曲线和三孔隙度比值曲线等〕，其原理不同，量纲不同，量级差可能较大。

将裂缝识别较为准确的位置提取出来，融合成一条新的测井曲线，从而提高裂缝的整体识别准确率。

该方法的一般计算流程为：

（1）将已有裂缝识别曲线分别进展正态变换及归一化处理；〔2〕基于单井裂缝先验信息统计裂缝识别曲线的识别率；〔3〕将这ｎ个识别率进展归一化处理，得到各裂缝识别曲线的权重值；〔4〕将各裂缝识别曲线进展权值的乘积求和，得到新的曲线，即裂缝概率密度曲线。

该方法能够有效提升裂缝的井上识别率，且为连续曲线，可以作为测井约束参与到与裂缝相关的地震反演中。

3.6.2R/S变尺度分析法

R/S变尺度分析法是应用最广泛的分形统计方法之一。

其中R和S分别为极差和标准差，极差Ｒ代表时间序列的复杂程度，标准差Ｓ代表时间序列的平均趋势，那么，可以用两者的比值R/S来代表无因次的时间序列相对波动强度。

在实际应用中，先选取两条对裂缝较为敏感的测井曲线〔例如自然伽马和声波曲线〕，并分别计算出两曲线每个采样点的R和S值为，然后将选取的两条识别曲线与n作双对数散点图。

在某一深度段，将散点拟合为曲线，并计算该R/S曲线的斜率H〔一般称为Hurst指数〕，然后求取分形维数Ｄ＝２－Ｈ。

一般情况下，井段裂缝越发育，那么井段非均质性越强，R/S与n的双对数线性关系图的变化越剧烈，说明D值越高。

3.6.3神经网络裂缝识别方法

近年来，神经网络技术开展迅速，并将其引入石油地质勘探的实际问题中，用于预测井段的裂缝发育情况。

其学习算法由正向传播和反向传播两个过程组成。

在正向传播过程中，输入信息从输入层经隐蔽单元逐层处理，并传向输出层。

假设输出层得不到期望的输出，那么转入反向传播，将误差信号沿原来的连通路返回，通过修改各层神经元之间的权值，使误差信号最小。

目前应用最广泛的是BP〔BackPropagation〕网络。

在实际的裂缝识别过程中，首先，利用测井裂缝信息的井段对神经网络进展训练，到达精度需求时完毕学习过程，然后，再利用已经训练好的网络对未知裂缝信息的层段进展预测。

4.储层裂缝参数的定性和定量确定

4.1裂缝真伪有效性识别

钻井诱导缝与天然裂缝的区别主要有:

①根据裂缝的分布和排列,因为钻井诱导裂缝只与现应力作用有关,排列整齐,规律性强,而天然裂缝常为多期构造运动形成,分布极不规那么；②根据裂缝的形态,诱导裂缝形状规那么,缝宽均匀,而天然裂缝因地下水长期的溶蚀和沉淀作用,缝面形状和宽度变化都较大；③根据裂缝的径向延伸,诱导裂缝的径向延伸都不大,而大多数天然裂缝的径向延伸较大,常伴有电阻率下降。

真、假裂缝的识别需要成像测井结合常规测井方法共同判断，对于层界面与裂缝、缝合线与裂缝的鉴别,主要依靠电导率异常。

层界面常常是一组互相平行的或接近平行的高电导率异常,且异常宽度窄而均匀；但裂缝总是与构造运动和溶蚀相伴生,因而高电导率异常一般既不平行,又不规那么。

由于缝合线是压溶作用的结果,一般平行于层界面,但两侧有近垂直的细微高电导率异常,通常不具有渗透性；天然裂缝无此特征。

至于断层条带与裂缝的鉴别那么主要依据断层面处的地层的错动,与天然裂缝的区别非常明显。

泥质条带与裂缝的鉴别类似于层界面与裂缝的区别,依靠电导率异常识别。

图5层理面、裂缝面在成像测井图像上的区别

裂缝是否开启、是否被充填,直接关系到裂缝能否成为油气运移的通道（即裂缝的有效性）。

对裂缝有效性的评价需要根据多种资料进展综合判断。

第一,通过成像图与双侧向或方位电阻率成像测井比拟,判断裂缝的有效性。

当裂缝径向延伸大时,深、浅侧向电阻率读数均降低；当裂缝径向延伸较小时,浅侧向电阻率读数降低,深侧向电阻率读数无明显变化。

一般来讲,井壁成像径向探测深度比方位电阻率成像测井小得多,因此成像图上能显示的各种裂缝既包括有效裂缝也包括无效裂缝,而方位电阻率成像测井图上能显示出来的裂缝主要是有效裂缝。

第二,利用成像图与核磁测井的TZ分布判断裂缝有效性。

由于核磁共振测井能够反映储层当中的可动流体与束缚流体以及孔隙大小的分布,如果裂缝、孔洞被泥质充填,那么几分布上将表现出束缚流体特征,没有可动流体,由此可以判断裂缝是被低阻矿物或泥质所充填；如果裂缝、孔洞不被泥质充填,那么毛分布上将表现出可动流体和大孔隙分布,即毛弛豫时间特别长,从而确定出有效裂缝和孔洞。

第三,利用斯通利波测井判断裂缝有效性。

4.2　裂缝根本参数的评价

4.2.1裂缝孔隙度确实定方法　

确定裂缝孔隙度的方法主要有双侧向法、光电俘获截面法、双孔隙度模型分析、次生孔隙度法和标定法等。

实际上常用的是双侧向法。

（1）双侧向法　用双侧向测井资料来估算裂缝孔隙度的前提是深、浅侧向测井曲线之间存在有幅度差。

而双侧向之间的幅度差与裂缝的产状、裂缝开度、泥浆侵入及孔隙流体性质等

因素均有关,因此用双侧向测井资料估算裂缝孔隙度需要满足一定的条件,比方,双侧向测井资料实际上只能计算高角度裂缝的孔隙度,对渗透性良好的低角度裂缝,双侧向无差异或负差异,那么无法计算。

（2）光电俘获截面法　它是利用光电俘获截面受含钡泥浆的强烈影响这一特性来评价的。

只有当裂缝性岩石被含重晶石的泥浆侵入时,才可据此评价裂缝孔隙度。

（3）双孔隙度模型分析　由双孔隙度模型分析求取裂缝孔隙度的原理是,基于双孔隙度模型可以得到孔隙度指数（反映孔隙通道弯曲程度的一个参数）m,再结合裂缝分配系数g作成图版,通过查图版可定量求得裂缝孔隙度,但该图版的使用条件是假定裂缝与岩石基块孔隙是呈并联的电阻率系统。

（4）次生孔隙度法　中子和密度测井所反映的岩石总孔隙度与声波测井反映的岩石基质孔隙度之差即为包括裂缝在的次生孔隙度,这是对裂缝孔隙度的一种粗略近似分析。

该方法只有当地层孔隙度较高且不含气时才较为适合,而且声波孔隙度往往不反映基质孔隙度,如在水平裂缝发育带上。

（5）标定法　石油勘探开发研究院利用地层微电阻率成像测井（FMI）图像解释的裂缝孔隙度对裂缝指数曲线进展标定,然后再用裂缝指示曲线来反映裂缝孔隙度的大小,但所确定的裂缝孔隙度只能从数量级上反映,因为除了存在井眼扩大、含其它导电矿物外,还因为FMI所确定的裂缝孔隙度只能反映井壁的地层,探测深度太浅。

4.2.2　裂缝渗透率确实定方法　

其原理是岩石裂缝渗透率与裂缝孔隙度成正比,与裂缝开宽度的平方成正比。

值得注意的是由此所确定的裂缝渗透率为裂缝型储层的绝对渗透率,而不是相对渗透率；并且这只是个经历模型,其中裂缝开度和裂缝孔隙度本身就不好确定。

另外需注意,用测井资料确定粒间孔隙地层渗透率的问题都尚未解决,因此用测井资料来研究裂缝渗透率也只能是个尝试。

4.2.3　裂缝发育程度确实定方法　

国有的学者主用岩石的完整性系数、破裂系数以及纵横波速度比值来描述裂缝发育程度,并且认为这3个参数中用破裂系数较好。

其使用条件为:

假设有密度测井资料,且质量较好时,就选用破裂系数；假设没有密度测井资料或质量太差,那么选用完整性系数或纵横波速度比,但在使用纵横波速度比时,还需注意由岩性差异引起的系统误差。

存在的问题是这些参数不能反映高角度裂缝、溶洞。

4.2.4　裂缝特征参数确实定方法　

裂缝长度、裂缝密度、裂缝开口和裂缝面积孔隙度是反映裂缝特征的4个重要参数。

裂缝宽度指单位井段（1m）中各裂缝轨迹宽度立方和开立方,是裂缝水动力效应的一种拟合,单位为μm；裂缝密度为每米井段所见到的裂缝总长度,并经过倾斜校正后的结果,单位为条数/m；裂缝长度为每平方米井壁所见到的裂缝长度之和,单位为m/m2；

图6裂缝参数的定量计算

4.2.5　裂缝产状确实定方法　

在常规测井资料中,目前主要用双侧向测井、地层倾角测井和成像测井资料来估计裂缝产状。

双侧向测井的幅度差随裂缝的产状不同而不同,故利用其幅度差可近似判断裂缝的倾角类型,即高角度裂缝（倾角大于75°）和低角度裂缝（倾角小于67°）。

利用地层倾角测井资料可估计裂缝走向,并大致判断出裂缝为低角度、斜交、高角度等类型,但只有当裂缝面通过井轴时才能由电导率异常检测（DCA）的方位频率图正确确定高角度裂缝的走向。

井中电视和地层微电阻率扫描能够确定裂缝的倾角和走向。

另外,在碳酸盐岩储层中,还可以利用深、浅双测向的电阻率比值大小来近似估计裂缝（高角度裂缝）的径向延伸深度。

需要注意的是在用双侧向测井资料确定裂缝性地层裂缝参数时有一个重要的前提,即先要准确地识别裂缝及其产状,否那么计算的结果没有意义,甚至会产生极不合理的结果。

由此可见,这些常规评价方法都是对复杂问题作了简化、近似,是在均质、线性、理想的条件下进展解释的。

5.结论

近年来，石油勘探研究人员在不同地区不同岩性的测井裂缝预测工作中取得了较好的研究成果，但是，测井裂缝识别的准确度问题在生产实践仍未有效解决，其原因在于：

〔１〕裂缝尺度小，同一地区的裂缝在不同井点处的裂缝开度、倾角、充填度等特征也会发生变化，单纯利用常规测井数据来进展裂缝识别难度较大；〔２〕测井施工过程中的误差会影响测量值的准确性，在进展裂缝识别这种精细的测井资料分析时，该类误差的影响不容轻视。

在实际应用中，成像测井仍是目前最为可靠的裂缝识别依据，可以作为验证其他裂缝预测方法是否准确的依据，为了提高测井裂缝识别的准确度，一般通过多种测井裂缝识别方法的比照分析，来综合性的进展测井的裂缝识别。

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