成像测井裂缝自动化精细描述

周彦球,崔岩磊,徐洁

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江大庆163412)

0 引 言

微电阻率成像测井资料以图像形式对井壁附近地层中的裂缝进行直观呈现,而且可用于裂缝产状的拾取、统计及裂缝发育参数的定量计算,对于裂缝性储层的精细评价独具优势。在大庆地区的电成像测井解释中,不仅要根据裂缝的自然发育情况对裂缝参数进行分段读值,在解释报告中提供裂缝参数表,对于特殊岩性的储层还要对裂缝参数按层取值,体现于岩性细分数据表中。随着勘探开发目标的日趋复杂化及相应的工程技术手段发展,对成像测井解释的需求也在不断丰富,以储层的精细评价为目标,通过计算机的自动化处理,实现裂缝的智能化、抽象化描述,为油田甲方提供可靠技术支持的同时,减轻解释人员的工作负担,已经成为成像测井解释技术发展中亟需解决的关键问题。

本文结合大庆地区的成像测井解释生产实践,以储层的总体属性为对象,以计算机编程为手段,在裂缝发育参数的自动化二次统计、裂缝产状及其组合类型的判别,以及天然裂缝在压裂时开启的难易性质等方面展开理论分析及算法研究。

1 理论研究及算法分析

1.1 裂缝发育参数的二次统计

通常使用宽度、长度、密度、面孔率等参数描述裂缝的发育状况,根据斯伦贝谢公司的定义[1],依次表示单位井段内全部裂缝的平均水动力宽度(FVAH,mm)、每平方米井壁上所见到的裂缝长度之和(FVTL,m/m2或1/m)、单位井段所见到的裂缝总条数(FVDC,条/m)及裂缝在单位面积上的百分比(FVPA,%)。习惯使用GeoFrame软件中的Geology应用包处理而生成,根据成像测井的图像特征,识别并拾取天然的开启缝,结合常规浅侧向资料进行刻度,进而使用相应的拟合公式计算上述4个参数。

对于火山岩、变质岩、碳酸盐岩等复杂岩性储层,基岩孔隙度一般较低,裂缝成为重要的储集空间,或者是连接基质孔隙、溶蚀孔洞的有利通道。因而,表征裂缝发育状况的上述4个参数,能够直接指示该类储层的物性好坏,在单井储层评价及后期的油气开发中一直以来都备受关注。大庆地区的成像测井解释中,在实现裂缝参数计算、输出上述4条裂缝参数曲线的基础上,不但要根据裂缝的垂向连续性进行手动分层,对裂缝参数按小层读取平均值,形成解释报告中的裂缝参数表(以下简称裂缝自然表),而且,根据常规解释所划分的储层,也要对裂缝参数按层读值,体现于解释数据表中(以下简称储层裂缝表)。前者根据全井裂缝的自然发育状况,提供裂缝所在深度段及其宽度、长度、密度、面孔率等参数的定量描述;后者以储层为对象,对于指定深度段提供量化指标,为储层评价提供重要依据,对于确定解释结论及制定试油方案等环节尤为重要。通常在勘探目的层位的复杂岩性地层中,裂缝较为发育,解释员往往需要花费较多的时间和精力统计、编制、校对这2种表格。

通过编程实现计算机自动统计、制表,需模拟人工分析的过程,并确定相应的原则,其算法要点:

(1)裂缝自然表需先实现自动分层。筛选确定使用连续性最好的FVDC曲线为基准曲线,由用户指定的最大合并间距(或最小层间距,缺省为5 m)进行自动分层。即从FVDC曲线上的第1个有效数值点开始,按深度遍历FVDC曲线的每个采样点,数值连续有效或者单个“无效夹层”的厚度不超过最大合并间距,视作同一个层,否则确定为该层的终点而跳出,继续搜寻下一个有效数值点作为下一个层的开始点,使用相同准则继续逐一判别每个数值点,直到FVDC曲线的终点,从而自动确定了各层的顶底深度,完成自动分层。

(2)裂缝自然表实现自动分层后,与已知各层顶、底深度的储层裂缝表的后续作法一致,即对各层进行统计读值。根据该地区的惯例,各层对FVAH、FVTL、FVDC、FVPA等曲线求取平均值,需要注意的是,无效数值(通常为-9 999.0)在累加前应以0替换,而非忽略不计。

(3)按生产中的固定格式,写出对应的数据表格。

1.2 裂缝产状及其组合类型的判别

本文主要讨论构造成因的天然裂缝,它们一般有较为规则的裂缝面(在成像测井展开图中为正弦线),其产状包括倾角、倾向和走向等要素,体现了裂缝在三维空间的延展特性,是其形成条件下的地层应力的综合响应,对于油气的储集和运移有着至关重要的影响,同时也是勘探开发中必须考虑的关键因素之一。

在成像测井处理中主要由人工拾取裂缝轨迹,进而通过处理软件实现坐标转换(井眼坐标转换为大地坐标),将视倾角转为真倾角,从而获得裂缝的产状要素。以储层为对象进行裂缝分析,需要解决的重点问题是,对指定层段内的各条裂缝的产状数值进行统计、分析,以确定该储层中裂缝产状的总体属性,为后续的地质或工程分析工作提供抽象的、定性的结论。因而,需在单一裂缝产状分类描述的基础上,对其空间组合类型进行判别和分析。单一裂缝的产状,可分别根据其倾角、倾向数值的所属区间进行分类。

1.2.1 单一裂缝按倾角的分类

根据裂缝倾角的高低,一般将其划分为水平缝、低角缝、高角缝和垂直缝等4种类型。至于各类型之间的边界的确定,各家意见并不一致,分别提出了各自的方案[1-3],如水平缝的倾角上限,有的以5°为准,有的则主张为10°甚至30°;垂直缝的下限,也有70°、80°等划分方式。约在2010年以后[4-7],业内较为普遍地采用15°、45°、75°作为上述4种类型的划分边界(见图1)。这一划分方式,其角度设计的视觉感符合人的主观认识,而且各类型所占区间相对均匀,在生产实践中不会导致水平缝或垂直缝难求一见的情况,对于构造裂缝的划分较为合理。

图1 裂缝按倾角的分类

1.2.2 方位数值分区

地质学对于地质体方位(包括裂缝、层理、断层等的倾向、走向)的粗略估计或抽象描述,一般使用十六分的方位系统,即从正北开始,沿顺时针方向将平面的360°依次划分为北(N)、北北东(NNE)、北东(NE)、北东东(NEE)、东(E)、……、北北西(NNW)等16个方位,相邻方位均相间22.5°。事实上,上述每一方位均代表以某一方位线(如NNE,22.5°)为中心、占一定宽度的方位区域,而不只局限于某一精确的方位点。比如,20°与25°方位均可泛称为北北东(NNE)。对于各方位的具体数值范围,前人的研究中并未作出明确的界定,然而却是对地质体产状进行数值分析和归类的必要依据。对于方位的数值分区,本文提出以下原则:

(1)各方位区间以上述16条方位线为中心对称延伸,且宽度应相对均匀。

(2)各区间临界值应尽量取整,便于记忆和理解。

(3)根据经验认识,北东(NE)、南东(SE)、南西(SW)、北西(NW)等过渡方位的跨度可适当增加。

设计划分方案见图2。除4个过渡方位跨度为30°外,其他方位区间均为20°,各区间的临界值较符合人们的经验认识,具有较强的可操作性。

图2 方位的数值分区

1.2.3 裂缝产状组合类型划分及实现算法

以储层(或指定深度段)为对象,对其中发育的裂缝进行总体描述,除了逐一分析各条裂缝的产状类型外,还需考虑它们之间的空间分布及交切关系。对此,前人根据裂缝的倾角高低或彼此的交切关系,提出了“斜交缝”的概念[1-7],本文沿用这一概念,同时,为了避免理解上的混乱,仅用它表示裂缝之间的交切关系。而且,对于裂缝斜交的情况,前人一般只着眼于考虑其倾角的差异。笔者认为,2条裂缝即使倾角一致,如果其倾向不同,也会形成斜交关系。此外,产状不同、深度接近的多条裂缝,即使在成像图像上(即井壁附近)显示尚有一定距离,但若假设它们在空间上延伸得足够远,也能形成斜交关系。因而,对于储层(或指定深度段)的裂缝产状组合类型的确定,结合上述单一裂缝的倾角及方位的分类方案,提出以下原则:

(1)如果裂缝的倾角类型及倾向分布均较为集中,则与单一裂缝的分类类似,分别确定为低角缝、高角缝等。

(2)如果裂缝的倾角类型集中,而倾向分散,则确定为低角斜交缝、高角斜交缝等。

(3)如果裂缝的倾角类型分散,而倾向集中,则称“混和斜交缝”。

(4)如果裂缝的倾角类型及倾向分布均分散,则称“杂乱斜交缝”。

(5)如果裂缝的倾角类型主要为水平缝或垂直缝,则不考虑其倾向的分布情况,仍称水平缝或垂直缝。

从而形成如表1所示的综合划分方案。可见,通常所说的网状缝、共轭缝等只是裂缝斜交的一些特殊情况。

表1 裂缝产状组合类型的判别

基于以上认识,实际操作时,主要使用主频分析法,对目的层段的裂缝倾角和倾向分别进行统计分析,确定其主要类型及集中、分散情况,再确定该段裂缝产状组合类型。

使用计算机编程实现时,确定倾角主频的算法:依上述准则将裂缝倾角划分为水平缝、低角缝、高角缝和垂直缝等4个分区,统计目的层段裂缝落在4个分区的数目及频率,如果其中某个分区的频率超过2/3,则判定为该层段的主要倾角类型,否则认为裂缝倾角分散。

确定倾向主频的算法:将0°～360°的倾向角范围等分为36个分区(每个分区10°),统计目的层段的裂缝落在各分区的数目及频率;将大于或等于有值区间平均频率者保留,否则清零;经筛选后,相邻区间进行合并处理:合并频数,重算平均值,重新划分分区;对剩余的分区及相应频数重新计算权重,采用“三分之一”原则确定主频,即频率大于1/3者作为主频保留,否则舍弃;如果只有一个主频,认为倾向集中,否则为倾向分散。

根据上述对倾角、倾向的统计处理,即可确定储层裂缝对应的产状组合类型,对各储层的裂缝产状形成总体的、抽象的认识,这是储层精细描述和解释的一个重要方面。

1.3 压裂难易性质的判别

分析裂缝的走向,判断其在注水压裂过程中进一步开启的难易性质。一般认为,注水压裂过程中产生的人工裂缝的方向垂直于地层最小主应力,平行于地层最大主应力,这是因为最小主应力更易于被克服而在地层中形成张裂缝。在深部地层中(深度大于1 500 m),垂向主应力较大,最小主应力出现在水平方向上,注水压裂产生的人工裂缝为垂直缝。此时,对于地层中的天然裂缝,如果其走向接近垂直于最小水平主应力,即大致与最大水平主应力的方向接近,则更易于伴随着人工裂缝被进一步压开,否则,如果其走向与最小水平主应力方向交角较小,即接近垂直于最大水平主应力,则更难被进一步压开。本文以天然裂缝与最大水平主应力夹角的45°为界,定性判别其在压裂过程中进一步开启的难易性质,即,如果天然裂缝走向与最大水平主应力的夹角小于45°,则认为在压裂过程中容易开启,否则认为难以开启。

对于目的层段的裂缝,其走向的统计方法及原则与上述倾向的处理方法类似。不同的是,通常使用一组相差180°的方位角(如走向为30°～210°)描述地质体的走向,因而,一方面,倾向相反的裂缝,其走向相同,对于同一目的层,其裂缝的走向分布和倾向分布会有所不同;另一方面,在程序处理时,使用在0°～180°范围的走向方位角即可,即总共只需平均划分为18个不同的分区。

经过统计,如果目的层段的裂缝走向只有一个主频,则通过计算其与最大水平主应力方向的夹角,确定是否容易在压裂中开启;如果存在2个以上的主频,则分别计算上述夹角,如果各组分的压裂难易性质相同,可给出一致结论,否则,其压裂开启性质视为“不确定”。

2 软件实现及讨论

使用CIFLog测井解释平台开发了地质统计模块,实现了上述功能。CIFLog测井平台在数据操作、预处理、成果输出等方面的基础功能强大,且支持应用程序二次开发与多语言集成挂接,具有良好的开放性及可扩展性[8-9]。

对于裂缝参数曲线,根据储层裂缝表和裂缝自然表2种需求,编程实现了自动统计及制表,该步骤主要的界面参数只有“最大合并间距”,而且支持多段处理,用户可同时输入多个目的层段,经一次运行即可生成所需表格。成果表格可导出为EXCEL表格形式,稍作整理,即可用于解释数据表或解释报告中。该模块不仅简单易用,而且大大减轻了解释员手动统计、制表的工作负荷,提高了工作效率。通常,处理1口裂缝相对发育的井(包含裂缝约100条左右),解释员手动统计制作裂缝参数表格的总时间大约2 h左右,而且往往需要反复校对以确保准确无误,使用该模块进行自动处理,则只需不到1 min时间,结果更稳定、准确。

对于裂缝产状组合及开启难易的判别,该模块的处理逻辑顺序:首先,根据手动拾取的裂缝倾角、倾向等产状数据,基于前述准则,逐一判别各条裂缝的产状属性及类型,并输出单条裂缝表格;根据用户指定的细分小层间隔并考虑每条裂缝在纵向上的延伸范围(结合钻头直径),进行自动分层;依据上述组合类型的判别准则,确定各个细分小层裂缝产状组合类型,并判断其压裂开启难易性质。这样,用户只需在界面输入各个压裂深度段,并且指定细分小层的间隔,一次运行即可得到所需表格(见表2)。

本文提出的8种裂缝产状组合类型,基本上涵盖了裂缝产状描述的所有可能情况,结合大量实际生产资料分析发现,各种类型均可见,证明了该分类方案的合理性、适用性。以LT-12井为主,选取了高角缝、低角斜交缝、混合斜交缝、杂乱斜交缝等4例(见图3),结合成像图像及裂缝产状的手动分析、统计可见,程序自动处理的结果是正确、可靠的。

表2 裂缝产状组合类型及压裂难易的自动判别成果表

图3 裂缝产状组合类型及压裂难易性质的自动判别

3 在压裂施工中的应用

以储层作为整体研究对象,裂缝发育参数可定量地指示该层段内裂缝的相对发育情况,裂缝产状组合类型描述该储层中裂缝的总体产状,对于储层的精细评价及后期的开发工作均具有重要的指导意义,而天然裂缝在压裂时的开启难易性质则为压裂施工提供关键的参考信息。

LT-12井位于松辽盆地古中央隆起带,是针对基岩风化壳及内幕破碎带而部署的1口深层天然气勘探井。基底地层主要为泥质变质岩及碎裂花岗岩,裂缝极其发育,成像测井解释员共拾取了1 500余条裂缝。应甲方要求,首次进行了裂缝产状类型描述及压裂难易性质分析。对于储层的压裂改造,施工方的总体思路是在压裂产生人工主缝的基础上,进一步开启井眼附近的天然裂缝,并与主缝连通,形成支缝、微缝系统,从而尽可能地有效沟通天然裂缝,形成复杂缝网,扩大裂缝的波及面积,提高单井产能,因而设计采用以节点支撑为手段的分段暂堵转向复合体积压裂工艺。

根据成像测井对于各储层段天然裂缝的精细描述,对于天然缝发育且难以开启的储层,采用层间暂堵转向技术,利用层间应力差异,采用不同粒径组合的暂堵转向剂,将已开启裂缝进行有效的桥堵,使压裂液体进入其他未充分改造进液的地层,达到开起新裂缝的目的,并使用大规模滑溜水沟通天然裂缝;反之,对于天然缝发育且易于开启的储层,使用缝内暂堵转向技术,利用缝内暂堵转向剂,提高缝内静压,开启新的裂缝,并结合冻胶破岩,滑溜水携粉陶支撑微缝。

该井通过结合成像测井的裂缝精细分析,合理设计施工方案,经测试压裂、主压裂的施工分析及现场的微地震监测,天然裂缝发育情况及开启难易性与施工结果符合良好。如该井X段,采用层间暂堵转向技术,经测试压裂,停泵压力梯度0.026,近井摩阻3.4 MPa,滤失较大,说明裂缝系统较复杂(见表3);结合G函数曲线特征分析,裂缝发育,与地质解释(裂缝密度3.5～9.3条/m)一致,微裂缝开启程度与压前天然裂缝开启难易性分析一致(见图4)。经主压裂施工后,通过微地震监测,该井全井压裂段平均全缝长444.8 m,平均监测缝高35.8 m,整体改造体积244.8×104 m3,达到设计要求。该井储层经压裂改造后,试气日产量为2.43万m3工业气流。

表3 测试压裂解释结果

图4 LT12井G函数解释曲线

4 结 论

(1)厘定了单一裂缝按倾角、方位的数值化分类准则,并确定其空间组合类型为水平缝、垂直缝、低角缝、高角缝、高角斜交缝、低角斜交缝、混和斜交缝、杂乱斜交缝等8种,分别给出了统计定义及基于主频分析的具体判别算法,可作为该地区该类解释的规范,对于裂缝产状的相关研究也具有重要的参考价值。

(2)统计储层中裂缝的主要走向并分析其频散情况,计算其与地应力方向的夹角大小,判断裂缝在压裂时开启的难易性质,指导压裂施工设计,取得良好的应用效果,较好地提升了成像测井地质、工程应

用的内涵和外延。

(3)编程实现了裂缝发育参数的二次统计及自动制表、裂缝产状及组合类型的描述以及压裂难易性质的判别,处理结果符合基于成像测井图像的人工分析,实现了裂缝的自动化、智能化精细描述,减轻了解释人员的工作强度,提高了生产效率。