川西地區須二段致密砂巖儲層裂縫特征及識別

王亮國 李學明 王志文 鄧 莉 劉博聞

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中國石化西南油氣分公司 勘探開發研究院，成都610081；3.中國石化集團西南石油局 測井公司，成都610100；4.西南石油大學 石油工程學院，成都610500）

川西地區上三疊統須家河組第二段（簡稱“須二段”）厚度為560～660m，主要屬三角洲環境的砂、泥巖頻繁不等厚互層沉積。須二段儲層孔隙度、滲透率極低，油氣產能往往與儲層中裂縫發育程度密切相關。對須二致密砂巖儲層的勘探有成功也有失敗，主要經驗是鉆井部署需要尋找裂縫，特別是網狀裂縫發育帶。因為裂縫不僅可以使孤立的孔洞得以連通，發育成有效的儲集空間，極大地提高基質滲透率，更是油氣的主要運移通道。已有研究表明，裂縫對儲層孔隙度貢獻有限，但其對儲層滲透性的改善作用十分明顯。當儲層中發育裂縫時，滲透率呈數量級的增加。如果沒有裂縫對儲層滲透性的有效改善，須二段中許多儲層難以成為有效儲層。大量生產實踐和研究成果表明，裂縫是川西地區須二氣藏獲得高產的重要條件之一。

致密儲層裂縫的研究與識別在目前技術條件下難度較大，且往往是從單方面進行研究。目前致密儲層裂縫研究主要有以下幾個方面：（1）地表觀察與鉆井巖心裂縫統計、分析、對比；（2）成像測井裂縫分析；（3）地震資料分析構造裂縫發育帶。且這些研究往往局限于單方面的研究，沒有把各種方法有機結合在一起。為了提高勘探開發鉆井靶點命中率，使部署井成為高產井的目的，通過對川西致密儲層特征與裂縫的研究識別，結合了地質研究、實驗分析、測井識別，特別是采用國內外最新的三維CD掃描、全直徑巖心裂縫實驗分析、雙側向三維有限元法裂縫解釋，及最前沿的3D3C地震資料支撐的多波橫波分裂技術進行預測裂縫在平面上的分布，對川西致密儲層裂縫從多方面、點線面進行系統的研究，這樣就可為勘探開發鉆井部署提供精確靶點[1]。這就是須二致密儲層裂縫研究需要解決的真正問題。

1 裂縫地質描述與實驗分析

1.1 宏觀裂縫特征

川西拗陷須二段儲層孔隙度、滲透率極低，裂縫發育與否決定了天然氣產能大小。儲層中裂縫發育，裂縫雖然對孔隙度貢獻小（平均貢獻5.2%），但卻促進了滲透率的極大改善[2]。當存在裂縫時，滲透性增加明顯，裂縫發育樣品滲透率是裂縫不發育樣品的21.6倍。

據巖心觀察，裂縫相互切割，縫與縫連通性好，延伸遠，極大地提高了儲層的滲流能力。發育的裂縫按成因可以分為層理縫、泄壓縫和構造縫3類。總體上層理縫和泄壓縫十分發育，主要屬低角度縫；而構造成因的斜縫和直立縫等高角度縫也較為常見。

定量統計資料表明，須二段儲層一般發育水平－低角度裂縫，是高角度裂縫發育的4.55～32.2倍。統計XC－10井低角度縫，多數縫長70 mm，縫寬＜0.5mm，共計378條低角度縫中有261條為開啟縫，其余為充填或者閉合裂縫，方解石和石英等充填裂縫中[3]。

儲層孔隙度增大時，一般滲透率也趨于變好，但孔－滲相關性不好。滲透率的增加主要靠裂縫而非孔隙度。儲層孔隙度雖小，但裂縫發育時，同樣具備天然氣工業產能[4]。

1.2 微觀裂縫特征

薄片觀察川西須二段儲層裂縫形態類型十分豐富，大致可分為如下幾種：定向－半定向微裂縫、粒內裂縫（紋）、粒（礫）緣微裂縫、溶蝕改造裂縫、粒間縫合線。定向－半定向微裂縫的主要特征是裂縫切穿顆粒與填隙物，延伸長度較大，可達5mm甚至更長；裂縫一般寬度約為2～5μm，少數可達20μm；在局部范圍內有較好定向性。另外，由于研究區內存在較多解理發育的礦物（如云母、長石、碳酸鹽等），在構造應力或其他應力作用下，解理面會進一步開啟并形成可識別的裂縫[4]，其縫寬較小，延伸不大，彼此獨立，溝通性差。

裂縫對須二段儲集空間的影響，除相對宏觀的裂縫對儲層滲透率有實質性影響外，還有數量眾多的薄片尺度的與孔隙連通的微裂縫，對巖心總滲透率也有積極的貢獻。根據須二段巖心孔隙度和滲透率的研究，須二段裂縫滲透率對總滲透率的貢獻非常顯著。據CX565井統計，64%的滲透率由裂縫貢獻。

1.3 巖心三維CT掃描分析

三維CT掃描巖石的原理是：X射線對斷層面進行照射，然后測定透過的X射線量，經數字化后計算出單位體積的吸收系數，在進行數模轉換后，就可以得出裂縫發育數據與三維分布圖像（圖1）。重建的圖像能夠給出每一個像素X射線衰減系數[5]。

對于給定的每一個像素X射線衰減系數（μ）的數值，即單位體積元的X射線衰減系數，通常換算成CT值（CTN），CT值與X射線衰減系數的關系為：

其中μ物，μ水分別為物體和水的X射線衰減系數。水的CTN為0；由于在空氣中X射線幾乎沒有衰減，所以空氣的CTN為－1 000。然后通過計算機軟件轉換還原計算出所測樣品的裂縫孔隙度。

選送了X5、X8、X201井與DY5井共4口井7個含裂縫樣品進行三維CT掃描分析（表1）。從表1可以看出，巖心裂縫孔隙度介于0.11%～1.25%，平均為0.59%。與氦氣法孔隙度比較，裂縫孔隙度占總孔隙度的2.34%～15.06%，平均為9.33%，該數值比其他方法求取的結果偏高，是因為挑選的巖樣裂縫特別發育，可作為研究裂縫性致密砂巖儲層的參考與測井解釋結果比對。

圖1 X5井須二段三維CT掃描裂縫形態Fig.1 The fracture shape of 3－D CT scanning of T3x2 formation in the Well X5

表1 三維CT掃描裂縫孔隙度及氦氣法總孔隙度比較Table1 The comparison between the porosity of 3－D scanning and the total porosity of the helium method

1.4 全直徑巖心裂縫孔隙度

裂縫性氣藏儲集空間主要為裂縫與基質孔隙，這兩種儲集空間組成了該類油氣藏的總孔隙度，采用全直徑巖心測定來獲得巖心的裂縫孔隙度[6]。

缺少成像測井資料時，對裂縫性油氣藏，需要充分利用巖心資料，通過全直徑巖心分析獲得巖心的裂縫孔隙度，與對常規測井識別的裂縫孔隙度，以及利用深、淺雙側向測井計算的裂縫孔隙度進行分析，就可以準確地獲得儲層裂縫孔隙度[7]。

全直徑巖心裂縫孔隙度分析，首先分析總孔隙度，然后測定基質孔隙度，這樣分析后得出的總孔隙度與基質孔隙度之差即為裂縫孔隙度[6]。計算公式為：Φf＝Φt－Φb。根據24塊全直徑巖心裂縫孔隙度分析，2個構造裂縫平均孔隙度分別為0.161%和0.29%，與測井校對后對全儲層井段研究結果很接近（表2）。

表2 須二段全直徑巖心分析與測井裂縫孔隙度（厚度加權）對比Table2 The comparison between the porosities of entire diameter core and logging fractures（thickness weight）

2 測井裂縫解釋

2.1 常規測井裂縫解釋

常規測井的雙側向、AC、CNL、DEN、GR曲線對高角度縫、網狀縫、低角度縫具有不同程度的響應模式。當存在高角度裂縫時，在雙側向曲線中，裂縫的電導率與張開度成正比；遇低角度縫時，雙側向測井曲線呈尖銳狀；聲波時差響應特征明顯[8]，遇未充填縫和含氣豐度較高的張開縫時，聲波時差增大或“跳波”（表3）。

利用全波測井可研究裂縫的發育情況。當聲波穿過裂縫時，其幅度會變小。低角度裂縫使橫波衰減較大，而高角度縫則使縱波幅度衰減，網狀縫卻使縱波幅度和橫波幅度均出現一定的衰減[8]（表3）。從X851井主產層段的全波測井資料（圖2）可以看出：井段4 831～4 836m、4 842.1～4 846.2m、4 850.1～4 852m縱波、橫波能量幅度均發生衰減，網狀裂縫發育；其中4 836～4 842 m、4 846.2～4 850.1m 井段縱波能量幅度有衰減，橫波能量較強，說明高角度縫發育[9]。

2.2 成像測井解釋裂縫

根據裂縫發育層段的圍巖與電阻率存在的差異，可利用成像測井來研究裂縫。在成像測井圖上，誘導縫相對于天然縫的特點是：（1）較低電阻率，無完整的正弦曲線形狀；（2）走向與主應力方位相一致；（3）發育不長，呈分開形狀，一般止于較軟地層。據上述特點就可以進行天然縫與誘導縫的判別。成像測井可以高精度、高分辨率地對需要研究井段進行各類裂縫識別[10]，還可對裂縫的產狀、寬度、長度和密度等進行計算。

表3 常規及全波列測井裂縫響應特征Table3 The fracture response characteristics of conventional logging and the whole train of waves logging

圖2 X851井須二產層段常規測井及全波列測井裂縫響應特征Fig.2 The fracture response characteristics of conventional logging and the whole train of waves logging in T3x2 of Well X851

圖3 X856井低角度縫、網狀縫特征Fig.3 The characteristics of low angle fractures and net fractures

圖3為X856井顯示的裂縫圖像，圖的上部分顯示為低角度縫與網狀裂縫，圖的下部分顯示為斜交裂縫。裂縫在圖像上表現為深紋。該段FMI圖像（電成像）反映斜交縫發育；右側的探測范圍較深，ARI圖像上也存在交織在一起的斜交縫，可判斷為有效的天然縫。成像測井譜分析法技術在雙孔介質儲層評價中可發揮重要作用，它主要用電成像測井資料進行裂縫識別、基質與裂縫孔隙度大小定量分析。將電成像圖像轉換成井周視孔隙度圖像，經淺側向刻度的電成像實際上是井壁的電導率圖像，利用Archie模型可將電成像圖像轉變為井周視孔隙度圖像。對井周視孔隙度頻率分布譜進行統計分析，尋找基質孔隙與裂縫孔隙的分界點，從而確定基質孔隙與裂縫孔隙的比率，在利用全直徑巖心裂縫孔隙度進行校正的基礎上，求取儲層裂縫孔隙度（表2），與全直徑分析結果很接近。

2.3 雙側向三維有限元法裂縫解釋

由于不同產狀的裂縫在雙側向測井曲線上具有不同的響應特征，因此對沒有電成像測井資料的井，根據校正后的雙側向電阻率曲線采用三維有限元法計算裂縫孔隙度。

2.3.1 判斷裂縫狀態

根據裂縫的雙側向響應特征，將裂縫分為3種類型：低角度裂縫[0，50]，傾斜裂縫（50，74]，高角度裂縫（74，90]。用產狀判斷公式

當Y＞0.1時，為高角度裂縫；當Y＜0時，為低角度裂縫；當0＜Y＜0.1時，為傾斜裂縫。

2.3.2 裂縫孔隙度計算公式

式中：Φf為裂縫孔隙度；ρmf為裂縫中泥漿濾液電阻率；A1，A2，A3為反演擬合系數，取值為：

由于ρmf是一個變化值，因此需要確定裂縫中的泥漿濾液的電阻率。由阿爾奇公式

ρmfa＝ρxo／（b F）＝ρxoΦm／（a b）

成像測井譜分析法與雙側向三維有限元法，這2種裂縫孔隙度計算方法中，成像譜分析法計算成果的縱向分辨率高，且能反映儲層的孔徑分布區間，故以電成像譜分析法為主。對于沒有測得電成像資料的井采用雙側向三維有限元法為補充，但2種計算模型均主要利用全直徑巖心裂縫分析數據進行標定，才有較好的實際效果。

3 地震裂縫平面預測

采用地質分析與地震屬性分析相結合的方法，通過構造應力場反演，疊后地震幾何屬性（相干、曲率等）預測裂縫發育程度。在此基礎上，采用多波橫波分裂預測裂縫分布[11]。根據橫波通過裂縫時分化出快橫波和慢橫波原理找出快橫波的方向，就能確定出裂縫發育的方向；并根據快慢橫波的層間時差，就指示出裂縫發育的程度，而不同方向裂縫有效性往往不同[12]。這樣運用多波橫波分裂技術就可以預測裂縫平面上的分布[13]（如圖4，其中紅黃色區域為裂縫發育區）。

圖4 孝新地區須二段裂縫發育分布圖Fig.4 The distribution of the fractures of T3x2 in the Xiaoxin area

4 結論

致密砂巖儲層天然氣勘探開發深受裂縫的影響，而裂縫的研究是致密儲層研究中的難題與關鍵問題。通過多年對川西須二致密砂巖儲層勘探部署與裂縫影響的分析，認為裂縫的研究需要從多方面進行才可以較準確地刻畫裂縫狀況，達到可以在現有測井與地震資料上較準確地對裂縫進行判別，然后結合地震資料在平面上進行識別。研究首先從巖心裂縫地質宏觀與微觀描述、三維CT掃描、全直徑巖心分析3個不同方面對裂縫進行點上的判識；然后再進一步通過儲層段常規測井分析不同類型的裂縫響應特征，采用成像測井及雙側向三維有限元法進行裂縫在線上的識別，并以全直徑巖心研究數據對深度和巖心進行標定[6]，這樣測井裂縫孔隙度計算模型就具有較高的可信度，研究成果可應用于測井資料上裂縫的定量評價與識別；最后利用3D3C地震資料采用多波橫波分裂技術預測裂縫的平面分布。這就形成了點、線、面相輔相成的裂縫識別研究方法系列，為川西須二致密砂巖儲層進行了裂縫識別、裂縫儲量計算，在勘探開發鉆井部署時提供了精確靶點。

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