成像測井縫洞解釋評價研究進(jìn)展

年濤，王貴文，范旭強，譚成仟，王松，侯濤，劉之的

1) 西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安，710065；2) 西安石油大學(xué)陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點實驗室，西安，710065；3) 中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京，102249；4) 中國石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京，100724； 5) 中石油華北油田分公司，河北任丘，062551

內(nèi)容提要: 綜合露頭刻度井、數(shù)值模擬和物理模擬的實驗結(jié)果對微電阻率掃描成像測井縫洞解釋評價的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和探討，分別包括巖芯歸位、縫洞刻度率、巖芯和成像裂縫參數(shù)的差異性，以及裂縫寬度和地層孔隙度的計算。巖芯歸位確定了縫洞體在地層中的深度和方位。電成像測井對過井眼未充填縫和孔洞發(fā)育段的刻度率為100%，而單個孔洞在巖芯和電成像測井中通常無法一一對應(yīng)。單條裂縫的傾角或井周長度在巖芯和成像測井中具有較高的相關(guān)性，而裂縫寬度的相關(guān)性一般。數(shù)模和物模的結(jié)果表明電成像測井裂縫寬度的計算受多種因素影響，當(dāng)裂縫的視寬度大于0.1 mm時，電成像測井計算的裂縫寬度和裂縫視寬度基本一致，當(dāng)小于0.1 mm時，電成像測井計算的寬度值誤差較大。目前電成像測井通過孔隙度譜法和圖像分割法計算地層的孔隙度，但都受限于除孔洞的其他低阻地質(zhì)體的影響，因此需要加強巖芯刻度的功能。

微電阻率掃描成像測井的出現(xiàn)起源于研究者希望通過不取芯而僅用測井方法就能夠獲取類似巖芯中的沉積和儲層方面的信息(Ekstrom et al., 1986; Lloyd et al., 1986)。在這一理念驅(qū)使下，斯倫貝謝公司于20世紀(jì)80年代中期在傾角測井儀的基礎(chǔ)上率先研發(fā)了FMS(Formation MicroScanner)微電阻率成像測井。30多年來為了提高該技術(shù)對井壁地層的覆蓋率以及對復(fù)雜井眼狀況的適用性，國內(nèi)外不同測井公司相繼研發(fā)了多種微電阻率成像測井儀器，同時該技術(shù)在碎屑巖、碳酸鹽巖、混積巖、火山巖和變質(zhì)巖地層的解釋評價中得到了相對廣泛的應(yīng)用，尤其是對與油氣儲集和運移相關(guān)性較強的縫洞體的刻畫；解釋人員通常將圖像中與地層相交的正弦曲線解釋為天然裂縫(Ekstrom et al., 1986；Nian Tao et al., 2016; 王貴文等，2000; Momeni et al., 2020)，而將一些暗色斑點或暗塊解釋為孔洞(Ekstrom et al., 1986；王貴文等，2000；何文淵等，2011；Wilson et al., 2013；Nian Tao et al., 2018；王松等，2018；Fan Xuqiang et al., 2019)。基于筆者多年在該領(lǐng)域的研究工作，對電成像測井縫洞解釋評價中的一些基礎(chǔ)性問題的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析和探討，包括巖芯歸位、巖芯和電成像測井中縫洞的刻度比率、同一條裂縫的參數(shù)在巖芯和成像測井之間的相關(guān)性、成像測井裂縫寬度的計算模型以及利用電成像測井資料進(jìn)行地層孔隙度解釋的方法。通過這些基礎(chǔ)性問題的研究和探討有助于更加深入、準(zhǔn)確地理解縫洞體在圖像中的定性和定量響應(yīng)特征。目前主要的微電阻率成像測井有斯倫貝謝FMS(Ekstrom et al., 1986)、FMI(Safinya et al., 1991)和FMI-HD(Robert et al., 2011)，哈雷伯頓的EMI(Seiler et al., 1994)和XRMI(Chitale et al., 2004)，阿特拉斯的Star(Tetzlaff et al., 1997)，威德福的CMI(Kalathingal et al., 2010)，以及中油測井的MCI-A和MCI-B(魏海云，2003)，各儀器的徑向探測深度均為2 in，而在關(guān)腿直徑、適用井眼尺寸、最大溫壓和井壁覆蓋率等技術(shù)指標(biāo)方面略有差異。

1 巖芯歸位

巖芯歸位是電成像測井縫洞解釋評價中的基礎(chǔ)，用以確定裂縫和孔洞在圖像中的特征，具體又包括了巖芯的深度和方位歸位。巖芯破碎等導(dǎo)致單筒鉆井取芯的收獲率小于100%，取芯地層出現(xiàn)了缺失；井壁地層的脫落或取芯筒殘留的巖塊等可能導(dǎo)致取芯收獲率大于100%(Fontana et al., 2010)。因此鉆井巖芯記錄的深度可能存在誤差。單筒巖芯內(nèi)部由于巖芯的破碎和缺失也需要對各巖芯塊進(jìn)行深度歸位。同時，在利用巖芯資料對電成像測井的圖像特征進(jìn)行標(biāo)定刻度時，巖芯及其分析數(shù)據(jù)的深度來自于鉆井深度，而成像測井顯示的深度為測井深度，導(dǎo)致了同一裂縫或溶蝕孔洞等地質(zhì)體在巖芯和成像測井圖像上具有不同的顯示深度，需要對巖芯進(jìn)行系統(tǒng)的深度歸位處理。現(xiàn)今巖芯深度歸位的方法包括了數(shù)學(xué)概率模型法(Agrinier et al., 1994)、巖芯—常規(guī)測井刻度法(Bartetzko et al., 2001; Tominaga et al., 2009)、巖芯—成像測井刻度法(MacLeod et al., 1994; Paulsen et al., 2002; Fontana et al., 2010; Nian Tao et al., 2016)。筆者在利用微電阻率掃描成像測井對巖芯進(jìn)行深度歸位時分別利用伽馬曲線標(biāo)定法和圖像對比刻度法對每一塊巖芯進(jìn)行了深度的精細(xì)歸位。其中伽馬曲線標(biāo)定是通過巖芯伽馬與對應(yīng)取芯地層伽馬的相關(guān)分析來完成的。在碎屑巖地層中各取芯井的巖芯深度歸位值一般小于5 m，很少超過10 m。在巖芯地面伽馬歸位的基礎(chǔ)上，通過成像測井圖像和巖芯掃描圖像(或巖芯照片)的交互刻度完成單塊巖芯的深度歸位。其基本原理是裂縫和層理等線狀體在兩者圖像中的可對比性。處理時要以單筒取芯進(jìn)尺作為單筒巖芯深度歸位的長度限定范圍，即假定單筒取芯進(jìn)尺為2.0 m，在深度歸位之后取芯進(jìn)尺也應(yīng)該是2.0 m，防止以不同深度的地質(zhì)現(xiàn)象作為標(biāo)志進(jìn)行歸位時人為造成的進(jìn)尺誤差。

大多數(shù)巖芯在取至地表時已經(jīng)失去了其在地層中的方位信息，進(jìn)而缺失了巖芯裂縫和定向排列孔洞的方位信息，無法通過天然裂縫的產(chǎn)狀去推測古構(gòu)造應(yīng)力的方位。在縫洞定量評價時需要對巖芯進(jìn)行方位歸位處理。巖芯方位歸位的方法包括古地磁法(Cannat and Pariso, 1991; Allerton et al., 1995; 謝基海等，2020)、巖芯—成像測井刻度法(MacLeod et al., 1994; Paulsen et al., 2002; Tartarotti et al., 2006; Fontana et al., 2010; Nian Tao et al., 2016)。在巖芯深度歸位的基礎(chǔ)上，通過巖芯和成像測井的標(biāo)定刻度，可以使巖芯具有方位意義。除了裂縫和定向排列的孔洞，層理、沖刷面、火山巖流紋界面以及定向排列的礫石和塑性漿屑等都可以用于方位指示，是利用電成像測井進(jìn)行巖芯方位歸位的主要參考物。

2 裂縫和孔洞的刻度率

縫洞刻度率指地層中發(fā)育的裂縫和孔洞與成像測井中縫洞特征的刻度比率。選取塔里木盆地巴楚凸起一間房碳酸鹽巖露頭刻度井進(jìn)行刻度率研究(圖1a和b)。該井從奧陶系鷹山組到良里塔格組進(jìn)行了全井段取芯以及電成像測井?dāng)?shù)據(jù)的采集，并對巖芯和電成像測井圖像進(jìn)行了圖像特征的交互刻度(圖1c)。觀察結(jié)果顯示地層中天然裂縫和溶蝕孔洞較為發(fā)育，在120多米的巖芯和成像測井圖像中共拾取了329條天然裂縫，其中充填縫96條，未充填或半充填縫233條(圖1d)。根據(jù)這些裂縫在圖像中的響應(yīng)差異又可以劃分為兩類，第一類是巖芯存在單條裂縫但電成像測井對應(yīng)深度段沒有裂縫特征顯示(圖2a)，這些裂縫被方解石全充填使得充填物和圍巖的導(dǎo)電性基本相同，即使是高分辨率的電流束也無法刻畫裂縫的輪廓特征。第二類是巖芯存在單條裂縫且成像測井對應(yīng)深度段具有裂縫特征顯示(圖2b)。標(biāo)定刻度的結(jié)果表明，排除裂縫被方解石等高阻物質(zhì)充填的情況，巖芯和成像測井裂縫交互刻度的符合率可達(dá)100%，即巖芯發(fā)育的高導(dǎo)縫在電成像測井圖像中都具有對應(yīng)的圖像特征顯示。研究層段存在兩個孔洞發(fā)育段，在成像圖像中都有明顯的特征顯示(圖2c)。單個孔洞是不規(guī)則的體狀體，且在側(cè)向的延伸范圍遠(yuǎn)沒有裂縫廣，因此巖芯上發(fā)育的單個孔洞延伸到井壁時通常可能已經(jīng)沒有了對應(yīng)的孔洞特征顯示，導(dǎo)致單個孔洞在巖芯和成像測井中不具有一一刻度關(guān)系。

圖1 露頭刻度井井況：(a)刻度井井位示意圖；(b)刻度井對應(yīng)的碳酸鹽巖露頭；(c)同一深度巖芯和成像測井對比示意圖；(d)取芯情況示意圖，右側(cè)為全井段裂縫分布情況，黑線代表了未充填縫，藍(lán)線代表了充填縫Fig. 1 The calibration well condition：(a)diagram showing the well location;(b)the corresponding carbonate outcrop;(c)diagram showing the calibration between cores and borehole images at the same depth;(d)diagram showing the coring depths, the right figure shows the fracture distribution, and the black and blue lines represent filled and unfilled fractures, respectively

圖2 刻度井縫洞刻度示例：(a)方解石充填縫；(b)未充填縫；(c)孔洞發(fā)育帶Fig. 2 Correspondence of fractures, pores and vugs between cores and electrical images in the calibration well：(a)calcite-filled fracture;(b)unfilled fracture;(c)dissolved pores and vugs

圖3 縫洞邊緣的暈圈現(xiàn)象：(a)發(fā)育亮色邊緣的暗斑；(b)發(fā)育暗色邊緣的亮斑；(c)發(fā)育亮色邊緣的高導(dǎo)裂縫；(d)發(fā)育亮色和暗色邊緣的半充填縫；(e)發(fā)育亮色邊緣的井壁垮塌及呈亮色的巖石碎塊Fig. 3 Halo effects：(a)light rim surrounding a conductive spot;(b)dark rim around a resistive spot;(c)conductive fractures with light rim;(d)a half-filled fracture with partially developed light or dark rim;(e)borehole breakouts with light rim and rock fragments showing light colour

成像測井縫洞標(biāo)定刻度時可見一些巖芯中的縫洞具有異常的電成像圖像特征，是測量儀器的物理屬性與地質(zhì)體相互作用導(dǎo)致電流在地層中復(fù)雜流動產(chǎn)生的測量衍生假象(Williams et al., 1997; Lofts et al., 1999)。最常見的表現(xiàn)形式為縫洞邊緣出現(xiàn)的暈圈現(xiàn)象(圖3)，即暗斑和暗線的高阻邊緣或亮斑和亮線的低阻邊緣。其本質(zhì)是電流流動時會優(yōu)先向低阻方向流動。這些圖像假像有時容易和一些正常的地質(zhì)現(xiàn)象相混淆，如低阻斑塊周圍出現(xiàn)的高阻暈圈現(xiàn)象與周緣殘留方解石充填物的碳酸鹽孔洞具有幾乎相同的圖像特征。因此在圖像解釋時需要根據(jù)可用的巖芯資料對這些圖像特征代表的含義加以甄別。

3 巖芯與成像測井裂縫參數(shù)的相關(guān)性

鉆井井眼中單條裂縫的參數(shù)通常包括產(chǎn)狀、井周長度和寬度等。在刻度井中選取46條巖芯裂縫面完整的未充填縫，基于巖芯和成像測井分別計算裂縫的上述參數(shù)，其中裂縫傾角相關(guān)性高，相關(guān)系數(shù)為95.14%，且傾角變化趨勢基本一致(圖4a)。電成像測井是貼井壁360°方向測量井壁附近地層電阻率的變化，提供的動靜態(tài)圖像是井壁的圖像特征；巖芯是通過取芯筒鉆取的，顯示的是井壁向井軸方向延伸一定距離后的地層特征。巖芯和井壁之間的間隔一般不會影響巖芯和成像圖像中線狀地質(zhì)特征的標(biāo)定刻度(如裂縫和層理)，但同一條裂縫在巖芯和成像上計算的井周長度不同，如該刻度井巖芯半徑是32.75 mm，井眼半徑是76.20 mm，是巖芯半徑的2.33倍；同一條裂縫在成像上計算的井周長度是巖芯的2～3倍(圖4b)，平均為2.28倍，與巖芯半徑和井眼半徑的比例關(guān)系一致。

利用刻度放大鏡對巖芯中的裂縫寬度進(jìn)行計算(沿跡線多點統(tǒng)計)，該放大鏡的精度為0.05 mm。單條裂縫的平均視寬度主要在0.1～1 mm之間變化，少數(shù)大于1 mm；FMI電成像測井計算的裂縫寬度在微米級，個別大于0.1 mm，多數(shù)小于0.06 mm。刻度井巖芯和成像測井計算的裂縫寬度具有一定的線性關(guān)系(圖4c)，暗示淺層鉆井巖芯中計算的裂縫寬度可能相對準(zhǔn)確。電成像測井的裂縫寬度是利用泥漿濾液電阻率(Rm)、沖洗帶電阻率(RXO)以及電導(dǎo)異常面積等參數(shù)，根據(jù)數(shù)值模擬方法建立的模型計算的，其并非裂縫的視幾何寬度。根據(jù)上述關(guān)系可以利用電成像測井計算的裂縫寬度去大致推測地表巖芯中裂縫的視寬度。對于深埋條件下未發(fā)生礦物膠結(jié)的裂縫，其寬度多在微米級變化(曾聯(lián)波等，2010)，因此可以在巖芯裂縫寬度計算的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過含裂縫巖芯覆壓測試的方法估算地層條件下裂縫的有效寬度(Nian Tao et al., 2021)；也可以對比電成像測井物模實驗計算的裂縫寬度和對應(yīng)裂縫的測量寬度來大致評估地層條件下裂縫的視寬度。

圖4 刻度井中單條未充填縫的參數(shù)在巖芯和電成像測井中的對比關(guān)系：(a)傾角；(b)井周長度；(c)寬度Fig. 4 Unfilled fracture parameters between cores and electrical images in the calibration well：(a)dip angle;(b)circumferential length;(c)aperture

4 成像測井裂縫寬度計算模型

4.1 數(shù)值模擬

不同研究者先后對裂縫寬度的電成像測井計算模型進(jìn)行了數(shù)值模擬考察，使用的方法主要為三維有限元法，考察的因素主要包括裂縫傾角、地層電阻率、泥漿電阻率、儀器與井壁之間的距離、裂縫側(cè)向延伸長度和裂縫間距(表1)，并提出了較為相似的裂縫寬度計算模型。其中，斯倫貝謝的Luthi等人首先利用三維有限元法提出了電成像測井裂縫寬度的計算模型，并在Moodus科研井中利用FMS進(jìn)行了現(xiàn)場測試(Luthi et al., 1990)。其研究認(rèn)為裂縫傾角以及儀器與井壁之間的距離(stand-off)對裂縫寬度的計算沒有太大的影響，而主要和異常電流面積A、沖洗帶地層電阻率、泥漿濾液電阻率以及與儀器有關(guān)的兩個系數(shù)等有關(guān)；同時，單條裂縫的寬度沿裂縫跡線存在變化且理論上成像測井計算的裂縫寬度可以小于10 μm。王大力對裂縫寬度計算模型的影響因素進(jìn)行了較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究，除了得到與前人相似的研究成果以外，認(rèn)為與地層電阻率相比，泥漿電阻率對附加電流的影響更大(王大力，2001)。復(fù)合裂縫的考察則表明當(dāng)裂縫間距大于或等于紐扣電極直徑時，兩條裂縫可以區(qū)分開，當(dāng)裂縫間距小于電極直徑時，兩條裂縫無法被區(qū)分開，而且裂縫間距變化不影響總的附加電流(王大力，2001)。另外，當(dāng)?shù)貙与娮杪屎湍酀{濾液電阻率的比值較大(大于1000)，或(和)裂縫寬度較小(小于100 μm)時，裂縫傾角對附加電流的影響基本可以忽略；裂縫側(cè)向的延伸長度對寬度的計算影響較為明顯，裂縫測井響應(yīng)的幅度隨著延伸程度的增大而升高，當(dāng)延伸程度增大到一定程度時(約200 mm)，測井響應(yīng)的幅度便不再發(fā)生明顯的變化(王大力，2001)。其他研究者同樣對電成像測井裂縫寬度的計算模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究(柯式鎮(zhèn)等，2002；柯式鎮(zhèn)，2008；王振杰，2011；曹宇，2014)，模擬結(jié)果和前人的基本一致。

當(dāng)測井儀器的紐扣電極靠近某條未發(fā)生礦物充填的天然裂縫(還未到達(dá)裂縫處)，相比較圍巖而言，裂縫內(nèi)鉆井液的電阻率異常低，會引起儀器紐扣電極電流的增大。受儀器與井壁之間距離等的影響，這種電流異常增大的現(xiàn)象直到該紐扣電極遠(yuǎn)離裂縫而不受其影響為止(圖5)。因此，地層中較窄的裂縫在成果圖像中顯示的寬度可能為裂縫視寬度的好幾倍甚至幾十倍，但是儀器和井壁之間的距離對附加電流A值卻沒有太大的影響，僅改變了電極測量的異常電流信號的寬度和高度(Luthi et al., 1990；王大力，2001)。一些基于成像測井圖像中的裂縫輪廓來直接計算裂縫寬度的做法顯然存在問題。筆者在對致密砂巖、碳酸鹽巖和火山巖地層實例研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)電成像測井計算的裂縫寬度一般在10～100 μm之間變化，且多小于20 μm。

圖5 FMI電成像測井裂縫響應(yīng)寬度示意圖Fig. 5 Schematic diagram showing the difference between a true fracture aperture and a FMI-derived fracture aperture

4.2 物理模擬

物理模擬方法是數(shù)值模擬的有益補充。目前通過物理模擬方法對電成像測井裂縫寬度的計算模型進(jìn)行考察主要是利用單個成像測井極板(王大力，2001；Ponziani et al., 2015)，或利用特制的仿真儀器(曹宇，2014)對含裂縫巖樣進(jìn)行特定條件下的重復(fù)測量，考察的因素較之?dāng)?shù)值模擬少(表2)。王大力的物理模擬實驗裝置主要包括了測量系統(tǒng)和實驗水槽兩部分。其測量系統(tǒng)完全使用了微電阻率成像測井儀器的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理的對應(yīng)部分，而在模擬時只使用了一個極板。實驗水槽由絕緣塑料制作，模擬井眼環(huán)境下的含裂縫地層，含裂縫地層的地質(zhì)體模型由致密砂巖制作而成，在砂巖中人為制造裂縫，且裂縫延伸方向和水平面垂直(水平裂縫)，保證極板和電極垂直裂縫面滑過。實驗時將極板貼靠在水槽中的地質(zhì)模型上。該模擬實驗使用的致密砂巖沒有進(jìn)行實驗前的烘干和抽真空，同時實驗時的室溫也沒有進(jìn)行人為控制，其模擬的結(jié)果表明地質(zhì)體模型的骨架電阻率(等價于地層電阻率Rxo)或水溶液礦化度(等價于泥漿濾液電阻率Rm)的變化對異常電流有影響，且異常電流和裂縫寬度之間也呈較好的線性關(guān)系。Ponziani等人所做的物理模擬實驗和王大力的實驗具有相似性，但是在許多方面都進(jìn)行了改進(jìn)，如實驗環(huán)境的溫度得到了控制、測量了實驗使用的鹽溶液電阻率，同時實驗使用的巖石樣品為更加致密的石灰?guī)r(Irish blue limestone)，從而避免整個實驗過程中發(fā)生流體向巖石的侵入，導(dǎo)致地層電阻率在實驗過程中發(fā)生變化而影響結(jié)果的分析。實驗過程中可以近似認(rèn)為石灰?guī)r樣品的電阻率(Rxo)為定值，由四電極電阻率儀器測量。鹽溶液電阻率(Rm)用導(dǎo)電計測量。由于鹽溶液的導(dǎo)電性與溫度有關(guān)，因此整個實驗裝置安裝在一個控溫室，控制室溫度在整個實驗過程中恒定。附加電流通過測量電極電流利用公式計算。實驗時在兩塊灰?guī)r樣品中間人為設(shè)置一個寬度為W的裂縫，由數(shù)字顯微鏡(Dino-Lite Pro AM-413T)首先對其寬度值進(jìn)行測量。模擬測量時極板電極的中心和石灰?guī)r樣品的頂部接觸，回路電極(銅板)位于石灰?guī)r樣品的底部(圖6)。同一裂縫寬度下，不同鹽溶液測量前都需要對樣品進(jìn)行烘干處理，當(dāng)完成了同一寬度下的5次測量時需要重新調(diào)整裂縫寬度。模擬的結(jié)果表明儀器和井壁之間的距離對附加電流A值沒有太大的影響，僅改變了電極測量的異常電流信號的寬度和高度；異常電流和裂縫寬度之間也呈較好的線性關(guān)系；同一條裂縫，基于數(shù)字顯微鏡和電成像測井分別計算的裂縫寬度值相差小于10%，說明電成像在一定程度上可以用于評價地層裂縫寬度的實際大小，但是當(dāng)裂縫的實際寬度越小時，成像測井計算的寬度值相對實際寬度值的偏差越大；當(dāng)裂縫寬度為0.90 mm時變異系數(shù)僅為8.6%，而當(dāng)寬度減小到0.10 mm時，變異系數(shù)高達(dá)44%。考慮埋深條件下地層中裂縫的寬度多小于0.1 mm(Nelson, 2001; 曾聯(lián)波，2010)，因此在油氣儲層評價時電成像測井計算的寬度值和地層中實際裂縫的寬度值可能存在較大的差距。

表1 電成像測井裂縫寬度數(shù)值模擬考察Table 1 Numerical simulation test of fracture aperture derived from electrical imaging logs in water-base mud

表2 電成像測井的裂縫寬度物理模擬考察Table 2 Physical simulation test of fracture aperture calculated by electrical imaging logs

圖6 物理模擬實驗裝置示意圖(改自Ponziani et al., 2015)Fig. 6 Schematic diagram of experimental facility used for physical simulation (modified from Ponziani et al., 2015)

圖7 露頭刻度井孔隙度對比分析：(a)泥質(zhì)條帶發(fā)育段，可見雙峰譜圖特征，但并不指示任何次生孔隙的發(fā)育，深度單位m；(b)原狀地層，巖芯和薄片均未見明顯的孔隙；(c)溶孔發(fā)育段，巖芯和薄片均可見次生溶孔；(d)溶洞發(fā)育段；(e)擴(kuò)溶縫發(fā)育段；(f)未擴(kuò)溶縫段，裂縫孔隙度為0.026%；(g)未擴(kuò)溶縫孔隙度分布直方圖Fig. 7 The porosity contrast in the calibration well:(a)depth interval developing pelitic strips show bimodal characteristics although it is not related to any secondary pores or vugs; (b)undisturbed interval without any obvious pores in cores or thin sections;(c)dissolved pores which can be seen in cores and thin sections;(d)dissolved pores and vugs;(e)dissolved fractures;(f)the undissolved fracture with fracture porosity of 0.026%;(g)the histogram of fracture porosity

曹宇利用電磁多參數(shù)平面掃描儀(AutoScanⅡ)對含裂縫的致密砂巖、碳酸鹽巖和玄武巖進(jìn)行了考察。儀器設(shè)計了一個電阻率探頭，探頭上安裝一個直徑3 mm(0.12 in)的紐扣電極，電極絕緣環(huán)厚度10 mm。測量過程中巖樣浸泡在電導(dǎo)率恒定的鹽水中(Rm不變)，掃描儀探頭與巖樣接觸并對打磨光滑的巖樣表面進(jìn)行電掃描；探頭中的溫度傳感器用于校正溫度對溶液電導(dǎo)率的影響。掃描數(shù)據(jù)的成圖結(jié)果表明該方法顯示的裂縫寬度(實際是電成像圖像中裂縫處的異常電流面積)明顯大于實際的裂縫寬度值，但電阻率變化的曲線形態(tài)與相同條件下數(shù)值模擬的基本一致。相比較單極板巖石物理試驗，掃描儀試驗的操作簡單，可重復(fù)性強，但是已有的試驗并沒有系統(tǒng)地考察裂縫傾角、地層電阻率、泥漿電阻率、儀器與井壁之間的距離、裂縫側(cè)向延伸長度和裂縫間距對計算模型的影響(曹宇，2014)。

5 成像地層孔隙度計算

目前有兩種利用電成像測井資料計算地層孔隙度的方法，一種是基于成像測井?dāng)?shù)據(jù)本身(Newberry et al., 1996；Akbar et al., 2000)，即孔隙度譜法(李寧等，2013)，另一種是基于處理的成像測井圖像開展的。孔隙度譜法的本質(zhì)是阿爾齊公式，該方法僅適用于水基泥漿。在選定的成像測井滑動窗長范圍內(nèi)，對沖洗帶地層用阿爾奇公式計算電成像測井每個像素點(電極)的孔隙度大小，圖像中暗色部分對應(yīng)的電阻率值低，計算的孔隙度大，淺色部分對應(yīng)的電阻率值高，計算的孔隙度小，統(tǒng)計該窗長內(nèi)不同孔隙度區(qū)間的頻數(shù)，繪制孔隙度的統(tǒng)計分布圖，從而分析該窗長內(nèi)地層孔隙度的分布特征。分布譜圖中各孔隙度峰值的大小反映了對應(yīng)孔徑的孔隙在地層孔隙中的比例大小，寬窄反映了各孔徑的孔隙在地層中的均一度，即地層孔隙大小分布不均時，直方圖分布較寬，反之當(dāng)孔隙大小分布均勻時，直方圖分布則較窄。相比較傳統(tǒng)的常規(guī)測井孔隙度計算方法，孔隙度譜法在計算地層孔隙度方面具有如下幾個優(yōu)勢：①可以對地層次生孔隙度進(jìn)行連續(xù)的定量表征，結(jié)合電成像計算的裂縫孔隙度，可以給定地層的原生孔隙度、次生溶蝕孔洞孔隙度和裂縫孔隙度；②在均質(zhì)地層中，常規(guī)測井和電成像測井計算的地層孔隙度類比性可以較好，主要是因為均質(zhì)地層中在井周不同方位計算的孔隙度近似相同，但是在非均質(zhì)地層中(尤其是復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖和混積巖地層)，地層孔隙度在井周不同方位存在變化，而密度或中子測井主要反映的是地層一個深度點某一個方位的孔隙度，因此會導(dǎo)致地層孔隙度大小的評價失真，電成像測井環(huán)井周的數(shù)據(jù)采集方式可以充分考慮井周不同方位上孔隙度的變化，從而客觀有效地評價非均質(zhì)地層的孔隙度大小；③高分辨率的數(shù)據(jù)采集使得孔隙度計算的精度更高。該方法的不足之處在于當(dāng)?shù)貙又写嬖诟邔?dǎo)礦物或泥頁巖時，也會出現(xiàn)類似孔洞發(fā)育的低阻響應(yīng)特征，從而限制了該方法的使用(Newberry et al., 1996)。另外，基于淺側(cè)向標(biāo)定的電成像測井?dāng)?shù)據(jù)去計算地層的孔隙度，最初假定沖洗帶含水飽和度為1，通過公式變換認(rèn)為孔隙度的計算僅和泥漿濾液電阻率與沖洗帶地層電阻率有關(guān)。考慮含油層段的沖洗帶一般還存在殘留的石油導(dǎo)致沖洗帶含水飽和度小于1，且在含水層需要對泥漿濾液電阻率進(jìn)行刻度，Akbar等人在公式變換的基礎(chǔ)上消除了飽和度對計算結(jié)果的影響，但同時引入了常規(guī)測井孔隙度(Akbar et al., 2000)。因此該計算方法雖然兼顧了成像測井高分辨率數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點，但影響常規(guī)測井孔隙度計算的因素同樣對該方法的計算結(jié)果有影響。

在刻度井中對上述方法的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的探討。從刻度井高質(zhì)量的電成像測井圖像中可以清晰地觀察到原狀地層、發(fā)育溶孔(<2 mm)的地層、發(fā)育溶洞(≥2 mm)的地層和發(fā)育裂縫的地層。通過巖芯刻度可以剔除含泥質(zhì)條帶的地層(如良里塔格組)，防止泥質(zhì)條帶對解釋結(jié)果的影響(圖7a)。同時在該井連續(xù)的巖芯中按照小于1m的采樣間隔連續(xù)測試了149組全直徑孔滲數(shù)據(jù)，因此可以對比常規(guī)測井孔隙度、全直徑巖芯孔隙度和孔隙度譜法計算的孔隙度在不同地層條件下的差異。通過對比發(fā)現(xiàn)在沒有次生溶孔和裂縫的原狀地層，常規(guī)測井計算的孔隙度略有偏大，但是巖芯孔隙度、常規(guī)測井(中子)計算的孔隙度和FMI電成像測井的平均孔隙度基本一致(圖7b)，孔隙度譜呈單峰，僅有原生孔隙部分。在溶孔發(fā)育段，F(xiàn)MI計算的數(shù)值略大，孔隙度譜呈雙峰，右峰峰值略高，但是三類方法獲取的孔隙度數(shù)值也基本一致(圖7c)，其主要原因是該溶孔發(fā)育段，溶孔的孔徑基本相當(dāng)，且環(huán)井眼分布較為均勻，因此可以認(rèn)為這些層段不屬于溶解作用導(dǎo)致的非均質(zhì)地層。在溶洞發(fā)育的非均質(zhì)段，巖芯孔隙度和FMI測井計算的孔隙度匹配度較高，且顯著大于常規(guī)測井計算的孔隙度(圖7d)，孔隙度譜呈雙峰，右峰顯著高于左峰。在擴(kuò)溶縫較發(fā)育的層段可以看出，巖芯和成像測井計算的孔隙度也大于常規(guī)測井(圖7e)，孔隙度譜呈雙峰，且右峰的峰值小，其原因是擴(kuò)溶縫代表地層沿裂縫發(fā)生了溶蝕作用，相當(dāng)于地層中存在不均一分布的溶蝕孔洞。未發(fā)生溶蝕的裂縫段，巖芯、常規(guī)測井和成像測井獲取的孔隙度值基本一致(圖7f)，孔隙度譜呈單峰，暗示裂縫孔隙度在井下可能較小。通過電成像測井對該段地層的裂縫孔隙度進(jìn)行計算，其值小于0.04%(圖7g)，也暗示了碳酸鹽巖地層中未擴(kuò)溶的裂縫可能對地層總孔隙的貢獻(xiàn)相對有限。

刻度井是全井段取芯的露頭科探井，在巖芯系統(tǒng)刻度的前提下，電成像測井圖像中的暗色條帶、暗色斑塊或斑點的地質(zhì)含義都較為清楚，可以準(zhǔn)確區(qū)分溶蝕孔洞、泥質(zhì)條帶、擴(kuò)溶縫和天然縫的發(fā)育段。對于油田生產(chǎn)井，取芯資料通常較為匱乏，而圖像中廣泛分布不同形態(tài)的低阻圖像特征，其地質(zhì)含義需要盡可能地借助各鉆井有限的巖芯，利用目的層已有的構(gòu)造、沉積和成巖的圖像分析結(jié)果加以明確，排除泥質(zhì)條帶、黃鐵礦等高導(dǎo)物質(zhì)對孔隙度解釋結(jié)果的影響。

基于成像圖像的孔隙度計算方法本質(zhì)是利用圖像分割技術(shù)將圖像中的孔洞體剝離出來從而實現(xiàn)計算地層孔隙度的目的。斯倫貝謝最新的PoroTex分析技術(shù)便是一種對電成像圖像進(jìn)行分割從而識別(碳酸鹽巖)地層不同孔隙類型的方法，可以識別地層中的連通孔隙、孤立孔隙、與裂縫連通的孔隙、沿層界面分布的孔隙或巖石基質(zhì)中的孔隙，還可以量化不同孔隙對地層總孔隙的貢獻(xiàn)和孔隙連通性、描述孔隙的幾何形狀。這一技術(shù)的基本原理是利用分水嶺變換數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分割算法(Meyer et al., 1990)，將處理的成像圖像視為測地學(xué)的拓?fù)涞孛策M(jìn)行分割，被脊線(Crest lines)相連的低阻暗斑代表了連通的孔洞，反之為孤立分布的孔洞。這一方法的不足之處在于分割算法處理的對象是圖像，而并非所有的暗斑或暗塊在圖像中都代表了溶蝕孔洞，因此在實際研究時同樣需要利用可用的巖芯對圖像進(jìn)行刻度才能得出相對合理的結(jié)果。另外，為了提高成像圖像中縫洞的拾取效率，前人提出了一些基于小波變換等技術(shù)(張曉峰等，2012；劉瑞林等，2017)或基于圖像閾值分割的縫洞(自動)提取方法(秦巍等，2001；Kherroubi，2008)，但是成像測井孔隙度計算方法中存在的問題同樣限制了這些方法的縫洞自動提取效果，即較難自動區(qū)分低阻的裂縫特征、低阻的層界面以及應(yīng)力誘導(dǎo)縫、較難自動區(qū)分低阻孔洞和非孔洞的低阻圖像特征。

6 存在的問題及發(fā)展方向

巖芯歸位主要是基于鉆井中離散的巖芯對成像圖像進(jìn)行刻度從而尋找?guī)r芯縫洞在圖像中的位置。研究表明這一方法在碎屑巖地層裂縫評價中的應(yīng)用效果好，但在碳酸鹽巖和火山巖地層中所得的結(jié)論可信度可能較低，即巖芯可以來自任何一個具有相似成像圖像特征的地層段。另外，由于成像測井的成果圖反映的是地層的微電阻率變化特征，圖像特征雖然在一定程度上可以間接反映地層結(jié)構(gòu)的變化，但其并非真正的巖芯圖像，因此兩者反映的地質(zhì)現(xiàn)象不存在完全的一一對應(yīng)關(guān)系，只有具有明顯電阻率差異的地質(zhì)體才能在成像測井圖像上具有較好的特征顯示，而電阻率相同或接近的不同地質(zhì)體在成像測井圖像中較難區(qū)分，在方位以及深度歸位時，需要對這一現(xiàn)實予以考慮。

以Luthi等(1990)為代表提出的電成像測井裂縫寬度的計算模型沿用至今，在很大程度上滿足了裂縫性儲層的油氣勘探和開發(fā)。過去通過數(shù)值模擬方法建立的電成像測井裂縫寬度的計算模型都假定裂縫為水平裂縫(不考慮傾角因素時)，而實際情況是地層中的天然裂縫都具有一定的傾角。已有的研究表明在較大巖石電阻率(>1000 Ω.m)和較小裂縫寬度(<0.1 mm)的情況下裂縫傾角對微電阻率成像測井響應(yīng)的影響可以忽略(王大力，2001)。雖然儲層條件下裂縫的寬度多小于0.1 mm，但是碎屑巖地層的巖石電阻率通常較低，因此在后續(xù)的模擬中可以進(jìn)一步嘗試建立不同傾角范圍傾斜裂縫的數(shù)學(xué)模型，提高成像測井在碎屑巖地層中裂縫參數(shù)定量計算的精度。另外，天然裂縫并非理想的光滑平板裂縫，即裂縫面存在不同程度的粗糙度，而隨著裂縫壁的彎曲度或粗糙度的增加，電測量的裂縫寬度越小(Brown, 1989)。因此在電成像測井裂縫寬度的計算模型中可以考慮增加一個彎曲度因子。

在物理模擬時，過去的實驗將裂縫假定為沿軌跡寬度不變的理想平板裂縫，且極板和裂縫垂直(假定為水平裂縫)，顯然天然裂縫多不滿足這些條件，裂縫多具有一定的傾角且沿裂縫軌跡存在彎曲度(Odling, 1994；Yeo et al., 1998)。在后續(xù)的研究中可以建立含不同傾角裂縫的物理模型模擬傾斜裂縫的實驗響應(yīng)特征。同時，已有的物理模型都只針對了無限延伸水平裂縫的情況，而數(shù)模試驗的結(jié)果表明裂縫的延伸長度對計算模型也具有重要的影響，因此還需要建立具有不同延伸長度的裂縫物理模型去試驗其對裂縫響應(yīng)的影響。已有的物理模擬暗示當(dāng)裂縫的實際寬度越小時，成像計算的寬度值相對實際寬度值的誤差越大(實際寬度為0.1 mm的裂縫誤差可達(dá)44%)。過去建立的物理模型中裂縫寬度都在0.1 mm及以上，小于0.1 mm的裂縫研究沒有涉及，而在地層條件下，裂縫的寬度多小于0.1 mm，需要進(jìn)一步建立含微裂縫的物理模型去客觀評價深埋條件下電成像測井計算的裂縫寬度的合理性。

7 結(jié)論

微電阻率掃描成像測井縫洞圖像特征的解釋需要以巖芯刻度為準(zhǔn)則，開展巖芯深度和方位歸位。露頭取芯井巖芯刻度的結(jié)果表明過井眼的未充填縫及溶蝕孔洞發(fā)育段在巖芯和電成像測井圖像中具有一一對應(yīng)的關(guān)系，兩者的刻度率為100%，而單個溶蝕孔洞在巖芯和電成像測井中通常無法交互刻度。單條裂縫的傾角和井周長度在巖芯與成像測井中具有較高的相關(guān)性，而受巖芯和成像測井裂縫寬度計算方法的影響，裂縫寬度的相關(guān)性一般。電成像測井裂縫寬度可用于裂縫視寬度大小的評價，且受裂縫傾角、地層電阻率、泥漿電阻率、儀器與井壁之間的距離、裂縫側(cè)向延伸長度等因素的影響；物模結(jié)果進(jìn)一步表明只有當(dāng)裂縫視寬度大于0.1 mm時，電成像測井計算的裂縫寬度和裂縫視寬度才基本一致，而當(dāng)視寬度小于或等于0.1mm時，成像測井計算的寬度值誤差較大。在地層孔隙度計算方面，目前主要有成像測井孔隙度譜法和圖像分割法兩種，且都受地層中非孔洞低阻物質(zhì)的影響。在后續(xù)的研究中，需要針對裂縫寬度的計算模型開展傾斜裂縫和裂縫彎曲度因子等的數(shù)模研究，開展傾斜裂縫、有限延伸裂縫和微裂縫的物模研究。在孔隙度解釋時需要重視巖芯刻度的作用，最大化地剔除非孔洞因素對解釋結(jié)果的影響。

致謝:塔里木油田勘探開發(fā)研究院的郭秀麗、信毅和周磊幫助收集了刻度井的資料，中國石油大學(xué)(北京)李瑞杰、鄧?yán)韬椭苷垖Ρ疚牡膬?nèi)容提供了寶貴的意見，在此一并表示感謝！感謝審稿人對本文提出的寶貴意見。