2019, Vol. 31
2. 中国石油大学(北京)非常规油气科学技术研究院, 北京 102249;
3. 中国地质调查局 油气资源调查中心, 北京 100083;
4. 中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249
, YANG Dongxu1,2, ZHANG Ziya3, ZHANG Chen1,4, LUO Qun1,2, PAN Zhankun1,2, HUANG Zhixin1,2
2. Unconventional Petroleum Research Institute, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China;
3. Oil & Gas Survey, China Geological Survey, Beijing 100029, China;
4. College of Geosciences, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China
裂缝是致密储层油气的有效储集空间和主要渗流通道，是致密油气藏开发方案选择和开发井网部署的重要参考因素之一[1]。油气钻探实践表明，致密砂岩储层能否获得高产和稳产与裂缝的发育程度密切相关，裂缝的存在不仅能够增强储层基质的储油能力，也增加了油气井的供油面积，是决定油气藏是否具有经济开采价值的关键因素[2-3]。因此，开展致密储层裂缝识别的研究，确定裂缝的发育程度和方向，对于致密油气的勘探和开发具有重要意义[4]。
测井技术是进行油气储层分布特征预测的常用手段之一[5]，相比于钻井取心，通过测井技术所获取的资料更全面、信息量更丰富、分辨率更高，而且成本更低。目前，国内外储层裂缝的研究方法主要有常规测井、成像测井、地震预测等[6]，我国在常规测井资料的分析和解释方面已处于国际先进水平，但在致密储层裂缝识别方面应用相对较少。
不同于常规储层，致密储层在沉积条件、成岩条件和构造条件等方面均具有一定的特殊性，测井技术在常规储层中的运用方法，不能直接套用在致密储层上，须针对致密储层的测井响应特征建立一套新的指标体系，以便能更准确地识别致密储层中的裂缝。
准噶尔盆地吉木萨尔凹陷是我国致密储层勘探开发的重要研究区，具有可观的致密油储量，对该区致密油的勘探开发已经进行了较长时间，积累了比较丰富的基础资料，但对致密油储层裂缝的基础研究依然薄弱，特别是在裂缝定量表征、储层裂缝评价等方面，严重制约了勘探开发工作的进行[7]。以该区致密储层为研究对象，运用常规测井和成像测井方法对其裂缝发育特征进行识别，总结裂缝常规测井参数特征并进行定量评价，划分成像测井裂缝识别模式，以期指导后续致密油的勘探开发。
1 地质背景吉木萨尔凹陷是准噶尔盆地东部隆起区的一个次级构造单元，位于东部隆起的西南部[8][图 1（a）]，面积约1 278 km2，其北部与沙奇凸起毗邻，以吉木萨尔断裂为界，南界为阜康断裂带，西界为老庄湾断裂和西地断裂，向东逐渐过渡为古西凸起[图 1（b）]，总体呈西深东浅、西断东超的箕状形态展布，其中凹陷东北部为重点研究范围。
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下载eps/tif图 图 1 准噶尔盆地构造单元划分（a）及研究区位置图（b）[8] Fig. 1 Division of tectonic units in Junggar Basin (a) and location of study area (b) |
根据现有的钻井及地质录井资料，研究区目前钻遇的地层自上而下为第四系、新近系、古近系、白垩系、侏罗系和石炭系，其中缺失的地层有侏罗系喀拉扎组，三叠系郝家沟组、黄山街组，另外受到多期构造活动的影响，二叠系芦草沟组与上覆梧桐沟组之间为不整合接触，该套地层在整个凹陷内均有分布，呈南厚北薄、西厚东薄的趋势[9]，平均厚度约200~350 m。
二叠系芦草沟组表现为烃源岩和储层一体，靠近烃源岩进行成藏，纵向上整体富含致密油，是吉木萨尔凹陷致密油的主力勘探层段[10]。地层分为芦草沟组一段（P2l1）和二段（P2l2）共2套致密型砂泥岩正旋回储盖组合[11]。芦草沟组一、二段分别有2个层组，自上而下依次为芦二段一层组（P2l21）、芦二段二层组（P2l22）、芦一段一层组（P2l11）和芦一段二层组（P2l12）。研究区发育上下2个整体致密背景下物性及含油性相对较好的“甜点”体，其中上“甜点”体主要发育在凹陷东斜坡，位于芦二段二层组，下“甜点”体在整个凹陷均有发育，位于芦一段二层组。
研究区下“甜点”体沉积期间，湖泊水体较浅，物源供给较为充分，以三角洲前缘的细粒碎屑岩沉积为主，而上“甜点”体随着水深的逐渐增加陆源物质供给不足，以滨浅湖的滩坝为主，碳酸盐岩的含量相对较高。
2 常规测井裂缝识别 2.1 常规测井裂缝识别方法常规测井方法多种多样，不同测井手段对裂缝的敏感程度不同，对裂缝响应较好的测井系列主要分为岩性测井、电阻率测井和孔隙度测井三大类。
2.1.1 岩性系列常规测井裂缝响应特征岩性系列常规测井主要包括自然电位测井（SP）、自然伽马测井（GR）和井径测井（CAL）在砂泥岩层段中利用SP曲线识别裂缝较为困难，但在砂岩和泥岩交界处SP曲线会发生明显变化[12]，碳酸盐岩层段孔隙和裂缝发育段与邻近泥岩比较，SP曲线也会出现小幅度负异常。
由于泥岩的放射性相对砂岩和碳酸盐岩要高，GR曲线可以有效地区分出泥岩与其他渗透层。对于有裂缝存在，具有渗透性的砂岩和碳酸盐岩地层，地下水的运动会使铀元素很容易被裂缝或孔洞壁吸附而发生沉淀，GR值会明显变大，可以利用铀元素的含量区分裂缝发育段及泥岩层[13]。
井径测井资料是通过测量井眼直径的扩大与缩小来划分岩性的一种手段[14]，一般而言，泥岩段因为井眼崩塌表现出扩径，渗透性岩层常常由于泥浆滤液的渗透在井壁形成泥饼，出现缩径的现象。裂缝发育的井段，井径曲线因为井壁的崩塌会表现出激烈的震荡和扩径现象。
2.1.2 电阻率系列常规测井裂缝响应特征电阻率系列测井主要包括双侧向测井和微电阻率测井，此外还有双感应测井及微球型聚焦测井等[15]。准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组由于地层电阻率相对较高、薄互层普遍的影响，选择的测井序列为双侧向和微电阻率测井组合。
双侧向电阻率测井在普通电阻率的基础上增设屏蔽电极，减小了泥浆对电流的分流和围岩的影响，提高了纵向分辨地层的能力。裂缝的存在使得深、浅侧向电阻率值明显减小，裂缝倾角较小时会出现深探测电阻率（RLLD）小于浅探测电阻率（RLLS）的“负差异”现象，裂缝倾角较大时则会出现相反的“正差异”现象[16]。
2.1.3 孔隙度系列常规测井裂缝响应特征孔隙度系列测井主要指声波时差测井（AC）、密度测井（DEN）和中子孔隙度测井（CNL）[17]，在岩性已知和泥质含量较少的情况下，利用3种孔隙度测井都可以较为准确的求取孔隙度的数值，但对于泥质含量较高的层段，须要进行相应的泥质校正[18]。
声波时差测井利用滑行纵波在不同介质中传播的时间差来表征声波在地层中的传播速度[19]。通常裂缝壁中会充填较小密度的充填物或流体，使得纵波在地层中的传播速度会变慢，能量衰减幅度增加，声波时差曲线会相应出现“周波跳跃”现象，可以以此识别出地层中的裂缝发育情况[20]。
用伽马源发射的放射线照射地层，可以根据康普顿效应相应测出地层的密度，这种测井方法称为密度测井，当密度测井极板接触到泥浆侵入的天然裂缝时，孔隙度相应增加，此时密度值也会相应降低。中子孔隙度测量值取决于地层的含氢指数，裂缝的存在会相应增大中子孔隙度的测量值。
2.2 研究区常规测井裂缝特征从研究区11口取心井中，选取了16个裂缝发育较少的非裂缝段（裂缝面密度 < 1.5 cm/cm2）及23个裂缝较为发育的裂缝段（裂缝面密度> 1.5 cm/ cm2），通过对现场岩心的观察来研究这些层段的常规测井响应特征。在分析了各种测井序列的裂缝响应后，优选了7个测井序列（DEN，AC，CNL，RLLS，GR，CAL，SP），得到裂缝段及非裂缝段常规测井参数（表 1，表 2）。
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下载CSV 表 1 吉木萨尔凹陷芦草沟组裂缝段主要常规测井系列参数统计 Table 1 Statistical parameters of main conventional logging sequences in fracture zone of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
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下载CSV 表 2 吉木萨尔凹陷芦草沟组非裂缝段主要常规测井系列参数统计 Table 2 Statistical parameters of main conventional logging sequences in non-fractured zone of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
将裂缝段及非裂缝段主要常规测井序列进行交会分析（图 2），结果显示研究区的裂缝段表现出以下特征：①GR值较高，SP和CAL与非裂缝段无明显差异[图 2（d）-（f）]；②RLLS较非裂缝段偏低[图 2（c）]；③DEN值小于非裂缝段，AC和CNL值较非裂缝段大[图 2（a）-（c）]。
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下载eps/tif图 图 2 吉木萨尔凹陷芦草沟组常规测井序列交会图 Fig. 2 Cross plot of conventional logging sequence of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
从研究区裂缝段和非裂缝段的测井响应来看，孔隙度系列测井对裂缝整体响应较好；因为研究区裂缝倾角变化范围较大，深浅侧向电阻率值差异相对较小，电阻率系列测井对裂缝的响应一般；岩性系列测井对裂缝响应最差，分析认为研究区薄互层频繁，岩性对自然电位和井径的影响超过了裂缝造成的影响。
通过交会分析，结合裂缝段及非裂缝段常规测井序列参数，得到了对裂缝段响应较为明显的几个参数特征（表 3）。
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下载CSV 表 3 吉木萨尔凹陷常规测井序列裂缝段参数特征 Table 3 Characteristics of fracture zone parameters in conventional logging sequences in Jimsar Sag |
地层电阻率成像测井（FMI）是以扫描或阵列的方式测量岩石电阻率沿井壁或井周的二维或三维方式的一种新型测井技术[21-22]，是目前识别和评价裂缝分布最有效的测井手段[13]。FMI成像测井在裂缝发育段的识别、地层及裂缝产状的确定以及应力环境的分析都已经取得了较好的应用效果[22-24]，为裂缝参数的定量计算及期次的确定提供了准确有效的依据。
3.1 成像测井裂缝识别原理成像测井的工作原理是通过8个极板上的一系列纽扣电极发出的恒定电压信号对井壁进行扫描，记录下每个纽扣电极上的电流，然后通过特定的成像手段得到的井壁的模拟成像[25]，所以成像测井实际上测量的是井壁范围内各个方向的电阻率情况。成像测井的技术基础是地下岩层的非均质性，岩层中存在的裂缝也会相应影响电阻率的大小。纽扣电极的数量较多、间距较小，可以对较小尺度的地下地质体（裂缝）单独成像，经过对仪器的方位进行校正后，可识别出裂缝的产状，具体的原理如图 3所示。利用软件中的算法和色标可以将纽扣电极记录得到的电阻率信息较为精细地展示出来，黑色对应电阻率的低值，亮色对应电阻率的高值。
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下载eps/tif图 图 3 成像测井识别裂缝产状图解 Fig. 3 Graphic recognition of fracture occurrence by imaging logging |
利用成像测井可以有效地区分地下不同的地质体，不同地质体的图像特征不同[26-27]，几种常见地质结构的成像测井特征如下：
（1）裂缝：天然裂缝在成像测井图像中通常表现为正弦曲线样式，颜色跟周围地层有明显的不同，宽度和振幅受到裂缝开度和倾角的控制[28]。正弦曲线的不同颜色对应着不同的充填类型，高阻充填物对应着亮色正弦曲线，低阻充填物对应着暗色或黑色正弦曲线，当充填物导电性与周围地层接近时，裂缝一般难以区分[29]。
（2）孔洞：溶孔溶洞在成像测井上显示出随机分布的特征，大小和位置均不固定，表现为边缘比较模糊的暗色圆形斑点[30]。
（3）层理面：层理面在成像测井图像上表现为一组相互平行或近平行的高电导异常，异常的宽窄变化幅度较小[31]。由于后期构造运动和溶蚀作用的影响，高电导层理缝异常变化幅度相对于层理面会更大。
3.2 研究区成像测井裂缝特征准噶尔盆地吉木萨尔地区二叠系芦草沟组发育的天然裂缝类型复杂多样，按照裂缝产状和成像测井图像表现出来的特征，可以将裂缝归纳为以下几种类型：①按照裂缝壁的平坦程度可分为构造缝和非构造缝；②按照裂缝的充填情况可分为充填裂缝和未充填裂缝；③按照裂缝电阻率的大小可分为高导缝和高阻缝。
构造缝是研究区成像测井图像中识别出来的主要裂缝类型，一般以组系的形式出现，可见少量共轭剪切裂缝，其中一组的发育受到抑制[图 4（a）]。非构造缝包括层理缝和缝合线，层理缝是通过产状来与构造缝相区分，来源于上覆岩层压力的缝合线基本平行于层面，由于裂缝壁的不规则会在成像测井中呈现出锯齿状的特征，有时会伴随垂直裂缝壁的高电导异常[图 4（b）]。
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下载eps/tif图 图 4 吉木萨尔凹陷芦草沟组成像测井图像与岩心特征 （a）共轭剪切缝，砂屑粉砂岩，3 564~3 565 m，J36井；（b）层理缝，云质粉砂岩，3 657~3 658 m，J34井；（c）钙质充填缝，粉砂质白云岩，2 847 ~2 848 m，J37井；（d）黄铁矿充填缝，泥岩，2 343~2 444 m，J29井；（e）泥质充填缝，泥岩，2 930~2 931 m，J172井；（f）未充填裂缝，粉砂质泥岩，3 120 ~3 121 m，J174井 Fig. 4 Characteristics of conventional and imaging logging images of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
研究区的主要充填物为方解石、泥质及黄铁矿，不同充填物在成像测井上有着明显不同的响应特征：钙质充填物电阻率高，充填后的裂缝在图像中呈现出异常高值，表现为亮色或白色[图 4（c）]；黄铁矿充填后的裂缝电阻率极低，在井壁成像中对应黑色的正弦形状[图 4（d）]；泥质充填物孔隙度较高，电阻率相对较低，表现为电阻率相对低值[图 4（e）]；未充填裂缝在钻井时一般会充填高导的钻井液，表现为电阻率低值，其GR一般也为低值[图 4（f）]。
根据不同地质结构的成像测井响应，可以总结出如下识别模式（图 5）。确定好裂缝形态后，利用LogView软件对裂缝的倾角、倾向、孔隙度以及水动力平均宽度参数进行定量计算，做成像蝌蚪图及玫瑰花图，结果显示，研究区主要发育张开缝，裂缝倾角为7.82°~77.88°，频率统计表明构造缝以低角度缝及高角度缝为主，中角度缝次之，常规测井和成像测井对裂缝的响应情况如图 6所示。
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下载eps/tif图 图 5 吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层不同类型裂缝成像测井特征 Fig. 5 Imaging logging characteristics of different types of fractures in tight reservoirs of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
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下载eps/tif图 图 6 吉木萨尔凹陷芦草沟组致密储层常规测井、成像测井裂缝识别评价效果图 （a）未充填层理缝，砂屑粉砂岩；（b）泥质条带，云质粉砂岩；（c）未充填层理缝，泥岩；（d）钙质充填缝，粉砂质白云岩；（e）泥质充填缝，砂屑粉砂岩；（f）缝合线，粉砂质白云岩 Fig. 6 Effect of fracture identification and evaluation for conventional logging and imaging logging in tight reservoir of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
在软件解释的基础上，针对裂缝线密度引入绝对线密度和相对线密度概念来表征裂缝发育的集中程度[32]，其中，构造裂缝的绝对线密度是指构造裂缝集中发育层段的裂缝线密度，反映了裂缝的集中发育程度，而相对线密度是指整段地层中的裂缝平均线密度，反映了裂缝的平均发育程度[33]，其计算公式为
| $ {{D}_{\text{alf}}}=\frac{\left[ \sum\limits_{i=1}^{n}{\left( \frac{{{N}_{i}}}{{{L}_{i}}} \right)} \right]}{n} $ | (1) |
| $ {{D}_{\text{rlf}}}={{D}_{\text{alf}}}\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{\frac{{{L}_{i}}}{{{L}_{c}}}} \right) $ | (2) |
式中：Dalf和Drlf分别是构造缝的绝对线密度及相对线密度，条/m；i为裂缝段编号；n为总裂缝段数目；Ni为第i个裂缝段的构造缝数目，条；Li为第i个裂缝段长度，m；Lc为岩心总长度，m。
由式（2）可得，芦草沟组上“甜点”体裂缝宽度为0.020~0.064 mm，平均值0.026 mm，下“甜点”体裂缝宽度为0.005~0.087 mm，平均值0.038 mm，下“甜点”体裂缝开度相对较大[图 7（a）]。上下“甜点”体裂缝面密度对比与二者裂缝宽度差异相吻合，上“甜点”体裂缝面密度为0.482~2.440 m/m2，平均值1.6 m/m2，下“甜点”体裂缝面密度为1.80~ 5.27 m/m2，平均值3.05 m/m2，下“甜点”体裂缝面密度明显高于上“甜点”体[图 7（b）]。上“甜点”体裂缝线绝对线密度均值为2.48条/m，下“甜点”体裂缝绝对线密度均值为3.36条/m[图 7（c）]，下“甜点”体裂缝发育更集中。上“甜点”体裂缝相对线密度为0.870条/m，而下“甜点”体裂缝相对线密度为0.979条/m[图 7（d）]，整体而言，上下“甜点”体裂缝发育总密度差异不大，下“甜点”体略优于上“甜点”体。
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下载eps/tif图 图 7 吉木萨尔凹陷芦草沟组上下“甜点”体裂缝表征参数对比 Fig. 7 Comparison of representative fracture parameters of upper and lower sweet spots of Lucaogou Formation in Jimsar Sag |
研究区上“甜点”以湖相沉积为主，粒度较细，以泥岩为主，白云岩含量较少，黏土矿物较多，储层脆性相对较小，而下“甜点”以三角洲相沉积为主，以细砂岩沉积为主，发育各种交错层理、斜层理，这些层理构造都是裂缝发育的薄弱面，有利于裂缝发育，尤其是层理缝的发育。
4 结论（1）准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组11口井7个测井序列显示，孔隙度系列测井方法对致密储层裂缝识别响应最明显，电阻率系列测井响应次之，地层薄互层频繁使得岩性对自然电位测井和井径测井影响显著，对裂缝响应较差。
（2）不同充填物的成像测井响应特征不同，可将致密储层裂缝特征划分为块状、条带状、线状及不规则锯齿状、对称垂直条等模式。
（3）芦草沟组上下“甜点”体裂缝倾向分布一致、力学成因相似、相对线密度相差不大，其中下“甜点”体裂缝宽度较大，部分层段裂缝集中程度相对较高。
（4）裂缝段响应较为明显的常规测井系列的参数特征为：自然伽马计数率多高于70 API，浅探测电阻率一般小于80 Ω·m，岩层体积密度小于2.43 g/cm3，中子孔隙度大于28%，声波时差大于246 μs/m，对于致密储层裂缝的测井识别和定量评价具有重要意义。
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