裂縫性碳酸鹽巖儲層氣水識別的測井解釋新途徑
——以四川盆地九龍山地區中二疊統為例

楊 華 張本健 陳明江 孫志昀 田云英楊 迅 王宇峰 湯興宇 胡 欣

1.中國石油西南油氣田公司川西北氣礦 2.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院

3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質勘探開發研究院

0 引言

九龍山構造位于四川盆地西北部蒼溪縣境內，經過多輪油氣勘探，在多套深層海相地層測試獲得了高產氣流，區帶內天然氣資源量大，立體勘探優勢凸顯，是川西北部深層海相天然氣勘探開發示范工程的重要組成部分[1-3]。目前，該區中二疊統完井9口，累計測試產量為671.14×104m3/d，其中茅口組測試井7口，產氣井4口，產水井3口；棲霞組完成測試井3口，產氣井2口，產水井1口。由此可見，該區中二疊統一方面表現出較大的勘探潛力，另一方面又表現出復雜的儲層特征和氣水關系，氣、水層識別難度大。為了準確評價氣藏特征，打開勘探新局面，有必要開展針對性的氣、水層識別方法研究。

前人提出的視地層水電阻率譜法、彈性參數法、曲線重疊法、數理統計法及核磁共振T1—T2連續譜法等多種方法，在判別孔隙度相對較高的碳酸鹽巖儲層流體類型中效果較好[4-14]。然而，這些方法在九龍山地區中二疊統的應用效果差，根本原因在于中二疊統儲層為一套低孔裂縫性儲層[15-16]，平均孔隙度小于2 %，同時發育大量非均勻巖石構造，電阻率變化劇烈、三孔隙度曲線基本不反映流體信息，氣、水層識別難度遠高于以孔隙或孔洞為主的儲層。為此，筆者從裂縫及儲層類型的識別入手，采用一種新方法來降低裂縫對電阻率的影響，以期提高氣、水層識別的準確率。

1 非相關性裂縫識別方法

九龍山地區中二疊統氣、水層識別的關鍵在于正確識別天然裂縫，而各種非均勻巖石構造、誘導壓裂縫和應力釋放縫成為天然裂縫識別的最大障礙。中二疊統發育多種非均勻巖石構造，其中以薄層狀構造、眼球狀構造和石灰巖團塊構造為主。這些沉積構造的常規測井響應特征盡管都表現為電阻率降低、聲波時差增高、密度呈鋸齒狀起伏、中子孔隙度略有增大等特點，與天然裂縫性儲層的測井響應特征雖有一定的相似性，但曲線間的相關性相對較好，即三孔隙度曲線之間以及深、淺探測電阻率曲線之間的相對變化趨勢基本保持一致，如圖1所示。此外，該區地層壓力系數很高，介于2.0～2.2，屬于超壓地層，在鉆井中使用的鉆井液密度大，造成井壁頻繁出現誘導壓裂縫，與應力釋放裂縫、非均勻巖石構造、泥質條紋和天然裂縫交織，給成像測井識別天然裂縫也帶來巨大挑戰。為此，提出了利用常規測井曲線的非相關性特征識別裂縫及儲層類型的方法。

天然裂縫在地層中的發育具有較強的非均質性，在縱向、徑向、水平方位上的寬度、密度、彎曲度常有很大的變化，導致探測深度、縱向分辨率、探測方位和探測機理各不相同的測井曲線呈現不一致的變化趨勢，即非相關性變化。通過分析各測井曲線自身特征及相互間的變化趨勢即可準確識別裂縫并判斷儲層類型。研究區測井曲線間的非相關性具體表現在以下兩個方面。

1.1 天然裂縫導致三孔隙度曲線間的非相關性

1.1.1 聲波時差

理論與實驗研究均表明，對于高角度裂縫，無論其發育程度如何，聲波時差均無增高趨勢，其值基本為巖石骨架時差。當裂縫發育程度相同時，隨著裂縫傾角的減小，聲波時差逐漸增大；對于低角度裂縫或水平裂縫，聲波時差將顯著增高，甚至發生跳波。

1.1.2 中子孔隙度

中子孔隙度大小取決于地層中的含氫指數，包括巖石空隙中所含流體的含氫指數、黏土礦物結晶水、束縛水，巖石骨架的等效含氫指數等。由于裂縫的孔隙度很小，一般都低于1 %，因此裂縫對中子含氫指數的貢獻遠小于地層其他介質的貢獻，特別當裂縫含氣時，其含氫指數對應的中子孔隙度幾乎可忽略不計。

1.1.3 密度

密度測井儀是極板推靠型儀器，對于均勻、各向同性地層，密度測井孔隙度等于地層總孔隙度；對于非均質性較強的裂縫性地層，密度測井值的大小易受極板與裂縫的相對位置影響而呈現鋸齒狀或尖刺狀起伏，導致密度孔隙度可能高于或低于地層總孔隙度。

由此可見，裂縫導致密度和聲波時差的變化趨勢與中子孔隙度呈現明顯的不一致甚至相反的變化趨勢，即非相關性變化，其相對變化特征與裂縫產狀密切相關；非均勻巖石構造的三孔隙度曲線盡管表現出一定起伏特征，但相對變化趨勢卻保持較好的一致性，即相關性好。

1.2 天然裂縫導致深、淺探測電阻率之間的非相關性

天然裂縫的產狀、張開度和充填程度的變化常常導致深、淺探測電阻率的高低和差異性質出現非相關性變化。高角度裂縫常導致深、淺探測電阻率呈現大幅正差異特征，且差異幅度與流體性質無關，而是隨裂縫產狀變化而變化。如圖2所示，LT-1井5 885～5 889 m雙側向電阻率呈大幅正差異劇烈起伏，同時聲波與密度曲線呈鋸齒狀起伏與中子孔隙度曲線呈明顯的非相關性，表明該段高角度裂縫非常發育并得到成像測井的證實。誘導壓裂縫也常導致深、淺探測電阻率呈大幅正差異特征，但因其徑向延伸淺，且產狀、寬度基本保持穩定，使深、淺探測電阻率差異幅度變化極小，呈近于穩定、平行的“雙軌”特征，如圖2下部5 902～5 905 m井段所示。

低角度裂縫的深、淺探測電阻率曲線呈尖刺狀降低，基本重合或小幅負差異，兩者變化趨勢一致，具有較好的相關性，但密度和聲波時差曲線與中子孔隙度曲線仍然表現出明顯的非相關性，即密度降低、聲波時差增大，而中子孔隙度無明顯變化（圖3）。

基于上述裂縫識別方法及薄片鑒定和巖心觀察，確定了九龍山中二疊統茅口組和棲霞組儲層類型均以縫洞型為主，其次為孔洞型和裂縫型，并總結了各類儲層和非均勻巖石構造的常規測井曲線非相關性特征及模式（圖4）。基于該特征模式，可有效地識別儲層類型，為氣、水層的識別創造了條件。

2 氣、水層識別方法

中二疊統裂縫性儲層的氣、水層識別面臨兩大難題：①儲層孔隙度極低，且所含天然氣為干氣，中子孔隙度變化極小，三孔隙度曲線重疊法已不再適用；②裂縫對測量電阻率影響極大，且隨著裂縫產狀、張開度、充填度和充填物質的不同而產生劇烈變化，同時鉆井液對裂縫的侵入較深，特別對氣層中的低角度裂縫侵入深度會更大，常超過測井的徑向探測深度，使氣層電阻率進一步下降。由圖5-a所示，8口測試井中有6口井產氣（紅色點）、2口井產水（藍色點），測試氣層段電阻率最小值小于20 Ω·m，而水層段電阻率最大值超過1 000 Ω·m，兩者電阻率重疊，無顯著界線。這是裂縫性碳酸鹽巖儲層普遍存在的問題，也因此而導致部分學者認為電阻率法已完全不適用于裂縫性碳酸鹽巖儲層的流體類型判別。然而，在僅有常規測井資料的條件下，電阻率信息是唯一能夠用于流體類型判別的資料。

通過對測試井段電阻率特征的深入分析，認為導致氣、水層電阻率重疊的根本原因是測試井段既包含了裂縫發育段，也包含了致密層和非均勻巖石構造層，導致電阻率變化范圍較大。利用前述非相關性分析法排除非均勻巖石構造和致密層，得到如圖5-b所示交會圖。從圖5-b中可以看出，絕大部分氣、水層交會點已明顯分離，但仍有部分重疊，必須對電阻率曲線作進一步處理。

由于地層電阻率受巖石構造、空隙空間結構和流體類型及飽和度等多種因素的綜合影響，要完全消除某一種影響因素幾乎是不可能的。但通常認為，裂縫性儲層局部電阻率的降低受裂縫的影響最顯著，而宏觀電阻率（背景電阻率）則主要受基質巖塊所含流體類型的影響。基于此，采用高斯濾波公式對深側向電阻率進行濾波處理，既可消除低角度裂縫造成的低電阻率異常，又能減小高阻致密層和非均勻巖石構造的影響，突出反映基質巖塊流體性質的宏觀電阻率。高斯濾波公式為：

式中x、G分別表示原始電阻率和濾波電阻率，Ω·m；μ表示均值；σ表示方差。

高斯濾波在信號和圖像處理中被廣泛應用，其實質上是對信號進行平滑處理，消除噪聲。濾波電阻率為該點原始電阻率和濾波窗長內相鄰點的加權平均值。圖6展示了不同濾波窗長濾波后電阻率曲線對比，隨著濾波窗長的增大，濾波曲線變得更加平滑，對電阻率尖刺狀降低點的過濾效果明顯，而電阻率整體平均值的變化較小。本次采用4 m窗長對研究區原始電阻率曲線進行濾波，得到圖5-c所示交會圖。由圖5-c可見，雖然氣、水層交會點已明顯分離，但電阻率界線并非定值，原因在于不同儲層類型的氣、水層電阻率變化范圍是存在差異的。

基于前述儲層類型的識別方法，將圖5-c中的交會點按儲層類型進行區分，得到如圖7所示交會圖版。圖7中電阻率隨孔隙度變化的直線斜率反映的是空隙空間結構指數，即阿爾奇公式中的m值。實踐表明，取Sw=50%時，不同m值的變化范圍可區分不同的儲層類型。裂縫型儲層m值最低，通常介于1.2～1.6；縫洞型儲層的m值變化范圍較大，通常介于1.6～2.2之間；孔洞型儲層m值通常大于2.2，且孔洞連通性越差，m值越高[17-20]。根據圖7中交會點的分布可以確定裂縫型氣層電阻率下限為100 Ω·m；縫洞型氣層電阻率下限為200 Ω·m，縫洞型水層電阻率上限為160 Ω·m； 孔洞型氣層電阻率下限為300 Ω·m，孔洞型水層電阻率上限為200 Ω·m。值得注意的是，圖7-c中藍色交會點雖然為孔洞型儲層，但分布在m=2.2、Sw=50%線的左側，其原因在于水層的含水飽和度大于50%。圖7中不同類型儲層的氣、水層電阻率界限并非定值，從裂縫型到縫洞型、孔洞型，氣層電阻率下限由100 Ω·m逐漸增大至300 Ω·m；水層的電阻率上限也由縫洞型儲層的160 Ω·m增大至孔洞型儲層的200 Ω·m。將不同類型儲層的氣、水層交會點繪制在同一交會圖中便得到如圖8-a所示的氣、水層判別圖版，并可確定兩條向右上傾斜的直線，分別為氣層電阻率下限和水層電阻率上限。從水層電阻率上限的變化趨勢可確定裂縫型水層電阻率上限為80 Ω·m。利用該圖版對L004-3井茅口、棲霞組儲層的流體性質進行了判別，交會點全部在水層區，判別為水層（圖8-b）。該井棲霞和茅口組合試日產水432 m3，僅含微氣，驗證了該圖版對裂縫性儲層氣、水判別的有效性。

3 結束語

1）電阻率曲線是常規測井資料中能夠對裂縫性儲層進行氣、水判別的最重要信息，但在應用時須首先準確識別裂縫及儲層類型，并通過選擇合適的濾波窗長對電阻率曲線進行高斯濾波處理，降低裂縫對電阻率的影響，并根據儲層類型分別確定氣、水層的電阻率界限值。

2）所建立的高斯濾波電阻率—孔隙度交會圖版不僅提高了九龍山中二疊統茅口、棲霞組氣、水層判別的準確性，同時該方法也可應用于其他地區裂縫性儲層的流體類型判別。