海上油氣田致密砂巖儲層壓裂裂縫高度精確評價方法*

王 猛 楊玉卿 徐大年 張國棟 錢玉萍 李明濤 張志強

(1. 中海油田服務股份有限公司 河北三河 065201； 2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335)

海上油氣田致密砂巖儲層壓裂裂縫高度精確評價方法*

王 猛1楊玉卿1徐大年1張國棟2錢玉萍1李明濤1張志強1

(1. 中海油田服務股份有限公司 河北三河 065201； 2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335)

王猛,楊玉卿,徐大年，等.海上油氣田致密砂巖儲層壓裂裂縫高度精確評價方法[J].中國海上油氣，2016,28(6)：34-39.

Wang Meng,Yang Yuqing,Xu Danian，et al.Accurate evaluation method of hydraulic fracture height in offshore tight sandstone reservoir[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):34-39.

儲層壓裂裂縫高度精確評價是海上油氣田致密儲層壓裂效果評價的核心內容之一，直接影響油氣田開采效果。受制于評價精度不高、放射性污染及管柱條件等因素，井溫測井等傳統的壓裂裂縫高度評價方法無法在海上油氣田應用。將過套管交叉偶極子陣列聲波各向異性和徑向速度層析成像測井技術相結合，不僅可以準確地確定海上油氣田致密儲層壓裂后裂縫沿井壁波及段高度和集中破裂段高度，還可對儲層壓裂后產能高效貢獻井段進行評價。東海西湖凹陷應用表明,過套管交叉偶極子陣列聲波測井無污染、時效高，滿足海上作業要求，值得廣泛推廣應用。

海上油氣田；致密砂巖儲層；壓裂；裂縫波及段高度；集中破裂段高度；聲波各向異性；聲波徑向速度層析成像；西湖凹陷

近年來，隨著東海盆地西湖凹陷勘探力度逐漸增大，在該地區深部目的層系發現了大量致密油氣儲層，致密油氣儲量呈逐年增長的勢頭[1]，初步估算該地區致密油氣儲量占目前已發現油氣儲量的比重高達70%左右[2]。然而，致密油氣儲層常規測試無法獲得自然產能，只能通過壓裂改造達到增產目的。近幾年，在西湖凹陷針對致密儲層多次應用壓裂測試作業，實現致密儲層的商業化產能，取得了較好效果，但致密儲層壓裂效果評價的核心參數，如壓裂裂縫高度，由于傳統測井評價方法無法在海上應用，只能根據壓裂施工后的參數進行定性評估。

致密儲層壓裂作業前后，有無壓裂縫時測井響應存在差異，通過對比測井資料可檢測壓裂縫高度，評價壓裂改造效果[3]。傳統壓裂縫高度測井評價方法主要有3種，即井溫測井、同位素測井和注硼(釓)中子壽命測井[4]，其中井溫測井判斷裂縫高度方法簡單，不足之處在于精度相對較低，壓裂縫高度評價結果存在較大誤差，目前各油田均較少使用；同位素測井是陸地油田使用較多的一種壓裂縫高度評價方法，該方法判斷壓裂縫高度非常簡捷、快速[5-7]，但不足之處在于放射性物質對井筒、儲層會造成污染，且放噴返出的流體處理困難，無法滿足海上致密儲層作業環境保護要求；注硼(釓)中子壽命測井評價壓裂裂縫高度原理與同位素測井評價原理相似，作業上的差異主要是壓裂液中注入物變成了硼酸或釓酸，利用了硼元素或釓元素作為一種示蹤劑[8]，該方法判斷壓裂縫高度受儲層孔隙度影響較大，如果儲層過于致密，則會影響評價精度，且還受海上壓裂一體化測試管柱與注示蹤劑施工管柱不能匹配使用及占用海上平臺作業時間較長等限制。

鑒于過套管交叉偶極子陣列聲波測井和聲波徑向速度層析成像測井作業時間靈活、時效高、對儲層無污染，且在裸眼及套管井中均可應用，完全能夠滿足海上作業要求，本文通過綜合應用這2種測井新技術，探討聲波在西湖凹陷致密砂巖儲層縱向各向異性和徑向速度變化的特征，以期準確評價該地區致密儲層壓裂裂縫高度，為正確評估壓裂施工效果提供幫助和指導。

1 方法原理

1.1 聲波各向異性測井評價

地下巖層由于受現今不均衡地應力或裂縫等因素的影響，通常表現為方位各向異性。在聲學上，地層方位各向異性往往具有橫波分裂現象，即存在相互正交的快橫波面和慢橫波面。交叉偶極橫波測井儀是由兩組相互正交的偶極發射探頭和相互正交的接收陣列組成，如圖1所示。當交叉偶極橫波測井儀發射的橫波信號入射到各向異性地層時，會出現快、慢橫波分裂現象。利用相關反演技術對八組陣列接收器的偶極子橫波波形數據進行聯立求解，可以確定地層快、慢橫波慢度，進而分析地層各向異性[9-10]。主要代表儀器有斯倫貝謝公司的偶極橫波成像測井儀(DSI)、貝克阿特拉斯公司的多極子陣列聲波測井儀(XMACII)和中海油田服務股份有限公司的交叉偶極子陣列聲波測井儀(EXDT)。

圖1 各向異性地層交叉偶極子陣列聲波測井示意圖

橫波各向異性程度是用各向異性系數來衡量的，而各向異性系數是用快、慢橫波慢度來反演計算[11]，其定義為

(1)

式(1)中：s1為慢橫波慢度；s2為快橫波慢度；Δs=s1-s2。

各向異性系數越大，表明地層裂縫或地應力非均質性越強，因此儲層固井質量好時套管內測量的橫波信息能較準確地反映地層的真實橫波時差[12-14]，由此判斷儲層中是否存在裂縫。當儲層不存在壓裂裂縫時，快、慢橫波慢度一致，即各向異性系數近乎為零，儲層無明顯各向異性。當儲層被壓裂后形成沿井壁延伸的壓裂裂縫時，各向異性系數將顯著增大，對比壓裂前、后聲波各向異性系數的變化，各向異性系數差異明顯段就是裂縫存在的位置，即儲層被壓開后裂縫沿井壁延伸的高度。

1.2 聲波徑向速度層析成像測井評價

交叉偶極子陣列聲波測井儀發射的聲波在速度徑向變化地層中傳播，地層徑向速度變化使得不同接收器接收到的聲波徑向穿透深度不同，如圖2所示。在這種情況下，由接收器陣列測到的聲波速度具有不確定性，這與速度的徑向變化程度以及聲源到接收器的距離有關。既然不同射線可以感受到地層不同徑向深度上的速度差異，那么聲波的走時就含有地層速度徑向變化的信息，從而可以用來確定地層速度的徑向變化。

圖2 速度徑向變化地層中聲波射線路徑示意圖

利用聲波徑向速度層析成像測井進行壓裂裂縫評價的一個重要依據是壓裂作業使井壁周圍巖石破碎，產生大量的壓裂裂縫，形成巖石的擴容。巖石擴容造成巖石彈性波速下降已被大量實驗數據證實[15]，而巖石破碎擴容程度隨遠離井眼而逐漸減弱，聲波速度徑向層析成像技術恰恰可以反映巖石彈性波速在橫向上的變化。當井壁不存在壓裂裂縫時，聲波徑向速度剖面成像顯示不同深度的地層速度差異較??；當井壁被壓裂后，巖石產生破碎并隨遠離壓裂井眼段而減弱，聲波徑向速度剖面顯示這種速度差異將顯著增大，對比壓裂前、后聲波徑向速度剖面，差異明顯段就是壓裂破碎段及裂縫發育段。

1.3 2種方法評價效果對比

聲波各向異性測井評價方法可準確檢測壓裂裂縫縱向延展范圍，即壓裂裂縫高度，但該壓裂裂縫高度代表了裂縫沿井壁表面縱向上的延伸范圍，在此范圍內地層破裂程度及裂縫密集程度的差異體現不明顯，即地層各向異性系數值具有總體平均的特性，往往導致某些井壓裂作業后出現聲波各向異性評價的壓裂裂縫高度與壓裂設計的裂縫支撐高度存在很大差異的現象，甚至懷疑該技術方法的準確性。

聲波徑向速度層析成像測井評價方法既可以確定壓裂裂縫縱向延展高度，也可以對近井地帶儲層破裂程度差異給出精確評價。在儲層壓裂段，壓裂效果顯著的地方為儲層破碎段，表現為地層速度沿縱向和徑向顯著變化(即嚴重衰減)，壓裂效果不顯著的地方為僅有單個或多個裂縫發育段，表現為地層速度在縱向和徑向上的微弱變化(即微弱衰減)。本文把嚴重衰減段定義為壓裂集中破裂段，為壓裂的集中受效段，也是真正的壓裂后的產能高效貢獻井段，其高度對應于壓裂加砂支撐縫設計高度；而把微弱衰減段定義為壓裂裂縫波及段，為壓裂的波及影響段，其高度相當于聲波各向異性方法確定的壓裂裂縫段高度。

圖3為東海西湖凹陷A油氣田N-1井花港組上段聲波各向異性和徑向速度層析成像測井壓裂裂縫高度評價結果，可以看出：由聲波各向異性測井方法評價的壓裂裂縫高度為A1，在A1范圍內各向異性系數差異不明顯；由聲波徑向速度層析成像測井方法評價的裂縫波及段高度為A2，集中破裂段高度為A*，顯然A2與A1的高度基本相等，而A*的高度與壓裂加砂支撐縫設計高度A0大致相當?？梢?，基于聲波徑向速度層析成像測井技術評價壓裂裂縫高度的方法較之聲波各向異性測井評價技術更具優勢，對于準確認識壓裂效果和指導下步壓裂施工具有重要意義。

圖3 西湖凹陷A油氣田N-1井聲波各向異性和徑向速度層析成像測井壓裂裂縫高度評價結果

2 在東海西湖凹陷的應用

西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部，面積5.9萬km2，重要產油氣層為漸新統花港組[16]?；ǜ劢M發育河流-湖泊-三角洲沉積體系，巖性以中—細砂巖為主，成分成熟度中等，致密儲層多位于3 500 m以下，大部分孔隙度小于10%，部分滲透率不足0.1 mD[16]，Y-1井為西湖凹陷B油氣田的關鍵探井，在主力目的層花港組8段中部3 959～3 969 m射孔，之后進行加砂壓裂DST測試求產。

Y-1井壓裂作業前、后分別進行了交叉偶極子陣列聲波測井。圖4為該井聲波各向異性處理成果，可以看出，該井壓裂前主力目的層快、慢橫波基本重合，各向異性系數為2%～3%，與相鄰地層的各向異性系數無明顯差異，表明儲層無壓裂裂縫存在。該井壓裂后主力目的層附近快、慢橫波分裂明顯，各向異性系數最大達15%。在3 940～3 985 m井段壓裂前、后各向異性系數差異明顯，由此可以判斷該井主力目的層段經壓裂測試作業后形成了一定規模的壓裂裂縫，壓裂裂縫縱向延伸段范圍H1為3 940～3 985 m，即壓裂裂縫高度為45 m。該井經壓裂作業，裂縫自射孔段上延伸19 m，下延伸16 m，未出現壓裂竄層；該井段壓裂前比采氣指數為0，壓裂改造后比采氣指數為683 m3/(d·MPa·m)，壓裂效果良好。

圖5為Y-1井聲波徑向速度層析成像處理成果，可以看出，壓裂前該井3 930～3 995 m井段地層徑向縱波速度變化較小(僅在3 944 m附近受煤層影響有一定變化)，且沒有明顯的縱波變化特征。壓裂后該井3 940～3 985 m井段地層聲波速度徑向變化特征明顯，表現為縱波速度明顯小于原狀地層縱波速度，由此可以判斷該井主力目的層段經壓裂測試作業后形成了一定規模的壓裂裂縫，壓裂裂縫延伸段(3 940～3 985 m)為H2，實際為裂縫波及段高度45 m，與聲波各向異性評價高度H1完全一致。

圖5第4道為壓裂后徑向速度層析成像剖面，在壓裂裂縫高H2范圍內縱波速度變化很大；H2頂部顯示為煤層，底部為砂泥巖薄互層，中部H*段速度差異最顯著，其他井段速度差異較弱，可見H2段即為該井壓裂波及段，H*段受力變化最顯著，高度與壓裂前設計的加砂支撐縫高度基本一致，為該井壓裂的集中破裂段。

圖4 西湖凹陷B油氣田Y-1井聲波各向異性處理成果

圖5 西湖凹陷B油氣田Y-1井聲波徑向速度層析成像處理成果

綜上所述，應用交叉偶極子陣列聲波各向異性和聲波徑向速度層析成像2種方法對壓裂裂縫高度進行綜合評價，在準確確定壓裂后裂縫縱向延伸高度(即裂縫波及段高度)的基礎上，又對壓裂的集中受效段(真正壓裂開的產能高效貢獻井段 ，即集中破裂段)精細評價，其高度與壓裂設計支撐縫高度一致性好。由此可見，這是目前海上致密儲層壓裂裂縫高度及壓裂效果評價的最佳方法，值得在海上油氣田推廣應用。

3 結論

1) 海上油氣田儲層壓裂效果評價至關重要，但受制于評價精度不高、放射性污染及管柱條件等因素，井溫測井等傳統壓裂裂縫高度評價方法無法在海上油氣田應用。而交叉偶極子陣列聲波各向異性和聲波徑向速度層析成像測井技術相結合，不僅可以準確地確定海上油氣田致密儲層壓裂裂縫縱向延伸高度(即裂縫波及段高度)，也可精細評價壓裂后儲層破碎段高度(即集中破裂段高度)，是目前最有效的壓裂效果評價方法。

2) 東海西湖凹陷應用表明，過套管交叉偶極子陣列聲波測井無污染、時效高，滿足海上油氣田作業要求，是今后海上油氣田致密儲層壓裂效果評價的最佳技術，值得廣泛推廣使用。

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(編輯：馮 娜)

Accurate evaluation method of hydraulic fracture height in offshore tight sandstone reservoir

Wang Meng1Yang Yuqing1Xu Danian1Zhang Guodong2Qian Yuping1Li Mingtao1Zhang Zhiqiang1

(1.COSL,Sanhe,Hebei065201,China； 2.ShanghaiBranchofCNOOCLtd.,Shanghai200335,China)

Accurate evaluation of hydraulic fracture height in offshore tight sandstone reservoir is one of the key evaluation works, which directly affects the oilfield development. Such traditional technologies as borehole temperature logging cannot be applied to evaluate the hydraulic fracture height for offshore oilfield due to low accuracy, radioactive pollution and down hole strings constraint. The proposed method, combining through casing cross-dipole acoustic array logging and radial velocity tomography logging, can accurately evaluate hydraulic fracture height along the wellbore, the fracture-concentrated zone, and the most productive reservoir interval after hydraulic fracturing. The applications in Xihu sag of the East China Sea basin show that the method can be applied widely due to the advantages of non-pollution and high efficiency, meeting the requirements of offshore operation.

offshore oil and gas field; tight sandstone reservoir; fracturing; fracture-extended zone height; fracture-concentrated zone height; acoustic anisotropy; radial velocity tomography; Xihu sag

1673-1506(2016)06-0034-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.006

*中國海洋石油總公司“十二五”科技重大項目“中國近海低孔低滲油氣藏勘探開發關鍵技術與實踐(編號：CNOOC-KJ 125 ZDXM 07 LTD)”部分研究成果。

王猛，男，工程師，2008年畢業于中國石油大學(北京)石油地質專業，獲碩士學位，現從事測井及地質資料綜合解釋評價與研究工作。地址：河北省三河市燕郊開發區行宮西大街81號(郵編：065201)。E-mail：wangmeng10@cosl.com.cn。

P631.8

A

2016-03-18 改回日期：2016-05-16