深层超深层钻井地质信息测井拾取与评价*
苏洋1,2, 赖锦1,2, 别康3, 李栋2, 赵飞2, 陈康军4, 李红斌2, 王贵文1,2
1 油气资源与工程全国重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院,新疆库尔勒 841000
4 中国石油西南油气田分公司开发事业部,四川成都 610017
通讯作者简介 赖锦,男,1988年生,博士,副教授,博士生导师,从事沉积储集层和测井地质学教学与研究工作。E-mail: laijin@cup.edu.cn

第一作者简介 苏洋,女,2002年生,在读博士研究生,从事沉积储集层和测井地质学研究工作。E-mail: suyangcupb@163.com

摘要

顺应国家深海、深地、深空和深蓝战略部署,陆地钻井不断向深层超深层进军,但深部极端环境测井资料获取困难,采集新技术(核磁共振、成像测井和阵列声波)测井少,导致测井资料多解性强,亟需利用有限的地球物理测井信息挖掘深层超深层钻井蕴含的地质信息。经过大量的文献调研,论述了深层超深层测井评价的重点,通过对典型研究案例的分析,系统地梳理测井地质学在深层超深层领域的应用,包括利用测井资料实现对井旁构造地质现象解读、沉积学信息拾取、储集层评价与预测、储集层裂缝评价和对地应力评价。最后探讨了深层超深层领域发展趋势: 重视多角度数据的融合(岩心、实验资料和地震资料等数据),并根据深层超深层环境的差异,发展适应深层超深层环境因素的先进岩石物理模型。同时在大数据、人工智能的发展背景下,利用新技术测井的优势,推进深层超深层领域测井地质学突破技术瓶颈。

关键词: 深层超深层; 地球物理测井; 地质信息; 拾取与刻画; 测井地质学; 人工智能
中图分类号:P631.8 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2025)01-0225-15
Well logging evaluation and characterization of geological information for deep and ultra-deep drilling wells
SU Yang1,2, LAI Jin1,2, BIE Kang3, LI Dong2, ZHAO Fei2, CHEN Kangjun4, LI Hongbin2, WANG Guiwen1,2
1 National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Tarim Oilfield Company,CNPC,Xinjiang Korla 841000,China
4 Development Division of Southwest Oil and Gas Field Company,PetroChina, Chengdu 610017,China
About the corresponding author LAI Jin,born in 1988,Ph.D.,is an associate professor and doctoral supervisor. He is mainly engaged in sedimentology,reservoir geology and well logging geology. E-mail: laijin@cup.edu.cn.

About the first author SU Yang,born in 2002,is a doctoral candidate of China University of Petroleum(Beijing). She is mainly engaged in sedimentology,reservoir geology and well logging geology. E-mail: suyangcupb@163.com.

Abstract

In accordance with the strategic deployment of deep-sea,deep-earth,deep-space and deep-blue initiatives,land drilling is continuously entering towards deep and ultra-deep reservoirs. However, the collection of advanced well log series are limited for the deep and ultra-deep strata, and will result in interpretation ambiguity of well log data. Therefore,it is urgent to use the limited geophysical logging information to fully interpret on the geological information contained in deep and ultra-deep drilling. This paper firstly discusses the focus of logging evaluation in deep and ultra-deep reservoirs based on extensive literature retrieval. Through the analysis of typical research cases,it systematically reviews the application of logging geology in deep and ultra-deep fields,including using logging data to interpret structural geological phenomena,pick up sedimentary information,evaluate and predict reservoir characteristics,and evaluate in-situ stress using logging data. Finally,the development trend of deep and ultra-deep fields is discussed: paying attention to the integration of multi-data source(such as core,experimental data,and seismic data),and developing advanced rock physical models that adapt to the environmental factors of deep and ultra-deep environments based on their differences. At the same time,in the context of the development of big data and artificial intelligence,the advantages of new technology logging are utilized to promote breakthroughs in the field of logging geology in deep and ultra-deep fields,thus breaking through technical bottlenecks.

Key words: deep and ultra-deep; geophysical well logs; geological information; extraction and characterization; well logging geology; artificial intelligence

2023年深地塔科1井(设计井深达11 100 m)、深地川科1井(设计井深10 520 m)和顺北跃进3-3井(设计垂深9472 m)3口万米深井的开钻奏响了超深层油气勘探开发的序章, 2023年11月15日中国石化部署在塔里木的“ 深地一号” 跃进3-3XC井日产原油200 t、天然气5× 104 m3更是谱写了挺进地下珠峰的壮丽篇章。国家“ 十三五” 规划大纲明确提出加强“ 深海、深空、深地、深蓝” 四深战略技术部署, 万米深井钻探肩负着科学探索与深地油气发现2大重任, 事实上, “ 深地” 当下已成为油气发现主阵地, 深层超深层储集层虽表现为岩性致密、物性差和孔隙结构复杂的特征, 但仍可发育规模储集层(何登发等, 2019; 郭旭升, 2022; 贾承造, 2023)。深层超深层油气是引领未来油气勘探与开发的战略现实领域(贾承造, 2023; Laubach et al., 2023)。深层超深层取心困难, 而地球物理测井是深入漆黑地下、洞察万米深井岩层信息、寻找并发现石油天然气等其他矿物宝藏的重要手段。但目前针对深层超深层钻井中地球物理测井信息的地质挖掘与解读尚不完善, 一方面是因为测井资料本身存在多解性, 另一方面因为深层超深层钻井中新技术采集较少, 限制了地球物理测井的广泛应用(赖锦等, 2021a; 王华和张雨顺, 2021; Lai et al., 2023)。

由于不同地区深层超深层特征差异较大, 深层超深层的深度界限并没有统一的标准。国际标准将超过埋深超过4500 m油气藏定义为深层油气藏。中国由于东西地区地温梯度的差异, 其对应标准有所区分。东部地区3500~4500 m为深层领域, 大于4500 m则为超深层领域; 西部地区埋深在4500~6000 m为深层领域, 大于6000 m为超深层领域(郭旭升, 2022; 贾承造, 2023; Laubach et al., 2023)。目前, 在塔里木盆地、四川盆地等地区已成功发现了多个超深层油气藏。这些新发现的油气藏通常埋藏深度超6000 m, 且仍具有良好的储集条件和较高的产能潜力。因此, 急需利用测井资料“ 反向探月” , 获取深层超深层储集层复杂的地质信息。当前测井地质学在深层超深层领域已取得了一系列丰富的研究成果, 主要体现在以下4个方面: (1)岩性、沉积相和成岩相测井评价研究(赖锦等, 2013; 张凯逊等, 2016; Fan et al., 2021; 刘宏坤等, 2023); (2)裂缝测井评价与预测(赖锦等, 2015; 刘志远等, 2021; Yasin et al., 2022); (3)储集层地应力精细测井评价(肖承文等, 2018; Wang et al., 2022; 赖锦等, 2023b); (4)微观孔隙结构测井评价及优质储集层预测(王小敏和樊太亮, 2013; Wang et al., 2023)。

以上研究为深入了解深层超深层地质特征提供了重要的技术支持。针对目前深层超深层油气勘探中测井地质学应用不充分等问题, 本研究旨在通过典型案例分析, 拓展测井资料在深层超深层领域的应用范围。文章聚焦深层超深层测井评价的关键点, 如测井资料在辅助识别井旁(即井筒附近)构造地质现象中的应用。概述了利用测井资料获取深层超深层沉积学信息的方法, 强调了核磁测井在孔隙结构评价中的关键作用, 以及成像测井与常规测井结合在裂缝评价中的重要性。同时, 考虑到地应力对深层超深层储集层的影响, 介绍了测井资料在地应力评价中的应用。最后, 探讨了深层超深层测井地质学研究中面临的数据获取困难和资料横向连续性差的问题, 并提出相应的解决方案, 如多角度地质分析, 结合大数据、人工智能等手段, 以期为深层超深层油气勘探提供参考。

1 深层超深层测井地质评价重点

地球物理测井资料作为多种地质信息的综合响应, 包含了岩性、物性、储集空间、流体性质和岩石蚀变作用结果等多重信息(Iqbal et al., 2018; 赖锦等, 2023a; Lai et al., 2024)。然而地球物理测井往往具有多解性, 需要岩心资料的标定与刻度才能给出科学合理以及可靠的解释。岩心分析的数据往往为点数据, 而测井曲线读值或形态是一定范围内(纵向分辨率)测井响应的综合反映, 因此测井和地质2套数据体之间是存在一定的误差(赖锦等, 2022)。深层超深层万米深井取心样品匮乏, 更凸显地球物理测井解释评价重要性, 常规测井以及成像、核磁和声波测井等新技术测井中包含了丰富地质信息, 通过精细处理与深入解读, 可加工转化成地质学家所需的地质信息, 从而为油气勘探开发提供理论指导与技术支撑。

深层超深层钻井中, 通过测井资料解读出褶皱、断层和不整合面等地质构造, 有助于弥补地震资料识别盲区, 实现井震结合从而提高地质体识别刻画精度, 这对于油气勘探开发工作部署具有重要意义(赖锦等, 2023a, 2024)。此外, 沉积相、古水流研究需在缺乏岩心的情况下了解地下地层岩性、沉积构造和沉积序列特征, 测井资料尤其是成像测井资料蕴含丰富的沉积信息, 需要站在地质学家角度深入挖掘或解读出里面的沉积信息(Keeton et al., 2015; Lai et al., 2018)。深层超深层钻井中储集层评价与预测是油气勘探开发的重中之重, 规模储集层发育与否成为深层超深层油气勘探的关键, 而利用地质与地球物理测井相结合的方法实现优质储集层预测工作具有现实意义(曾庆鲁等, 2020; 赖锦等, 2023a)。评价储集层的基质孔隙结构和裂缝对于深层超深层储集层研究至关重要。同时, 考虑到深层超深层储集层所处的复杂应力环境, 有效储集层评价还需考虑地应力的影响(Lai et al., 2022)。深层超深层中同样发育碳酸盐岩优质储集层, 其中的孔洞缝等储集空间的地质与地球物理精细刻画至关重要, 同时深层超深层领域碳酸盐岩断溶体和断缝体同样也是重要的油气储量增长点(Loucks, 1999; 赖锦等, 2021b; Li et al., 2023)。

2 井旁构造地质现象解读

地球物理测井通过获取超深钻井井下相关地层的物理属性和构造特征的信息, 从而解读井旁构造地质现象, 可以识别的地质构造包括断层以及不整合面等(Lai et al., 2018; 赖锦等, 2021a)。使用常规测井曲线可以指示岩性、物性等信息, 同时对地层倾角测井和井壁成像测井的处理解释, 直观地反映出地层构造特征, 并从中得到足够的信息计算井筒的产状(赖锦等, 2023a)。

不同测井技术相结合, 实现构造地质现象的精确识别。不整合面由于其上覆和下伏地层的物质组成存在差异, 使其测井曲线具有明显的响应特征(唐勇等, 2022)。以塔中隆起地区钻探的中深 5井为例, 该井钻探的主力目的层为寒武系白云岩, 往下则为前震旦系结晶基底, 2套地层分界面通过地震资料难以确定。但是通过测井曲线解读, 发现在深度6785 m的位置常规测井曲线产生异常突变, 具体表现为GR值突然增高又降低, 密度测井出现明显的降低又升高, 声波时差出现略微的幅度变化, 同时成像测井呈现暗色块状的特征, 与上下地层具有明显的明暗截切界面, 证实该处存在不整合面: 成像测井在不整合面处表现为暗色块状, 且不整合与上下地层具有明显的明暗截切突变的特征。

而不整合面之下, GR测井曲线重新变为低值, 但密度测井基本为3.0 g/cm3以上, 说明不整合面之下岩性已经变为比较致密的变质岩。不整合面之上地层为寒武系肖尔布拉克组白云岩, 不整合面之下地层为前震旦系浅变质岩。因此, 通过常规测井技术和成像测井技术相结合, 可对不整合面进行较为准确的识别(图1)。

图1 塔中隆起中深5井典型不整合面测井拾取与评价Fig.1 Logging pickout and evaluation of typical unconformity in Well ZS 5 in Tazhong uplift

3 沉积学信息拾取

利用测井资料进行沉积微相的研究就是把定量的测井数据转化为具有地质意义的测井相模式, 并根据其纵向变化趋势分析出目的层纵向连续沉积相的演化特征(Folkestad et al., 2012; Lai et al., 2018)。常用于拾取沉积学信息的测井方法有常规测井、倾角测井和成像测井。其中, 常规测井曲线形态、幅度、光滑程度等测井相特征变化能反映出沉积学信息, 将其变化规律归纳总结, 可为判别沉积微相类型提供资料(赖锦等, 2021a)。而成像测井能提供地下高分辨率的图像(最高分辨率可达到5 mm), 因此通过成像测井可以识别沉积层理甚至纹层(毫米级)等, 进而分析出地层沉积构造特征(李宁等, 2023)。

塔里木盆地库车坳陷白垩系巴什基奇克组埋深超过6000 m, 取心资料较少, 但地质研究和油气勘探开发工作需要对沉积特征精细描述, 因此需挖掘成像测井、常规测井等资料所包含的地质信息, 实现沉积学信息提取。研究表明, 库车坳陷白垩系巴什基奇克组一段和二段以辫状河三角洲沉积体系为主, 可划分出水下分流河道、水下分流河道间、河口坝等沉积微相(张荣虎等, 2015; 赖锦等, 2018)。

图2中6826~6829 m井段, 常规测井曲线呈钟型自然伽马曲线的特征, 进一步通过成像测井可识别出底部的沉积冲刷面, 同时可见明显沉积层理发育。此外层理倾角向上逐渐减小, 代表沉积水动力向上逐渐降低, 为典型河道相冲刷、充填的特征。通过以上分析结合研究区地质背景, 可以判断出此深度段为典型水下分流河道微相。因此结合常规测井和成像测井资料可建立沉积微相测井识别图版, 从而实现单井沉积微相的连续划分。

图2 库车坳陷克深207井白垩系巴什基奇克组典型水下分流河道微相测井沉积学信息拾取Fig.2 Logging pickout of depositional information of typical underwater distributary channel microfacies of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Well KS 207 in Kuqa Depression

4 储集层评价与预测
4.1 储集层孔隙结构测井评价

深层超深层储集层受多种复杂构造和成岩作用的影响, 导致其孔隙结构较为复杂。深层超深层储集层品质一方面受到裂缝发育的影响, 同时受控于孔隙结构的好坏, 裂缝控制了油气储集层能否高产, 但储集层的稳产与否受控于基质孔隙结构。孔隙结构影响着储集层储集和渗流能力, 进而影响着油气的充注和运移(Anovitz and Cole, 2015)。不像传统的测井方法, 核磁共振测井因不被储集层岩石成分和骨架结构所影响, 反映储集层内部孔隙结构, 并帮助进行流体识别, 是研究孔隙结构的有效手段(Coates et al., 1999; 李宁等, 2023)。

由核磁共振弛豫机制可知, 横向弛豫过程受到自由弛豫、表面弛豫和扩散弛豫3种机制控制, 它们之间的关系可由式(1)表示(Kleinberg et al., 1994; Coates et al., 1999; Daigle et al., 2014)。当回波间距较短且地层仅为盐水饱和时, 表面松弛成为主导, 上述表达式可简化为式(2)(Daigle and Johnson, 2016)。

1T2=1T2B+1T2D+1T2S(1)

1T2=ρ2SV(2)

其中T2为横向弛豫时间(ms), T2BT2DT2S分别为体弛豫时间(ms)、扩散诱导弛豫时间(ms)和表面弛豫时间(ms); S为岩石孔隙总表面积(μ m2), ρ 2为岩石的横向表面弛豫强度(μ m/ms), V为孔隙体积(μ m3); 由式(2)可见, T2与孔径成正比。T2值越大对应孔隙半径越大, 同时也说明含油气性越好。因此, 通过对T2谱的分析, 可以定性评价孔隙结构。而现今通过建立相应数学模型计算孔隙度、渗透率等参数可实现对孔隙结构的定量评价(Coates et al., 1999; Zhang et al., 2018)。

同时核磁测井根据不同流体的核磁共振性质的差异, 能够进行储集层流体性质的识别。一维核磁测井利用不同流体弛豫与扩散之间的差异, 判断流体性质。主要方法有差谱法、移谱法和增强扩散谱法(毛锐等, 2021)。随着技术的不断精进, 二维核磁测井技术相对于一维核磁测井有着更好的流体识别效果。二维核磁共振流体识别方法主要包括扩散— 横向弛豫时间法(D-T2)、扩散— 纵向弛豫时间法(D-T1)和纵— 横向弛豫时间法(T1-T2)(Huang et al., 2023)。这些方法都是通过改变回波间隔或等待时间获取一系列自旋回波串, 借助反演的方法获取二维谱图, 从而进行流体识别(谢然红等, 2009; 宁从前等, 2021)。

对库车坳陷克深503井核磁数据进行处理对比可发现, 6910~6920 m井段核磁共振T2分布呈现单峰左偏, 同时以短T2弛豫组分为主, 孔隙度、渗透率相对较低。6845~6885 m井段T2分布呈现单峰右偏, 同时以长T2弛豫组分为主, 表明此井段储集层孔隙结构相对发育较好, 该井段范围内试气也获得了较高的产能(图3)。需要说明的是, 6870 m、6897 m和6918 m深度段核磁T2分布谱峰虽较高, 但不代表物性和含气性好, 而是井眼扩径造成(图3)。

图3 库车坳陷克深503井白垩系巴什基奇克组储集层参数计算及对应薄片特征Fig.3 Calculation of reservoir parameters and characterization of corresponding thin section of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Well KS 503 in Kuqa Depression

4.2 储集层裂缝测井评价

深层超深层地层受到断裂发育及构造演化的综合影响, 储集层中的裂缝较为发育(王珂等, 2022; 赖锦等, 2023a)。构造裂缝作为深层超深层储集层有效储集空间和优势渗流通道, 其测井评价对油气开采至关重要(Zeng et al., 2010; Lai et al., 2017)。深层超深层领域井壁稳定性差, 为了保护储集层、提高钻井效率和安全性, 常采用油基钻井液钻井(Guo et al., 2020)。由于油基钻井液电阻率高, 在有钻井液侵入时, 常规测井曲线中电阻率曲线易被油基钻井液影响, 而声— 电成像测井由于其高分辨率的特征能更加准确地识别裂缝(赖锦等, 2015; Lai et al., 2017)。裂缝在成像测井中表现为正弦曲线, 由于其充填物性质的不同、所使用的钻井液存在差异等, 使其正弦曲线的颜色产生相应的变化(Lai et al., 2018; 高建申等, 2020)。在油基钻井液背景下, 当钻井液侵入时, 介电常数和地层介电常数对测量的影响、渗透性地层中形成的高阻泥饼等因素使地层电阻率成像变得非常复杂, 使裂缝的测井判别更加困难(Gozalpour et al., 2007; Movahed et al., 2014)。声成像测井对于高角度的张开裂缝识别效果具有优势, 而电成像测井识别层理等构造相对效果明显(甘泉等, 2017; Lai et al., 2017)。但声成像测井受井眼形状影响较大, 井眼偏心等问题会导致其在成像上产生黑色条带, 使相关裂缝识别产生困难(王丽忱等, 2014)。因此可综合两者优势, 即采用声、电成像测井相互结合, 使裂缝测井识别与评价更加精确。

库车坳陷博孜— 大北地区处于强挤压应力环境, 白垩系巴什基奇克组受多期构造运动, 储集层中产生大量裂缝, 影响着储集层的储集性能和渗流能力(徐珂等, 2022)。岩心观察表明, 大北9井白垩系目的层裂缝明显发育, 但该井为油基钻井液钻井, 可以看到浅电阻(M2R1)基本大于深电阻率(M2RX), 为典型油基钻井液钻井的响应(Lai et al., 2023)。由于受到油基钻井液的影响, 虽然通过电成像测井(贝克— 阿特拉斯公司EI测井)可以根据其正弦曲线判断出裂缝发育带, 但对于裂缝发育的真实情况及裂缝的开启性等信息无法进行判别(图4)。进一步通过常规测井资料解读发现, 油基钻井液背景下, 电阻率曲线对裂缝响应特征不显著, 三孔隙度曲线中, 中子测井和密度测井也没有出现明显变化, 仅仅声波时差测井出现增大的趋势。声波测井基本不受钻井液类型影响, 在裂缝发育段也呈现增大趋势, 但由于油基钻井液密度较大, 因而裂缝发育段密度不会显著降低, 同时中子也基本没有响应(图4)。因此, 常规测井资料和电成像测井资料识别裂缝出现困难和挑战。进一步结合电成像测井和声成像测井, 在4866~4871 m的深度段, EI成像测井共识别出4条裂缝(亮色断续的正弦曲线), 而UXPL超声成像测井中共识别到7条裂缝, 而根据其暗色的正弦曲线可以看出, 裂缝均为张开裂缝(图4)。因此, 在油基钻井液钻井背景下在声波成像测井识别裂缝具有明显的优势。

图4 库车坳陷大北9井白垩系巴什基奇克组声、电结合裂缝识别效果图Fig.4 Effect diagram of fault identification of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Well DB 9 in Kuqa Depression using combination of borehole image and acoustic image log

与油基钻井液中裂缝的测井响应不同, 水基钻井液背景下, 成像测井可以提供高分辨率的图像, 拾取出裂缝面的形态特征。如水基钻井液钻井的博孜104井, 其未充填裂缝其常表现暗色连续或不连续正弦曲线, 充填裂缝由其充填物的性质决定其正弦曲线的样式(Khoshbakht et al., 2009)。常规测井数据裂缝发育时地层可能出现井径扩大, 双井径曲线出现椭圆井眼, 孔隙度曲线变化不显著, 声波时差呈锯齿状且明显增大, 同时电阻率曲线出现下降, 双侧向电阻率曲线出现明显分异(Ameen et al., 2012; 赖锦等, 2015)。通过对成像测井拾取裂缝面形态和常规测井曲线裂缝响应特征的分析, 使用相应数学方法和统计学方法建立裂缝参数与影响测井响应特征因素之间的关系模型, 进而计算出裂缝参数, 实现裂缝定量评价(Luthi and Souhaite, 1990; Lai et al., 2021)(图5)。电成像测井观察到裂缝发育的地层电阻率曲线出现降低, 同时出现明显正异常。对单位面积上裂缝的信息进行统计, 并进一步计算裂缝孔隙度等参数(图5)。

图5 库车坳陷博孜104井白垩系巴什基奇克组裂缝参数定量计算Fig.5 Quantitative calculation of fracture parameters of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Well BZ 104 in Kuqa Depression

5 地应力测井评价

地应力的研究为压裂改造提供指导方向, 并帮助解决井筒不稳定的问题(Zoback et al., 2003; Lai et al., 2019)。同时地应力的研究对评价储集层质量和判断裂缝有效性起着重要的作用(付建伟等, 2015; 赖锦等, 2023b)。由于测井资料价格低廉且数据相对连续, 地球物理测井是研究地应力的有效方法和手段(李军等, 2001; 徐珂等, 2022)。利用测井资料评价的地应力主要为现今地应力, 其评价内容包括获取现今地应力方向和计算现今地应力大小。现今地应力方向的获取通过利用成像测井资料观察井筒的破坏特征, 对井壁崩落、诱导裂缝特征分析, 其中诱导裂缝的走向指示最大主应力方向, 井壁崩落导致椭圆井眼的长轴方向指示最小主应力的方向(黄继新等, 2006; Massiot et al., 2015)。此外, 通过对快慢横波的各向异性分析, 也可有效地分析现今应力场展布(魏周拓等, 2012)。而现今地应力的大小可依靠测井资料建立一维岩石力学模型计算(Zoback et al., 2003)。以对库车坳陷博孜104井计算地应力大小为例, 研究表明, 库车坳陷经历多期构造运动叠加, 因此需优选考虑到应变量影响的组合弹簧模型实现地应力的计算(徐珂等, 2021, 2022)。组合弹簧模型考虑了岩石力学参数、正常压实孔隙压力Pp、引入了Biot系数α 和水平方向最大、最小应力校正系数, ε Hε h, 可实现现今地应力测井精细计算(式3-式6)(图6)(Zoback et al., 2003; Iqbal et al., 2018)。

P0=g0TVDρb(z)dz(3)

Pp=P0-(P0-Ppn)·α·ΔtnΔt0n(4)

σh=v1-vσv-v1-vαPp+αPp+E1-v2εh+vE1-v2εH(5)

σH=v1-vσv-v1-vαPp+αPp+E1-v2εH+vE1-v2εh(6)

式中, P0为垂向应力(σ v)(MPa), TVD为埋藏深度(m), ρ b为岩石密度(kg/m3), g为重力加速度(m/s2)。Pp为地层压力(MPa); Δ t0-计算点泥岩测井声波时差(μ s/ft); Δ tn-计算点对应的泥岩正常趋势线的声波时差(μ s/ft); ppn-正常压实孔隙压力(MPa); α n为Eaton公式的系数; v-泊松比; E-杨氏模量(GPa)。

图6 库车坳陷博孜104井白垩系巴什基奇克组三轴应力测井评价及对应铸体薄片特征Fig.6 Logging evaluation of in-situ stress magnitude and related thin section images of the Cretaceous Bashijiqike Formation in Well BZ 104 in Kuqa Depression

研究发现, 地应力的方向和大小对储集层孔隙度与裂缝参数产生影响(Lai et al., 2019)。地应力方向和大小控制裂缝有效性(季宗镇等, 2010; Lai et al., 2019)。分析发现, 裂缝孔隙度和开度与地应力有良好的对应关系。随着水平两向应力差值增加, 导致裂缝密度和裂缝孔隙度呈现下降趋势(图6)。水平两向应力的差异对孔隙结构也会产生相应的影响(Lai et al., 2022)。对博孜104井进行地应力大小计算, 并结合实测和测井孔隙度数据、计算得到的裂缝参数和铸体薄片照片发现, 随着水平两向主应力差值减小, 储集层被压实程度越低, 原生孔隙保存较好, 溶蚀孔隙较为发育, 孔隙度越大。而水平两向主应力差越大, 储集层被压实的更加致密, 导致孔隙度减小(图7)(Lai et al., 2022)。

图7 塔里木盆地中寒1井寒武系肖尔布拉克组7450~7460 m成像测井响应特征Fig.7 Image log response characteristics of 7450~7460 m of the Cambrian Xiaobklak Formation in Well ZH 1 in Tarim Basin

6 存在问题与发展趋势

陆上深层、海上深水、非常规油气目前为油气勘探开发领域的重点和热点(郭旭升, 2022; 贾承造, 2023; Laubach et al., 2023)。但是深层超深层地层的复杂性和非均质性使得测井解释变得更加困难。以往的测井解释与评价需要大量的数据依托, 同时结合岩心数据和岩石物理实验作为辅助手段。而由于深层超深层取心成本较高, 大大限制了测井解释方法的工作和相关储集层的研究。

由于深层超深层地层的复杂性和高温高压环境, 数据获取难度较大, 数据解释的复杂度也会增加(郭旭升, 2022; 贾承造, 2023)。对深层超深层白云岩裂缝进行评价过程中, 由于深层超深层缺少取心资料, 确实加剧了测井解释的多解性问题。如塔里木盆地中寒1井7450~7460 m井段, 水基钻井液背景下, 断续出现在白云岩中的厚度较小的泥质条带, 由于其与裂缝在成像测井具有较为相似的特征, 易被判断为裂缝。但常规测井曲线上, 其声波时差无明显变化, 深浅电阻率曲线并未下降且未出现明显分异, 可见其并非裂缝发育段, 而为白云岩中夹杂的泥质条带。在缺少岩心的情况下, 需要常规测井和成像测井结合分析, 帮助解决解释多解性的问题(图7)。

深层超深层领域, 测井资料虽然具有较高的分辨率但是横向连续性较差; 而地震资料虽具备较好的横向连续性但是其纵向分辨率存在局限, 因此测井资料必然需要其与地震资料融合实现, 如井震结合刻画碳酸盐岩断溶体(Li et al., 2023)。由于测井资料和地震资料的不足, 对断溶体的研究存在限制。而通过井震结合, 帮助明确深层超深层碳酸盐岩主要储集空间和控制因素, 进而实现碳酸盐岩断溶体、断缝体精细刻画。

在面临深层超深层储集层复杂地质背景和艰巨的地层环境, 依托测井技术发展趋势, 深层超深层测井评价发展趋势可以概况为: (1)对测井数据与信息的进一步强化挖掘: 深层超深层测井数据本身获取存在限制, 更应努力挖掘其与地层性质和油气资源相关的隐性测井数据, 并在新技术测井不断完善的过程中, 通过综合多参数测井信息, 并与地震资料、实验数据等进行综合比对, 在提高解释精度的同时, 深入挖掘新技术测井潜在可用、能够用来表征沉积储集层地质特征的信息比如岩性、孔隙度渗透率等地层物性参数(李浩等, 2015)。(2)面对深层超深层复杂的地质情况、 岩石力学行为的复杂性等问题, 多角度分析其地质信息, 发展考虑应力、温度和流体性质等因素的先进岩石物理模型, 提高深层超深层领域测井解释的可靠性和准确性(何登发等, 2019; 何志亮等, 2021; 贾承造, 2023)。(3)数字化和智能化测井评价: 通过大数据分析和人工智能技术, 机器学习和深度学习等可赋予测井仪器、测井解释软件自主分析处理能力, 并对其进行自动解释, 实现对大规模测井数据的快速处理和分析, 帮助提取地层特征、识别流体类型(李宁等, 2021; 石玉江等, 2021)。(4)深层超深层储集层具有复杂力学特征, 钻井的稳定性较难控制, 将测井地质学与工程结合, 更加深入地认识储集层内部结构, 有助于更好地理解储集层行为(李浩等, 2015; 赖锦等, 2021a)。

7 结束语

1)地球物理测井资料可以拾取深层超深层中断层和不整合面等构造现象, 断层表现为在成像测井中拾取地层的产状发生明显变化, 不整合面表现为常规测井曲线产生异常突变, 成像测井中出现明显的明暗截切突变的特征。

2)地球物理测井资料在地下岩心资料匮乏的情况下, 洞察地下岩层特征, 拾取沉积学信息, 包括岩性、粒度和沉积构造等相标志。

3)深层超深层受高温高压极端条件的影响, 储集层性质通常较复杂, 地球物理测井资料可以实现对深层超深层储集层精细评价。利用不被储集层岩石成分和骨架结构所影响的核磁共振测井, 实现对孔隙结构定量计算并帮助识别储集层流体性质。通过声电成像结合, 弥补深层超深层油基钻井液背景下电成像测井识别裂缝的不足, 并利用测井资料实现裂缝定量评价。

4)随着勘探向地下深层迈进, 地应力对深层超深层储集层性质具有明显的控制作用。地球物理测井资料可以实现对地应力的精细评价, 利用对电成像测井井壁崩落、诱导裂缝特征分析获取深层超深层所受地应力方向。地应力的大小则优选组合弹簧模型实现其精细建模和计算。

5)深层超深层测井评价发展, 应注重于多尺度数据的融合并考虑深层超深层环境因素先进模型的引入, 同时结合大数据人工智能等先进技术, 从而优化深层超深层储集层评价与预测的方法。

(责任编辑 郑秀娟)

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