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2 0 0 4年 第 1期 测 井 与 射孔 利用井眼成像资料从钻井引起的井眼故障中识别天然裂缝 确定储层渗透率 C o l l e e n A ．B a r t o n等著 夏竹君 赵 勇 程 涛 译 申梅英 校 中原测井公 司 摘要 天然裂缝和钻井引起的井眼故 障提供 了原始应 力状 态的临界约 束 ， 可直接用 于处理 油层 开 采 、 油气运移 、 井 眼稳定等 问题 。声 、 电、 光井眼成像技术提供 了天然 裂缝 的探测及表征 方法 ， 并能从井眼 故 障中识别 天然裂缝 。本文提 出了测量 和表 征天然裂缝 和诱导裂缝 属性的井 眼成像新 技术 和标 准 。在 两个实 例中应用 这些 技术研究裂缝渗透率 的特征 。 关 键词 井眼成像裂缝识别 渗透率 1 引言 井眼成像测井主要用于识别和研究应力引起 的各种井眼故 障。我们提供的实例 ， 说 明在不同 类型的成像资料 中这些井眼故 障是如何出现的， 以及如何从与井眼交叉的天然裂缝中识别它们。 然后我们对这两项研究进行简要的回顾， 说 明该 技术是如何用于解决有关裂缝渗透率的特殊问题 的。 钻井引起 的故 障在油井、 气井 和地热井 中普 遍存在 ， 因为钻井过程中使得远处的构造应力集 中到井眼附近且超过了岩石强度。使用井眼成像 技术和其它测井技术 ， 能检测和分类 压缩性 、 张 性、 剪切 应力引起 的故障 ， 然后用于评价应力场 的未知成分 。我们证明这些井眼故障是如何 出现 在不同类型的成像资料中的， 以及在资料解 释中 有什么危险。 钻井引起的现象， 其最有价值 的用途是约束 当前应力场的方 向和大小 ， 它作为一种应力指示 器已成为油气工业的常规做法 。在井壁检测这些 现象是随钻测井 L wD ／ 随钻 测量 MwD 实时 操作中的主要 目的。 全世界大量的储层中， 证 明了临界应力裂缝 最适应于因摩擦失效引起的应力场的裂缝 和水 力传导之间有密切的关系。当断层处于临界应力 状态时， 渗透率增加， 流体有可能沿着断层发生运 移 。我们 给出 的实 例 ， 说 明 怎样 应 用 应力 状 态 和 天然裂缝总数来确定储层渗透率 。 2 钻井引起的张性井壁裂缝 压缩性的和张性的井眼故障是应力集中于井 眼周 围的直接 结果 ， 是 钻 入 已受 到应 力 的 岩石 体 造成的。压缩性井眼故 障 井筒断裂 ， 首先会在 井径资料中发现 ， 在垂直井眼中用 于确定应力方 向。用声、 电成像仪器研究这些特征， 能更清楚地 识别 这些特 征 ， 并 利用 它们确 定 应力大 小和方 向 。 众所周知， 如果井眼加压 ， 将在最大水平应力 方 向上形成水力裂缝 。钻井诱导的张性井壁裂缝 是 自然应 力造 成 的 ， 也许 是钻 井 所 加 的扰 动 导致 井 壁发生 张性 故障 。 P e s k a a n d Z o b a c k描述了在不同应力场中的 任意斜井的张性和压缩性故 障的一般情况。他们 证明应力范围很大， 在此条件下 ， 即使没有大的井 眼流体过压也会发生钻井引起的张性裂缝 。我们 称这种裂缝为张性井壁裂缝 ， 因为它们仅 出现在 应力集 中的井 壁 。这些 裂缝 在最 大水平 主应力 方 收稿 日期 2 0 0 3 -0 4 1 2 译者简介 夏竹君， 女， 工程师 ， 1 9 7 4年生 ． 1 9 9 7 年毕业于江汉石油学院测 井专业 ， 现在中原油田测井公司从事资料解释与研究工作 ． 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 测 井 与 射 孔 2 0 0 4丘 向上 如 图 l a ， 而 在 斜 井 中 是 梯 形 裂 缝 如 图 1 b 。因为钻 井诱 导 的 张性 井 壁裂 缝 对 原 地应 力 非常 敏感 ， 可用来 约束 当前 的应力 状态 。 图 1 a b a 电成 像测 井资料显 示在直 井 中钻井 张性井 壁裂缝和斜井中倾斜张性裂缝的典型 实裂； b 电成像测井资料是极板式井下仪测量 的。测井 资料不是全井周下取样 的 图 2 声成像测井资料 的标准 2 D展开图 显示与井眼交叉 的裂缝 的峰和谷优 先腐蚀 情况 ． 垂 直轴为 深 度 ， 水平轴为井 眼环绕方向 ， 彩色代表反射声信 号的幅度 。 3 在井眼成像资料中张性井壁裂缝 的错误解释 如果钻 井诱 导 的 张性 裂 缝 是 在 井 轴 方 向 上 ， 就很 难从 天然裂 缝 中识 别 出来 ， 尤其 在 整 个 井周 没 有样 本 的电成 像测 井 中 。因 为在 裂缝 或 可能 非 裂缝 储层 的描述 中 、 在 原地应 力 的大小 和方 向 的评价 中 ， 这些 特 征 的错 误 解 释 会 导致 严 重 的错 误 。我们提出了在分析成像测井资料时从诱导张 性 裂缝 中识别天 然裂缝 的标 准 。 这是 非常重 要 的 ， 因 为 井 眼应 力集 中对 井 眼 横 交方 向上 出现 天 然裂 缝 影 响 很 大 。众 所 周 知 ， 裂缝会 在 与井眼 横交 的地方 使力 学性能 减弱 。在 井眼成 像 资料 的 标 准 2 D 展 开 图上 ， 腐 蚀 会 引 起 裂缝正 弦 曲线 的 峰谷上 下加 大并增 强 如 图 2 。 如 果井周 的应 力 为 张 力 ， 天 然裂 缝 或 层 理 面 与井眼 张力 区交叉 处 可 能 在 张力 方 向 上 张开 如 图 3 a 。很容易把钻井增强的天然裂缝错误地 当 作倾斜的张性井眼故障 图 l b ， 从而在地质力学 模 型中导 致严重 错误 。 N E S W N N E S W N a b 图 3 a 在直 井中电成像 测井资料显示 的钻井增强 裂 缝 ； b 在声成像测 井资料 中发现的初始井 眼断 裂 初始井眼断裂是井眼断裂发展 的早期阶段 ， 此时井眼压缩应力集 中， 超过 了岩石强度和引发 断裂 发展 ， 但 是 断 裂 物 并没 有 落进 井 眼 图 3 b 。 在直 井 中 ， 这 些 断裂会 成 为小“ 裂 缝” ， 在 井 眼中垂 向扩展 ， 与钻井引起的张性裂缝相混淆。 当成像资料不明确且可能存在曲解时， 在成 像资料 解释 中必须 使用 严格 的标 准 。钻 井诱导 缝 和钻井增强的裂缝经常是成组 出现在某一井段， 其特征相似 例如 梯形形式 ， 见 图 1 b和图 3 a 。 把斜 的钻井诱 导缝 与钻 井增 强 的天然裂 缝 区分 的 最好办法之一是对一对裂缝拟合一条柔性正弦曲 线 ， 因为钻井 引起 的张 性 井 壁裂 缝 在 井周 上 是 不 连 续 的 只在 井 眼张 性 区 域 扩展 ， 不 可 能把 它 们 拟 合 为一条 正 弦 曲线 形 状 。相 反 ， 钻 井增 强 的 天 然裂缝 能拟 合成一 条柔 性 的正 弦曲线 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 利 用井眼 成像资料 从钻 井 引起 的 井眼故 障 中识 另 l ⋯ ⋯⋯ ．1 7． 为了精确测量真正的诱导张性井壁裂缝的方 位和倾角， 最有效的分析仪是特殊设计 的交叉式 成像分析仪 ， 适用于拟合诱导张性井壁裂缝的走 向和长 度 。 在解释可能是初期井壁断裂时， 理解井 眼应 力状态也是必不可少的。初期断裂应形成一组四 个狭窄的垂直裂缝 ， 它不象诱导张性井壁裂缝 ， 形 成二个 径 向上相对 的裂 缝 。如果在 检验 资料 时发 现存在 井壁 断裂 ， 则 井 眼 初期 断裂 的 方 向高 水 平 与井 眼压缩 区 内已经扩 展得 很大 的断裂 的外沿 的 方位一 致 见 图 2 b 。分 析 井 眼 断裂 和 初期 井 眼 断裂的最好办法是通过使用井眼声波成像资料的 极性 交叉 部分 。 4 推断裂缝储集层 在大多 数裂 缝储 集 层 中 ， 天 然 裂缝 和断 层是 液体 流动 的主要通 道 。我们 广泛研 究 了原 地应力 和裂缝 以及来 自许 多 裂缝 储 层 的 流动 信 息 ， 发现 处于临 界应力 状 态 的断 层 储 集 层 中 以前 存 在 的 子断层 ， 在今 天的应 力场 中表 现活跃 系统 地控制 着地层的渗透性 。因而， 我们赞同那些认为应力 状态可能影响裂缝传导性的科学家的观点 ， 这种 处于临界应力状态的断层 不是模 型 1 ， 通常想象 的张性裂 缝 就 是 大 多 数 原地 渗透 性 裂缝 平 面 。 我们 证 明了在原 地应 力 与渗透率 之 间存 在 的一 种 新的 可预测 的关 系 ， 这 种 关 系 可 以在 裂缝 性 和 有 断层 的油气储 层 及地 热储 层 中用 于最优 化生产 。 5 裂缝与流体流动分析 精确的温度和／ 或转子流量计测井能提供单 一 裂缝和断层 中有关水力传导性的信息。分析温 度和转子流量计测井资料可确定液体流人还是流 出单一裂缝和断层。当井眼要与周围岩石达到热 平衡时 ， 热的传送方式主要是热传导， 井眼的温度 梯度是热导率和热流量的函数 ， 井眼温度 的局部 混乱 是井 眼中局 部 的 流 体 流动 的 结 果 ， 可 以用 精 密温 度测井 测 得 。因 此 ， 在 某一 深 度上 与 局 部 温 度混乱有关 的裂缝和断层认为具有水力传导 作 用 。在不同泵排量下进行多路温度测井可以评价 所探测 的 流 动 层 的 连 续 情 况 。 图 4为 在 D i x i e Va l l e y Ne v a d a的生 产 储集 层 中与 温 度梯 度 测 井 有关的井眼成像资料 的一个实例 。 a I b 图 4 a 3 7 3 4井 2 6 7 0 ～2 7 0 0 m 井段 内的 耐膏温 井 段 内的耐 高 温 井 下 电视 资 料 ． 该 井 位 于 D i x i e Va l l e y的生产储层； b 在 同一 井段 内测量 的相 关温度梯度资料 6 库仑 C o u l o mb 故障分析 应用原地应力测量和井眼成像资料中对井眼 故障观察的结果， 能确定裂缝和断层与库仑 即摩 擦 故障的接近程度。把库仑标准用于裂缝群时 ， 三个主要原地应力的方向与大小以及地层流体压 力必须 已知 。 作用 在每 个裂缝平 面上 的剪切 应力 和有 效法 向应力 即 s 一P 是主应力大小、 流体压力及与 主应力方向有关的裂缝平面的方向的函数。 库仑故障分析的结果可用剪切应力对有效法 向应力的 3 D莫尔图表示。根据剪切应力和有效 法 向应力作 用在 平 面上 的 大小 ， 裂 缝 面 的极 可 在 莫尔图上显示。剪切应力和有效法向应力可根据 所确定的井眼周围的主应力数据 和与主应力轴对 应的裂缝面的方向计算 出来 。临界应力裂缝面的 极画在红色莫尔一库仑故障线的上面。故障线的 斜率等于假定零内聚作用下 的摩擦 系数 。对 r 一0 ． 6时 ， 库仑故障线上面的裂缝是处 于临界应 力状态的、 有潜在的活动性的断层 ， 它与当前原地 应力场处于摩擦平衡状态。基于实验室对已有裂 缝的岩石的摩擦强度的测量 ， 对摩擦性故障 ， 我们 假设剪切应力和法向应力之比约等于 0 ． 6的裂缝 的最优方向是朝向应力场的。位于 r 一0 ． 6的库 仑故障曲线下部的裂缝不是临界应力剪切裂缝 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 测 井 与 射孔 2 0 0 4血 作用 在这 些裂 缝上 的剪切 力 与法 向应 力之 比不 足 以引起 滑 动 。 7 储层渗透率一两个实例 在 地热 生产 传导 系数 为 l m ／ rai n 主要 区块 内的井 和相 隔几 千米 的非渗 透性但 没有商 业价值 传 导系 数约 1 0 r n ／ mi n 的生 产 区进 行 了井下 电视 、 高精度温度和转子流量计测井， 利用这些测 井 曲线 ， 可 测量 天然 裂缝 和断层 ， 通过 比较 与裂缝 有关 的地 热和 流 动异 常 ， 研 究 了它 们 的水 力 学 特 性。在这些井 中， 观测井眼故障 断裂和冷却裂 纹 ， 与此 同时测 量 水 力 压裂 应 力 ， 这 就提 供 了一 套完整的资料 ， 在断层的生产和非生产井段， 可系 统地 对 比研究 原地应 力 对裂缝 渗透 性的影 响 。在 相应 深度 上 ， 温度 出现 局 部 混乱 的裂 缝 和 断 层认 为是 由于水 力 传导 的结果 。 分析裂 缝 和液 体 流 动 ， 发现 在 生 产 井 和非 生 产井中控 制 流 体 流 动 的裂 缝 相 对 很 少。穿 过 S t i l l wa t e r 断层生产段 的高渗透裂缝 总数是每 口 井所有裂缝中的一个独特子集， 通常指向最小水 平 主应 力 S i 在 该处 的方 向 。 利用 这些 井 中 测得 的应 力方 向和 大 小 ， 同 时 通过 B HTV测 井 获 得 的裂 缝 方 向 见 图 5 和 测 得 的地层 流体 压 力 ， 可 计 算每 个 裂缝 面 的剪 切 应 力和法 向应力 ， 另外根据库仑故障标准可确定 每 个裂缝面是否存在潜在的活动性断层。以 7 3 B 一 7 井为例 ， 以转子流量计和温度梯度测井资料 为 基础 ， 对水力传导性裂缝进行公析。每 l米深度 图 5 在 N e v a d a的 Di x i e V a l l y地热油 田 7 3 B一7井中 测量 的主 要应 力级 数 左 图 和天 然 裂缝 群 右 图 。用红色显 示的裂缝蝌蚪定义为该井最佳裂 缝走 向和 临界应力裂缝的子集 间隔 内温 度和转 子 流量 曲线 上 没有 发 现 异 常 ， 于 是选择 这种 主导裂缝 走 向为控制 非水 力传 导 的裂 缝 群 。 分析结果显示在断层的生产层段内测得的高 渗透率裂缝 带 与 S t i l l w a t e r断层 的局 部倾 向平 行 ， 这是在现场测得 的整个东南部延伸应力状态 下的摩擦故 障的最佳方 向和临界应力 。图 6是 7 3 B 一7井水力传导性裂缝 的典型例子。图 6的 上部是渗透裂缝面的极性立体投影 图， 图中颜色 等级代表这些面对摩擦故障的接 近情况 ， 白点代 表临界应 力 的剪 切面 。该 图下 部分 为相 同的裂缝 在 3 D莫 尔图 中的分 布 图 ， 红 点 是 临界 应 力裂 缝 ， 黑 点是稳定 面 。虽 然 数 据 有些 分 散 ， 大 多 数渗 透 裂缝位 于 ， 一0 ． 6的库仑 故障线 上或附近。对 D i x i e V a l l e v油 田的每个有商业价值的生产井 的 分析 中 ， 也得 到与 7 3 B一7 井 相似 的情 况 。 库仑故 障标 准和 监界P 与裂 缝 走向 的关系 O． 25 O 1 5 O O5 O 奠 尔图 O O l O 3 O． 5 一 ， ／ ． 监界 应 力裂缝 S 一 标 准 非 监界 应力裂 缝 Sa - 标 准 非 分析 裂缝 图 6 上部在 D i x i e Va l l e v地区 7 3 B 一7井水 力传 导裂 缝面的极性的下半球 立体 投影 图。白点代 表对 摩擦故障而言 的最 佳走 向和临界应力裂缝的极。 下部是包括库 仑摩 擦故 障线 的 3 D莫尔 图。红 色代表 临界应 力裂 缝面 。注意 大多数水力传导 裂缝处于库仑故 障线 的上方 。 通过重复的应力诱 导滑动而具有渗透率 相反， 在 7 3 B 一7井中， 大多数非传导性裂缝 位于库仑故障曲线 以下， 因此不存在临界应力剪 切裂 缝 图 7 。在 D i x i e Va l l e v地 区 生产 井南 部 的非生产 即非渗透 井中发现 要么是 1 使断层 滑动 的剪切应力 不足 ， 要 么 2 裂缝 和断 层群 的方 向不对着 当前应 力 场 的法 向断 裂 。在 D i x i e Va l l e 、 地区， 我们发现在断层带渗透率仅仅在个别裂 缝 内较高 ， 在 整 个 S t i l l wa t e r断 层 带 都 是 最 佳走 向临界应力 的摩擦 故 障 。 一 一 2 C一 一 0P c 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 利用井眼成像资料从钻井引起 的井眼故障中识别 ⋯⋯⋯ 1 9 O． 25 O． 1 5 O． O5 O 库 仑故障 标准 和监界， 与 裂缝走 向 的关 系 0 0． 1 0 ． 3 0． 5 S - P ， 监界 应力 裂缝 s 。 - 标 准 非监界应 力 裂缝 s 一 标 准 非 分析裂 缝 图 7 上部是在 D i x i e V a l l y区块 7 3 B一7并非水 力传 导裂缝面极性的下半 球立体 投影 图。 白点 代表 最佳走 向和临界应 力裂缝 的极。下 部是 包括库 仑摩擦故障 线的 3 D莫 尔 图。红色 代表 临 界应 力裂缝 面。注意 大多数非水力传导缝处于库仑 故障线 第 二个 例子 ， 在 美 国 西部 钻 进 生 产 油 气储 层 时录取的井眼成像资料中能分析应力引起的井眼 断裂 和张性 井壁 裂缝 。这些 井 眼故 障可确 定整个 油 田的应力 张量 。页 岩和砂 岩储 层 的天然 裂缝群 也能通过井眼成像分析得到 。裂缝和井眼故障分 析的主要 目的是确定最佳钻井轨迹 ， 为在该油田 所 钻 的井 中能钻 开绝 大多数 含油 裂缝 服务 。 由于应 力方 向和 大 小 是有 限制 的 ， 可 以 简单 进行库仑故 障分析 、 确定储层 临界应力裂缝群。 图 8显示 这项 技术在 该油 田的一 口井 中的 实际应 用情况 ， 证明了应力状态和裂缝渗透率关系的重 要 性 。虽然这 个实例 中的天然 裂缝 和分 层 面有两 组 ， 仅 有一组裂缝对应力场来说 具有最佳走向。 这些裂缝有很强的水力传导作用 ， 因为地壳处于 摩擦 平 衡之 中 ， 所 以对 反复 的应 力 引 起 的 滑动 是 有 利的 。 为 了开发 这 个 区 块 绝 大 多 数 的 临 界 应 力 裂 缝， 最佳 井 眼轨 迹 应该 向西 南 方 向， 井 斜 大 约 7 O 。 。与 图 8立体图中白点方向的钻井轨迹是对 应的。有分析认为 ， 该油 田西南部所 钻的大斜度 井确实具有相对较高的油气产量 ， 而其它方向上 所 钻 的井是 低产 的或无 产量 的 。 8 结论 井眼成像解释在地质力学建模上起着十分重 库仑故障标准和监界， 。 与裂缝走向的关系 O 25 O． 1 5 O． O5 O 莫尔 图 监界应力裂缝 S 一 标 准 非监界应力裂缝 S 标 准 非分析裂缝 0 0． 2 0． b l - P ， 图 8 上部是 美国西部生产油气 田一 口井的所有 裂缝 面的极性下半球立体 投影图。白色代 表最佳 走 向和临界应力裂缝 的极。下部是包括 库仑摩 擦 故障线的 3 D莫尔 图。红色代 表临 界应 力裂 缝 面。注意 垂 直 于最 大的 临界应 力裂 缝群 的最 佳井眼轨迹朝着西南方 要 的作用 。在 井 眼资料 中 区别 是钻井 引起 的还是 天然 的现象 ， 其最 好 的 办 法是 使用 一 系 列 特殊 成 像分析仪 以及对井眼地质力学的充分理解。井眼 成像资料 的曲解 能导致地质力学 建模 的严 重错 误 ， 进而导致对储层渗透率和井眼稳定性 的不恰 当分析。 低渗透、 裂缝性 、 超压储集层的特征受原地应 力状 态 、 受 天然 裂缝 和断层走 向及分 布 的控制 ， 只 有一部分裂缝可能是有渗透性的， 并且这部分裂 缝 的走 向受 应 力状 态 的 控制 ， 最 大 限 度地 增 大 裂 缝储集层的产量要求井眼与尽可能多的渗透裂缝 相交 。 在钻至地壳中部的大量井中发现在临界应力 状态下的断层和水力传导性之间存在高度的相关 性 ， 并与储层流体和储层岩性的类型无关。 符 号说 明 P 。 孑 L 隙流体压力， MP a S 最 小水平 主应力 ， MP a ； S ⋯ 最 大水 平主应力 ， MP a ； S 有 效法 向应力 ， MP a ； S 、 ， 垂 向应 力 ， MP a ； r 滑 动摩擦 系数 。 一 一 2 C一 一 0P c 一 g n E n O t a U a V E r O V r e S R E P 7 S ， 2 O O 自 泽唱 r e e 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m