聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)在復(fù)雜斷層區(qū)的應(yīng)用

陳鳴，楊紅君，王曉飛，孫本強，王世越

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東 湛江 524037）

聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)在復(fù)雜斷層區(qū)的應(yīng)用

陳鳴1，楊紅君1，王曉飛2，孫本強1，王世越1

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，廣東 湛江 524037）

北部灣盆地烏石凹陷為復(fù)雜斷塊油氣藏，油氣勘探開發(fā)過程中，面臨鉆井工程風(fēng)險大、測井取資料作業(yè)困難等問題，如何精細描述井旁斷層及裂縫等地質(zhì)體的構(gòu)造特征顯得尤為重要。聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)中偶極橫波遠探測測井技術(shù)，有效地提高了井旁地質(zhì)體的描述精度。文中對井旁斷層的成像特征及偶極橫波的方位分辨率進行了正演模擬和分析，利用研究區(qū)2口井的聲波測井資料驗證了聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)能夠?qū)园l(fā)育的小斷層進行精確識別和描述。在油氣勘探和評價階段，該技術(shù)的應(yīng)用能夠優(yōu)化鉆井方案，避免工程風(fēng)險，提高鉆井效率，進而落實可采儲量。

聲波成像技術(shù)；井旁小斷層；井旁地質(zhì)體；烏石凹陷

0 引言

北部灣盆地烏石凹陷，是已證實了的具有巨厚優(yōu)質(zhì)烴源巖的新生代斷塊油氣藏［1-2］，具有構(gòu)造特征及儲層連通性復(fù)雜、非均質(zhì)性強等特征。鉆井過程中，井漏、卡鉆等狀況頻發(fā)，因考慮工程安全，提前完鉆現(xiàn)象時常發(fā)生。測井時，由于井壁不規(guī)則，測量探頭與井壁接觸不好，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真或缺失，且井下測井儀器遇阻、遇卡頻繁。因此，對精確描述井旁斷層的發(fā)育位置和構(gòu)造特征提出了更高的要求［3］。地震勘探測量范圍廣，分辨率相對較差，精度難以滿足要求；常規(guī)測井方法徑向探測深度小，難以了解井旁小斷層向外延伸發(fā)育情況［4］；單純依靠常規(guī)測井和地震資料在識別和定量解釋小斷層方面有著很大的局限性［5-6］。利用偶極橫波遠探測聲波反射波測井能夠探測井周圍數(shù)十米范圍內(nèi)小斷層的特征，且偶極子聲源的指向具有方向性，可以確定反射體界面的方位［7-13］。

目前，國內(nèi)遠探測聲波測井理論和方法研究、儀器制造和應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)方面都取得了較大進展［14-21］。本文就此在研究區(qū)的應(yīng)用展開討論。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

烏石凹陷位于北部灣盆地南部坳陷的東北部，整體呈近東西走向。自新生代起，先后經(jīng)歷了斷陷和拗陷演化階段［22］。

烏石凹陷由東、西2個次洼組成，東洼受7號斷層控制，形成南斷北超的半地塹，上升盤為流沙凸起，洼內(nèi)發(fā)育多個掀斜斷塊。西洼受曲弧形延伸的6號斷層控制，為北斷南超的箕狀斷陷，上升盤為企西隆起，洼內(nèi)結(jié)構(gòu)相對簡單，發(fā)育大型滾動背斜［23］（見圖1）。

圖1 烏石凹陷過XX構(gòu)造油氣成藏模式

2 偶極橫波遠探測測井原理

聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)主要是利用偶極橫波進行遠探測測量。利用聲波儀器激發(fā)后輻射到地層中的地質(zhì)體被反射回井筒的聲波作為入射波，被接收器接收后，經(jīng)波形旋轉(zhuǎn)處理、成像預(yù)處理、反射波成像等處理后可得到井旁地質(zhì)體的構(gòu)造圖像［24-27］。

在井中，可以用2組正交的偶極發(fā)射和接收系統(tǒng)來接收這些入射波，2組系統(tǒng)指向分別為x方向和y方向，當x方向聲源發(fā)射時，把入射的水平面內(nèi)偏振橫波SH和豎直面偏振橫波SV位移矢量分別投影到x和y方向就得到2個方向上的接收信號；當y方向聲源發(fā)射時，也可以得到x和y方向的2個分量，把這4個分量組合起來，即可得到SH橫波和SV橫波［27］：

式中：xs為x方向的橫波；ys為y方向的橫波；φ為偶極輻射聲場的球面波。

在反射體與井大致平行或者夾角較小時，水平面內(nèi)偏振橫波很小，可以忽略不計，橫波的情況可以簡化到與縱波相似的情況：

即利用SH便可以確定反射體的大小和方位［27］。

3 儀器

2012年，中海油服和中國石油大學(xué)（華東）成立聲學(xué)聯(lián)合實驗室，利用陣列聲波四分量數(shù)據(jù)開展偶極橫波反射成像技術(shù)研究，編制了專門的數(shù)據(jù)處理軟件，推出偶極橫波反射波成像處理技術(shù)。2013年，中海油服在EXDT的基礎(chǔ)上，推出了探測深度更遠的新型遠探測儀器AFST。通過降低聲源發(fā)射頻率，增加數(shù)據(jù)采樣點數(shù)，提高儀器接收靈敏度和數(shù)據(jù)量化精度，設(shè)計形成了偶極橫波遠探測聲波成像測井儀器AFST。新型遠探測儀器AFST技術(shù)指標：

1）儀器組成。采集短節(jié)（含接收）＋隔聲體+發(fā)射短節(jié)＋發(fā)射電路。

2）儀器指標參數(shù)。耐溫175℃，耐壓137 895.14 kPa，總長9.09 m，井眼測量范圍114.30～444.50 mm。儀器直徑最大為92 mm。源距單極T01為3.66 m、T02為2.44 m，偶極T23為3.12 m。最大測速0.15 m/s，誤差精度ΔT（P）為1.64 μs/m、ΔT（S）為16.40 μs/m，測速0.04 m/s。

3）測量模式。單極時差（DT24）+遠單極全波＋偶極全波（Inline）＋交叉偶極全波（CrossLine）。

4）應(yīng)用范圍。主要包括：孔隙度評價，巖性判斷，氣層識別，滲透性分析；判斷地層走向、地層巖石力學(xué)參數(shù)及地層主應(yīng)力分布；水泥膠結(jié)固井質(zhì)量檢測，合成地震剖面，井旁地質(zhì)體評價。

5）新型遠探測儀器與原有陣列聲波儀器相比，具備以下2個特點。一是聲源發(fā)射頻率更低，從原有的2.0～5.0 kHz降低為0.5～2.0 kHz，低頻偶極信號可以減弱井壁滑行波，同時提高反射波能量；二是信號采集精度和長度增加，高采樣率和長采樣長度，使反射波更清晰，儀器探測更遠的距離。新型遠探測儀器經(jīng)實際井資料驗證能夠?qū)壑車?0 m范圍以內(nèi)的地質(zhì)體構(gòu)造進行清晰成像。

與國內(nèi)其他采用單極聲源的遠探測儀器相比，偶極橫波遠探測儀器具有探測深度遠和具備方位性等優(yōu)點。單極子頻率一般為10 kHz左右，頻率高易衰減，探測深度范圍有限。而偶極聲源由于頻率較低，有較深的橫向探測距離。此外，由于單極聲源無方向性，因而不能確定反射體的方位；偶極子聲源具有方向性，采用多分量的偶極發(fā)射和接收，可同時確定井旁地質(zhì)體的位置和方位。在慢速地層中，偶極橫波信號減弱，此時可采用單極信號進行遠探測聲波成像處理，以獲得井旁構(gòu)造成像資料。

4 正演模擬

4.1 數(shù)值模擬

地層模型巖性為灰?guī)r，斷層充填物為泥巖。模擬時采用的斷層長度為10～1 500 cm，傾角為0～90°，張開度為0.2～30.0 cm，其他參數(shù)見表1。模擬時，考慮了斷層的遠探測聲場會受到聲源頻率、地層巖性及斷層傾角、方位、尺寸大小、離井距離、分布形態(tài)等多種因素的影響。

表1 地層巖性參數(shù)

4.2 模擬結(jié)果

以正演模擬為基礎(chǔ)，對斷層的成像特征進行了規(guī)律性的總結(jié)。單個斷層的成像特征為單斜的直線狀特征，隨斷層長度越長、張開度越大、傾角越大，離井距離越近，成像特征越清晰（見圖2）。圖2為單個斷層不同張開度（3.0，5.0，30.0 cm）情況下的模擬成像圖。

圖2 不同張開度下的斷層成像特征

5 應(yīng)用實例

聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)依賴其優(yōu)勢在南海西部油田得到廣泛應(yīng)用，取得較好的預(yù)期效果。以北部灣盆地烏石凹陷2口井為例來闡述其應(yīng)用效果：XX1井位于北部灣盆地烏石凹陷7號斷層下降盤，處于區(qū)域擠壓應(yīng)力場下，主干斷層旁常發(fā)育小的伴生斷層，且流沙港組二段為碳質(zhì)泥巖與薄的煤層段，為該區(qū)域的薄弱點。XX2井位于烏石YY構(gòu)造上，該構(gòu)造位于烏石凹陷東區(qū)反轉(zhuǎn)構(gòu)造裙邊帶，分為南、北2塊，分別發(fā)育2條斷層控制的斷塊構(gòu)造。流一段為北西向主干斷層控制的斷鼻、斷背斜圈閉；流二段為北東向和近南北向壓扭性斷層控制的斷塊圈閉，分為東、中、西3塊。XX2井位于構(gòu)造較高部位。

XX1井鉆進過程中，鉆至2 584 m發(fā)生第1次漏失，20 min內(nèi)活動池液面下降8 m3。2 426～2 601 m井段擠水泥后，進行地漏實驗，破裂當量密度1.67 g/cm3；鉆至2 749 m，活動池液面降低，判斷井下再次發(fā)生漏失，當量密度為1.50 g/cm3，小于破裂當量密度，因此基本能排除套管鞋發(fā)生漏失的可能性。后續(xù)在2779，2783 m處又發(fā)生2次漏失。遠探測成像資料表明2 550～2 830 m井段存在數(shù)條傾斜狀反射體，判斷該井段鉆遇到了一個斷裂帶上，鉆井時發(fā)生井漏的漏點位置與遠探測成像上的反射體位置相一致，均為斷層發(fā)育位置（見圖3）。

圖3 XX1井旁斷層遠探測成像

XX2井和XX1井類似，鉆井過程中發(fā)生多次漏失現(xiàn)象。遠探測成像處理成果顯示，在2 525～2 750 m井段發(fā)育斷裂帶，與地震剖面2 605～2 729 m附近的斷層發(fā)育帶相對應(yīng)。

遠探測處理采用高角度疊加處理，解釋后得出斷層傾角60～80°。2 520～2 585 m井段內(nèi)存在多條高角度傾斜反射體，為一斷層破碎帶，其中有一高角度過井反射體，與井相交于2 570 m處，在南北方向反射最強；2 615～2 642 m井段內(nèi)存在一高角度過井反射體，為斷層反射，與井相交于2 626 m附近，在南北方向反射最強；2 650～2 740 m井段內(nèi)存在2個高角度過井反射體，為斷層反射，分別與井相交于2 675，2 715 m附近，在南北方向反射最強。通過分析反射體在4個方位上的成像情況可知，在南北方向上成像最清晰，說明反射體所在方位為南北向，即斷層走向為偏南北向。與地震剖面上的斷層走向基本一致（見圖4）。

圖4 XX2井旁斷層遠探測成像

從西部2口井的應(yīng)用分析來看，聲波成像能夠?qū)约斑^井地質(zhì)體進行識別，可以進一步標定地震上的反射體位置。進一步深入開展聲波測井資料綜合應(yīng)用研究及與地震資料綜合解釋研究，拓展測井專業(yè)在工程中的應(yīng)用，真正實現(xiàn)從“一孔之見”到“一孔遠見”。

6 結(jié)束語

國內(nèi)在聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)理論、方法、儀器和處理解釋方面均取得了長足進步，使其成為井旁地質(zhì)體描述的重要技術(shù)手段，得到廣泛應(yīng)用。通過正演模擬，探討了斷層的成像特征：單個斷層為單斜直線狀特征，隨斷層長度越長、張開度越大、傾角越大，離井距離越近，成像特征越清晰。該技術(shù)能夠精細描述井旁發(fā)育的小斷層及裂縫等地質(zhì)體的傾角、走向和延伸深度。

［1］趙志剛，吳景富，李春榮.北部灣盆地洼陷優(yōu)選與油氣分布［J］.石油實驗地質(zhì)，2013，35（3）：285-290，295.

［2］曾小明，鄒明生，張輝，等.北部灣盆地烏石凹陷東區(qū)流沙港組三段儲層物性主控因素及分布規(guī)律［J］.石油實驗地質(zhì)，2016，38（6）：757-764.

［3］尚雅珍，馮陣東，劉光蕊，等.構(gòu)造精細解釋技術(shù)的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2013，20（6）：727-729.

［4］郝仲田，孫小芳，劉西恩，等.偶極橫波遠探測測井技術(shù)應(yīng)用研究［J］.地球物理學(xué)進展，2014，29（5）：2172-2177.

［5］熊曉軍，尹成，張白林，等.基于四階互累積量的小斷層自動識別方法［J］.石油地球物理勘探，2004，39（增刊1）：158-164.

［6］蘇愛芹，鄭宇霞，魏廣仁，等.復(fù)雜小斷塊綜合研究技術(shù)［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：472-474.

［7］TANG X M，GLASSMAN H，PATTERSON D，et al.Single-well acoustic imaging in anisotropic formations［J］.SEG/San Antonio Annual Meeting，2007，20（6）：109-113.

［8］WANG B，TAO G，CHEN T R，et al.Experimental study of acoustic logging while drilling measurements using an asymmetric source［J］. Chinese Journal of Geophysics，2012，55（1）：327-332.

［9］ZOU Y Y，XU Y X，SHA C，et al.Finite difference modelling for vertical seismic profile in elastic media［J］.Progress in Geophysics（in Chinese），2011，26（2）：1959-1967.

［10］HORNBY B E.Imaging of near-borehole structure using full-waveform sonic data［J］.Geophysics，1989，54（6）：747-757.

［11］GONG T J，SUN C Y，PENG H C，et al.Comparison of several computation methods of quality factor［J］.Progress in Exploration Geophysics，2009，32（4）：252-254.

［12］ZHANG C S，XIAO C W，LIU X L，et al.Application of remote detection acoustic reflection logging to fracture vuggy carbonate reservoir evaluation［J］.Xinjiang Petroleum Geology（in Chinese），2008，32（3）：325-328.

［13］TANG X M，WEI Z T，SU Y D，et al.A review on the progress and application of dipole acoustic reflection imaging technology［J］.Well Logging Technology（in Chinese），2005，37（4）：333-340.

［14］王乃星，蘇華，劉文明，等.聲波全波列測井中反射波成像分析［J］.測井技術(shù)，1998，22（4）：278-283．

［15］TANG X M.Imaging near-borehole structure using directional acoustic wave measurement［J］.Geophysics，2004，69（6）：1378-1386.

［16］王菁，張秀梅.偶極聲波實現(xiàn)鉆前地質(zhì)探測的方法研究［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2015，34（6）：539-546.

［17］王瑞甲，喬文孝.三維隨鉆反射聲波成像測井的數(shù)值模擬［J］.地球物理學(xué)報，2015，58（6）：2201-2209．

［18］李超，岳文正，湯昌晟，等.高分辨率Radon變換及其在聲反射成像測井中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進展，2014，29（4）：1678-1688.

［19］程建國，周本良.聲波儀器的革新［J］.斷塊油氣田，2001，8（1）：29-30.

［20］吳曉光，季鳳玲，李德才，等.偶極聲波測井技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進展［J］.地球物理學(xué)進展，2016，31（1）：380-389．

［21］胡林，楊希冰，徐雪豐，等.南海北部灣盆地烏石凹陷成藏主控因素與成藏模式［J］.海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2016，36（2）：121-127.

［22］胡德勝，鄧勇，張建新，等.烏石凹陷東區(qū)古近系斷裂系統(tǒng)與油氣成藏［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，38（4）：27-36.

［23］唐曉明，魏周拓，蘇遠大，等.偶極橫波遠探測測井技術(shù)進展及其應(yīng)用［J］.測井技術(shù)，2013，37（4）：333-340.

［24］唐曉明，曹景記，魏周拓.裸眼井和套管井中偶極聲場的輻射和接收［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，37（5）：57-64.

［25］魏周拓，唐曉明，陳雪蓮.井中偶極聲源激勵下的反射聲場影響因素分析及儀器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，37（6）：52-58.

［26］魏周拓，唐曉明，蘇遠大，等.利用井中低頻偶極橫波進行聲波遠探測的新方法［J］.地球物理學(xué)報，2013，56（10）：3572-3580.

［27］唐曉明，魏周拓.利用井中偶極聲源遠場輻射特性的遠探測測井［J］.地球物理學(xué)報，2012，55（8）：2798-2807.

（編輯 王淑玉）

Application of acoustic reflection imaging technology to complicated block reservoirs

CHEN Ming1,YANG Hongjun1,WANG Xiaofei2,SUN Benqiang1,WANG Shiyue1
(1.Zhanjiang Branch of CNOOC Ltd.,Zhanjiang 524057,China;2.Oilfield Services Co.Ltd.,CNOOC,Zhanjiang 524037,China)

Wushi Sag in Beibuwan Basin is a complex fault-block oil and gas reservoir.The exploration and development face severe challenges:huge risk drilling operation,difficult logging data getting,and so on.So it is particularly important to elaborately describe the tructural characteristics of the faults and fractures around the borehole.Dipole acoustic reflection imaging technology can effectively solve the problems.In this article,the structural image characteristics of faults around the borehole and the azimuth resolution of dipole shear wave were forward modeled and analyzed.Using two wells as examples,detecting and description of small fault features were validated by the interpretation result of remote acoustic reflection imaging tool.During oilfield exploration and evaluation stage,this technology is very useful to optimize drilling design,prevent operation risk,increase the drilling efficiency,and clear the recoverable reserves.

acoustic reflection imaging technology;small fault around borehole;geologic body around borehole;Wushi Sag

國家科技重大專項課題“鶯瓊盆地高溫高壓天然氣成藏主控因素及勘探方向（二期）”（2011ZX05023-004）

TE122；P631.83

A

10.6056/dkyqt201703012

2016-12-17；改回日期：2017-03-04。

陳鳴，男，1982年生，工程師，碩士，主要從事地質(zhì)作業(yè)管理與資料綜合應(yīng)用分析工作。E-mail：chenming4@cnooc.com.cn。

陳鳴，楊紅君，王曉飛，等.聲波井旁地質(zhì)體成像技術(shù)在復(fù)雜斷層區(qū)的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：351-354.

CHEN Ming，YANG Hongjun，WANG Xiaofei，et al.Application of acoustic reflection imaging technology to complicated block reservoirs［J］. Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：351-354.