利用陣列聲波測(cè)井資料評(píng)價(jià)變質(zhì)巖儲(chǔ)層有效性

譚禮洪 張國(guó)強(qiáng) 譚忠健 張貴斌 章成廣 蔡 明*

(①長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北武漢 430100；②油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北武漢 430100；③中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300459；④中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

0 引言

隨著油氣勘探、開發(fā)范圍的不斷擴(kuò)大，變質(zhì)巖儲(chǔ)層也受到越來越多的關(guān)注。變質(zhì)巖儲(chǔ)層作為一種特殊巖性儲(chǔ)層，由巖漿巖或沉積巖經(jīng)變質(zhì)作用形成，原巖的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等都發(fā)生了改變。與一般沉積巖儲(chǔ)層相比，變質(zhì)巖儲(chǔ)層在元素成分、礦物組成和巖石結(jié)構(gòu)等方面更復(fù)雜，且由于變質(zhì)相帶的差異性和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，變質(zhì)巖儲(chǔ)層具有非均質(zhì)性強(qiáng)、巖性復(fù)雜、巖相變化快以及儲(chǔ)集空間類型多樣等特點(diǎn)[1-3]。同時(shí)，變質(zhì)巖儲(chǔ)層通常要經(jīng)過改造才具有產(chǎn)能，壓裂和酸化等施工過程也會(huì)影響儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及流體識(shí)別。因此以往的沉積巖儲(chǔ)層測(cè)井解釋評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變質(zhì)巖儲(chǔ)層已不再適用[4]。

前人研究了變質(zhì)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法。張銳鋒等[5]利用常規(guī)測(cè)井、成像測(cè)井和陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)不同類型變質(zhì)巖儲(chǔ)層，認(rèn)為斯通利波幅度衰減越明顯則儲(chǔ)層品質(zhì)越好。Kondakov等[6]根據(jù)測(cè)井和巖心分析識(shí)別變質(zhì)巖儲(chǔ)層。秦瑞寶等[7]利用聲波測(cè)井評(píng)價(jià)變質(zhì)巖儲(chǔ)層裂縫，由快、慢橫波之間的速度差計(jì)算地層的各向異性屬性，同時(shí)利用偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)探測(cè)井外數(shù)十米內(nèi)的裂縫。朱林奇等[8]制作多種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)交會(huì)圖建立交會(huì)圖板，得到了變質(zhì)巖的水平井測(cè)井響應(yīng)。Han等[9]基于全巖分析和測(cè)井、地震資料評(píng)價(jià)變質(zhì)巖的巖性和儲(chǔ)層性質(zhì)，進(jìn)而探討儲(chǔ)層形成的主要因素。白松濤等[10]根據(jù)變質(zhì)作用類型和成因?qū)⒆冑|(zhì)巖分類，并建立多種測(cè)井參數(shù)交會(huì)圖，了解了不同變質(zhì)巖的測(cè)井響應(yīng)特征。黃烈林等[11]通過消除致密層的測(cè)井響應(yīng)劃分變質(zhì)巖儲(chǔ)層裂縫。Liu等[12]利用裂縫分形維數(shù)和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)變質(zhì)巖潛山裂縫儲(chǔ)層。李國(guó)軍等[13]采用正交偶極聲波測(cè)井評(píng)價(jià)鄂爾多斯盆地變質(zhì)巖儲(chǔ)層，結(jié)合聲波變密度圖像與斯通利波反射系數(shù)識(shí)別并評(píng)價(jià)裂縫。

目前主要利用常規(guī)測(cè)井識(shí)別變質(zhì)巖巖性進(jìn)而評(píng)價(jià)儲(chǔ)層，利用陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)變質(zhì)巖儲(chǔ)層有效性的研究較少。為此，本文以渤中19-6氣田變質(zhì)巖測(cè)井資料為基礎(chǔ)，分析陣列聲波測(cè)井的響應(yīng)特征，基于常規(guī)聲學(xué)參數(shù)計(jì)算提出平均衰減計(jì)算方法；通過定量研究多種聲學(xué)參數(shù)與不同儲(chǔ)層之間的相關(guān)性，提煉出對(duì)有效儲(chǔ)層敏感的聲學(xué)參數(shù)，建立基于敏感聲學(xué)參數(shù)的儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)圖板與方案。所提方法為準(zhǔn)確識(shí)別渤中19-6氣田變質(zhì)巖有效儲(chǔ)層提供了新思路，為提高儲(chǔ)層產(chǎn)能奠定了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

渤海灣盆地經(jīng)數(shù)十年的勘探、開發(fā)，以往人們認(rèn)為該盆地的產(chǎn)油量遠(yuǎn)大于產(chǎn)氣量。為了勘探深層油氣，近年在渤海油田發(fā)現(xiàn)了渤中19-6大型整裝凝析氣氣田，是渤海灣盆地的最大氣田，探明儲(chǔ)量超過千億立方米，顛覆了渤海灣盆地產(chǎn)氣量低的認(rèn)識(shí)[14-16]。渤中19-6氣田位于渤中凹陷西南部，經(jīng)歷了加里東和印支等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，主要目的層為太古界變質(zhì)巖潛山[17-18]，儲(chǔ)層的主要巖性為二長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)片麻巖以及混合片麻巖等，主要礦物為長(zhǎng)石、石英和云母[19-20]。渤中19-6氣田作為變質(zhì)巖氣藏，與沉積巖氣藏相比，原生孔隙一般不發(fā)育，具有低孔(孔隙度為2.7%～12.8%，平均值為5.3%)、低滲(滲透率為0.01～11.81mD，平均值為0.733mD)的特點(diǎn)。受長(zhǎng)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及風(fēng)化淋濾等內(nèi)、外力作用影響，儲(chǔ)集空間以裂縫為主[21-23]。由于上述儲(chǔ)層特征，因此識(shí)別有效儲(chǔ)層難度大。現(xiàn)場(chǎng)通常根據(jù)儲(chǔ)層油氣產(chǎn)量是否具有商業(yè)開采價(jià)值將儲(chǔ)層分為有效儲(chǔ)層與無效儲(chǔ)層，而對(duì)于新發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層，一般根據(jù)前期研究經(jīng)驗(yàn)，利用優(yōu)勢(shì)巖性、物性參數(shù)、裂縫發(fā)育情況等指標(biāo)識(shí)別有效儲(chǔ)層[1]。

2 陣列聲波測(cè)井資料處理與分析

陣列聲波測(cè)井于20世紀(jì)80年代末推出，測(cè)井儀器源距長(zhǎng)，間距一般為6in，接收探頭個(gè)數(shù)一般為8～12。與長(zhǎng)源距聲波測(cè)井相比，陣列聲波測(cè)井性能得到進(jìn)一步提升，信噪比更高，發(fā)射探頭頻率更低，在斯通利波測(cè)量方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。陣列聲波測(cè)井資料中包含各組分波的慢度、衰減、幅度、能量等多種聲學(xué)參數(shù)，這些聲學(xué)參數(shù)與孔隙度、滲透率、裂縫發(fā)育情況等儲(chǔ)層物性參數(shù)密切相關(guān)[24-27]，因此可以用于識(shí)別并評(píng)價(jià)有效儲(chǔ)層。

2.1 時(shí)差提取方法

聲波時(shí)差也稱之為慢度，是指速度的倒數(shù)。在處理陣列聲波測(cè)井資料時(shí)，通常使用慢度—時(shí)間相關(guān)(slowness-time coherence，STC)法尋找各組分波并計(jì)算時(shí)差與能量。STC法是一種時(shí)域內(nèi)的多道信號(hào)相關(guān)分析技術(shù)，通過開設(shè)時(shí)窗并移動(dòng)尋找各組分波[28]。

假設(shè)陣列聲波測(cè)井儀器有M個(gè)接收探頭，且每?jī)蓚€(gè)相鄰接收探頭之間均間隔Δz，第m個(gè)接收探頭的全波列信號(hào)為rm，當(dāng)時(shí)窗長(zhǎng)度為Tw時(shí)，任一時(shí)刻t的相關(guān)系數(shù)有以下關(guān)系

(1)

式中：ρ為相關(guān)系數(shù)；s為時(shí)窗移動(dòng)的時(shí)差；τ為時(shí)窗在第一道波形的位置。

通過計(jì)算式(1)得到ρ∈[0，1]。當(dāng)ρ=1時(shí)，波形形態(tài)完全相同；當(dāng)ρ=0時(shí)，波形之間不具有相關(guān)性。ρ與時(shí)間和慢度有關(guān)，當(dāng)各組分波到達(dá)且慢度為各組分波的慢度時(shí)，ρ達(dá)到最大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的慢度就是該組分波的時(shí)差。

2.2 陣列衰減計(jì)算原理

陣列衰減是通過計(jì)算不同接收器接收波形的幅度關(guān)系得到的。首先計(jì)算不同接收器波形幅度比值的對(duì)數(shù)，然后通過最優(yōu)化線性擬合的方式計(jì)算陣列衰減[29]。通常由

(2)

計(jì)算波形衰減ATTU。式中：AMPn和AMPm分別為第n和第m個(gè)接收器波形的幅度；dS為接收器間距。

2.3 平均衰減計(jì)算原理

以致密無效層的模式波幅度為參考值，取參考值與同一接收器實(shí)際接收波形中目標(biāo)模式波的幅度比值的對(duì)數(shù)為模式波平均衰減ATTUa，即

(3)

式中：AMP0為致密無效層的模式波幅度；AMPi為同一接收器在第i個(gè)深度點(diǎn)實(shí)際接收波形中目標(biāo)模式波的幅度。

一般選擇波形幅度無異常且源距相對(duì)較小的接收器。與陣列衰減相比，平均衰減能消除接收器響應(yīng)一致性的影響。另外，對(duì)于巖性相同或相近的儲(chǔ)層，由式(3)得到的ATTUa可以較好地消除或減弱巖性影響，從而主要體現(xiàn)基質(zhì)孔隙和裂縫的貢獻(xiàn)，進(jìn)而更好地反映孔隙和裂縫發(fā)育情況，但ATTUa的分辨率相對(duì)較低。

2.4 斯通利波反射系數(shù)計(jì)算原理

在聲波全波列中，相對(duì)于其他組分波，斯通利波頻率低(低于3kHz)、能量高、到時(shí)晚。通過濾波處理分離波場(chǎng)，可以得到直達(dá)斯通利波、上行和下行反射斯通利波。由于波列記錄時(shí)間長(zhǎng)，斯通利波對(duì)裂縫和層界面非常敏感，在裂縫和層界面處存在明顯的反射斯通利波，因此利用分離得到的斯通利波反射系數(shù)可識(shí)別與評(píng)價(jià)裂縫[30]。波場(chǎng)分離后分別對(duì)直達(dá)斯通利波和反射斯通利波波形作快速傅里葉變換獲得頻譜，則斯通利波反射系數(shù)為

(4)

2.5 斯通利波滲透率計(jì)算原理

斯通利波在井下沿著井壁傳播，由于受地層特性以及井中流體變化等因素的影響，斯通利波的波形和能量會(huì)產(chǎn)生變化，時(shí)間和頻率會(huì)發(fā)生偏移。通過模擬井下條件得到合成斯通利波，其與實(shí)際斯通利波之間的差別主要由滲透率造成[31]，由此可以反演滲透率，即利用理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量的斯通利波時(shí)間延遲和頻率偏移，建立滲透率反演目標(biāo)函數(shù)[32]。

2.6 變質(zhì)巖儲(chǔ)層陣列聲波測(cè)井資料分析

圖1為渤中19-6氣田X井陣列聲波解釋成果?？梢姡孩儆行?chǔ)層段的縱波、橫波、斯通利波的時(shí)差值明顯增大，部分深度段的縱波時(shí)差大于80μs/ft；縱波、橫波、斯通利波的陣列衰減增大；有效儲(chǔ)層段的縱波、橫波、斯通利波的平均衰減明顯增大；有效儲(chǔ)層段的斯通利波滲透率和反射系數(shù)增大，說明可能存在裂縫(電成像資料處理結(jié)果證實(shí)該深度段裂縫較發(fā)育)。②上述曲線值在無效儲(chǔ)層段均又降到低值。③幅度曲線變化則與上述情況相反，即在有效儲(chǔ)層段降低，并且斯通利波幅度曲線變化不明顯。④由于巖石的各向異性，導(dǎo)致快橫波與慢橫波出現(xiàn)分裂現(xiàn)象。

圖1 渤中19-6-X井陣列聲波解釋成果

通過以上測(cè)井響應(yīng)特征可知：①陣列聲波模式波的時(shí)差、陣列衰減、平均衰減、斯通利波滲透率以及反射系數(shù)對(duì)儲(chǔ)層可能較敏感，在有效儲(chǔ)層段曲線值呈增大趨勢(shì)，且平均衰減和斯通利波反射系數(shù)增大指示存在裂縫；②在有效儲(chǔ)層段幅度曲線值呈減小趨勢(shì)，但部分深度段變化不明顯，對(duì)儲(chǔ)層不敏感。上述測(cè)井響應(yīng)特征為利用陣列聲波測(cè)井資料評(píng)價(jià)變質(zhì)巖儲(chǔ)層有效性奠定了基礎(chǔ)。

3 基于聲學(xué)參數(shù)的儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)方法

3.1 儲(chǔ)層敏感聲學(xué)參數(shù)分析

通過軟件處理陣列聲波資料后，通過計(jì)算得到11種聲學(xué)參數(shù)，根據(jù)研究區(qū)各井綜合解釋分層數(shù)據(jù)表優(yōu)選層厚大于1m的儲(chǔ)層，統(tǒng)計(jì)各儲(chǔ)層段聲學(xué)參數(shù)的平均值建立交會(huì)圖(圖2～圖7)。

圖2 縱波時(shí)差—縱波平均衰減交會(huì)圖

圖3 縱波陣列衰減—橫波平均衰減交會(huì)圖

由圖2～圖5可見，有效儲(chǔ)層與無效儲(chǔ)層樣點(diǎn)明顯分布在不同區(qū)域，據(jù)此能夠明顯地區(qū)分有效儲(chǔ)層與無效儲(chǔ)層。由圖6、圖7可見，由于斯通利波滲透率以及反射系數(shù)值偏小，導(dǎo)致有效儲(chǔ)層與無效儲(chǔ)層樣點(diǎn)部分區(qū)間重疊，且反射系數(shù)在識(shí)別裂縫時(shí)存在分辨率不高和易受無效裂縫干擾等問題[30]，在識(shí)別有效儲(chǔ)層時(shí)只能作為輔助參考。上述現(xiàn)象說明，由現(xiàn)有方法計(jì)算的斯通利波滲透率和反射系數(shù)對(duì)儲(chǔ)層不敏感，需要結(jié)合其他資料評(píng)價(jià)。上述分析表明，縱波、橫波以及斯通利波的時(shí)差、陣列衰減、平均衰減是對(duì)儲(chǔ)層有效性敏感的聲學(xué)參數(shù)，可建立圖板識(shí)別有效儲(chǔ)層。

圖4 橫波陣列衰減—斯通利波陣列衰減交會(huì)圖

圖5 斯通利波平均衰減—斯通利波時(shí)差交會(huì)圖

圖6 橫波時(shí)差—斯通利波滲透率交會(huì)圖

圖7 橫波時(shí)差—反射系數(shù)交會(huì)圖

3.2 儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)圖板

對(duì)于上述9種敏感聲學(xué)參數(shù)，兩兩組合建立圖板，由其中5張圖板(圖8～圖12)可見，區(qū)分效果均具有較高的符合率，能較準(zhǔn)確地識(shí)別有效儲(chǔ)層。

圖8 縱波時(shí)差—縱波平均衰減圖板

圖9 縱波陣列衰減—橫波平均衰減圖板

圖10 橫波陣列衰減—斯通利波陣列衰減圖板

圖11 斯通利波平均衰減—斯通利波時(shí)差圖板

圖12 橫波時(shí)差—縱波平均衰減圖板

3.3 儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由以上5張圖板可以看出，有效儲(chǔ)層與無效儲(chǔ)層主要分布在不同區(qū)域，由此可以得到儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。在處理陣列聲波測(cè)井資料得到敏感聲學(xué)參數(shù)平均值后，根據(jù)圖板及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以較準(zhǔn)確地識(shí)別有效儲(chǔ)層。

表1 儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 應(yīng)用實(shí)例分析

為了檢驗(yàn)上述圖板的應(yīng)用效果，另取渤中19-6氣田A、B和C三口井的陣列聲波測(cè)井資料，經(jīng)處理后提取敏感聲學(xué)參數(shù)，并統(tǒng)計(jì)平均值，共得到35個(gè)不同深度段的聲學(xué)參數(shù)平均值，代入以上圖板得到驗(yàn)證結(jié)果(圖13～圖17)。

圖13 縱波時(shí)差—縱波平均衰減驗(yàn)證結(jié)果

圖14 縱波陣列衰減—橫波平均衰減驗(yàn)證結(jié)果

圖15 橫波陣列衰減—斯通利波陣列衰減驗(yàn)證結(jié)果

圖16 斯通利波平均衰減—斯通利波時(shí)差驗(yàn)證結(jié)果

圖17 橫波時(shí)差—縱波平均衰減驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)以上驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)有效儲(chǔ)層準(zhǔn)確識(shí)別的層數(shù)，結(jié)果表明，35個(gè)井段的評(píng)價(jià)結(jié)果符合率達(dá)91.43%。對(duì)比試油結(jié)論表明：A井3879～3998m層段試油，獲日產(chǎn)油136.72 m3、日產(chǎn)氣141138m3，為高產(chǎn)凝析氣層，該井儲(chǔ)層聲學(xué)參數(shù)投點(diǎn)在圖板中主要分布于有效儲(chǔ)層區(qū)域；B井4534～5079m層段試油，獲日產(chǎn)油111.12 m3、日產(chǎn)氣103222m3，為高產(chǎn)凝析氣層，該井儲(chǔ)層聲學(xué)參數(shù)投點(diǎn)在圖板中主要分布于有效儲(chǔ)層區(qū)域；C井4624～5367m層段試油，獲日產(chǎn)氣10986m3，為低產(chǎn)凝析氣層，該井儲(chǔ)層聲學(xué)參數(shù)投點(diǎn)在圖板中主要分布于無效儲(chǔ)層區(qū)域。

由此說明，采用上述有效性評(píng)價(jià)圖板識(shí)別有效儲(chǔ)層準(zhǔn)確率較高，具有一定的可行性，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過分析和提煉對(duì)儲(chǔ)層敏感的聲學(xué)參數(shù)，建立了評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性的圖板與標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用結(jié)果表明該方案能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，并取得如下認(rèn)識(shí)：

(1)在處理陣列聲波測(cè)井資料時(shí)，可以得到多種聲學(xué)參數(shù)，其中縱波、橫波、斯通利波的時(shí)差、陣列衰減以及平均衰減對(duì)儲(chǔ)層較敏感，在有效儲(chǔ)層段曲線值呈增大趨勢(shì)，可以用于評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性。

(2)將敏感聲學(xué)參數(shù)兩兩組合建立交會(huì)圖板，可較好地區(qū)分有效儲(chǔ)層與無效儲(chǔ)層。渤中氣田三口井?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果的符合率達(dá)91.43%，同時(shí)與試油結(jié)論吻合，證明所提方法可評(píng)價(jià)渤中地區(qū)儲(chǔ)層有效性。

(3)影響斯通利波滲透率和反射系數(shù)計(jì)算結(jié)果的因素較多。計(jì)算結(jié)果數(shù)值偏小，統(tǒng)計(jì)結(jié)果易受極值影響。因此這兩種參數(shù)在儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)時(shí)只能作為輔助參考，需要結(jié)合成像或巖心等資料進(jìn)一步證實(shí)。