梁曉東 呂秀梅

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

交叉偶極聲波測井資料在地層各向異性檢測中的應(yīng)用

梁曉東 呂秀梅

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江大慶)

交叉偶極聲波測井儀器特殊的發(fā)射接收結(jié)構(gòu)使其能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性測量。文章在介紹各向異性檢測原理基礎(chǔ)上將偶極聲波測井資料用于地層各向異性檢測中。通過對資料的進(jìn)一步處理并借助其它測井資料,可以區(qū)分層理等引起的固有各向異性和應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性,從而實(shí)現(xiàn)井周異常應(yīng)力的定性判斷。

聲波測井;交叉偶極;橫波;各向異性;地應(yīng)力

0 引 言

聲波測井是石油地球物理測井的重要方法之一[1]。當(dāng)巖石受到聲的激勵時,折射進(jìn)入地層的聲波能量以哪種模式傳播取決于很多因素,其中最重要的是巖石骨架的組成及其石油物理特性,另外,井孔的大小形狀、裂縫以及原生應(yīng)力或誘導(dǎo)應(yīng)力的存在也會對聲信號產(chǎn)生影響。通過分析記錄的聲波信號我們能夠得到關(guān)于這些巖石特性的一些結(jié)論。

利用聲波測井求取巖性和儲層參數(shù),既需要縱波信息,也需要橫波速度。由于單極源激發(fā)的橫波信號比較弱,由單極聲測井提取的橫波速度精度不高,在地層的橫波速度小于井內(nèi)流體速度的軟地層情況,單極聲測井不能測量得到橫波。近年來發(fā)展起來的偶極(多極)聲波測井可以直接測量地層的橫波速度,目前該技術(shù)已經(jīng)不僅局限于測量橫波速度,還可以提供以前無法得到的各向異性信息。地層各向異性的確定在油藏勘探和開發(fā)中越來越重要[2～5],用于推斷區(qū)域應(yīng)力場的走向,確定裂縫強(qiáng)度及走向并可推斷層理引起的各向異性等。交叉偶極聲波測井儀器的發(fā)射和接收結(jié)構(gòu)決定了該方法能夠測量井孔周圍3～5倍井徑范圍內(nèi)的聲學(xué)各向異性。最近,在利用聲波測井資料計算巖石彈性力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行套損預(yù)測已成為研究與應(yīng)用者關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 交叉偶極陣列聲波測井儀器簡介

偶極橫波測井儀器包括Schlumberger公司的偶極橫波成像儀(DSI),Atlas公司的交叉多極陣列聲波測井儀(XMAC)以及Halliburton公司的交叉偶極陣列聲波測井儀(WST)。這些儀器可以同時實(shí)現(xiàn)長源距單極聲波測井和偶極陣列聲波測井,其結(jié)構(gòu)和基本原理大致相同,只是性能略有不同。

DSI發(fā)射探頭包括一個雙頻單極發(fā)射器(14和1 kHz)和兩對互相垂直的偶極(2.2 kHz)發(fā)射器。最新研制的DSI的偶極發(fā)射器的激發(fā)頻率可以低于1kHz,更適應(yīng)于大井眼和軟地層的橫波測量。接收探頭為間隔15 cm(6 in)的8接收器陣列,在每一接收器位置包含兩個檢波器對,其中一對與上偶極發(fā)射器方向一致,另一對與下偶極發(fā)射器方向一致。在測井過程中,不同的偶極發(fā)射器發(fā)射,偶極接收器同時接收,通過對接收信號進(jìn)行適當(dāng)處理得到交叉的偶極信號或單極信號。

XMAC結(jié)構(gòu)和原理與DSI儀器基本相同。XMAC單極發(fā)射器頻率范圍約為6 kHz～12 kHz和0.3 kHz～1.5 kHz,偶極發(fā)射器的頻率范圍約分別為1 kHz～2 kHz和3 kHz～5 kHz。用四個相互正交的壓電金箔以不同的形式可以組合成單極子、偶極子和四極子聲源,并且由此形成的交叉偶極換能器在同一深度上,從而在一定程度上減少了聲源引起的不確定性。

WST也是單極與偶極陣列組合,其結(jié)構(gòu)和原理與DSI及XMAC基本相同。WST單極發(fā)射器頻率范圍約為2 kHz～20 kHz;偶極發(fā)射器有三種主頻(1.2 k、1.5 k和2.2 k)供選擇,以適應(yīng)不同的地層和井眼情況。與前兩種儀器不同的是,該儀器在測量過程中將所有接收器接收的波形都進(jìn)行了壓縮存儲,在數(shù)據(jù)處理中,根據(jù)需要選擇單極或偶極模式處理。

2 交叉偶極各向異性測量方法

圖1 方位各向異性地層中交叉偶極測井圖解

交叉偶極陣列聲波測井能夠用于地層的各向異性檢測。圖1給出的是偶極聲波測井儀的發(fā)射與接收結(jié)構(gòu),其中X、Y是兩個正交發(fā)射器,x、y是兩個正交接收器,發(fā)射器與相應(yīng)的接收器方向相一致?？紤]方位各向異性地層(TIH介質(zhì))中偶極聲波測井,X發(fā)射器與各向異性主方向的夾角為θ。X、Y發(fā)射器發(fā)射的信號經(jīng)過地層以后分別由x接收器和y接收器記錄,從而得到四分量數(shù)據(jù)。各向異性地層的聲學(xué)特征在于沿不同方向偏振的波傳播速度不同,對縱波只有沿不同方向傳播才能觀察到其波速的差別,而對橫波,沿同一方向傳播,但偏振(或極化)方向不同的波也將以不同的速度傳播。在各向異性介質(zhì)中沿某方向激發(fā)的橫波會由于偏振的不同而分成快、慢不同先后到達(dá)接收器的兩個波。當(dāng)θ為0°或90°時,只能激發(fā)快彎曲波或慢彎曲波,這種情況下產(chǎn)生的彎曲波稱為主彎曲波。根據(jù)疊加原理,快慢主彎曲波可以用交叉偶極聲波測井儀器記錄的四分量測井?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)過變換得到:

其中,s1 1(t)、s2 1(t)、s1 2(t)、s2 2(t)是偶極聲波測井記錄的四分量數(shù)據(jù)。由公式(1)和(2)可以實(shí)現(xiàn)各向異性方向和快慢主彎曲波測量,進(jìn)一步處理可以確定各向異性大小。

3 由交叉偶極測井?dāng)?shù)據(jù)反演地層各向異性的實(shí)例與分析

根據(jù)交叉偶極各向異性測量方法編制了各向異性反演軟件。利用反演軟件對實(shí)際資料進(jìn)行反演處理和分析,可以給出各向異性分析結(jié)果。

3.1 層理引起的各向異性

徐132某井1 575 m～1 602 m井段的交叉偶極陣列聲波測井資料解釋結(jié)果圖如圖2所示。第4～6道給出的是單極和偶極全波相似相關(guān)處理結(jié)果,提取給出縱橫波時差曲線,第1道給出的分別是兩個同向偶極分量xx和yy的橫波時差提取結(jié)果,第2道給出的是由單極全波提取得到的縱波和斯通利波時差。最后一道給出的是單極全波列。

圖2 徐132某井交叉偶極聲波測井解釋結(jié)果

由圖可以看出,所示井段能夠得到很好的縱波和橫波時差測量結(jié)果,利用縱橫波時差以及其它測井方法提供的密度測井結(jié)果可以進(jìn)一步求出巖石的力學(xué)參數(shù):泊松比、楊氏模量、剪切模量和體積模量。這些參數(shù)是定性分析井壁穩(wěn)定性所需要的,同時這些參數(shù)可以進(jìn)一步用于計算地層的破裂壓力和閉合壓力等參數(shù)。

圖3 徐132-72井各向異性解釋結(jié)果

徐132某井1 590 m～1 633 m井段的各向異性解釋結(jié)果如圖3所示。利用交叉偶極聲波測井儀測量的四分量數(shù)據(jù)可以得到各向異性的主方向和大小(第4道)。在第4道中給出了交叉偶極聲波測井四分量數(shù)據(jù)經(jīng)過處理得到的快慢橫波時差,可以看出,在1 592 m～1 594 m井段,快慢橫波時差明顯不同,即該井段存在明顯的各向異性從而導(dǎo)致快慢橫波以不同的速度傳播。另外,由第5道記錄的兩組偶極全波可以看出,快慢波發(fā)生了分裂,即該井段存在明顯的各向異性。

交叉偶極聲波測井測量得到的各向異性可能是層理或地層中存在的裂縫引起的本征各向異性,也可能是井周存在的異常應(yīng)力引起的。另外井孔形狀的不規(guī)則也會引起偶極橫波速度的各向異性。參照該井的井徑測井曲線可以看出,在測量井段,井徑基本一致,沒有井徑擴(kuò)大井段,可以判斷該井段出現(xiàn)的各向異性不是由井徑擴(kuò)大引起的。要區(qū)分本征各向異性和應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性,需對測井資料進(jìn)行進(jìn)一步處理。Sinha等(1996)[3]等的研究結(jié)果表明,應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性與裂縫等引起的本征各向異性的差別在于應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性會引起快慢橫波頻散曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。利用頻散波提取技術(shù)[5]對快慢彎曲波進(jìn)行處理,得到各向異性井段的偶極橫波頻散分析結(jié)果。圖4給出的是徐132-72井1 592.8 m深度處的橫波頻散分析結(jié)果,其中左上圖是由四分量測井?dāng)?shù)據(jù)通過處理得到的快彎曲

圖4 徐132-72井1 592.8 m處頻散分析結(jié)果

波和慢彎曲波全波列,右上圖是相應(yīng)的頻譜,由聲源和地層特性決定,能量主要集中在1 kHz～2.5 kHz頻率段。下圖是由譜域加權(quán)相似法得到的該深度點(diǎn)的彎曲波頻散分析結(jié)果。兩條曲線分別對應(yīng)快慢主彎曲波,快慢彎曲波的頻散曲線沒有明顯的交叉現(xiàn)象,判斷為本征各向異性,另外該井進(jìn)行的CAST測井可以看出,該井段為沙泥巖交互層理。

3.2 井周異常應(yīng)力引起的各向異性

利用X13某井交叉偶極測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了各向異性分析,圖5給出了該井1 060 m～1 100 m井段的各向異性解釋結(jié)果,其中第1道給出的是井徑(CAL)、自然伽馬(GR)、密度(DEN)曲線,第2道給出的是縱波時差(DTC)、橫波時差(DTS)、和斯通利波時差(DTSTONELY)曲線。第3道給出的是快、慢橫波時差曲線,可以看出在某些井段快慢彎曲波以不同速度傳播。第4道給出了各向異性大小和方向。由自然伽馬和密度測井曲線可以看出,1 087 m～1 096.5 m井段為砂巖層,在聲波時差曲線上也有所體現(xiàn)。該井在1 087 m～1 096 m井段存在明顯的橫波各向異性。為進(jìn)一步分析該井段的各向異性的性質(zhì),對該井段的快、慢彎曲波進(jìn)行頻散分析。圖6給出了1 093 m～1 094.5 m井段快慢彎曲波頻散分析結(jié)果。其中,左圖是快、慢彎曲波首道全波波形,快、慢彎曲波明顯分開說明了該段地層具有較大橫波各向異性。右圖給出的是所示井段內(nèi)所有頻譜和快、慢彎曲波頻散曲線對深度取平均后得到的平均頻譜和平均彎曲波頻散曲線。可以看出聲源的主要能量集中在2 kHz～3.5 kHz頻率段,并且快彎曲波(黑線)和慢彎曲波(紅線)頻譜有較好的相關(guān)性。進(jìn)行深度平均是為了消除單一深度點(diǎn)數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)或頻散分析中的噪聲影響。從彎曲波速度圖中可以看出,在1 093 m～1 094.5 m段的快、慢彎曲波頻散曲線產(chǎn)生交叉,交叉點(diǎn)在2.7 kHz左右。通過上述對彎曲波頻散分析可以看出,在1 093 m～1 094.5 m井段的各向異性是由異常應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性,各向異性方向與水平主應(yīng)力的方向一致,在此基礎(chǔ)上,可以進(jìn)一步的反演井周異常應(yīng)力的大小。

圖5 x13-d1某井各向異性解釋結(jié)果

圖6 x13-d1某井頻散分析結(jié)果

4 結(jié) 論

在分析交叉偶極陣列聲波測井各向異性檢測原理基礎(chǔ)上,對兩口測井資料進(jìn)行了各向異性處理分析。在資料分析的基礎(chǔ)上,得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

1)利用交叉偶極聲波測井儀的四分量測量數(shù)據(jù)可以反演得到地層的各向異性方向和大小,測量的各向異性可能是地層的本征各向異性也可能是應(yīng)力誘導(dǎo)的各向異性。

2)利用譜域加權(quán)法得到的偶極彎曲波頻散曲線可以區(qū)分應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性和本征各向異性。

3)聲源頻譜影響各向異性頻散分析結(jié)果,聲源頻譜越好,頻散分析結(jié)果越可靠。

[1] 楚澤涵.聲波測井原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,1987

[2] Tang,X.M.,and Chunduru,R.K.Simultaneous inversion of formation shear-waveaniso-tropy parameters from crossdipole acoustic-array waveform data[J].Geophysics,1999,64

[3] Sinha,B.K.,and K ostek,S.Stress-induced azimuthal anisotropy in borehole flexural waves[J].Geophysics,1996,61(6)

[4] 曹正良,王克協(xié).同態(tài)處理與譜域加權(quán)相似法在模式波頻散提取中的應(yīng)用[A].第十八屆中國地球物理學(xué)會年刊(北海),2002

[5] 呂秀梅,王克協(xié),謝榮華,等.利用交叉偶極聲波測井資料確定地層各向異性參數(shù)[A].第十八屆中國地球物理學(xué)會年會(北海),2002

P631.8+3

B

1004-9134(2010)05-0061-03

梁曉東,男,1971年生,工程師,1995年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦場地球物理專業(yè),長期從事測井解釋方法研究工作,現(xiàn)任大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司技術(shù)發(fā)展部副主任。郵編:163412

2010-04-20編輯梁保江)

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