柴 婧, 楊 濤， 朱家俊

(1.中國石化勝利石油工程有限公司 測井公司,山東 東營 257096; 2.中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000)

一基于新一代聲波掃描測井評(píng)價(jià)泥頁巖各向異性

柴 婧1, 楊 濤1， 朱家俊2

(1.中國石化勝利石油工程有限公司 測井公司,山東 東營 257096; 2.中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000)

以頁巖油氣為代表的非常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)逐漸成為現(xiàn)今勘探研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。頁巖地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,縱、橫向均存在較強(qiáng)的各向異性,直接影響著巖石力學(xué)參數(shù)及壓裂施工效果的評(píng)價(jià)。新一代聲波掃描測井SonicScanner由于可以直接獲取縱、橫向的橫波資料,從而使得評(píng)價(jià)地層的三軸各向異性成為可能。以勝利油區(qū)東營凹陷湖相頁巖為例,介紹新一代聲波掃描測井儀器在評(píng)價(jià)巖石力學(xué)參數(shù)及地層各向異性等方面的應(yīng)用,以加強(qiáng)和深化該測井新方法在非常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果。

聲波掃描測井;裂縫評(píng)價(jià);橫波時(shí)差

近幾年,隨著泥頁巖非常規(guī)油氣勘探熱度的不斷提升,國內(nèi)外各大石油公司紛紛加強(qiáng)了對(duì)該類油藏的綜合評(píng)價(jià)攻關(guān)工作,一系列相關(guān)的研究成果也應(yīng)運(yùn)而生,但仍有一些關(guān)鍵問題如地層各向異性的評(píng)價(jià),直接制約著基于巖石力學(xué)理論進(jìn)行的可壓性分析[1-5]。斯倫貝謝近期的研究表明,楊氏模量、泊松比、最小水平主應(yīng)力這三個(gè)因素是估算地層可壓性的主要參數(shù),特別是彈性參數(shù)的各向異性評(píng)價(jià)更為關(guān)鍵[6]。其新一代聲波測井儀器SonicScanner聲波掃描測井可以記錄完整的聲波信息,同時(shí)獲得多個(gè)探測深度的縱向、橫向橫波數(shù)據(jù),通過結(jié)合密度測井得到三個(gè)不同方位的地層巖石力學(xué)參數(shù),從而為頁巖油氣地層的綜合評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)支持。筆者分別從儀器原理和實(shí)際應(yīng)用效果方面進(jìn)行闡述。

1 SonicScanner聲波掃描測井原理

作為一種通過在井中發(fā)射聲波和接收記錄來反映地層信息的技術(shù)方法,聲波測井是目前油田勘探中應(yīng)用最為廣泛的測井方法之一。伴隨著勘探開發(fā)程度的深入和所面臨對(duì)象的日趨復(fù)雜,聲波測井的采集手段和應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)展。從最早期20世紀(jì)50～60年代的單發(fā)雙收、雙發(fā)雙收到70～80年代的長源距聲波、陣列聲波,再到90年代的偶極橫波(DSI),聲波測井技術(shù)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展,逐漸發(fā)展到可以直接獲取地層橫波信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)地層聲學(xué)各向異性的評(píng)價(jià)。但是與電磁和核測井儀器相比,聲波儀器下入井內(nèi)會(huì)對(duì)其測量產(chǎn)生較大影響,因此斯倫貝謝公司在DSI儀器基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),研制出新一代聲波測井儀SonicScanner,其在儀器原理上沒有質(zhì)的差別,但是儀器的結(jié)構(gòu)、聲源的頻率范圍都有很大的變化,其設(shè)計(jì)、材料和組件都經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)。可以對(duì)其影響進(jìn)行模擬,使得該儀器測量的信息量更大,探測地層信息更為精確,從而滿足致密非常規(guī)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的需要[7]。

圖1為該測井儀器的發(fā)射-接收電源結(jié)構(gòu)圖,SonicScanner儀器共有5個(gè)發(fā)射電源:上單極源、下單極源和遠(yuǎn)單極源,以及兩個(gè)正交擺放的偶極聲源,在上、下單極源之間共有13組104個(gè)接收器。三個(gè)單極發(fā)射器能夠獲取長源距和短源距數(shù)據(jù)進(jìn)行不同探測深度的井眼補(bǔ)償,兩個(gè)正交的偶極發(fā)射器能產(chǎn)生彎曲波,用于描述慢地層和各向異性地層的橫波慢度。該儀器具有以下特點(diǎn)[5]:

(1)頻率更寬,使用長和短單極發(fā)射器-接收器間距能夠描述地層的均質(zhì)程度和各向異性。

(2)信噪比更高,單極發(fā)射器可以增強(qiáng)低頻輸出,偶極發(fā)射器可以獲取更高的輸出能量、更高信噪比的聲波、更寬的帶寬、更低的能耗,因此可以盡可能多地獲取地層信息。

(3)方位陣列更全,聲波掃描平臺(tái)有13個(gè)測點(diǎn),每個(gè)點(diǎn)有8個(gè)接收器。兩個(gè)單極發(fā)射器位于聲波掃描儀器的兩端,完成0.914 4 m和1.524 m水泥膠結(jié)測井,短、長發(fā)射器-接收器間距組合使用儀器能夠測量蝕變地層,提供徑向剖面,提高井眼附近流體和應(yīng)力相關(guān)巖石性質(zhì)的測量精度。

圖1 斯倫貝謝SonicScanner儀器結(jié)構(gòu)

2 各向異性分析的必要性和手段

頁巖油氣地層求產(chǎn)之前一般要做可壓性評(píng)價(jià),原因在于頁巖油氣開采主要依賴大型的水力壓裂。若地層存在強(qiáng)烈的各向異性,如天然裂縫的存在往往會(huì)導(dǎo)致水力壓裂的裂縫轉(zhuǎn)向,進(jìn)而影響水力壓裂效果,因此地層各項(xiàng)異性評(píng)價(jià)是頁巖油氣開發(fā)過程中不可或缺的重要內(nèi)容。

國內(nèi)外諸多文獻(xiàn)均曾闡述,地層中許多巖石都呈現(xiàn)各向異性,最為常見便是頁巖的各向異性[8-9],傳統(tǒng)的解釋模型中,由于缺乏不同方位的橫波數(shù)據(jù),聲波解釋模型只能以無限均質(zhì)地層以及各向同性為假設(shè)前提,而地層是否具有各向異性也無從判斷。而事實(shí)上,由于井周地應(yīng)力的不均衡、橢圓井眼、地層傾角等因素的存在,常常導(dǎo)致頁巖油藏在橫向具有的非均質(zhì)性更為復(fù)雜[6]。SonicScanner儀器通過設(shè)定不同的發(fā)射及接收源距可以實(shí)現(xiàn)全三維的地層描述,通過寬帶頻測量及井眼全模式聲波采集,提取出地層的三維聲學(xué)特性,實(shí)現(xiàn)對(duì)各向異性的評(píng)價(jià)[6]。

地層各向異性的評(píng)價(jià)可以通過縱橫向的彈性參數(shù)差異進(jìn)行反映。根據(jù)波動(dòng)理論、利用聲波掃描儀器測量得到的縱橫波時(shí)差結(jié)合密度測井資料,便可計(jì)算出以計(jì)算地層剪切模量、體積模量、泊松比、楊氏模量等彈性力學(xué)參數(shù)值,由于聲波掃描測井可以提供水平和垂直不同方位的橫波時(shí)差,因此上述計(jì)算的泊松比和楊氏模量也相應(yīng)地具有方向性。圖2為斯倫貝謝各向異性條件下各模量的示意圖,其中(c66-c44)/2c44一般作為地層各向異性的指示。

剪切模量

體積模量

動(dòng)態(tài)楊氏模量

動(dòng)態(tài)泊松比

式中,ρb為實(shí)測的密度,g/cm3;Δts為測量的橫波時(shí)差,μs/m;Δtp為測量的縱波時(shí)差,μs/m;G為剪切模量,GPa;K為體積模量,GPa;Ed為動(dòng)態(tài)楊氏模量，GPa;μd為動(dòng)態(tài)泊松比。

圖2 縱、橫波各項(xiàng)異性模型下模量示意圖

地層的各向異性與巖石的可壓性也有著密切的關(guān)系,評(píng)價(jià)可壓性的關(guān)鍵參數(shù)有楊氏模量、泊松比、最小水平主應(yīng)力等。一方面,當(dāng)楊氏模量越大,泊松比越小、最小水平主應(yīng)力越小時(shí),地層可壓性越好;另一方面,當(dāng)縱向和橫向測量的彈性參數(shù)差異較小時(shí),表明地層較為均質(zhì),可壓性良好。若計(jì)算的縱橫向楊氏模量差別較大時(shí),說明該巖石的閉合應(yīng)力比各向同性的巖石高,這類各向異性層段中的巖石一般黏土含量高,而且往往存在易吸水膨脹的黏土,這些黏土含量高的層段一般不適合布置水平井,也不適合實(shí)施水力壓裂,求產(chǎn)過程中難以保持裂縫的導(dǎo)流能力,支撐劑往往會(huì)嵌入塑性地層中,從而影響壓裂效果[10]。

3 實(shí)例處理及分析

A井為勝利油田東營凹陷的一口頁巖重點(diǎn)取心井,其目的層段為沙四上亞段烴源巖。主要巖性為湖相暗色泥質(zhì)巖,發(fā)育紋層狀泥巖和油頁巖,紋層結(jié)構(gòu)保存完好,類似于季候紋層。紋層結(jié)構(gòu)特指水平層理密集產(chǎn)出而使巖石呈現(xiàn)的紋層狀現(xiàn)象[11],層厚多在1 mm以下,且相鄰層成分差異大,色度上往往“深淺相間”。紋層成分主要為泥質(zhì)紋層、富有機(jī)質(zhì)泥質(zhì)紋層和灰質(zhì)紋層組成,偶見砂質(zhì)紋層。從薄片鏡下觀察看,紋層厚度常薄至<0.01 mm,一般厚度在0.02～0.20 mm之間,呈平直、微波狀形態(tài)(圖3(a));從電成像的響應(yīng)來看,主要為明暗交互的結(jié)構(gòu)(圖3(b)),也在一定程度上說明了其層理特性。

該井目的層同時(shí)采集了常規(guī)測井和新技術(shù)系列測井資料,可以滿足巖石各向異性的評(píng)價(jià)。以往的研究中,由于缺乏縱橫向的橫波數(shù)據(jù),因此未進(jìn)行縱橫向彈性模量的對(duì)比,進(jìn)而各向異性的評(píng)價(jià)也便無從談起。此次研究中依據(jù)聲波掃描測井資料,借助建立的巖石力學(xué)模型對(duì)楊氏模量、泊松比及最小水平主應(yīng)力等參數(shù)分別進(jìn)行了計(jì)算。下面將分別從楊氏模量、泊松比和最小水平主應(yīng)力逐一介紹。

該井目的層同時(shí)采集了常規(guī)測井和新技術(shù)系列測井資料,可以滿足巖石各向異性的評(píng)價(jià)。以往的研究中,由于缺乏縱橫向的橫波數(shù)據(jù),因此未進(jìn)行縱橫向彈性模量的對(duì)比,進(jìn)而各向異性的評(píng)價(jià)也便無從談起。此次研究中依據(jù)聲波掃描測井資料,借助建立的巖石力學(xué)模型對(duì)楊氏模量、泊松比及最小水平主應(yīng)力等參數(shù)分別進(jìn)行了計(jì)算。下面將分別從楊氏模量、泊松比和最小水平主應(yīng)力逐一介紹。

圖3 A井湖相頁巖層理鏡下特征及電成像響應(yīng)

圖4為A井的巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算成果,前3道為常規(guī)的9條測井曲線;第5道為錄井的巖性剖面,該井目的層段的主要巖性為泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁巖等;第6道為計(jì)算的水平和垂直動(dòng)態(tài)楊氏模量;第8道為計(jì)算的水平和垂直的靜態(tài)泊松比。從計(jì)算的數(shù)值可以看到,該井儲(chǔ)層段楊氏模量在8～12 GPa左右,靜態(tài)泊松比介于0.24～0.29左右,與國內(nèi)外公布的頁巖層段可壓性參數(shù)相比,屬中等范圍,另外橫向與縱向的彈性參數(shù)比值介于1.2～1.5,表明頁巖地層雖然不同方向模量存在一定差異,但總體差異不大,易于水平方向的壓裂。

圖4 A井彈性力學(xué)參數(shù)計(jì)算成果

第7道為水平主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,紅色虛線為計(jì)算的最小水平主應(yīng)力,藍(lán)色曲線為最大水平主應(yīng)力。從圖中可以看出,A井的最小水平主應(yīng)力55～62 kPa,表明該區(qū)目的層的構(gòu)造應(yīng)力不大。同時(shí),最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值約為1.1,差異較小。結(jié)合前述縱、橫向楊氏模型和泊松比的分布范圍,綜合判斷A井目的層頁巖各向異性不明顯,巖石可壓性為中等。該井的處理結(jié)果解決了多年來對(duì)于東營凹陷頁巖地層各向異性的認(rèn)識(shí)問題,對(duì)頁巖油氣地層的勘探工作起到了一定的輔助作用。

4 結(jié)束語

測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和合理解釋是解決頁巖油氣地質(zhì)問題的關(guān)鍵一環(huán),基于聲波掃描測井資料對(duì)東營凹陷沙四上層段頁巖油氣地層進(jìn)行了各項(xiàng)異性評(píng)價(jià),其結(jié)果改善了對(duì)頁巖地層聲波非均質(zhì)性的屬性描述,有助于提高勘探工作者對(duì)測井資料的解釋精度。

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[責(zé)任編輯] 董大偉

2015-10-20

柴 婧(1985—),女,山東菏澤人,中國石化勝利石油工程有限公司測井公司工程師,主要從事復(fù)雜儲(chǔ)層測井解釋及評(píng)價(jià)研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.04.001

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