張國(guó)棟，莊春喜，黑　創(chuàng)

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580)

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東海西湖凹陷探井儲(chǔ)層壓后縫高評(píng)價(jià)新方法

張國(guó)棟1，莊春喜2，黑創(chuàng)2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580)

針對(duì)東海西湖凹陷多口探井壓裂后，陣列聲波交叉偶極子各向異性方法無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)裂縫縱向高度的技術(shù)難題，研究了評(píng)價(jià)探井儲(chǔ)層壓裂后縫高的新方法。通過(guò)研究壓后裂縫徑向變化特點(diǎn)，利用縱波走時(shí)層析成像技術(shù)重建壓裂前后井壁附近地層的二維速度剖面，如二維速度剖面壓裂后較壓裂前有明顯差異，說(shuō)明儲(chǔ)層被壓開(kāi)；同時(shí)，壓裂后會(huì)在主裂縫周?chē)纬梢幌盗形⒘芽p，通過(guò)偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行成像，可以評(píng)價(jià)裂縫的縱向高度和橫向深度。研究得知，與壓裂前相比，壓裂后形成的裂縫使井壁巖石聲速降低20%，井周裂縫形成的強(qiáng)反射和散射區(qū)域表明井眼周?chē)辽?0 m的范圍內(nèi)形成了明顯的“壓裂體積改造”，通過(guò)對(duì)比可以準(zhǔn)確判斷裂縫的縱向高度，識(shí)別精度可達(dá)0.152 4 m。研究結(jié)果表明，縱波徑向?qū)游龀上窈团紭O聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像2項(xiàng)技術(shù)可以解決無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)探井裂縫高度的難題，提升壓裂后的綜合評(píng)價(jià)效果。

探井；縱波層析成像；偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像；壓裂；裂縫高度；西湖凹陷

西湖凹陷是東海陸架盆地天然氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域，近年在花港組發(fā)現(xiàn)了多套巨厚低孔低滲天然氣儲(chǔ)層[1-2]，但是DST測(cè)試產(chǎn)能低，達(dá)不到商業(yè)產(chǎn)能開(kāi)采下限。為了提高產(chǎn)能，對(duì)多口探井儲(chǔ)層進(jìn)行了壓裂改造，但多數(shù)探井的壓裂效果不太理想，有些儲(chǔ)層物性和含氣性較好，但壓裂后天然氣產(chǎn)能低或直接出水。對(duì)于此類(lèi)儲(chǔ)層，認(rèn)為有2方面的原因：1)壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)和壓裂液選擇不合適；2)壓裂縫高控制不當(dāng)，導(dǎo)致裂縫縱向延伸過(guò)大，壓穿了上下水層導(dǎo)致出水。因此，研究裂縫縱向有效發(fā)育高度評(píng)價(jià)方法就顯得異常重要。

目前，評(píng)價(jià)井筒壓裂裂縫高度常用的測(cè)井方法主要有井溫測(cè)井、同位素測(cè)井、注硼中子測(cè)井、補(bǔ)償中子測(cè)井、偶極聲波測(cè)井等，其思路是根據(jù)井壁存在壓裂裂縫與井壁不存在壓裂裂縫時(shí)在測(cè)井資料上的不同響應(yīng)特征，來(lái)獲得壓裂裂縫高度信息，評(píng)價(jià)水力壓裂效果[3]。其中：井溫測(cè)井精度低，人為因素影響大，一般為輔助手段；同位素測(cè)井和注硼中子測(cè)井作業(yè)操作流程和評(píng)價(jià)原理基本相同，但兩者都有一定的放射性污染，目前應(yīng)用較少；補(bǔ)償中子測(cè)井可以采用非放射性示蹤陶粒，但受壓裂工藝(如脫砂的影響)、壓裂前后儀器類(lèi)型及刻度的影響，測(cè)量結(jié)果具有一定的不確定性[4]；偶極聲波測(cè)井主要通過(guò)對(duì)比壓裂前后時(shí)差的各向異性來(lái)評(píng)價(jià)裂縫高度，該方法技術(shù)成熟，實(shí)施便捷，無(wú)污染，判別時(shí)直觀快速，是目前評(píng)價(jià)壓裂裂縫高度最常用的測(cè)井方法[5-8]。

2013年以來(lái)，西湖凹陷一直使用橫波各向異性來(lái)判斷壓裂裂縫高度，但應(yīng)用效果差別較大，當(dāng)壓裂后形成的是單一方向裂縫時(shí)，壓裂前后時(shí)差的各向異性差別明顯，容易識(shí)別裂縫高度；但當(dāng)壓裂后形成網(wǎng)狀縫時(shí)，儲(chǔ)層壓裂前后聲波的各向異性無(wú)明顯差異，就難以判斷裂縫高度。為此，筆者于2015年初利用縱波走時(shí)層析徑向成像技術(shù)重建了壓裂前后井壁附近地層的二維速度剖面，提出了一種利用壓裂前后縱波層析成像的差異來(lái)識(shí)別壓裂裂縫高度的方法，并結(jié)合偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像技術(shù)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壓裂后各種裂縫的高度，而且還能在一定程度上評(píng)價(jià)裂縫的展布深度(井外20～30 m)，從而大大提升儲(chǔ)層壓裂評(píng)價(jià)效果。

1　縫高評(píng)價(jià)方法及原理

1.1縱波層析成像法

儲(chǔ)層被壓裂后，井壁周?chē)鷰r石發(fā)生破碎，會(huì)產(chǎn)生大量裂縫，使巖石擴(kuò)容，越靠近井壁破碎程度越大，而井壁巖石的波速降低程度則取決于巖石中裂縫的密度[9-10]。因此，從井壁到地層深處，地層波速度呈現(xiàn)出由低到高的徑向變化，據(jù)此可以得到井壁附近裂縫的密度及其影響范圍。若巖石被壓開(kāi)，縱波徑向速度變化率與壓前相比則會(huì)增大；若巖石未被壓開(kāi)，縱波徑向速度變化率與壓前相比則不會(huì)有明顯變化，因此該方法可用于評(píng)價(jià)壓裂裂縫的高度。

陣列聲波測(cè)井儀具有多個(gè)接收器(如圖1所示)，激發(fā)的聲波在波速?gòu)较蛟黾拥牡貙又袀鞑ィ徊煌邮掌鹘邮章暡ǖ膹较蛱綔y(cè)深度有所不同(見(jiàn)圖1中初至波的射線路徑)，源距越短探測(cè)深度越淺，源距越長(zhǎng)探測(cè)的徑向深度越深，所以波的走時(shí)就含有地層變化的信息，從而可以通過(guò)確定地層縱波速度的變化，求出縱波沿井筒附近至原狀地層的速度變化率，利用縱波速度的徑向變化就可以表征儲(chǔ)層在徑向上的破損程度。

圖1　速度徑向變化地層中的聲波射線路徑示意Fig.1　Pathways of acoustic rays in formations with velocity radial changes

筆者采用B.E.Hornby提出的射線追蹤法[11]建立縱波徑向速度剖面，用以描述波速沿井眼軸向z和徑向r的變化。縱波徑向?qū)游龀上裉幚淼闹饕鞒倘缦拢?/p>

1) 基于貝葉斯準(zhǔn)則和自回歸模型，利用高精度時(shí)差提取方法獲得實(shí)測(cè)陣列波形的走時(shí)Tn，其中n表示某個(gè)接收器，n=1，2，3，…。走時(shí)的準(zhǔn)確提取是徑向?qū)游龀上竦年P(guān)鍵，具體可參閱文獻(xiàn)[12]。

2) 采用文獻(xiàn)[11]給出的射線追蹤法，選取二維速度剖面初始迭代模型(共有m×s個(gè)網(wǎng)格點(diǎn))，計(jì)算聲波走時(shí)tn：

(1)

式中：Sn(vn)為依賴于地層速度模型vn(r,z)的聲波傳播的最短路徑。

3) 利用最小二乘法，求取滿足實(shí)測(cè)走時(shí)‖Tn-tn‖min的速度模型Vn(r,z)，其中Vn(r,z)?vn(r,z)。

4) 將步驟3)得到的模型設(shè)定為新的初始迭代模型，重復(fù)步驟3)，直至遍歷每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，即可得到徑向聲速層析剖面。

圖2為XX-3井H4層壓裂前后縱波徑向?qū)游龀上駥?duì)比圖。其中，第4道為壓裂前的縱波層析成像圖，第5道為壓裂后的縱波層析成像圖，圖中的變化是徑向上聲速與原狀地層聲速相對(duì)差別的百分比，由深紅色到藍(lán)色，對(duì)應(yīng)的速度變化率為20%～0，探測(cè)范圍為井壁至井眼周?chē)? m。通過(guò)壓裂前后縱波層析圖可以明顯看到，壓裂后縱波徑向速度發(fā)生了明顯變化，這表明此區(qū)間的巖石發(fā)生了破碎，裂縫在縱向上的延伸范圍為4 032.00～4 124.00 m，裂縫縱向延伸較長(zhǎng)，在壓裂液體積有限的情況下(海上壓裂規(guī)模較小，一般壓裂液體積為250～400 m3)，裂縫徑向延伸會(huì)較淺，無(wú)法充分改善儲(chǔ)層的滲流條件，導(dǎo)致壓裂后產(chǎn)氣效果不佳，該井壓裂后僅見(jiàn)到微量氣。第3道是壓裂前后時(shí)差各向異性的對(duì)比，可以看出壓裂前后無(wú)明顯差別，難以判斷縫高。而壓裂前后縱波徑向?qū)游龀上駝t有顯著的差異性，能夠比較準(zhǔn)確地判斷裂縫高度，所以該方法明顯優(yōu)于時(shí)差各向異性對(duì)比法。

圖2　XX-3井H4層壓后聲波時(shí)差各向異性和縱波層析成像評(píng)價(jià)組合Fig.2　Acoustic time anisotropy and radial compression-wave velocity variation imaging for fractures in H4 layer of Well XX-3

1.2偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像法

X.M.Tang[13]于2004年提出了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像方法，該方法采用偶極子聲源在井中向井外發(fā)射橫波，并在井中接收由井外地質(zhì)體反射回來(lái)的橫波。圖3為單井偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的原理示意圖。從圖3可以看出，偶極子聲源向井外輻射的彎曲波，可分解為平行于反射體的水平偏振的橫波(SH波)和垂直于反射體的垂向偏振的橫波(SV波)，SH波和SV波遇到反射體后會(huì)形成反射波而被接收器接收到，通過(guò)對(duì)接收到的反射波信息進(jìn)行提取，就可以得到反射體的位置及走向[13]。偶極子聲源的頻率約為2～5 kHz，橫向探測(cè)深度較深(可達(dá)20～30 m)。此外，由于偶極子聲源的指向具有方向性，采用多分量(實(shí)際中為四分量)的偶極發(fā)射和接收，可以確定反射體界面的方位[14]。但該方法不能確定該反射體是在井的右側(cè)還是井的左側(cè)，換言之，該方法只能確定反射體的走向，不能確定其傾向(具有180°不確定性)。

圖3　單井偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的基本原理Fig.3　Fundamental principles of dipole acoustic imaging

儲(chǔ)層被壓裂后，一般會(huì)有單向縫和網(wǎng)狀縫2種裂縫形態(tài)，不管形成哪種類(lèi)型的裂縫，在主裂縫的周?chē)紩?huì)產(chǎn)生大量走向不過(guò)井眼的微裂縫[15]，裂縫切面如圖4所示。這些裂縫就像在井眼周?chē)l(fā)育的一個(gè)個(gè)反射界面，而在偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像圖上，儲(chǔ)層被壓開(kāi)處會(huì)看到明顯的反射界面，沒(méi)有壓開(kāi)的地方則與壓裂前的偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像圖基本保持一致，通過(guò)對(duì)比壓裂前后偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像有助于評(píng)價(jià)裂縫井眼軸向上的發(fā)育高度。

圖4　壓裂后裂縫發(fā)育示意(切面圖)Fig.4　Fracture development after fracturing operations (cross section)

2　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

縱波徑向?qū)游龀上窈团紭O聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像技術(shù)在東海西湖凹陷2口探井儲(chǔ)層壓后裂縫高度評(píng)價(jià)中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的效果。2口井均進(jìn)行了壓裂后陣列聲波測(cè)井，下面以XX-8井為例介紹其具體試驗(yàn)情況。

對(duì)XX-8井P4砂層進(jìn)行了水力壓裂改造，壓裂后初期平均產(chǎn)氣量約4.0×104m3/d，壓裂改造較為成功，壓裂后進(jìn)行了偶極陣列聲波測(cè)井。該井壓裂前后聲波時(shí)差各向異性分析結(jié)果如圖5第3道所示，可以看出壓裂前后時(shí)差的各向異性并沒(méi)有明顯差別，無(wú)法準(zhǔn)確判斷壓裂裂縫的高度。為此，對(duì)該井進(jìn)行了縱波徑向?qū)游龀上窈团紭O聲波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)處理，結(jié)果見(jiàn)圖5。其中，第4道和第5道為壓裂前后縱波徑向?qū)游龀上駥?duì)比，可見(jiàn)在 4 195.00～4 260.00 m井段壓裂前后有明顯差異，顯示該井段井壁附近的巖石被壓開(kāi)，所以壓裂裂縫的高度為65.00 m。

圖5　XX-8井P4層壓后縱波徑向?qū)游龀上窈团紭O聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像組合Fig.5　Combination of radial compression-wave velocity variation image and dipole acoustic image after fracturing in Layer P4 of Well XX-8

為了得到該井壓裂后裂縫更準(zhǔn)確的發(fā)育高度，對(duì)陣列聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像處理，其主要處理流程(見(jiàn)圖6)為：1)數(shù)據(jù)加載，該井?dāng)?shù)據(jù)為四分量正交偶極數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好；2)數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要是針對(duì)不同振型的波形，進(jìn)行濾波處理，去除一些低頻、高頻和噪聲，并對(duì)周期較長(zhǎng)的彎曲波進(jìn)行壓陣處理；3)成像處理，主要是波場(chǎng)分離和偏移成像；4)成像后處理，通過(guò)數(shù)值圖像處理技術(shù)，壓制干擾噪聲，突出有效反射信號(hào)[16]。由于該井陣列聲波數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，遠(yuǎn)探測(cè)成像質(zhì)量較好，如圖5第7道和第8道所示，4 200.00～4 240.00 m井段壓裂后有明顯的強(qiáng)反射界面，顯示該井段巖石被壓開(kāi)，裂縫高度約40.00 m。

圖6　偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像處理流程Fig.6　Processing of dipole acoustic images

從分析效果看，縱波層析成像和偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差別，前者顯示裂縫發(fā)育井段為4 195.00～4 260.00 m，而后者則顯示發(fā)育井段為4 200.00～4 240.00 m。分析認(rèn)為，其原因是縱波層析成像主要利用直達(dá)縱波，反映的是井眼周?chē)s1 m范圍內(nèi)的地層速度變化率；而偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像利用的是反射橫波，反映的是遠(yuǎn)井筒處的反射面，兩者的分析對(duì)象有所不同，所以需要將兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

綜合分析認(rèn)為，4 195.00～4 260.00井段都發(fā)生了破裂，但是橫向延伸主裂縫主要在4 200.00～4 240.00 m井段發(fā)育，裂縫橫向延伸遠(yuǎn)，至少在井眼周?chē)?0 m范圍內(nèi)看到了明顯的微裂縫發(fā)育。但是4 200.00～4 240.00 m井段儲(chǔ)層未被充分壓開(kāi)，改造程度不夠，僅在井壁附近發(fā)生了破裂，這在一定程度上影響了測(cè)試產(chǎn)能。

通過(guò)兩口井的實(shí)際應(yīng)用可以看出，壓裂后形成的裂縫使原狀地層巖石聲速降低20%左右，井周裂縫形成的強(qiáng)反射和散射區(qū)域表明井眼周?chē)辽?0 m范圍內(nèi)形成了明顯的“壓裂體積改造”，通過(guò)對(duì)比可以準(zhǔn)確判斷裂縫的縱向高度，識(shí)別精度可達(dá)0.152 4 m。需要說(shuō)明的是，由于儀器的采集記錄時(shí)長(zhǎng)有限，目前的常規(guī)陣列聲波儀器的偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像只能探測(cè)到井外20～30 m，此深度之外裂縫的橫向延伸情況目前無(wú)法評(píng)價(jià)。

3　結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1) 陣列聲波測(cè)井是評(píng)價(jià)東海西湖凹陷探井壓裂裂縫高度的主要手段，實(shí)踐表明，壓裂后形成單一方向的裂縫時(shí)，通過(guò)對(duì)比壓裂前后時(shí)差的各向異性評(píng)價(jià)裂縫高度效果較好。如果壓裂后形成的是網(wǎng)狀縫，則不同方向時(shí)差各向異性無(wú)明顯差別，借助于時(shí)差各向異性難以評(píng)價(jià)裂縫高度。

2) 縱波層析成像和偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像2種陣列聲波測(cè)井處理方法，能夠彌補(bǔ)聲波時(shí)差各向異性的不足，不僅可以有效判別壓裂裂縫高度，還可以在一定范圍內(nèi)評(píng)價(jià)壓裂裂縫的徑向長(zhǎng)度，進(jìn)一步提升了壓后評(píng)價(jià)效果。目前該技術(shù)已經(jīng)在西湖凹陷2口探井進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了較好的效果。

3) 采用陣列聲波測(cè)井方法評(píng)價(jià)壓裂裂縫高度時(shí)，建議綜合使用聲波時(shí)差各向異性、縱波層析成像和偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像等處理方法，以提高評(píng)價(jià)精度。

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[編輯令文學(xué)]

New Techniques for Fracture Height Determination in Exploration Wells Drilled in the Xihu Sag,East China Sea

ZHANG Guodong1,ZHUANG Chunxi2,HEI Chuang2

(1.ShanghaiBranchofCNOOCLtd.,Shanghai,200335,China; 2.SchoolofGeosciences&Technology,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China)

Anisotropy analyses of conventional array acoustic cross dipole data failed to determine the vertical heights of fractures formed in reservoir formations in exploration wells drilled in the Xihu Sag,East China Sea.To eliminate such technical challenges,innovative techniques have been developed to determine the fracture heights in reservoir formations after fracturing in such exploration wells.To determine the features in radial directions after fracturing operations,2D velocity profiles for formations in vicinity of sidewalls before and after fracturing were created by using the longitudinal wave travel time tomography technique.It was found that such fracturing operations might make a huge difference such velocity profiles if the formation were fractured successfully.Meanwhile,the hydraulic fracturing operations might also create a series of micro-fractures around the major fractures.Capable of detecting those micro-fractures,the dipole acoustic far-field images could be used to determine heights and widths of the resulting fractures.Research results showed that the acoustic speed reduced by 20% after the fracture were created near the wellbore,whereas the strong acoustic reflection and scattering confirm the presence of volumetric fractures were created within 20 m around the well.The dipole acoustic far-field images could identify the fracture heights with high resolution up to 0.152 4 m.Combination of the longitudinal wave travel time tomography technique and the dipole acoustic far-field images could effectively enhance accuracy in the determination of fracture heights in exploration wells.Eventually,the comprehensive performances of fracturing operations can be assessed more accurately.

exploratory well; radial compression-wave velocity variation imaging; dipole acoustic imaging; fracturing; fracture height; Xihu Sag

2016-01-18；改回日期：2016-08-01。

張國(guó)棟(1984—)，男，山東成武人，2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)資源勘查專業(yè)，工程師，從事測(cè)井研究與管理工作。E-mail:zhanggd4@cnooc.com.cn。

中國(guó)海洋石油總公司重大科研項(xiàng)目“東海低孔低滲氣藏勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐”(編號(hào):CNOOC-KJ 125 ZDXM 07 LTD 04 SH 2011)、山東省自然科學(xué)基金“非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂裂縫延伸長(zhǎng)度的過(guò)套管聲波測(cè)井評(píng)價(jià)應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(編號(hào):ZR2014DL009)資助。

?測(cè)井錄井?doi:10.11911/syztjs.201605021

P631.8+14；TE357.1+1

A

1001-0890(2016)05-0122-05