唐曉明, 李盛清, 許松, 蘇遠(yuǎn)大, 莊春喜

(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)

0 引 言

近年來(lái),中國(guó)西南四川盆地頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)取得了突破性進(jìn)展。為了實(shí)施水力壓裂以提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量,該地區(qū)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)采用了大量的水平井。在此過(guò)程中,裂縫識(shí)別與特征描述對(duì)于井眼軌跡的規(guī)劃和油氣藏的評(píng)價(jià)十分重要。地震勘探的數(shù)據(jù)表明,該區(qū)域普遍存在與構(gòu)造相關(guān)的地震波方位各向異性[1],而這種方位各向異性的成因主要是由地層中高傾角地質(zhì)體的有序排列引起的,這些有序排列的地質(zhì)體很有可能就是構(gòu)造裂縫。直接深入儲(chǔ)層內(nèi)部的井下測(cè)量可以提供裂縫存在的第一手證據(jù),描述儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征,并對(duì)地震波各向異性的裂縫成因進(jìn)行甄別。雖然對(duì)該地區(qū)的幾口井進(jìn)行了取心采樣,但由于巖心數(shù)量較少和尺寸的限制,很難判斷儲(chǔ)層裂縫是否發(fā)育。聲波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)[2],尤其是近些年發(fā)展起來(lái)的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)[3-7],可以用于探測(cè)井旁較大范圍內(nèi)的裂縫體系并描述頁(yè)巖氣藏的裂縫發(fā)育特征。

本文對(duì)四川焦石壩頁(yè)巖氣水平井的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析了頁(yè)巖地層水平井井孔聲場(chǎng)及遠(yuǎn)探測(cè)聲場(chǎng)的傳播特征,利用四分量偶極聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行橫波各向異性處理,分別獲得水平偏振(SH)和垂直偏振(SV)的橫波數(shù)據(jù)及波速。在此基礎(chǔ)上,采用橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行井外反射體的成像處理。處理結(jié)果為頁(yè)巖氣水平井聲學(xué)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)提供了有效的處理方法和較好的應(yīng)用前景。

圖1 頁(yè)巖氣工區(qū)中某井的地震波各向異性剖面[1]

1 水平井各向異性地層中的裂縫探測(cè)

圖1給出了焦石壩地區(qū)某井區(qū)地震波方位各向異性的剖面圖[1],其中紅色表示各向異性較強(qiáng)的區(qū)間。由圖1可見(jiàn),焦石壩優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)層所在的龍馬溪組包含了各向異性較強(qiáng)的層位,有可能是儲(chǔ)層中中小型裂縫的密集發(fā)育造成的,而這種裂縫發(fā)育有利于油氣的保存和開(kāi)發(fā)。圖1中還給出了該井區(qū)井眼的軌跡,可以明顯地看出該井的水平段穿過(guò)了各向異性較強(qiáng)的層位。如果是儲(chǔ)層中發(fā)育的裂縫產(chǎn)生了地震波各向異性,那么水平井中的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井就能夠證實(shí)裂縫的存在。

橫波遠(yuǎn)探測(cè)對(duì)儲(chǔ)層中的裂縫探測(cè)十分有效。在彈性波傳播的理論中,常用滑移界面理論來(lái)表征裂縫的影響[8]。對(duì)于偏振與裂縫平行的入射橫波,裂縫界面的反射系數(shù)為

(1)

式中,ω為波動(dòng)圓頻率;Z為裂縫所處介質(zhì)的剪切波阻抗;ηT為裂縫的剪切剛度。當(dāng)裂縫開(kāi)啟或被油氣等流體介質(zhì)充填時(shí),其剪切剛度ηT趨于0,這時(shí)的反射系數(shù)趨于1,入射橫波大部被反射;反之,若裂縫閉合或被固體礦物充填,剪切剛度ηT變得很大,這時(shí)的反射系數(shù)趨于0,裂縫對(duì)入射波“透明”。

根據(jù)以上理論,用橫波進(jìn)行裂縫探測(cè),相對(duì)于縱波而言,具有較高的探測(cè)靈敏度。此外,由于偶極聲源的方位輻射特征,其產(chǎn)生的橫波在聲源指向與裂縫走向平行的方向上反射最強(qiáng)[4],這是偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)確定裂縫走向的基本理論依據(jù)。

對(duì)于頁(yè)巖氣藏水平井的偶極橫波成像及裂縫探測(cè),必須要考慮頁(yè)巖的各向異性對(duì)成像處理的影響。水平井偶極橫波測(cè)井時(shí),偶極聲源產(chǎn)生SV和SH兩種類型的橫波,一部分能量沿井孔傳播;另一部分輻射進(jìn)入地層內(nèi)部,且SV和SH橫波的偏振方向分別在垂直面和水平面內(nèi)(見(jiàn)圖2)。水平的頁(yè)巖儲(chǔ)層通常被認(rèn)為是一種VTI(vertical transverse isotropy)介質(zhì),由于該介質(zhì)的各向異性特征,SV和SH橫波的速度和傳播特征明顯不同。因此,為了解決各向異性問(wèn)題,采用四分量交叉偶極各向異性技術(shù)[9]和偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像技術(shù)相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和解釋。

圖2 水平井中偶極橫波各向異性測(cè)量與遠(yuǎn)探測(cè)成像示意圖(偶極聲源沿井孔產(chǎn)生快慢橫波,輻射SH和SV橫波,分別對(duì)近井地層界面與豎直裂縫成像)

利用四分量交叉偶極聲波各向異性技術(shù)可以確定井周橫波的方位各向異性[9],該技術(shù)同樣也適用于水平井橫波成像的情況。各向異性的求解利用旋轉(zhuǎn)四分量數(shù)據(jù)得到快慢橫波,以此來(lái)確定各向異性大小和快橫波偏振方位。對(duì)于圖2所示VTI頁(yè)巖地層中的水平井,快橫波為水平面內(nèi)偏振的SH波,慢橫波為豎直面內(nèi)偏振的SV波。水平面內(nèi)偏振的SH波最適用于井孔上下方的水平反射體(地層界面等)的成像,而豎直面內(nèi)偏振的SV波則適用于對(duì)井孔四周的垂直反射體(裂縫等)進(jìn)行成像。此外,各向異性處理得到的SH和SV橫波速度可直接用作SH和SV橫波的遠(yuǎn)探測(cè)成像處理。

圖3 大斜度井的偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像實(shí)例(圖(a)顯示快(SH)橫波成像看到的斜井上、下方的地層界面,圖(b)顯示慢(SV)橫波成像探測(cè)到的儲(chǔ)層內(nèi)的豎直裂縫)

以某大斜度井的偶極聲波遠(yuǎn)探測(cè)成像為例(見(jiàn)圖3)說(shuō)明上述處理方法的效果。聲波數(shù)據(jù)來(lái)自某頁(yè)巖氣工區(qū)。當(dāng)井斜角為70o的探井穿過(guò)頁(yè)巖儲(chǔ)層上部的界面時(shí),用快橫波獲得的SH波的成像[見(jiàn)上圖3(a)]可以清晰地顯示探井上方和下方的一系列地層界面。進(jìn)入儲(chǔ)層后,井斜變緩,用慢橫波獲得的SV波成像探測(cè)到2個(gè)過(guò)井的反射體[見(jiàn)圖3(b)]。根據(jù)上述水平井SV波成像原理,這2個(gè)反射體即為儲(chǔ)層中的豎直裂縫。下面用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)例來(lái)進(jìn)一步闡述井孔橫波各向異性和遠(yuǎn)探測(cè)成像技術(shù)在頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井中的應(yīng)用。

2 實(shí)例分析

以某高產(chǎn)氣井為例,該井水平層段長(zhǎng)約2 km,位于圖1所示的工區(qū)附近。圖1的地震波(縱波)各向異性分析表明儲(chǔ)層區(qū)域有明顯的各向異性。由于縱波方位各向異性很多是由有序排列的地質(zhì)體引起的,該分析結(jié)果表明該區(qū)域可能發(fā)育有有序排列的中小型裂縫。

2.1 頁(yè)巖水平井的橫波各向異性處理

利用多極子陣列聲波測(cè)井儀器對(duì)該水平井測(cè)量獲得四分量偶極聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),利用橫波方位各向異性反演方法[9]可得到該頁(yè)巖氣藏的各向異性特征。井周方位各向異性的大小可通過(guò)快橫波(SH波)與慢橫波(SV波)的速度差異來(lái)確定。此外,對(duì)于水平井情況而言,該方法獲得的方位各向異性即為頁(yè)巖儲(chǔ)層的VTI各向異性。

圖4 頁(yè)巖地層水平井偶極橫波各向異性處理結(jié)果(快慢橫波呈現(xiàn)明顯的分裂現(xiàn)象(第2道)和較強(qiáng)各向異性(第3道),右側(cè)玫瑰圖表明快橫波偏振方位為水平向)

處理結(jié)果表明,在全井段范圍內(nèi)都存在明顯的VTI各向異性。為了更加清楚地顯示該各向異性的特征,圖4給出120 m井段的各向異性分析結(jié)果。圖4中第1道給出自然伽馬曲線和井斜曲線,其中,井斜值近乎90°,證明該井段為水平井;第2道給出快橫波(紅色)和慢橫波(藍(lán)色)的波形,對(duì)比兩者波形可以清楚地看到慢橫波明顯滯后于快橫波,該現(xiàn)象即為各向異性引起的橫波分裂現(xiàn)象。第3道的陰影區(qū)域分別給出陣列各向異性(紅色陰影)和平均各向異性(灰色陰影),兩者在此井段的各向異性均在12%左右。圖4右側(cè)的玫瑰圖表示快橫波在垂直于井軸平面內(nèi)的偏振方向;對(duì)于水平井而言,玫瑰圖中的豎直向(V)對(duì)應(yīng)井孔的高端。因此,玫瑰圖中的值對(duì)應(yīng)水平向(H)表明快橫波的偏振方向?yàn)樗椒较?。各向異性處理結(jié)果表明:第2道中快橫波為水平向偏振的SH波,慢橫波則為豎直向偏振的SV波。

2.2 頁(yè)巖水平井的橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像處理

各向異性分析表明該方法在VTI頁(yè)巖地層水平井中得到的快、慢橫波分別對(duì)應(yīng)著地層中的SH和SV橫波,由此得到的波形數(shù)據(jù)可以很方便地用來(lái)對(duì)井孔周?chē)牡刭|(zhì)構(gòu)造進(jìn)行成像。依據(jù)偶極聲波儀器信號(hào)的發(fā)射接收示意圖,當(dāng)偶極聲源和接收器的指向都在豎直面內(nèi)時(shí),儀器向井外地層輻射并接收豎直面內(nèi)偏振的SV波,該波形數(shù)據(jù)可用來(lái)探測(cè)井孔兩旁的豎直構(gòu)造(見(jiàn)圖2)。同理,可應(yīng)用圖2中的示意對(duì)SH波進(jìn)行類似的描述,并用該SH波來(lái)探測(cè)井旁上下的地層構(gòu)造。綜上所述,圖4中所示的慢(快)波數(shù)據(jù)中包含了井眼左右側(cè)(上下側(cè))的反射橫波信息。由于地層反射的反射信號(hào)滯后于沿井孔傳播的快波和慢波。因此,利用其各自的速度分離快波和慢波數(shù)據(jù),不僅能對(duì)地質(zhì)體成像還能確定其方位。例如,如果反射結(jié)構(gòu)在快橫波成像結(jié)果中最清晰,則該反射體最有可能為井孔上(下)側(cè)的邊界;如果慢橫波對(duì)反射體成像最清晰,則為井孔左(右)側(cè)的豎直縫。

圖5為偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果,該井段與圖4所示井段一致。第1道和第2道的黑白成像結(jié)果分別由對(duì)快橫波和慢橫波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得。由于偶極數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度約為16 ms,成像結(jié)果的徑向深度被限制在25 m左右。對(duì)比快慢波的成像結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)兩者之間存在明顯的差異:快橫波成像結(jié)果(第1道)除井孔直達(dá)波的殘余及其產(chǎn)生噪聲之外幾乎毫無(wú)特征;相對(duì)而言,慢橫波成像結(jié)果(第2道)能清晰識(shí)別一系列過(guò)井的地質(zhì)體,應(yīng)為過(guò)井豎直裂縫,其與井的交角大約為20°。

為使反射體成像更加直觀,將圖5放置于圖6所示的3D透視圖中,借助豎直框架標(biāo)明的豎直裂縫可以明顯地看清該裂縫在水平面內(nèi)的投影與處理結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外,值得注意的是,幾乎整個(gè)水平井段都存在類似的過(guò)井構(gòu)造。為了證實(shí)此發(fā)現(xiàn),圖7以相同方式展示了另一長(zhǎng)度為120 m井段的成像處理結(jié)果,該井段與圖6中的井段距離200 m。成像結(jié)果與圖6類似,快橫波成像無(wú)構(gòu)造,慢橫波成像呈現(xiàn)清晰的過(guò)井地質(zhì)構(gòu)造。

圖5 頁(yè)巖地層水平井偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果(快橫波(第1道)成像結(jié)果無(wú)反射體顯示,慢橫波(第2道)成像結(jié)果存在明顯的反射體(箭頭所示),應(yīng)為過(guò)井豎直裂縫)

圖6 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)3D成像展示(水平面為慢橫波數(shù)據(jù)的豎直裂縫成像結(jié)果,豎直面為快橫波成像結(jié)果)

圖7 另一井段的3D成像結(jié)果,呈現(xiàn)出多個(gè)豎直反射體(裂縫)

3 討 論

頁(yè)巖水平井的成像結(jié)果(見(jiàn)圖5、圖6和圖7)表明,由于快橫波(SH波)成像結(jié)果中顯示井孔上下25 m范圍內(nèi)無(wú)明顯的反射體構(gòu)造。因此,該儲(chǔ)層在該范圍內(nèi)無(wú)明顯的水平上下邊界。然而,慢橫波(SV波)成像結(jié)果表明,儲(chǔ)層內(nèi)存在大量沿一優(yōu)勢(shì)走向排列的豎直縫。事實(shí)上,根據(jù)井的方位和豎直裂縫體系(見(jiàn)圖5、圖6和圖7)過(guò)井的角度,可以估計(jì)出該豎直裂縫體系的走向。將此裂縫體系走向放在由構(gòu)造應(yīng)力預(yù)測(cè)的區(qū)域裂縫指數(shù)強(qiáng)度與方向圖[1]上(見(jiàn)圖8),可見(jiàn)該走向與該區(qū)域西北部的應(yīng)力和主構(gòu)造體系的走向一致。因此,可以推斷遠(yuǎn)探測(cè)成像圖中的豎直反射體應(yīng)為儲(chǔ)層中的構(gòu)造裂縫體系。由于工區(qū)位于圖8中的主構(gòu)造體系之外,該裂縫體系應(yīng)為中小型裂縫,為圖1所示的地震縱波各向異性的主要成因,與頁(yè)巖氣藏的儲(chǔ)集與開(kāi)發(fā)密切相關(guān)。

圖8 遠(yuǎn)探測(cè)確定的工區(qū)裂縫走向(圖中箭頭所示)與構(gòu)造應(yīng)力預(yù)測(cè)的區(qū)域裂縫指數(shù)強(qiáng)度與方向的比較

4 結(jié) 論

(1) 非常規(guī)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的水平鉆井為偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)體成像提供了很好的應(yīng)用條件。

(2) 在地層各向異性條件下的地質(zhì)體探測(cè),尤其是井孔周?chē)膬?chǔ)層裂縫探測(cè),將橫波各向異性測(cè)量和遠(yuǎn)探測(cè)成像相結(jié)合是實(shí)現(xiàn)水平井橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)的有效方式。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理實(shí)例也證明這種方法的可行性和有效性。處理結(jié)果證實(shí)了四川焦石壩頁(yè)巖氣儲(chǔ)層內(nèi)裂縫較為發(fā)育,與地震波各向異性測(cè)量結(jié)果相符。

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