夏宏泉， 胡 慧， 楊 林， 趙 靜

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部，陜西西安 710200)

?測(cè)井錄井?

基于聲波變密度測(cè)井信息識(shí)別水平井壓裂裂縫的方法

夏宏泉1， 胡 慧1， 楊 林2， 趙 靜2

(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué))，四川成都 610500；2.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部，陜西西安 710200)

針對(duì)水平井壓裂裂縫難以識(shí)別的問(wèn)題，研究了基于聲波變密度測(cè)井(VDL)信息的水平井壓裂裂縫識(shí)別方法。首先進(jìn)行水平井壓裂裂縫的VDL模擬試驗(yàn)，研究壓裂裂縫的VDL響應(yīng)特征，然后用實(shí)際井壓裂前后的VDL資料進(jìn)行壓裂井段識(shí)別與效果評(píng)價(jià)。研究表明：當(dāng)?shù)谝弧⒍缑婺z結(jié)良好時(shí)，非裂縫段套管波的波幅很小、地層波的波幅較大，VDL圖中地層波相線粗而明顯；隨著裂縫段接收與發(fā)射探頭間裂縫數(shù)量增多，套管波的波幅增大、地層波的波幅減小，VDL圖中地層波呈灰白色而模糊不清、彎曲率大、成“人”字形，其地層縱波時(shí)差增大、能量降低。模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用均驗(yàn)證了利用VDL識(shí)別水平井橫向壓裂裂縫的可行性，可見(jiàn)VDL信息可為水平井壓裂裂縫檢測(cè)與壓裂效果評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

水平井；壓裂；裂縫；聲波變密度測(cè)井；模擬試驗(yàn)；套管波；地層波

水平井分段壓裂已成為開(kāi)發(fā)薄油層的重要技術(shù)之一，為了保證能夠提高單井產(chǎn)量，要對(duì)壓裂裂縫進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)常用的偶極聲波測(cè)井技術(shù)只能滿足直井壓裂裂縫的檢測(cè)和效果評(píng)價(jià)，不能完全滿足水平井壓裂裂縫檢測(cè)需求[1-2]。井間微地震技術(shù)和遠(yuǎn)探測(cè)反射橫波測(cè)井技術(shù)檢測(cè)壓裂裂縫較為有效，但其施工復(fù)雜、成本高，不能進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用；而遠(yuǎn)探測(cè)橫波測(cè)井技術(shù)，除了儀器價(jià)格昂貴外，儀器偏長(zhǎng)，對(duì)于不規(guī)則的裸眼水平段或套管完井的水平段無(wú)法順利下至目的層，且對(duì)正交橫向壓裂裂縫不敏感。因此，需要探索一種基于其他聲波測(cè)井技術(shù)的水平井壓裂裂縫檢測(cè)方法。

前人研究發(fā)現(xiàn)，裂縫對(duì)聲波波幅和傳播時(shí)間有一定的響應(yīng)，裂縫角度和開(kāi)度越大，聲波傳播時(shí)間越長(zhǎng)、波幅衰減越明顯，利用聲波波幅衰減和傳播時(shí)間的變化能檢測(cè)到裂縫。由此認(rèn)為，用于固井質(zhì)量檢測(cè)的聲波變密度測(cè)井(variable density logging，VDL)探測(cè)深度較大、測(cè)量信息豐富，可以用來(lái)識(shí)別壓裂井段。但上述研究?jī)H限于理論分析，沒(méi)有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，更未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。為此，筆者在分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的各種水平井壓裂裂縫識(shí)別方法的基礎(chǔ)上，從試驗(yàn)和應(yīng)用兩方面入手，論證了應(yīng)用VDL信息識(shí)別水平井壓裂裂縫的可行性和準(zhǔn)確性。

1 用VDL信息識(shí)別裂縫的原理和方法

VDL井下儀器為單發(fā)單收系統(tǒng)，由發(fā)射器發(fā)射一個(gè)周向脈沖(中心頻率5～25 kHz)，在井內(nèi)和地層中激發(fā)出套管波、地層波和鉆井液導(dǎo)波等，它們沿著不同方向和途徑傳播，最后由接收器記錄整個(gè)波列在套管井中的衰減情況[3]。

將測(cè)量聲波波幅的大小轉(zhuǎn)變?yōu)楣廨x度的強(qiáng)弱，保留信號(hào)的正半周，去掉負(fù)半周，波幅顯示為黑白相間的條紋，顏色的深淺表示聲波波幅的大小，就構(gòu)成了聲波全波列變密度圖。當(dāng)水泥與套管膠結(jié)好而與地層膠結(jié)不好時(shí)，在接收到的全波列信號(hào)中看不到地層波，只有套管波，由于套管均質(zhì)，VDL圖中的套管波通常是豎直黑白的明顯條紋；否則，套管波弱、地層波明顯，VDL圖中套管波模糊不清、地層波彎曲顯示。通過(guò)信號(hào)處理獲得的這些差異顯示，就可以分析與檢測(cè)第一界面和第二界面的水泥膠結(jié)質(zhì)量。

用VDL信息也可以檢查竄槽及壓裂效果等[4-6]，而水平井壓裂裂縫形態(tài)以橫向裂縫居多[7-10]，用VDL信息檢測(cè)水平井橫向壓裂裂縫的方法為：在保證第一、二界面膠結(jié)良好的前提下，應(yīng)用單極子聲源在套管、水泥環(huán)和地層中激發(fā)出全波列波形，將該波形按調(diào)輝方式處理后得到VDL圖像，以此檢測(cè)壓裂裂縫。地層無(wú)壓裂裂縫時(shí)，可以把套管、水泥和地層近似看成一個(gè)整體，聲波由套管經(jīng)水泥環(huán)傳到地層，全波列中套管波的波幅小、地層波的波幅大，VDL圖中左端的套管波為灰白模糊不清的直線條，右端的地層波為黑白反差明顯的曲線條；地層發(fā)育裂縫時(shí)，全波列中套管波的波幅無(wú)明顯增大，但地層波的波幅明顯減小，VDL圖中地層波條紋灰白模糊不清、彎曲率大、成“人”字形。裂縫越發(fā)育，地層波波幅與形態(tài)的變化越明顯,因此可以通過(guò)從VDL資料處理成果曲線中提取的地層縱波時(shí)差、能量和形態(tài)等參數(shù)來(lái)識(shí)別壓裂裂縫。

水平井固井后進(jìn)行射孔壓裂，可用VDL或者偶極聲波測(cè)井(如DSI、XMAC、WS、MPAL或DSWI等)檢測(cè)壓裂效果，但存在2個(gè)問(wèn)題：1)在儀器下放與起出過(guò)程中可能遇阻卡?。?)偶極橫波測(cè)井儀或遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀等儀器對(duì)套管射孔完井水平井的橫向壓裂裂縫反應(yīng)不敏感，不會(huì)產(chǎn)生明顯的快慢橫波分離現(xiàn)象[11]。因此，把常規(guī)的單發(fā)單收聲波儀器的源距由0.90 m增大到1.50～2.10 m，有利于從VDL 波形數(shù)據(jù)中提取地層縱波時(shí)差、能量和波形等，然后根據(jù)其響應(yīng)特征來(lái)識(shí)別和評(píng)價(jià)水平井近井地帶的壓裂裂縫。

2 水平井壓裂裂縫的VDL模擬試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ途闹谱?/p>

在實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法達(dá)到實(shí)際聲波測(cè)井條件，但可采用相似性原理建造模型井，模擬聲波測(cè)井過(guò)程[12-15]。試驗(yàn)中，裸眼井直徑為10.5cm(為實(shí)際井井徑的1/2)，下入外徑為8.5cm的套管后固井；測(cè)井頻率提高為實(shí)際測(cè)井頻率的2倍左右，即40～50kHz。使用9塊直徑為1.0m的圓柱體砂巖(隆昌青石)建成水平井試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1]，見(jiàn)圖1。圖1中：井身長(zhǎng)度為3.05m，井身兩端砂巖圓柱體的長(zhǎng)度均為1.00m，中間7塊砂巖圓柱體的長(zhǎng)度均為0.15m；相鄰砂巖接觸面之間留有寬度不等的裂縫，共8條(編號(hào)1—8，裂縫寬度分別為5.0，4.0，3.5，3.0，2.5，2.0，1.5和1.0mm)，以模擬實(shí)際水平井射孔壓裂后的正交橫向縫(看作近井地帶的理想壓裂裂縫)。

圖1 水平井試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽釬ig.1 Schematic of horizontal well model

利用VDL檢測(cè)模擬水平井壓裂裂縫的試驗(yàn)原理如圖2所示：將模型井全部浸入水槽中，發(fā)射探頭和接收探頭在模擬井眼中居中放置，兩者之間的距離為65.0cm；觸發(fā)器發(fā)射信號(hào)后，經(jīng)過(guò)水平井中的套管和巖石及多路選擇器后，將全波波形與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Rigo1024E數(shù)字示波器中，最后由瞬時(shí)波形采集器把全波列波形以圖片和Excel數(shù)據(jù)形式保存在計(jì)算機(jī)里，便于分析和處理。

圖2 利用VDL檢測(cè)模擬水平井壓裂裂縫的試驗(yàn)原理Fig.2 Testing principle of VDL detecting the fractures in simulated horizontal well

2.2試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

模擬測(cè)井前，根據(jù)小直徑巖心測(cè)得的聲速結(jié)果確定聲波在巖石中的傳播速度，結(jié)果為：無(wú)裂縫濕巖心的縱波速度為3.97±0.06km/s，有裂縫濕巖心的縱波速度為3.30±0.09km/s。對(duì)比可知，測(cè)量數(shù)值有明顯差異；分析認(rèn)為，是多條裂縫影響導(dǎo)致地層聲波的縱波速度降低。通過(guò)該測(cè)量結(jié)果，在進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，可快速找到有裂縫和無(wú)裂縫時(shí)縱波首波到達(dá)的時(shí)間。

模擬測(cè)井時(shí)，先將發(fā)射探頭置于井底，將接收探頭置于井眼中距離井底65.0cm的地方，然后將發(fā)射探頭和接收探頭同時(shí)向井口方向移動(dòng)，每次移動(dòng)5.0cm，直至接收探頭到達(dá)井口，每次待波形穩(wěn)定后記錄全波波形，全井段測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式見(jiàn)表1。表1中，T301—T600為采樣次數(shù)(T301表示第301次，其他同義；T301之前未接收到地層波信號(hào)，故將T301之前的數(shù)據(jù)去除)，2次之間的時(shí)間間隔為2μs。

共進(jìn)行了46次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好。

為了更好地觀察壓裂裂縫的VDL響應(yīng)特征，將所測(cè)波形數(shù)據(jù)繪成變密度曲線，見(jiàn)圖3(發(fā)射探頭和接收探頭每移動(dòng)5.0cm記錄一次得到的聲波全波列波形和VDL曲線圖)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ途械谝?、二界面膠結(jié)質(zhì)量良好，在無(wú)裂縫和有裂縫模擬井段測(cè)得的VDL曲線可分別代表壓裂前和壓裂后的資料，用于對(duì)比分析。

表1水平井壓裂裂縫的聲波全波列波形二維數(shù)據(jù)

Table1Twodimensionaldataforacousticfullwaveformoffracturesinhorizontalwellfracturing

接收接頭到井底距離/cm聲波波幅/mVT301T302T303…T598T599T60065.0000…26.426.4 26.470.00-0.80…-29.2-28.8-28.475.00-0.40…-28.8-28.8-28.880.0-0.400…-29.2-28.8-28.885.000-0.4…26.426.426.490.0-0.4-0.4-0.8…26.426.426.4 ?280.0-0.40-0.4…5.21.2-28.4285.0000…26.026.426.4290.0000…26.426.4-24.8

圖3 模擬水平井的聲波全波列波形和聲波變密度測(cè)井曲線Fig.3 Acoustic full-waveform & variable density curve for a simulated horizontal well

當(dāng)接收探頭距井底70.0～95.0 cm時(shí)，2個(gè)探頭都在井底的無(wú)裂縫長(zhǎng)巖心段中，各處的全波列波形基本相似，由于第一界面和第二界面膠結(jié)良好，套管波的波幅很小而地層波的波幅很大。當(dāng)接收探頭距井底105.0～180.0 cm時(shí)，發(fā)射探頭和接收探頭之間聲場(chǎng)覆蓋的人造裂縫數(shù)量從1條依次增加到8條，由于裂縫的影響套管波的波幅明顯增大；聲波傳播經(jīng)過(guò)裂縫時(shí)，能量被其中的流體吸收，導(dǎo)致地層波的波幅明顯降低，變密度圖呈灰白色彎曲顯示，此時(shí)裂縫寬度對(duì)裂縫識(shí)別沒(méi)有明顯影響(即全波列和VDL圖中，在不同寬度裂縫處，地層波的波幅差異不大)。當(dāng)接收探頭在距井底195.0～270.0 cm時(shí)，測(cè)井過(guò)程中聲場(chǎng)覆蓋的裂縫數(shù)量從6條依次減少到1條，更多聲波能量傳遞到地層中去，套管波的波幅逐漸變小、地層波的波幅逐漸增大。當(dāng)接收探頭距井底285.0～300.0 cm時(shí)，2個(gè)探頭都在井口的無(wú)裂縫長(zhǎng)巖心段中，全波波形基本類似于井段長(zhǎng)度90.0 cm前的波形。

3 應(yīng)用實(shí)例與效果

為了驗(yàn)證VDL信息識(shí)別壓裂裂縫的可行性，在延長(zhǎng)組致密油水平井中應(yīng)用了該方法。圖4所示為P67水平井延長(zhǎng)組致密油主力油層段(2 140.00～2 220.00 m井段)壓裂前和壓裂后的VDL綜合解釋圖。圖中，2 149.00～2 159.00和2 201.00～2 211.00 m井段分別為第一和第二射孔壓裂段。

圖4 P67井射孔井段壓裂前后的VDL綜合解釋Fig.4 Comprehensive interpretation of perforated interval before and after fracturing in Well P67

從圖4可以看出：壓裂前，VDL圖中顯示套管波弱、地層波相線粗而明顯，全波列上套管波的波幅小、地層波的波幅大，說(shuō)明該井段地層第一、二界面固井質(zhì)量良好；壓裂后，VDL圖中顯示套管波變強(qiáng)、地層波相線呈灰白色且模糊不清、彎曲率大，縱波時(shí)差增大，全波列上套管波的波幅變大，地層波的波幅變小，這與試驗(yàn)檢測(cè)到的壓裂裂縫波形的形態(tài)特征一致。通過(guò)對(duì)比分析壓裂前后的全波列波形和VDL曲線特征及相關(guān)參數(shù)，可以識(shí)別壓開(kāi)層段并可定性判斷壓裂效果的好壞。該井2 201.00～2 211.00 m 井段壓裂前不出油，壓裂后產(chǎn)液量4.7 t/d、產(chǎn)油量3.2 t/d。

根據(jù)VDL信息識(shí)別地層有無(wú)明顯被壓開(kāi)的各項(xiàng)特征指標(biāo)如表2所示。

表2用VDL信息識(shí)別壓裂裂縫效果的特征指標(biāo)

Table2CharacteristicindicatorsforidentifyingthefractureeffectoffracturingbyusingVDLdata

階段地層縱波時(shí)差地層波波幅全波列波幅套管波地層波VDL圖中地層波形態(tài)壓裂前小大小大 清晰,波形彎曲率小壓裂后大小大小 模糊不清,波形彎曲率大

4 結(jié) 論

1) 基于相似性試驗(yàn)原理，建立了大型套管水平井壓裂裂縫的VDL檢測(cè)試驗(yàn)裝置與模型，采用在發(fā)射頻率和源距等方面與之相匹配的VDL測(cè)井聲系，成功檢測(cè)到了模擬水平井人工橫向壓裂裂縫的VDL響應(yīng)特征。由試驗(yàn)結(jié)果可知，探頭通過(guò)有橫向裂縫的井段時(shí)，套管波的波幅會(huì)隨裂縫數(shù)量的增多而變大，而地層波的波幅會(huì)發(fā)生明顯衰減、顯示波幅變小。

2) 實(shí)際壓裂井P67井的VDL資料特征也印證了模擬井的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)比分析P67井在2 140.00～2 220.00 m主力油層段壓裂前、壓裂后的VDL波形及其變密度曲線特征，有效識(shí)別出了壓開(kāi)層段，認(rèn)為2 149.00～2 159.00和2 201.00～2 211.00 m井段均被有效壓開(kāi)。

3) 模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例表明，應(yīng)用VDL信息可以實(shí)現(xiàn)水平井壓裂裂縫的有效識(shí)別和檢測(cè)，可為評(píng)價(jià)壓裂效果提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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[編輯 令文學(xué)]

MeathodaboutImprovingAccuracyofFractureFluidFrictionPressure

XIAHongquan1，HUHui1，YANGLin2，ZHAOJing2

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeology&Exploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan，610500,China;2.ChangqingBranch,CNPCLoggingCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi,710200,China)

In order to resolve the difficulties in identifying the fractures in horizontal wells,the method of identifying fractures with acoustic variable density log (VDL) data has been studied.VDL simulation tests have been conducted to find the VDL response to fractures in horizontal wells,and then VDL data acquired before and after actual fracturing was used to identify the fracturing section and evaluate the results.Research results showed that when the casing wave amplitude is low,and formation wave amplitude high in non-fracture section when first and second interface have a good cement bond,with thick and clear VDL plots.With an increase of fracture number between receiving and launching detectors at fracturing interval,amplitude of casing wave was increased,and formation wave amplitude was decreased.While formation wave in VDL plot was fuzzy white grayish,with large curvature and V-shape.At the same time,formation compressional wave time difference was increased and energy reduced.Both simulation test and field application indicated that the VDL could be used to identify transverse fractures in horizontal wells,which can provide a basis for the identification of fractures and an assessment of fracturing effects in horizontal wells.

horizontal well;fracturing;fracture;acoustic variable density logging;simulation test;casing wave;formation wave

TE357.1+4

A

1001-0890(2017)05-0113-05

10.11911/syztjs.201705020

2017-02-28；改回日期2017-06-26。

夏宏泉(1965—)，男，陜西武功人，1988年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)，1997年獲西南石油學(xué)院油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)博士學(xué)位，教授，主要從事測(cè)錄井新方法、巖石力學(xué)、測(cè)井精細(xì)解釋及工程應(yīng)用等方面的研究工作。E-mail：hqx3427@126.com。

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目子課題“頁(yè)巖氣水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與地質(zhì)導(dǎo)向理論研究”(編號(hào)：2013CB228003)資助。