馬修剛, 周軍, 余春昊, 韓煒

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心, 陜西 西安 710077)

0　引　言

隨著油氣勘探開發(fā)過程的不斷深入,研究對(duì)象逐漸向深層轉(zhuǎn)移,埋藏深、斷層裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性強(qiáng)、橫向變化大等問題日益凸顯。地面地震可以給出大尺度的地層信息,但難以描述小型地質(zhì)構(gòu)造和儲(chǔ)層精細(xì)變化;微電阻率成像測(cè)井可以精細(xì)刻畫井壁附近地層的縫洞發(fā)育情況,但難以了解儲(chǔ)層橫向變化及裂縫延伸發(fā)育情況。反射波成像技術(shù)[1]通過對(duì)正交偶極聲波測(cè)井中反射波信息提取處理,得到井旁縫洞反射特征,探測(cè)尺度介于地面地震與微電阻率成像測(cè)井之間,能評(píng)價(jià)裂縫延伸及井旁隱蔽儲(chǔ)層,為井旁儲(chǔ)層判識(shí)和工程改造提供依據(jù)。反射波成像技術(shù)是基于縱、橫波反射理論和偏移成像處理技術(shù),其中偶極橫波反射成像基于正交偶極聲波測(cè)井資料處理實(shí)現(xiàn)井旁縫洞成像,提供井眼外數(shù)十米范圍內(nèi)的裂縫走向、傾角和延伸信息,較地震成像精度更高。該項(xiàng)技術(shù)適用于砂泥巖、碳酸鹽、頁(yè)巖等多種類型地層。本文介紹了反射聲波成像技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,分析了正交偶極聲源陣列聲波測(cè)井技術(shù)的特點(diǎn),提出利用徑向—方位分析,深度—徑向聯(lián)合方法分析井旁裂縫傾角、傾向和方位等產(chǎn)狀特征,聯(lián)合微電阻率成像等進(jìn)行綜合應(yīng)用,分別在碎屑巖地層和碳酸鹽巖地層進(jìn)行了應(yīng)用,均取得明顯效果。

1　反射波成像技術(shù)

1.1　單極源反射波成像技術(shù)

單極源反射波成像技術(shù)利用井中單極子聲源向井外輻射聲波,通過接收從井外聲阻抗不連續(xù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射回波確定地質(zhì)體的空間位置。1998年斯倫貝謝公司提出利用單極聲源進(jìn)行單井反射波成像測(cè)井的BARS(Borehole Acoustic Reflection Survey)[2]方法,該技術(shù)通過分離全波中直達(dá)波得到反射波,進(jìn)行信號(hào)與圖像處理,得到反射體成像。薛梅[3]、車小花[4]對(duì)反射聲波成像測(cè)井技術(shù)作了基礎(chǔ)研究工作。楚澤涵等[5]對(duì)反射波聲波測(cè)井方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。陶果等[6]從數(shù)值計(jì)算角度對(duì)聲反射成像測(cè)井在地層中的三維波場(chǎng)模擬方法進(jìn)行了深入研究。中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司大港測(cè)井公司于2005年針對(duì)單極聲源條件下的反射聲波,研制了遠(yuǎn)探測(cè)聲波反射波測(cè)井儀器,取得了一定的應(yīng)用效果。

單極源反射波成像技術(shù)受制于聲源和接收器無(wú)方向性,只能判定井旁反射構(gòu)造距離井的徑向距離以及沿井軸方向的延伸情況,并不能確定反射體與井軸的相對(duì)方位關(guān)系,存在一定的局限性。為此,斯倫貝謝公司提出了單極源發(fā)射、陣列方位接收器接收的方式,并于2008年研制了具有獨(dú)立方位接收的聲波測(cè)井儀器Sonic Scanner。該測(cè)井儀器具有13個(gè)不同源距的接收站,每個(gè)接收站周向布置8個(gè)不同方位、相互獨(dú)立的接收器用以確定反射回波方位,結(jié)合儀器自身方位信息可確定反射體與井軸之間的相對(duì)方位關(guān)系,從而確定反射構(gòu)造的空間位置[7]。

1.2　偶極源反射波成像技術(shù)

單極源反射波成像技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在一些局限。首先,由于井筒尺寸和儀器尺寸的限制,單極聲源反射波的頻率一般為10 kHz的縱波,且頻率很難降到更低。受到地層衰減影響,該頻段聲波能量向地層深部輻射范圍有限,約為數(shù)米到10 m范圍。其次,為了在單極聲源條件下獲得井旁反射構(gòu)造的方位信息,需要多個(gè)方位接收器獨(dú)立工作,由于聲波測(cè)井采樣信號(hào)數(shù)據(jù)量大,對(duì)測(cè)井傳輸速度和效率帶來(lái)挑戰(zhàn),也會(huì)影響測(cè)井作業(yè)的時(shí)效性。為此,唐曉明等[8]提出利用正交偶極橫波的新型反射波成像技術(shù)。相對(duì)于單極源反射成像技術(shù),正交偶極橫波反射具有如下優(yōu)勢(shì):

(1) 偶極聲源由2個(gè)同相位板狀聲源反對(duì)稱振動(dòng)組成,輻射聲波中心頻率約為3 kHz左右,相對(duì)與單極聲源具有更低的頻率和更大的輻射能量。因此,偶極聲源輻射聲場(chǎng)具有更強(qiáng)的徑向傳播距離。

(2) 通過對(duì)井孔中的偶極聲源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特征分析[9],發(fā)現(xiàn)較之單極聲源,偶極源在垂直平面內(nèi)具有更寬的角度覆蓋范圍。

(3) 井旁反射構(gòu)造的方位信息,可以通過正交偶極四分量聲波測(cè)井儀器確定[10]。當(dāng)反射回波取得能量最大時(shí)的方位角α,即是反射構(gòu)造的方位角。實(shí)際測(cè)井時(shí),測(cè)井儀器在井筒中發(fā)射旋轉(zhuǎn),為了確定反射體方位信息,需要綜合考慮儀器旋轉(zhuǎn)方位。

2　井旁構(gòu)造分析

偶極橫波反射成像方法從理論上解決了利用正交偶極橫波測(cè)井儀分析井旁反射地質(zhì)構(gòu)造特征的可行性。本文以偶極橫波反射成像技術(shù)理論為基礎(chǔ),開發(fā)了從質(zhì)量控制到反射體特征定量評(píng)價(jià)的一整套服務(wù)于反射波成像處理軟件(見圖1)。

圖1　反射波成像井旁構(gòu)造分析軟件模塊

2.1　多方位成像處理

多方位成像處理模塊由四分量方位合成、直達(dá)波去除、上下行反射波分離、波列疊加和偏移成像5個(gè)部分組成。四分量方位合成結(jié)合儀器極板方位計(jì)算特定方位的反射波能量;反射波分離采用多種信號(hào)處理方法將構(gòu)造反射波從包含井壁直達(dá)頭波的全波波列中分離出來(lái),并實(shí)現(xiàn)頭波抑制和反射波增強(qiáng);上下行波分離通過不同的發(fā)射源、接收器組合方式,將上行反射波與下行反射波分離;波列疊加將不同源距、不同測(cè)量深度的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在頻率—波數(shù)域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加處理;偏移成像利用直達(dá)頭波提取的模式波差,在頻率—波數(shù)域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行偏移處理,再通過二維傅里葉反變換將偏移后的反射體位置映射到空間域上。

進(jìn)行偶極反射波成像處理之前,對(duì)井旁反射構(gòu)造的方位不確定,為了得到反射波能量最大方位即反射體方位,需要沿井周方向?qū)Ω鞣轿贿M(jìn)行四分量合成和成像處理,現(xiàn)有的成像處理軟件在實(shí)現(xiàn)這一過程存在諸多不便。本文所述軟件模塊依托LEAD4.0處理解釋軟件平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)多方位成像的一次處理和一次成圖,在提高軟件處理效率的同時(shí),定義的四維數(shù)據(jù)模型和展示方式為反射構(gòu)造特征分析與拾取提供了便利。

2.2　反射構(gòu)造特征分析

目前的反射波成像處理軟件處理結(jié)果是以徑向深度和測(cè)井深度為軸的二維成像測(cè)井視圖,這種視圖僅能分析當(dāng)前方位下反射體距井軸的距離和沿井軸的延伸情況。為確定反射體方位,需要進(jìn)一步分析周向反射能量。

基于多方位成像處理技術(shù),對(duì)正交偶極測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不同方位下的徑向—深度成像圖,同時(shí),對(duì)每個(gè)深度多方位成像數(shù)據(jù)提取,構(gòu)造得到覆蓋井周360°的徑向—方位視圖(見圖2)。徑向—深度視圖(以下簡(jiǎn)稱R—D視圖)可以識(shí)別當(dāng)前方位下反射構(gòu)造距井軸的距離及反射構(gòu)造沿井軸的延伸情況。選取反射構(gòu)造發(fā)育的測(cè)井深度進(jìn)行徑向—方位視圖(以下簡(jiǎn)稱R—A視圖)分析。圖2右上角為R—D視圖中水平橫線所示深度對(duì)應(yīng)的R—A成像圖,R—A視圖可以直觀反映當(dāng)前深度下反射體能量最強(qiáng)方位和距井軸的距離,由此就可完全確定反射構(gòu)造的傾角、傾向等產(chǎn)狀特征(見圖2)。

圖2　多視圖分析及構(gòu)造產(chǎn)狀提取

基于LEAD 4.0處理解釋平臺(tái)開發(fā)反射特征產(chǎn)狀分析工具,該工具將徑向—深度視圖、R—A視圖聯(lián)動(dòng)分析,并提供交互式構(gòu)造特征拾取功能,拾取后的構(gòu)造產(chǎn)狀特征可作為解釋結(jié)論保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,為構(gòu)造三維展示提供裂縫產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)井區(qū)間內(nèi)的各個(gè)深度進(jìn)行上述分析,可以得到反射構(gòu)造在三維空間中的展布及相對(duì)位置關(guān)系(見圖3)。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1　碎屑巖縫洞評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性

YX10、YK2-1和YK2-3是YEX鼻狀構(gòu)造的3口預(yù)探井 (直井),位于YEX鼻狀構(gòu)造北部的 YX2西斷塊上,其上傾方向斷層遮擋條件明顯,南北兩側(cè)受2條北西向逆斷層夾持,構(gòu)造總體條件有利。YX10井距YK2-1約345 m,距YK2-3約500～600 m。根據(jù)常規(guī)及電成像結(jié)果顯示目的層下鉤組K1g0均有裂縫發(fā)育,但實(shí)際試油結(jié)果顯示產(chǎn)液差異較大(見表1)。

圖3　反射構(gòu)造空間展布圖

3口井目的層下鉤組K1g0儲(chǔ)層均有裂縫發(fā)育,孔隙均為次生孔隙為主,裂縫發(fā)育程度相當(dāng)(見圖4)。對(duì)3口鄰井進(jìn)行偶極橫波反射成像處理對(duì)比分析,3口井偶極橫波反射成像反映裂縫發(fā)育程度及產(chǎn)液結(jié)論統(tǒng)計(jì)見圖5、表2。

綜上分析,根據(jù)多井地層對(duì)比及常規(guī)和電成像測(cè)井處理結(jié)果, YX10、 YK2-1、 YK2-3井在下鉤組K1g0儲(chǔ)層物性接近,均有裂縫發(fā)育,難以對(duì)試油結(jié)果的差異給出合理解釋。處理結(jié)果表明,在目的層段YX10裂縫反射較強(qiáng),延伸較遠(yuǎn);YK2-1裂縫反射較弱;YK2-3無(wú)明顯裂縫反射。裂縫延伸情況與試油結(jié)果有較好一致性。

圖4　微電阻率成像測(cè)井處理成果綜合對(duì)比圖

表1　YX10、YK2-1和YK2-3井產(chǎn)液統(tǒng)計(jì)表

圖5　3口鄰井偶極橫波反射成像對(duì)比

表2　3口井產(chǎn)液及偶極橫波反射成像結(jié)論統(tǒng)計(jì)表

3.2　碳酸鹽巖發(fā)現(xiàn)隱蔽儲(chǔ)層

華北油田隱蔽型潛山成藏條件復(fù)雜,儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),組合復(fù)雜,常規(guī)測(cè)井響應(yīng)規(guī)律不明顯。區(qū)域裂縫分布及走向模型準(zhǔn)確度不高,勘探難度大。華北油田AT1X井第1次完井深度為5 100 m,通過偶極橫波反射成像分析認(rèn)為5 100 m附近裂縫仍向下延伸,綜合其他信息,加深300 m后二次完井,偶極橫波反射成像處理發(fā)現(xiàn)大量裂縫。酸化后日產(chǎn)氣40.9萬(wàn)m3,日產(chǎn)油71 m3(見圖6)。

圖6　AT1X井2次完井偶極橫波反射成像綜合圖

4　結(jié)　論

(1) 利用徑向—方位視圖、徑向—深度視圖等多視圖聯(lián)合分析技術(shù)提出了一種新的反射成像結(jié)果分析方法,應(yīng)用結(jié)果證明其有效性,值得推廣應(yīng)用。

(2) 偶極橫波反射成像具有井旁20～30 m探測(cè)能力,能夠描述裂縫的井外延展情況。針對(duì)裂縫性儲(chǔ)層結(jié)合電成像可以在準(zhǔn)確測(cè)量裂縫發(fā)育情況的基礎(chǔ)上增加裂縫空間延展信息,能夠更為全面地評(píng)價(jià)儲(chǔ)層有效性。

(3) 偶極橫波反射成像技術(shù)主要應(yīng)用波列中的反射波信息,不同于以往陣列聲波信息提取,對(duì)儀器設(shè)計(jì)提出了新的需求。

(4) 該技術(shù)能基于現(xiàn)有的正交偶極聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理,發(fā)現(xiàn)遺漏的隱蔽儲(chǔ)層,提高單井利用率。

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