錢玉萍,王文文,侯振學(xué),成家杰,祁曉

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北 燕郊 065201)

0 引 言

非常規(guī)儲(chǔ)層具有致密、非均質(zhì)性強(qiáng)等特征,因此壓裂成為有效開發(fā)非常規(guī)儲(chǔ)層的關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)壓裂效果的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。最有效的壓裂技術(shù)為水力壓裂,評(píng)價(jià)壓裂效果主要的測(cè)井方法包括井溫測(cè)量、同位素測(cè)井和注硼中子壽命檢測(cè)方法,但這些評(píng)價(jià)地層壓裂效果的方法總體上可靠性和實(shí)用性較差[1-2]。聲波各向異性在套管井中的應(yīng)用是一種評(píng)價(jià)壓裂效果和確定壓裂裂縫特征的有效方法,該方法直觀準(zhǔn)確[1],有其適用性,也存在很多局限性,會(huì)受壓裂縫網(wǎng)形態(tài)[3]、地層相對(duì)于井眼的角度等影響,且手段單一,無法精細(xì)刻畫壓裂對(duì)井壁附近地層的改造作用,不能滿足非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂效果評(píng)價(jià)的需求。鑒于這種現(xiàn)狀,需尋求新的壓裂評(píng)價(jià)方法。

陣列聲波測(cè)井是井孔內(nèi)測(cè)量地層縱波、橫波速度的一項(xiàng)有效技術(shù),然而應(yīng)力條件、流體侵入、鉆井、壓裂引起的機(jī)械破損等原因會(huì)導(dǎo)致井壁附近地層彈性參數(shù)發(fā)生改變[4]。地層彈性參數(shù)的變化會(huì)造成井壁附近地層彈性波速度的變化,稱這種地層為徑向速度變化地層。確定地層的徑向彈性波速度變化對(duì)評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性、估算地應(yīng)力、和優(yōu)化油藏生產(chǎn)等有著重要意義[5]。

近年來,聲速徑向剖面層析成像技術(shù)有了重要進(jìn)展。Hornby[6]最早提出基于射線追蹤理論的單極縱波走時(shí)層析成像技術(shù),假設(shè)井壁附近地層的聲波慢度在鉆井的軸向和徑向都有變化,利用走時(shí)層析技術(shù)重建了井壁附近地層的二維速度剖面。該技術(shù)先對(duì)二維模型用射線追蹤方法進(jìn)行正演計(jì)算得到聲波走時(shí),然后再使計(jì)算和實(shí)測(cè)的走時(shí)之差達(dá)到最小,得到與數(shù)據(jù)符合最好的慢度分布模型。Hornby的研究結(jié)果揭示了井壁附近速度剖面許多有參考價(jià)值的例子,包括井壁附近頁巖的變化、地層破損以及巖層與井斜交等情況。探測(cè)地層徑向橫波速度剖面的方法主要有2種:①應(yīng)用B-G理論反演徑向速度剖面[7],這個(gè)方法通過犧牲徑向分辨率和精度來提供一個(gè)平均的徑向速度剖面,然而一個(gè)實(shí)際的速度剖面在井眼周圍可能有較大的變化并且可能偏離平均速度剖面較多[8],因此這種方法可能會(huì)存在一定的誤差;②Tang和Patterson[9]提出用高頻約束反演地層橫波速度剖面,它的優(yōu)點(diǎn)是通過約束對(duì)井眼附近區(qū)域敏感的高頻波,使探測(cè)精度更高,結(jié)果更準(zhǔn)確,但當(dāng)遇到高頻缺失的情況,此方法也會(huì)產(chǎn)生誤差。趙龍[10]基于高頻約束的方法進(jìn)行地層橫波徑向速度剖面反演,并對(duì)該方法做了改進(jìn),取得了一定的應(yīng)用效果。張國(guó)棟等[2]應(yīng)用縱波層析成像的方法在東海西湖凹陷進(jìn)行壓裂縫高評(píng)價(jià),也取得了一定的效果。

鑒于目前非常規(guī)儲(chǔ)層對(duì)壓裂改造評(píng)價(jià)的需求,以及傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)壓裂改造效果的方法存在諸多局限性,本文引入了縱波走時(shí)層析成像技術(shù)。對(duì)此技術(shù)的理論基礎(chǔ)、層析成像的過程以及采用此技術(shù)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果等內(nèi)容都作了詳細(xì)地闡述。該技術(shù)在壓裂評(píng)價(jià)中的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的一個(gè)有效補(bǔ)充。

1 縱波走時(shí)層析成像的理論基礎(chǔ)

由于井壁鉆井破損、井孔應(yīng)力集中等因素造成井孔附近的徑向速度發(fā)生變化,為模擬這種變化,假設(shè)地層參數(shù)變化是單調(diào)的,即從井壁向地層內(nèi)單調(diào)增加。圖1(a)為徑向速度變化地層模型,距離井筒最遠(yuǎn)處為原狀地層。對(duì)于井壁附近無徑向速度變化的地層,即均質(zhì)地層,模型見圖2(a)。對(duì)于均質(zhì)地層,縱波的傳播路徑見圖2(b),縱波以沿著井壁的滑行縱波傳播,縱波走時(shí)包含地層的真實(shí)速度信息。對(duì)于徑向速度變化地層,射線由淺到深折射進(jìn)入地層后,以滑行縱波傳播,再由深到淺折射回接收器,具體傳播路徑見圖1(b)。從縱波的傳播路徑可以看出,縱波依次經(jīng)過了探測(cè)深度以內(nèi)有速度變化的地層,且源距越長(zhǎng),探測(cè)深度越深?？v波的傳播路徑?jīng)Q定了縱波走時(shí)包含有探深以內(nèi)地層速度變化的信息,應(yīng)用縱波走時(shí)可以重建井壁附近地層的速度變化剖面。其中,長(zhǎng)源距包含的地層速度變化信息更多,對(duì)井壁附近地層速度的重建更加有利。

圖1 徑向速度變化地層首波射線傳播路徑[6]

圖2 均質(zhì)地層首波射線傳播路徑[6]

2 縱波走時(shí)層析成像過程

2.1 定性判斷地層是否存在聲速由低到高的徑向變化

在計(jì)算地層的層析成像之前,首先用一種直觀的方法判斷地層是否存在聲速由低到高的徑向變化。根據(jù)式(1)計(jì)算波到第1接收器(R1)上波的走時(shí),將其定義為參考R1走時(shí)TTref,

圖3 縱波走時(shí)層析成像示意圖

(1)

式中,v(z)為陣列處理提取的地層聲速曲線,為最大穿透深度的速度;積分上下限分別為源s和第1接收器R1的深度位置,TTf為波在井中流體的傳播時(shí)間。

將式(1)的參考R1走時(shí)與實(shí)測(cè)R1走時(shí)比較:對(duì)于v(z)無徑向變化的地層,參考R1走時(shí)與實(shí)測(cè)R1走時(shí)一致;當(dāng)聲速沿徑向增加時(shí),實(shí)測(cè)R1走時(shí)是射線由淺到深進(jìn)入地層后再折射回來的時(shí)間,由于式(1)中的v(z)為最大穿透深度的速度,由式(1)計(jì)算出的參考R1走時(shí)比實(shí)測(cè)R1走時(shí)要小,即實(shí)測(cè)R1走時(shí)滯后于參考R1走時(shí)。

2.2 縱波走時(shí)層析成像的過程

采用Hornby[6]提出的射線追蹤法建立縱波徑向速度剖面,用以描述波速沿井眼軸向和徑向的變化,縱波徑向?qū)游龀上穹囱莸闹饕鞒虨?/p>

(1) 應(yīng)用從陣列波形中提取的時(shí)差v0作為原狀地層的速度,建立初始迭代模型:距離井壁0 m到無窮遠(yuǎn)處,速度均為v0的均質(zhì)原狀地層模型。根據(jù)此模型應(yīng)用射線追蹤的方法正演模擬得到計(jì)算走時(shí)(見圖3中藍(lán)線所示),對(duì)比實(shí)測(cè)走時(shí)(見圖3中紅線所示)與計(jì)算走時(shí),實(shí)測(cè)走時(shí)明顯滯后于計(jì)算走時(shí),說明井壁附近地層發(fā)生徑向速度變化。其中,實(shí)測(cè)走時(shí)的準(zhǔn)確提取是徑向?qū)游龀上竦年P(guān)鍵[2],具體可參閱文獻(xiàn)[11]。

(2) 為了使計(jì)算走時(shí)與實(shí)測(cè)走時(shí)重合或相接近,更新模型:距離井壁0 m到drm,速度降低至(v0-dv),距離井壁drm到無窮遠(yuǎn)處,速度為v0。根據(jù)此模型更新計(jì)算走時(shí),計(jì)算走時(shí)開始逼近實(shí)測(cè)走時(shí),但兩者差距仍明顯,說明需要進(jìn)一步將井壁附近速度降低。

(3) 繼續(xù)更新模型:距離井壁0 m到drm,速度降低至(v0-2dv),距離井壁drm到2drm,速度降低至(v0-dv),距離井壁2drm到無窮遠(yuǎn)處,速度為v0。根據(jù)此模型更新計(jì)算走時(shí),計(jì)算走時(shí)進(jìn)一步逼近實(shí)測(cè)走時(shí),但兩者仍有差距。

(4) 重復(fù)上述步驟,直到最終模型,即根據(jù)最終模型正演的計(jì)算走時(shí)與實(shí)測(cè)走時(shí)重合(應(yīng)用最小二乘方法),此時(shí)的速度模型就是要求取的絕對(duì)速度剖面。

2.3 相對(duì)速度剖面

(2)

3 應(yīng)用研究

3.1 壓裂前、后評(píng)價(jià)

3.1.1 壓前脆性評(píng)價(jià)

應(yīng)用縱波層析成像進(jìn)行壓前脆性評(píng)價(jià)的依據(jù)是:脆性好的巖石在鉆井過程中產(chǎn)生微裂縫多,脆性較差的巖石產(chǎn)生微裂縫少,造成聲速徑向變化有差異,可以根據(jù)速度剖面的差異尋找脆性更好的有利層位,實(shí)現(xiàn)定性評(píng)價(jià)地層脆性。對(duì)于定量評(píng)價(jià)地層脆性,對(duì)相對(duì)速度剖面進(jìn)行定量化,將縱波相對(duì)速度變化量沿井徑方向積分(見式3),該積分值即為巖石的脆性指數(shù)BFvp,反映了縱波速度變化及影響區(qū)域的大小,是速度剖面變化的綜合體現(xiàn)[12]。

(3)

圖4 B井壓裂前、后速度剖面及各向異性成果圖(黑色標(biāo)識(shí)為設(shè)計(jì)壓裂段)*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3.1.2 壓裂效果評(píng)價(jià)

應(yīng)用縱波層析成像進(jìn)行壓裂評(píng)價(jià)的重要依據(jù)是:壓裂使井壁周圍巖石破碎,會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫,形成巖石的擴(kuò)容,巖石擴(kuò)容產(chǎn)生的巖石彈性波波速下降已為大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)[13]。通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)室壓裂實(shí)驗(yàn)也可以觀測(cè)到壓裂在井眼周圍產(chǎn)生了大量的微裂縫[3],這些微裂縫的產(chǎn)生就會(huì)造成井壁附近地層速度的降低。而縱波走時(shí)層析成像技術(shù)恰恰可以反映巖石彈性波波速的變化,通過分析壓裂前、后速度剖面的差異(包括徑向速度變化量是否變大,徑向深度是否明顯加深),從而獲取壓裂縫高等參數(shù)。因此縱波走時(shí)層析成像技術(shù)可用于評(píng)價(jià)壓裂效果。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

B井壓裂段為3 352.00～3 358.00 m井段,如圖4中黑色柱狀標(biāo)注井段。該井段巖性為砂巖,中子密度有交會(huì),氣測(cè)形態(tài)飽滿,電阻率值較低,綜合解釋為一套油水同層和一套含油水層。

該井段壓裂效果評(píng)價(jià)存在的問題是壓裂前、后各向異性差異不大,不利于判斷壓裂縫高,無法判斷出砂體是否壓開,如圖4中壓裂前、后各向異性及壓裂前、后各向異性差異所示。所以對(duì)壓裂前、后的速度剖面進(jìn)行了處理(見圖4)。從壓前速度剖面可以看出壓裂段整體脆性較好。對(duì)于壓裂效果的分析:壓裂前、后徑向速度剖面差異明顯,判斷壓裂效果較好,根據(jù)速度剖面的差異可以明確判斷壓裂縫高(見圖4中紅色虛線框);非壓裂段的速度剖面具有很好的重復(fù)性,保證了壓裂前、后的可對(duì)比性。

該壓裂段壓前產(chǎn)水8.08 m3/d,未出油。壓裂后產(chǎn)水40.28 m3/d,產(chǎn)油3.14 m3/d,其中壓裂液返排率高達(dá)90.26%。無論是壓裂前、后的產(chǎn)能還是壓裂液返排率都驗(yàn)證了速度剖面對(duì)壓裂效果的評(píng)價(jià)。顯然,對(duì)于這口井,傳統(tǒng)的各向異性的方法評(píng)價(jià)壓裂失效。當(dāng)壓裂縫為單條主縫時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的橫波分裂現(xiàn)象,會(huì)增強(qiáng)地層的各向異性;當(dāng)壓裂縫為網(wǎng)狀裂縫時(shí),不會(huì)產(chǎn)生橫波分裂現(xiàn)象,不會(huì)增強(qiáng)地層的各向異性[23],導(dǎo)致各向異性方法評(píng)價(jià)壓裂效果失效,所以懷疑該壓裂段壓裂縫網(wǎng)形態(tài)為網(wǎng)狀裂縫。

對(duì)于煤層的壓裂效果評(píng)價(jià)存在的問題,由于煤層煤質(zhì)疏松,地層較軟,導(dǎo)致偶極橫波波形質(zhì)量較差,造成各向異性計(jì)算不準(zhǔn)確,所以傳統(tǒng)的偶極橫波各向異性評(píng)價(jià)壓裂效果的方法在煤層中失效。

圖5給出利用縱波走時(shí)層析成像評(píng)價(jià)煤層壓裂效果的實(shí)例(XY井)。圖5是XY井壓裂前、1次壓裂后、2次壓裂后徑向速度剖面對(duì)比圖。第1道是自然伽馬曲線,第2道是深度,第3道是密度、中子和聲波時(shí)差曲線,第4道、第5道、第6道分別是壓裂前、1次壓后(壓裂15號(hào)煤層)、2次壓后(壓裂3號(hào)、9號(hào)煤層)的徑向速度變化剖面,第7道是根據(jù)式(3)計(jì)算的壓前脆性曲線。在徑向速度剖面圖中,色標(biāo)變化從0到15,表示相對(duì)速度變化量從0到15%,圖5中-2到2表示距離井壁2 m范圍內(nèi)進(jìn)行速度成像。

圖5中對(duì)于非壓裂段,第4道、第5道、第6道中均體現(xiàn)了很好的重復(fù)性。對(duì)于壓裂段:3號(hào)、15號(hào)煤層壓前、壓后徑向速度剖面變化明顯,壓裂效果較好,壓裂方向往煤層徑向深處延伸。9號(hào)煤層壓前、壓后徑向速度剖面基本不發(fā)生變化,認(rèn)為9號(hào)煤層壓裂效果較差,分析可能是由于煤層厚度較薄導(dǎo)致。從第4道,即壓前速度剖面,相較于9號(hào)煤層的徑向速度變化量,可以看出3號(hào)、15號(hào)煤層的徑向速度變化量更加明顯。由于壓前速度剖面反映了地層巖石受鉆井的破壞程度,破壞程度的強(qiáng)弱(即相對(duì)速度變化的大小)間接反映了巖石的脆性大小,所以從壓前速度剖面可以看出,與9號(hào)煤層對(duì)比,3號(hào)、15號(hào)煤層的脆性更好,這與第7道壓前脆性曲線的指示一致。同時(shí)脆性更好,更易于壓裂,這一點(diǎn)與壓裂前、后速度剖面顯示的壓裂效果相符。

圖5 XY井壓裂前、一次壓裂后(15號(hào)煤層壓裂)、二次壓裂后(3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤層壓裂)徑向速度剖面對(duì)比圖

4 結(jié) 論

(1) 受鉆井、工程壓裂等影響,井壁附近的地層彈性波速度與遠(yuǎn)離井壁處的原狀地層的速度相比有較大的變化,應(yīng)用縱波走時(shí)可以對(duì)井壁附近的徑向速度變化進(jìn)行層析成像,從而可以用來確定鉆井及工程壓裂在地層中造成的破損范圍的大小進(jìn)而預(yù)測(cè)巖石脆性以及評(píng)價(jià)壓裂效果等。

(2) 速度徑向剖面提供了一種評(píng)價(jià)脆性的方法,應(yīng)用壓前的徑向速度剖面可以定性、定量評(píng)價(jià)地層的脆性,直接反映巖石在鉆井過程中所體現(xiàn)的脆性,對(duì)于儲(chǔ)集層壓裂優(yōu)選層位和壓裂改造實(shí)施有指導(dǎo)意義。

(3) 通過分析壓裂前、后速度剖面的差異(包括徑向速度變化量是否變大,徑向深度是否明顯加深),可以獲取壓裂縫高等參數(shù),該方法在壓裂評(píng)價(jià)中的應(yīng)用是對(duì)傳統(tǒng)壓裂評(píng)價(jià)方法的一個(gè)有效補(bǔ)充。

(4) 速度剖面評(píng)價(jià)壓裂的優(yōu)勢(shì):當(dāng)壓前、壓后各向異性差異不大時(shí)(比如壓裂縫為網(wǎng)狀縫),即應(yīng)用各向異性評(píng)價(jià)壓裂效果失效時(shí),速度剖面仍然可以很好地反映壓裂效果。

(5) 對(duì)于軟地層,比如煤層,由于地層較軟,偶極橫波衰減嚴(yán)重,應(yīng)用各向異性評(píng)價(jià)壓裂效果較差,應(yīng)用壓裂前、后速度剖面對(duì)比仍然可以很好地評(píng)價(jià)壓裂效果。