基于LEAD平臺(tái)的多極子聲波測井分析系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

譚博蕾,李 衛(wèi),余春昊,李長文,趙 靜,賀小陸,陶 果

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國石油大學(xué)北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司,陜西西安710021)

基于LEAD平臺(tái)的多極子聲波測井分析系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用

譚博蕾1,2,李 衛(wèi)1,2,余春昊3,李長文3,趙 靜3,賀小陸3,陶 果1,2

(1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.中國石油大學(xué)北京市地球探測與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司,陜西西安710021)

基于L EAD2.1平臺(tái)開發(fā)了一套完整的多極子聲波測井分析系統(tǒng)(MAAS)。MAAS包括速度分析、衰減分析、巖石力學(xué)分析與壓裂高度預(yù)測、各向異性分析以及滲透率分析等五大功能模塊;能處理MAC、MACII、XMAC、XMACII、DSI、WAVESON IC等多極子陣列聲波測井資料,且集成了 Geoframe、eXp ress和Petrosite等3個(gè)平臺(tái)聲波處理模塊的優(yōu)勢。給出了全面測試和初步應(yīng)用的結(jié)果。經(jīng)過多口井資料的測試,該系統(tǒng)的處理效果基本達(dá)到了國外軟件的水平,且克服了國外軟件只能處理單一格式數(shù)據(jù)的局限。

多極子陣列聲波測井;信號(hào)處理平臺(tái);測井軟件;石油工程

0 引 言

聲波測井信息能夠測量地層多種物性參數(shù),包括滲透率、波能量衰減、反射及透射、地層的各向異性、巖石力學(xué)特性等,測量精度及分辨率也大大提高[1-3];在慢地層中橫波慢度的獲取、酸化壓裂作業(yè)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)、地層應(yīng)力檢測、進(jìn)行套管井測量、識(shí)別裂縫及其有效性等幾個(gè)方面具有不可替代的作用。

國外測井公司的處理解釋平臺(tái)只能解編處理各自的測井?dāng)?shù)據(jù),且各個(gè)平臺(tái)的聲波處理模塊均存在各自不同的優(yōu)勢和劣勢,在實(shí)際應(yīng)用中十分不便。本文介紹在國產(chǎn)LEAD2.1平臺(tái)上開發(fā)的多極子聲波測井分析系統(tǒng)[4](簡稱M AAS)。該系統(tǒng)能解編處理MAC、MACII、XMAC、XMACII、DSI、WAVESON IC等多極子陣列聲波測井資料,集成了 Geoframe、eXp ress和Petrosite等3個(gè)平臺(tái)聲波處理模塊的優(yōu)勢;給出了在該平臺(tái)全面測試結(jié)果以及與國外同類軟件對(duì)比和初步應(yīng)用的結(jié)果。

1 多極子聲波測井?dāng)?shù)據(jù)處理方法

1.1 速度分析

1.1.1 慢度-時(shí)間相關(guān)分析(STC)

速度分析模塊主要采用慢度-時(shí)間相關(guān)(STC)法[5-7],STC處理技術(shù)是一種全波列分析處理技術(shù),采用了一種相似性算法計(jì)算各種波的慢度(速度的倒數(shù))。它使用二維網(wǎng)格(一維是時(shí)間,另一維是慢速)搜索法,找出陣列波形的相關(guān)函數(shù)極值處波的到時(shí)和慢度,波形相關(guān)是對(duì)于某一時(shí)間窗內(nèi)的波形而言。STC算法簡單,穩(wěn)定性好,并不用檢測首波,避免了周波跳躍現(xiàn)象,所計(jì)算的慢度比較可靠。

1.1.2 多炮點(diǎn)慢度-時(shí)間相關(guān)分析(MSTC)

該模塊提供了多炮點(diǎn)慢度-時(shí)間相關(guān)(M STC)法,MSTC法能夠提高縱向分辨率和井眼補(bǔ)償效果。多炮點(diǎn)處理法提供了一種將地層分辨率從3.5 ft(非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同)提高到2.0 ft的方法。該方法是用接收器陣列中每4個(gè)依次排列接收器子陣列的相關(guān)計(jì)算慢度曲線的,反復(fù)進(jìn)行這一過程,直到計(jì)算完所有子陣列,然后用相關(guān)質(zhì)量控制曲線對(duì)接收器陣列的平均值和發(fā)射器陣列的平均值進(jìn)行加權(quán)平均,最后,經(jīng)平均得到的接收器和發(fā)射器陣列合在一起形成井眼補(bǔ)償慢度曲線。

1.1.3 頻散校正分析(DSTC)

偶極子聲波測井儀器在任何情況下(不受地層的橫波速度的限制)都能得到橫波速度。但偶極子聲波測井?dāng)?shù)據(jù)存在頻散效應(yīng)。利用頻譜相關(guān)法提取橫波慢度,必須首先對(duì)聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻散校正。所以,對(duì)于偶極子橫波數(shù)據(jù)可以選擇DSTC方法提取橫波慢度。

1.2 衰減分析

衰減分析模塊采用2個(gè)接收器振幅譜的比值計(jì)算衰減系數(shù)。首先由各種波的到時(shí)得到縱波、橫波、斯通利波各自的窗長,在各自的范圍內(nèi)求其振幅的平方和,然后相比即可得到分別的衰減系數(shù)。其中計(jì)算的是第1個(gè)接收器和最后1個(gè)接收器振幅譜的比值。

1.3 巖石力學(xué)分析與壓裂高度預(yù)測

1.3.1 地層彈性參數(shù)計(jì)算

描述地層彈性參數(shù)主要有楊氏模量、剪切模量、體積模量和泊松比等。根據(jù)彈性波動(dòng)理論,可以得出地層的彈性模量與聲波縱、橫波速度的關(guān)系。

1.3.2 水平地層應(yīng)力的計(jì)算

采用改進(jìn)的三軸應(yīng)力模型,該模型能更好的體現(xiàn)各向異性對(duì)地層應(yīng)力的影響;考慮到上覆巖層壓力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用效應(yīng),得出最大和最小水平主地層應(yīng)力[8-10]。

1.3.3 酸化壓裂裂縫方位和高度預(yù)測

各項(xiàng)異性模塊采用改進(jìn)的模擬退火算法能夠較準(zhǔn)確地確定地層橫波各向異性的主軸方向,從而確定最大和最小主應(yīng)力方向,以及定向裂縫系統(tǒng)的方位。

壓裂縫延伸高度預(yù)測采用B.M.New berry改進(jìn)模型,該模型主要考慮地層應(yīng)力以及流體的影響,預(yù)測結(jié)果較穩(wěn)定可靠。

1.4 各向異性分析

各向異性計(jì)算模塊采用波形反演方法確定地層各向異性的大小和主軸方位。在反演中采用了改進(jìn)的快速模擬退火算法[11-14]。

改進(jìn)的模擬退火算法的基本思想是為模擬退火算法加入局部優(yōu)化算法。局部優(yōu)化算法能夠收斂到局部極值,從而有助于模擬退火算法精確區(qū)分多個(gè)相差不大的局部極值。但是局部優(yōu)化算法的引入會(huì)影響模擬退火算法的計(jì)算速度,為了使模擬退火算法的計(jì)算速度不會(huì)下降太快,選用了一種簡單的局部優(yōu)化算法——下山單純形方法,即在模擬退火算法的每1個(gè)循環(huán)中隨機(jī)產(chǎn)生3個(gè)點(diǎn),然后運(yùn)用單純形算法進(jìn)行局部尋優(yōu),所得最優(yōu)解作為下一個(gè)循環(huán)的初始點(diǎn)繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)。下山單純形方法不涉及導(dǎo)數(shù)的運(yùn)算,速度快,所以比較適合于加入到模擬退火算法中。

1.5 滲透率計(jì)算

通過提取直達(dá)斯通利波、計(jì)算斯通利波中心頻率偏移和時(shí)間延遲進(jìn)行地層滲透率反演[15]。

在滲透性地層,滲透率對(duì)斯通利波會(huì)產(chǎn)生2個(gè)方面的影響,即能量進(jìn)一步衰減和傳播速度減慢。因此,可以通過對(duì)比合成和測量的斯通利波波形估算地層的滲透率。在滲透性地層,測量波列的中心頻率會(huì)出現(xiàn)低頻移動(dòng),傳播時(shí)間出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。所以,在滲透性深度點(diǎn),斯通利波的中心頻率明顯比非滲透點(diǎn)的中心頻率低,斯通利波的到時(shí)明顯比非滲透點(diǎn)的到時(shí)晚。對(duì)滲透點(diǎn)與非滲透點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比后可得到中心頻率差Δ和傳播時(shí)間差Δ。如果某一層段的低頻移動(dòng)和波至滯后相一致,可認(rèn)為此層段為滲透性地層。正如測量的斯通利波波形與非滲透性斯通利波波形對(duì)比一樣,將理論合成的滲透性斯通利波波形與非滲透性斯通利波波形對(duì)比,就得到理論的中心頻率差Δ和傳播時(shí)間差。最后建立滲透率反演目標(biāo)函數(shù),通過搜索滲透率的最優(yōu)值,使,就可以估算出該深度點(diǎn)的滲透率。

2 多極子聲波測井分析系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

多極子聲波測井分析系統(tǒng)(M AAS)主要包括5個(gè)功能模塊:速度分析、衰減分析、巖石力學(xué)分析與壓裂高度預(yù)測、各向異性分析和滲透率分析等功能模塊。

2.1 速度分析

該模塊采用較先進(jìn)的慢度-時(shí)間相關(guān)(STC)法,可準(zhǔn)確提取地層的縱波、橫波、斯通利波和偶極橫波慢度以及到時(shí)等參數(shù)。除了可以選擇單炮點(diǎn)慢度-時(shí)間相干(NSTC)法進(jìn)行速度分析外,還可以選擇多炮點(diǎn)慢度-時(shí)間相干(M STC)法提高縱向分辨率。對(duì)于偶極子橫波數(shù)據(jù),還可以選擇DSTC方法進(jìn)行頻散校正(見圖1)。

2.2 衰減分析

該模塊可以計(jì)算各個(gè)接收器縱波、橫波、斯通利波的幅度曲線及其衰減系數(shù)。圖2為某井衰減分析成果圖,其第2道為輸入的縱波、橫波和斯通利波慢度曲線;第3道為輸出的縱波衰減系數(shù);第4道為橫波衰減系數(shù);第5道為斯通利波衰減系數(shù);第6道為8個(gè)接收器的縱波幅度曲線;第7道為橫波幅度曲線;第8道為斯通利波幅度曲線。

2.3 巖石力學(xué)分析與壓裂高度預(yù)測

該模塊包含2個(gè)子模塊,①巖石力學(xué)分析模塊,主要計(jì)算巖石泊松比、體積模量、楊氏模量、拉梅系數(shù)、體積壓縮系數(shù)、巖石壓縮系數(shù)等巖石機(jī)械特性參數(shù),地層孔隙壓力、巖石抗拉強(qiáng)度、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、破裂壓力等井眼穩(wěn)定性參數(shù),還可以計(jì)算泥漿密度安全窗口;②壓裂高度預(yù)測模塊,該模塊可以計(jì)算出酸化壓裂所需的壓力以及壓裂后壓裂縫的高度,為酸化壓裂及壓裂層位的設(shè)計(jì)提供依據(jù)(見圖3)。

2.4 各向異性分析

MAAS的各向異性分析模塊由各向異性計(jì)算和方位校正2個(gè)子模塊組成。各向異性計(jì)算模塊采用改進(jìn)的模擬退火算法能夠較準(zhǔn)確地確定地層各向異性的大小和主軸方位,同時(shí)給出了地層的快慢波波形、慢度,及能量各向異性。方位校正模塊是利用記錄的儀器方位曲線對(duì)各向異性的方位進(jìn)行校正,從而得到地層各向異性的實(shí)際方位,以便進(jìn)一步確定地層最大和最小主應(yīng)力方向,以及定向裂縫系統(tǒng)的方位。

圖1 速度分析成果圖

各向異性分析可用來評(píng)價(jià)壓裂效果、識(shí)別裂縫及其有效性以及確定裂縫的方位。圖4為某井壓裂前數(shù)據(jù),分別用MAAS和eXp ress進(jìn)行各向異性分析后的成果圖。由于壓裂前數(shù)據(jù)各向異性不明顯,所以圖4中第3道的各向異性大小曲線數(shù)值很小,特別是平均各向異性,幾乎為0。這個(gè)數(shù)據(jù)有2個(gè)壓裂層段,1 918～1 922 m井段和1 928～1 934 m井段[見圖4(b)中紅色線段所示]。

圖2 衰減分析成果圖

圖3 巖石力學(xué)分析與壓裂高度預(yù)測成果圖

圖5為相同井段壓裂后的處理成果圖。MAAS和eXp ress的處理成果圖在壓裂段附近都表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性,說明壓裂效果明顯,但MAAS處理的各向異性大小曲線在形態(tài)上與eXp ress處理的有些偏差。從理論上分析,壓裂段地層相對(duì)于上下地層來說,各向異性應(yīng)該偏低。但eXpess的處理結(jié)果顯示第2個(gè)壓裂層段對(duì)應(yīng)各向異性的最大值,這與理論分析不符。MAAS的處理結(jié)果中,各向異性的大小剛好顯示出2個(gè)高峰,且分別對(duì)應(yīng)2個(gè)壓裂段偏下的地層位置。

圖4 某井各向異性分析對(duì)比圖(壓裂前)

圖5 某井各向異性分析對(duì)比圖(壓裂后)

對(duì)比圖4、圖5中第4道的各向異性灰度圖,可以看出二者顯示的方位信息基本一致。從理論上分析,各向異性越大,方位越穩(wěn)定。分析圖5(b)各向異性大的位置,方位變化卻很明顯,反而各向異性小的位置,方位較穩(wěn)定。圖5(a)的處理結(jié)果則與理論分析相一致。

綜上所述,MAAS各向異性分析模塊的處理結(jié)果更能反映地層實(shí)際情況,可信度更高。

圖6為某井壓裂后各向異性分析的成果圖。經(jīng)過對(duì)比分析,可知對(duì)于DSI數(shù)據(jù),MAAS的處理結(jié)果與 Geo Frame基本一致;但由于WAV ESON IC儀器測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量比較差,MAAS的處理結(jié)果與Geo Frame有些差異,但形態(tài)基本一致,能定性反映出地層各向異性的大小。

2.5 滲透率分析

該模塊包含2個(gè)子模塊,1個(gè)是波場分離模塊,主要是為下一步反演滲透率做準(zhǔn)備,通過參數(shù)估計(jì)法,可以得到直達(dá)斯通利波、上行反射斯通利波和下行反射斯通利波,同時(shí)可以得到反射系數(shù)、中心頻率等參數(shù)。另1個(gè)是滲透率計(jì)算模塊,主要是通過斯通利波波形反演來估算滲透率,同時(shí)可以得到時(shí)間延遲和中心頻率偏移2個(gè)質(zhì)量控制參數(shù)。

(a)Geo Frame處理結(jié)果(DSI數(shù)據(jù))

(b)MAAS處理結(jié)果(DSI)數(shù)據(jù))

圖7為某井經(jīng)過滲透率分析后的成果圖,其中第4道為中心頻率曲線,第6道為時(shí)間延遲和頻率偏移曲線,第7道中離散的數(shù)據(jù)為巖心滲透率,連續(xù)的曲線為MAAS計(jì)算的滲透率,在滲透率大的地方,二者吻合的很好。從圖7可知,計(jì)算出的滲透率曲線與第8道的孔隙度曲線對(duì)應(yīng)很好。

圖6 各向異性分析結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語

MAAS系統(tǒng)能解編處理 MAC、MACII、XMAC、XMACII、DSI、WAVESON IC等多極子陣列聲波測井資料;能集成了 Geoframe、eXp ress和Petrosite等3個(gè)平臺(tái)聲波處理模塊的優(yōu)勢;包含速度分析、衰減分析、巖石力學(xué)分析與壓裂高度預(yù)測、各向異性分析、滲透率分析5個(gè)模塊,功能齊全,可滿足不同用戶的需要,經(jīng)過多口井資料的測試,該系統(tǒng)的處理效果基本達(dá)到了國外軟件的水平,且克服了國外軟件只能處理單一格式數(shù)據(jù)的局限。該系統(tǒng)已開始在中國石油測井有限公司長慶事業(yè)部推廣應(yīng)用。

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圖7 滲透率分析成果圖

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Developmen t of M ultipole Acoustic Analysis System Based on LEAD Platform and Its Application

TAN Bolei1,2,L IWei1,2,YU Chunhao3,L IChangwen3,ZHAO Jing3,HE Xiaolu3,TAO Guo1,2
(1.State Key Labo rato ry of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Key Labo rato ry of Earth Prospecting and Information Technology,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 3.Technology Center,China Petroleum Logging CO.L TD.,Xi’an,Shaanxi 710021,China)

To meet the demand of domestic software for multip le acoustic data p rocessing and interp retation,developed is a M ultipole Acoustic Analysis System(M AAS)on the logging data p rocessing p latform LEAD2.1.It consists of five modules named as Velocity Analysis Module, Decay Analysis Module,Rock M echanics Analysis and Fracture Height Prediction Module,Anisotropy Analysis Module and Permeability Analysis Module.The MAAS can p rocess the data from these logging tools of MAC,MACII,XMAC,XMACII,DSIand WAVESON IC and integrate the advanced featuresof sonic logging modules in Geoframe,eXp ress and Petrosite.Field tests data and log app lication examp les in Changqing oil field are p resented,w hich p rove that data p rocessing effectivenessof the MAAS is up to international software design levels,and also,the MAASmay p rocessmultiple formats of data.

multipole array acoustic logging,signal p rocessing p latform,logging software,petroleum engineering

1004-1338(2010)05-0442-07

P631.84;TE19

A

譚博蕾,女,1984年生,碩士研究生,從事聲波測井資料處理及解釋研究。

2010-01-20 本文編輯 李總南)