井眼垮塌和泥巖層蝕變下的密度和聲波環(huán)境校正

陳國(guó)軍，任軍民，胡婷婷，范小琴，高　明，李　靜

井眼垮塌和泥巖層蝕變下的密度和聲波環(huán)境校正

陳國(guó)軍，任軍民，胡婷婷，范小琴，高明，李靜

（新疆油田公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所，新疆烏魯木齊830013）

摘要：針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地地層泥巖垮塌和泥巖層蝕變對(duì)密度和聲波測(cè)井值的影響，首先提出垮塌蝕變指數(shù)概念，進(jìn)而針對(duì)不同影響程度，提出了經(jīng)驗(yàn)公式校正、正演校正及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正方法，將上述方法應(yīng)用到地震標(biāo)定和波阻抗反演中，使得合成地震記錄與井旁地震道的相位與能量的對(duì)應(yīng)關(guān)系及反演中砂體的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)噶爾盆地；環(huán)境校正；地震標(biāo)定；波阻抗反演

由于水基泥漿的浸泡，靠近井壁部分的泥巖吸水膨脹，改變了自身的密度和壓力，隨著泥漿浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，靠近井壁的部分發(fā)生垮塌，造成井徑擴(kuò)大；另外泥巖有可能繼續(xù)膨脹而占據(jù)垮塌泥巖的位置，使井徑無異常[1]。這些情況可能引起探測(cè)深度內(nèi)的密度、聲波、微側(cè)向等曲線的畸變。測(cè)量密度可表示為：為泥漿和膨脹泥巖的密度，ρp為原始地層密度)，由于擴(kuò)徑和泥巖蝕變膨脹，原始地層密度的權(quán)重系數(shù)x下降，泥漿和膨脹的泥巖的權(quán)重系數(shù)上升，造成密度測(cè)井值的降低，嚴(yán)重時(shí)，已無法用圖版進(jìn)行校正；聲波時(shí)差的影響一是泥巖蝕變，二是由于垮塌造成的滑行的路徑的變化，使得無法補(bǔ)償聲波時(shí)差。這些情況一般只發(fā)生在泥巖層段，對(duì)儲(chǔ)集層的評(píng)價(jià)影響小。在井約束阻抗反演和地震標(biāo)定中，聲波和密度是不可少的基礎(chǔ)資料。為了地震標(biāo)定和波阻抗反演的準(zhǔn)確性，需要開展嚴(yán)重垮塌和泥巖層蝕變下的密度、聲波時(shí)差環(huán)境校正研究。

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1　垮塌蝕變指數(shù)

在測(cè)井資料的環(huán)境校正前，需要確定井眼垮塌蝕變程度。復(fù)雜井眼基于三種情況（圖1）：①井眼垮塌，測(cè)井曲線未失真；②井眼未垮塌，測(cè)井曲線失真；③井眼垮塌，測(cè)井曲線失真。

圖1　復(fù)雜井眼曲線示意圖

考慮②、③情況，提出利用井徑和深淺電阻率曲線來確定垮塌蝕變程度，即垮塌蝕變指數(shù)N1，公式（1），井徑曲線反映井眼尺寸的變化，密度與沖洗帶電阻率探測(cè)深度相當(dāng)，因而利用它們能指示鉆井泥漿對(duì)井壁周圍地層浸泡的時(shí)間長(zhǎng)短和強(qiáng)弱程度。

式中：N1 — 垮塌蝕變指數(shù)；

X — 權(quán)重系數(shù)；

Y1'、Y2'—分別為Y1、Y2歸一化數(shù)據(jù)；

D —該段鉆頭尺寸；

Y1、Y2 — 分別為井眼和電阻率相對(duì)變化值。

由于密度與聲波測(cè)井原理的原因，可能與實(shí)際的井眼垮塌和泥巖蝕變并不一致，對(duì)于推靠性的密度測(cè)井儀器，由于重力的作用，儀器的測(cè)量面可能在垮塌井段貼靠到井壁，以至對(duì)測(cè)量值影響很小；而聲波時(shí)差測(cè)井儀器居中很好，依靠本身的補(bǔ)償原理，能消除井眼的影響（情況①）。因此，提出垮塌指數(shù)N2，用公式（3）、公式（4）計(jì)算。根據(jù)垮塌蝕變指數(shù)確定三種垮塌蝕變程度：一般垮塌蝕變（圖版校正）、中等垮塌蝕變、嚴(yán)重垮塌蝕變。

式中：N2、N2* — 垮塌蝕變指數(shù)；

ρmin、ρb— 分別為泥巖密度最小值、泥巖密度測(cè)井值；

△t、△tmax— 分別為泥巖聲波時(shí)差測(cè)井值、泥巖聲波時(shí)差最大值。

2　校正方法優(yōu)選

2.1中等垮塌蝕變

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，將本地區(qū)垮塌蝕變指數(shù)在（0.4

在中等垮塌蝕變情況下，居中儀器和探測(cè)深度較大的儀器受井眼垮塌蝕變的影響較小，因此可以考慮采用經(jīng)驗(yàn)公式方法校正密度或聲波。選擇基準(zhǔn)曲線的原則是：若聲波時(shí)差基本沒受到影響，密度受到影響，則優(yōu)先選擇同為孔隙度測(cè)井的聲波作為基準(zhǔn)曲線來校正密度曲線。圖2中，井眼垮塌段測(cè)量密度受到嚴(yán)重影響，而聲波曲線基本沒受到影響，因此選用測(cè)量聲波校正密度，DEN（AC^2）曲線為使用公式（5）計(jì)算得到的校正密度，曲線DEN（AC）為使用公式（6）計(jì)算得到的校正密度，從未垮塌段校正密度與測(cè)量密度的重合度看，Gardner公式校正效果較好；若聲波時(shí)差也受到影響，則應(yīng)選擇電阻率作為基準(zhǔn)曲線校正聲波，選用公式（7）、公式（8），而后用校正后的聲波曲線校正密度。

式中：ρ — 地層密度；

Vp— 縱波速度；

S(v) — 聲波速度；

圖2　經(jīng)驗(yàn)公式校正實(shí)例

H — 深度；

R — 電阻率；

a, b, c, d, f, K, C — 分別為資料統(tǒng)計(jì)的系數(shù)。

2.2嚴(yán)重垮塌蝕變

將本地區(qū)垮塌蝕變指數(shù)在（0.7< N1；0.18< N2；0.21

在這種情況下，聲波時(shí)差、密度受到嚴(yán)重影響，需要選擇探測(cè)深度大的曲線作為母曲線校正聲波，而后使用校正的聲波校正密度。采用正演和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法進(jìn)行校正。

第一種：正演方法

建立待校正曲線體積模型，根據(jù)各成分、流體體積含量及相應(yīng)的測(cè)井響應(yīng)值計(jì)算垮塌段目標(biāo)曲線。自然伽馬和深側(cè)向電阻曲線在泥巖段和泥質(zhì)含量較重的層段可以經(jīng)必要的環(huán)境校正來識(shí)別巖性，測(cè)井響應(yīng)的體積百分比模型表示為[2]：

式中：Ci — 第i種巖石成分未垮塌井段的測(cè)井響應(yīng)值；

Vi — 第i種巖石成分體積百分比；

C — 正演的測(cè)井響應(yīng)值。

在一般的泥巖垮塌井段，巖石成分一般選用泥質(zhì)和粉砂巖兩種成分。出現(xiàn)伽馬無法劃分巖性的時(shí)候，可以選擇電阻率，為了更精準(zhǔn)的計(jì)算泥質(zhì)含量，使用公式：

式中：VCLR — 泥質(zhì)含量；

Rclay— 純泥巖電阻率；

Rclean— 純砂巖電阻率；

Rt — 深側(cè)向電阻率。

圖3為正演校正方法實(shí)例，ACC（GR）為利用GR進(jìn)行的AC正演校正，從對(duì)比結(jié)果看，ACC（GR）正演結(jié)果與AC測(cè)井曲線具有較好的一致性。

第二種：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法

由于泥漿侵入的影響，井眼垮塌和泥巖層蝕變變得更加復(fù)雜，從而影響探測(cè)深度內(nèi)的曲線更加難以用線性方式擬合出來。因此尋求神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性的擬合方式。

用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性映射或擬合，主要是通過給定的訓(xùn)練樣本集進(jìn)行學(xué)習(xí)得到一種解釋模型，對(duì)未知的測(cè)井曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)。但它與統(tǒng)計(jì)擬合完全不同的地方是：首先，它不是建立一種擬合回歸方法；其次，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的形式可以是幾種簡(jiǎn)單的函數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)極其復(fù)雜的各種非線性擬合，而且參與擬合的變量可以不受限制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合可以達(dá)到相當(dāng)高的學(xué)習(xí)精度[3]。

密度與聲波、中子具有很好的相關(guān)性，同時(shí)與電阻率具有一定程度的相關(guān)性，而伽馬能夠指示巖性的變化，因此可以把聲波、電阻率、伽馬作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元。

進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)前需要對(duì)測(cè)井資料進(jìn)行預(yù)處理，一是標(biāo)準(zhǔn)化，選用標(biāo)準(zhǔn)層的頻率對(duì)比法和趨勢(shì)面分析法，兩者互相對(duì)比驗(yàn)證。二是歸一化。

由于各種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)量綱不一致，進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前，無論是學(xué)習(xí)樣本還是預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，都需先進(jìn)行歸一化處理，將它們都刻度在統(tǒng)一的數(shù)值量綱范圍內(nèi)。對(duì)于具有近似線性特征的輸入信息，可以采用線性歸一化公式（式（13）），對(duì)于電阻率具有非線性對(duì)數(shù)特征的曲線，采用對(duì)數(shù)歸一化公式（式（14））

圖3　正演校正實(shí)例

式中：X —經(jīng)歸一化計(jì)算后的測(cè)井曲線，X∈[0, 1]；

X* —原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)；

X*max和X*min— 測(cè)井曲線的極大、極小值。

本文使用RBF（基于徑向基）函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用3層網(wǎng)絡(luò)，輸入層選擇2～3個(gè)變量（自然伽馬、電阻率、聲波時(shí)差），1個(gè)變量（聲波或密度）作為輸出，隱含層為3～4個(gè)神經(jīng)元。運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)后對(duì)環(huán)境影響段進(jìn)行聲波或密度預(yù)測(cè)（圖4），1 225～1 230 m為訓(xùn)練樣本，1 230～1 250 m為DEN的預(yù)測(cè)曲線DENC，可以看出未垮塌段1 239～1 242 m的DEN與DENC相差不大，因此校正精度較高，能夠滿足合成地震記錄和阻抗反演的精度要求。

圖4　曲線正演校正實(shí)例

3　質(zhì)量控制

為了控制曲線校正的質(zhì)量，決定使用三種方法控制：合成記錄與井旁地震道的相關(guān)性；巖石物理模型的極限控制；多井趨勢(shì)分析。

合成記錄與井旁地震道的相關(guān)性（圖5a）：校正前后合成記錄與井旁地震道相關(guān)關(guān)系分析，指標(biāo)就是相關(guān)系數(shù)的提高。

巖石物理模型（圖5b）：利用巖石物理模型方式，計(jì)算出密度與縱波速度的極限值，依據(jù)這些極限值作為判斷測(cè)井資料保真性的標(biāo)準(zhǔn)。

多井趨勢(shì)分析（圖5c）：校正后多井曲線趨勢(shì)應(yīng)該一致。

圖5　曲線校正質(zhì)量控制

4　應(yīng)用效果分析

在準(zhǔn)噶爾盆地選擇多口井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境校正及校正前后地震標(biāo)定數(shù)據(jù)和反演數(shù)據(jù)對(duì)比。目的層段存在嚴(yán)重的井眼垮塌，選擇常規(guī)的方法（圖版）對(duì)聲波和密度校正效果不明顯。為此，通過垮塌蝕變指數(shù)來優(yōu)選校正方法，對(duì)聲波和密度進(jìn)行校正。從聲波與密度校正前后合成地震記錄與井旁地震道的相位與能量對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)比（圖6a）中，可以看出，用校正前資料做的合成地震記錄與井旁地震道的相位和能量存在偏差，而用校正后聲波資料做的合成地震記錄與井旁地震道的相位和能量具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這說明使用的方法效果明顯，提高了地震標(biāo)定的可靠性。

圖6　地震標(biāo)定及波阻抗反演結(jié)果對(duì)比實(shí)例

同時(shí)利用校正后的曲線進(jìn)行波阻抗反演（圖6b），從兩張剖面上看，校正后反演剖面與校正前反演剖面對(duì)比，井間砂體變化更自然、更真實(shí)，消除模型化，有利于儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)。

5　結(jié)論

泥漿浸泡引起的泥巖蝕變和井徑垮塌，造成了聲波、密度曲線發(fā)生畸變，嚴(yán)重影響到地震標(biāo)定、波阻抗反演等。采用垮塌蝕變指數(shù)來確定泥漿浸泡引起的不良井眼程度，進(jìn)而確定校正方法。分別采用了經(jīng)驗(yàn)公式校正、正演校正及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校正方法，解決了井眼復(fù)雜段地震標(biāo)定中合成地震記錄與井旁地震道相位和能量關(guān)系對(duì)應(yīng)不好的問題，提高了地震標(biāo)定的可信度。同時(shí)利用校正后的曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行波阻抗反演消除了反演剖面模型化的問題，使得砂體的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：P631.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2012.03.092

收稿日期：2012-02-24；改回日期：2012-03-16

第一作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)軍，男，1974年生，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)地球探測(cè)與信息專業(yè)，碩士，從事石油地質(zhì)工作。

文章編號(hào)：1008-2336（2012）03-0092-06

Environment Correction on Acoustic and Density Logging Data in the Case of Wellbore Collapse and Mudstone Alteration

CHEN Guojun, REN Junmin, HU Tingting, FAN Xiaoqin, GAO Ming, LI Jing
（Geophycial Research Institute of Research Institute of Exploration and Deνelopment of Xinjiang Oil fi eld Company, Urumqi Xinjiang 830013, China）

Abstract:The acoustic and density logging values have been inf l uenced by wellbore collapse and mudstone alteration in Junggar basin. To solve this problem, fi rstly, the concept of collapse and alteration exponent has been put forward. In terms of the inf l uence extent, the density and sonic logging data are corrected with empirical formula, forward modeling and neural net. Through the application of the above correction method to seismic calibration and wave impedance inversion, it is more accurate in forecasting the phase and energy corresponding relationship between synthetic seismogram and seismic trace near a well, and more accurate in forecasting sand body.

Key words:Junggar basin; environment correction; seismic calibration; P-impedance inversion