陣列聲波測井技術(shù)在識(shí)別碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型中的應(yīng)用研究

唐 軍，章成廣 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （長江大學(xué)） 長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州434023）

陣列聲波測井技術(shù)在識(shí)別碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型中的應(yīng)用研究

唐 軍，章成廣 （油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （長江大學(xué)） 長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 荊州434023）

儲(chǔ)層類型的準(zhǔn)確識(shí)別是測井技術(shù)在油田勘探開發(fā)過程中的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。由于碳酸鹽巖儲(chǔ)層存在低孔、各向異性以及非均質(zhì)性的特點(diǎn)，導(dǎo)致利用常規(guī)測井資料識(shí)別儲(chǔ)層類型存在較大困難。陣列聲波測井技術(shù)的引入可以提高儲(chǔ)層評(píng)價(jià)精度。時(shí)間慢度相關(guān)分析法STC（Slowness Time Coherence）通過選取合理的時(shí)窗長度和慢度搜索范圍，求得陣列聲波信號(hào)的最大相關(guān)系數(shù)，其對應(yīng)的慢度即為各波形慢度，并同時(shí)計(jì)算各波形頻域內(nèi)的能量。針對碳酸鹽巖地層裂縫－孔洞型、孔洞型、孔隙型3種儲(chǔ)層類型，分別建立了3種波形成分的慢度、能量的定量識(shí)別儲(chǔ)層類型的方法。實(shí)際應(yīng)用表明，對于水層、氣層，該套識(shí)別方法可行。

碳酸鹽巖；儲(chǔ)層類型；陣列聲波；測井

碳酸鹽巖儲(chǔ)層的孔隙空間與碎屑巖儲(chǔ)層相比，具有低孔、各向異性、非均質(zhì)性3大特點(diǎn)，給測井評(píng)價(jià)帶來不確定性、多解性，特別是在評(píng)價(jià)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的含油氣性、滲透性方面存在難題。為了更加精確地計(jì)算碳酸鹽巖儲(chǔ)層的含油氣飽和度、滲透率等，了解掌握碳酸鹽巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)尤為重要［1～4］。為提高儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的精度以及拓展聲法類測井技術(shù)在油氣識(shí)別和工程上的應(yīng)用，數(shù)字聲波全波測井于20世紀(jì)70年代末出現(xiàn) （CSU、3700系列），80年代初出現(xiàn)陣列聲波儀。從數(shù)字化記錄的波形中可以看到，波形中除了彈性縱波外，還有彈性橫波、導(dǎo)波、偽瑞利波和斯通利波［5］。由于這些組分波到達(dá)接收器的時(shí)間偏移不同，通過數(shù)字處理 （時(shí)域和頻域法）可分析各種波的傳播特性 （速度、幅度衰減、頻率和相位等），從而知道井壁周圍的介質(zhì)性質(zhì) （巖性、孔隙性、滲透性和流體特性等）。一般聲波陣列有4～12個(gè)接收器，源距為6～12ft（1ft＝0.3048m），間距為0.5ft，源距大則聲波橫向探測深度深，同時(shí)由于間距小，提高了縱向分辨率。此外，陣列聲波測井通過發(fā)射器陣列和接收器陣列組合處理，將獲得的結(jié)果平均，可以有效補(bǔ)償由井徑變化帶來的誤差。筆者針對碳酸鹽巖儲(chǔ)層的特征，主要探討了利用陣列聲波技術(shù)在識(shí)別裂縫－孔洞型、孔洞型及孔隙型3種碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型的定性、定量方法。

1 陣列聲波測井信息提取方法

從陣列聲波測井資料中提取縱波、橫波和斯通利波的慢度及能量等信息，目前主要采用時(shí)域和頻域兩種提取方法。時(shí)間慢度相關(guān)分析法STC（Slowness Time Coherence）是一種時(shí)域內(nèi)多道信號(hào)相關(guān)分析方法，通過選取合理的時(shí)窗長度和慢度搜索范圍，求得多個(gè)接收器接收到由同一發(fā)射源在某時(shí)刻發(fā)出波信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的慢度即為該深度地層的縱波、橫波和斯通利波慢度［6～8］。

1.1 多個(gè)波形相關(guān)系數(shù)的計(jì)算

陣列聲波測井儀器一般有8個(gè)接收探頭，設(shè)源距分別為z0，z1，…，z7。因接收探頭為等間距排列，間距為Δz（例如0.5ft或6in），則第m個(gè)接收探頭的源距可寫成：

若各接收探頭對應(yīng)接收的全波波形信號(hào)分別為f1（t），f2（t），…，f8（t），對于離散的時(shí)間序列，則波形上任一點(diǎn)i的時(shí)刻ti為：

式中，t0為波形記錄開始時(shí)間，μs；ΔT為時(shí)間采樣間隔，μs；N為采樣點(diǎn)數(shù)。

則相關(guān)系數(shù)R2（S，τ）計(jì)算公式為：

式中，fm表示記錄的波形數(shù)據(jù)；t為開窗初始時(shí)刻，μs；M為接收波列個(gè)數(shù)，一般M＝8；Tw為時(shí)窗長度，μs；S為慢度，μs/ft；τ為時(shí)窗在第一道波形上的開窗位置，μs。相關(guān)系數(shù)R的取值范圍為0≤R≤1，R＝0表示波形間無任何關(guān)系；R＝1表示波形形態(tài)完全相同。

1.2 聲波慢度提取參數(shù)設(shè)置及信息提取

從全波波形提取縱波、橫波和斯通利波的慢度時(shí)，首先需選取適當(dāng)?shù)臅r(shí)窗長度Tw，在全波波形上移動(dòng)窗長，并在合理的慢度范圍內(nèi)移動(dòng)S，當(dāng)S與縱波、橫波和斯通利波的慢度接近時(shí)，相關(guān)系數(shù)R最大，這時(shí)相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的S即為該成分波慢度的估計(jì)值，即獲得縱波、橫波和斯通利波的慢度?？梢姇r(shí)窗長度Tw和慢度搜索范圍的選取是提取3種波的關(guān)鍵，時(shí)窗長度一般取對應(yīng)波形的3個(gè)周期。當(dāng)縱波慢度搜索范圍在40～140μs/ft、橫波慢度在60～180μs/ft和斯通利波慢度在140～280μs/ft之間時(shí)，可提高程序運(yùn)算效率和聲波慢度的準(zhǔn)確性。相關(guān)系數(shù)R是與慢度和時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)縱波、橫波、斯通利波到達(dá)且慢度為縱波、橫波、斯通利波的慢度時(shí)，相關(guān)系數(shù)R最大。此時(shí)R最大值對應(yīng)的慢度即為該成分波時(shí)差的估計(jì)值，即獲得縱波、橫波、斯通利波的時(shí)差值DTP、DTS、DTST。

在STC法處理得到縱波、橫波、斯通利波時(shí)差值之后，可估算出各成分波在全波波形上的初至?xí)r間。在各成分波初至?xí)r間后開一時(shí)窗，計(jì)算出窗口內(nèi)信號(hào)的能量：對選定時(shí)窗內(nèi)的信號(hào)r（t）作傅里葉變換成為R（ω），計(jì)算出信號(hào)的幅度譜。在信號(hào)有效頻帶范圍（ωlow，ωhigh）內(nèi)，計(jì)算信號(hào)幅度譜的平方和，取其對數(shù)作為信號(hào)的能量ENG。

式中，Rreal、Rimagl分別為R（ω）的實(shí)部和虛部。

2 碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型的定性識(shí)別

碳酸鹽巖的儲(chǔ)集層孔隙空間的基本形態(tài)有3種：孔隙、裂縫和洞穴。根據(jù)孔洞和裂縫空間組合方式一般將碳酸鹽巖分為孔隙型儲(chǔ)層、裂縫型儲(chǔ)層、孔洞型儲(chǔ)層、裂縫－孔洞型儲(chǔ)層。四川龍崗地區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫不夠發(fā)育，儲(chǔ)層類型主要為裂縫－孔洞型、孔洞型、孔隙型3種［9，10］。

2.1 裂縫－孔洞型儲(chǔ)層

裂縫－孔洞型儲(chǔ)層是碳酸鹽巖地層中最理想的儲(chǔ)層類型，該類儲(chǔ)層一般高導(dǎo)裂縫發(fā)育，同時(shí)發(fā)育孔洞。因此，該類儲(chǔ)層除了具有良好的滲流通道外也具有好的儲(chǔ)集空間，這也是獲得較高的工業(yè)油氣流的兩個(gè)基本條件。該類儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征為：自然伽馬、電阻率值低；深淺側(cè)向多有差異；三孔隙度曲線 （密度、中子孔隙度、聲波時(shí)差）有較大變化，密度曲線的變化尤其明顯，在沒有井眼影響的情況下，密度的變化是儲(chǔ)層孔隙度變化的真實(shí)反映。在微電阻率成像圖上既可看到類似正弦曲線的裂縫，也可見暗色斑點(diǎn)，有時(shí)二者交叉在一起。陣列聲波測井曲線表現(xiàn)為接收到的縱波、橫波、斯通利波能量下降，反射斯通利波的反射系數(shù)增大。圖1是X1井6210～6240m深度段常規(guī)測井、陣列聲波及電成像（6210～6215m）圖，該圖明顯反映為裂縫－孔洞型儲(chǔ)層。

圖1 裂縫－孔洞型儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征 （X1井）

2.2 孔洞型儲(chǔ)層

孔洞型儲(chǔ)層一般在碳酸鹽巖地層中普遍發(fā)育。常規(guī)測井曲線上，自然伽馬值比較低，多為比較純凈的碳酸鹽巖；深淺側(cè)向會(huì)出現(xiàn)差異，這主要是由于泥漿侵入引起的；在該類地層中，基于三孔隙度曲線可以計(jì)算地層總的孔隙度，在多數(shù)情況下密度曲線對孔隙度的變化最為敏感，因此，它是計(jì)算儲(chǔ)層總孔隙度的主要曲線，由于密度測井貼井壁的測量特點(diǎn)使其會(huì)受到井眼坍塌的影響，這時(shí)利用補(bǔ)償聲波測井來計(jì)算孔隙度。微電阻率成像圖上出現(xiàn)一些暗色的斑點(diǎn)，斑點(diǎn)大小多不均勻，反映了碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙的非均質(zhì)性，裂縫鮮有發(fā)育。斯通利波能量衰減不明顯，根據(jù)反射斯通利波計(jì)算的反射系數(shù)也不大，這樣的儲(chǔ)層具有相對較好的儲(chǔ)集空間，如果儲(chǔ)集體足夠大，經(jīng)過壓裂酸化后通常能獲得工業(yè)油氣流。圖2中X2井6350～6400m深度段為較典型的以孔洞發(fā)育為主的儲(chǔ)層段，電成像圖上 （6365～6370m）見明顯暗色斑點(diǎn)，但由于孔洞離散發(fā)育，所以對波形影響并不明顯。

2.3 孔隙型儲(chǔ)層

該類儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間主要是粒間溶孔和粒內(nèi)溶孔，裂縫不發(fā)育，面孔率較小，一般低于2.5%，說明儲(chǔ)層雖然發(fā)育溶孔，但溶孔相對孤立，連通性差，不能形成良好的儲(chǔ)層?？紫抖纫话愕陀?%。圖3是X3井常規(guī)及陣列聲波處理成果圖。常規(guī)測井曲線略有反映，三孔隙度及電阻率曲線變化趨勢平緩。從電成像圖上看，5514～5520m顯示細(xì)小黑色條紋，且不連續(xù)。陣列聲波處理結(jié)果為：縱橫波時(shí)差及能量曲線變化幅度偏小，斯通利波能量鮮有變化，且變化起落較小。

3 碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型的定量識(shí)別及實(shí)例分析

根據(jù)陣列聲波資料處理得到的縱波、橫波、斯通利波信息，再依據(jù)上文對碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型的定性分析，對龍崗地區(qū)較為常見的3種儲(chǔ)層類型分別從波形能量和時(shí)差兩個(gè)方面進(jìn)行了定量分析，取得了一定的效果。

3.1 依據(jù)波形能量信息劃分儲(chǔ)層類型

圖4是3種類型的縱波及斯通利波能量對比圖，從圖4中可明顯看出，雖然3種儲(chǔ)集類型中，斯通利波能量均隨著縱波能量的增大而增大，但從擬合曲線的趨勢上看又略有不同：裂縫－孔洞型儲(chǔ)層斜率最大，孔洞型其次，孔隙型最小 （具體數(shù)據(jù)見表1）。

圖2 孔洞型儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征 （X2井）

圖3 孔隙型儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征 （X3井）

表1 儲(chǔ)層類型與能量關(guān)系

圖4 3種儲(chǔ)層類型波形能量關(guān)系

3.2 依據(jù)波形時(shí)差信息劃分儲(chǔ)層類型

圖5 、6分別是水層、氣層3種儲(chǔ)層類型的縱橫波時(shí)差分布圖。從圖中可看出，對于水層或者氣層，利用縱橫波時(shí)差范圍可以區(qū)分3種儲(chǔ)層類型。

3.3 龍崗地區(qū)儲(chǔ)層類型定量判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述分析，將陣列聲波資料處理得到的能量與時(shí)差信息結(jié)合起來，建立了龍崗地區(qū)儲(chǔ)層類型的判別標(biāo)準(zhǔn) （表2）。為驗(yàn)證該方法的正確性，將前人根據(jù)電成像及常規(guī)測井資料劃分的儲(chǔ)層類型與該標(biāo)準(zhǔn)做了對比，符合率在80%以上。

圖5 儲(chǔ)層縱橫波時(shí)差關(guān)系圖 （水層）

圖6 儲(chǔ)層縱橫波時(shí)差關(guān)系圖 （氣層）

表2 龍崗地區(qū)儲(chǔ)層類型陣列聲波判別標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 論

1）儲(chǔ)層類型的準(zhǔn)確識(shí)別是測井解釋工作很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于碳酸鹽巖存在低孔、各向異性、非均質(zhì)性3大特點(diǎn)，給測井評(píng)價(jià)帶來不確定性、多解性。通過充分利用陣列聲波測井資料處理得到的各種波形信息，可以提高碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型的識(shí)別精度。

2）利用STC法進(jìn)行陣列聲波測井?dāng)?shù)據(jù)的波形慢度提取是目前最為準(zhǔn)確、最有效率的一種方法。選取時(shí)窗長度和慢度搜索范圍，求得多個(gè)接收器接收到由同一發(fā)射源在某時(shí)刻發(fā)出波信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的慢度即為該深度地層的縱波、橫波和斯通利波慢度。實(shí)際應(yīng)用表明，當(dāng)縱波慢度搜索在40～140μs/ft、橫波慢度在60～180μs/ft和斯通利波慢度在140～280μs/ft之間時(shí)，可提高程序運(yùn)算效率和聲波慢度的準(zhǔn)確性。

3）利用陣列聲波測井資料提取的縱波、橫波以及斯通利波的慢度、能量信息，可以建立碳酸鹽巖儲(chǔ)層類型的定量劃分標(biāo)準(zhǔn)。在四川龍崗地區(qū)的應(yīng)用效果表明，對于水層、氣層，儲(chǔ)層類型區(qū)分效果好，而當(dāng)儲(chǔ)層為含氣水層或干層時(shí)，各波形信息受到巖性及流體影響，識(shí)別效果并不理想。

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Application of Array Acoustic Logging in Recognizing Carbonate Reservoir Types

TANG Jun，ZHANG Cheng－guang（Authors'Address：Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources（Yangtze University），Ministry of Education；College of Geophysics and Oil resources，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）

It was an important practical application area that reservoir types were recognized with logging technology.The carbonate reservoir types were difficult to be identified easily because of its low porosity，anisotropy and heterogeneity by conventional logging data.Array acoustic logging technology could be introduced to improve the precision of reservoir evaluation.By means of selecting the reasonable time window length and slow degrees search range，various waveform slowness could be calculated for corresponding biggest correlation coefficient.At the same time，the waveform energy was calculated in the frequency domain.A method to quantitatively distinguish fracture－pore types，vuggy types and pore types in carbonate reservoir is established by the slowness and energy of the three waveforms.Actual application shows that the method is feasible for identifying water and gas layers.

carbonate；reservoir type；array acoustic；logging

P631.84

A

1000－9752 （2012）03－0101－05

2011－12－25

國家科技重大專項(xiàng) （2008ZX05047）。

唐軍 （1979－），男，2002年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，講師，現(xiàn)主要從事地球物理測井的教學(xué)與研究工作。

［編輯］ 龍 舟