多極子陣列聲波測井技術(shù)在煤層氣儲層評價中的應用

劉鵬, 喬文孝, 車小花, 王瑞甲, 鞠曉東, 盧俊強

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249; 2.北京市地球探測與信息技術(shù)重點實驗室, 北京 102249)

0 引 言

煤層氣資源勘探主要利用測井技術(shù)識別和定位煤層氣儲層以及進一步求取相應的地質(zhì)參數(shù)。與常規(guī)的石油天然氣資源相比,煤層氣藏具有很強的非均質(zhì)性,裂縫和孔隙并存,氣體主要是以吸附氣的方式儲存在裂縫和孔隙中[1],給測井評價帶來了較大的困難。Hoyer[2]提出了利用雙側(cè)向測井中的深、淺電阻率計算煤層氣儲層中裂隙孔隙度的方法,而裂隙孔隙度與滲透率具有相關性。McLennan等[3]提出了利用密度測井資料計算煤層含氣量的方法,他發(fā)現(xiàn)煤層中灰分與含氣量呈反比,灰分含量又能從密度測井資料中求得,因此可以建立密度測井資料和含氣量之間的關系。趙慶波[4]給出了常規(guī)測井曲線對煤層氣儲層的響應特征。李紀森[5]發(fā)現(xiàn)在某一區(qū)域內(nèi)煤巖成分及煤層含氣量與測井曲線具有相關性,認為可以利用測井曲線計算煤巖成分和煤層含氣量,他對比了測井計算結(jié)果和實驗室實測結(jié)果,兩者具有較好的一致性。張莉莉等[6]對煤層氣儲層進行了綜合成像測井,獲取了陣列聲波、微電阻率掃描以及核磁共振等多種成像測井資料,對煤層及上下圍巖的結(jié)構(gòu)、裂縫特征、孔隙性和含氣性進行了評價。本文結(jié)合多極子陣列聲波測井儀(MPAL),分析了該儀器在煤層氣儲層井孔中的響應特征。

1 儀器結(jié)構(gòu)

中國石油大學(北京)聲波測井實驗室與中國石油天然氣集團公司密切合作,在中國率先開發(fā)出具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的多極子陣列聲波測井儀(MPAL)[7-9](見圖1)。圖1中MPAL儀器從左到右依次為發(fā)射電子短節(jié)、發(fā)射聲系、隔聲體、接收聲系和接收電子短節(jié)。發(fā)射聲系包括四極子聲源T1、單極子聲源T2以及偶極子聲源T3和T4。偶極子聲源由偏振方向正交的2個偶極發(fā)射換能器構(gòu)成。四極子聲源為4個陣元組成的復合換能器,通過改變激勵電壓的相位,也可作為近單極聲源使用。接收聲系由8個等間距排列的接收站組成;接收站具有接收單極子信號、正交偶極子信號和四極子信號的功能。

MPAL儀器的工作模式主要有遠單極模式、近單極模式、四極模式、偶極模式以及正交偶極子模式。采用近單極聲源發(fā)射脈沖信號時,源距較小的4個接收站接收,可測得4道近單極波形,主要用于獲取地層的縱波時差;儀器工作在遠單極模式時,遠單極子聲源發(fā)射脈沖信號,8個接收站可以測得8道波形數(shù)據(jù),在硬地層井孔中能夠測得地層縱波、地層橫波和斯通利波信息;當儀器工作在正交偶極模式時,2個正交的偶極子聲源交替發(fā)射脈沖聲波,此時接收站能夠接收到四分量的偶極陣列波形數(shù)據(jù),包括2個同向分量信號和2個正交分量信號。

到目前為止,MPAL已經(jīng)在中國多個油田進行了上百井次測試,在俄羅斯、加拿大等國家的油田也提供了測井服務,測量結(jié)果證明MPAL能提供穩(wěn)定、準確的聲波測井波形資料。通過對比MPAL和國外同類儀器在各種工作模式下的測量結(jié)果,認為在測量方式的豐富性和處理結(jié)果上,MPAL都達到了現(xiàn)役國外先進陣列聲波測井儀器(XMAC,DSI)的水平[7]。

圖1 MPAL結(jié)構(gòu)示意圖

2 處理方法及實例分析

2.1 聲波時差

時間慢度相關法(STC)是聲波測井時差提取中最為常用的方法。Kimball等[10]首先提出了該方法,通過對設定范圍內(nèi)的到時和時差進行掃描,計算出對應聲波測井波形的相關函數(shù)值,然后選取所有相關函數(shù)中的最大值投影到時差軸上。連續(xù)處理不同深度采樣點的波形數(shù)據(jù),即可獲得以各種聲波時差和深度為橫軸和縱軸、以相關函數(shù)的數(shù)值大小相對應的彩色標度為第三維的STC成像圖。Smith等[11]發(fā)展了該方法,他們采用N次根堆棧法計算相關函數(shù)值。

(1)

式中,xi,j為第j通道的第i個采樣點數(shù)據(jù);K為總通道數(shù)。應用N次根堆棧法處理陣列波形具有很多優(yōu)勢。N次根堆棧法抗噪能力強,適用于處理信噪比較差的現(xiàn)場測井數(shù)據(jù);計算的相關函數(shù)的峰值更為尖銳,能夠提高模式波時差的計算精度[12]。本文利用N次根迭代法計算相關函數(shù)值,N值取為5。從STC成像圖中提取模式波時差采用了二維尋峰算法和自動標定算法,確保了計算結(jié)果的穩(wěn)定性。

煤層性脆易碎,密度低,縱橫波速度也低,屬于軟地層(地層橫波速度小于井內(nèi)流體聲速)。圖2為×1井煤層氣層段的縱、橫波時差及波形特征圖。圖2中第2道為縱波時差和偶極橫波時差曲線,第3道為縱波到時曲線和單極變密度波形圖,第4道為偶極橫波到時曲線和偶極變密度波形圖。測井綜合解釋結(jié)論將該井的×11.85～×13.8 m解釋為煤層氣儲層,將其上下圍巖解釋為致密層。從圖2可見,上下圍巖層段的縱波時差在55 μs/ft*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同左右(5 542 m/s),偶極橫波時差在90 μs/ft左右(3 387 m/s)。這說明圍巖縱、橫波速度比較大,與測井綜合解釋給出的致密層相符。觀察圖2中的單極變密度波形圖可以發(fā)現(xiàn),相比于上下圍巖,煤層氣儲層的縱波到時和偶極橫波到時存在很大的延遲,而且其單極波形中存在縱波和斯通利波波包,缺少橫波波包。煤層氣儲層的縱波時差在122 μs/ft左右(2 498 m/s),偶極橫波時差在270 μs/ft左右(1 129 m/s),這說明煤層氣儲層結(jié)構(gòu)疏松,屬于軟地層。MPAL測量波形的深度采樣間隔為0.05 m,較小的深度采樣間隔有利于獲取高分辨率的縱波時差曲線。以煤層縱波時差和上下圍巖縱波時差的中間值所在深度劃分煤層和圍巖,結(jié)果如圖2中綠色標注所示。獲得的煤層深度范圍為×11.7～×14.1 m,與測井綜合解釋結(jié)果(×11.85～×13.8 m)基本一致,這說明MPAL提供的縱波時差曲線可以作為煤層氣儲層厚度計算的重要參考。

圖2 ×1井煤層氣層段的縱、橫波時差及波形特征

2.2 聲波衰減

通過對MPAL波形數(shù)據(jù)的處理,可以獲得單極縱波衰減、單極橫波衰減(硬地層)、斯通利波衰減和偶極橫波衰減?？v波、橫波和斯通利波衰減均對井旁裂縫有所響應,可用于探測裂縫[13];斯通利波衰減可用于求取地層滲透率[14]。

如圖3所示,提取了×1井的單極縱波衰減、斯通利波衰減和偶極橫波衰減信息。其中×11.7～×14.1 m為煤層氣儲層。與上下圍巖對比,可以發(fā)現(xiàn)縱波無明顯衰減,斯通利波和偶極橫波有明顯的衰減響應。這說明斯通利波衰減和偶極橫波衰減對煤層氣儲層敏感,能夠用于煤層識別。

圖3 ×1井煤層氣層段縱波、橫波和斯通利波的衰減響應

2.3 各向異性

MPAL儀器工作在正交偶極子模式時,可以測得2個同向分量(XX和YY)和2個正交分量(XY和YX)的波形數(shù)據(jù)用于評價地層橫波速度的各向異性。在各向異性地層特別是水平TI地層的豎直井中,偶極子源激發(fā)的聲波傳播到地層中時,會分裂為快、慢橫波,Alford方法建立了四分量偶極波形和地層快、慢橫波的關系[15]

(3)

式中,FP(t)為快橫波;SP(t)為慢橫波;R為旋轉(zhuǎn)矩陣

(4)

式中,θ為偶極換能器X偏振方向與快橫波面夾角,即各向異性方位角。利用式(3),通過使正交分量的幅度最小可獲得各向異性方位角;利用快慢波匹配技術(shù)可得到地層橫波速度的各向異性值[14]。

圖4為×1井煤層氣層段各向異性處理結(jié)果。圖4中第2道為快、慢橫波時差曲線,黃色填充為兩者的差值,可用于判斷快、慢橫波是否分裂;第3道為快橫波波形和慢橫波波形;第4道右側(cè)的綠色填充為平均各向異性,左側(cè)藍色填充為陣列各向異性,兩者均能反映地層的各向異性信息,陣列各向異性分辨率較高,而平均各向異性的準確性和穩(wěn)定性較好;第5道為各向異性方位曲線和各向異性圖,各向異性方位也是快橫波方位。對比圖4中×1井的煤層氣層段(×11.7～×14.1 m)和上下圍巖的處理結(jié)果,能夠發(fā)現(xiàn)煤層段快、慢橫波時差差別小,各向異性值較小,在6%以下。圖5為×2井的各向異性處理結(jié)果,其煤層氣儲層段的各向異性值低于4%。圖4和圖5的處理結(jié)果說明,對于這2口井,MPAL儀器沒有測得煤層氣儲層的聲學各向異性信息,但這并不能說明煤層氣儲層不是各向異性的。限于儀器的結(jié)構(gòu),目前發(fā)展的多極子聲波測井儀只能夠評價對稱軸與井軸垂直的橫向各向同性地層,而對于對稱軸與井軸平行或斜交的橫向各向同性地層或者更為復雜的各向異性地層其處理結(jié)果的可靠性降低,甚至無法使用[16-18]。另外,煤層氣儲層復雜的孔隙和裂縫雙重結(jié)構(gòu)以及裂縫密度和傾角的不確定性也會給各向異性的評價帶來困難[1]。對于煤層氣儲層,應采用多極子陣列聲波測井儀與其他成像測井儀器相結(jié)合的方法,綜合評價儲層的各向異性特征。

圖4 ×1井煤層氣層段各向異性處理結(jié)果

圖5 ×2井煤層氣層段各向異性處理結(jié)果

2.4 滲透率

Rusenbaum[19]利用Biot理論模擬了孔隙地層井孔中的聲波波形,建立了地層滲透率和井孔聲場的聯(lián)系。唐曉明[20]在此基礎上發(fā)展了一種簡化的Biot-Rosenbaum理論模型。該模型把斯通利波與井壁地層的相互作用分成了2個部分,一部分代表斯通利波受地層彈性的影響;另一部分代表斯通利波受地層滲透率的影響。本文以Biot-Rosenbaum簡化理論模型為基礎,編寫了利用斯通利波速度和衰減提取地層滲透率的處理模塊:首先對遠單極波形數(shù)據(jù)做濾波等預處理,然后提取出斯通利波的慢度頻散曲線和衰減曲線;結(jié)合其他測井資料,計算出等效彈性地層的斯通利波慢度頻散曲線;將上述求得的參數(shù)代入該模型,即可獲取地層滲透率。

煤層氣儲層是一種復雜的多孔介質(zhì),含有大量微小孔隙,這些孔隙是儲存氣體的主要空間,但是裂隙卻是流體滲流的主要通道[1]。唐曉明等[21]通過理論模擬和對現(xiàn)場測井數(shù)據(jù)的處理證明了斯通利波能夠反映裂隙介質(zhì)的滲透性能,利用斯通利波計算的滲透率為地層孔隙滲透率和裂隙滲透率的總量。

圖6為×1井煤層氣層段斯通利波滲透率計算結(jié)果。測井綜合解釋結(jié)果,×1井×00～×11.85 m段為致密層,×11.85～×13.8 m段為煤層氣儲層(綠色標注層段),×13.8～×15.5 m段為致密層,×15.5～×20 m段為水層。從圖6可見,在致密層處,斯通利波衰減為低值,斯通利波滲透率非常小,低于0.001 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同;在煤層氣層段斯通利波衰減出現(xiàn)峰值,滲透率也為高值;在含水層段斯通利波衰減和滲透率也為高值。這表明,滲透率提取結(jié)果與測井綜合解釋結(jié)論基本一致,說明利用斯通利波求取煤層氣儲層的滲透率具有可行性。

圖6 ×1井煤層氣層段斯通利波滲透率計算結(jié)果

2.5 巖石彈性參數(shù)

與常規(guī)聲波測井儀器相比,MPAL不僅能提供縱波時差,還能提供任意地層的橫波時差。結(jié)合密度資料,可得到地層的各種彈性參數(shù),該方法是當前獲取地層彈性參數(shù)最常用和有效的方法[22]。圖7顯示了×1井煤層氣層段多個彈性參數(shù)的計算結(jié)果。對比圖7中煤層氣層段(×11.7～×14.1 m)與上下圍巖層段的多個彈性參數(shù)的測量結(jié)果,能夠發(fā)現(xiàn)煤層氣層段體積模量、彈性模量、剪切模量均為低值,其值遠遠低于上下圍巖;縱橫波波速比和泊松比為高值,縱橫波波速比在2.5左右,泊松比在0.4左右。這些結(jié)果與趙慶波、申瑞臣等[4,23]求取的基本一致。

圖7 ×1井煤層氣層段彈性參數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié) 論

介紹了從MPAL儀器測得的單極和正交偶極陣列波形數(shù)據(jù)中提取模式波時差和衰減、聲波各向異性以及滲透率的方法,處理了多極子陣列聲波測井儀在煤層氣儲層的現(xiàn)場測試資料,通過與上下圍巖的聲波測井結(jié)果的對比,對煤層氣儲層的聲波測井響應特征進行了分析。

(1) 煤層氣儲層為軟地層,縱波時差在122 μs/ft左右(2 498 m/s),偶極橫波時差在270 μs/ft左右(1 129 m/s),斯通利波和偶極橫波具有較大的衰減值?？v、橫波速度及衰減能夠用于煤層識別,具有較高縱向分辨率的縱波時差還可用于計算煤層厚度。

(2) 采用正交偶極子模式測量的聲學各向異性值不能夠完全反應煤層的各向異性特征,需要結(jié)合其他測井結(jié)果進行綜合分析。

(3) 利用斯通利波求取煤層氣儲層的滲透率具有可行性,計算結(jié)果與測井綜合解釋結(jié)論基本一致。

(4) 結(jié)合密度測井數(shù)據(jù)和MPAL測得的縱、橫波時差,可計算煤層氣儲層的彈性參數(shù),為水力壓裂和附近區(qū)域的鉆井等工程提供重要的參考數(shù)據(jù)。

參考文獻:

[1] 蘇俊. 煤層氣勘探開發(fā)方法與技術(shù) [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2011.

[2] Hoyer D. Evaluation of Coalbed Fracture Porosity from Dual Laterolog [C]∥ SPWLA 32nd Annual Logging Symposium, 1991.

[3] McLennan J D, Schafer P S, Timothy J P. A Guide to Determining Coalbed Gas Content [M]. Chicago: Gas Research Institute, 1995.

[4] 趙慶波. 煤層氣地質(zhì)與勘探技術(shù) [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1999.

[5] 李紀森. 煤層氣測井技術(shù)與解釋分析 [J]. 測井技術(shù), 1999, 23(2): 103-107.

[6] 張莉莉, 蔡文淵. 煤層氣成像測井資料綜合評價方法 [J]. 測井技術(shù), 2009, 33(6): 571-574.

[7] 喬文孝, 鞠曉東, 車小花, 等. 聲波測井技術(shù)研究進展 [J]. 測井技術(shù), 2011, 35(1): 14-19.

[8] 鞠曉東, 喬文孝, 李玉霞, 等. 多極子陣列聲波測井儀電子系統(tǒng)設計 [J]. 測井技術(shù), 2008, 32(1): 61-64.

[9] 盧俊強, 鞠曉東, 成向陽. 正交偶極陣列聲波測井儀的設計 [J]. 中國石油大學學報: 自然科學版, 2008, 32(1): 42-46.

[10] Kimball C V, Marzetta T L. Semblance Processing of Borehole Acoustic Array Data [J]. Geophysics, 1984, 49(3): 274-281.

[11] Smith M L, Sondergeld C H, Norris J O. The Amoco Array Sonic Logger [C]∥ SPWLA 32nd Annual Logging Symposium, 1991.

[12] 喬文孝. 用N次根堆棧法處理聲全波測井資料 [J]. 測井技術(shù), 1997, 21(5): 327-328.

[13] 雍世和, 張超謨. 測井數(shù)據(jù)處理與綜合解釋 [M]. 東營: 中國石油大學出版社, 2002.

[14] 唐曉明, 鄭傳漢. 定量測井聲學 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2004.

[15] Alford R M. Shear Data in the Presence of Azimuthal Anisotropy [C]∥SEG Annual Meeting, 1986.

[16] 王瑞甲. 各向異性地層聲波測井模擬研究 [D]. 北京: 中國石油大學博士學位論文, 2012.

[17] 王瑞甲, 喬文孝, 車小花, 等. TI地層井孔中正交偶極子聲波測井的物理模擬 [J]. 中國石油大學學報: 自然科學版, 2012, 36(6): 62-69.

[18] 王瑞甲, 喬文孝, 鞠曉東, 等. 不同偏振方向的偶極子聲源在HTI地層井孔中激發(fā)聲場的實驗研究 [J]. 地球物理學報, 2013, 56(2): 707-717.

[19] Rosenbaum J H. Synthetic Microseismograms: Logging in Porous Formations [J]. J Acoust Soc Am, 1974, 39(1): 14-32.

[20] Tang X M. Dynamic Permeability and Borehole Stoneley Waves: A Simplified Biot-Rosenbaum Model [J]. J Acoust Soc Am, 1991, 90(3): 1632-1646.

[21] Tang X M. Borehole Stoneley Wave Propagation Across Permeable Strctures [J]. Geophysical Prospecting, 1993, 41(2): 165-187.

[22] 劉景武. 硬地層中用多極子陣列聲波資料計算力學參數(shù)及識別裂縫 [J]. 測井技術(shù), 2005, 29(2): 137-140.

[23] 申瑞臣, 屈平, 楊恒林. 煤層井壁穩(wěn)定技術(shù)研究進展與發(fā)展趨勢 [J]. 石油鉆探技術(shù), 2010, 38(3): 1-7.