裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層聲波測(cè)井物理模型試驗(yàn)

龔 丹，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(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢長(zhǎng)江大學(xué)期刊社，湖北 荊州

裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層聲波測(cè)井物理模型試驗(yàn)

龔 丹1,2，章成廣1
1油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢2長(zhǎng)江大學(xué)期刊社，湖北 荊州

http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.383024

Received: Apr. 12th, 2016; accepted: Jun. 11th, 2016; published: Sep. 15th, 2016

Copyright ? 2016 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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低孔、低滲致密砂巖油氣藏等復(fù)雜油氣藏是當(dāng)前及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)油氣勘探的主體。因此，低孔、低滲致密砂巖的精細(xì)評(píng)價(jià)成為測(cè)井專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和核心任務(wù)。為此，開展了裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層聲波測(cè)井物理模型試驗(yàn)研究。該次研究包括模型井試驗(yàn)和小巖心試驗(yàn)兩部分：模型井試驗(yàn)用100倍帶光源讀數(shù)顯微鏡(刻度1DIV/0.02 mm)來(lái)刻度裂縫寬度(100 μm～14 mm)，再用聲波測(cè)井換能器來(lái)測(cè)量不同裂縫寬度時(shí)的波形；小巖心試驗(yàn)針對(duì)不同孔隙度(3.7%～7.5%)、不同裂縫寬度(30～500 μm)下，縱波、橫波同一時(shí)刻的波峰幅度進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，得到聲波幅度的變化趨?shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著裂縫寬度的增加，縱波和橫波幅度都呈明顯的衰減趨勢(shì)；與縱波幅度的變化情況相比，橫波的衰減情況更嚴(yán)重；裂縫寬度越大，縱波、橫波衰減系數(shù)越大。綜合物理模型試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及已研究的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)裂縫寬度小于100 μm時(shí)，波形幅度隨裂縫寬度的變化非常敏感，遞減幅度非?？?，不能定量確定裂縫寬度。

聲波測(cè)井，裂縫性致密砂巖，物理模型，測(cè)井響應(yīng)特征

1. 引言

近年來(lái)，中國(guó)油氣探明儲(chǔ)量構(gòu)成及未來(lái)剩余油氣資源預(yù)測(cè)研究表明，低孔、低滲致密砂巖油氣藏等復(fù)雜油氣藏是當(dāng)前以及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)油氣勘探開發(fā)的主體。因此，低孔、低滲致密砂巖的精細(xì)評(píng)價(jià)成為測(cè)井專業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和核心任務(wù)。通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)含有裂縫的致密儲(chǔ)層的井孔聲場(chǎng)進(jìn)行研究，掌握裂縫對(duì)井內(nèi)聲場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)于聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理及解釋具有的重要意義。

由于試驗(yàn)條件及技術(shù)的限制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究相對(duì)較少。Hornby等[1]基于平板狀裂縫模型，利用低頻解析公式研究了斯通利波通過(guò)單一裂縫時(shí)的傳播及反射特性。Tang等[2]-[8]對(duì)水平及垂直裂縫與斯通利波之間的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究。Chen [9] [10]在20世紀(jì)80年代在小模型井中對(duì)聲波全波列進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)，后來(lái)又在小模型井中針對(duì)模擬的硬地層和軟地層分別開展了多極子橫波測(cè)井試驗(yàn)研究。Winkler等[11]在小模型井中觀測(cè)了斯通利波衰減與裂縫滲透性的關(guān)系，并與理論數(shù)值分析結(jié)果作了對(duì)比。李長(zhǎng)文等[12] [13]在人造砂巖模型井中進(jìn)行過(guò)全波列觀測(cè)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理分析，以及儲(chǔ)層滲透性變化及裂縫大小對(duì)聲波波列及其頻譜特征參數(shù)影響的研究。但是，上述試驗(yàn)研究的裂縫寬度幾乎都停留在毫米級(jí)，對(duì)微米級(jí)裂縫寬度的試驗(yàn)研究很少。為此，筆者對(duì)致密砂巖中微米級(jí)的裂縫展開了聲波物理模型試驗(yàn)研究，該次研究包括模型井和小巖心兩部分。

2. 模型井試驗(yàn)

2.1. 模型井設(shè)計(jì)及裂縫刻度

該次試驗(yàn)?zāi)M井外為無(wú)限大的硬地層，主要遵循以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則：①模型參數(shù)(井徑、聲源主頻)按一定比例與實(shí)際測(cè)井情況相類比；②制作的模型井能夠與數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并保證模型介質(zhì)的各向異性；③采用的模型井材料，其橫波速度必須大于井液的縱波速度，以滿足井外介質(zhì)為硬地層的假設(shè)；④模型井尺寸必須足夠大，能夠忽略其邊界效應(yīng)，即經(jīng)邊界發(fā)射回來(lái)的波必須晚于有用信號(hào)的到達(dá)，模型的高度必須大于臨界距離。在該次物理模型試驗(yàn)研究中，根據(jù)相似理論將井孔和換能器的尺寸縮小10倍、聲源頻率提高10倍的方法來(lái)模擬實(shí)際井中彈性波的傳播。與聲系尺寸相比，實(shí)際井的深度可以看作是無(wú)限的，井壁地層厚度也可視為無(wú)限的。

該次試驗(yàn)涉及到研究不同源距時(shí)的斯通利波波形變化，以及不同源距時(shí)斯通利波與裂縫的響應(yīng)關(guān)系，因此需要改變聲波測(cè)井聲系的源距。試驗(yàn)聲系采用一發(fā)一收，在試驗(yàn)過(guò)程中，需要給聲系安裝扶正器，以保證聲系在井眼中時(shí)刻居中。

模型井井壁厚度的設(shè)計(jì)主要取決于聲波探測(cè)深度的大小。在單極子聲波測(cè)井中，縱波的探測(cè)深度與聲系源距有關(guān)，當(dāng)源距為3～4 in時(shí)，聲波速度的探測(cè)深度約為10 cm左右。因此可以近似地認(rèn)為，在井壁層厚度至少為15 cm的模型井中，在短源距的條件下能夠測(cè)得斯通利波的傳播速度。根據(jù)上述分析，設(shè)定模型井高為40 cm，直徑為40 cm，井孔直徑為25 mm，井壁厚18.75 cm。

將制作好的石英砂巖巖心放入實(shí)驗(yàn)室水槽中進(jìn)行測(cè)量(圖1，圖2)。模型井的裂縫依靠人工控制，即將兩塊模型井的截面磨平、磨光滑，然后緊緊貼在一起，再用100倍帶光源讀數(shù)顯微鏡(刻度1DIV/0.02 mm)來(lái)刻度裂縫寬度(圖3)。通過(guò)人工和機(jī)器調(diào)整裂縫寬度用以測(cè)量不同裂縫寬度時(shí)的波形。該次模型井試驗(yàn)中，最小裂縫寬度控制為100 μm。

Figure 1. Model wells in laboratory flume圖1. 水槽中的模型井

Figure 2. Schematic of model well for flume experimental圖2. 模型井水槽試驗(yàn)示意圖

Figure 3. The crack photographs of model well圖3. 模型井的人工裂縫刻度

2.2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4、圖5分別是砂巖模型井3號(hào)探頭(頻率50 kHz)變?cè)淳嗖ㄐ螆D和固定源距14 cm波形圖，裂縫寬度300 μm。可以看出，當(dāng)源距變長(zhǎng)時(shí)，橫波(S)、斯通利波(ST)波至?xí)r間變長(zhǎng)、波形幅度變??；當(dāng)聲探頭穿過(guò)裂縫時(shí)，橫波、斯通利波波形幅度明顯變小。其他探頭(頻率100、150 k Hz)所測(cè)波形圖與3號(hào)探頭所測(cè)波形圖的規(guī)律一致。

3. 小巖心試驗(yàn)

3.1. 試驗(yàn)材料及裂縫刻度

試驗(yàn)所采用的天然巖心是取自新疆塔里木盆地大北克深地區(qū)各井中的巖心。選取孔隙度和滲透率相仿的兩塊巖心為一組，共5組10塊，巖心長(zhǎng)度采用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量。

該次試驗(yàn)主要是通過(guò)測(cè)量并記錄模型在不同裂縫寬度時(shí)的波形，計(jì)算出縱波、橫波的到達(dá)時(shí)間，通過(guò)記錄同一時(shí)刻的縱波、橫波的波峰幅度來(lái)研究縱波、橫波幅度與裂縫寬度之間的關(guān)系。表1是5組巖心的實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度及縱波、橫波到達(dá)時(shí)間。

試驗(yàn)的難點(diǎn)在于需要將裂縫寬度控制到微米級(jí)，采用“人造縫技術(shù)”，即用巖心加持器將兩塊物性相同或相近的巖心夾在一起，中間夾塑料薄膜，通過(guò)加減塑料薄膜的厚度來(lái)精確控制裂縫寬度。圖6是人造縫技術(shù)示意圖。該次小巖心試驗(yàn)的裂縫寬度最小控制為30 μm。

3.2. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1. 時(shí)域圖

該次試驗(yàn)使用TST3206動(dòng)態(tài)測(cè)試分析儀獲得全波列圖形。圖7是孔隙度3.7%巖心組的全波波形，可以看出，隨著裂縫寬度的增加，縱波(P)、橫波(S)幅度明顯減小。其他4組巖心的波形特征與孔隙度3.7%巖心組的全波波形特征一致，都隨裂縫寬度的增加，波形幅度有明顯減小趨勢(shì)。

3.2.2. 縱波幅度及衰減系數(shù)

圖8是5組巖心縱波幅度與裂縫寬度關(guān)系匯總圖，可以看出，裂縫寬度較小(裂縫寬度＜100 μm)時(shí)，波形幅度遞減較快，波形衰減更明顯；裂縫寬度較大時(shí)，波形幅度趨于平穩(wěn)；孔隙度越大，縱波幅值越小。

圖9是3組巖心縱波衰減系數(shù)與裂縫寬度關(guān)系匯總圖，可以看出，孔隙度越大，縱波衰減系數(shù)越大。

Figure 4. The simulation results of full waveform array received on the borehole axis of sandstone 3 probe with different sources圖4. 砂巖3號(hào)探頭變?cè)淳嗖ㄐ螆D

Figure 5. The simulation results of full waveform array received on the borehole axis of sandstone 3 probe, stationary sources is 14 cm圖5. 砂巖3號(hào)探頭固定源距14 cm波形圖

Figure 6. Artificial crack technology圖6. 人造縫技術(shù)

Figure 7. Array waveform of the core group what porosity is 3.7%圖7. 孔隙度3.7%巖心組時(shí)域圖

Figure 8. Summary relationship between longitudinal wave amplitude and crack width with different porosity of the five core group圖8. 5組不同孔隙度巖心縱波幅度與裂縫寬度關(guān)系匯總圖

Figure 9. Summary relationship between longitudinal wave attenuation coefficient and crack width with different porosity of the three core group圖9. 3組巖心縱波衰減系數(shù)與裂縫寬度關(guān)系匯總圖

3.2.3. 橫波幅度及衰減系數(shù)

圖10是3組巖心橫波幅度與裂縫寬度關(guān)系匯總圖，可以看出，孔隙度越大，橫波幅度越??；裂縫寬度較大時(shí)，波形幅度趨于平穩(wěn)。與縱波幅度的變化趨勢(shì)相比，橫波的衰減更嚴(yán)重一些。

圖11是3組巖心橫波衰減系數(shù)與裂縫寬度關(guān)系匯總圖，可以看出，孔隙度越大，橫波衰減系數(shù)越大。

4. 數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型結(jié)果對(duì)比

將變網(wǎng)格孔隙介質(zhì)地層井孔聲場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果[14]與小巖心的實(shí)際測(cè)量結(jié)果(圖12)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，孔隙介質(zhì)數(shù)值模擬結(jié)果與小巖心的實(shí)際測(cè)量結(jié)果符合度較高。

Figure 10. Summary relationship between shear wave amplitude and crack width with different porosity of the three core group圖10. 3組不同孔隙度巖心橫波幅度與裂縫寬度關(guān)系匯總圖

Figure 11. Summary relationship between shear wave attenuation coefficient and crack width with different porosity of the three core group圖11. 3組巖心橫波衰減系數(shù)與裂縫寬度關(guān)系匯總圖

Table 1. Parameter list of five groups of core表1. 試驗(yàn)巖心縱波、橫波到達(dá)時(shí)間

通過(guò)孔隙介質(zhì)數(shù)值模擬研究結(jié)果[14]與小巖心試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果對(duì)比(圖 13)可以看出，當(dāng)裂縫寬度小于100 μm時(shí)，波形幅度隨裂縫寬度的變化非常敏感，幅度減小非?？?。綜合分析認(rèn)為，當(dāng)裂縫寬度小于100 μm時(shí)，不能定量確定裂縫寬度。

5. 結(jié)論

通過(guò)物理模型手段，對(duì)微米級(jí)(模型井裂縫寬度最低100 μm，小巖心裂縫寬度最低30 μm)的單條水平裂縫進(jìn)行了測(cè)試分析，得到了波形幅度、衰減系數(shù)與裂縫寬度、孔隙度的關(guān)系，取得了如下認(rèn)識(shí)。

1) 當(dāng)聲探頭穿過(guò)裂縫時(shí)，波形幅度變??；聲探頭穿過(guò)不同裂縫寬度的裂縫時(shí)，縫寬越大，波形幅度越?。划?dāng)裂縫寬度較小時(shí)(裂縫寬度 ＜ 100 μm)，波形幅度遞減很快，即波形幅度隨裂縫寬度的變化非常敏感。

2) 裂縫寬度越大，縱波、橫波幅度均減小，衰減系數(shù)均增大；在其他參數(shù)不變的情況下，孔隙度越大，縱波、橫波衰減系數(shù)越大。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和物理模型試驗(yàn)結(jié)果綜合認(rèn)為，由于裂縫寬度小于100 μm時(shí)，波形幅度隨裂縫寬度的變化非常敏感，幅度減小非?？?。因此，當(dāng)裂縫寬度小于100 μm時(shí)，不能定量確定裂縫寬度。

Figure 12. Contrast between the results of numerical simulation in pore medium and the results of experimental measurement圖12. 孔隙介質(zhì)數(shù)值模擬結(jié)果(孔隙度6%)與小巖心試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果(孔隙度6.3%)對(duì)比圖

Figure 13. Relationship between sandstone crack width and wave amplitude圖13. 砂巖裂縫寬度與波形幅度關(guān)系圖

基金項(xiàng)目

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX0502-008)。

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The Physical Model Experiment of Sonic Logging in Fractured Tight Sandstone Reservoirs

Dan Gong1,2, Chengguang Zhang1
1Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan Hubei2Periodical Agency of Yangtze University, Jingzhou Hubei

Tight sandstone reservoir with low porosity and low permeability has been the major location for oil and gas exploration at present and in the years to come. Therefore, the fine evaluation of tight sandstone reservoirs with low porosity and low permeability was a development trend and core task for well logging. For this purpose, the research and experiment of sonic logging physical model were carried out in fractured tight sandstone reservoirs. The research included modeling wells and small core experiments. The modeling wells experiment was carried out by using 100 time light readout microscope (scale 1DIV/0.02 mm) to scale the fracture width (100 μm - 14 mm), and acoustic logging transducer was applied to measure the waveforms at different fracture widths. In the small core experiment, different porosities (3.7% - 7.5%) and different fissure widths (30 - 500 μm) were taken into consideration, the P-wave and S-wave amplitudes were longitudinally compared in the experiment at the same time and the variation trend of wave amplitude was obtained from the experiment. The experiment results showed that diminishing trend of P-wave and S-wave amplitude attenuation was more obvious with the increase of fracture width. Compared with the changes of the P-wave amplitude, attenuation of S-wave was more obvious. The greater the fracture width was, the larger the attenuation coefficient of P-wave and S-wave was. The results of physical model and numerical simulation show that waveform amplitude is very sensitive and diminishes rapidly with the change of fracture width when the fracture width is less than 100 μm. Therefore fracture width cannot be determined quantitatively.

Acoustic Logging, Fractured Tight Sandstone, Physical Model, Logging Response Characteristics

龔丹(1981-)，女，博士，講師，主要從事石油天然氣勘探的研究及編輯工作。

Email: 332486030@qq.com

2016年4月12日；錄用日期：2016年6月11日；發(fā)布日期：2016年9月15日

文章引用: 龔丹, 章成廣. 裂縫性致密砂巖儲(chǔ)層聲波測(cè)井物理模型試驗(yàn)[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2016, 38(3): 41-49.

http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.383024