低頻偶極橫波遠探測測井在南海油田的應用

牛德成,陳鳴,張聰慧,高永德

(1.中海油田服務股份有限公司油田技術事業(yè)部,北京101149;2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江524057)

0 引 言

中國南海在經(jīng)歷了長期復雜的地質(zhì)運動及板塊間的聯(lián)合作用后,形成了類型各異、數(shù)量眾多、分布廣泛的復雜構造盆地[1]。北部灣盆地是具有巨厚優(yōu)質(zhì)烴源巖的新生代復雜斷塊油氣藏。其顯著特點是斷層復雜、儲層非均質(zhì)性強、儲層分布及連通性復雜[2]。鉆井過程中,常因斷層發(fā)育、井況復雜、井漏、遇卡等情況頻發(fā),考慮到安全問題而提前完鉆現(xiàn)象時常發(fā)生。因此,對精確描述井旁斷層的發(fā)育位置和構造特征提出了更高的要求。地震勘探方法探測范圍大,但縱橫向分辨率較低難以滿足高精度勘探要求;常規(guī)測井方法徑向探測深度小,難以了解井旁小斷層向外延伸發(fā)育情況。單純依靠常規(guī)測井和地震資料在識別和定量解釋小斷層方面有著很大的局限性。

偶極橫波遠探測成像測井技術在探測深度和分辨率方面,填補了常規(guī)測井技術和井間地震之間的勘探空白,能夠?qū)壑車牡貙咏缑?、裂縫或斷層構造進行成像分析[3]。傳統(tǒng)聲波井旁地質(zhì)體成像測井技術采用單極聲源測井,面臨探測深度淺、沒有方位性等技術難題。偶極橫波遠探測測井技術采用偶極子聲源在井中向井外發(fā)射橫波,并在井中接收由井外地質(zhì)體反射回來的橫波。由于偶極橫波較低的發(fā)射頻率及偶極聲源的指向性,偶極橫波遠探測測井技術能對井旁較遠的地質(zhì)體構造進行成像,并能確定地質(zhì)體的位置和方位。

中海油田服務股份有限公司于2010—2015年經(jīng)過5年攻關,基于低頻偶極遠探測方法,實現(xiàn)了偶極橫波遠探測核心技術的原創(chuàng)性突破,研制成功偶極橫波遠探測測井技術體系,包括偶極橫波遠探測測井儀及資料處理解釋技術。南海西部北部灣地區(qū)嘗試采用該技術用于幫助分析復雜斷塊區(qū)的井旁斷層及構造,取得一定應用效果。

1 橫波遠探測測井基本原理

1.1 聲波遠探測測井基本原理

聲波遠探測成像測井是利用井中聲源向井外地層輻射聲波,并在井中接收來自井外遠處地質(zhì)體的反射波,進而對井外地質(zhì)體成像的方法(見圖1)。聲波測井主要有單極聲源的縱波測井和偶極聲源的橫波測井這兩大類。傳統(tǒng)的聲波遠探測測井技術利用單極反射縱波進行成像,但是單極縱波遠探測方法聲源頻率高,由于地層對高頻聲波衰減較強,導致探測深度較淺(約10 m);而且單極聲源無方位識別能力,同時反射波受多種模式直達波的干擾,使得反射波的提取非常困難[4]。相比而言,偶極聲源工作頻率低,探測深度更遠;聲源有指向性,可探測井外反射體方位;而且偶極聲源產(chǎn)生的橫波模式在井外不產(chǎn)生轉換波,有利于反射信號提取[5]。因此,偶極橫波遠探測測井具有探測更遠、方位識別、反射信號易提取的技術優(yōu)勢。

圖1 聲波遠探測成像測井原理示意圖

1.2 低頻偶極遠探測測井方法

聲波遠探測成像是利用來自井外反射體的信號進行成像,但是井外反射信號相對于沿井傳播的直達波是一個十分微弱的信號,井外地質(zhì)體的反射信號往往淹沒在噪聲之中,通常難以得到有效處理,因此,常規(guī)偶極橫波測井方式極大地限制了聲波遠探測測井技術的廣泛使用。值得注意的是,井中偶極聲源產(chǎn)生的直達波屬于導波,存在低頻截止頻率[6-7],常規(guī)偶極橫波測井的工作頻段在截止頻率以上(3 kHz),主要目的是測量和利用井中直達波,在此背景下獲得的反射波信號極弱。為了有效壓制井中直達波提升反射波信噪比,魏周拓等[8]提出了一種在井中偶極橫波截止頻率以下(1.5 kHz)工作的全新測井模式,使井中直達波截止不能被有效激發(fā),從而在數(shù)據(jù)采集中獲得較強的井外反射橫波。圖2給出聲源在偶極橫波截止頻率以下和以上激發(fā)的情況下的模擬波形[見圖2(a)]。在截止頻率以上工作時,井外反射波幅度相對于井中直達波(彎曲波)十分微弱;而在截止頻率以下工作時[見圖2(b)],井外反射波幅度大為增強,與井中直達波(滑行折射橫波)具有了相同量級。理論上這種全新測井模式產(chǎn)生的井外反射波相對于井中直達波的信噪比能夠提高1～2個數(shù)量級,對聲波遠探測測井資料處理及成像非常有利。

圖2 聲源激發(fā)波形對比及反射波傳播距離與頻率的關系

這種測井模式還有另外一個重要優(yōu)勢,由于從井中向地層遠處輻射的聲波會隨著傳播距離的增加使幅度衰減,其衰減大小敏感于對聲波頻率[見圖2(c)]。因此,提出的低頻偶極遠探測聲波測井模式,不僅可以提升反射波的信噪比,同時也實現(xiàn)了更遠的探測深度。

1.3 低頻遠探測測井儀器

中海油田服務股份有限公司基于低頻偶極遠探測方法,在EXDT聲波測井儀的基礎上,研制成功了低頻偶極橫波遠探測成像測井儀器AFBS,實現(xiàn)了井眼周圍更遠范圍的裂縫、斷層或溶蝕孔洞等構造的清晰成像[9]。

該儀器使用三疊片結構的壓電陶瓷偶極遠探測換能器,通過優(yōu)化設計換能器的尺寸與頻率,偶極聲源中心工作頻率降至1.5 kHz。盡管大幅降低工作頻率以及提高發(fā)射能量,但反射波幅度也遠小于井中直達波,幅度大約為數(shù)十微伏左右,仍屬于微弱信號。因此,采用儀器整體的電磁兼容設計、動態(tài)換能器匹配技術和分級放大技術降低各種噪聲源。設計了高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采集位數(shù)由16 bit提高到24 bit,有效動態(tài)范圍達120 dB,保證有效拾取數(shù)十微伏電壓。在提高反射波幅度的同時,增加儀器的采樣長度和采樣率,使得該儀器可以更精準地接收來自井外更遠處的反射體信號。通過同一井段的數(shù)據(jù)采集及遠探測成像處理,與傳統(tǒng)XMAC測井儀相比,AFBS的探測深度與精度大大提高(探測深度增加2倍左右,成像信噪比提升1個數(shù)量級),可以更精細地刻畫與描述井外更遠處的反射體,實現(xiàn)了測井由“一孔近見”到“一孔遠見”的變革,對海上油氣儲層的識別與評價、儲層開采和鉆井導向具有重要意義。

2 南海北部灣盆地的應用實例

2.1 識別井旁小斷層

圖3為某1號井聲波遠探測成像測井處理成果圖。處理結果表明,3 825～3 900 m井段離井10～16 m范圍內(nèi)存在一傾斜直線狀反射體,判斷為井旁的斷層反射,以北東向(NE45°)方位最強,東西向(EW)和NS方位次之,東南向(SE45°)方位最弱。表明井旁斷層走向為北東向(NE45°)。該井地震剖面上顯示井旁有一大斷層,走向為北東向(NE45°)。這個大斷層離井約200 m,超出了遠探測測井儀器的探測范圍。該井遠探測井旁看到的斷層可能為大斷層次生的小斷層,與大斷層的走向一致。該井遠探測測井發(fā)現(xiàn)的井旁小斷層和地震資料結合對井旁斷層作精細刻畫,同時對斷層的方位性判斷再次驗證了偶極橫波能識別地質(zhì)體方位的結論。

2.2 確定井漏原因

北部灣盆地某2號井鉆進過程中,鉆至2 584 m發(fā)生第1次鉆井液漏失,20 min內(nèi)活動池液面下降8 m3。2 426～2 601 m井段擠水泥后,地漏實驗,破裂當量比重1.67 S.G;鉆井至2 749 m,活動池液面降低,判斷井下再次發(fā)生漏失。ECD為1.50 S.G井段小于破裂當量比重,因此,基本能排除套管鞋發(fā)生漏失的可能性。后續(xù)在2 779 m和2 810.6 m處又發(fā)生2次漏失。遠探測成像測井顯示2 550～2 830 m井段有數(shù)條斜狀反射體,其位置與鉆井時發(fā)生井漏的漏點位置相一致,判斷鉆遇到了一個斷裂帶上,與地震上斷層發(fā)育位置相對應,更精確地描述了斷層引起的斷裂發(fā)育段,也是該井井漏的原因(見圖4)。

圖3 某1號井井旁斷層識別

2.3 判斷斷層類型

某3號井與某2號井類似,鉆井過程中發(fā)生多次鉆井液漏失現(xiàn)象。遠探測測井處理成果顯示在2 525～2 750 m井段(漏失井段)發(fā)育多條斜狀反射體,判斷為斷裂發(fā)育帶,與地震剖面2 605～2 729 m段附近的斷層發(fā)育帶相對應。

圖5 某3號井過井斷層識別與類型判斷

圖4 某2號井過井斷層及井漏原因分析

圖5遠探測測井成果圖顯示2 520～2 585 m井段內(nèi)存在多條高角度傾斜反射體,其中有一高角度過井反射體,與井相交于2 570 m處;2 615～2 642 m井段內(nèi)存在一高角度過井反射體,與井相交于2 626 m附近;2 650～2 740 m井段內(nèi)存在2個高角度過井反射體,分別與井相交于2 675、2 715 m附近。通過分析反射體在4個方位上的成像情況可知,在南北方向上成像最清晰,說明反射體走向為南北向,即斷層走向為偏南北向,與地震剖面上的斷層走向基本一致(見圖5)。

結合聲波各向異性和地震資料分析,該井各向異性資料判斷地層最大水平地應力方向為北西—南東向,與該井斷層走向方向近似垂直,由此判斷該井斷層可能為逆斷層類型(見圖5)。

3 結論及展望

(1)偶極聲源具有低頻、指向性特征,與單極縱波遠探測測井技術相比,具有探測深度遠、方位性判斷等優(yōu)勢;可對井旁斷層或裂縫的高度,距井距離以及走向進行定量評價。

(2)偶極橫波遠探測測井技術在南海西部北部灣盆地復雜斷塊區(qū)取得了良好應用效果,可判斷過井斷層,幫助分析井漏原因,規(guī)避鉆井作業(yè)風險。

(3)結合地震資料對井旁小斷層做精細刻畫,判斷斷層類型,幫助分析復雜斷塊區(qū)的井旁斷層、斷裂展布,對勘探開發(fā)具有重要意義。

目前該技術在南海北部灣盆地井旁構造分析中取得了一定應用效果,未來可進一步結合區(qū)域地質(zhì)、地震資料實現(xiàn)井震結合對區(qū)域構造的精細評價。