隨鉆聲波測井斯通利波反演滲透率應用研究

萬 鈞,吳意明,徐超

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

近年來,在海上油氣田勘探開發(fā)的大斜度井及水平井中,基于作業(yè)效率及風險的考慮,越來越多地用隨鉆測井代替電纜測井來獲取地層資料。聲波測井作為一種傳統(tǒng)的地層評價方法,其隨鉆測量存在獨有的挑戰(zhàn)性,主要表現(xiàn)為鉆井機械噪音、井中泥漿波干擾、工具波干擾等。貝克休斯公司隨鉆聲波測量工具SoundTrakTM采用多次疊加技術(shù)提高信號的信噪比,并在業(yè)內(nèi)率先采用四極子聲源測量地層橫波速度,以避免偶極子聲源在隨鉆工具中的工具波干擾。SoundTrakTM工具在軟硬地層中均可提供可靠的縱波、橫波、斯通利波慢度隨鉆測量。與電纜聲波測井類似,隨鉆低頻單極子聲源可在井中激發(fā)斯通利波。大量研究表明,斯通利波的井中傳播與地層滲透率密切相關(guān),通過反演斯通利波波形數(shù)據(jù),可定量評價地層滲透率。利用隨鉆斯通利波計算滲透率指數(shù)的優(yōu)勢為,地層剛被打開時,鉆井液尚未在井壁形成泥餅遮擋,滲透性地層與井內(nèi)流體交換不會受到泥餅影響。筆者闡述利用隨鉆聲波資料計算滲透率及TI各向異性的方法基礎(chǔ)上,以海上某油田為例探討其應用。

1 SoundTrakTM工具介紹

SoundTrakTM為貝克休斯公司的隨鉆陣列聲波測量工具,其采用多頻率多激發(fā)模式聲源以適用隨鉆測量環(huán)境。如圖1所示,SoundTrakTM工具發(fā)射聲源為集成式全方位聲源,可激發(fā)多頻率的單極子、偶極子與四極子信號。接收陣列包含6組模塊化全方位接收器,單組接收器包括互為90°的4個方位模塊,模塊接收信號可通過疊加提高信噪比,單組接收器間距為22.86 cm,陣列信號相關(guān)計算的時差曲線垂向分辨率為114.3 cm。聲源與接收陣列間為高強度的隔聲短節(jié),通過周期性的切割凹槽設(shè)計,隔聲短節(jié)可大幅壓制工具波,突出地層信號。

SoundTrakTM工具可針對不同井眼尺寸與地層類型,對應地設(shè)計不同的采集模式及頻率。如圖2所示,通常地層縱波慢度為133～500 μs/m時,采用高頻單極子11或12 kHz信號獲得無頻散的地層縱波速度;地層縱波慢度為500～800 μs/m時,采用低頻單極子3或4 kHz信號,并通過頻散校正獲取地層縱波速度;地層橫波慢度為267～633.3 μs/m,即快速地層時,通過高頻四極子8 kHz 獲取無頻散的地層橫波速度,地層橫波慢度為240～640 μs/ft,即慢速地層時,采用低頻四極子2、3或4 kHz信號,并通過頻散校正獲取地層橫波速度。對于斯通利波信號,一般采用低頻單極子3或4 kHz采集。大量實踐作業(yè)證明,SoundTrakTM工具可在各種環(huán)境下取得可靠的縱波、橫波及斯通利波數(shù)據(jù),為包括地層滲透率計算在內(nèi)的地層評價工作提高可靠的數(shù)據(jù)輸入。

圖1 SoundTrakTM工具示意圖

SoundTrakTM工具擁有先進的井下實時處理模塊,可通過參數(shù)文件設(shè)置提前將處理參數(shù)寫入工具,隨鉆測量時工具可在井下自動實時處理提取地層縱、橫波時差,并通過鉆井液傳輸系統(tǒng)實時傳至地面,為實時地層孔隙壓力監(jiān)測、井震標定等提供數(shù)據(jù)支持。

2 滲透率指數(shù)反演基本原理

Boit提出了孔隙固體中彈性波傳播理論,Rusenbaum基于此理論模擬了孔隙介質(zhì)中的測井聲波,該模型目前被稱為Biot-Rosenbaum理論[1]。Williams發(fā)現(xiàn)聲波測井數(shù)據(jù)的斯通利波速度降低與振幅衰減和巖心滲透率存在密切相關(guān)性[2]。Cheng等[3]嘗試利用Biot-Rosenbaum模型解釋此種相關(guān)性,取得一定認識,但由于影響井中斯通利波傳播的因素還包括非彈性衰減、泥餅、各向異性等,因此當時從測井斯通利波數(shù)據(jù)直接反演地層滲透率仍存在一定不確定性。

Tang[4]提出了一個簡化的Biot-Rosenbaum模型,此模型將斯通利波在井中的傳播分解為兩部分,第一部分為等效的彈性模型,第二部分為Biot理論中慢速縱波控制的動態(tài)滲透率模型。數(shù)值模擬表明簡化模型與完整的Biot-Rosenbaum模型在低頻端一致。同時,簡化模型極大地提高了斯通利波正演的計算效率,有利于滲透率反演計算。Tang[5]基于此簡化模型提出了一種快速反演斯通利波滲透率的方法,Greerits、Qobi[6]將此方法應用于油田測井數(shù)據(jù)取得了較好的效果。在快速反演方法基礎(chǔ)上,提出了利用斯通利波形同時反演地層滲透率與TI各向異性的一種方法,其反演流程如圖2所示。

圖2 斯通利波同時反演滲透率、TI各向異性流程

在各向同性、無滲透型地層中,斯通利波可由等效彈性模型通過橫波速度預測,其表達式為

(1)

式中,r為工具與井眼尺寸比值;ρBH、ρFM分別為鉆井液與地層密度;DTS、DTBF分別為地層橫波及鉆井液慢度;MT為工具剛度。

由式(1)可知,斯通利波作為一種井中管波,其傳播受一系列因素影響,對井中流體、地層彈性參數(shù)、工具參數(shù)均較為敏感。在慢速地層中,其傳播速度主要受地層橫波速度控制,在快速地層中其傳播速度主要受井中流體控制。當斯通利波穿過滲透性地層時,井中與地層內(nèi)流體發(fā)生交換,使斯通利波傳播速度降低,同時發(fā)生振幅衰減,頻率移向低頻端。如式(2)所示,基于簡化的Biot-Rosenbaum模型,通過式(1)計算斯通利波等效彈性模型。滲透性地層中實測斯通利波時差將大于等效模型時差,兩者差值結(jié)合實測陣列波形數(shù)據(jù)的頻移分析,即可反演得到斯通利波滲透率指數(shù)。

(2)

斯通利波的時移與衰減受流體交換的流度K/μ(K為地層滲透率,μ為孔隙流體黏度)及孔隙流體壓縮系數(shù)kf控制。通常情況下,地層縱向橫波時差DTSV、密度、孔隙度等均可由測井數(shù)據(jù)確定,而μ與kf數(shù)值無法直接獲取,因此直接通過斯通利波反演得到的滲透率通常稱為滲透率指數(shù),其包含了孔隙流體參數(shù)μ與kf的影響。斯通利波滲透率指數(shù)需通過巖心數(shù)據(jù)標定才能得到滲透率曲線。如圖3所示,井眼、工具參數(shù)對時差及衰減的影響可視為常數(shù),通過標定非滲透性層段可確定基線得到滲透率指數(shù)。

圖3 斯通利波反演滲透率指數(shù)示意圖

同時,在各向異性地層中,斯通利波傳播受橫波各向異性影響。研究表明,在VTI介質(zhì)中,當測量角度與對稱軸夾角小于30°時,斯通利波主要受介質(zhì)橫向剪切模量C66與地層橫向橫波時差DTSH控制。而橫波測井測量的是受縱向剪切模量C44控制的縱向橫波時差DTSV。在VTI介質(zhì)中,如層理發(fā)育的泥巖地層中,通常DTSV大于DTSH,即如式(3)所示,實測斯通利波時差將小于等效的各向同性模型時差。通過對比正演及實測數(shù)據(jù)即可計算得到TI各向異性大小及DTSH。

(3)

現(xiàn)實情況中,具有一定滲透性的地層通常為砂巖或裂縫型碳酸鹽巖地層,而TI各向異性介質(zhì)通常為泥巖地層,兩類地層對斯通利波時差存在相反的影響。因此,斯通利波同時反演地層滲透率和TI各向異性具有合理性。

利用斯通利波反演地層滲透率和TI各向異性的方法已在貝克休斯公司商業(yè)化應用多年,在電纜測井數(shù)據(jù)中取得了較好的應用效果。針對新發(fā)展的隨鉆聲波測量工具,Tang[6]通過滲透型地層中電纜與隨鉆斯通利波數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)由于隨鉆測量工具尺寸遠大于電纜工具(式(1)中r與MT增大),使得隨鉆環(huán)境下,滲透性地層對斯通利波時差與頻移(衰減)的影響被放大,即隨鉆斯通利波對地層滲透率更為敏感。但與此同時,工具偏心或井眼擴徑對反演可靠性的影響亦隨之增大。

3 應用實例

為評價油藏邊部儲層物性及含油氣性,選取海上某油田的一口評價井,利用隨鉆測量工具,取得自然伽馬、中子、密度、聲波、電阻等測井資料。通過對隨鉆聲波工具SoundTrakTM內(nèi)存數(shù)據(jù)進行處理,從高頻單極子、低頻單極子、高頻四極子波形中對應提取到可靠的地層縱波、斯通利波及橫波慢度,如圖4所示,陣列波形相關(guān)能量清晰,縱橫波趨勢有較好的一致性。

在對斯通利波原始波形進行濾波去噪后,選取無滲透性、無TI各向異性層段,進行井眼、工具參數(shù)的標定。本井選取上部灰?guī)r地層2 685～2 886 m(圖5(a))作為標定層段,以確定圖3中的反演基線。通過反演得出斯通利波滲透率指數(shù)及TI 各向異性,并通過3 218 m處巖心標定得到斯通利波滲透率曲線(圖5)。

巖屑錄井與中子密度測井顯示,本井存在較多的煤層夾層,煤層由于其層理性,為一種較典型的VTI介質(zhì)。圖5(b)中顯示,3 030～3 031 m、3 034～3 035 m存在2套泥巖中的煤夾層,其中子讀值大于45、密度讀值降低、斯通利波時差明顯降低,但縱向橫波時差DTSV并無明顯變化,反演表明,此2段存在較大的TI各向異性,DTSH明顯小于DTSV。

圖5(c)為取心段1反演結(jié)果,3 199～3 202 m為一套砂巖地層,顯示為高斯通利波滲透率。3 202～3 212 m為一套砂泥巖互層,此段由于存在較明顯擴徑,斯通利波斯通率與巖性解釋及孔隙度曲線對應關(guān)系較差。3 212～3 230 m為本井較長的一段取心段,且井徑良好,經(jīng)標定后的斯通利波滲透率整體與巖心試驗滲透率對應良好。同時,由于此砂層底面未受擴徑影響,斯通利波斯通率曲線很好地顯示了砂泥巖界面。

圖4 隨鉆聲波相關(guān)能量圖

圖5 斯通利波滲透率曲線

(第1道:伽馬、井徑、鉆頭尺寸、有效孔隙度;第2道:斯通利波滲透率、取心滲透率;第3道:深度;第4道:時差滯后、頻移衰減;第5道:MSD DTST測量斯通利波時差、Isotropy DTST正演斯通利波時差、DTSV縱向橫波時差、DTSH橫向橫波時差;第6道:密度、中子、縱波時差;第7道:巖性解釋)

4 結(jié) 論

(1)斯通利波對地層滲透性及TI各向異性較為敏感,在砂泥巖地層中,由于滲透性與TI各向異性對斯通利波具有相反的影響效果,使反演滲透率及TI各向異性成為一種行之有效的方法。

(2)數(shù)值模擬及實際應用表明,隨鉆聲波工具尺寸較大,對地層滲透性更為敏感,且隨鉆測量時,泥餅尚未形成,不會對斯通利波傳播時井內(nèi)與地層流體的交換造成明顯的遮擋，因此在保證儀器居中及井徑良好的情況下,隨鉆斯通利波可作地層滲透性評價的一種可靠手段。

(3)在大斜度井中(井斜大于30度),地層垂向橫波時差(由C44控制)逐漸對斯通利波產(chǎn)生明顯影響,因此需結(jié)合方位各向異性分析結(jié)果,對TI反演進行傾角校正。