微裂縫對橫波衰減影響的實驗研究及其在致密砂巖裂縫評價中的應用

蔡 明, 章成廣, 韓 闖, 楊 博, 唐 軍, 鄭恭明

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室,湖北武漢 430100; 2.長江大學地球物理與石油資源學院,湖北武漢 430100; 3.中國石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒 841000)

裂縫測井評價方法主要包括常規(guī)測井[1-5]、成像測井[2,6-10]、陣列聲波測井[1,5,11-14]和反射聲波成像測井評價法[5,15-16]。常規(guī)測井評價法側(cè)重于裂縫的定性評價。成像測井評價法主要是利用微電阻率和超聲成像測井資料對井壁裂縫進行定量評價,但成像測井探測深度淺,無法評價裂縫向井外延伸的情況,對裂縫有效性評價效果有待提高[1,5]。陣列聲波測井徑向探測深度大,可用于裂縫寬度及其向井外延伸情況的評價,彌補成像測井評價法的不足[1,5]。但陣列聲波測井評價法目前尚不完善,斯通利波一般只用于識別裂縫及裂縫滲透率的評價,偶極橫波一般只用于裂縫各向異性參數(shù)的評價。為了充分利用陣列聲波測井中的橫波信息,更好地定量評價裂縫參數(shù)和有效性,有必要研究裂縫對橫波傳播的影響規(guī)律。Hudson等[17-26]從理論、物理實驗和數(shù)值模擬的角度主要研究了裂縫對縱波波速和衰減以及橫波分裂的影響。筆者主要針對致密砂巖儲層裂縫定量評價問題,采用物理實驗手段研究微米級裂縫對橫波衰減的影響規(guī)律,并將研究結(jié)果用于儲層微裂縫張開度測井評價。

1 實驗原理

如圖1所示,將標準圓柱形巖心樣品沿橫向切割成相等的兩段,橫切面拋光磨平,然后將兩段巖心對接在一起,并在兩端分別安置超聲橫波發(fā)射探頭和接收探頭(發(fā)射探頭和接收探頭的偏振方向應保持一致,探頭和巖心樣品之間以高黏度黃油做耦合劑),通過超聲脈沖發(fā)生接收儀給發(fā)射探頭施加激勵信號使發(fā)射探頭發(fā)出聲波信號,聲波信號穿過巖心樣品被接收探頭接收到,并傳送至超聲脈沖發(fā)生接收儀,最后通過高精度信號采集儀(或示波器)采集記錄數(shù)字化波形信號即得到穿過含裂縫巖心樣品的橫波波形。

分別測量記錄兩段巖心直接對接以及對接面之間填充不同厚度PET薄膜(薄膜聲學性質(zhì)和水接近,用于模擬不同寬度裂縫)時的橫波波形,并以巖心直接對接(認為此時裂縫寬度為0 m)時的橫波前兩個周期波形幅度作為參考幅度,分析含不同寬度裂縫巖心樣品對應的橫波前兩個周期波形幅度,可計算出相應的橫波衰減系數(shù),計算公式為

(1)

式中,α為橫波衰減系數(shù);l為對接巖心總長度;A0為裂縫寬度為零時測量的橫波波形幅度;A為裂縫寬度不為零時測量的橫波波形幅度。

圖1 含裂縫巖心實驗測量示意圖Fig.1 Schematic diagram of fractured core acoustic experiment

2 實驗裝置及測量方法

2.1 實驗樣品及裝置

實驗巖心樣品包括孔隙度(φ)分別為4.5%、6.3%和7.5%,長度分別為6.83、6.57和6.27 cm的3塊圓柱狀致密砂巖樣品(分別記為S1、S2和S3),樣品直徑均為2.5 cm,均來自塔里木油田庫車地區(qū)致密砂巖儲層。實驗測量前先將3塊巖心樣品沿橫向各切割成近似相等的兩段(分別標記為S1a和S1b、S2a和S2b、S3a和S3b),橫切面拋光磨平備用。實驗設備包括橫波發(fā)射探頭和接收探頭、超聲波脈沖發(fā)生接收儀CTS_8077PR、高精度信號采集儀、數(shù)字示波器UTC2102CEL、軸向夾持壓力定量可調(diào)的巖心樣品夾持器、不同厚度的PET薄膜、高黏度黃油、雙頭BNC探頭信號源連接線和電子游標卡尺。

2.2 測量方法

將超聲橫波發(fā)射探頭和接收探頭分別安裝在軸向夾持壓力定量可調(diào)的巖心樣品夾持器的兩個端口上(探頭被緊固在端口上,且發(fā)射探頭和接收探頭的偏振方向應保持一致);然后將S1a和S1b巖心對接在一起(對接面之間不填充或填充不同厚度的PET圓盤狀薄膜),并在對接巖心兩個端面均勻涂抹高黏度黃油后夾持在發(fā)射探頭和接收探頭之間,調(diào)節(jié)夾持器的夾持力使巖心兩端的壓力為0.8 MPa;再通過超聲脈沖發(fā)生接收儀給發(fā)射探頭施加方波脈沖激勵信號(主頻200 kHz,幅度50 V)使發(fā)射探頭發(fā)出聲波信號,聲波信號穿過巖心樣品被接收探頭接收到并傳送至超聲脈沖發(fā)生接收儀,最后通過高精度信號采集儀(或示波器)采集記錄數(shù)字化波形信號即得到穿過含裂縫巖心樣品的橫波波形。實驗在常溫條件下進行,實驗測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實驗測量系統(tǒng)Fig.2 Experimental devices

具體實驗測量步驟如下:

(1) 分別制備厚度為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、260、320、380、440和500 μm的PET圓盤狀薄膜,圓盤薄膜的直徑為2.5 cm。

(2)測量并紀錄S1a和S1b巖心直接對接時(認為裂縫寬度為零)的橫波波形,期間用游標卡尺測量并記錄對接巖心的長度。

(3) 保持軸向夾持力等實驗條件不變,測量并記錄S1a和S1b巖心對接面之間填充不同厚度PET圓盤狀薄膜時的橫波波形,期間用游標卡尺測量并記錄對接巖心的長度。

(4) 重復步驟(1) ～ (3),測量并記錄S2a和S2b以及S3a和S3b巖心在不同裂縫寬度條件下的橫波波形。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗測量的S2巖心樣品在不同裂縫寬度條件下的波形如圖3所示(圖中虛線標示了橫波的初至時刻)。由圖3可以看出,隨著裂縫寬度的增大,橫波幅度逐漸減小。統(tǒng)計3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下測量的橫波波形幅度,得到歸一化橫波幅度(橫波幅度與裂縫寬度為零時的橫波幅度之比)隨裂縫寬度變化關系,如圖4所示。由圖4可以看出,不同孔隙度的3組巖心樣品的橫波幅度均隨裂縫寬度的增加而減小,且裂縫寬度約小于250 μm時橫波幅度隨裂縫寬度變化相對更快。

圖3 S2樣品在不同裂縫寬度條件下測量的橫波波形Fig.3 Experiment shear waveforms of sample S2 with different fracture width

由上述統(tǒng)計的3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下測量的橫波波形幅度,并結(jié)合式(1)可計算出3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下測量橫波的衰減系數(shù),進而得到橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化關系,分別如圖5(a)～(c)所示,其中散點為不同裂縫寬度對應的衰減系數(shù),實線為相應的二次多項式擬合曲線。3條擬合曲線的對比圖如圖5(d)所示。由圖5(a)～(c)可以看出,不同孔隙度的3組巖心樣品對應的橫波衰減系數(shù)均隨裂縫寬度的增加而增大,且裂縫寬度約小于250 μm時橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化相對更快,說明橫波衰減對窄裂縫寬度的變化更為敏感。由圖5(d)可以看出,同等裂縫條件下孔隙度較小的巖心樣品對應的橫波衰減系數(shù)相對更大,且隨裂縫寬度變化更快,這可能是由于孔隙度較小的巖心樣品中橫波本底衰減(由除裂縫之外的因素引起的衰減)較小,當出現(xiàn)裂縫時衰減明顯增大;而孔隙度相對較大的巖心樣品中橫波本底衰減較大,當出現(xiàn)裂縫時衰減增大相對平緩。

4 基于橫波衰減的微裂縫張開度測井評價

上述實驗結(jié)果表明,對于平板狀裂縫且當裂縫面與橫波傳播方向近似垂直時,橫波衰減系數(shù)與微米級裂縫寬度(張開度)具有較好的對應關系。因此可利用橫波衰減系數(shù)對微裂縫張開度進行定量評價。對于圖5(a)～(c)中的實驗結(jié)果,以橫波衰減系數(shù)α作為自變量,以裂縫張開度w作為因變量進行擬合可得到裂縫寬度關于橫波衰減系數(shù)的實驗公式

(2)

利用陣列聲波測井采集到的單極全波陣列波形或偶極橫波陣列波形數(shù)據(jù)獲取裂縫橫波衰減系數(shù)(以無裂縫段地層橫波幅度作為參考幅度A0,式(1)中l(wèi)取聲源到接收器的距離),并結(jié)合上述實驗公式(2)即可對儲層微裂縫張開度進行定量評價。由圖5(d)可知,不同孔隙度條件下,裂縫橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化曲線趨勢一致,但形態(tài)存在一定的差異。因此利用實驗公式(2)評價儲層微裂縫張開度可根據(jù)儲層孔隙度分布范圍選擇合適的公式進行計算,也可根據(jù)公式(2)的擬合曲線進行插值得到精度更高的微裂縫張開度與裂縫橫波衰減系數(shù)關系圖版進行評價。

由于在單極全波列測井和偶極橫波測井過程中,橫波(或彎曲波)在井壁附近幾米范圍內(nèi)的地層中傳播[5],故利用裂縫橫波衰減系數(shù)可以對井壁附近地層中的裂縫張開度和有效性進行評價,避免井壁上的誘導縫等非有效裂縫的干擾,彌補成像測井裂縫評價法在裂縫有效性評價方面的不足。

利用塔里木油田X井的XMAC陣列聲波測井和微電阻率成像等資料,結(jié)合上述微裂縫張開度評價方法對塔里木油田庫車地區(qū)致密砂巖儲層裂縫發(fā)育情況進行評價,得到的成果圖如圖6所示。由圖6中縱橫波幅度及裂縫等效寬度曲線與電成像裂縫處理解釋結(jié)果對比可以看出,縱波幅度變化對裂縫不夠敏感,而橫波幅度變化對裂縫較為敏感,且由裂縫橫波衰減計算的裂縫等效寬度與電成像解釋成果圖中顯示的裂縫發(fā)育程度吻合較好,證實了基于橫波衰減的裂縫張開度評價方法的可行性和正確性。

需要說明的是,由裂縫橫波衰減計算的裂縫等效寬度經(jīng)巖心觀察裂縫參數(shù)刻度后可能更好地反映裂縫的發(fā)育情況和有效性,為進一步利用橫波衰減信息反演裂縫滲透率提供條件。另外,本次實驗研究未考慮裂縫傾角對聲波衰減的影響,且未研究毫米級及以上的裂縫對橫波衰減的影響規(guī)律,因此實驗結(jié)論主要適用于指導利用橫波測井資料對水平的或低角度的微裂縫張開度進行評價。另外,本次實驗數(shù)據(jù)量有限,故研究規(guī)律的適用范圍可能具有區(qū)域局限性,對于其他區(qū)域,可采用與本文類似的方法研究取得適用于研究區(qū)的更準確的裂縫寬度對橫波衰減的影響規(guī)律,并用于指導微裂縫張開度測井評價。

圖6 X井裂縫評價成果Fig.6 Fracture evaluation results of well X

5 結(jié)束語

針對致密砂巖儲層裂縫評價問題,采用物理實驗手段研究了裂縫寬度對橫波衰減的影響。3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下的實驗測量結(jié)果表明,橫波幅度隨裂縫寬度的增加逐漸減小,橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度的增加有規(guī)律地增大,且裂縫寬度約小于250 μm時橫波幅度和衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化相對更快;另外,同等裂縫條件下孔隙度較小的巖心樣品對應的橫波衰減系數(shù)相對更大,且隨裂縫寬度變化更快,說明橫波衰減系數(shù)對致密砂巖儲層微裂縫寬度變化更為敏感。將實驗研究結(jié)果用于指導利用橫波測井資料評價致密砂巖儲層裂縫張開度,對塔里木油田庫車地區(qū)致密砂巖儲層橫波測井資料的處理結(jié)果表明,由裂縫橫波衰減計算的裂縫等效寬度與電成像解釋成果圖中顯示的裂縫發(fā)育程度吻合較好,證實了基于橫波衰減的裂縫張開度評價方法的可行性和正確性。該裂縫評價方法可在一定程度上彌補成像測井裂縫評價法的不足,進一步完善裂縫評價方法體系。本文中主要通過巖石物理實驗研究了平板狀裂縫寬度對橫波衰減的影響規(guī)律及其在儲層微裂縫張開度評價中的應用。裂縫傾角、裂縫填充情況、毫米級及以上的裂縫寬度等因素對橫波衰減的影響規(guī)律及其應用等還需要進一步開展研究工作。