反射波成像與縱波徑向速度成像在華北油田裂縫型碳酸鹽巖儲層勘探開發(fā)中的聯(lián)合應(yīng)用

馬修剛,周軍,蔡文淵,王偉,于偉高,曹先軍,孫佩

(1.中國石油集團測井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077;2.中國石油集團測井有限公司 華北分公司，河北 任丘 062550;3.中國石油天然氣股份有限公司 華北油田分公司，河北 任丘 062550)

0 引言

陸相碎屑巖沉積盆地對我國石油天然氣行業(yè)作出了巨大貢獻，隨著國家對國內(nèi)油氣依存度提高，石油缺口近幾年連續(xù)攀升，對一些埋藏深、斷層裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性強、橫向變化大等復雜的油氣勘探力度進一步加大。冀中坳陷是我國潛山油氣勘探的發(fā)祥地，區(qū)內(nèi)潛山型油氣藏為主要油氣藏，占已發(fā)現(xiàn)油氣藏儲量的55%以上[1]。河西務(wù)潛山位于冀中廊固凹陷東部，是由河西務(wù)主斷層控制的呈北東向展布的一個大型壘塊山。巖性主要為白云巖、灰?guī)r和巖溶角礫巖。灰?guī)r和白云巖都是低孔、超低滲儲層，不經(jīng)過酸化、壓裂等儲層改造，難以獲得工業(yè)產(chǎn)能[2-3]。

隨著碳酸鹽巖油氣藏的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖儲層識別變得越來越重要。地震勘探橫向上能探測較大尺度的地質(zhì)構(gòu)造，對數(shù)十米裂縫等小型地質(zhì)構(gòu)造以及裂縫延展特征等無法給出定量參數(shù)描述[4-6]。雖然測井技術(shù)在不斷進步，由于碳酸鹽巖縫洞型儲層孔隙結(jié)構(gòu)復雜，非均質(zhì)性強，橫向變化大，常規(guī)測井方法對裂縫的井外延伸情況以及井旁是否存在隱蔽型儲層難以給出答案。反射波成像技術(shù)[1]通過對陣列聲波或遠探測聲波測井中反射波信息提取處理，得到井旁縫、洞等構(gòu)造反射特征，探測尺度介于地震與常規(guī)測井方法之間，該方法能評價裂縫延伸及發(fā)現(xiàn)井旁隱蔽型縫洞儲層[7-9,1]。反射波成像技術(shù)是基于縱、橫波反射信息提取和偏移成像的處理技術(shù)，其中偶極橫波反射成像利用正交偶極聲波測井資料處理實現(xiàn)井旁縫洞成像，提供井眼外數(shù)十米范圍內(nèi)的裂縫走向、傾角和延伸信息，較地震成像精度更高。該技術(shù)能對早期采集的陣列聲波資料進行處理應(yīng)用，提高資料應(yīng)用附加值，實現(xiàn)降本增效?？v波徑向速度成像利用聲波走時反演得到近井縱波速度變化剖面，提供儲層及巖石脆性變化信息，結(jié)合反射波成像提供了一項能更有效指示儲層可改造性的評價方法。該項技術(shù)適用于砂泥巖、碳酸鹽、頁巖等多種類型地層，在華北潛山碳酸鹽巖油氣勘探及儲層改造應(yīng)用，取得明顯應(yīng)用效果[10]。

1 縱波徑向速度成像

Brian E于1992年提出了一種利用聲波折射原理,通過層析成像方法處理多接收聲波測井數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建出連續(xù)深度上聲波慢度二維圖譜[11]。Zeroug S等人[12]2006年詳細闡述了要獲取較好的縱波徑向速度剖面，需要相對長的源距及更多的接收陣列。該方法能指示鉆井后，井筒徑向地層是否發(fā)生蝕變。同年，Valero H P等人[13]應(yīng)用該技術(shù)評價地層，并結(jié)合常規(guī)、電阻率以及MDT等測井資料，評價徑向地層變化以及引起變化的原因，為完井提供指導。

基于縱波折射的徑向速度反演方法流程如圖1。當?shù)貙哟嘈暂^高時，鉆井會導致井壁附近地層破碎，聲波徑向速度在破碎地層，會出現(xiàn)速度變化。由此，可通過聲波徑向速度變化指示儲層可壓裂性。

圖1 縱波徑向速度反演流程Fig.1 Inversion process of P-wave velocity variation

2 偶極源反射波成像技術(shù)

一方面，單極聲源縱波反射波的一般主頻為10 kHz左右，由于頻率相對較高，在地層中傳播時，衰減的更快，對于井旁較遠處的構(gòu)造，經(jīng)過構(gòu)造反射回來的反射波幅度幾乎沒有或者湮沒在噪聲里。另一方面，由于井筒尺寸和儀器尺寸的限制，頻率很難降到更低。單極聲源條件下若想獲得井旁反射構(gòu)造的方位信息，需要多個方位接收站獨立接收，單方位聲波測井數(shù)據(jù)通常包含多個接收站數(shù)據(jù)，在加上方位接收測量，數(shù)據(jù)量會成倍增加，在相同傳輸速率條件下，會大幅降低測井作業(yè)速度，從而提高作業(yè)風險。為此，唐曉明等[14]提出利用正交偶極橫波的新型反射波成像技術(shù)。相對于單極源反射成像技術(shù)，正交偶極橫波反射具有如下優(yōu)勢：

圖2 單偶極聲源激發(fā)波形隨傳播距離衰減關(guān)系Fig.2 Attenuation change with propagation distance of Monopole and Dipole source

1)偶極發(fā)射源由兩組位于儀器軸向相同高度，互相垂直的片狀陶瓷片組成，陶瓷片整體組成呈“口”字型，輻射中心頻率為2.5 kHz的彎曲波，相對單極聲源，偶極聲源激發(fā)頻率更低，衰減更小。故而偶極聲源輻射聲場具有更遠的徑向傳播距離，能對井旁更遠處的構(gòu)造進行探測。

2)分析井孔中的單、偶極聲源遠場輻射特征，與單極聲源相比，偶極聲源在垂直平面內(nèi)具有更寬的角度覆蓋范圍，意味著有更多可能接收到來自不同方位上構(gòu)造反射回來的信號。

3)儀器測量，由于電纜的扭力，儀器會在井中旋轉(zhuǎn)，結(jié)合連斜儀器記錄的陣列聲波儀器的X分量方位角，利用正交偶極四分量正交方位接收的特性，通過對比不同角度的成像構(gòu)造反射能量，即可確定構(gòu)造反射來自哪個方位。

2.1 偶極橫波反射成像處理

偶極橫波反射成像方法為利用正交偶極橫波測井儀研究井旁地質(zhì)構(gòu)造建立了理論基礎(chǔ)。本文基于該理論基礎(chǔ)，利用LEAD偶極橫波反射成像處理軟件中多方位成像處理與構(gòu)造解釋等特色處理解釋模塊進行了應(yīng)用。

2.2 多方位成像處理

多方位成像包括方位合成、直達波壓振、反射波提取、上下行波合成等步驟。多方位合成基于水平偏振的橫波(SH波)計算方程：結(jié)合儀器記錄的正北方位即可計算特定方位的反射波能量:

SH=xx·cos2φ-(xy+yx)·sinφcosφ+yy·sin2φ

其中:xx、yy表示同向分量波形，xy、yx表示交叉分離波形，φ表示成像方位與xx同向分量夾角。

反射波提取采用中值濾波、偏移疊加等多種信號處理方法將反射波從包含直達波的全波波列中分離出來，根據(jù)不同的同向軸，分離得到上行、下行反射波，同時基于給出的標定井段實現(xiàn)直達波頭波抑制，減少直達波的震蕩周期提高反射波信噪比[15]。上下行波合成后，偏移成像在頻率—波數(shù)域?qū)?shù)據(jù)進行偏移處理，再通過二維傅里葉反變換將偏移后的反射體位置映射到空間域上，將時間域成像結(jié)果轉(zhuǎn)換到深度域，反映構(gòu)造的徑向位置。

2.3 構(gòu)造解釋

構(gòu)造解釋工具提供深度成像過井軸切片和井周成像垂直井周切片聯(lián)合分析功能，過井軸切片提供特定方位成像圖， 通過該視圖能確定構(gòu)造所在的深度范圍；結(jié)合垂直于井軸切片，提供軸向不同徑向深度能量分布，通過該視圖能確定反射波能量最強方位，從而確定構(gòu)造傾向。結(jié)合交互分析功能，對構(gòu)造成像軌跡進行勾畫，提取構(gòu)造的延伸長度、傾角、傾向等產(chǎn)狀參數(shù)(圖3)。結(jié)合井眼軌跡數(shù)據(jù)，能在三維空間展示構(gòu)造在井周的分布。

圖3 反射構(gòu)造特征提取Fig.3 Occurrence extraction of Structure

3 應(yīng)用實例

華北油田河西務(wù)潛山成藏條件復雜，儲層非均質(zhì)性強、橫向變化較大，區(qū)域裂縫分布及走向不清晰，勘探開發(fā)難度大。其中AT1X井，第1次完鉆測井底深度5 100 m，利用偶極橫波反射成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)5 100 m附近裂縫向下仍有延伸，綜合斯通利波反射及微電成像裂縫顯示，5 100 m深度附近儲層裂縫均比較發(fā)育。綜合其他錄井氣層等信息后加深300 m后二次完井，再次應(yīng)用偶極橫波反射成像處理，5 100 m處兩組不同傾角的裂縫組向下延伸40多米，發(fā)現(xiàn)井旁存在大量裂縫組。

針對完井陣列聲波測井數(shù)據(jù)，進行縱波徑向速度成像處理，顯示井壁附近均存在縱波速度變化，說明鉆井過程導致井壁巖層破碎，指示儲層脆性較好[16]，有利于儲層改造。5 065.2～5 203 m，酸化壓裂后日產(chǎn)氣40.9萬m3，日產(chǎn)油71 m3(圖4)，截至2017年6月，累計產(chǎn)氣1 993×104m3，產(chǎn)油 6 807.47 m3。

圖5中第五道為縱波徑向速度成像，顏色接近紅色的標示縱波速度變化大，接近藍色標示縱波速度變化小。第六道為偶極橫波提取井旁構(gòu)造產(chǎn)狀信息，黑線標示裂縫軌跡，與水平線夾角標示構(gòu)造傾角，圓圈中主箭頭指示構(gòu)造的方位。

圖4 AT1X一次完井與二次完井井偶極橫波反射成像對比Fig.4 Contrast of dipole shear wave reflection imaging between first run and the second of well AT1X

圖5 AT1X井2次完井偶極橫波反射與縱波徑向速度成像綜合圖Fig.5 Reflective wave imaging and P-wave velocity variation result of well AT1X

應(yīng)用該方法對河西務(wù)潛山后續(xù)3口井處理分析(圖6,圖7)：相對AT1X井，井外裂縫發(fā)育程度相對較弱，且縱波徑向速度成像指示井壁可改造性也相對差。

處理分析4口井分別試油產(chǎn)液及綜合偶極橫波反射成像與縱波徑向速度成像處理分析結(jié)論情況如表1。根據(jù)試油統(tǒng)計,產(chǎn)液數(shù)據(jù)與處理結(jié)論有較好的對應(yīng)性，井旁裂縫發(fā)育且可改造性較強的儲層，獲得了較好的產(chǎn)液。

圖6 AT2X(左)、AT3井(右)偶極橫波反射與縱波徑向速度成像綜合圖Fig.6 Reflective wave imaging and P-wave velocity variation result of well AT2X and AT3

圖7 AT4X井偶極橫波反射與縱波徑向速度成像綜合圖Fig.7 Reflective wave imaging and P-wave velocity variation result of well AT4X

表1 處理結(jié)論及試油數(shù)據(jù)Table 1 Logging interpretation conclusion and oil test data

4 結(jié)論

1)偶極橫波反射成像具有井旁10 m以外裂縫、斷層等構(gòu)造探測能力，通過產(chǎn)狀解釋能獲取裂縫的井外延展定量參數(shù)。結(jié)合微電阻率成像測井結(jié)果，可在井壁裂縫準確定量描述的基礎(chǔ)上，擴展裂縫在三維空間的延展信息，更全面地評價非均質(zhì)性儲層有效性。

2)徑向速度成像能指示井筒近井儲層改造潛力，再結(jié)合橫波反射成像反映的井旁儲層信息，能有效提高儲層勘探開發(fā)效果。

3)偶極橫波反射成像技術(shù)能利用已經(jīng)采集的老的陣列聲波測井數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)測井方法不能發(fā)現(xiàn)的井旁隱蔽儲層，結(jié)合聲波徑向速度成像提供的儲層可改造性，提高單井利用率，為已經(jīng)關(guān)?；驔]有產(chǎn)量井提供再度產(chǎn)生工業(yè)開發(fā)價值的可能。