陣列聲波測井在頁巖油體積壓裂效果評價中的應用

陳斌 ，藺敬旗 ，李兆春 ，吳偉 ，周炬鋒 ，陳華勇

（1.中國石油集團測井有限公司新疆分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油集團測井有限公司測井應用研究院，陜西 西安 710000）

0 引言

近年來，中國非常規(guī)油氣的勘探取得了顯著進展，致密油氣、頁巖油氣、煤層氣等非常規(guī)油氣藏的產量快速增長。隨著老油田常規(guī)儲層含水率的增加，頁巖油以規(guī)模儲量優(yōu)勢成為勘探開發(fā)重要的接替資源［1］。頁巖油具有游離賦存狀態(tài)特征，試油通常需要采取大規(guī)模體積壓裂措施，壓裂效果對儲層產能影響大，是儲層測井評價面臨的重點問題。

儲層壓裂效果評價的傳統(tǒng)方法是利用井溫、產液剖面、生產動態(tài)資料來定性評價壓裂裂縫，但評價精準度低，不適用非均質性強的非常規(guī)儲層。隨著多極陣列聲波技術的推廣應用，儲層壓裂效果評價精準度得以大幅提升?；陉嚵新暡ㄙY料提取的偶極橫波各向異性、縱波速度徑向層析和聲波遠探測數據在指示壓裂裂縫的發(fā)育程度、發(fā)育位置和延伸高度方面有較強的技術優(yōu)勢。諸多學者開展了頁巖油儲層壓裂造縫理論、可壓裂性評價、壓裂方式對比及壓后產能預測等研究，均取得較好效果。在裂縫起裂機理研究方面，高帥［2］對油頁巖水平井水力壓裂過程中裂縫起裂和延伸機理進行了系統(tǒng)分析，指出油頁巖地層中形成復雜網狀縫的關鍵是油頁巖地層本身各向異性及天然裂縫系統(tǒng)或者弱結構面。在可壓裂性評價方面，周立宏等［3-4］通過巖心三軸破裂實驗，建立了海相頁巖油氣新的脆性指數模型，實現了對頁巖可壓裂性的定量預測。王小軍等［5］通過吉木薩爾凹陷蘆草溝組含油頁巖儲層實驗測試與理論分析，建立了可壓裂性指數評價方法。張濤［6］針對頁巖油藏中存在的多種滲流特性，開展了頁巖油藏壓裂水平井產能模擬分析研究，對頁巖油藏的生產和產能預測提供了有力支持?，F有的研究主要側重于頁巖油儲層可壓裂性及壓裂方式方面，對后期壓裂效果評價研究相對較少。李紅梅［7］利用微地震監(jiān)測技術開展了非常規(guī)油氣藏壓裂效果綜合評估。張安順等［8］建立了油水兩相滲流模型和井模型，提出了基于生產數據及壓裂液返排數據的改造效果評價方法。相對于測井資料，基于地震資料和生產數據開展的壓裂效果評價屬儲層宏觀評估范疇，分辨率較低。竇偉坦等［9-10］開展了利用測井偶極聲波各向異性進行砂巖儲層壓裂效果評價的方法研究，精準度得到較大提升。但利用陣列聲波對頁巖油儲層的壓裂效果評價鮮有報道，且已有的偶極聲波各向異性對比評價法只適用于砂巖儲層造縫具有明顯主縫特征的模式，分析認為，該方法對頁巖儲層體積壓裂網狀縫的評價并不適用。

鑒于此，本文以準噶爾盆地瑪湖凹陷頁巖油儲層為研究對象，分析了體積壓裂的造縫特征，詳細描述了偶極橫波各向異性、縱波速度徑向層析和聲波遠探測在該類型儲層壓裂效果評價中的特征，提出了綜合運用縱波速度徑向層析和聲波遠探測技術來評價頁巖油儲層壓裂效果的方法，在現場實踐中取得了較好的應用效果。

1 儲層基本特征

準噶爾盆地瑪湖凹陷為陸相咸化湖泊相沉積，頁巖油儲層與北美海相沉積相比地質條件差。儲層巖性以碳酸鹽巖及細粒碎屑巖等過渡性巖類為主，多源混積，巖性復雜多變、縱向上薄層較多且分布不均，甜點厚度薄、埋深相對較大，流動性差，天然裂縫欠發(fā)育。甜點儲集空間主要由剩余粒間孔、粒間溶孔、粒內溶孔、晶間孔、微裂縫和有機質孔組成，其中以次生溶孔為主，占比70%以上?？紫抖绕骄鶠?1%，滲透率平均為0.01×10-3μm2，屬于低孔、超低滲儲層。游離油與吸附油是該區(qū)頁巖油的主要來源，游離油利用壓裂形成通道即可開采，吸附油需要克服較大的表面吸附力才能轉換為游離油，開采難度大。

為克服特低滲環(huán)境及巖石顆粒表面原油吸附力，采取體積壓裂技術對儲層進行改造。與常規(guī)壓裂相比，體積壓裂技術的特點主要體現在大液量、大排量、大砂量、小粒徑和低砂比方面。通過大規(guī)模體積壓裂，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產生剪切滑移，實現天然裂縫和巖石層理的溝通。同時，在主縫側向強制形成次生裂縫，最后形成天然裂縫與人工裂縫相互交錯的裂縫網絡，目的是將有效儲層打碎，實現長、寬、高三維方向的全面改造，増大滲流面積及導流能力，提高初始產量和最終采收率。

2 陣列聲波壓裂效果評價

2.1 偶極橫波各向異性

偶極聲波所測的偶極子橫波實際上是撓曲波，撓曲波是一種有頻散的非對稱模式波［11］。對人工裂縫進行聲波檢測時，一旦聲波的發(fā)射方向和裂縫產生夾角，聲波信號就會分裂為2股，沿著裂縫走向傳播的一股波速較快，垂直于裂縫走向傳播的一股波速較慢，這2股不同傳播速度的聲波在測井上表現出較強的快、慢橫波能量差。橫波的這種分裂現象是地層產生橫波各向異性的基礎。各向異性指數計算式為

式中：P為地層各向異性指數；S1，S2分別為快、慢橫波速度，m/s。

儲層壓裂后，對比橫波的各向異性變化是評價壓裂效果的常用方法。但橫波各向異性僅對垂直或者高角度縫（主縫）反應靈敏，而頁巖油儲層大規(guī)模體積壓裂措施會在井眼周圍產生網狀縫，并且向地層深處延伸，各向異性不明顯。地層裂縫起裂特征平面示意如圖1所示（圖中黑色圈代表平面井眼，井眼周圍暗色細線代表微裂縫，高亮粗線代表主縫）。從圖2a可以看出，主縫首波到達時間有明顯差異，波峰顯示有一定的能量衰減，由橫波判斷的地層各向異性較強。從圖2b可以看出，井周網狀縫對快慢橫波都具有相同的衰減，首波到達時間幾乎沒有差異，并且波峰幅度雖然有一定的降低，但差異較小。這說明網狀縫造成儲層各向異性不明顯，聲波在井周各個方向的吸收特性相互中和，使得各向異性評價法在網狀縫發(fā)育的地層適應性不佳。

圖1 地層裂縫起裂特征

圖2 地層裂縫波形特征

2.2 縱波速度徑向層析

陣列式聲波測井儀激發(fā)的聲波在地層中傳播時，根據不同源距組合獲得不同徑向深度的聲速，速度的變化使得不同接收器接收的聲波徑向穿透深度有所不同［11］。因此，聲波的走時包括地層變化的信息，可用來確定地層聲波速度的徑向變化特征。壓裂過程中井壁周圍產生大量的裂縫，造成彈性波速度降低，產生的裂縫越多，造成的波速降低越明顯，且經由徑向速度處理獲取圖形進行評價的方法本身具有清晰、直觀的優(yōu)勢。

在計算地層的層析成像之前，首先判斷目的層是否存在聲速由低到高的徑向變化。在徑向變化地層中，聲波射線從聲源出發(fā)，穿入地層后在陣列中出射。根據徐果明等［12］引用的本多夫定理，聲波在射線出射處沿井軸方向的視速度等于聲波在其最大穿透深度處的地層速度。該視速度即為聲波在陣列中傳播的平均速度，可用陣列相關的方法［12］提取。用此速度計算聲波到達第1接收器的走時，并將其定義為參考走時TTref，計算公式為

完成了系統(tǒng)的軟硬件設計后，選取一個蔬菜溫室大棚進行了實際安裝與測試，對該系統(tǒng)的軟件和硬件進行了測試，硬件測試是測試物聯網智能節(jié)點和底層模塊是否能夠正常工作，軟件測試是測試該系統(tǒng)是否能實現遠程監(jiān)測和自動控制。經測試，檢測終端將數據傳往云服務器大約在1s左右，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，準確性高，將無線自組織網絡和NB-IOT網絡連接成功后，進行現場數據采集并遠程傳輸，并自動控制設備使大棚環(huán)境處于最佳狀態(tài)，NBIOT網絡連接測試和監(jiān)控軟件運行界面如圖7和圖8所示。

式中：v（z）是陣列處理提取的地層聲波速度，m/s；s為聲源的深度，m；r1為第1接收器在地層中的深度，m；z為聲波波形數據的軸向深度，m；TTf為聲波在井下流體中的傳播時間，μs。

將式（2）的參考走時與實測走時進行比較。對于v（z）無徑向變化的地層，參考走時與實測一致，當聲速沿徑向增加時，射線由淺到深進入地層后再折射回來。由于式（2）中的v為最大穿透深度的速度，即聲波所能達到的最高速度，由該公式計算出的參考走時比實測走時要小。兩者比較時就出現了實測走時相對于參考走時的滯后。

Hornby［13］利用走時層系技術，獲得了井壁附近地層軸向和徑向的二維速度剖面。選取二維速度剖面v（r，z），對其用射線追蹤的方法計算聲波走時t：

式中：s（v）為依賴于地層二維速度模型v（r，z）進行聲波傳播的最短路徑，m。

實際應用中，選擇致密儲層段，使得計算和實測的走時之差達到最小，得到與數據匹配最好的速度分布模型，描述聲波沿井軸向和徑向的變化規(guī)律。為驗證徑向剖面評價的壓裂效果，分別在J10024井裸眼、射孔、壓裂階段進行了陣列聲波測井，各個階段的徑向剖面特征如圖3所示。

圖3 J10024井壓裂前后縱波速度徑向剖面特征對比

J10024井在3 530～3 570 m段注入壓裂液總量為675 m3，支撐劑 36 m3，破裂壓力為 85 MPa，排量平均為4.5 m3/min。由圖3可以看出，該井在裸眼階段徑向剖面基本無變化，這說明儲層致密，天然裂縫不發(fā)育。隨著射孔和壓裂工藝的開展，地層徑向聲波速度變化率越來越大，說明通過壓裂改造，儲層巖石發(fā)生碎裂，形成裂縫。壓裂后，J10024井縱向上速度剖面顏色的變化指示壓裂裂縫的高度。該井在3 530～3 570 m均有明顯的速度剖面差異，說明壓裂裂縫高度約為40 m。對3 530～3 570 m層段試油，φ2 mm油嘴自噴日產油19.29 m3，試油結論為油層，說明壓裂取得較好效果。因此，通過對比實測走時與相對參考走時的差異，并結合壓前、壓后地層聲波速度的徑向變化，可以得到井壁附近的壓裂裂縫展布情況及高度，從而定性評價儲層的壓裂效果。徑向速度層析成像評價壓裂效果的技術雖然解決了快、慢橫波受體積壓裂網狀縫影響導致各向異性不明顯的問題，但縱波具有頻率高、衰減快的特征，對于體積壓裂而言，人工裂縫走向更深且更復雜，該方法不能判斷更深層壓裂效果，存在一定局限。

2.3 聲波遠探測

聲波遠探測技術較好地解決了縱波速度徑向探測淺的問題。聲波測井儀器在井下工作時，會產生2種傳播方向的聲波：一種是直接沿井周傳播的波，包括滑行縱波、滑行橫波、斯通利波，即井中的模式波；另一種是在傳播過程中被地層反射、返回后被儀器接收的波，稱為反射波［14-15］。聲波遠探測技術原理與地震方法相似，通過地層反射面的反射縱波進行波場處理，對井壁外的地質異常體進行反演成像。

圖4 J10024井偶極橫波遠探測壓裂效果

從圖5可以看出，壓裂前3 500～3 570 m段地層遠探測圖像有顏色較淺、分布不均的斑塊，壓裂后斑塊亮度增強、范圍擴大。壓裂后的圖像斑塊呈短細、不連續(xù)特征的部分為裂縫，呈較長、連續(xù)特征的斑塊可能是裂縫，也可能是斷層（存在干擾信息），斑塊集中的位置可能是溶孔發(fā)育帶。在J10024井3 540～3 560 m段探測邊緣也見裂縫、溶孔等次生孔隙，其他層段次生孔隙可見范圍約15 m，這說明該段次生孔隙發(fā)育，儲層品質較好。

3 徑向速度層析與遠探測綜合應用

由前文可知：受網狀縫的影響，偶極橫波各向異性特征不明顯；縱波速度受探測范圍影響，不能反映更深層的壓裂情況；遠探測由于反射幅度小，信號強度不夠，經信號增強處理后又存在諸多地質干擾信息。因此，徑向速度層析與遠探測相結合是提高壓裂效果評價準確性的有效方法。圖5為研究區(qū)J10024井陣列聲波處理的聲波走時速度剖面成像和聲波遠探測成果。自然伽馬曲線表明，該井目的層儲集巖巖性為砂巖（伽馬值低）和頁巖（伽馬值高）。通過對比參考走時和實測走時曲線，可以看到底部（3 530～3 570 m）頁巖聲波存在明顯的滯后，在3 547～3 558 m段有2處最為明顯。

由圖5可以看出，壓裂后縱波徑向速度發(fā)生明顯變化，表明巖石破裂程度很強。頁巖地層中對應走時曲線分開層段的井壁附近剖面變化明顯，這種圖像由藍到紅的變化由井壁的脆裂縫反演形成，圖像越紅，對應井徑變化越大（井蝕），如在3 547～3 558 m處剖面顏色由藍色變?yōu)榧t色，表示徑向速度變化率最大，為主要造縫段。另外，因地層徑向探測范圍在2 m左右，離開井壁稍遠處地層中的波速下降，也可能是井壁附近液體的侵入造成頁巖中的泥質軟化而致使聲速降低。

圖5 J10024井壓裂后的綜合應用陣列聲波處理成果

綜合分析認為，J10024井3 500～3 570 m段頁巖油地層厚度約為70 m，縱波層析成像顯示裂縫集中在3 530～3 565 m段，其中3 547～3 558 m處圖像特征最為明顯。聲波遠探測圖像顯示，遠井段均有次生孔隙，其中3 540～3 560 m段在遠井端20 m處可見次生孔隙，其他井段最遠的次生孔隙橫向范圍約為15 m左右。另外，圖中發(fā)現縱波層析成像和聲波遠探測評價的結果存在一定差異，這是因為前者利用直達縱波探測井壁周圍2 m范圍的裂縫，后者是利用反射橫波探測遠井段裂縫發(fā)育情況，二者評價的對象不同。因此在實際應用中，應綜合利用縱波速度徑向層析和聲波遠探測技術，以求更準確地進行頁巖油儲層壓裂效果評價。

生產資料表明，該井射孔初期不出液，經壓裂后自噴退液帶油花，試產油6.76 m3/d。由壓裂段縱波速度徑向剖面看出，聲波速度有明顯的降低（成像圖高亮顯示），高亮圖像準確顯示近井端人工裂縫縱向高度（50 m）及展布情況（井周1 m）。從該段遠探測圖像可以看出，距井筒遠端（井壁外20 m）均存在較多的反射信號，說明壓裂起縫延伸較遠，壓裂效果顯著。

4 結束語

頁巖油儲層體積壓裂時會在井壁周圍及井壁外地層形成網狀縫，常規(guī)橫波各向異性評價法不適用?？v波速度徑向層析成像可清晰判斷近井端裂縫高度和延伸情況，但探測范圍受限。聲波遠探測成像對井壁外地層裂縫發(fā)育情況識別較好，但成像圖含有斷層、層界面等錯誤信息，識別精度不夠。綜合認為，縱波速度徑向層系成像技術和偶極橫波遠探測技術相結合，是檢測研究區(qū)頁巖油體積壓裂效果的有效方法。