基于縱波頻散譜的縫洞碳酸鹽巖儲層有效性評價

劉航,陳彥竹,姚夢麟,王思靜,黃宏,羅利

(1.中國石油集團測井有限公司西南分公司,重慶400021;2.中國石油集團測井有限公司,陜西西安710077;3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院,四川成都610051)

0 引 言

四川盆地白云巖儲層類型多為孔隙型、孔洞型、裂縫-孔隙型、裂縫-孔洞型、溶洞型、裂縫型等,裂縫、孔洞的發(fā)育程度是控制單井高產(chǎn)的重要因素,因此,對裂縫、孔洞的定性定量評價及表征是對該類儲層進行有效性評價的關(guān)鍵[1]。僅利用常規(guī)測井資料很難對縫洞體的有效性進行準確評價,電成像測井一般作為縫洞評價的主要方法。由于高溫高壓導(dǎo)致某些井難以進行電成像資料的采集;且地層復(fù)雜、斷層發(fā)育,目前多采用油基鉆井液進行鉆井,而油基鉆井液環(huán)境下電成像測井受高阻環(huán)境影響,表述地質(zhì)構(gòu)造和儲層特征能力較差,同時水基鉆井液條件下通過電成像數(shù)據(jù)定量計算縫洞參數(shù)的方法不再適用[2],從而給縫洞碳酸鹽巖儲層有效性評價帶來巨大困難。飽含流體巖石的彈性波速度與衰減特性是反映巖石孔隙性質(zhì)的重要巖石物理參數(shù),在巖石物理及地震解釋領(lǐng)域,劉麗娟等[3]從巖石的含水飽和度和巖石孔隙中流體性質(zhì)方面介紹流體對地震波速度的影響情況;張平平等[4]對渤海古近系20個井段的巖心進行巖石物理參數(shù)測試,經(jīng)彈性模量、剪切模量、泊松比三參數(shù)聯(lián)合,構(gòu)建儲層敏感因子并得到鉆井結(jié)果證實;黃世強等[5]針對巖石頻散效應(yīng)對不同頻率彈性波傳播速度影響程度的計算方法進行探討。在測井評價領(lǐng)域,楊博等[6]提出利用斯通利波能量衰減進行裂縫滲透性評價,謝冰等[7]提出利用橫波頻散特征進行裂縫有效性評價。利用縱波速度及頻散信息對儲層縫洞評價的研究相對較少,目前的巖石物理實驗主要采用超聲測試,其頻率范圍一般在兆赫茲量級以上,屬于超聲范疇,將超聲測量結(jié)果直接用于測井的標定及解釋會損失低頻部分儲層的響應(yīng)特征,存在一定風(fēng)險[8]。

本文開展了針對縫洞發(fā)育程度有差異的白云巖樣品低頻彈性參數(shù)測量,主要分析巖樣縫洞發(fā)育程度與縱波速度隨頻率變化的響應(yīng)規(guī)律。研發(fā)針對陣列聲波數(shù)據(jù)的低頻縱波頻散分析處理方法,將巖心實驗結(jié)果與陣列聲波數(shù)據(jù)低頻縱波頻散分析處理結(jié)果聯(lián)合,形成基于縱波頻散譜的縫洞碳酸鹽巖儲層有效性評價方法。

1 低頻聲波頻散實驗

1.1 實驗原理及方法

巖石在低頻段的彈性模量測量通過跨頻帶巖石彈性模量測試系統(tǒng)(MFEPMS)完成[9]。在測試過程中,表面粘有應(yīng)變傳感器的被測樣品固定在巖心加持器上面,另一端裝在激振器上方。在信號發(fā)生系統(tǒng)的控制下,激振器可以產(chǎn)生2 Hz～2 kHz單一頻率的正弦波并施加在被測巖心上面,巖心受力后發(fā)生縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變,應(yīng)變信號被應(yīng)變片記錄后經(jīng)增益放大,由采集卡采集并保存?；趲r石各向同性的假設(shè),可以通過標準鋁塊上的應(yīng)變以及巖石的縱向與橫向應(yīng)變.求取不同頻率下巖石的彈性模量和泊松比,進而得到不同頻率下被測巖石的縱橫波速度。同時,巖石的衰減可以通過應(yīng)力和應(yīng)變之間的相位差獨立于彈性性質(zhì)而求得[9-11]。

1.2 實驗結(jié)果及分析

實驗選取5塊不同孔隙空間發(fā)育的樣品,分別對不同縫洞狀態(tài)以及飽和氣與飽和水狀態(tài)下的巖石彈性模量進行測量(見表1)。

表1 實驗巖樣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

(1)孔隙空間實驗。分別對離心后干燥的致密巖樣和縫洞發(fā)育巖樣進行巖石物理實驗,測量縫洞發(fā)育巖樣和致密巖樣在不同圍壓、不同頻率(2 Hz～2 kHz)下縱波速度隨頻率變化情況,測量結(jié)果見圖1。由圖1可見,聲波速度隨圍壓增加而增加,在不同壓力條件下聲波速度隨頻率的變化一致性較好;縫洞發(fā)育巖樣在頻率低于600 Hz時頻散不明顯,而大于600 Hz時縱波速度隨頻率增加而降低;致密巖樣的縱波速度隨頻率變化不明顯。

(2)飽和流體實驗。對飽和水及飽和氣狀態(tài)的致密巖樣和縫洞發(fā)育巖樣進行巖石物理實驗,測量縫洞發(fā)育巖樣和致密巖樣在不同圍壓、不同頻率(2 Hz～2 kHz)下縱波速度隨頻率變化狀態(tài)。對于縫洞發(fā)育巖樣,測量結(jié)果見圖2。巖樣在飽和水狀態(tài)下的聲波速度大于飽和氣的狀態(tài);飽和氣狀態(tài)下,頻率低于600 Hz時,頻散現(xiàn)象不明顯,大于600 Hz時,縱波速度隨頻率增加而降低;飽和水狀態(tài)下,縱波速度隨頻率變化不明顯。初步分析認為飽和水狀態(tài)下巖石的非均質(zhì)性相對減弱,造成了頻散程度的減弱。對于致密巖樣,測量結(jié)果見圖3,巖樣在飽和氣與飽和水的狀態(tài)下縱波速度基本一致;無論在飽和氣或飽和水時,縱波速度隨頻率變化不明顯。

圖1 干燥巖樣縱波速度頻散圖

圖2 縫洞發(fā)育巖樣飽和不同流體狀態(tài)縱波速度頻散圖

圖3 致密巖樣飽和不同流體狀態(tài)縱波速度頻散圖

2 陣列聲波頻散信息評價儲層有效性

2.1 低頻縱波頻散分析方法

由于本文只對縱波速度進行研究,且考慮到后期對長井段大量數(shù)據(jù)的處理,采取提取速度較快的譜域加權(quán)相似法進行了頻散分析,曹正良等[12]對該方法的特點進行了詳細介紹。假設(shè)Dn(ω)是由第n個接收器記錄的波形,則譜域相關(guān)函數(shù)可定義為

(1)

式中,*為取復(fù)共軛;ω為角頻率,Hz;s為慢度,μs/ft(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;N為接收器個數(shù);Δz為接收器間距,ft。在實際處理過程中,可按照地層聲波速度給定范圍尋找相關(guān)函數(shù)的最大值,從而快速確定實際聲波速度值。

針對XMAC儀器采集的單極全波列數(shù)據(jù),采用譜域加權(quán)相似法進行頻散分析,可得到單極全波頻頻散圖(見圖4)。橫波主要分布在低頻段而縱波主要分布在高頻段,由于單極換能器發(fā)射的是體波,在單極全波頻散圖上幾乎觀察不到頻散現(xiàn)象。本文利用偶極換能器具有寬頻帶的響應(yīng)特點且激發(fā)的撓曲波具有頻散特性,通過提取偶極單分量信息中的低頻縱波信息并通過譜域加權(quán)相似法進行頻散分析,結(jié)合巖石物理實驗結(jié)果進行縫洞有效性評價。

圖4 單極全波頻散圖

2.2 試驗檢驗

圖5為四川盆地采用油基鉆井液鉆進的一口超深井S1井的測井綜合評價圖,該地區(qū)白云巖儲層為優(yōu)勢巖性儲層,用常規(guī)測井曲線只能區(qū)分巖性,僅通過三孔隙度曲線難以對儲層發(fā)育情況進行分級評價,并且由于缺乏電成像資料也無法對儲層進行精細刻畫表征。利用S1井采集的陣列聲波數(shù)據(jù),對偶極橫波數(shù)據(jù)采用譜域加權(quán)相似法進行處理,可以得到各個深度點的低頻縱波頻散曲線。

圖6(a)為S1井在深度7 750 m即2號縫洞巖樣處的低頻聲波實驗結(jié)果的速度頻散圖,圖6(b)為S1井在深度7 750 m處采取實際陣列聲波測井數(shù)據(jù)利用本文所述方法處理得到的速度頻散曲線。該深度點巖心結(jié)果顯示縫洞發(fā)育,巖心實驗滲透率高,低頻聲波實驗結(jié)果指示隨著頻率的增加縱波時差升高,利用陣列聲波數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果也呈現(xiàn)出隨著頻率的增加縱波時差升高的現(xiàn)象,兩者一致性較好。

圖5 S1井測井綜合評價圖

圖6 S1井7 750 m縱波速度頻散圖

圖7(a)為S1井在深度7 758 m即8號致密巖樣處的低頻聲波實驗結(jié)果的速度頻散圖,圖7(b)為S1井在深度7 758 m處采取實際陣列聲波測井數(shù)據(jù)利用本文所述的方法處理得到的速度頻散曲線。該深度點巖心結(jié)果顯示樣品巖心較為致密,縫洞不發(fā)育,巖心實驗滲透率低,低頻聲波實驗結(jié)果指示隨著頻率的增加縱波時差基本無升高,利用陣列聲波數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果也呈現(xiàn)出隨著頻率的增加縱波時差基本不變的現(xiàn)象,兩者一致性較好。

通過對同一深度點進行陣列聲波數(shù)據(jù)頻散分析和巖石物理實驗測量,指示在致密巖層段,地層縫洞特性不明顯,縱波在低頻段基本不發(fā)生頻散現(xiàn)象。當儲層由于孔洞、裂縫發(fā)育及含有流體等情況,縱波速度隨頻率增加而降低,發(fā)生頻散現(xiàn)象。

圖7 S1井7 758 m縱波速度頻散圖

3 聲波頻散譜的實例分析

譜域加權(quán)相似法只能對單點數(shù)據(jù)進行頻散分析,而測井評價需要對單一深度點的信息在深度范圍內(nèi)進行處理以便結(jié)合其他資料進行定量綜合評價。本文對陣列聲波每個深度點進行頻散分析并采用縱波時差對深度域上的頻散曲線進行刻度,最終形成縱波頻散譜。

圖8為S2井聲波頻散譜綜合評價圖,其中頻散曲線道為通過本文所述的方法反演得到的頻散曲線,對每個深度點的頻散曲線求幾何均值,可得到常規(guī)測井曲線道中第2道的頻散譜均值,通過縱波時差值對頻散譜均值進行刻度,可以得到深度域上的縱波頻散譜?？v波頻散譜的橫坐標代表頻率范圍,縱波頻散譜的幅度代表不同頻率所對應(yīng)的時差,利用該譜可以對深度域上的儲層有效性進行定量評價。在4 164 m(紅色虛線)處縱波頻散譜在高頻段譜幅度顯著增大,頻散效應(yīng)明顯,指示該深度段有縫洞發(fā)育;而4 174 m(藍色虛線)處縱波頻散譜在高頻段譜幅度沒有顯著增大,頻散效應(yīng)較弱,指示該深度段較為致密。該井的電成像資料顯示4 164 m附近張開縫較發(fā)育,4 176 m附近水平層理發(fā)育,裂縫不發(fā)育,電成像的解釋結(jié)果與聲波頻散譜一致性好。S2井在該段最終解釋為一個氣層和一個差氣層,該井試油結(jié)果產(chǎn)氣161×104m3/d,與解釋結(jié)論相符。

圖8 S2井聲波頻散譜綜合評價圖

4 結(jié) 論

(1)針對致密和縫洞發(fā)育的白云巖巖心樣品,在低頻段進行不同頻率下縱波速度變化情況的測量,實驗結(jié)果表明:對于致密巖樣在飽和氣的狀態(tài)下,縱波速度隨頻率增加變化不明顯;對于縫洞發(fā)育巖樣在飽和氣的狀態(tài)下,低于某個截止值時,縱波速度隨頻率增加變化不明顯,高于該截止值時,縱波速度隨頻率增加而降低。

(2)從低頻縱波數(shù)據(jù)中提取的頻散曲線可以得到與巖石物理實驗相近的頻散現(xiàn)象,為利用低頻縱波的頻散曲線進行縫洞有效性評價提供基礎(chǔ)。

(3)利用縱波頻散譜對碳酸鹽巖儲層有效性進行定量評價,解釋結(jié)論與試油結(jié)果吻合好,證實了該方法的適用性。