柴 婧, 楊 濤， 朱家俊

(1.中國石化勝利石油工程有限公司 測井公司,山東 東營 257096; 2.中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000)

一基于新一代聲波掃描測井評價泥頁巖各向異性

柴 婧1, 楊 濤1， 朱家俊2

(1.中國石化勝利石油工程有限公司 測井公司,山東 東營 257096; 2.中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000)

以頁巖油氣為代表的非常規(guī)儲層評價逐漸成為現(xiàn)今勘探研究的熱點和難點。頁巖地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,縱、橫向均存在較強的各向異性,直接影響著巖石力學(xué)參數(shù)及壓裂施工效果的評價。新一代聲波掃描測井SonicScanner由于可以直接獲取縱、橫向的橫波資料,從而使得評價地層的三軸各向異性成為可能。以勝利油區(qū)東營凹陷湖相頁巖為例,介紹新一代聲波掃描測井儀器在評價巖石力學(xué)參數(shù)及地層各向異性等方面的應(yīng)用,以加強和深化該測井新方法在非常規(guī)儲層評價中的應(yīng)用效果。

聲波掃描測井;裂縫評價;橫波時差

近幾年,隨著泥頁巖非常規(guī)油氣勘探熱度的不斷提升,國內(nèi)外各大石油公司紛紛加強了對該類油藏的綜合評價攻關(guān)工作,一系列相關(guān)的研究成果也應(yīng)運而生,但仍有一些關(guān)鍵問題如地層各向異性的評價,直接制約著基于巖石力學(xué)理論進行的可壓性分析[1-5]。斯倫貝謝近期的研究表明,楊氏模量、泊松比、最小水平主應(yīng)力這三個因素是估算地層可壓性的主要參數(shù),特別是彈性參數(shù)的各向異性評價更為關(guān)鍵[6]。其新一代聲波測井儀器SonicScanner聲波掃描測井可以記錄完整的聲波信息,同時獲得多個探測深度的縱向、橫向橫波數(shù)據(jù),通過結(jié)合密度測井得到三個不同方位的地層巖石力學(xué)參數(shù),從而為頁巖油氣地層的綜合評價提供了數(shù)據(jù)支持。筆者分別從儀器原理和實際應(yīng)用效果方面進行闡述。

1 SonicScanner聲波掃描測井原理

作為一種通過在井中發(fā)射聲波和接收記錄來反映地層信息的技術(shù)方法,聲波測井是目前油田勘探中應(yīng)用最為廣泛的測井方法之一。伴隨著勘探開發(fā)程度的深入和所面臨對象的日趨復(fù)雜,聲波測井的采集手段和應(yīng)用范圍也逐漸擴展。從最早期20世紀(jì)50～60年代的單發(fā)雙收、雙發(fā)雙收到70～80年代的長源距聲波、陣列聲波,再到90年代的偶極橫波(DSI),聲波測井技術(shù)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展,逐漸發(fā)展到可以直接獲取地層橫波信息,實現(xiàn)對地層聲學(xué)各向異性的評價。但是與電磁和核測井儀器相比,聲波儀器下入井內(nèi)會對其測量產(chǎn)生較大影響,因此斯倫貝謝公司在DSI儀器基礎(chǔ)上進行了改進,研制出新一代聲波測井儀SonicScanner,其在儀器原理上沒有質(zhì)的差別,但是儀器的結(jié)構(gòu)、聲源的頻率范圍都有很大的變化,其設(shè)計、材料和組件都經(jīng)過特殊設(shè)計?？梢詫ζ溆绊戇M行模擬,使得該儀器測量的信息量更大,探測地層信息更為精確,從而滿足致密非常規(guī)儲層評價的需要[7]。

圖1為該測井儀器的發(fā)射-接收電源結(jié)構(gòu)圖,SonicScanner儀器共有5個發(fā)射電源:上單極源、下單極源和遠單極源,以及兩個正交擺放的偶極聲源,在上、下單極源之間共有13組104個接收器。三個單極發(fā)射器能夠獲取長源距和短源距數(shù)據(jù)進行不同探測深度的井眼補償,兩個正交的偶極發(fā)射器能產(chǎn)生彎曲波,用于描述慢地層和各向異性地層的橫波慢度。該儀器具有以下特點[5]:

(1)頻率更寬,使用長和短單極發(fā)射器-接收器間距能夠描述地層的均質(zhì)程度和各向異性。

(2)信噪比更高,單極發(fā)射器可以增強低頻輸出,偶極發(fā)射器可以獲取更高的輸出能量、更高信噪比的聲波、更寬的帶寬、更低的能耗,因此可以盡可能多地獲取地層信息。

(3)方位陣列更全,聲波掃描平臺有13個測點,每個點有8個接收器。兩個單極發(fā)射器位于聲波掃描儀器的兩端,完成0.914 4 m和1.524 m水泥膠結(jié)測井,短、長發(fā)射器-接收器間距組合使用儀器能夠測量蝕變地層,提供徑向剖面,提高井眼附近流體和應(yīng)力相關(guān)巖石性質(zhì)的測量精度。

圖1 斯倫貝謝SonicScanner儀器結(jié)構(gòu)

2 各向異性分析的必要性和手段

頁巖油氣地層求產(chǎn)之前一般要做可壓性評價,原因在于頁巖油氣開采主要依賴大型的水力壓裂。若地層存在強烈的各向異性,如天然裂縫的存在往往會導(dǎo)致水力壓裂的裂縫轉(zhuǎn)向,進而影響水力壓裂效果,因此地層各項異性評價是頁巖油氣開發(fā)過程中不可或缺的重要內(nèi)容。

國內(nèi)外諸多文獻均曾闡述,地層中許多巖石都呈現(xiàn)各向異性,最為常見便是頁巖的各向異性[8-9],傳統(tǒng)的解釋模型中,由于缺乏不同方位的橫波數(shù)據(jù),聲波解釋模型只能以無限均質(zhì)地層以及各向同性為假設(shè)前提,而地層是否具有各向異性也無從判斷。而事實上,由于井周地應(yīng)力的不均衡、橢圓井眼、地層傾角等因素的存在,常常導(dǎo)致頁巖油藏在橫向具有的非均質(zhì)性更為復(fù)雜[6]。SonicScanner儀器通過設(shè)定不同的發(fā)射及接收源距可以實現(xiàn)全三維的地層描述,通過寬帶頻測量及井眼全模式聲波采集,提取出地層的三維聲學(xué)特性,實現(xiàn)對各向異性的評價[6]。

地層各向異性的評價可以通過縱橫向的彈性參數(shù)差異進行反映。根據(jù)波動理論、利用聲波掃描儀器測量得到的縱橫波時差結(jié)合密度測井資料,便可計算出以計算地層剪切模量、體積模量、泊松比、楊氏模量等彈性力學(xué)參數(shù)值,由于聲波掃描測井可以提供水平和垂直不同方位的橫波時差,因此上述計算的泊松比和楊氏模量也相應(yīng)地具有方向性。圖2為斯倫貝謝各向異性條件下各模量的示意圖,其中(c66-c44)/2c44一般作為地層各向異性的指示。

剪切模量

體積模量

動態(tài)楊氏模量

動態(tài)泊松比

式中,ρb為實測的密度,g/cm3;Δts為測量的橫波時差,μs/m;Δtp為測量的縱波時差,μs/m;G為剪切模量,GPa;K為體積模量,GPa;Ed為動態(tài)楊氏模量，GPa;μd為動態(tài)泊松比。

圖2 縱、橫波各項異性模型下模量示意圖

地層的各向異性與巖石的可壓性也有著密切的關(guān)系,評價可壓性的關(guān)鍵參數(shù)有楊氏模量、泊松比、最小水平主應(yīng)力等。一方面,當(dāng)楊氏模量越大,泊松比越小、最小水平主應(yīng)力越小時,地層可壓性越好;另一方面,當(dāng)縱向和橫向測量的彈性參數(shù)差異較小時,表明地層較為均質(zhì),可壓性良好。若計算的縱橫向楊氏模量差別較大時,說明該巖石的閉合應(yīng)力比各向同性的巖石高,這類各向異性層段中的巖石一般黏土含量高,而且往往存在易吸水膨脹的黏土,這些黏土含量高的層段一般不適合布置水平井,也不適合實施水力壓裂,求產(chǎn)過程中難以保持裂縫的導(dǎo)流能力,支撐劑往往會嵌入塑性地層中,從而影響壓裂效果[10]。

3 實例處理及分析

A井為勝利油田東營凹陷的一口頁巖重點取心井,其目的層段為沙四上亞段烴源巖。主要巖性為湖相暗色泥質(zhì)巖,發(fā)育紋層狀泥巖和油頁巖,紋層結(jié)構(gòu)保存完好,類似于季候紋層。紋層結(jié)構(gòu)特指水平層理密集產(chǎn)出而使巖石呈現(xiàn)的紋層狀現(xiàn)象[11],層厚多在1 mm以下,且相鄰層成分差異大,色度上往往“深淺相間”。紋層成分主要為泥質(zhì)紋層、富有機質(zhì)泥質(zhì)紋層和灰質(zhì)紋層組成,偶見砂質(zhì)紋層。從薄片鏡下觀察看,紋層厚度常薄至<0.01 mm,一般厚度在0.02～0.20 mm之間,呈平直、微波狀形態(tài)(圖3(a));從電成像的響應(yīng)來看,主要為明暗交互的結(jié)構(gòu)(圖3(b)),也在一定程度上說明了其層理特性。

該井目的層同時采集了常規(guī)測井和新技術(shù)系列測井資料,可以滿足巖石各向異性的評價。以往的研究中,由于缺乏縱橫向的橫波數(shù)據(jù),因此未進行縱橫向彈性模量的對比,進而各向異性的評價也便無從談起。此次研究中依據(jù)聲波掃描測井資料,借助建立的巖石力學(xué)模型對楊氏模量、泊松比及最小水平主應(yīng)力等參數(shù)分別進行了計算。下面將分別從楊氏模量、泊松比和最小水平主應(yīng)力逐一介紹。

該井目的層同時采集了常規(guī)測井和新技術(shù)系列測井資料,可以滿足巖石各向異性的評價。以往的研究中,由于缺乏縱橫向的橫波數(shù)據(jù),因此未進行縱橫向彈性模量的對比,進而各向異性的評價也便無從談起。此次研究中依據(jù)聲波掃描測井資料,借助建立的巖石力學(xué)模型對楊氏模量、泊松比及最小水平主應(yīng)力等參數(shù)分別進行了計算。下面將分別從楊氏模量、泊松比和最小水平主應(yīng)力逐一介紹。

圖3 A井湖相頁巖層理鏡下特征及電成像響應(yīng)

圖4為A井的巖石力學(xué)參數(shù)計算成果,前3道為常規(guī)的9條測井曲線;第5道為錄井的巖性剖面,該井目的層段的主要巖性為泥巖、灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)頁巖等;第6道為計算的水平和垂直動態(tài)楊氏模量;第8道為計算的水平和垂直的靜態(tài)泊松比。從計算的數(shù)值可以看到,該井儲層段楊氏模量在8～12 GPa左右,靜態(tài)泊松比介于0.24～0.29左右,與國內(nèi)外公布的頁巖層段可壓性參數(shù)相比,屬中等范圍,另外橫向與縱向的彈性參數(shù)比值介于1.2～1.5,表明頁巖地層雖然不同方向模量存在一定差異,但總體差異不大,易于水平方向的壓裂。

圖4 A井彈性力學(xué)參數(shù)計算成果

第7道為水平主應(yīng)力計算結(jié)果,紅色虛線為計算的最小水平主應(yīng)力,藍色曲線為最大水平主應(yīng)力。從圖中可以看出,A井的最小水平主應(yīng)力55～62 kPa,表明該區(qū)目的層的構(gòu)造應(yīng)力不大。同時,最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值約為1.1,差異較小。結(jié)合前述縱、橫向楊氏模型和泊松比的分布范圍,綜合判斷A井目的層頁巖各向異性不明顯,巖石可壓性為中等。該井的處理結(jié)果解決了多年來對于東營凹陷頁巖地層各向異性的認(rèn)識問題,對頁巖油氣地層的勘探工作起到了一定的輔助作用。

4 結(jié)束語

測井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和合理解釋是解決頁巖油氣地質(zhì)問題的關(guān)鍵一環(huán),基于聲波掃描測井資料對東營凹陷沙四上層段頁巖油氣地層進行了各項異性評價,其結(jié)果改善了對頁巖地層聲波非均質(zhì)性的屬性描述,有助于提高勘探工作者對測井資料的解釋精度。

[1] 郭海萱,郭天魁.勝利油田羅家地區(qū)頁巖儲層可壓性實驗評價[J].石油實驗地質(zhì),2013,35(3):339-345.

[2] 覃世銀,管志寧,王昌學(xué),等.層狀各向異性地層的識別和評價[J].測井技術(shù),2003,27(3):194-197.

[3] 房文靜，范宜仁，鄧少貴，等.高斯小波用于測井層序地層自動劃分的研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007(2):63- 66.

[4] 謝然紅，肖立志，張建民，等.低滲透儲層特征與測井評價方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006(1):55-59.

[5] 唐穎,邢云,李樂忠,等.頁巖儲層可壓裂性影響因素及評價方法[J].地學(xué)前緣,2012,19(5):356-363.

[6] 斯倫貝謝北京DSC. 勝利油田有限公司羅69井綜合解釋報告[R]. 2011.

[7] 陶紅根,王宏建,傅有升,等.成像測井技術(shù)及其在大慶油田的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,2008.

[8] 曹娟. SonicScanner聲波掃描儀工作原理及其應(yīng)用[J].內(nèi)江科技,2012(11):102-103.

[9] 余天堂,盧應(yīng)發(fā),SHAO J F,等.沉積巖的一種各向異性模型[J].巖土力學(xué),2002,23(1):47- 50.

[10] ALEXANDER T, BAIHLY J.頁巖氣革命[J].油田新技術(shù),2011(4):40-55.

[11] 關(guān)麗. 偶極子聲波測井在羅家地區(qū)沙三段泥頁巖儲層評價中的應(yīng)用[J].測井技術(shù),2012,36(5):495- 498.

[責(zé)任編輯] 董大偉

2015-10-20

柴 婧(1985—),女,山東菏澤人,中國石化勝利石油工程有限公司測井公司工程師,主要從事復(fù)雜儲層測井解釋及評價研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.04.001

P631.814

A

1673-5935(2015)04- 0001- 03