成志剛, 吳有彬, 李戈理, 林偉川, 席輝

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司油氣評(píng)價(jià)中心, 陜西 西安 710077)

0 引 言

致密油是指以吸附或者游離狀態(tài)賦存于生油巖中或與生油巖緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲(chǔ)集巖中未經(jīng)過大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)移的石油聚集[1]。中國(guó)致密油分布廣泛,在鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)6—長(zhǎng)7段、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系蘆草溝組、四川盆地中-下侏羅統(tǒng)、松遼盆地白堊系青山口組-泉頭組等都獲得了重要的勘探發(fā)現(xiàn)[2]。致密油儲(chǔ)層物性差、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng),僅僅依靠常規(guī)測(cè)井資料難以正確評(píng)價(jià)。核磁共振測(cè)井[3-4]是評(píng)價(jià)復(fù)雜儲(chǔ)層和非常規(guī)儲(chǔ)層的重要手段,但致密油儲(chǔ)層中核磁共振測(cè)井信號(hào)較為微弱,受噪聲影響較大,導(dǎo)致核磁共振測(cè)井在該類儲(chǔ)層中應(yīng)用效果不佳。只要在核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理、綜合分析等方面做到有針對(duì)性,核磁共振測(cè)井就能在致密油儲(chǔ)層中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)這一難題,將基于小波域自適應(yīng)濾波方法應(yīng)用于核磁共振測(cè)井降噪處理,提高致密油儲(chǔ)層核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的信噪比;在此基礎(chǔ)上,提出動(dòng)態(tài)T2截止值計(jì)算方法,提高了致密油儲(chǔ)層核磁共振物性參數(shù)計(jì)算精度;提出了核磁共振流體指示參數(shù)法和核磁共振T2幾何均值重疊法,有效提高了儲(chǔ)層流體識(shí)別的準(zhǔn)確性。

1 核磁共振測(cè)井降噪處理方法

1.1 方法原理

信號(hào)經(jīng)過小波變換[5],有用信號(hào)主要集中在低頻系數(shù),其幅值大,數(shù)目少;噪聲主要集中在高頻系數(shù),其幅值小,數(shù)目多。小波閾值降噪方法[6]通過選擇合適的閾值,將小于該閾值的系數(shù)置零而保留大于該閾值的系數(shù),使噪聲得到有效抑制,再進(jìn)行小波逆變換,得到小波閾值降噪信號(hào)。

自適應(yīng)濾波方法[7]利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù),以適應(yīng)信號(hào)和噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性,從而實(shí)現(xiàn)最佳濾波。采用橫向結(jié)構(gòu)的有限脈沖響應(yīng)的濾波器形式實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波是常用的方法,其表達(dá)式

y(n)=w(n)xT(n)

(1)

式中,x(n)為n時(shí)刻輸入信號(hào)值;y(n)為n時(shí)刻輸出信號(hào)值;w(n)為濾波器系數(shù),w(n)=[w1,w2,…,wL],x(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)],L為自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)個(gè)數(shù)。

LMS算法[8]基本原理是調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)w(n),使均方誤差最小。LMS算法基于最陡下降法的原理,下一個(gè)加權(quán)系數(shù)w(n+1)等于現(xiàn)在的加權(quán)系數(shù)w(n)加上一個(gè)正比于梯度(n)的負(fù)值變換,即

w(n+1)=w(n)-μ(n)

(2)

式中

(n)=?[e2(n)]?w(n)

(3)

由此可得LMS算法的迭代公式

e(n)=f(n)-xT(n)w(n)

(4)

w(n+1)=w(n)+2μe(n)x(n)

(5)

式中,μ為步長(zhǎng)因子;f(n)為參考信號(hào)。

LMS算法的收斂性很大程度上依賴于輸入信號(hào)自相關(guān)矩陣特征值的發(fā)散程度。輸入信號(hào)自相關(guān)矩陣特征值的發(fā)散程度越小,LMS算法的收斂性能越好,對(duì)輸入信號(hào)作某些正交變換后,輸入信號(hào)自相關(guān)矩陣特征值的發(fā)散程度會(huì)變小[9]。小波域自適應(yīng)濾波方法[10]先將輸入信號(hào)與經(jīng)小波閾值降噪后得到的參考信號(hào)分別通過小波變換進(jìn)行多尺度分解,然后在小波域內(nèi)對(duì)所分解的小波系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)濾波,最后將濾波后的系數(shù)通過小波重構(gòu)得到降噪后的信號(hào)。其算法實(shí)現(xiàn)步驟見圖1。

(1) 選取小波基函數(shù)ψ1,將加載的信號(hào)f通過小波變換進(jìn)行分解,通過閾值降噪方法對(duì)分解后的小波系數(shù)進(jìn)行處理,再將處理后的小波系數(shù)通過小波重構(gòu)得到小波閾值降噪后的信號(hào)f1。

(2) 選取小波基函數(shù)ψ2,分別將加載的信號(hào)f以及小波閾值降噪后的信號(hào)f1通過小波變換進(jìn)行分解,將得到的小波系數(shù)分別作為自適應(yīng)濾波器的輸入信號(hào)與參考信號(hào)。

(3) 通過輸入信號(hào)與參考信號(hào)之間的誤差自動(dòng)調(diào)節(jié)自適應(yīng)濾波器的加權(quán)系數(shù),從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波,將濾波后的系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)得到小波域自適應(yīng)濾波降噪后的信號(hào)f2。

圖1 小波域自適應(yīng)濾波方法的基本流程

1.2 應(yīng)用效果

對(duì)某致密油儲(chǔ)層的核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)運(yùn)用小波域自適應(yīng)濾波方法進(jìn)行降噪處理,降噪前后反演結(jié)果及物性參數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2。第5、第6道分別為降噪前后反演的T2譜,降噪后T2譜比降噪前T2譜的幅度要略高;第7、第8道的桿狀條為巖心分析孔隙度、滲透率,藍(lán)色線為降噪前計(jì)算的孔隙度與滲透率,紅色線為降噪后計(jì)算的孔隙度與滲透率。降噪前計(jì)算孔隙度要小于巖心分析孔隙度,滲透率要大于巖心分析滲透率;通過小波域自適應(yīng)濾波方法降噪后計(jì)算的孔隙度和滲透率同巖心分析結(jié)果有更好的一致性,說明小波域自適應(yīng)濾波方法能夠有效提高核磁共振測(cè)井物性參數(shù)的計(jì)算精度。

圖3是另一口致密油井的降噪處理實(shí)例。該井核磁共振觀測(cè)模式選用D9TW。圖3中第5、第6道為降噪前的長(zhǎng)、短等待時(shí)間Tw的T2譜分布;第7道為降噪前的差譜信號(hào);第8、第9道為降噪后的長(zhǎng)、短等待時(shí)間Tw的T2譜分布;第10道為降噪后的差譜信號(hào)。圖3中,降噪前39、44、45、46號(hào)層基本無差譜顯示,經(jīng)過降噪處理后,39、44、45、46號(hào)層均有一定的差譜顯示,綜合解釋為油層。對(duì)39號(hào)層與44號(hào)層進(jìn)行合試,日產(chǎn)油5.35 t,不產(chǎn)水。

核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)小波域自適應(yīng)濾波降噪處理后能夠提高流體識(shí)別的準(zhǔn)確性。

致密油儲(chǔ)層中核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的信噪比較低,利用核磁共振進(jìn)行物性參數(shù)計(jì)算和流體識(shí)別存在一定誤差。利用小波域自適應(yīng)濾波方法對(duì)核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理可以提高致密油儲(chǔ)層核磁共振測(cè)井的物性參數(shù)計(jì)算結(jié)果和增強(qiáng)流體識(shí)別的準(zhǔn)確性。

圖2 核磁共振測(cè)井降噪處理前后物性參數(shù)計(jì)算結(jié)果*非法定計(jì)量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同

圖3 核磁共振測(cè)井降噪處理前后流體識(shí)別效果對(duì)比

2 核磁共振動(dòng)態(tài)T2截止值計(jì)算方法

2.1 方法原理

核磁共振T2譜上不同的弛豫時(shí)間對(duì)應(yīng)不同的孔隙區(qū)間,總孔隙度可以通過T2譜面積計(jì)算[11];核磁共振測(cè)井還可以表征巖石的孔隙結(jié)構(gòu),用其估算滲透率在理論上具有優(yōu)勢(shì)。核磁共振測(cè)井計(jì)算滲透率最常用的模型是Coates模型[12]。如果準(zhǔn)確知道儲(chǔ)層核磁共振T2截止值,就可以準(zhǔn)確求取地層滲透率。實(shí)際資料處理中一般采用統(tǒng)一T2截止值進(jìn)行處理,如果區(qū)域T2截止值變化范圍很大,會(huì)造成實(shí)際計(jì)算滲透率有所偏差。

T2譜的展布范圍以及出現(xiàn)峰值的時(shí)間是巖心孔隙結(jié)構(gòu)的一種反映,常用T2幾何均值(T2,gm)反映孔隙結(jié)構(gòu)[13];T2截止值(T2,cutoff)在一定程度上也能夠反映孔隙結(jié)構(gòu),可以通過建立T2,gm和T2,cutoff的關(guān)系求取地層T2截止值。圖4是研究區(qū)致密油儲(chǔ)層巖樣的T2,gm和T2,cutoff的關(guān)系圖。對(duì)T2,gm和T2,cutoff的關(guān)系進(jìn)行擬合,確定研究區(qū)致密油儲(chǔ)層T2,gm和T2,cutoff的關(guān)系式

2.2 應(yīng)用效果

對(duì)核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行小波域自適應(yīng)濾波處理后,利用動(dòng)態(tài)T2截止值計(jì)算方法求取連續(xù)深度段的T2截止值,然后進(jìn)行巖石物理參數(shù)計(jì)算。

圖5是某致密油井的處理結(jié)果,第6道桿狀條為巖心分析孔隙度,藍(lán)色線為核磁計(jì)算的孔隙度;第7道的桿狀條為巖心分析滲透率,藍(lán)色線為統(tǒng)一T2截止值法計(jì)算的滲透率,棕色線為動(dòng)態(tài)T2截止值法計(jì)算的滲透率。從對(duì)比效果看,動(dòng)態(tài)T2截止值法計(jì)算滲透率與巖心分析有很好的一致性。在利用核磁共振測(cè)井資料計(jì)算致密砂巖層的滲透率時(shí),可以根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定公式中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)T2截止值求取地層滲透率。通過這種方法可以直接從原始核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中求得連續(xù)測(cè)井深度點(diǎn)的T2截止值,克服了用統(tǒng)一T2截止值計(jì)算滲透率的缺陷。

3 核磁共振測(cè)井流體識(shí)別新方法

油、氣、水具有不同的弛豫響應(yīng)特征,不同的Tw其油、氣、水的極化率不同[14]。時(shí)間域差譜分析(TDA)方法[15]是核磁共振雙Tw測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行流體識(shí)別的有效方法。對(duì)于致密油儲(chǔ)層,利用TDA方法進(jìn)行流體識(shí)別時(shí),差譜信號(hào)比較微弱,經(jīng)常會(huì)漏判一些油層。如何有效提取雙Tw數(shù)據(jù)之間微弱差異是識(shí)別致密油儲(chǔ)層流體性質(zhì)的關(guān)鍵。

圖5 致密油儲(chǔ)層核磁共振測(cè)井巖石物理參數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.1 流體指示參數(shù)法

實(shí)驗(yàn)表明[16],隨油含量的增多,T2譜峰值幅度不斷增加且向T2大的方向移動(dòng);而水信號(hào)不僅幅度下降,其位置也向T2小的方向移動(dòng)。因此,長(zhǎng)、短不同等待時(shí)間的核磁共振T2分布的差異主要在大孔隙流體部分,其差異越大,則其含烴的可能性越大,含油飽和度越高。

為了更有效地判斷儲(chǔ)層流體類型,通過對(duì)研究區(qū)實(shí)際核磁共振測(cè)井資料及巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)資料分析,確定128 ms為大、小孔隙T2分布的分界值。然后計(jì)算長(zhǎng)、短Tw測(cè)量的大孔隙流體體積之差的參數(shù)DFVM,建立核磁共振流體指示參數(shù)FLAG

FLAG=DFVMMPHEA=MBVA-MBVBMPHEA×100%

(7)

圖6 核磁共振測(cè)井流體指示參數(shù)法應(yīng)用實(shí)例

式中,MBVA、MBVB分別為長(zhǎng)、短Tw對(duì)應(yīng)的大孔隙流體孔隙度;MPHEA為長(zhǎng)Tw對(duì)應(yīng)的有效孔隙度。

根據(jù)地區(qū)核磁共振測(cè)井資料以及試油數(shù)據(jù)得到該地區(qū)核磁共振流體指示參數(shù)法判別儲(chǔ)層流體的標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

表1 核磁共振流體指示參數(shù)法識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

圖6是核磁共振測(cè)井流體指示參數(shù)法的應(yīng)用實(shí)例。該井各儲(chǔ)層段電阻率差異較小,依據(jù)常規(guī)的電阻率數(shù)據(jù)很難進(jìn)行流體識(shí)別,因此增加核磁共振測(cè)井,測(cè)量模式為D9TWA。對(duì)核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行小波域自適應(yīng)濾波處理之后,通過計(jì)算得到核磁共振流體指示參數(shù)FLAG。圖6中第7道中紅色線為計(jì)算的FLAG值,藍(lán)色線表示FLAG=5,粉色線表示FLAG=3。處理結(jié)果,35號(hào)層FLAG值分布不均勻,但均大于5%;38號(hào)層的FLAG值處于3%～5%;43和45號(hào)層FLAG值小于3%。依據(jù)流體指示參數(shù)法進(jìn)行綜合解釋:35、37號(hào)層為油層,38號(hào)層為差油層,43、45號(hào)層為水層。對(duì)35、38層進(jìn)行合試,日產(chǎn)油6.71 t,日產(chǎn)水6.3 m3;對(duì)43、45層進(jìn)行了合試,日產(chǎn)水5.2 m3,不產(chǎn)油。試油結(jié)果驗(yàn)證了上述解釋結(jié)論的正確性。

3.2 T2幾何均值重疊法

對(duì)于短Tw核磁共振數(shù)據(jù),水層能夠被完全極化和油層只能部分極化。水層的長(zhǎng)、短Tw的T2,gm近似相等,而油層的短Tw的T2,gm小于長(zhǎng)Tw的T2,gm。可以依據(jù)長(zhǎng)、短Tw的T2,gm對(duì)儲(chǔ)層流體性質(zhì)進(jìn)行判斷。長(zhǎng)、短Tw數(shù)據(jù)的T2,gm如果有差異可以解釋為油層或差油層,無差異則為水層或干層。油層與差油層、水層與干層的長(zhǎng)Tw的T2,gm有所差異,利用地區(qū)核磁共振測(cè)井資料以及試油數(shù)據(jù)得到了該區(qū)核磁共振T2,gm重疊法識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

表2 核磁共振T2,gm重疊法識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

圖7是致密油儲(chǔ)層核磁共振T2,gm重疊法識(shí)別流體的實(shí)例,對(duì)核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行小波域自適應(yīng)濾波處理之后,分別計(jì)算長(zhǎng)Tw的T2,gm和短Tw的T2,gm。圖7中第7道中紅色線為長(zhǎng)Tw的T2,gm(T2,gmA),藍(lán)色線為短Tw的T2,gm(T2,gmB)。處理結(jié)果表明,39、44、45、46號(hào)層長(zhǎng)、短Tw的T2,gm顯示有一定的差異,且長(zhǎng)Tw的T2,gm相對(duì)較大(26～38 ms),綜合解釋39、44、45、46號(hào)層為油層。53、56層的長(zhǎng)、短Tw的T2,gm顯示無差異,但長(zhǎng)Tw的T2,gm較大(20～36 ms),綜合解釋為水層。其他層位長(zhǎng)、短Tw的T2,gm無差異,且長(zhǎng)Tw的T2,gm較小(<22 ms),綜合解釋為干層。39、46層合試日產(chǎn)油5.35 t,不產(chǎn)水;53、56號(hào)2個(gè)層合試日產(chǎn)水5.2 m3,不產(chǎn)油,試油結(jié)果驗(yàn)證了解釋結(jié)果的正確性,表明該方法能夠有效地識(shí)別致密儲(chǔ)層的流體性質(zhì)。

圖7 核磁共振T2,gm重疊法應(yīng)用實(shí)例

4 結(jié) 論

(1) 基于小波域自適應(yīng)濾波方法的核磁共振測(cè)井降噪處理技術(shù)能夠有效提高核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的信噪比,提高T2譜的反演精度及其在致密油儲(chǔ)層中的應(yīng)用效果。

(2) 動(dòng)態(tài)T2截止值法可以直接從原始核磁共振測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中求得連續(xù)測(cè)井深度點(diǎn)的T2截止值,克服了用統(tǒng)一T2截止值計(jì)算滲透率的缺陷,避免了人為因素的干擾。

(3) 致密油儲(chǔ)層中核磁共振差譜信號(hào)比較微弱,核磁共振流體指示參數(shù)法和T2幾何均值重疊法能夠有效提取雙Tw數(shù)據(jù)之間的微弱差異,準(zhǔn)確識(shí)別儲(chǔ)層流體性質(zhì)。

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