數字聲波幅度比值方法在評價碳酸鹽巖水平井儲層中的應用

張承森　(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

張璋　(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 燕郊 065201)

吳興能　(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

徐大年　(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 燕郊 065201)

袁長劍　(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

韓東春　(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 燕郊 065201)

曹江寧　(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

數字聲波幅度比值方法在評價碳酸鹽巖水平井儲層中的應用

張承森(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

張璋(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 燕郊 065201)

吳興能(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

徐大年(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 燕郊 065201)

袁長劍(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

韓東春(中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北 燕郊 065201)

曹江寧(中石油塔里木油田分公司勘探開發研究院，新疆 庫爾勒 841000)

[摘要]水平井井況一般較為復雜,井漏、井涌時有發生,井斜角及狗腿度往往較大,因此測井采集風險大,難以獲得放射性測井及成像測井資料。目前,雙側向-數字聲波測井是塔中地區碳酸鹽巖水平井的主要采集系列,較少的測井資料給碳酸鹽巖水平井儲層精細評價及流體識別帶來了很大困難,為了在有限的測井資料中獲得更多的地層信息,提出了數字聲波幅度比值方法。通過波幅比值與孔隙度交會,可有效區分儲層與干層;而通過波幅比值與深側向電阻率交會,亦能對儲層流體性質進行有效識別。

[關鍵詞]碳酸鹽巖;水平井;儲層評價;流體識別;數字聲波幅度

由于水平井及大斜度井在儲層鉆遇率及產量方面較直井都有較大優勢，塔中地區部署的水平井及大斜度井數量逐年增加；但水平井井況一般較為復雜，井漏、井涌情況時有發生，井斜度及狗腿度往往較大，導致測井采集風險較大，往往難以取全、取準測井資料。目前，主要采集的測井資料僅有雙側向電阻率及數字聲波測井。數字聲波時差測井與密度測井相比在計算孔隙度方面存在較大誤差，對于以低孔隙度儲層為主的硬地層來說，在孔隙度求不準的情況下，難以對儲層及流體進行精細評價。因此，有必要對已有的測井資料進行深入研究，嘗試在有限的測井資料中獲得更多的地層信息，用以指導儲層及儲層流體解釋評價工作。

1數字聲波幅度與儲層滲透性

塔中地區目前聲波時差的主要測量儀器為阿特拉斯公司的數字聲波儀器DAL (digital acoustic log)，該儀器為雙發四收結構，記錄的數據體中以波列數據為主。數字聲波儀源距較短，主要記錄縱波波列信號，為后期的時差提取提供基礎數據[1]。地層中的聲波衰減是評價地層能量損失的有效方式，波的衰減對附近地層的反應要比波速靈敏得多[2～4]，從聲波衰減中可以得到巖性、流體飽和狀態、孔隙、裂縫及洞穴等信息[5]。根據聲波理論，聲波在地層中傳播遇到滲透性地層時，波幅將會降低[2]。因此，根據聲波幅度的衰減可以判斷儲層的有效性。巖石介質內部的非彈性及內損耗也會造成聲波能量的損耗，產生波幅的變化[6]。但碳酸鹽巖地層的成巖礦物大多屬于剛性巖石[7]，巖石基質骨架比較致密[8]，巖石介質變化引起的波幅變化可以忽略不計，因此波幅的變化主要反映地層孔洞及裂縫的發育程度。但是，數字聲波儀器源距短、探測深度淺，波列受干擾較大，人們往往對其后續處理未予充分重視。此外，根據聲波在孔隙地層中的傳播理論，在井眼、井壁條件穩定時，聲波幅度的大小也受地層儲集性能及流體性質的影響。

1.1　數字聲波幅度計算方法

數字聲波幅度計算的基本原理較為簡單：原始波列首先經過濾波處理，去掉非地層的干擾信息；然后再給定計算的起始時間及窗長，即可按照一定的方法計算窗口中的幅度值。幅度計算的正確性以及是否能有效反映地層信息，關鍵在于計算的起始時間及窗口長度。

1.1.1開始時間計算

開始時間計算有多重選擇性，準確的開始時間使得幅度計算結果更能有效反映地層信息，有利于儲層及流體的評價。數字聲波現場采集記錄主要為波列數據，最終時差曲線主要依據波列拾取首波計算[1]，而在拾取首波的過程中，會同時生成首波到達時間曲線。在井徑規則、時差可靠的情況下，首波到達時間曲線一般可靠性較高。該情況下，可以采用現場采集的首波到達時間作為計算的開始時間。

在碳酸鹽巖水平井中，由于儀器的不居中狀態，使得在現場首波到達時間難以準確拾取[9]。此時，可以采用陣列波形提取的方法，即慢度-時差相關(STC)法(式 (1))，先得到地層的時差信息，反推首波的到達時間(式(2))。STC法主要是通過相關對比，與首波準確與否關系較小，反推得到的到達時間相對比較準確。

(1)

式中：R(s,t)為慢度-時差相關法的相似系數，1；m為接收器的個數；fm為第m個接收器t時刻的聲波信號，mV；Δz為接收器間距，ft；t為時窗在第一道波形上的開窗位置，μs；tw為時窗長度，μs；s為慢度，即時差，μs/ft；。

波形到達時間為：

(2)

式中：tt為波形到達時間，μs；Δtf為井筒流體時差，μs/ft；dh為井徑，in；dt為發射器短節儀器直徑，in；dr為接收短節儀器直徑，in；Δt為聲波時差，μs/ft；rt為發射器接收器間距，ft；rr為接收器間距，ft；Nr為接收器個數。

1.1.2幅度計算

幅度計算主要結合計算的開始時間，并在給定的時窗內進行計算。波幅的計算方法主要有2種：分別為首波幅度最大值法及均方根法。其中，均方根法計算結果更為穩定，且更能代表波形能量的大小，因此該次研究主要采用該方法進行波幅計算[10]：

(3)

式中：Ua為聲波幅度，mV；Ua,i為計算時窗內采樣點i的波幅，mV；N為計算時窗內采樣點數。

1.2　數字聲波幅度比值方法

應用上述方法對塔中地區12口井數字聲波資料進行幅度計算，并與孔隙度資料進行交會分析。交會圖數據點十分分散、規律性差(見圖1)。產生該現象的原因是由于井況、井徑、巖性、儲層類型等都會對波幅大小產生影響，計算的波幅含有非儲層特征。即使是不同井中相同層位、測井表征一致的干層，其縱波幅度也存在較大差異。為了消除上述因素引起的不一致性，提出了波幅比值方法，即利用同口井儲層段與干層段的縱波幅度的比值作為評價儲層的指標。波幅比值可以消除由于井況、巖性等因素引起的波幅變化。

圖1　波幅絕對值與孔隙度關系散點圖

(4)

式中：RUa為同口井的儲層段與干層段的縱波幅度的比值，1；Uae,i為計算時窗內采樣點i的有效儲層波幅，mV；Uan,i為計算時窗內采樣點i的非有效儲層波幅，mV。

2數字聲波幅度比值方法的應用

在對塔中地區12口井的資料進行波幅比值計算后，將計算獲得的波幅比值分別與孔隙度及電阻率進行交會，研究儲層有效性及進行流體性質評價。

2.1　儲層評價

圖2是液氣相共存條件下波幅比值與對應井段孔隙度的交會圖。可見，由于干層儲集性及有效性差，聲波能量在傳播過程中基本不衰減；干層的波幅比值一般大于0.9，主體數值分布于0.9～1.1，孔隙度一般小于0.7%；Ⅲ類儲層一般認為其儲集能力及有效性較差，故其波幅存在一定衰減，但衰減程度有限，Ⅲ類儲層波幅比值分布范圍主體位于0.75～1.2，孔隙度分布范圍為0.7%～2.0%；Ⅰ類和Ⅱ類儲層因儲集性能及儲層有效性好，聲波能量在傳播過程中損耗較大。依據聲波傳播理論，其聲波幅度受影響程度應隨物性的變化而變化，但在圖2中Ⅰ、Ⅱ類儲層區域內，其波幅變化與孔隙度似乎并無明確線性關系。根據經驗認識，氣體對聲波資料的影響較大[11]。因此，將氣層及凝析氣層數據點去除，繪制在液相條件下波幅比值與孔隙度交會圖(圖3)，可見，去除氣層或凝析氣層數據點后的波幅比值，隨孔隙度的增大表現出較好的線性關系，波幅比值可以作為儲層有效性描述的一項表征參數。地層流體是否為天然氣對波幅影響較大，在分析研究時需要注意。

圖2　液氣相共存條件下波幅比值與孔隙度交會圖版　　　　　圖3　液相條件下波幅比值與孔隙度交會圖版

2.2　儲層流體性質識別

由于受碳酸鹽巖儲層內流體賦存形式多樣的困擾，如何準確判斷碳酸鹽巖儲層內的流體性質一直是世界級難題。以往的流體識別方式主要依靠孔隙度及電阻率的對應關系進行識別，但當存在井漏等復雜因素時，該方法往往難以準確識別流體性質。因此，該次研究筆者嘗試利用波幅比值方法進行復雜情況下的流體識別。

由于電阻率曲線能夠較為直接地反映儲層內流體的電性特征，對于識別油氣水有著重要意義。因此，采用深側向電阻率與波幅比值交會進行流體識別(圖4)。由圖4可見，該交會圖版以橫線為界，分為上、下2個區域；上部區域內數據點波幅比值主要分布在0.45～1.2，下部區域主要分布在0.1～0.45；結合試油資料分析，上部區域數據點以凝析氣為主，下部區域數據點則以油或水等液相流體為主。界限上、下均存在油氣水共存數據點的現象表明，當儲層中氣相比例超過一定時，會使數字聲波波幅比值增大。因此，當儲層中含氣時，可利用該圖版進行流體識別。

圖4　波幅比值與深側向電阻率交會圖版

3應用效果與影響因素

從上述建立的儲層識別及流體評價圖版可以看出，儲層及儲層流體對聲波幅度影響較為明顯。聲波幅度比值方法有較好的應用效果。

3.1　應用實例

ZXX-H3C井是塔中地區一口碳酸鹽巖側鉆水平井，該井全井段儲層較差，孔隙度均較小；最高氣測全烴達到99.99%，位于5532m深度處，其余層基本無氣測顯示；但孔隙度曲線反映5532m處物性較差(圖5)。

圖5　ZXX-H3C井測井解釋成果圖

該層最好氣測段波幅比值為0.8～1.0，位于儲層有效性識別圖版(圖2)中的Ⅲ類儲層區內。經酸壓試油，共注入2000m3酸液酸化改造，經氣舉求產，油壓0～0.45MPa，日排殘酸24.36m3，測試結論為干層，與圖版識別結果一致。

TXX-H5井為塔中地區83井區內的一口碳酸鹽巖水平開發井，該井井況復雜，累計漏失鉆井液2410m3。聲波時差測井資料顯示儲層段物性較好，ρlld受泥漿漏失影響，測量值較低，為1Ω·m左右；儲層段氣測顯示全烴最高約為80%(圖6)。常規解釋圖版難以確定儲層流體。

選取2個儲層段(圖6方框)進行波幅比值計算，計算值在0.5～1.2之間，位于圖版(圖4)內氣液界限之上。盡管電阻率較低，電性特征與水層極為相似，但其波幅比值明顯異于水層。該井經酸壓，5mm油嘴放噴求產，日產氣176999～203348m3，日產水2.7m3，測試結論為氣層。圖版流體識別結果與試油結果基本一致。

圖6　TXX-H5井測井解釋成果圖

3.2　影響因素討論

從已有的結果來看，數字聲波幅度對于儲層及流體響應存在一定規律性。但在計算處理過程中，也出現一些異常計算結果。如上所述，數字聲波由于探測深度淺，因此受井眼情況等因素影響較大，當井眼不規則擴徑、儀器居中不良或與井壁摩擦造成的干擾波信號異常強時，都會影響計算結果。因此應盡力避開異常點，選取能夠反映地層信息的數據點進行分析。

4結論

1)水平井測井資料測量較少時，可嘗試數字聲波幅度信息輔助儲層及流體解釋評價。通過波幅比值與孔隙度進行交會分析，可區分有效儲層與無效儲層。而儲層中的流體性質對波幅也存在明顯影響，可區分是否含氣，對于復雜井況下的含氣儲層也有較好的識別效果。

2)根據數字聲波測量原理，井眼狀況及儀器是否居中等因素對波幅計算存在較大影響，計算取值時應盡量避開異常井段。

3)波幅比值方法評價儲層有效性及判斷流體性質是一種輔助手段，在水平井中仍應加強測井新技術、新方法的應用，以達到準確、評價儲層及儲層流體識別的效果。

[參考文獻]

[1]林偉軍，王秀明，張海瀾.傾斜地層中的井孔聲場研究[J]. 地球物理學報，2006，49(1)：284～294.

[2]唐曉明，鄭傳漢.定量測井聲學[M].北京：石油工業出版社，2004.

[3]楚澤涵. 聲波測井原理[M].北京：石油工業出版社，1980.

[4]王冠貴. 聲波測井理論基礎及其應用[M].北京：石油工業出版社，1988.

[5]章成廣，肖承文，李維彥.聲波全波列測井響應特征及應用解釋研究[M].武漢：湖北科學技術出版社，2009.

[6]雍世和，張超謨. 測井數據處理與綜合解釋[M].東營：中國石油大學出版社，1996.

[7]司馬立強. 測井地質應用技術[M]. 北京：石油工業出版社，2002.

[8]趙良孝，補勇.碳酸鹽巖儲層測井評價技術[M].北京：石油工業出版社，1994.

[9]吳興能，肖承文，張承森，等.常規數字聲波質量可靠性識別與應用[J].國外測井技術，2013，(3)：49～53.

[10]Hornby E，Chang S K. A case study of shale and sand stone alteration using a digital sonic tool [A]. SPWLA 26thAnnual Logging Symposium[C]. Dallas，1985-06-17～20.

[11]章成廣，江萬哲，肖承文，等.聲波全波資料識別氣層方法研究[J].測井技術，2004，28(5)：397～401.

[編輯]龔丹

[引著格式]張承森，張璋，吳興能，等.數字聲波幅度比值方法在評價碳酸鹽巖水平井儲層中的應用[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(26):22~26,54.

[中圖分類號]P631.84

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0022-05

[作者簡介]張承森(1969-)，男，高級工程師，現主要從事測井解釋方法與儲層評價研究工作，zhangchs-tlm@petrochina.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項 (2011ZX05020-008)。

[收稿日期]2014-12-01