基于全波波形時頻分析的方法對地質儲存的應用研究

黃宇迪

（長江大學，湖北武漢 430100）

天然氣近年來作為一種新興產業資源，正在很多方面得到應用，許多產業發展和技術進步都與天然氣緊密相關，它是一種優質能源，同時也是未來能源工業發展的基石。我國也十分重視天然氣產業的發展，并已將其納入國家發展戰略，最近一段時間我國天然氣產業規模發展迅速，中東部以及西部部分地區都有發現較多天然氣能源。隨著工業化程度的不斷加深，以及社會生產生活對天然氣的依賴程度持續加深，天然氣在我國能源產業結構中占據較大份額，如何改進天然氣勘探技術已經是學界和社會各界探究的熱點問題。在天然氣勘探技術中，測井技術是較為重要的一項技術，它能夠便于我們準確識別和評價天然氣，幫助我們了解地下氣層基本情況，并且其技術地位也日益提高。

1 多極子陣列聲波波形數值模擬及分析軟件

該軟件以多極子聲波測井井孔聲場理論為基礎，借助雙相介質孔隙地層模型，可以仿真出單極、偶極、四極作用下出現的聲場，借助兩步走的方案對波形進行統計分析。先分析二維譜，再結合具體需求挑選合理的聲波源頭和其激發主頻，該方案能夠合理地多次利用二維譜的信息，進而大大提升工程進度，并且軟件還能實現波形的時頻分析，便于人們及時獲得仿真模擬的數據及結果。

2 多極子陣列聲波波形數值模擬

計算數值的方法有實軸積分法以及牛頓迭代法兩種，借助上述方法能夠得到各向可性孔隙地層充液井孔中單極和偶極聲源作用下出現的二維譜與波形。在求解過程中以中速砂巖孔隙地層為基準層，計算數據以各種參數組合的方式呈現出來。

3 多極子聲波測井響應特征分析

全波波形的組分波會受到氣層的影響，借助觀察與分析全波波形，能夠幫助我們辨別含氣儲層所處的位置，下文將從單偶極全波波形以及含氣的變化規律展開研究。

3.1 單極子全波波形變化特征

圖1是孔隙度為10%，滲透率為10mD 時，從0到80%時含氣飽和度單極全波波形的變化規律，該圖像變化規律也反映了低孔隙度和低滲透率下含氣飽和度單極全波波形的變化規律。由圖1可知，含氣飽和度與縱波波至來臨時間呈現顯著正相關，而與橫波波至來臨時間沒有顯著關系；含氣飽和度越高，波的幅度越小，Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波幅度下降得很快，含氣飽和度從零升高至60%時，Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波下降幅度很大。但是之后含氣飽和度增長對于這兩種波的影響效應就大大降低，波幅的下降速度減慢了很多。因此，在低滲透率和低孔隙度的前提下，含氣飽和度與縱波波速呈顯著負相關，而與橫波波速沒有顯著關系，與Stoneley 波、pseudo-Rayleigh波的幅度呈現顯著負相關，并且0＜含氣飽和度＜60%時，這兩種模式波很容易受到含氣飽和度變化的影響。

圖1 孔隙度為10%，滲透率為10mD全波波形與含氣飽和度關系圖

圖2是孔隙度與滲透率處在中間水平，即孔隙度=20%，滲透率=100mD，含氣飽和度由0 至80%時，反映單極全波波形的變化規律。和圖1相比，變化規律大體相同。有所不同的地方在于，因為孔隙度、滲透率的提高，導致縱橫波波至來臨的時間都往后推遲，橫波持續時間減少；而Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波的波幅受到含氣飽和度的增加減弱得更快，含氣飽和度從0升高到40%的過程中，這兩種模式波的波幅減弱速度很快，幅度減少很多；一旦含氣飽和度超過了40%這個臨界點時，Stoneley 波、pseudo-Rayleigh 波幅度減弱趨勢變緩。所以，可以得出，0＜含氣飽和度＜40%時，兩種模式波波幅很容易受到含氣飽和度的影響。

圖2 孔隙度為20%，滲透率為100mD全波波形與含氣飽和度關系圖

圖3是在孔隙度與滲透率都較高的前提下經過實驗得出的，即孔隙度=30%，滲透率=500mD，含氣飽和度由0至80%時，單極全波波形圖像變化規律。由圖3可知，含氣飽和度升高，縱波波至來臨的時間點先是突然往后延遲，隨后又呈現一種平穩的狀態，縱波波幅呈現低速下行趨勢；而橫波基本沒有受到影響；Stoneley 波幅度衰減很快，一旦含氣飽和度提升至10%時，Stoneley 波消散，pseudo-Rayleigh 波幅度開始增加。因為孔隙度和滲透率條件都比較高，導致縱波波速馬上減緩，Stoneley 波幅度下降很快。

圖3 孔隙度為30%，滲透率為500mD，全波波形與含氣飽和度關系圖

3.2 偶極子彎曲波波形變化特征

圖4是當孔隙度和滲透率都處于較低水平時，即令孔隙度=10%，滲透率=10mD 的條件下，含氣飽和度由0增長至80%時，偶極彎曲波波形的變化規律。由圖4可知，彎曲波波至來臨的時間點與含氣飽和度沒有太大關聯，而彎曲波高低頻能量占比發生變化，含氣飽和度增加，彎曲波低頻能量占比逐漸增加，含氣飽和度從0提高到50%時，彎曲波高頻組分的比例快速下降，呈急速減弱趨勢，隨著含氣飽和度進一步增加，彎曲波高頻組分變化迅速減緩。所以，從圖像變化上看，低水平的孔隙度和滲透率在含氣飽和度與橫波波速變化上基本沒有影響，二者之間也不存在顯著影響的關系，但是含氣飽和度增加，彎曲波高頻部分減弱得更加嚴重。所以，在低水平的孔隙度和滲透率的條件下，0＜含氣飽和度＜50%時，偶極彎曲波的高頻部分很容易受到含氣飽和度變化的影響。

圖4 孔隙度為10%，滲透率為10mD全波波形與含氣飽和度關系圖

圖5 是在中等孔滲條件下，即孔隙度=20%，滲透率=100mD 時，含氣飽和度由0增長至80%時偶極彎曲波全波波形的圖像變化規律。由圖5可知，含氣飽和度與彎曲波波至時間沒有顯著影響關系，而低頻彎曲波能量所占的比重逐漸增大。并且，含氣飽和度從0升至30%時，高頻彎曲波能量下降速度加快，當含氣飽和度超過30%時，高頻彎曲波能量變化幅度減緩。總的來說，彎曲波能量衰減程度嚴重，與圖4相比，彎曲波頻率組分稍有下降。但是含氣飽和度與橫波波速之間基本不存在相互影響關系。因為孔滲條件的升高，導致彎曲波的頻率組分皆呈現出衰弱的趨勢，并且高頻能量衰弱的趨勢較低頻更為嚴重。

圖5 孔隙度為20%，滲透率為100mD全波波形與含氣飽和度關系圖

圖6 是當孔滲條件都處于高水平的條件下，即孔隙度=30%，滲透率=500mD，含氣飽和度由0增長至80%時，偶極彎曲波波形的變化規律。由圖6可知，當含氣飽和度升高，彎曲波波至時間會有所下降，也就是橫波波速有所加快，彎曲波減弱趨勢很大，特別是高頻部分的減弱趨勢更加明顯。總的來說，因為孔滲條件都處于較高水平，導致彎曲波高低頻組分沒有明確分界線，頻率漸漸統一，而且減弱的趨勢很明顯，這也說明在0＜含氣飽和度＜20%時，高頻彎曲波很容易受到含氣飽和度的影響。

圖6 孔隙度為30%，滲透率為500mD全波波形與含氣飽和度關系圖

4 結論

從以往的成功經驗可以得出，開挖和探索天然氣儲集層的過程中，最重要的是要對氣層有一個精準辨識和評判。本文借助數值模擬軟件，建立一套雙相介質孔隙地層井孔聲場模型，對各個儲層條件不同的多極子陣列聲波進行研究，得到測井的響應特點，得出對含氣飽和度變化較為敏感的指標和參數，將其作為參考依據對氣層進行辨識，獲得了不錯的成果。