變質巖潛山儲層裂縫聲波測井評價方法及其在渤中19-6氣田的應用*

秦瑞寶 曹景記 李雄炎 魏 丹 汪 鵬 平海濤

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

1 問題的提出

近幾年，中國海域油氣勘探以潛山為主要目的層的領域性風險目標越來越多[1-3]，并取得了重大進展，分別在渤海和南海海域發現了渤中19-6和惠州26-6大中型潛山油氣田[4-5]，標志著潛山油氣藏將逐漸成為中國海油國內最具潛力的儲量及產量接替區。渤中19-6氣田是渤海灣盆地最大的凝析氣田，探明儲量超千億立方米[6]，主要目的層為太古界潛山地層，巖性為二長片麻巖、斜長片麻巖和混合片麻巖[7-8]。受印支、燕山和喜山等多期次構造運動的影響[9]，該氣田儲層儲集空間類型復雜多樣，除了發育粒間孔、溶蝕孔以外，裂縫也較為發育[10]，導致儲層具有較強的非均質性，使得不同探井之間測試產能差異較大，因此有效評價儲層裂縫的發育情況至關重要。

裂縫性地層一般具有環向各向異性特征，裂縫密度與張開度越大，地層的各向異性越明顯。基于此，Alford等學者提出了一種評價地層裂縫發育程度的正交偶極橫波各向異性方法[11-13]，利用沿井壁傳播的快、慢橫波速度差異反演獲取地層的各向異性大小，進而定性識別地層裂縫在沿井縱向上的發育情況。對于渤中19-6氣田潛山地層而言，除有效識別沿井縱向上的裂縫以外，評價裂縫在地層中的橫向延伸情況對于認識該氣田凝析氣的運移規律同樣具有重要意義。Tang X M提出的偶極橫波遠探測技術，其原理是利用井中聲波測井儀器接收到的來自遠井地層中裂縫的反射橫波信號對裂縫進行成像，該方法為評價井外數十米范圍內大尺度裂縫的發育情況提供了一種新手段[14-15]。目前，偶極橫波遠探測技術主要應用于碳酸鹽巖遠井地層裂縫評價，而在變質巖潛山地層裂縫評價方面尚為空白。

針對渤中19-6氣田變質花崗巖潛山地層縱、橫向裂縫測井評價問題，首先利用偶極橫波各向異性技術反演得到地層的各向異性大小，再結合電成像測井獲取的裂縫密度對地層各向異性進行標定，明確了判別該氣田儲層裂縫是否發育的半定量標準，使聲波各向異性評價地層裂縫由定性到半定量，從而彌補了電成像測井質量差時難以識別裂縫的不足。在此基礎上，首次將偶極橫波遠探測技術應用到變質巖潛山地層中探測井外數十米內的大尺度裂縫，建立了一套由近及遠、縱橫結合的裂縫測井評價技術體系，從而為該氣田裂縫準確評價及后續高效開發提供了有力支持。

2 變質巖潛山儲層裂縫聲波測井評價方法

2.1 偶極橫波各向異性近井地層裂縫評價

偶極聲源激發的彎曲波在截止頻率處以橫波速度在地層中沿井軸方向傳播，當地層中裂縫發育時常表現為環向各向異性(HTI)特征，聲源激發的橫波會產生沿平行和垂直裂縫走向偏振(圖1)。圖1中，左側表示含鉆井液井孔的裂縫性地層，裂縫體系的走向沿y方向，井軸沿z方向；右側為2種偏振方向上的橫波坐標示意圖。

圖1 裂縫性地層中快、慢橫波示意圖Fig.1 Schematic diagram of fast and slow shear waves in fractured formation

采用數值方法模擬了HTI地層中偶極橫波的理論波形(圖2)，模擬參數見表1。其中，黑色線表示沿裂縫走向偏振的橫波，紅色線表示垂直裂縫走向偏振的橫波，模擬采用的聲源頻率為3 kHz，第一個接收器到聲源的距離為1.5 m，接收器間距為0.152 4 m，共計8個接收器。從圖2中可以看出，沿著裂縫走向(y方向)偏振的橫波傳播速度較快，垂直裂縫走向(x方向)偏振的橫波傳播速度較慢，后者的到時和相位滯后于前者，表明偶極聲源激發的橫波在HTI地層中傳播時會發生快、慢波分裂現象。

表1 HTI地層參數及井孔半徑Table 1 Parameters and borehole radius of HTI formation

圖2 環向各向異性(HTI)地層中快、慢橫波波形Fig.2 Fast and slow shear waveforms in HTI formation

快、慢橫波的速度差異反映了裂縫引起的地層各向異性大小，其強弱程度正比于裂縫的發育度，即裂縫的多少及開裂程度，因此可以通過地層的各向異性大小定性識別裂縫的發育度。由快、慢橫波時差計算地層各向異性的公式如下：

(1)

式(1)中：ANI為橫波各向異性， %；Δtf和Δts分別為快、慢橫波的時差，μs/ft。

圖3為渤中19-6氣田A井測井綜合解釋結果，其中第6道和第7道分別為快(紅色)、慢(黑色)橫波的波形與時差曲線；第8道和第9道分別顯示了電成像測井動態圖與拾取的裂縫傾角；第10道左側陰影曲線代表由電成像測井拾取的裂縫密度，右側陰影曲線代表由式(1)計算得到的地層橫波各向異性值。可以看出，地層各向異性越大，快、慢橫波分裂現象越明顯，其速度差異越大。對比地層各向異性與裂縫密度可知，二者在整個井段內的變化趨勢具有較好的一致性，即裂縫密度大的地層橫波各向異性高，裂縫密度小的地層橫波各向異性低。但需要指出的是，在X020～X030 m與X030～X040 m地層中，由電成像測井資料得到的裂縫密度大小相近，而由聲波測井資料得到的X030～X040 m地層的各向異性明顯小于X020～X030 m地層。通過分析發現，X020～X030 m地層裂縫傾角普遍大于40°(即呈現中—高角度特征)，而X030～X040 m地層裂縫普遍小于40°(即呈現低角度特征)，這表明相比于低傾角裂縫，地層各向異性對反映中—高傾角裂縫更加敏感。

注：GR為自然伽馬；CAL為井徑；RD、RS分別為深、淺電阻率；ZDEN、CNCF和DTC分別為密度、中子與縱波時差；FWV、SWV分別為快、慢橫波；DTSF、DTSS分別為快、慢橫波時差；DIP為裂縫傾角；P10為裂縫密度；ANIA為橫波各向異性；PHIE為孔隙度。圖3 渤中19-6氣田A井測井綜合解釋結果Fig.3 Comprehensive logging interpretation result of well A in BZ19-6 gas field

裂縫作為渤中19-6潛山氣藏儲集和運移的重要空間，其是否發育是區分儲層有效性的重要依據。例如，圖3中X110～X140 m的氣層橫波各向異性與裂縫密度較X090～X099 m的非儲層顯著增大，深、淺電阻率值具有明顯的差異，表明該氣層裂縫發育，滲透性較好。而X090～X099 m層段橫波各向異性與裂縫密度近乎為零，深、淺電阻率值無明顯差異，表明該層段裂縫不發育、滲透性差，再結合該氣田地質背景及該層段表現的高中子、高密度的測井響應特征，可知該層段為火山侵入巖，是典型的非儲層。因此，通過將該氣田2口典型井的橫波各向異性與裂縫密度進行交會(圖4)，基于氣層和非儲層橫波各向異性與裂縫密度的分布范圍，確定判別地層裂縫發育的橫波各向異性下限值為2.5%，對應的裂縫密度為2條/m，從而為該氣田利用橫波各向異性半定量評價裂縫發育情況提供了重要依據。

圖4 渤中19-6氣田判別地層裂縫發育的橫波各向異性下限值Fig.4 The lower limit value of anisotropy in discriminating fracture development section in BZ19-6 gas field

由于渤中19-6氣田區潛山地層埋深大、溫度高，導致部分井中電成像測井資料的質量較差，難以有效評價儲層中裂縫的發育情況。例如，C井完鉆深度高達5 500 m，鉆遇潛山風化帶和內幕，潛山地層溫度高達198 ℃，電成像測井資料質量較差。為此，利用式(1)計算了該井的地層各向異性大小(圖5)。其中，X229～X280 m層段橫波各向異性均值為5%，高于下限值2.5%，表明該層段為裂縫發育段，局部質量較好的聲成像中顯示有多條裂縫，二者解釋結果吻合，這說明裂縫發育導致了地層的滲透性較好，深、淺電阻率值具有明顯的差異。而X283～X304 m層段橫波各向異性均值為1.7%，低于該氣田地層裂縫發育的橫波各向異性下限值(為2.5%)，表明該層段裂縫發育差，聲成像中無裂縫顯示，這說明地層的滲透性較差，深、淺電阻率值近乎相等。

注：GR為自然伽馬；CAL為井徑；MLR1C、MLR2C、MLR3C、MLR4C、RTM分別為徑向探測深度由淺及深的陣列側向電阻率；ZDEN、CNCF和DTC分別為密度、中子與縱波時差；PHIE為孔隙度；ANIA為橫波各向異性。圖5 渤中19-6氣田C井地層橫波各向異性與超聲成像結果Fig.5 Formation anisotropy and ultrasonic imaging result of well C in BZ19-6 gas field

2．2 偶極橫波遠探測遠井地層裂縫評價

為了評價渤中19-6氣田遠井地層中的裂縫發育情況，研究了偶極橫波遠探測技術。在實際測井過程中，井中偶極聲源激發的一部分能量在近井地層中沿著井筒方向滑行傳播，另一部分能量被輻射到遠井地層中，輻射波在地層中遇到裂縫時會產生反射效應，因此可以利用儀器接收到的反射波場對遠井地層中裂縫進行成像，從而評價井外地層中數十米范圍內裂縫的發育情況。

圖6給出了偶極反射橫波的傳播示意圖，可以看出影響反射橫波聲場的因素包括聲源輻射聲場、波在裂縫處的反射以及井孔對反射波的接收響應等，因此，反射橫波聲場可以表示如下[16]：

圖6 偶極反射橫波傳播示意圖Fig.6 Schematic diagram of dipole reflection shear wave propagation

RWV(ω)=S(ω)RD(ω)×RF(ω)RC(ω)eiωL/V/L

(2)

式(2)中：RWV為反射橫波聲場；S(ω)為聲源子波；RD為聲源遠場輻射因子；RF為裂縫反射系數；RC為井孔接收因子；ω為圓頻率， Hz；L為傳播路徑， m；V為波速， m/s。

由巖心和電成像測井資料得知，渤中19-6氣田地層裂縫以中—高傾角裂縫為主，因此研究不同傾角裂縫產生的反射橫波聲場至關重要。利用式(2)模擬得到了不同傾角過井裂縫的橫波遠探測聲場及其成像結果(圖7)，其中中間道所示的過井裂縫模型中設定了3組與井軸夾角分別為60°、30°和45°的過井裂縫(即3組裂縫的傾角分別為30°、60°和45°)；左圖給出了偶極聲源激發的滑行波與3組裂縫產生的反射橫波聲場，其中滑行波早于反射橫波到達儀器接收器，且幅度遠大于反射橫波。對比3組裂縫產生的反射橫波，發現在同一記錄時刻，傾角為60°與30°的裂縫產生的反射橫波波幅分別為最強和最弱，傾角為45°的裂縫產生的反射橫波波幅居中，因此，在圖7所示的成像結果中，傾角為60°與45°的裂縫成像的徑向深度達到20 m左右，而傾角為30°的裂縫成像的徑向深度僅有10 m。這表明，偶極橫波遠探測技術更易于探測中—高傾角裂縫，有利于渤中19-6氣田遠井地層中的裂縫評價。

圖7 模擬得到的橫波反射聲場及其成像結果Fig.7 Simulated shear-wave reflection acoustic field and its imaging results

3 在渤中19-6氣田的應用

圖8給出了渤中19-6氣田2口相鄰鉆井(D、E井)的中子—密度、縱波時差—電阻率交會圖和氣測總烴直方圖，可以看出，2口鉆井的中子、密度、縱波時差及電阻率測井響應特征相似，且E井的氣測總烴高于D井。對于測試段而言，由常規測井解釋得到的D井氣層厚度為84.4 m，孔隙度均值為4.2%，而E井氣層厚度為112 m，孔隙度均值為3.5%，二者的氣層厚度與孔隙度大小相近。但是，D井測試日產氣為11.35萬m3，E井測試日產氣僅為1.13萬m3，二者之比達10∶1。

圖8 渤中19-6氣田相鄰鉆井中子-密度、縱波時差-電阻率交會圖及氣測總烴直方圖Fig.8 Cross plot of neutron-density,compressional wave slowness-resistivity and histogram of total hydrocarbon of adjacent wells in BZ19-6 gas field

為了明確這2口相鄰鉆井產能差異大的原因，首先利用橫波各向異性技術獲取了二者的地層各向異性大小，分別由圖9中第6道紅線所示。通過對這2口井測試段內所有氣層的橫波各向異性值加權平均統計，得到D井氣層的橫波各向異性均值為5.4%，大于該氣田地層裂縫發育的橫波各向異性下限值(為2.5%)；而E井氣層的橫波各向異性均值僅為1.2%，小于該氣田地層裂縫發育的橫波各向異性下限值，表明E井近井地層中的裂縫發育程度較D井差。

為了進一步分析這2口井測試段遠井地層中的裂縫發育情況，圖10中分別給出了二者在北偏東45°和南偏東45°方向上的遠探測成像結果。可以看出，D井在北偏東45°成像結果中X650～X720 m深度范圍內存在2組傾角約為60°的過井裂縫(圖內紅框所示)，徑向延伸達25 m，但2組裂縫在南偏東45°成像結果中模糊不清，這是由于偶極聲源具有方位性所致，也說明2組裂縫的走向為北偏東45°。另外，在X590～X620 m深度范圍內存在一組井旁裂縫(圖內藍框所示)，該組裂縫在北偏東45°和南偏東45°成像結果中均有顯示。與D井相比，E井的遠探測成像結果中未見到清晰的井旁裂縫，表明E井遠井地層中的裂縫發育程度較D井差。綜合分析認為，D井地層中的裂縫較E井更為發育，使得E井地層在縱向與橫向上的連通性更好，有利于高產。

注：GR為自然伽馬；CAL為井徑；MLR1C、MLR2C、MLR3C、MLR4C、RTM分別為徑向探測深度由淺及深的陣列側向電阻率；ZDEN、CNCF和DTC分別為密度、中子與縱波時差；PHIE為孔隙度；ANIA為橫波各向異性。圖9 渤中19-6氣田相鄰鉆井地層橫波各向異性結果Fig.9 Shear-wave anisotropy results of adjacent wells formation in BZ19-6 gas field

4 結論

1) 利用電成像測井拾取的裂縫密度對偶極橫波各向異性值進行標定，可以使聲波各向異性評價地層裂縫由定性發展到半定量，對于缺乏電成像測井資料的井進行裂縫有效性評價具有重要的指導意義。針對遠井地層裂縫評價，通過模擬不同傾角裂縫產生的橫波反射聲場，明確了偶極橫波遠探測技術更易于探測中-高傾角的裂縫，并首次將該技術應用到變質巖潛山地層。

2) 基于渤中19-6氣田地層裂縫發育的橫波各向異性下限值為2.5%的解釋標準，對該氣田區電成像測井資料質量差的3口評價井進行了裂縫有效性評價，利用偶極橫波遠探測技術評價了遠井地層中的裂縫發育狀況，為準確識別地層的近、遠井裂縫發育特征提供了有益補充，從而有效支撐了氣田開發方案的編制。本文方法不僅對渤中19-6氣田產能及儲層有效性評價提供了有力的技術支持，還可推廣到其它海域潛山油氣藏裂縫評價。