變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層裂縫聲波測(cè)井評(píng)價(jià)方法及其在渤中19-6氣田的應(yīng)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(zé)任公司 北京 100028)

1 問題的提出

近幾年，中國(guó)海域油氣勘探以潛山為主要目的層的領(lǐng)域性風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)越來越多[1-3]，并取得了重大進(jìn)展，分別在渤海和南海海域發(fā)現(xiàn)了渤中19-6和惠州26-6大中型潛山油氣田[4-5]，標(biāo)志著潛山油氣藏將逐漸成為中國(guó)海油國(guó)內(nèi)最具潛力的儲(chǔ)量及產(chǎn)量接替區(qū)。渤中19-6氣田是渤海灣盆地最大的凝析氣田，探明儲(chǔ)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(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)片麻巖和混合片麻巖[7-8]。受印支、燕山和喜山等多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響[9]，該氣田儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型復(fù)雜多樣，除了發(fā)育粒間孔、溶蝕孔以外，裂縫也較為發(fā)育[10]，導(dǎo)致儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，使得不同探井之間測(cè)試產(chǎn)能差異較大，因此有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層裂縫的發(fā)育情況至關(guān)重要。

裂縫性地層一般具有環(huán)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(xué)者提出了一種評(píng)價(jià)地層裂縫發(fā)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(jìn)而定性識(shí)別地層裂縫在沿井縱向上的發(fā)育情況。對(duì)于渤中19-6氣田潛山地層而言，除有效識(shí)別沿井縱向上的裂縫以外，評(píng)價(jià)裂縫在地層中的橫向延伸情況對(duì)于認(rèn)識(shí)該氣田凝析氣的運(yùn)移規(guī)律同樣具有重要意義。Tang X M提出的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)，其原理是利用井中聲波測(cè)井儀器接收到的來自遠(yuǎn)井地層中裂縫的反射橫波信號(hào)對(duì)裂縫進(jìn)行成像，該方法為評(píng)價(jià)井外數(shù)十米范圍內(nèi)大尺度裂縫的發(fā)育情況提供了一種新手段[14-15]。目前，偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于碳酸鹽巖遠(yuǎn)井地層裂縫評(píng)價(jià)，而在變質(zhì)巖潛山地層裂縫評(píng)價(jià)方面尚為空白。

針對(duì)渤中19-6氣田變質(zhì)花崗巖潛山地層縱、橫向裂縫測(cè)井評(píng)價(jià)問題，首先利用偶極橫波各向異性技術(shù)反演得到地層的各向異性大小，再結(jié)合電成像測(cè)井獲取的裂縫密度對(duì)地層各向異性進(jìn)行標(biāo)定，明確了判別該氣田儲(chǔ)層裂縫是否發(fā)育的半定量標(biāo)準(zhǔn)，使聲波各向異性評(píng)價(jià)地層裂縫由定性到半定量，從而彌補(bǔ)了電成像測(cè)井質(zhì)量差時(shí)難以識(shí)別裂縫的不足。在此基礎(chǔ)上，首次將偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到變質(zhì)巖潛山地層中探測(cè)井外數(shù)十米內(nèi)的大尺度裂縫，建立了一套由近及遠(yuǎn)、縱橫結(jié)合的裂縫測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)體系，從而為該氣田裂縫準(zhǔn)確評(píng)價(jià)及后續(xù)高效開發(fā)提供了有力支持。

2 變質(zhì)巖潛山儲(chǔ)層裂縫聲波測(cè)井評(píng)價(jià)方法

2.1 偶極橫波各向異性近井地層裂縫評(píng)價(jià)

偶極聲源激發(fā)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(dāng)?shù)貙又辛芽p發(fā)育時(shí)常表現(xiàn)為環(huán)向各向異性(HTI)特征，聲源激發(fā)的橫波會(huì)產(chǎn)生沿平行和垂直裂縫走向偏振(圖1)。圖1中，左側(cè)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(cè)為2種偏振方向上的橫波坐標(biāo)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(shù)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(shù)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(gè)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(jì)8個(gè)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(shí)和相位滯后于前者，表明偶極聲源激發(fā)的橫波在HTI地層中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生快、慢波分裂現(xiàn)象。

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

圖2 環(huán)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(qiáng)弱程度正比于裂縫的發(fā)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(shí)別裂縫的發(fā)育度。由快、慢橫波時(shí)差計(jì)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(shí)差，μs/ft。

圖3為渤中19-6氣田A井測(cè)井綜合解釋結(jié)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(shí)差曲線；第8道和第9道分別顯示了電成像測(cè)井動(dòng)態(tài)圖與拾取的裂縫傾角；第10道左側(cè)陰影曲線代表由電成像測(cè)井拾取的裂縫密度，右側(cè)陰影曲線代表由式(1)計(jì)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(xiàn)象越明顯，其速度差異越大。對(duì)比地層各向異性與裂縫密度可知，二者在整個(gè)井段內(nèi)的變化趨勢(shì)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(cè)井資料得到的裂縫密度大小相近，而由聲波測(cè)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(fā)現(xiàn)，X020～X030 m地層裂縫傾角普遍大于40°(即呈現(xiàn)中—高角度特征)，而X030～X040 m地層裂縫普遍小于40°(即呈現(xiàn)低角度特征)，這表明相比于低傾角裂縫，地層各向異性對(duì)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(shí)差；FWV、SWV分別為快、慢橫波；DTSF、DTSS分別為快、慢橫波時(shí)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(cè)井綜合解釋結(jié)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(chǔ)集和運(yùn)移的重要空間，其是否發(fā)育是區(qū)分儲(chǔ)層有效性的重要依據(jù)。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(chǔ)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(fā)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(fā)育、滲透性差，再結(jié)合該氣田地質(zhì)背景及該層段表現(xiàn)的高中子、高密度的測(cè)井響應(yīng)特征，可知該層段為火山侵入巖，是典型的非儲(chǔ)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(jìn)行交會(huì)(圖4)，基于氣層和非儲(chǔ)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(fā)育的橫波各向異性下限值為2.5%，對(duì)應(yīng)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(píng)價(jià)裂縫發(fā)育情況提供了重要依據(jù)。

圖4 渤中19-6氣田判別地層裂縫發(fā)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(qū)潛山地層埋深大、溫度高，導(dǎo)致部分井中電成像測(cè)井資料的質(zhì)量較差，難以有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層中裂縫的發(fā)育情況。例如，C井完鉆深度高達(dá)5 500 m，鉆遇潛山風(fēng)化帶和內(nèi)幕，潛山地層溫度高達(dá)198 ℃，電成像測(cè)井資料質(zhì)量較差。為此，利用式(1)計(jì)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(fā)育段，局部質(zhì)量較好的聲成像中顯示有多條裂縫，二者解釋結(jié)果吻合，這說明裂縫發(fā)育導(dǎo)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(fā)育的橫波各向異性下限值(為2.5%)，表明該層段裂縫發(fā)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(cè)深度由淺及深的陣列側(cè)向電阻率；ZDEN、CNCF和DTC分別為密度、中子與縱波時(shí)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(jié)果Fig.5 Formation anisotropy and ultrasonic imaging result of well C in BZ19-6 gas field

2．2 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)遠(yuǎn)井地層裂縫評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)渤中19-6氣田遠(yuǎn)井地層中的裂縫發(fā)育情況，研究了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)。在實(shí)際測(cè)井過程中，井中偶極聲源激發(fā)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(yuǎn)井地層中，輻射波在地層中遇到裂縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射效應(yīng)，因此可以利用儀器接收到的反射波場(chǎng)對(duì)遠(yuǎn)井地層中裂縫進(jìn)行成像，從而評(píng)價(jià)井外地層中數(shù)十米范圍內(nèi)裂縫的發(fā)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(chǎng)的因素包括聲源輻射聲場(chǎng)、波在裂縫處的反射以及井孔對(duì)反射波的接收響應(yīng)等，因此，反射橫波聲場(chǎng)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(chǎng)；S(ω)為聲源子波；RD為聲源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射因子；RF為裂縫反射系數(shù)；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(cè)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(chǎn)生的反射橫波聲場(chǎng)至關(guān)重要。利用式(2)模擬得到了不同傾角過井裂縫的橫波遠(yuǎn)探測(cè)聲場(chǎng)及其成像結(jié)果(圖7)，其中中間道所示的過井裂縫模型中設(shè)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(fā)的滑行波與3組裂縫產(chǎn)生的反射橫波聲場(chǎng)，其中滑行波早于反射橫波到達(dá)儀器接收器，且幅度遠(yuǎn)大于反射橫波。對(duì)比3組裂縫產(chǎn)生的反射橫波，發(fā)現(xiàn)在同一記錄時(shí)刻，傾角為60°與30°的裂縫產(chǎn)生的反射橫波波幅分別為最強(qiáng)和最弱，傾角為45°的裂縫產(chǎn)生的反射橫波波幅居中，因此，在圖7所示的成像結(jié)果中，傾角為60°與45°的裂縫成像的徑向深度達(dá)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(yuǎn)探測(cè)技術(shù)更易于探測(cè)中—高傾角裂縫，有利于渤中19-6氣田遠(yuǎn)井地層中的裂縫評(píng)價(jià)。

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

3 在渤中19-6氣田的應(yīng)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(shí)差—電阻率交會(huì)圖和氣測(cè)總烴直方圖，可以看出，2口鉆井的中子、密度、縱波時(shí)差及電阻率測(cè)井響應(yīng)特征相似，且E井的氣測(cè)總烴高于D井。對(duì)于測(cè)試段而言，由常規(guī)測(cè)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(cè)試日產(chǎn)氣為11.35萬m3，E井測(cè)試日產(chǎn)氣僅為1.13萬m3，二者之比達(dá)10∶1。

圖8 渤中19-6氣田相鄰鉆井中子-密度、縱波時(shí)差-電阻率交會(huì)圖及氣測(cè)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(chǎn)能差異大的原因，首先利用橫波各向異性技術(shù)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(duì)這2口井測(cè)試段內(nèi)所有氣層的橫波各向異性值加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)，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(fā)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(fā)育的橫波各向異性下限值，表明E井近井地層中的裂縫發(fā)育程度較D井差。

為了進(jìn)一步分析這2口井測(cè)試段遠(yuǎn)井地層中的裂縫發(fā)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(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果。可以看出，D井在北偏東45°成像結(jié)果中X650～X720 m深度范圍內(nèi)存在2組傾角約為60°的過井裂縫(圖內(nèi)紅框所示)，徑向延伸達(dá)25 m，但2組裂縫在南偏東45°成像結(jié)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?yàn)楸逼珫|45°。另外，在X590～X620 m深度范圍內(nèi)存在一組井旁裂縫(圖內(nèi)藍(lán)框所示)，該組裂縫在北偏東45°和南偏東45°成像結(jié)果中均有顯示。與D井相比，E井的遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果中未見到清晰的井旁裂縫，表明E井遠(yuǎn)井地層中的裂縫發(fā)育程度較D井差。綜合分析認(rèn)為，D井地層中的裂縫較E井更為發(fā)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(chǎn)。

注：GR為自然伽馬；CAL為井徑；MLR1C、MLR2C、MLR3C、MLR4C、RTM分別為徑向探測(cè)深度由淺及深的陣列側(cè)向電阻率；ZDEN、CNCF和DTC分別為密度、中子與縱波時(shí)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(jié)果Fig.9 Shear-wave anisotropy results of adjacent wells formation in BZ19-6 gas field

4 結(jié)論

1) 利用電成像測(cè)井拾取的裂縫密度對(duì)偶極橫波各向異性值進(jìn)行標(biāo)定，可以使聲波各向異性評(píng)價(jià)地層裂縫由定性發(fā)展到半定量，對(duì)于缺乏電成像測(cè)井資料的井進(jìn)行裂縫有效性評(píng)價(jià)具有重要的指導(dǎo)意義。針對(duì)遠(yuǎn)井地層裂縫評(píng)價(jià)，通過模擬不同傾角裂縫產(chǎn)生的橫波反射聲場(chǎng)，明確了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)更易于探測(cè)中-高傾角的裂縫，并首次將該技術(shù)應(yīng)用到變質(zhì)巖潛山地層。

2) 基于渤中19-6氣田地層裂縫發(fā)育的橫波各向異性下限值為2.5%的解釋標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該氣田區(qū)電成像測(cè)井資料質(zhì)量差的3口評(píng)價(jià)井進(jìn)行了裂縫有效性評(píng)價(jià)，利用偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)評(píng)價(jià)了遠(yuǎn)井地層中的裂縫發(fā)育狀況，為準(zhǔn)確識(shí)別地層的近、遠(yuǎn)井裂縫發(fā)育特征提供了有益補(bǔ)充，從而有效支撐了氣田開發(fā)方案的編制。本文方法不僅對(duì)渤中19-6氣田產(chǎn)能及儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)提供了有力的技術(shù)支持，還可推廣到其它海域潛山油氣藏裂縫評(píng)價(jià)。