崔麗香, 陳彥竹, 楊雙定, 謝剛

(中國石油集團(tuán)測井有限公司, 陜西 西安 710077)

0 引 言

聲波測井資料是完井解釋、地層對比、區(qū)塊評價及地震處理中不可缺少的資料。井眼和地層中傳播的聲波主要由2類波組成:體波(縱波和橫波)和導(dǎo)波(偽瑞利波和斯通利波),此外還有一些多次反射波[1-2]。實際油氣勘探中,因井下井況復(fù)雜及地層特殊巖性變化,無法進(jìn)行裸眼井常規(guī)測井或裸眼井測井資料采集不全,導(dǎo)致聲波測井資料缺失。在復(fù)雜井中下套管后測井,不僅可以節(jié)約鉆井時間而且可以減少鉆探風(fēng)險,在無聲波測井資料的老井(套管井)中補測聲波測井資料可以滿足老井測井評價和挖潛的需要。另一方面,對于沒有進(jìn)行裸眼陣列聲波測井的井,也可以通過壓前陣列聲波測井資料提取的縱橫波進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)的計算。

研究區(qū)主要使用阿特拉斯公司的XMAC偶極子陣列聲波測井儀器(探測深度為0.3～1.067 m)和哈里伯頓公司的WAVESONIC測井儀(探測深度為0.3～0.91 m)進(jìn)行地層數(shù)據(jù)采集,設(shè)備集單極工作模式、單極全波工作模式、偶極全波工作模式和正交偶極工作模式于一體。當(dāng)固井質(zhì)量較差時,套管波成分決定了整個波列數(shù)據(jù),從而影響過套管測量。多極聲波測井儀器比常規(guī)長源距聲波測井儀器更適合過套管進(jìn)行地層測量,提供了更多參考研究資料[3-4]。

本文通過分析鄂爾多斯盆地A、B、C、D和E這5個地區(qū)34口套管井陣列聲波測井資料、裸眼井常規(guī)聲波測井資料和陣列聲波測井資料,對套管尺寸8in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同的井,根據(jù)固井好壞和井況異常段分別提取縱波時差,分析影響縱波提取準(zhǔn)確與否的主要影響因素,提出了針對不同固井質(zhì)量提取縱波的方法,對構(gòu)建方法進(jìn)行了實例論證。

1 影響因素

1.1 套管尺寸的影響

套管尺寸影響居中測井儀器發(fā)射和接收地層數(shù)據(jù)的真實性。套管直徑增大,套管波幅度減小;水泥環(huán)厚度越大,縱波時差受水泥環(huán)的影響越大;下套管后,地層本身的變化也會引起聲波時差變化[5]。

1.2 固井質(zhì)量的影響

實際生產(chǎn)中,在固井質(zhì)量好的井段,提取的縱波時差能準(zhǔn)確反映地層的縱波時差,可以不作校正直接應(yīng)用。如果固井質(zhì)量較差,則套管井聲波測井受套管和水泥環(huán)的影響大,提取的縱波時差已不能準(zhǔn)確反映地層的縱波時差。因為,當(dāng)水泥環(huán)與套管及地層膠結(jié)良好時,聲耦合好,聲波能量基本上傳給地層,套管波幅度很小,縱波幅度較大,接收探頭采集到的地層聲波信號強,提取的縱波時差較可靠;當(dāng)水泥環(huán)膠結(jié)較差時,聲耦合不好,大部分聲波能量沿套管傳播,極小部分傳到地層,這時套管波幅度很大,而縱波幅度很小,甚至看不到縱波,接收探頭接收到的套管信號強而地層信號弱,提取的縱波時差很可能是套管波[6-7](套管的時差理論值57.0 μs/ft)。

1.3 井況的影響

裸眼井中全波列波形為縱波、橫波以及斯通利波等后續(xù)波,而在套管井中縱波之前多了一個套管波,套管波傳播速度大于地層傳播速度,先于縱波到達(dá)接收器[4]。井眼擴(kuò)徑是提取縱波質(zhì)量的另外一個影響因素,當(dāng)固井質(zhì)量較好時井眼擴(kuò)徑對縱波影響較小;但是當(dāng)固井質(zhì)量較差時,井眼擴(kuò)徑對縱波影響較大。此外,隨著水泥和套管膠結(jié)時間長短和膠結(jié)程度的不同,使得固井質(zhì)量存在差異,不同材質(zhì)的膠結(jié)物對地層的損傷程度也不同,會影響儀器采集的分辨率。

1.4 地層性質(zhì)的影響

地層中存在天然氣時,縱波速度會明顯增大,而橫波速度基本不受影響。由橫波計算的縱波時差與實測的縱波時差之間的差值可以指示儲層中天然氣的存在?？v波速度對氣和輕質(zhì)油敏感度高,少量的氣或輕質(zhì)油會使它明顯降低。當(dāng)孔隙內(nèi)充滿石油和天然氣,巖層縱波速度比孔隙內(nèi)充滿水的巖層縱波速度要小,即油層、氣層的縱波時差要比相同巖性相同孔隙的水層大,尤其是氣層差別更明顯[8]。下套管后,滲透性地層泥漿的滲透運動停止,地層流體逐步向井壁運移,地層孔隙度和流體性質(zhì)的變化會引起地層聲波時差的改變。從理論上說,對于水層,這種變化不明顯。水泥膠結(jié)好的套管尺寸為8in的井中,縱波時差數(shù)值與該井裸眼井常規(guī)完井測井中聲波時差數(shù)值相關(guān)性系數(shù)接近1[5]。

2 套管井縱波提取方法

由于套管的聲速大于地層的聲速,采用傳統(tǒng)補償聲波測井在套管井中測量不到地層的縱、橫波時差。為獲得地層的縱波時差等信息,在套管井中通常進(jìn)行陣列聲波測井。對于XMAC陣列聲波測井儀器套管井縱波提取方法,以往常采用時域內(nèi)的STC(慢度時間相關(guān)分析)方法、FMD(首波探測的差值檢測法)方法和譜分析的DPD(直接相位分析)技術(shù)提高其垂直分辨率[9]。將理論和實際生產(chǎn)相結(jié)合后發(fā)現(xiàn)上述方法具有不同程度的局限性。

Express解釋軟件采用STC法,該方法主要利用波形的相關(guān)性,當(dāng)聲波波形頻散不嚴(yán)重,或頻散對聲波波形影響比較小時,效果比較好。當(dāng)頻散嚴(yán)重,波形之間的相關(guān)性比較差時,提取的縱橫波及斯通利波的縱向分辨率較低,達(dá)不到儀器的實際分辨能力,難以識別薄層、薄差層[10-11]。

FMD方法理論基于STC法,進(jìn)一步縮小相似度函數(shù)F(s,τ)的自變量取值范圍,簡化計算流程。但是在遇到井況異常時,會丟失數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過人為篩選后,才可以使用。該方法在數(shù)據(jù)處理時受到采樣間隔影響。

用Matrix pencil方法處理陣列聲波測井波形可以得到其二維譜分布,利用譜分析的DPD法對8個陣列聲波波形作FFT得到頻譜,用相位譜建立模型得到波形中所具有的聲波在波數(shù)域的分布[10]。該方法理論性較強,對采集儀器的縱向分辨率要求高。

本文在先前理論的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況,把陣列聲波測井技術(shù)與常規(guī)完井結(jié)合,結(jié)合區(qū)域地層特點進(jìn)行縱波時差提取。

2.1 固井質(zhì)量較好時縱波提取方法

固井質(zhì)量好,即第Ⅰ界面、第Ⅱ界面均膠結(jié)好時,在套管井中用單極全波測量模式測量地層全波信息,測量到的全波信息主要為地層聲波信息,不受套管波影響[12]。采用慢度-時間相關(guān)法(STC)提取縱波[2]。STC法是一種時間域內(nèi)的多道信號相關(guān)分析技術(shù),其算法類似于地層傾角測井資料處理中使用的相關(guān)對比技術(shù)。基本思想是選取合適的處理時窗長度,在第一接收波列的時間軸上移動處理時窗,同時計算每個時間位置上、不同時差對應(yīng)的1組波形的相關(guān)系數(shù)P(0≤P≤1,P=0時表示波形間無任何相關(guān)關(guān)系,P=1表示波形完全一致)。由此,可以得到該組波列對應(yīng)的時間—時差—相關(guān)系數(shù)等值圖。在計算出的時間—時差一相關(guān)系數(shù)等值圖上,可以尋找出1組相關(guān)系數(shù)的局域最大值點,這些點對應(yīng)的時差值為各對應(yīng)的行波最可能的時差值,即獲得縱波、橫波和斯通利波時差。

2.2 固井質(zhì)量較差時縱波構(gòu)建方法

固井質(zhì)量中等或較差時,套管井聲波測井受套管和水泥環(huán)的影響大,用STC法提取的縱波時差不能準(zhǔn)確反映地層的縱波時差。采用偶極聲源的偶極全波測量模式,可以提取橫波時差,橫波時差受套管波的影響較小,能夠反映地層的橫波信息。因此,可以利用橫波時差構(gòu)建縱波時差。

為得到較為準(zhǔn)確的縱波時差,利用鄂爾多斯盆地各區(qū)塊已有的裸眼井陣列聲波測井資料,若儀器分辨率可以達(dá)到工程要求時,對單井?dāng)U徑相對誤差大于28.9%的井段讀取數(shù)據(jù),對850個樣點進(jìn)行裸眼井聲波時差數(shù)據(jù)和套管中測量的縱波時差進(jìn)行分析(見圖1)。

圖1 固井質(zhì)量較差井段縱波時差與聲波時差交會圖

陣列聲波測井時差提取應(yīng)考慮巖性影響。碎屑巖地層屬于低放射性巖性,儲層砂質(zhì)含量較疏松時,鉆遇過程容易發(fā)生井徑異?，F(xiàn)象。自然伽馬曲線與地層所含流體性質(zhì)無關(guān),幅度主要決定于地層放射性物質(zhì),對不同巖性其幅度較為穩(wěn)定,易于實際操作。此外,對于標(biāo)準(zhǔn)層也易于選取。

(1)

圖2 固井質(zhì)量較差井段自然伽馬相對值與縱波時差和聲波時差交會圖

陣列聲波測井資料參照常規(guī)完井資料進(jìn)行深度校正后,統(tǒng)一采樣間隔,在研究井段利用式(1)得到ΔGR值,采用最優(yōu)擬合技術(shù)分別建立自然伽馬相對值和縱波時差縱、聲波時差的關(guān)系。由圖2可以看出,二者分別呈線性關(guān)系。在固井較差層位構(gòu)建縱波時差曲線,式(2)主要適用于盆地碎屑巖剖面地層的橫波時差曲線的構(gòu)建。ΔGR為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化校正、消除異常高放射性的地層自然伽馬值,數(shù)值小于180 API。

Δtc=a×Δts+b×ΔGR+c

(2)

式中,Δtc為縱波時差,μs/ft;Δts為橫波時差,μs/ft;ΔGR為自然伽馬相對值;a、b、c為地區(qū)系數(shù)。

本文分析盆地A、B、C、D和E等5個地區(qū),根據(jù)不同地區(qū)地層特征,a、b、c值不同,對單井?dāng)?shù)據(jù)用多元回歸方程式(3)分別估算求取ai、bi、ci,參照井位部署,對同一地層求取a、b、c。R2是相關(guān)系數(shù),衡量自變量Δts和ΔGR與Δtc之間的相關(guān)程度的大小。最終,得到表1所示的估算方程擬合參數(shù)值。

Δtc1=a1×Δts1+b1×ΔGR1+c0

Δtc2=a2×Δts2+b2×ΔGR2+c1

……

Δtcn=an×Δtsn+bn×ΔGRn+cn-1

(3)

表1 盆地主要區(qū)塊縱波時差估算方程的擬合參數(shù)表

圖3 B地區(qū)經(jīng)過線性回歸處理后縱波時差與伽馬和橫波時差驗證交會圖

3 應(yīng)用實例

圖4 ×1井套管井與裸眼井縱橫波時差對比圖

圖4是×1井套管井與裸眼井縱橫波時差對比圖。圖4顯示,井眼局部有較大擴(kuò)徑,聲波變密度測井顯示固井質(zhì)量整體較好,井眼擴(kuò)徑段顯示稍差,套管井中提取的縱波和裸眼完井聲波時差以及裸眼井偶極提取的縱波匹配關(guān)系比較好,有較好的一致性。聲波變密度測井圖上地層波的信號稍弱,提取的縱波與裸眼完井聲波時差的相關(guān)性略差。

對C區(qū)塊×2井分別提取裸眼井和套管井單極全波列和偶極全波列聲波測井?dāng)?shù)據(jù)(見圖5)。相較于裸眼井單極全波列及單極子頻譜,×2套管井中測得單極子全波列中的初至波及單極子頻譜所反映的非地層的縱波信號而是套管波信號。套管井中的偶極橫波波列及頻譜與裸眼井的偶極橫波波列及頻譜基本一致,反映的都是地層橫波信息。斯通利波主要代表井液和套管特性,幾乎不受圍巖地層信息影響。

圖6是×2井套管井與裸眼井縱橫波時差對比圖。圖6顯示,該井段井況差,井眼大段擴(kuò)徑,聲波變密度顯示固井質(zhì)量較差,局部套管波信號強,縱波信號較弱;套管井中提取縱波時差接近直線,與裸眼完井聲波時差幾乎不相關(guān),相關(guān)系數(shù)0.009[見圖7(a)],縱波時差值在55～58 μs/ft之間,反映的是套管波信息,不反映地層信息,不能用于儲層識別。而套管井提取的橫波時差和裸眼井提取的橫波時差相關(guān)性還比較好,這時,可以利用橫波構(gòu)建縱波。×2井位于C區(qū)塊,采用適用于C區(qū)塊的縱波時差估算方程,通過提取橫波時差計算得到縱波時差。從圖6中看到,由橫波構(gòu)建的縱波時差與裸眼完井聲波時差相比,形態(tài)幅度變化趨勢都比較接近,有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)0.731[(見圖7(b)]。圖8(a)、8(b)分別是砂巖段、泥巖段構(gòu)建的縱波時差與裸眼井聲波時差的交會圖,可以看出砂巖段的相關(guān)系數(shù)較泥巖段高,主要是砂巖井眼較泥巖穩(wěn)定,提取的橫波時差較為準(zhǔn)確。因此,井眼穩(wěn)定的層段構(gòu)建的縱波時差更為準(zhǔn)確些。

圖5 ×2井套管井和裸眼井聲波全波列和波形頻譜對比圖

圖6 ×2井套管井與裸眼井縱橫波時差對比圖

圖7 套管井提取和套管井構(gòu)建縱波時差與聲波時差交會圖

圖8 套管井構(gòu)建縱波時差與聲波時差交會圖

4 結(jié) 論

(1) 套管井提取縱波時差受套管尺寸、固井質(zhì)量、水泥環(huán)膠結(jié)情況、擴(kuò)徑、地層性質(zhì)影響。其中,固井質(zhì)量和水泥膠結(jié)情況是主要影響因素。構(gòu)建縱波時差時應(yīng)考慮地區(qū)地層規(guī)律,分區(qū)域求取可以提高縱波的真實性。

(3) 套管井陣列聲波測井可以作為彌補在裸眼井無法采集到聲波測井資料的一種較好的方法,但也具有一定的局限性。套管井提取的聲波質(zhì)量主要受固井質(zhì)量的影響,固井質(zhì)量越好,提取的縱波時差越準(zhǔn)確。因此,陣列聲波測井資料在套管井中的應(yīng)用必須與固井質(zhì)量資料相結(jié)合,有目的性地測量,才能獲得較為理想的資料。

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