蔡 明, 章成廣, 韓 闖, 楊 博, 唐 軍, 鄭恭明

(1.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430100; 2.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院,湖北武漢 430100; 3.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆庫爾勒 841000)

裂縫測(cè)井評(píng)價(jià)方法主要包括常規(guī)測(cè)井[1-5]、成像測(cè)井[2,6-10]、陣列聲波測(cè)井[1,5,11-14]和反射聲波成像測(cè)井評(píng)價(jià)法[5,15-16]。常規(guī)測(cè)井評(píng)價(jià)法側(cè)重于裂縫的定性評(píng)價(jià)。成像測(cè)井評(píng)價(jià)法主要是利用微電阻率和超聲成像測(cè)井資料對(duì)井壁裂縫進(jìn)行定量評(píng)價(jià),但成像測(cè)井探測(cè)深度淺,無法評(píng)價(jià)裂縫向井外延伸的情況,對(duì)裂縫有效性評(píng)價(jià)效果有待提高[1,5]。陣列聲波測(cè)井徑向探測(cè)深度大,可用于裂縫寬度及其向井外延伸情況的評(píng)價(jià),彌補(bǔ)成像測(cè)井評(píng)價(jià)法的不足[1,5]。但陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)法目前尚不完善,斯通利波一般只用于識(shí)別裂縫及裂縫滲透率的評(píng)價(jià),偶極橫波一般只用于裂縫各向異性參數(shù)的評(píng)價(jià)。為了充分利用陣列聲波測(cè)井中的橫波信息,更好地定量評(píng)價(jià)裂縫參數(shù)和有效性,有必要研究裂縫對(duì)橫波傳播的影響規(guī)律。Hudson等[17-26]從理論、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的角度主要研究了裂縫對(duì)縱波波速和衰減以及橫波分裂的影響。筆者主要針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層裂縫定量評(píng)價(jià)問題,采用物理實(shí)驗(yàn)手段研究微米級(jí)裂縫對(duì)橫波衰減的影響規(guī)律,并將研究結(jié)果用于儲(chǔ)層微裂縫張開度測(cè)井評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示,將標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖心樣品沿橫向切割成相等的兩段,橫切面拋光磨平,然后將兩段巖心對(duì)接在一起,并在兩端分別安置超聲橫波發(fā)射探頭和接收探頭(發(fā)射探頭和接收探頭的偏振方向應(yīng)保持一致,探頭和巖心樣品之間以高黏度黃油做耦合劑),通過超聲脈沖發(fā)生接收儀給發(fā)射探頭施加激勵(lì)信號(hào)使發(fā)射探頭發(fā)出聲波信號(hào),聲波信號(hào)穿過巖心樣品被接收探頭接收到,并傳送至超聲脈沖發(fā)生接收儀,最后通過高精度信號(hào)采集儀(或示波器)采集記錄數(shù)字化波形信號(hào)即得到穿過含裂縫巖心樣品的橫波波形。

分別測(cè)量記錄兩段巖心直接對(duì)接以及對(duì)接面之間填充不同厚度PET薄膜(薄膜聲學(xué)性質(zhì)和水接近,用于模擬不同寬度裂縫)時(shí)的橫波波形,并以巖心直接對(duì)接(認(rèn)為此時(shí)裂縫寬度為0 m)時(shí)的橫波前兩個(gè)周期波形幅度作為參考幅度,分析含不同寬度裂縫巖心樣品對(duì)應(yīng)的橫波前兩個(gè)周期波形幅度,可計(jì)算出相應(yīng)的橫波衰減系數(shù),計(jì)算公式為

(1)

式中,α為橫波衰減系數(shù);l為對(duì)接巖心總長(zhǎng)度;A0為裂縫寬度為零時(shí)測(cè)量的橫波波形幅度;A為裂縫寬度不為零時(shí)測(cè)量的橫波波形幅度。

圖1 含裂縫巖心實(shí)驗(yàn)測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of fractured core acoustic experiment

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品及裝置

實(shí)驗(yàn)巖心樣品包括孔隙度(φ)分別為4.5%、6.3%和7.5%,長(zhǎng)度分別為6.83、6.57和6.27 cm的3塊圓柱狀致密砂巖樣品(分別記為S1、S2和S3),樣品直徑均為2.5 cm,均來自塔里木油田庫車地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層。實(shí)驗(yàn)測(cè)量前先將3塊巖心樣品沿橫向各切割成近似相等的兩段(分別標(biāo)記為S1a和S1b、S2a和S2b、S3a和S3b),橫切面拋光磨平備用。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括橫波發(fā)射探頭和接收探頭、超聲波脈沖發(fā)生接收儀CTS_8077PR、高精度信號(hào)采集儀、數(shù)字示波器UTC2102CEL、軸向夾持壓力定量可調(diào)的巖心樣品夾持器、不同厚度的PET薄膜、高黏度黃油、雙頭BNC探頭信號(hào)源連接線和電子游標(biāo)卡尺。

2.2 測(cè)量方法

將超聲橫波發(fā)射探頭和接收探頭分別安裝在軸向夾持壓力定量可調(diào)的巖心樣品夾持器的兩個(gè)端口上(探頭被緊固在端口上,且發(fā)射探頭和接收探頭的偏振方向應(yīng)保持一致);然后將S1a和S1b巖心對(duì)接在一起(對(duì)接面之間不填充或填充不同厚度的PET圓盤狀薄膜),并在對(duì)接巖心兩個(gè)端面均勻涂抹高黏度黃油后夾持在發(fā)射探頭和接收探頭之間,調(diào)節(jié)夾持器的夾持力使巖心兩端的壓力為0.8 MPa;再通過超聲脈沖發(fā)生接收儀給發(fā)射探頭施加方波脈沖激勵(lì)信號(hào)(主頻200 kHz,幅度50 V)使發(fā)射探頭發(fā)出聲波信號(hào),聲波信號(hào)穿過巖心樣品被接收探頭接收到并傳送至超聲脈沖發(fā)生接收儀,最后通過高精度信號(hào)采集儀(或示波器)采集記錄數(shù)字化波形信號(hào)即得到穿過含裂縫巖心樣品的橫波波形。實(shí)驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Experimental devices

具體實(shí)驗(yàn)測(cè)量步驟如下:

(1) 分別制備厚度為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、260、320、380、440和500 μm的PET圓盤狀薄膜,圓盤薄膜的直徑為2.5 cm。

(2)測(cè)量并紀(jì)錄S1a和S1b巖心直接對(duì)接時(shí)(認(rèn)為裂縫寬度為零)的橫波波形,期間用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄對(duì)接巖心的長(zhǎng)度。

(3) 保持軸向夾持力等實(shí)驗(yàn)條件不變,測(cè)量并記錄S1a和S1b巖心對(duì)接面之間填充不同厚度PET圓盤狀薄膜時(shí)的橫波波形,期間用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄對(duì)接巖心的長(zhǎng)度。

(4) 重復(fù)步驟(1) ～ (3),測(cè)量并記錄S2a和S2b以及S3a和S3b巖心在不同裂縫寬度條件下的橫波波形。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的S2巖心樣品在不同裂縫寬度條件下的波形如圖3所示(圖中虛線標(biāo)示了橫波的初至?xí)r刻)。由圖3可以看出,隨著裂縫寬度的增大,橫波幅度逐漸減小。統(tǒng)計(jì)3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下測(cè)量的橫波波形幅度,得到歸一化橫波幅度(橫波幅度與裂縫寬度為零時(shí)的橫波幅度之比)隨裂縫寬度變化關(guān)系,如圖4所示。由圖4可以看出,不同孔隙度的3組巖心樣品的橫波幅度均隨裂縫寬度的增加而減小,且裂縫寬度約小于250 μm時(shí)橫波幅度隨裂縫寬度變化相對(duì)更快。

圖3 S2樣品在不同裂縫寬度條件下測(cè)量的橫波波形Fig.3 Experiment shear waveforms of sample S2 with different fracture width

由上述統(tǒng)計(jì)的3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下測(cè)量的橫波波形幅度,并結(jié)合式(1)可計(jì)算出3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下測(cè)量橫波的衰減系數(shù),進(jìn)而得到橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化關(guān)系,分別如圖5(a)～(c)所示,其中散點(diǎn)為不同裂縫寬度對(duì)應(yīng)的衰減系數(shù),實(shí)線為相應(yīng)的二次多項(xiàng)式擬合曲線。3條擬合曲線的對(duì)比圖如圖5(d)所示。由圖5(a)～(c)可以看出,不同孔隙度的3組巖心樣品對(duì)應(yīng)的橫波衰減系數(shù)均隨裂縫寬度的增加而增大,且裂縫寬度約小于250 μm時(shí)橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化相對(duì)更快,說明橫波衰減對(duì)窄裂縫寬度的變化更為敏感。由圖5(d)可以看出,同等裂縫條件下孔隙度較小的巖心樣品對(duì)應(yīng)的橫波衰減系數(shù)相對(duì)更大,且隨裂縫寬度變化更快,這可能是由于孔隙度較小的巖心樣品中橫波本底衰減(由除裂縫之外的因素引起的衰減)較小,當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)衰減明顯增大;而孔隙度相對(duì)較大的巖心樣品中橫波本底衰減較大,當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)衰減增大相對(duì)平緩。

4 基于橫波衰減的微裂縫張開度測(cè)井評(píng)價(jià)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于平板狀裂縫且當(dāng)裂縫面與橫波傳播方向近似垂直時(shí),橫波衰減系數(shù)與微米級(jí)裂縫寬度(張開度)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此可利用橫波衰減系數(shù)對(duì)微裂縫張開度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。對(duì)于圖5(a)～(c)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以橫波衰減系數(shù)α作為自變量,以裂縫張開度w作為因變量進(jìn)行擬合可得到裂縫寬度關(guān)于橫波衰減系數(shù)的實(shí)驗(yàn)公式

(2)

利用陣列聲波測(cè)井采集到的單極全波陣列波形或偶極橫波陣列波形數(shù)據(jù)獲取裂縫橫波衰減系數(shù)(以無裂縫段地層橫波幅度作為參考幅度A0,式(1)中l(wèi)取聲源到接收器的距離),并結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)公式(2)即可對(duì)儲(chǔ)層微裂縫張開度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。由圖5(d)可知,不同孔隙度條件下,裂縫橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化曲線趨勢(shì)一致,但形態(tài)存在一定的差異。因此利用實(shí)驗(yàn)公式(2)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層微裂縫張開度可根據(jù)儲(chǔ)層孔隙度分布范圍選擇合適的公式進(jìn)行計(jì)算,也可根據(jù)公式(2)的擬合曲線進(jìn)行插值得到精度更高的微裂縫張開度與裂縫橫波衰減系數(shù)關(guān)系圖版進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由于在單極全波列測(cè)井和偶極橫波測(cè)井過程中,橫波(或彎曲波)在井壁附近幾米范圍內(nèi)的地層中傳播[5],故利用裂縫橫波衰減系數(shù)可以對(duì)井壁附近地層中的裂縫張開度和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià),避免井壁上的誘導(dǎo)縫等非有效裂縫的干擾,彌補(bǔ)成像測(cè)井裂縫評(píng)價(jià)法在裂縫有效性評(píng)價(jià)方面的不足。

利用塔里木油田X井的XMAC陣列聲波測(cè)井和微電阻率成像等資料,結(jié)合上述微裂縫張開度評(píng)價(jià)方法對(duì)塔里木油田庫車地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層裂縫發(fā)育情況進(jìn)行評(píng)價(jià),得到的成果圖如圖6所示。由圖6中縱橫波幅度及裂縫等效寬度曲線與電成像裂縫處理解釋結(jié)果對(duì)比可以看出,縱波幅度變化對(duì)裂縫不夠敏感,而橫波幅度變化對(duì)裂縫較為敏感,且由裂縫橫波衰減計(jì)算的裂縫等效寬度與電成像解釋成果圖中顯示的裂縫發(fā)育程度吻合較好,證實(shí)了基于橫波衰減的裂縫張開度評(píng)價(jià)方法的可行性和正確性。

需要說明的是,由裂縫橫波衰減計(jì)算的裂縫等效寬度經(jīng)巖心觀察裂縫參數(shù)刻度后可能更好地反映裂縫的發(fā)育情況和有效性,為進(jìn)一步利用橫波衰減信息反演裂縫滲透率提供條件。另外,本次實(shí)驗(yàn)研究未考慮裂縫傾角對(duì)聲波衰減的影響,且未研究毫米級(jí)及以上的裂縫對(duì)橫波衰減的影響規(guī)律,因此實(shí)驗(yàn)結(jié)論主要適用于指導(dǎo)利用橫波測(cè)井資料對(duì)水平的或低角度的微裂縫張開度進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外,本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量有限,故研究規(guī)律的適用范圍可能具有區(qū)域局限性,對(duì)于其他區(qū)域,可采用與本文類似的方法研究取得適用于研究區(qū)的更準(zhǔn)確的裂縫寬度對(duì)橫波衰減的影響規(guī)律,并用于指導(dǎo)微裂縫張開度測(cè)井評(píng)價(jià)。

圖6 X井裂縫評(píng)價(jià)成果Fig.6 Fracture evaluation results of well X

5 結(jié)束語

針對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層裂縫評(píng)價(jià)問題,采用物理實(shí)驗(yàn)手段研究了裂縫寬度對(duì)橫波衰減的影響。3組巖心樣品在不同裂縫寬度條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明,橫波幅度隨裂縫寬度的增加逐漸減小,橫波衰減系數(shù)隨裂縫寬度的增加有規(guī)律地增大,且裂縫寬度約小于250 μm時(shí)橫波幅度和衰減系數(shù)隨裂縫寬度變化相對(duì)更快;另外,同等裂縫條件下孔隙度較小的巖心樣品對(duì)應(yīng)的橫波衰減系數(shù)相對(duì)更大,且隨裂縫寬度變化更快,說明橫波衰減系數(shù)對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層微裂縫寬度變化更為敏感。將實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果用于指導(dǎo)利用橫波測(cè)井資料評(píng)價(jià)致密砂巖儲(chǔ)層裂縫張開度,對(duì)塔里木油田庫車地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層橫波測(cè)井資料的處理結(jié)果表明,由裂縫橫波衰減計(jì)算的裂縫等效寬度與電成像解釋成果圖中顯示的裂縫發(fā)育程度吻合較好,證實(shí)了基于橫波衰減的裂縫張開度評(píng)價(jià)方法的可行性和正確性。該裂縫評(píng)價(jià)方法可在一定程度上彌補(bǔ)成像測(cè)井裂縫評(píng)價(jià)法的不足,進(jìn)一步完善裂縫評(píng)價(jià)方法體系。本文中主要通過巖石物理實(shí)驗(yàn)研究了平板狀裂縫寬度對(duì)橫波衰減的影響規(guī)律及其在儲(chǔ)層微裂縫張開度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。裂縫傾角、裂縫填充情況、毫米級(jí)及以上的裂縫寬度等因素對(duì)橫波衰減的影響規(guī)律及其應(yīng)用等還需要進(jìn)一步開展研究工作。