交叉偶极声波测井资料在地层各向异性检测中的应用

梁晓东 吕秀梅

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆)

交叉偶极声波测井资料在地层各向异性检测中的应用

梁晓东 吕秀梅

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江大庆)

交叉偶极声波测井仪器特殊的发射接收结构使其能够实现各向异性测量。文章在介绍各向异性检测原理基础上将偶极声波测井资料用于地层各向异性检测中。通过对资料的进一步处理并借助其它测井资料,可以区分层理等引起的固有各向异性和应力诱导的各向异性,从而实现井周异常应力的定性判断。

声波测井;交叉偶极;横波;各向异性;地应力

0 引 言

声波测井是石油地球物理测井的重要方法之一[1]。当岩石受到声的激励时,折射进入地层的声波能量以哪种模式传播取决于很多因素,其中最重要的是岩石骨架的组成及其石油物理特性,另外,井孔的大小形状、裂缝以及原生应力或诱导应力的存在也会对声信号产生影响。通过分析记录的声波信号我们能够得到关于这些岩石特性的一些结论。

利用声波测井求取岩性和储层参数,既需要纵波信息,也需要横波速度。由于单极源激发的横波信号比较弱,由单极声测井提取的横波速度精度不高,在地层的横波速度小于井内流体速度的软地层情况,单极声测井不能测量得到横波。近年来发展起来的偶极(多极)声波测井可以直接测量地层的横波速度,目前该技术已经不仅局限于测量横波速度,还可以提供以前无法得到的各向异性信息。地层各向异性的确定在油藏勘探和开发中越来越重要[2～5],用于推断区域应力场的走向,确定裂缝强度及走向并可推断层理引起的各向异性等。交叉偶极声波测井仪器的发射和接收结构决定了该方法能够测量井孔周围3～5倍井径范围内的声学各向异性。最近,在利用声波测井资料计算岩石弹性力学参数基础上进行套损预测已成为研究与应用者关注的热点。

1 交叉偶极阵列声波测井仪器简介

偶极横波测井仪器包括Schlumberger公司的偶极横波成像仪(DSI),Atlas公司的交叉多极阵列声波测井仪(XMAC)以及Halliburton公司的交叉偶极阵列声波测井仪(WST)。这些仪器可以同时实现长源距单极声波测井和偶极阵列声波测井,其结构和基本原理大致相同,只是性能略有不同。

DSI发射探头包括一个双频单极发射器(14和1 kHz)和两对互相垂直的偶极(2.2 kHz)发射器。最新研制的DSI的偶极发射器的激发频率可以低于1kHz,更适应于大井眼和软地层的横波测量。接收探头为间隔15 cm(6 in)的8接收器阵列,在每一接收器位置包含两个检波器对,其中一对与上偶极发射器方向一致,另一对与下偶极发射器方向一致。在测井过程中,不同的偶极发射器发射,偶极接收器同时接收,通过对接收信号进行适当处理得到交叉的偶极信号或单极信号。

XMAC结构和原理与DSI仪器基本相同。XMAC单极发射器频率范围约为6 kHz～12 kHz和0.3 kHz～1.5 kHz,偶极发射器的频率范围约分别为1 kHz～2 kHz和3 kHz～5 kHz。用四个相互正交的压电金箔以不同的形式可以组合成单极子、偶极子和四极子声源,并且由此形成的交叉偶极换能器在同一深度上,从而在一定程度上减少了声源引起的不确定性。

WST也是单极与偶极阵列组合,其结构和原理与DSI及XMAC基本相同。WST单极发射器频率范围约为2 kHz～20 kHz;偶极发射器有三种主频(1.2 k、1.5 k和2.2 k)供选择,以适应不同的地层和井眼情况。与前两种仪器不同的是,该仪器在测量过程中将所有接收器接收的波形都进行了压缩存储,在数据处理中,根据需要选择单极或偶极模式处理。

2 交叉偶极各向异性测量方法

图1 方位各向异性地层中交叉偶极测井图解

交叉偶极阵列声波测井能够用于地层的各向异性检测。图1给出的是偶极声波测井仪的发射与接收结构,其中X、Y是两个正交发射器,x、y是两个正交接收器,发射器与相应的接收器方向相一致。考虑方位各向异性地层(TIH介质)中偶极声波测井,X发射器与各向异性主方向的夹角为θ。X、Y发射器发射的信号经过地层以后分别由x接收器和y接收器记录,从而得到四分量数据。各向异性地层的声学特征在于沿不同方向偏振的波传播速度不同,对纵波只有沿不同方向传播才能观察到其波速的差别,而对横波,沿同一方向传播,但偏振(或极化)方向不同的波也将以不同的速度传播。在各向异性介质中沿某方向激发的横波会由于偏振的不同而分成快、慢不同先后到达接收器的两个波。当θ为0°或90°时,只能激发快弯曲波或慢弯曲波,这种情况下产生的弯曲波称为主弯曲波。根据叠加原理,快慢主弯曲波可以用交叉偶极声波测井仪器记录的四分量测井数据经过变换得到:

其中,s1 1(t)、s2 1(t)、s1 2(t)、s2 2(t)是偶极声波测井记录的四分量数据。由公式(1)和(2)可以实现各向异性方向和快慢主弯曲波测量,进一步处理可以确定各向异性大小。

3 由交叉偶极测井数据反演地层各向异性的实例与分析

根据交叉偶极各向异性测量方法编制了各向异性反演软件。利用反演软件对实际资料进行反演处理和分析,可以给出各向异性分析结果。

3.1 层理引起的各向异性

徐132某井1 575 m～1 602 m井段的交叉偶极阵列声波测井资料解释结果图如图2所示。第4～6道给出的是单极和偶极全波相似相关处理结果,提取给出纵横波时差曲线,第1道给出的分别是两个同向偶极分量xx和yy的横波时差提取结果,第2道给出的是由单极全波提取得到的纵波和斯通利波时差。最后一道给出的是单极全波列。

图2 徐132某井交叉偶极声波测井解释结果

由图可以看出,所示井段能够得到很好的纵波和横波时差测量结果,利用纵横波时差以及其它测井方法提供的密度测井结果可以进一步求出岩石的力学参数:泊松比、杨氏模量、剪切模量和体积模量。这些参数是定性分析井壁稳定性所需要的,同时这些参数可以进一步用于计算地层的破裂压力和闭合压力等参数。

图3 徐132-72井各向异性解释结果

徐132某井1 590 m～1 633 m井段的各向异性解释结果如图3所示。利用交叉偶极声波测井仪测量的四分量数据可以得到各向异性的主方向和大小(第4道)。在第4道中给出了交叉偶极声波测井四分量数据经过处理得到的快慢横波时差,可以看出,在1 592 m～1 594 m井段,快慢横波时差明显不同,即该井段存在明显的各向异性从而导致快慢横波以不同的速度传播。另外,由第5道记录的两组偶极全波可以看出,快慢波发生了分裂,即该井段存在明显的各向异性。

交叉偶极声波测井测量得到的各向异性可能是层理或地层中存在的裂缝引起的本征各向异性,也可能是井周存在的异常应力引起的。另外井孔形状的不规则也会引起偶极横波速度的各向异性。参照该井的井径测井曲线可以看出,在测量井段,井径基本一致,没有井径扩大井段,可以判断该井段出现的各向异性不是由井径扩大引起的。要区分本征各向异性和应力诱导各向异性,需对测井资料进行进一步处理。Sinha等(1996)[3]等的研究结果表明,应力诱导的各向异性与裂缝等引起的本征各向异性的差别在于应力诱导的各向异性会引起快慢横波频散曲线出现交叉现象。利用频散波提取技术[5]对快慢弯曲波进行处理,得到各向异性井段的偶极横波频散分析结果。图4给出的是徐132-72井1 592.8 m深度处的横波频散分析结果,其中左上图是由四分量测井数据通过处理得到的快弯曲

图4 徐132-72井1 592.8 m处频散分析结果

波和慢弯曲波全波列,右上图是相应的频谱,由声源和地层特性决定,能量主要集中在1 kHz～2.5 kHz频率段。下图是由谱域加权相似法得到的该深度点的弯曲波频散分析结果。两条曲线分别对应快慢主弯曲波,快慢弯曲波的频散曲线没有明显的交叉现象,判断为本征各向异性,另外该井进行的CAST测井可以看出,该井段为沙泥岩交互层理。

3.2 井周异常应力引起的各向异性

利用X13某井交叉偶极测井数据进行了各向异性分析,图5给出了该井1 060 m～1 100 m井段的各向异性解释结果,其中第1道给出的是井径(CAL)、自然伽马(GR)、密度(DEN)曲线,第2道给出的是纵波时差(DTC)、横波时差(DTS)、和斯通利波时差(DTSTONELY)曲线。第3道给出的是快、慢横波时差曲线,可以看出在某些井段快慢弯曲波以不同速度传播。第4道给出了各向异性大小和方向。由自然伽马和密度测井曲线可以看出,1 087 m～1 096.5 m井段为砂岩层,在声波时差曲线上也有所体现。该井在1 087 m～1 096 m井段存在明显的横波各向异性。为进一步分析该井段的各向异性的性质,对该井段的快、慢弯曲波进行频散分析。图6给出了1 093 m～1 094.5 m井段快慢弯曲波频散分析结果。其中,左图是快、慢弯曲波首道全波波形,快、慢弯曲波明显分开说明了该段地层具有较大横波各向异性。右图给出的是所示井段内所有频谱和快、慢弯曲波频散曲线对深度取平均后得到的平均频谱和平均弯曲波频散曲线。可以看出声源的主要能量集中在2 kHz～3.5 kHz频率段,并且快弯曲波(黑线)和慢弯曲波(红线)频谱有较好的相关性。进行深度平均是为了消除单一深度点数据旋转或频散分析中的噪声影响。从弯曲波速度图中可以看出,在1 093 m～1 094.5 m段的快、慢弯曲波频散曲线产生交叉,交叉点在2.7 kHz左右。通过上述对弯曲波频散分析可以看出,在1 093 m～1 094.5 m井段的各向异性是由异常应力诱导的各向异性,各向异性方向与水平主应力的方向一致,在此基础上,可以进一步的反演井周异常应力的大小。

图5 x13-d1某井各向异性解释结果

图6 x13-d1某井频散分析结果

4 结 论

在分析交叉偶极阵列声波测井各向异性检测原理基础上,对两口测井资料进行了各向异性处理分析。在资料分析的基础上,得到以下几点认识:

1)利用交叉偶极声波测井仪的四分量测量数据可以反演得到地层的各向异性方向和大小,测量的各向异性可能是地层的本征各向异性也可能是应力诱导的各向异性。

2)利用谱域加权法得到的偶极弯曲波频散曲线可以区分应力诱导各向异性和本征各向异性。

3)声源频谱影响各向异性频散分析结果,声源频谱越好,频散分析结果越可靠。

[1] 楚泽涵.声波测井原理[M].北京:石油工业出版社,1987

[2] Tang,X.M.,and Chunduru,R.K.Simultaneous inversion of formation shear-waveaniso-tropy parameters from crossdipole acoustic-array waveform data[J].Geophysics,1999,64

[3] Sinha,B.K.,and K ostek,S.Stress-induced azimuthal anisotropy in borehole flexural waves[J].Geophysics,1996,61(6)

[4] 曹正良,王克协.同态处理与谱域加权相似法在模式波频散提取中的应用[A].第十八届中国地球物理学会年刊(北海),2002

[5] 吕秀梅,王克协,谢荣华,等.利用交叉偶极声波测井资料确定地层各向异性参数[A].第十八届中国地球物理学会年会(北海),2002

P631.8+3

B

1004-9134(2010)05-0061-03

梁晓东,男,1971年生,工程师,1995年毕业于大庆石油学院矿场地球物理专业,长期从事测井解释方法研究工作,现任大庆油田测试技术服务分公司技术发展部副主任。邮编:163412

2010-04-20编辑梁保江)

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