地层裂缝的各向异性横波传播特性实验分析

赵 军,侯克均,陈一健,文晓峰

(1.西南石油大学资源与环境学院,四川成都610500; 2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部,陕西西安710200)

地层裂缝的各向异性横波传播特性实验分析

赵 军1,侯克均1,陈一健1,文晓峰2

(1.西南石油大学资源与环境学院,四川成都610500; 2.中国石油集团测井有限公司长庆事业部,陕西西安710200)

根据横波在裂缝性地层中传播所导致的分裂现象,在实验室利用声波探头测试裂缝性岩心的横波传播特性,分析横波的各向异性特征与裂缝宽度和裂缝方向的关系。通过实验分析,快、慢横波的幅度衰减及传播速度与裂缝宽度关系明显,且不同产状的裂缝对横波各向异性的影响具有明显的差异。实验发现,平行于裂缝延伸方向传播的横波其能量衰减明显小于垂直裂缝方向传播的横波,其速度要明显快于垂直裂缝方向传播的横波。随着裂缝宽度的增加,快横波和慢横波的振幅、传播速度随之降低,且它们之间的幅度差随裂缝宽度的增加而增大、传播时间差随裂缝宽度的增加而增大;水平裂缝对快、慢横波特性的影响要大于斜交缝对它们的影响。可以利用横波的各向异性特征有效地识别裂缝方向,从而为偶极横波测井资料在裂缝的检测与压裂效果的评价提供实验指导依据。

声波测井;横波分裂;各向异性;人工裂缝;探头;压裂

0 引 言

为了提高低孔隙度低渗透率油气藏的开采效益,必须对其实施增产措施,通过水力压裂的方式把产层压开并建立缝隙系统[1-2]。由裂缝引起的地层方位各向异性介质,称为扩容各向异性介质。了解岩石各向异性可以帮助设计压裂方案、确定地层应力的大小和方位以及裂缝的强度和取向等[3-4]。地层的各向异性特征会造成横波传播特性的改变,产生所谓的快、慢横波,平行裂缝走向偏振的横波分量以较快的速度传播,称为快横波;垂直裂缝走向偏振的横波分量以较慢的速度传播,称为慢横波,这种现象被称为横波分裂[5]。在各向异性介质中,不同偏振的横波传播特性是不同的。为了解不同裂缝及其产状对横波在速度及幅度等传播属性的影响,本文通过实验的方法,对长庆油田的岩样在垂直、水平及斜交等3种裂缝产状的条件下,测量了在不同的裂缝宽度和方向上横波传播的速度及能量的变化。实验结果表明,在以上3种条件下,横波的传播特性表现出明显的变化,反映出较明显的各向异性特征。该结果可为现场正交偶极横波测井资料评价地层的各向异性及其压裂效果提供参考依据。

1 横波在各向异性介质中传播的理论基础

线性条件下,弹性体中的应力σij与应变εlm满足广义虎克定律,可以表示为

式中,Kij,lm是弹性常数。在各向异性弹性体中, Kij,lm最多的独立常数有21个,但是根据各种对称性质,独立常数的数目会减少。对于各向同性的弹性体 Kij,lm是2个常数,即拉曼常数。一般平面波的位移解可表示为

式中,ω是角频率;β是角波数矢量的模;l(l1,l2,l3)是波数的单位矢量;α(α1,α2,α3)为波场中媒质质点的位移振幅。在各向同性体中,对于纵波、横波,α分别平行和垂直于l。如果式(2)是波动方程的解,必须有

令c=ω/β,式(3)可以写成

式(4)叫Christoffel方程,Bil叫Christoffel矩阵,Bil决定于弹性常数和波矢量β的方向l。由于Bil= Kij,lm ljlm=Kij,lm lmlj=Bli,所以 Bli是对称矩阵。式(4)写成分量形式为

当给定 Kij,lm和 l以后,Bil是己知的,此时式(6)中α(α1,α2,α3)有非0解的条件是其系数行列式为0,由此可得到关于c2的三次方程式,可以解出3个c值,它们分别代表1个纵波和2个横波声速,将每一个声速c的值代入式(6)就可以得到1个α(α1,α2, α3),即对应于该种波的偏振方向。与各向同性体中的波不同,一般各向异性体中的波的偏振方向a并不总是严格平行或垂直于传播方向l,称其为准纵波和准横波。横波的波速不再是1个值,而是一分为二,出现了2个横波,称之为快、慢横波。

2 测量方法及过程

实验的岩心样品来自于长庆油田。样品规格为直径2.5 cm、长3.5 cm的圆柱形岩样。根据实验要求,采用巴西实验法将岩样破裂成水平缝、斜交缝和垂直缝,然后通过垫不同厚度的金属片建立0.05、0.15、0.3、0.6 mm等4种裂缝宽度。

图1 横波振动方向与裂缝的关系

为了测量不同裂缝方向和裂缝宽度岩心的横波传播时差和幅度,将造好缝的岩心夹在声波测量夹持器中,保持轴向压力16 M Pa,两端分别放置正交横波发射和接收换能器,顺 X方向和Y方向测量岩心的横波波形(见图1)。在测量这些有裂缝岩心样品的横波波形之前,先要测量这些岩心在无缝条件下的横波波形,以便与有缝岩心的横波作比较。

对每一种裂缝产状,分别选取了5块岩样,首先测量了无缝条件下 X方向和Y方向的横波波形,然后按照0.05、0.15、0.3、0.6 mm等4种缝宽,分别对水平缝、斜交缝和垂直缝岩样进行了 X方向和Y方向的横波测量,得到了不同裂缝产状及宽度条件下的随时间的波形曲线(见图2)。

图2 6A号岩心垂直缝X与Y方向波形图

3 实验数据处理与分析

对所测量的波形数据采用STC技术进行处理,以便提取不同缝宽和方向的横波首波时间[6-8]。STC处理技术采用了一种相似性算法,其基本过程是首先设置1个固定长度的时间窗口,然后每次以1个较小并重叠的步长角移动窗口,并计算这个窗口内所有波形的相关系数,然后以1个步长整体移动这个窗口,再做上面的步长角移动,计算这个窗口内所有波形的相关系数,依次类推,当某个窗口位置的时间和步长移动角正好对应于横波的首波时间时,此时具有最大的相关系数,这时计算的时间就是横波的首波时间。利用该方法处理测量的各个波形,就可得到不同产状裂缝在不同缝宽条件下 X和 Y方向上的横波首波时间[9-10]。

3.1 水平缝

水平裂缝在横波探头的作用下会产生平行水平缝方向的快横波和垂直水平缝方向的慢横波。表1是快、慢横波幅度与传播时间测量数据表。从表1中可以看出,随着裂缝宽度的增加,无论是快横波还是慢横波,其振幅都是随之降低的,也就是说其能量衰减越来越大。快横波的衰减幅度要小于慢横波的衰减幅度,快横波的传播速度也明显快于慢横波,且它们之间的幅度差和传播时间差均随裂缝宽度的增加而增大(见图3)。

图3 水平缝横波幅度及传播时间与缝宽的关系图

3.2 斜交缝

表1 水平缝条件下快、慢横波幅度与首波时间测量数据表

与岩心轴线斜交的裂缝也会产生平行于斜交缝方向快横波和垂直于斜交缝方向的慢横波。表2是快、慢横波幅度与传播时间测量数据表。从表2中可以看出,随着裂缝宽度的增加,快、慢横波的振幅随之降低,能量衰减越来越大。但快横波的衰减幅度要小于慢横波的衰减幅度,传播速度则明显快于慢横波,且它们之间的幅度差和传播时间差均随裂缝宽度的增加而增大(见图4)。

3.3 垂直缝

当发射探头与岩心裂缝垂直时,将不会产生快横波和慢横波。表3是沿2个正交方向上测得的横波幅度与传播时间数据表。从表3中可以看出,随着裂缝宽度的增加,2个方向上横波的振幅降低,能量衰减也增大。但2个方向的横波表现出一致的衰减幅度。2个方向横波的传播时间均随裂缝宽度的增大而增加,且两者差别不大。

从这3种裂缝所得到的测量结果中可看出,裂缝的产状对横波的传播特性有较大的影响,水平裂缝对快、慢横波特性的影响要大于斜交缝对它们的影响。图5是3种裂缝的快、慢横波幅度差随裂缝宽度的变化关系图,从图5中可看出,随缝宽增大,水平缝对快、慢横波幅度差的变化最大,斜交缝次之,垂直缝基本没有变化。图6是3种裂缝的快、慢横波传播时间差随裂缝宽度的变化关系图,从图6中同样可以看出,随缝宽增大,水平缝对快、慢横波时间差的变化最大,斜交缝次之,垂直缝基本没有变化。

表2 斜交缝条件下快、慢横波幅度与首波时间测量数据表

图4 斜交缝横波幅度及传播时间差与缝宽的关系图

表3 垂直缝条件下平行与垂直方向横波幅度与首波时间测量数据表

图5 不同裂缝缝宽与横波幅度差关系

图6 不同裂缝缝宽与横波时间差关系

4 结 论

(1)裂缝性岩石存在明显的各向异性特征,横波在其中传播会产生分裂现象。实验结果表明,分裂后的快、慢横波在幅度及传播速度上有明显的差异,平行于裂缝延伸方向传播的横波,其能量衰减要明显小于垂直裂缝方向传播的横波;其速度要明显快于垂直裂缝方向传播的横波。

(2)随着裂缝宽度的增加,无论是快横波还是慢横波,其振幅都是随之降低的,也就是说其能量衰减越来越大。且它们之间的幅度差随裂缝宽度的增加而增大

(3)随着裂缝宽度的增加,快横波和慢横波的传播速度都随之降低,且它们之间的传播时间差随裂缝宽度的增加而增大。

(4)裂缝的产状对横波的传播特性有较大的影响,水平裂缝对快、慢横波特性的影响要大于斜交缝对它们的影响。

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Experimental Analysis of Shearing Wave An isotropic Propagation Characteristics in Fractured Formation

ZHAO Jun1,HOU Kejun1,CHEN Yijian1,WEN Xiaofeng2
(1.School of Resources and Environment,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500; 2.Changqing Division,China Petroleum Logging CO.L TD.,Xi’an,Shaanxi 710200,China)

The formation generally form s artificial fracture w hen fracturing it.But fissured fo rmation usually has anisotropic characteristics.On the basis of sp lit phenomenon w hich is caused by S-wave p ropagating in the fissured formation,tested are p ropagation characteristics of S-wave about fissured core using acoustic p robe in the labo ratory,and analyzed is the relationship about anisotropic characteristics of S-wave and f racture w idth and fracture direction.Through experimental analysis,the relationship about amp litude attenuation and p ropagation velocity of fast-slow S-wave w ith fracture w idth are obvious,and the influence of various occurrence fractures on anisotropic S-w ave has obvious divergence.The experiment show s that the influence of horizontal fracture on anisotropic S-wave is obviously greater than on that of oblique crossing fracture.With the increase of fracture w idth,fast-slow S-wave amp litude,p ropagation velocity decrease;The amp litude difference between them increase w ith the fracture w idth increasing,so does the p ropagating time difference.So the anisotropic characteristics of S-w ave may be effectively used to identify fracture directions to p rovide experimental guidance criterion for dipole shear wave logging data in the evaluation of fractured examination and postfracture responses.

acoustic log,shear wave sp litting,anisotropy,artificial fracture,p robe,fracturing

1004-1338(2010)06-0517-05

P631.81

A

油气藏地质及开发工程国家重点实验室开放基金(SKLGE20070715)资助

赵 军,男,1970年生,博士,教授,主要从事油气测井、地质研究工作。

2010-07-06 本文编辑 李总南)