页岩气藏水平测井裂缝识别及声学成像研究*

唐晓明, 李盛清, 许松, 苏远大, 庄春喜

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

0 引 言

近年来,中国西南四川盆地页岩气的勘探开发取得了突破性进展。为了实施水力压裂以提高页岩气的产量,该地区页岩气的开发采用了大量的水平井。在此过程中,裂缝识别与特征描述对于井眼轨迹的规划和油气藏的评价十分重要。地震勘探的数据表明,该区域普遍存在与构造相关的地震波方位各向异性[1],而这种方位各向异性的成因主要是由地层中高倾角地质体的有序排列引起的,这些有序排列的地质体很有可能就是构造裂缝。直接深入储层内部的井下测量可以提供裂缝存在的第一手证据,描述储层裂缝发育特征,并对地震波各向异性的裂缝成因进行甄别。虽然对该地区的几口井进行了取心采样,但由于岩心数量较少和尺寸的限制,很难判断储层裂缝是否发育。声波远探测测井技术[2],尤其是近些年发展起来的偶极横波远探测测井技术[3-7],可以用于探测井旁较大范围内的裂缝体系并描述页岩气藏的裂缝发育特征。

本文对四川焦石坝页岩气水平井的声波测井数据进行处理,分析了页岩地层水平井井孔声场及远探测声场的传播特征,利用四分量偶极声波测井数据进行横波各向异性处理,分别获得水平偏振(SH)和垂直偏振(SV)的横波数据及波速。在此基础上,采用横波远探测技术进行井外反射体的成像处理。处理结果为页岩气水平井声学测井数据提供了有效的处理方法和较好的应用前景。

图1 页岩气工区中某井的地震波各向异性剖面[1]

1 水平井各向异性地层中的裂缝探测

图1给出了焦石坝地区某井区地震波方位各向异性的剖面图[1],其中红色表示各向异性较强的区间。由图1可见,焦石坝优质页岩储层所在的龙马溪组包含了各向异性较强的层位,有可能是储层中中小型裂缝的密集发育造成的,而这种裂缝发育有利于油气的保存和开发。图1中还给出了该井区井眼的轨迹,可以明显地看出该井的水平段穿过了各向异性较强的层位。如果是储层中发育的裂缝产生了地震波各向异性,那么水平井中的偶极横波远探测测井就能够证实裂缝的存在。

横波远探测对储层中的裂缝探测十分有效。在弹性波传播的理论中,常用滑移界面理论来表征裂缝的影响[8]。对于偏振与裂缝平行的入射横波,裂缝界面的反射系数为

(1)

式中,ω为波动圆频率;Z为裂缝所处介质的剪切波阻抗;ηT为裂缝的剪切刚度。当裂缝开启或被油气等流体介质充填时,其剪切刚度ηT趋于0,这时的反射系数趋于1,入射横波大部被反射;反之,若裂缝闭合或被固体矿物充填,剪切刚度ηT变得很大,这时的反射系数趋于0,裂缝对入射波“透明”。

根据以上理论,用横波进行裂缝探测,相对于纵波而言,具有较高的探测灵敏度。此外,由于偶极声源的方位辐射特征,其产生的横波在声源指向与裂缝走向平行的方向上反射最强[4],这是偶极横波远探测确定裂缝走向的基本理论依据。

对于页岩气藏水平井的偶极横波成像及裂缝探测,必须要考虑页岩的各向异性对成像处理的影响。水平井偶极横波测井时,偶极声源产生SV和SH两种类型的横波,一部分能量沿井孔传播;另一部分辐射进入地层内部,且SV和SH横波的偏振方向分别在垂直面和水平面内(见图2)。水平的页岩储层通常被认为是一种VTI(vertical transverse isotropy)介质,由于该介质的各向异性特征,SV和SH横波的速度和传播特征明显不同。因此,为了解决各向异性问题,采用四分量交叉偶极各向异性技术[9]和偶极横波远探测成像技术相结合的方式来进行数据的处理和解释。

图2 水平井中偶极横波各向异性测量与远探测成像示意图(偶极声源沿井孔产生快慢横波,辐射SH和SV横波,分别对近井地层界面与竖直裂缝成像)

利用四分量交叉偶极声波各向异性技术可以确定井周横波的方位各向异性[9],该技术同样也适用于水平井横波成像的情况。各向异性的求解利用旋转四分量数据得到快慢横波,以此来确定各向异性大小和快横波偏振方位。对于图2所示VTI页岩地层中的水平井,快横波为水平面内偏振的SH波,慢横波为竖直面内偏振的SV波。水平面内偏振的SH波最适用于井孔上下方的水平反射体(地层界面等)的成像,而竖直面内偏振的SV波则适用于对井孔四周的垂直反射体(裂缝等)进行成像。此外,各向异性处理得到的SH和SV横波速度可直接用作SH和SV横波的远探测成像处理。

图3 大斜度井的偶极声波远探测成像实例(图(a)显示快(SH)横波成像看到的斜井上、下方的地层界面,图(b)显示慢(SV)横波成像探测到的储层内的竖直裂缝)

以某大斜度井的偶极声波远探测成像为例(见图3)说明上述处理方法的效果。声波数据来自某页岩气工区。当井斜角为70o的探井穿过页岩储层上部的界面时,用快横波获得的SH波的成像[见上图3(a)]可以清晰地显示探井上方和下方的一系列地层界面。进入储层后,井斜变缓,用慢横波获得的SV波成像探测到2个过井的反射体[见图3(b)]。根据上述水平井SV波成像原理,这2个反射体即为储层中的竖直裂缝。下面用现场数据实例来进一步阐述井孔横波各向异性和远探测成像技术在页岩储层水平井中的应用。

2 实例分析

以某高产气井为例,该井水平层段长约2 km,位于图1所示的工区附近。图1的地震波(纵波)各向异性分析表明储层区域有明显的各向异性。由于纵波方位各向异性很多是由有序排列的地质体引起的,该分析结果表明该区域可能发育有有序排列的中小型裂缝。

2.1 页岩水平井的横波各向异性处理

利用多极子阵列声波测井仪器对该水平井测量获得四分量偶极声波测井数据,利用横波方位各向异性反演方法[9]可得到该页岩气藏的各向异性特征。井周方位各向异性的大小可通过快横波(SH波)与慢横波(SV波)的速度差异来确定。此外,对于水平井情况而言,该方法获得的方位各向异性即为页岩储层的VTI各向异性。

图4 页岩地层水平井偶极横波各向异性处理结果(快慢横波呈现明显的分裂现象(第2道)和较强各向异性(第3道),右侧玫瑰图表明快横波偏振方位为水平向)

处理结果表明,在全井段范围内都存在明显的VTI各向异性。为了更加清楚地显示该各向异性的特征,图4给出120 m井段的各向异性分析结果。图4中第1道给出自然伽马曲线和井斜曲线,其中,井斜值近乎90°,证明该井段为水平井;第2道给出快横波(红色)和慢横波(蓝色)的波形,对比两者波形可以清楚地看到慢横波明显滞后于快横波,该现象即为各向异性引起的横波分裂现象。第3道的阴影区域分别给出阵列各向异性(红色阴影)和平均各向异性(灰色阴影),两者在此井段的各向异性均在12%左右。图4右侧的玫瑰图表示快横波在垂直于井轴平面内的偏振方向;对于水平井而言,玫瑰图中的竖直向(V)对应井孔的高端。因此,玫瑰图中的值对应水平向(H)表明快横波的偏振方向为水平方向。各向异性处理结果表明:第2道中快横波为水平向偏振的SH波,慢横波则为竖直向偏振的SV波。

2.2 页岩水平井的横波远探测成像处理

各向异性分析表明该方法在VTI页岩地层水平井中得到的快、慢横波分别对应着地层中的SH和SV横波,由此得到的波形数据可以很方便地用来对井孔周围的地质构造进行成像。依据偶极声波仪器信号的发射接收示意图,当偶极声源和接收器的指向都在竖直面内时,仪器向井外地层辐射并接收竖直面内偏振的SV波,该波形数据可用来探测井孔两旁的竖直构造(见图2)。同理,可应用图2中的示意对SH波进行类似的描述,并用该SH波来探测井旁上下的地层构造。综上所述,图4中所示的慢(快)波数据中包含了井眼左右侧(上下侧)的反射横波信息。由于地层反射的反射信号滞后于沿井孔传播的快波和慢波。因此,利用其各自的速度分离快波和慢波数据,不仅能对地质体成像还能确定其方位。例如,如果反射结构在快横波成像结果中最清晰,则该反射体最有可能为井孔上(下)侧的边界;如果慢横波对反射体成像最清晰,则为井孔左(右)侧的竖直缝。

图5为偶极横波远探测成像结果,该井段与图4所示井段一致。第1道和第2道的黑白成像结果分别由对快横波和慢横波进行数据处理获得。由于偶极数据记录长度约为16 ms,成像结果的径向深度被限制在25 m左右。对比快慢波的成像结果不难发现两者之间存在明显的差异:快横波成像结果(第1道)除井孔直达波的残余及其产生噪声之外几乎毫无特征;相对而言,慢横波成像结果(第2道)能清晰识别一系列过井的地质体,应为过井竖直裂缝,其与井的交角大约为20°。

为使反射体成像更加直观,将图5放置于图6所示的3D透视图中,借助竖直框架标明的竖直裂缝可以明显地看清该裂缝在水平面内的投影与处理结果的对应关系。此外,值得注意的是,几乎整个水平井段都存在类似的过井构造。为了证实此发现,图7以相同方式展示了另一长度为120 m井段的成像处理结果,该井段与图6中的井段距离200 m。成像结果与图6类似,快横波成像无构造,慢横波成像呈现清晰的过井地质构造。

图5 页岩地层水平井偶极横波远探测成像结果(快横波(第1道)成像结果无反射体显示,慢横波(第2道)成像结果存在明显的反射体(箭头所示),应为过井竖直裂缝)

图6 偶极横波远探测3D成像展示(水平面为慢横波数据的竖直裂缝成像结果,竖直面为快横波成像结果)

图7 另一井段的3D成像结果,呈现出多个竖直反射体(裂缝)

3 讨 论

页岩水平井的成像结果(见图5、图6和图7)表明,由于快横波(SH波)成像结果中显示井孔上下25 m范围内无明显的反射体构造。因此,该储层在该范围内无明显的水平上下边界。然而,慢横波(SV波)成像结果表明,储层内存在大量沿一优势走向排列的竖直缝。事实上,根据井的方位和竖直裂缝体系(见图5、图6和图7)过井的角度,可以估计出该竖直裂缝体系的走向。将此裂缝体系走向放在由构造应力预测的区域裂缝指数强度与方向图[1]上(见图8),可见该走向与该区域西北部的应力和主构造体系的走向一致。因此,可以推断远探测成像图中的竖直反射体应为储层中的构造裂缝体系。由于工区位于图8中的主构造体系之外,该裂缝体系应为中小型裂缝,为图1所示的地震纵波各向异性的主要成因,与页岩气藏的储集与开发密切相关。

图8 远探测确定的工区裂缝走向(图中箭头所示)与构造应力预测的区域裂缝指数强度与方向的比较

4 结 论

(1) 非常规页岩气储层的水平钻井为偶极横波远探测技术进行地质体成像提供了很好的应用条件。

(2) 在地层各向异性条件下的地质体探测,尤其是井孔周围的储层裂缝探测,将横波各向异性测量和远探测成像相结合是实现水平井横波远探测技术的有效方式。

(3) 现场数据处理实例也证明这种方法的可行性和有效性。处理结果证实了四川焦石坝页岩气储层内裂缝较为发育,与地震波各向异性测量结果相符。

参考文献:

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