阵列声波测井在储层裂缝识别中的应用——以鄂尔多斯盆地K区为例

韩 刚，何 峰，张孝珍，王立华，祝彦贺，雷克辉

（1.中海石油（中国）有限公司北京研究中心，北京100027；2.北京博达瑞恒科技有限公司，北京100094）

单井裂缝发育段的识别是实现后续裂缝研究的数据基础，也是决定裂缝预测精度的支撑资料。裂缝识别的方法较多，包括岩心分析、薄片鉴定、常规测井（声波、中子、密度及电阻率测井），以及特殊测井（微电阻率成像测井及阵列声波测井）等［1-5］。其中岩心分析和薄片鉴定最直观可靠，但取心资料往往少且不连续，不利于认识全区整个目的层段的裂缝发育规律；常规测井经济实用且系列齐全，但其探测深度浅，纵向分辨率低，特别是当储层以孔隙为主，且孔隙对测井曲线的响应远大于裂缝对测井曲线的贡献时，裂缝的响应信息易被掩盖，用常规测井曲线很难达到精准识别裂缝的目的。微电阻率成像测井具有高分辨率且连续测量的特征，能够直观地反映裂缝信息，但由于测量成本高昂，资料往往有限［6-8］。

目前中外针对阵列声波测井在裂缝测井识别中的应用已进行了大量的研究，朱留方研究了交叉偶极子阵列声波测井在裂缝性碳酸盐岩储层评价中的应用［9］，陈英阐述了利用多极子阵列声波测井识别裂缝的方法［10］，唐军等进行了阵列声波测井技术在识别碳酸盐岩储层类型中的应用研究［11］，尹帅等利用阵列声波测井资料对海陆过渡相碎屑岩地层单井裂缝发育段进行定量识别［12］，前人的应用研究多集中在裂缝相对发育的碳酸盐岩地层和特低孔碎屑岩储层。鄂尔多斯盆地K区为致密砂岩储层，孔隙度为4%～12%，裂缝仅少量发育，一般成像测井见1～3条裂缝，常规测井对裂缝发育段无明显响应特征，且目的层段受煤层、泥岩垮塌的影响，裂缝识别多解性强。

通常充满流体的裂缝其声阻抗显著区别于岩石声阻抗，当声波通过裂缝时，必然引起声波能量的衰减。为此，利用阵列声波处理后的能量幅度衰减信息，与岩心、薄片、常规测井资料及微电阻率成像测井资料相互对比标定，去伪存真，实现了致密砂岩储层裂缝发育段的识别，以期为类似地区裂缝识别提供借鉴。

1 区域地质概况

K区位于鄂尔多斯盆地东缘，构造上处于晋西挤压构造褶皱变形带，是发育在上古生界煤系烃源岩层上的大型致密砂岩气藏［13］。研究区上古生界自下而上发育本溪组、太原组（包含太1—太2段）、山西组（包含山1—山2段）、石盒子组（包含盒1—盒8段）和石千峰组（包含千1—千4段）。石盒子组储层孔隙度主要为4%～12%，其储集空间类型多样，主要包括粒间溶孔和溶蚀颗粒孔，发育少量裂缝。部分岩心及成像测井资料裂缝特征分析表明，研究区存在压溶缝、溶蚀缝、构造缝等多种成因缝，以构造缝为主（图1）。研究区低幅度褶皱和断裂主要受燕山期、喜马拉雅期构造运动和早白垩世紫金山地区火山侵入抬升的影响［14-15］。

图1 鄂尔多斯盆地K区岩心及薄片裂缝特征Fig.1 Fracture characteristics of core and thin section in Area K of Ordos Basin

2 基于阵列声波的裂缝发育段识别方法

中海油田服务股份有限公司自行研制的交叉偶极阵列声波测井仪EXDT具有8个阵列宽带接收器、1个近单极发射器、2个正交偶极发射器和1个远单极发射器，接收器阵列对传播波场可进行广泛的空间采样，发射器和接收器阵列的排列可测得较深地层处声波传播的信息。利用每个深度点记录的单极源波形和偶极源波形，可分别提取纵波、横波和斯通利波相关信息［16-19］。随后利用岩心薄片及微电阻率成像刻度对比阵列声波处理成果曲线，分析阵列声波测井的裂缝响应特征，用于单井裂缝发育段的识别。

2.1 阵列声波测井处理

EXDT测井仪接收的信号包括纵波、横波和斯通利波等。纵波以液体压缩波形式从发射器传播到地层，在井壁产生折射后以地层的纵波速度沿井壁传播，并以液体压缩波的形式传到接收器。横波速度低于纵波，所以到达接收器的时间晚于纵波，但横波不能在软地层中传播，仪器接收到的是偶极子发射器产生的沿井壁传播的挠曲波，挠曲波是一种频散界面波，在低频时以横波速度传播。继横波之后到达的斯通利波以井内液体压缩波的形式从发射器直接传到接收器［20-21］。井中传播的这些波的总和构成了井下声波的全波列（图2）。

图2 声波全波列波形图Fig.2 Diagram of acoustic full waveform

针对EXDT测井得到的全波列数据，利用EGPS软件的阵列声波模块完成阵列声波的处理，主要包括地层纵波、横波和斯通利波的提取及时差计算、到时计算、幅度曲线计算、衰减曲线计算等，处理流程见图3所示。

图3 阵列声波测井处理流程Fig.3 Array acoustic logging processing flow chart

在全波列图像上正确区分和提取纵波、横波及斯通利波是幅度衰减曲线精确计算的基本保证。区分纵波和横波，主要根据幅度、相位及到达时间，其区别在于：①横波幅度大于纵波幅度；②在声波全波列图上，纵波和横波首波相位是相反的，即相位相差180°；③一般横波首波比纵波首波滞后5—8个周期。斯通利波是用低频脉冲激励单极发射器发射时产生的，到达时间更晚，频率较低。基于这3种波的特性，对每个深度点的全波列数据设置合理的起始时间、处理窗长和频率范围，采用时间慢度相关法得到每个深度下的时间慢度相关图（图4a），然后将其投影在时间慢度轴坐标，3个峰值对应的慢度值即分别为该深度点的纵波、横波及斯通利波时差（图4b）。随后计算每个接收器接收到的每种波的到达时间，然后对其进行精确开窗，完成每种波的幅度和衰减曲线计算。

图4 纵波、横波和斯通利波时差提取方法Fig.4 Extraction method for P-wave，S-wave and Stoneley-wave

2.2 裂缝发育段阵列声波响应特征

纵波、横波、斯通利波幅度衰减曲线及斯通利波在变密度图上的干涉条纹是指示裂缝的良好标志。但幅度衰减曲线及干涉条纹对扩径及煤层极为敏感，为有效识别裂缝发育段，需与常规测井及电阻率成像相互对比，区分不同地质信息的测井响应特征差异，提取反映裂缝发育段的有用信息。

扩径段特征 自然伽马（GR）高值为研究区典型的泥岩标志，其对应的波形曲线（WV01）有明显的干涉条纹，纵波幅度衰减曲线（ATTNC）、横波幅度衰减曲线（ATTNS）及斯通利波幅度衰减曲线（ATTNST）明显高值异常。但其对应井径曲线（CAL）明显增大（图5）。1 701～1 712 m为扩径的泥岩段，并非裂缝发育段。

煤层特征 GR相对低值，中子孔隙度（CNCF）和声波时差（DTC）急剧增大，对应的密度（ZDEN）急剧减小，为目标区典型的煤层测井特征，WV01干涉条纹明显，ATTNC，ATTNS及ATTNST明显高值异常，微电阻率成像测井无明显的裂缝正弦特征（图6）。1 941～1 946 m为煤层，阵列声波的一系列响应特征均为煤层影响导致，并非裂缝发育段。

裂缝发育段特征 GR相对低值，CNCF均值为0.09 v/v，DTC均值为223 μs/m，ZDEN均值为2.52 g/cm3，为目标区典型的砂岩测井特征，WV01有干涉条纹，但较扩径及煤层段变弱，ATTNC，ATTNS及ATTNST明显高值异常，微电阻率成像测井存在多条开启裂缝（图7）。阵列声波的一系列响应受到裂缝影响，所以1 794～1 803 m为裂缝发育段。

图5 鄂尔多斯盆地K区泥岩扩径段阵列声波特征Fig.5 Array acoustic logging plots in enlarged borehole section in Area K of Ordos Basin

图6 鄂尔多斯盆地K区煤层段阵列声波特征Fig.6 Array acoustic logging plot in coal section in Area K of Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地K区裂缝发育段阵列声波特征Fig.7 Array acoustic logging plot in fracture development section in Area K of Ordos Basin

2.3 裂缝发育段阵列声波界限值

为进一步提高单井裂缝发育段判别的精准性，以岩心照片及成像测井验证过的井段作为样本点，制作密度与纵波、横波及斯通利波衰减曲线的交会图版（图8—图10），以确定声波幅度衰减曲线的界限值。裂缝发育段的纵波、横波和斯通利波幅度衰减曲线界限值分别为12.5，13和5.6 db/m，考虑到全波列波形的幅度衰减强弱与裂缝倾角息息相关，所以若某井段内仅其中的1条或2条幅度衰减曲线异常，也应考虑到其裂缝发育的可能性。

图8 密度与纵波幅度衰减曲线交会图Fig.8 Cross plot of density with P-wave amplitude attenuation

图9 密度与横波幅度衰减曲线交会图Fig.9 Cross plot of density with S-wave amplitude attenuation

图10 密度与斯通利波幅度衰减曲线交会图Fig.10 Cross plot of density with Stoneley-wave amplitude attenuation

2.4 裂缝发育特征

基于前述裂缝段阵列声波的测井特征，对研究区内23口井进行裂缝发育段识别与分析，将裂缝发育段频次按小层进行统计发现，纵向上千5、盒2、盒4和盒6段储层裂缝较其他小层发育，且部分井受紫金山隆起区、褶皱及断层影响，裂缝相对发育（图11）。

图11 裂缝纵向发育特征Fig.11 Vertical fracture characteristics in different layers

3 裂缝对储层改造作用及实例分析

3.1 裂缝对储层物性的改造作用

基于柱塞岩样物性分析数据，将岩心孔隙度与渗透率进行交会分析，发现裂缝样品孔渗拟合趋势线高于纯基质样品拟合线，表明在基质孔隙相同的情况下，裂缝对储层渗透率有明显提高作用（图12a）。W5井发育上、下2套砂岩，均为中粗长石岩屑砂岩，溶蚀孔-裂缝发育（图12b），基质孔隙度为15%，气测渗透率为10.5 mD，砂岩溶蚀孔发育，无裂缝（图12c），基质孔隙度为16.2%，渗透率为4.9 mD，两者孔隙相近，但上套砂岩的渗透率高于下套，所以裂缝对储层渗透性具有积极改造作用。

图12 岩心孔渗分析Fig.12 Analysis of porosity and permeability of core

3.2 测井识别裂缝发育段实例分析

以A1井为例，1 458.0～1 467.0 m测井解释为气层，其阵列声波变密度图干涉条纹明显，纵波、横波和斯通利波幅度衰减曲线分别为23.4，25.9和52.5 db/m。1 460.0～1 466.0 m确定为裂缝发育段（图13），其压裂前产量达12 120 m3/d，裂缝起高导流通道的作用。

图13 A1井测井综合解释成果Fig.13 Logging interpretation result of Well A1

以A2井为例，1 905.0～1 907.0 m测井解释为气层，阵列声波变密度图清晰可辨无明显干涉条纹，幅度衰减曲线也无明显变化（图14），认为此井段裂缝不发育，其压裂前、后均未获得工业气流。

图14 A2井测井综合解释成果Fig.14 Logging interpretation result of Well A2

4 结论

针对鄂尔多斯盆地K区以孔隙为主、裂缝少量发育的储层，形成了一套利用岩心、微电阻率成像标定阵列声波幅度衰减曲线，确定裂缝衰减曲线界限值，准确识别有效裂缝的方法。该方法弥补了常规测井对裂缝响应特征不敏感的问题，提高了裂缝发育段的识别精度，拓展了阵列声波裂缝识别思路。明确了研究区裂缝纵向发育特征，其中千5、盒2、盒4和盒6段裂缝较发育，与主力产层段有较好对应性。裂缝对储层改造作用明显，提高了储层渗透率，对产能起到了积极贡献作用。单井裂缝发育段的准确划分对于射孔开发及压裂具有指导意义。