微裂缝对横波衰减影响的实验研究及其在致密砂岩裂缝评价中的应用

蔡 明, 章成广, 韩 闯, 杨 博, 唐 军, 郑恭明

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室,湖北武汉 430100; 2.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北武汉 430100; 3.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒 841000)

裂缝测井评价方法主要包括常规测井[1-5]、成像测井[2,6-10]、阵列声波测井[1,5,11-14]和反射声波成像测井评价法[5,15-16]。常规测井评价法侧重于裂缝的定性评价。成像测井评价法主要是利用微电阻率和超声成像测井资料对井壁裂缝进行定量评价,但成像测井探测深度浅,无法评价裂缝向井外延伸的情况,对裂缝有效性评价效果有待提高[1,5]。阵列声波测井径向探测深度大,可用于裂缝宽度及其向井外延伸情况的评价,弥补成像测井评价法的不足[1,5]。但阵列声波测井评价法目前尚不完善,斯通利波一般只用于识别裂缝及裂缝渗透率的评价,偶极横波一般只用于裂缝各向异性参数的评价。为了充分利用阵列声波测井中的横波信息,更好地定量评价裂缝参数和有效性,有必要研究裂缝对横波传播的影响规律。Hudson等[17-26]从理论、物理实验和数值模拟的角度主要研究了裂缝对纵波波速和衰减以及横波分裂的影响。笔者主要针对致密砂岩储层裂缝定量评价问题,采用物理实验手段研究微米级裂缝对横波衰减的影响规律,并将研究结果用于储层微裂缝张开度测井评价。

1 实验原理

如图1所示,将标准圆柱形岩心样品沿横向切割成相等的两段,横切面抛光磨平,然后将两段岩心对接在一起,并在两端分别安置超声横波发射探头和接收探头(发射探头和接收探头的偏振方向应保持一致,探头和岩心样品之间以高黏度黄油做耦合剂),通过超声脉冲发生接收仪给发射探头施加激励信号使发射探头发出声波信号,声波信号穿过岩心样品被接收探头接收到,并传送至超声脉冲发生接收仪,最后通过高精度信号采集仪(或示波器)采集记录数字化波形信号即得到穿过含裂缝岩心样品的横波波形。

分别测量记录两段岩心直接对接以及对接面之间填充不同厚度PET薄膜(薄膜声学性质和水接近,用于模拟不同宽度裂缝)时的横波波形,并以岩心直接对接(认为此时裂缝宽度为0 m)时的横波前两个周期波形幅度作为参考幅度,分析含不同宽度裂缝岩心样品对应的横波前两个周期波形幅度,可计算出相应的横波衰减系数,计算公式为

(1)

式中,α为横波衰减系数;l为对接岩心总长度;A0为裂缝宽度为零时测量的横波波形幅度;A为裂缝宽度不为零时测量的横波波形幅度。

图1 含裂缝岩心实验测量示意图Fig.1 Schematic diagram of fractured core acoustic experiment

2 实验装置及测量方法

2.1 实验样品及装置

实验岩心样品包括孔隙度(φ)分别为4.5%、6.3%和7.5%,长度分别为6.83、6.57和6.27 cm的3块圆柱状致密砂岩样品(分别记为S1、S2和S3),样品直径均为2.5 cm,均来自塔里木油田库车地区致密砂岩储层。实验测量前先将3块岩心样品沿横向各切割成近似相等的两段(分别标记为S1a和S1b、S2a和S2b、S3a和S3b),横切面抛光磨平备用。实验设备包括横波发射探头和接收探头、超声波脉冲发生接收仪CTS_8077PR、高精度信号采集仪、数字示波器UTC2102CEL、轴向夹持压力定量可调的岩心样品夹持器、不同厚度的PET薄膜、高黏度黄油、双头BNC探头信号源连接线和电子游标卡尺。

2.2 测量方法

将超声横波发射探头和接收探头分别安装在轴向夹持压力定量可调的岩心样品夹持器的两个端口上(探头被紧固在端口上,且发射探头和接收探头的偏振方向应保持一致);然后将S1a和S1b岩心对接在一起(对接面之间不填充或填充不同厚度的PET圆盘状薄膜),并在对接岩心两个端面均匀涂抹高黏度黄油后夹持在发射探头和接收探头之间,调节夹持器的夹持力使岩心两端的压力为0.8 MPa;再通过超声脉冲发生接收仪给发射探头施加方波脉冲激励信号(主频200 kHz,幅度50 V)使发射探头发出声波信号,声波信号穿过岩心样品被接收探头接收到并传送至超声脉冲发生接收仪,最后通过高精度信号采集仪(或示波器)采集记录数字化波形信号即得到穿过含裂缝岩心样品的横波波形。实验在常温条件下进行,实验测量系统如图2所示。

图2 实验测量系统Fig.2 Experimental devices

具体实验测量步骤如下:

(1) 分别制备厚度为20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、260、320、380、440和500 μm的PET圆盘状薄膜,圆盘薄膜的直径为2.5 cm。

(2)测量并纪录S1a和S1b岩心直接对接时(认为裂缝宽度为零)的横波波形,期间用游标卡尺测量并记录对接岩心的长度。

(3) 保持轴向夹持力等实验条件不变,测量并记录S1a和S1b岩心对接面之间填充不同厚度PET圆盘状薄膜时的横波波形,期间用游标卡尺测量并记录对接岩心的长度。

(4) 重复步骤(1) ～ (3),测量并记录S2a和S2b以及S3a和S3b岩心在不同裂缝宽度条件下的横波波形。

3 实验数据处理

实验测量的S2岩心样品在不同裂缝宽度条件下的波形如图3所示(图中虚线标示了横波的初至时刻)。由图3可以看出,随着裂缝宽度的增大,横波幅度逐渐减小。统计3组岩心样品在不同裂缝宽度条件下测量的横波波形幅度,得到归一化横波幅度(横波幅度与裂缝宽度为零时的横波幅度之比)随裂缝宽度变化关系,如图4所示。由图4可以看出,不同孔隙度的3组岩心样品的横波幅度均随裂缝宽度的增加而减小,且裂缝宽度约小于250 μm时横波幅度随裂缝宽度变化相对更快。

图3 S2样品在不同裂缝宽度条件下测量的横波波形Fig.3 Experiment shear waveforms of sample S2 with different fracture width

由上述统计的3组岩心样品在不同裂缝宽度条件下测量的横波波形幅度,并结合式(1)可计算出3组岩心样品在不同裂缝宽度条件下测量横波的衰减系数,进而得到横波衰减系数随裂缝宽度变化关系,分别如图5(a)～(c)所示,其中散点为不同裂缝宽度对应的衰减系数,实线为相应的二次多项式拟合曲线。3条拟合曲线的对比图如图5(d)所示。由图5(a)～(c)可以看出,不同孔隙度的3组岩心样品对应的横波衰减系数均随裂缝宽度的增加而增大,且裂缝宽度约小于250 μm时横波衰减系数随裂缝宽度变化相对更快,说明横波衰减对窄裂缝宽度的变化更为敏感。由图5(d)可以看出,同等裂缝条件下孔隙度较小的岩心样品对应的横波衰减系数相对更大,且随裂缝宽度变化更快,这可能是由于孔隙度较小的岩心样品中横波本底衰减(由除裂缝之外的因素引起的衰减)较小,当出现裂缝时衰减明显增大;而孔隙度相对较大的岩心样品中横波本底衰减较大,当出现裂缝时衰减增大相对平缓。

4 基于横波衰减的微裂缝张开度测井评价

上述实验结果表明,对于平板状裂缝且当裂缝面与横波传播方向近似垂直时,横波衰减系数与微米级裂缝宽度(张开度)具有较好的对应关系。因此可利用横波衰减系数对微裂缝张开度进行定量评价。对于图5(a)～(c)中的实验结果,以横波衰减系数α作为自变量,以裂缝张开度w作为因变量进行拟合可得到裂缝宽度关于横波衰减系数的实验公式

(2)

利用阵列声波测井采集到的单极全波阵列波形或偶极横波阵列波形数据获取裂缝横波衰减系数(以无裂缝段地层横波幅度作为参考幅度A0,式(1)中l取声源到接收器的距离),并结合上述实验公式(2)即可对储层微裂缝张开度进行定量评价。由图5(d)可知,不同孔隙度条件下,裂缝横波衰减系数随裂缝宽度变化曲线趋势一致,但形态存在一定的差异。因此利用实验公式(2)评价储层微裂缝张开度可根据储层孔隙度分布范围选择合适的公式进行计算,也可根据公式(2)的拟合曲线进行插值得到精度更高的微裂缝张开度与裂缝横波衰减系数关系图版进行评价。

由于在单极全波列测井和偶极横波测井过程中,横波(或弯曲波)在井壁附近几米范围内的地层中传播[5],故利用裂缝横波衰减系数可以对井壁附近地层中的裂缝张开度和有效性进行评价,避免井壁上的诱导缝等非有效裂缝的干扰,弥补成像测井裂缝评价法在裂缝有效性评价方面的不足。

利用塔里木油田X井的XMAC阵列声波测井和微电阻率成像等资料,结合上述微裂缝张开度评价方法对塔里木油田库车地区致密砂岩储层裂缝发育情况进行评价,得到的成果图如图6所示。由图6中纵横波幅度及裂缝等效宽度曲线与电成像裂缝处理解释结果对比可以看出,纵波幅度变化对裂缝不够敏感,而横波幅度变化对裂缝较为敏感,且由裂缝横波衰减计算的裂缝等效宽度与电成像解释成果图中显示的裂缝发育程度吻合较好,证实了基于横波衰减的裂缝张开度评价方法的可行性和正确性。

需要说明的是,由裂缝横波衰减计算的裂缝等效宽度经岩心观察裂缝参数刻度后可能更好地反映裂缝的发育情况和有效性,为进一步利用横波衰减信息反演裂缝渗透率提供条件。另外,本次实验研究未考虑裂缝倾角对声波衰减的影响,且未研究毫米级及以上的裂缝对横波衰减的影响规律,因此实验结论主要适用于指导利用横波测井资料对水平的或低角度的微裂缝张开度进行评价。另外,本次实验数据量有限,故研究规律的适用范围可能具有区域局限性,对于其他区域,可采用与本文类似的方法研究取得适用于研究区的更准确的裂缝宽度对横波衰减的影响规律,并用于指导微裂缝张开度测井评价。

图6 X井裂缝评价成果Fig.6 Fracture evaluation results of well X

5 结束语

针对致密砂岩储层裂缝评价问题,采用物理实验手段研究了裂缝宽度对横波衰减的影响。3组岩心样品在不同裂缝宽度条件下的实验测量结果表明,横波幅度随裂缝宽度的增加逐渐减小,横波衰减系数随裂缝宽度的增加有规律地增大,且裂缝宽度约小于250 μm时横波幅度和衰减系数随裂缝宽度变化相对更快;另外,同等裂缝条件下孔隙度较小的岩心样品对应的横波衰减系数相对更大,且随裂缝宽度变化更快,说明横波衰减系数对致密砂岩储层微裂缝宽度变化更为敏感。将实验研究结果用于指导利用横波测井资料评价致密砂岩储层裂缝张开度,对塔里木油田库车地区致密砂岩储层横波测井资料的处理结果表明,由裂缝横波衰减计算的裂缝等效宽度与电成像解释成果图中显示的裂缝发育程度吻合较好,证实了基于横波衰减的裂缝张开度评价方法的可行性和正确性。该裂缝评价方法可在一定程度上弥补成像测井裂缝评价法的不足,进一步完善裂缝评价方法体系。本文中主要通过岩石物理实验研究了平板状裂缝宽度对横波衰减的影响规律及其在储层微裂缝张开度评价中的应用。裂缝倾角、裂缝填充情况、毫米级及以上的裂缝宽度等因素对横波衰减的影响规律及其应用等还需要进一步开展研究工作。