方位各向异性交叉偶极全波形的模拟与反演

编译:郭永旭 (大庆石油国际工程公司)

孙化学 (大庆油田测井一公司)

审校:赵平 (大庆油田测井一公司)

方位各向异性交叉偶极全波形的模拟与反演

编译:郭永旭 (大庆石油国际工程公司)

孙化学 (大庆油田测井一公司)

审校:赵平 (大庆油田测井一公司)

描述了采用新算法反演两组真实数据组的结果,该数据组是采用边界元素技术通过计算机生成的。作为深度的一个函数,边界元素技术通过改变每个源位置的岩石物理性质来模拟12个接收器的微地震波曲线,得到的综合数据组用作新反演算法的观察数据。应用的宗旨是用综合数据测试和检验该算法,从而建立一个反演真实交叉偶极声波测井曲线的协议。

各向异性 交叉偶极 反演模拟 测井曲线

1 前言

众所周知,各向异性存在于油气层。由于泥岩具有不均质性,它们是通过矿物分布、裂纹以及裂缝进行表征的,所以砂岩和泥岩组成的碎屑岩储层就显示为横向同性 (TI)。垂直方向的有效硬度性质不同于水平方向时的性质。

假若这样,对称轴,通常所说的垂直横向同性(VTI),可以假定在任何能够描述横穿水平泥岩层序井的方向上都具有相同的有效矿物参数。但并非所有的泥岩硬度参数都能通过直井获得。

不过,根据海上所钻的横穿厚泥岩层斜井的交叉偶极数据可得到泥岩的其他性质。这些性质对于确定泥岩的垂直速度和水平速度至关重要,从而使之与地面地震数据结合进行进一步的解释。

在天然裂缝和次生裂缝储层中观察到了第二种类型的TI各向异性。裂缝层内部走向的有效硬度参数大于垂直于裂缝的有效硬度参数。当裂缝方向平行于井眼并且对称轴垂直于井轴时,各向异性就是通常所说的水平横向各向同性 (HTI)。

深石灰岩和砂岩储层发育出上部地层作用产生的应力引起的垂直裂缝。应力引起的各向异性也是储层描述的一个重要方面,包括构造应力、井眼应力及其方向。这些性质影响井眼的稳定性 (垮塌)和水力压裂井眼的能力。横波各向异性是目前在用的确定应力方向的有效方法。

在更为复杂的裂缝性储层,特别是裂缝并非垂直的情况下,交叉偶极信息要综合其他测井曲线进行使用。倘若如此,交叉偶极就只提供裂缝层段的有效硬度参数。为了获得裂缝的固有特性,把更多的处理方法、裂缝模型和其他测井信息综合使用是较为常见的做法。

交叉偶极数据的采集和处理主要由大的服务公司提供给石油天然气企业。一些小公司为某些油公司提供用于质量控制的全波形声波处理技术。当以测井数据为基础进行重要决策时,采取第二种做法进行地震数据传输或储层描述就变得尤为重要。该地区交叉偶极声波质量控制反演技术落后,模拟能力不足,这是促使这种最先进技术在该地区加快使用的原因之一。

2 模拟

为了开发反演技术,了解直井/斜井中的波形现象至关重要。特别地,当交叉偶极声波测井仪在这些井中测井时,不同的波形与各向异性地层和井眼相互干扰。

使用边界积分转换方程 (TBIE)法模拟 HTI地层中直井或VTI地层中水平井的交叉偶极响应。这种精确的全波形方法有很多优点。无限远距离的边界情况和辐射条件会自动得到确认。有关频率、井斜角或各向异性的数量都无限制,只是简单地包括模拟中的衰减和与频率有关的参数。

可以利用TBIE方法绘制出准确、有效的综合全波形声波测井曲线 (单极、偶极、四极等),接收器数量众多时更为有效。根据犹他州-怀俄明州逆掩断层带Lodgepole油田 Twin Greek储层中的裂缝层计算出裂缝模拟参数。

根据Watton Canyon层中白云石质灰岩裂缝层的地层微地震 (FMS)测井曲线建立了裂缝等级系统,以此为基础可以确定裂缝强度。根据速度测井曲线推导有效硬度参数,利用这些参数建立一个可以生成直井综合阵列交叉偶极波形的模型。该直井横穿的地层有22个与深度有关的HTI特性。

采用类似方法确定得克萨斯北部Waggoner储层中泥岩层的硬度参数。为了在这种低速环境下测试反演算法,假设泥岩具有裂缝。在该实例中,给出21个与深度有关的 HTI参数。所有情况下,P波质量因素都假定为100,S波为50。采用3kHz的源频率和雷克子波。有12个接收器,与源的距离为:2.70、2.85、3.00、3.15、3.30、3.45、3.60、3.75、3.90、4.05、4.20、4.35 in(1 in=

25.4 mm)。

作为合成数据的一个实例,接收器1在石灰岩模拟的所有深度上的XX分量微地震波曲线如图1所示。整个数据组由12乘以3个交叉偶极接收器分量的 (XX、XY和YY)地震波曲线 (即36)组成。每个深度的反演都需要上面的地震波曲线。用类似方法,绘制泥岩层微地震波曲线。作为深度函数的输入模拟参数同反演结果一道绘制出来。为了对比两个接收器的方位,挑选接收器1在11 300 ft (1 ft=30.48 cm)处的XX和 YY波形。该深度点上,横波各向异性为10%,偶极源X的慢横波方位角是23°,而快横波方位角是67°。图2a所示的是慢横波对相位上的XX有更大的影响,而对YY的情况相反。为了对比,图2b给出了假设慢横波方位角为0°时的纯慢和纯快横波,此时,可清楚地见到快横波和慢横波的到达时间。

图1 裂缝性白云灰岩的阵列交叉偶极地震波曲线;所有深度上接收器1的XX分量

根据交叉偶极测井曲线,利用一种新方法来反演快横波慢度(s1)、慢横波慢度(s2)和慢横波方位角(θ)参数。在保持原始目标函数信息的可重复性的同时,根据Tang基本定律和Chunduru方法,将同一各向异性环境下的三维目标函数转换成三个新的一维目标函数。通过改变变量的数学处理和连续的数学处理来简化转换形式。用三个单独的一维目标函数的最小值代替一个三维目标函数的总的最大值进行反演,分别得到了成对未知的s1、s2和θ,并且更加高效,不需要再进行猜测。该算法已通过大量综合数据得以证实。

图2

3 反演方法和结果

将反演算法应用于石灰岩和泥岩模型的交叉偶极波形数据中,反演结果见图3和图4。观察到无论哪种地层、各向异性程度如何或者θ值大小,转换的θ在所有深度上都与准确的综合模型数据完全匹配。反演结果与精确值之间的一致性对s1和s2也有很大益处。用2.26 GHz处理器在奔腾M笔记本电脑上对约20个地层深度进行交叉偶极数据的反演通常需要1 h左右的时间。精度和效率都有提高的空间。

图3 裂缝性白云灰岩输入模拟参数与反演结果的对比

图4 裂缝性泥岩输入模拟参数与反演结果的对比

4 算法在斜井中的应用

目前,正在将上述算法推广用来反演斜井中采集到的交叉偶极数据。为了反演斜井中的声波测井曲线,Hornby等根据已知倾斜角度的多个井眼的P波曲线对泥岩中的 Thomsen参数δ、ε和垂直 P波声波速度进行了反演。在根据硅质碎屑岩泥质含量对Thomsen有效参数δ、ε和γ进行了预先确定的情况下,Vernik采用斜井中的偶极声波测井曲线校正P波和SH波速度。

可是,至今并没有见到只根据交叉偶极数据反演固有横波慢度的研究报道。为了根据横穿各向同性地层的斜井中的交叉偶极数据反演固有横波慢度,在反演方法中,需要至少两个已知的完全不同的倾斜角度的数据。为了生成测试该扩展算法的综合数据,将TBIE方法推广至斜井中。

5 结论

在现有的井眼阵列处理算法的基础上,开发出一种反演交叉偶极声波波形的新方法。基于新的目标函数的反演算法,根据合成产生的阵列交叉偶极测井曲线可以成功地识别并推断出未知的θ、s1和s2。处理方法快速可靠,反演结果已通过大量可靠的直井中的合成波形数据得到验证,反演结果和输入值之间具有很好的一致性。将用软件处理直井的实时交叉偶极数据。目前正在推广该算法用于处理斜井的交叉偶极数据。

资料来源于美国《World Oil》2009年3月

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.6.015

2009-03-31)