基于LEAD平台的多极子声波测井分析系统的开发和应用

谭博蕾,李 卫,余春昊,李长文,赵 静,贺小陆,陶 果

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249;3.中国石油集团测井有限公司,陕西西安710021)

基于LEAD平台的多极子声波测井分析系统的开发和应用

谭博蕾1,2,李 卫1,2,余春昊3,李长文3,赵 静3,贺小陆3,陶 果1,2

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.中国石油大学北京市地球探测与信息技术重点实验室,北京102249;3.中国石油集团测井有限公司,陕西西安710021)

基于L EAD2.1平台开发了一套完整的多极子声波测井分析系统(MAAS)。MAAS包括速度分析、衰减分析、岩石力学分析与压裂高度预测、各向异性分析以及渗透率分析等五大功能模块;能处理MAC、MACII、XMAC、XMACII、DSI、WAVESON IC等多极子阵列声波测井资料,且集成了 Geoframe、eXp ress和Petrosite等3个平台声波处理模块的优势。给出了全面测试和初步应用的结果。经过多口井资料的测试,该系统的处理效果基本达到了国外软件的水平,且克服了国外软件只能处理单一格式数据的局限。

多极子阵列声波测井;信号处理平台;测井软件;石油工程

0 引 言

声波测井信息能够测量地层多种物性参数,包括渗透率、波能量衰减、反射及透射、地层的各向异性、岩石力学特性等,测量精度及分辨率也大大提高[1-3];在慢地层中横波慢度的获取、酸化压裂作业设计和评价、地层应力检测、进行套管井测量、识别裂缝及其有效性等几个方面具有不可替代的作用。

国外测井公司的处理解释平台只能解编处理各自的测井数据,且各个平台的声波处理模块均存在各自不同的优势和劣势,在实际应用中十分不便。本文介绍在国产LEAD2.1平台上开发的多极子声波测井分析系统[4](简称M AAS)。该系统能解编处理MAC、MACII、XMAC、XMACII、DSI、WAVESON IC等多极子阵列声波测井资料,集成了 Geoframe、eXp ress和Petrosite等3个平台声波处理模块的优势;给出了在该平台全面测试结果以及与国外同类软件对比和初步应用的结果。

1 多极子声波测井数据处理方法

1.1 速度分析

1.1.1 慢度-时间相关分析(STC)

速度分析模块主要采用慢度-时间相关(STC)法[5-7],STC处理技术是一种全波列分析处理技术,采用了一种相似性算法计算各种波的慢度(速度的倒数)。它使用二维网格(一维是时间,另一维是慢速)搜索法,找出阵列波形的相关函数极值处波的到时和慢度,波形相关是对于某一时间窗内的波形而言。STC算法简单,稳定性好,并不用检测首波,避免了周波跳跃现象,所计算的慢度比较可靠。

1.1.2 多炮点慢度-时间相关分析(MSTC)

该模块提供了多炮点慢度-时间相关(M STC)法,MSTC法能够提高纵向分辨率和井眼补偿效果。多炮点处理法提供了一种将地层分辨率从3.5 ft(非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同)提高到2.0 ft的方法。该方法是用接收器阵列中每4个依次排列接收器子阵列的相关计算慢度曲线的,反复进行这一过程,直到计算完所有子阵列,然后用相关质量控制曲线对接收器阵列的平均值和发射器阵列的平均值进行加权平均,最后,经平均得到的接收器和发射器阵列合在一起形成井眼补偿慢度曲线。

1.1.3 频散校正分析(DSTC)

偶极子声波测井仪器在任何情况下(不受地层的横波速度的限制)都能得到横波速度。但偶极子声波测井数据存在频散效应。利用频谱相关法提取横波慢度,必须首先对声波数据进行频散校正。所以,对于偶极子横波数据可以选择DSTC方法提取横波慢度。

1.2 衰减分析

衰减分析模块采用2个接收器振幅谱的比值计算衰减系数。首先由各种波的到时得到纵波、横波、斯通利波各自的窗长,在各自的范围内求其振幅的平方和,然后相比即可得到分别的衰减系数。其中计算的是第1个接收器和最后1个接收器振幅谱的比值。

1.3 岩石力学分析与压裂高度预测

1.3.1 地层弹性参数计算

描述地层弹性参数主要有杨氏模量、剪切模量、体积模量和泊松比等。根据弹性波动理论,可以得出地层的弹性模量与声波纵、横波速度的关系。

1.3.2 水平地层应力的计算

采用改进的三轴应力模型,该模型能更好的体现各向异性对地层应力的影响;考虑到上覆岩层压力和构造运动的作用效应,得出最大和最小水平主地层应力[8-10]。

1.3.3 酸化压裂裂缝方位和高度预测

各项异性模块采用改进的模拟退火算法能够较准确地确定地层横波各向异性的主轴方向,从而确定最大和最小主应力方向,以及定向裂缝系统的方位。

压裂缝延伸高度预测采用B.M.New berry改进模型,该模型主要考虑地层应力以及流体的影响,预测结果较稳定可靠。

1.4 各向异性分析

各向异性计算模块采用波形反演方法确定地层各向异性的大小和主轴方位。在反演中采用了改进的快速模拟退火算法[11-14]。

改进的模拟退火算法的基本思想是为模拟退火算法加入局部优化算法。局部优化算法能够收敛到局部极值,从而有助于模拟退火算法精确区分多个相差不大的局部极值。但是局部优化算法的引入会影响模拟退火算法的计算速度,为了使模拟退火算法的计算速度不会下降太快,选用了一种简单的局部优化算法——下山单纯形方法,即在模拟退火算法的每1个循环中随机产生3个点,然后运用单纯形算法进行局部寻优,所得最优解作为下一个循环的初始点继续下一个循环。下山单纯形方法不涉及导数的运算,速度快,所以比较适合于加入到模拟退火算法中。

1.5 渗透率计算

通过提取直达斯通利波、计算斯通利波中心频率偏移和时间延迟进行地层渗透率反演[15]。

在渗透性地层,渗透率对斯通利波会产生2个方面的影响,即能量进一步衰减和传播速度减慢。因此,可以通过对比合成和测量的斯通利波波形估算地层的渗透率。在渗透性地层,测量波列的中心频率会出现低频移动,传播时间出现滞后现象。所以,在渗透性深度点,斯通利波的中心频率明显比非渗透点的中心频率低,斯通利波的到时明显比非渗透点的到时晚。对渗透点与非渗透点的数值进行对比后可得到中心频率差Δ和传播时间差Δ。如果某一层段的低频移动和波至滞后相一致,可认为此层段为渗透性地层。正如测量的斯通利波波形与非渗透性斯通利波波形对比一样,将理论合成的渗透性斯通利波波形与非渗透性斯通利波波形对比,就得到理论的中心频率差Δ和传播时间差。最后建立渗透率反演目标函数,通过搜索渗透率的最优值,使,就可以估算出该深度点的渗透率。

2 多极子声波测井分析系统应用实例

多极子声波测井分析系统(M AAS)主要包括5个功能模块:速度分析、衰减分析、岩石力学分析与压裂高度预测、各向异性分析和渗透率分析等功能模块。

2.1 速度分析

该模块采用较先进的慢度-时间相关(STC)法,可准确提取地层的纵波、横波、斯通利波和偶极横波慢度以及到时等参数。除了可以选择单炮点慢度-时间相干(NSTC)法进行速度分析外,还可以选择多炮点慢度-时间相干(M STC)法提高纵向分辨率。对于偶极子横波数据,还可以选择DSTC方法进行频散校正(见图1)。

2.2 衰减分析

该模块可以计算各个接收器纵波、横波、斯通利波的幅度曲线及其衰减系数。图2为某井衰减分析成果图,其第2道为输入的纵波、横波和斯通利波慢度曲线;第3道为输出的纵波衰减系数;第4道为横波衰减系数;第5道为斯通利波衰减系数;第6道为8个接收器的纵波幅度曲线;第7道为横波幅度曲线;第8道为斯通利波幅度曲线。

2.3 岩石力学分析与压裂高度预测

该模块包含2个子模块,①岩石力学分析模块,主要计算岩石泊松比、体积模量、杨氏模量、拉梅系数、体积压缩系数、岩石压缩系数等岩石机械特性参数,地层孔隙压力、岩石抗拉强度、最大水平主应力、最小水平主应力、破裂压力等井眼稳定性参数,还可以计算泥浆密度安全窗口;②压裂高度预测模块,该模块可以计算出酸化压裂所需的压力以及压裂后压裂缝的高度,为酸化压裂及压裂层位的设计提供依据(见图3)。

2.4 各向异性分析

MAAS的各向异性分析模块由各向异性计算和方位校正2个子模块组成。各向异性计算模块采用改进的模拟退火算法能够较准确地确定地层各向异性的大小和主轴方位,同时给出了地层的快慢波波形、慢度,及能量各向异性。方位校正模块是利用记录的仪器方位曲线对各向异性的方位进行校正,从而得到地层各向异性的实际方位,以便进一步确定地层最大和最小主应力方向,以及定向裂缝系统的方位。

图1 速度分析成果图

各向异性分析可用来评价压裂效果、识别裂缝及其有效性以及确定裂缝的方位。图4为某井压裂前数据,分别用MAAS和eXp ress进行各向异性分析后的成果图。由于压裂前数据各向异性不明显,所以图4中第3道的各向异性大小曲线数值很小,特别是平均各向异性,几乎为0。这个数据有2个压裂层段,1 918～1 922 m井段和1 928～1 934 m井段[见图4(b)中红色线段所示]。

图2 衰减分析成果图

图3 岩石力学分析与压裂高度预测成果图

图5为相同井段压裂后的处理成果图。MAAS和eXp ress的处理成果图在压裂段附近都表现出较强的各向异性,说明压裂效果明显,但MAAS处理的各向异性大小曲线在形态上与eXp ress处理的有些偏差。从理论上分析,压裂段地层相对于上下地层来说,各向异性应该偏低。但eXpess的处理结果显示第2个压裂层段对应各向异性的最大值,这与理论分析不符。MAAS的处理结果中,各向异性的大小刚好显示出2个高峰,且分别对应2个压裂段偏下的地层位置。

图4 某井各向异性分析对比图(压裂前)

图5 某井各向异性分析对比图(压裂后)

对比图4、图5中第4道的各向异性灰度图,可以看出二者显示的方位信息基本一致。从理论上分析,各向异性越大,方位越稳定。分析图5(b)各向异性大的位置,方位变化却很明显,反而各向异性小的位置,方位较稳定。图5(a)的处理结果则与理论分析相一致。

综上所述,MAAS各向异性分析模块的处理结果更能反映地层实际情况,可信度更高。

图6为某井压裂后各向异性分析的成果图。经过对比分析,可知对于DSI数据,MAAS的处理结果与 Geo Frame基本一致;但由于WAV ESON IC仪器测量的数据质量比较差,MAAS的处理结果与Geo Frame有些差异,但形态基本一致,能定性反映出地层各向异性的大小。

2.5 渗透率分析

该模块包含2个子模块,1个是波场分离模块,主要是为下一步反演渗透率做准备,通过参数估计法,可以得到直达斯通利波、上行反射斯通利波和下行反射斯通利波,同时可以得到反射系数、中心频率等参数。另1个是渗透率计算模块,主要是通过斯通利波波形反演来估算渗透率,同时可以得到时间延迟和中心频率偏移2个质量控制参数。

(a)Geo Frame处理结果(DSI数据)

(b)MAAS处理结果(DSI)数据)

图7为某井经过渗透率分析后的成果图,其中第4道为中心频率曲线,第6道为时间延迟和频率偏移曲线,第7道中离散的数据为岩心渗透率,连续的曲线为MAAS计算的渗透率,在渗透率大的地方,二者吻合的很好。从图7可知,计算出的渗透率曲线与第8道的孔隙度曲线对应很好。

图6 各向异性分析结果对比图

3 结束语

MAAS系统能解编处理 MAC、MACII、XMAC、XMACII、DSI、WAVESON IC等多极子阵列声波测井资料;能集成了 Geoframe、eXp ress和Petrosite等3个平台声波处理模块的优势;包含速度分析、衰减分析、岩石力学分析与压裂高度预测、各向异性分析、渗透率分析5个模块,功能齐全,可满足不同用户的需要,经过多口井资料的测试,该系统的处理效果基本达到了国外软件的水平,且克服了国外软件只能处理单一格式数据的局限。该系统已开始在中国石油测井有限公司长庆事业部推广应用。

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图7 渗透率分析成果图

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Developmen t of M ultipole Acoustic Analysis System Based on LEAD Platform and Its Application

TAN Bolei1,2,L IWei1,2,YU Chunhao3,L IChangwen3,ZHAO Jing3,HE Xiaolu3,TAO Guo1,2
(1.State Key Labo rato ry of Petroleum Resource and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Key Labo rato ry of Earth Prospecting and Information Technology,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 3.Technology Center,China Petroleum Logging CO.L TD.,Xi’an,Shaanxi 710021,China)

To meet the demand of domestic software for multip le acoustic data p rocessing and interp retation,developed is a M ultipole Acoustic Analysis System(M AAS)on the logging data p rocessing p latform LEAD2.1.It consists of five modules named as Velocity Analysis Module, Decay Analysis Module,Rock M echanics Analysis and Fracture Height Prediction Module,Anisotropy Analysis Module and Permeability Analysis Module.The MAAS can p rocess the data from these logging tools of MAC,MACII,XMAC,XMACII,DSIand WAVESON IC and integrate the advanced featuresof sonic logging modules in Geoframe,eXp ress and Petrosite.Field tests data and log app lication examp les in Changqing oil field are p resented,w hich p rove that data p rocessing effectivenessof the MAAS is up to international software design levels,and also,the MAASmay p rocessmultiple formats of data.

multipole array acoustic logging,signal p rocessing p latform,logging software,petroleum engineering

1004-1338(2010)05-0442-07

P631.84;TE19

A

谭博蕾,女,1984年生,硕士研究生,从事声波测井资料处理及解释研究。

2010-01-20 本文编辑 李总南)