交叉偶极声波在油气勘探开发中的应用分析——以川东北三叠系地层与内蒙查干凹陷下白垩统地层为例

陈 川，易 杰，范朝辉，胡 燃，邹 勇

(1.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都 610500；2.中国石油集团测井有限公司;3.中国石化中原石油工程公司地球物理测井公司)

交叉偶极声波具有接收探头多、探头间距小、采用偶极子声源的特点。偶极子声源振动时，很像一个活塞，能使井壁的一侧压力增加，而另一侧压力减小，使井壁产生扰动，形成轻微的挠曲，在地层中直接激发纵横波。除沿地层传播的横波和纵波，沿井眼还存在剪切挠曲波，这种剪切挠曲波具有频散特性，并且不同频率的波传播速度不同，高频时传播速度低于横波速度，低频时(小于1kHz)传播速度趋于横波速度。偶极横波测井是通过对挠曲波的测量来计算横波的速度[1]。因此为确保横波的测量精度，应尽量降低波源的发射频率。

1 识别岩性

利用纵横波速度比(VP/VS)来识别岩性是一种有效的方法。当储层不含气时，各种岩性的横纵波时差比具有一定的范围[1-2](见表1)。

表1 常见岩石的造岩矿物和岩石的纵横波时差比

川东北钻遇地层岩性多样，包括粉-细砂岩、中砂岩和砾状砂岩、灰岩、白云岩，还有少量硬石膏、盐岩、盐膏层、煤等岩性[3-4]。须家河组砂岩地层纵横波速度比大多在1.65～1.75，砂砾岩地层纵横波速度比大多在1.50～1.60；以下的海相地层灰岩大多在1.90左右，白云岩大多在1.80左右。砂岩地层和碳酸盐岩地层分布范围有明显的不同，比较容易区分，砂砾岩地层较致密，时差较低，纵横波速度比较砂岩更低，岩性纯时易区分，岩性不纯时应结合其他资料综合判别。

2 识别气层

地层中的气体使纵波速度降低，而对横波的影响很小，纵横波速度比(VP/VS)会减小。高孔隙度、高含气饱和度的储层具有较低的纵横波波速比，而且含气饱和度越高，纵横波速度比下降越明显，同时引起泊松比下降，由此可以辅助常规测井解释定性判别气层[5-7]。

YB29井长兴组顶部的白云岩溶蚀孔洞为气层的储集空间，中下部为致密灰岩，是海相储集层发育的主要层段。通过分析，川东北地区三类气层纵横波速度比在1.90～1.95，一类气层、二类气层纵横波速度比大部分落在1.78～1.83，相对三类气层而言，纵横波速度比有比较明显下降趋势(图1)。随着物性变好、含气量的增多，纵横波速度比有下降趋势。

3 评价裂缝

理论上，声波的能量尤其是斯通利波的能量变化对储层物性有一定的指示作用[1]。当孔隙和裂缝中充填有流体时，纵波和斯通利波能量出现衰减。现场资料表明，声波通过裂缝时幅度的衰减与裂缝的倾角有关：低倾角裂缝横波幅度的衰减值比纵波大，高倾角裂缝纵波幅度衰减不明显。

图1 储层纵波时差-纵横波速度比交会图

YL5井：4 080～4 100 m井段岩性为砂砾岩，51、54号层三孔隙度曲线显示物性好，孔隙度分别为10.83%、8.88%，含气饱和度分别为34.7%、46.2%，孔隙度曲线和电阻率曲线形态均呈“V”字型，偶极声波的全波列变密度图显示斯通利波有两处"V"字型条纹，对应深度分别为4 086 m和4 094 m左右，分析认为该段有裂缝发育，且裂缝角度既有高角度裂缝也有低角度裂缝。钻遇井段4 085～4 085.7 m、4093.8～4 095 m发生井漏，上述分析得以证实。

4 评价储层各向异性

在裂缝及溶蚀孔洞发育的地层，速度各向异性主要由裂缝系统所致，此时计算的地层各向异性的方向代表着裂缝系统的走向；在裂缝不发育且有明显的椭圆井眼崩落井段的地层，地层速度各向异性是由地应力的不均衡所引起，此时各向异性的大小代表着最大、最小水平主应力差的相对大小[1、4-6]。

查干凹陷已有的偶极声波资料测遇地层包括苏红图组的苏二段和苏一段、巴音戈壁组的巴二段和巴一段，以及部分银根组地层，处理出的地层各向异性见表2。

表2 查干凹陷地层各向异性统计成果

5 提供岩石机械特性参数

根据地层的破裂压力梯度及上覆压力梯度，可分析井下压裂后的裂缝形态。若地层的破裂压力梯度大于上覆压力梯度，地层压裂后形成水平裂缝；若地层的破裂压力梯度小于上覆压力梯度，地层压裂后形成垂直裂缝。当地层形成垂直裂缝时，裂缝的长度和高度是杨氏模量、切变模量、泊松比、压裂液排量、黏度等的函数。根据压裂的目的及已知的岩石力学参数，可确定压裂液和支撑剂的类型、用量、泵入速度等，可较准确地控制裂缝的长度、高度、形状。

利用已有的查干凹陷偶极声波资料,结合常规测井资料,计算出岩石的力学参数，按照地质层位分段统计出平均值(表3)。

从表3中的数据来看，岩石的泊松比在0.213～0.357之间，破裂压力梯度在0.014～0.017MPa/m之间，岩石的机械强度随着地层埋深的增大而相应增强。根据国内外经验的报道，当出砂指数大于4×104MPa时，地层不会出砂，小于2.7×104MPa时，一般会出大量的砂，出砂指数在(2.7～4.0)×104MPa时，会出少量砂。按此指标分析来看，查干地区岩石强度普遍较大，正常生产时不易出砂。

6 利用流体移动指数指示储层渗透性

表3 查干凹陷岩石力学参数平均值统计

从实际交叉偶极声波中提取的斯通利波时差信息实际包含两部分贡献：一部分为假定地层为致密弹性介质时斯通利波固有时差贡献；另一部分为地层流体与井眼流体能量交换时所造成的时间延迟。利用地层密度、地层时差、泥浆时差、泥浆密度计算出一条零渗透率时的斯通利波 ，实测的斯通利波和该斯通利波的差值称为流体移动指数(QFM)，它反映了地层的渗透能力。经过大量的调研、反复验证，确定的计算方法为：

式中：kf、G——分别为泥浆体弹性模量和地层剪切模量；Δts、Δtf——分别为地层和泥浆的时差，μs/ft；ρ、ρf——分别为地层密度和泥浆密度，g/cm3，QFM——流体移动指数，S、Se——分别为实测和理论的斯通利波时差，μs/ft。

需要说明的是，流体移动指数可以判断储层的渗透能力，因此可以大致判断裂缝的存在。在裂缝发育井段，由于裂缝的存在，地层渗透率增加，流体移动指数一定会增大，但是流体移动指数增大，并不一定是由裂缝引起。

PS18-1井3 250～3 285 m常规曲线初步判断为泥岩层，但对偶极子资料处理后发现QFM值较高，显示该段泥岩层渗透性较好，而井径曲线规则，但有强烈的各向异性，并且变密度图有明显的“V”字形反射条纹，综合解释为裂缝层。

7 结束语

通过对21口交叉偶极声波测井资料的处理、解释和应用，证明了交叉偶极声波测井在判断岩性、识别气层和评价裂缝的有效性、评价地应力大小和方向、井眼稳定性分析等方面发挥了重要的作用，同时流体移动指数的应用也为评价储层渗透性提供了重要依据。值得注意的是，影响声速的因素很多：岩性、孔隙度、含气饱和度、井眼环境、压实程度以及地层压力等，都会影响声波测井的具体应用，因此在解释过程中，应综合分析测、录井资料，排除各种因素的影响，才能得出更为可靠的结论。交叉偶极声波测井资料在勘探开发生产中发挥着越来越大的作用。

[1] 中国石油天然气集团公司测井重点实验室.测井新技术培训教程[M].北京：石油工业出版社,2008.

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