一基于新一代声波扫描测井评价泥页岩各向异性

柴 婧, 杨 涛， 朱家俊

(1.中国石化胜利石油工程有限公司 测井公司,山东 东营 257096; 2.中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257000)

一基于新一代声波扫描测井评价泥页岩各向异性

柴 婧1, 杨 涛1， 朱家俊2

(1.中国石化胜利石油工程有限公司 测井公司,山东 东营 257096; 2.中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257000)

以页岩油气为代表的非常规储层评价逐渐成为现今勘探研究的热点和难点。页岩地层结构复杂,纵、横向均存在较强的各向异性,直接影响着岩石力学参数及压裂施工效果的评价。新一代声波扫描测井SonicScanner由于可以直接获取纵、横向的横波资料,从而使得评价地层的三轴各向异性成为可能。以胜利油区东营凹陷湖相页岩为例,介绍新一代声波扫描测井仪器在评价岩石力学参数及地层各向异性等方面的应用,以加强和深化该测井新方法在非常规储层评价中的应用效果。

声波扫描测井;裂缝评价;横波时差

近几年,随着泥页岩非常规油气勘探热度的不断提升,国内外各大石油公司纷纷加强了对该类油藏的综合评价攻关工作,一系列相关的研究成果也应运而生,但仍有一些关键问题如地层各向异性的评价,直接制约着基于岩石力学理论进行的可压性分析[1-5]。斯伦贝谢近期的研究表明,杨氏模量、泊松比、最小水平主应力这三个因素是估算地层可压性的主要参数,特别是弹性参数的各向异性评价更为关键[6]。其新一代声波测井仪器SonicScanner声波扫描测井可以记录完整的声波信息,同时获得多个探测深度的纵向、横向横波数据,通过结合密度测井得到三个不同方位的地层岩石力学参数,从而为页岩油气地层的综合评价提供了数据支持。笔者分别从仪器原理和实际应用效果方面进行阐述。

1 SonicScanner声波扫描测井原理

作为一种通过在井中发射声波和接收记录来反映地层信息的技术方法,声波测井是目前油田勘探中应用最为广泛的测井方法之一。伴随着勘探开发程度的深入和所面临对象的日趋复杂,声波测井的采集手段和应用范围也逐渐扩展。从最早期20世纪50～60年代的单发双收、双发双收到70～80年代的长源距声波、阵列声波,再到90年代的偶极横波(DSI),声波测井技术经历了飞速的发展,逐渐发展到可以直接获取地层横波信息,实现对地层声学各向异性的评价。但是与电磁和核测井仪器相比,声波仪器下入井内会对其测量产生较大影响,因此斯伦贝谢公司在DSI仪器基础上进行了改进,研制出新一代声波测井仪SonicScanner,其在仪器原理上没有质的差别,但是仪器的结构、声源的频率范围都有很大的变化,其设计、材料和组件都经过特殊设计。可以对其影响进行模拟,使得该仪器测量的信息量更大,探测地层信息更为精确,从而满足致密非常规储层评价的需要[7]。

图1为该测井仪器的发射-接收电源结构图,SonicScanner仪器共有5个发射电源:上单极源、下单极源和远单极源,以及两个正交摆放的偶极声源,在上、下单极源之间共有13组104个接收器。三个单极发射器能够获取长源距和短源距数据进行不同探测深度的井眼补偿,两个正交的偶极发射器能产生弯曲波,用于描述慢地层和各向异性地层的横波慢度。该仪器具有以下特点[5]:

(1)频率更宽,使用长和短单极发射器-接收器间距能够描述地层的均质程度和各向异性。

(2)信噪比更高,单极发射器可以增强低频输出,偶极发射器可以获取更高的输出能量、更高信噪比的声波、更宽的带宽、更低的能耗,因此可以尽可能多地获取地层信息。

(3)方位阵列更全,声波扫描平台有13个测点,每个点有8个接收器。两个单极发射器位于声波扫描仪器的两端,完成0.914 4 m和1.524 m水泥胶结测井,短、长发射器-接收器间距组合使用仪器能够测量蚀变地层,提供径向剖面,提高井眼附近流体和应力相关岩石性质的测量精度。

图1 斯伦贝谢SonicScanner仪器结构

2 各向异性分析的必要性和手段

页岩油气地层求产之前一般要做可压性评价,原因在于页岩油气开采主要依赖大型的水力压裂。若地层存在强烈的各向异性,如天然裂缝的存在往往会导致水力压裂的裂缝转向,进而影响水力压裂效果,因此地层各项异性评价是页岩油气开发过程中不可或缺的重要内容。

国内外诸多文献均曾阐述,地层中许多岩石都呈现各向异性,最为常见便是页岩的各向异性[8-9],传统的解释模型中,由于缺乏不同方位的横波数据,声波解释模型只能以无限均质地层以及各向同性为假设前提,而地层是否具有各向异性也无从判断。而事实上,由于井周地应力的不均衡、椭圆井眼、地层倾角等因素的存在,常常导致页岩油藏在横向具有的非均质性更为复杂[6]。SonicScanner仪器通过设定不同的发射及接收源距可以实现全三维的地层描述,通过宽带频测量及井眼全模式声波采集,提取出地层的三维声学特性,实现对各向异性的评价[6]。

地层各向异性的评价可以通过纵横向的弹性参数差异进行反映。根据波动理论、利用声波扫描仪器测量得到的纵横波时差结合密度测井资料,便可计算出以计算地层剪切模量、体积模量、泊松比、杨氏模量等弹性力学参数值,由于声波扫描测井可以提供水平和垂直不同方位的横波时差,因此上述计算的泊松比和杨氏模量也相应地具有方向性。图2为斯伦贝谢各向异性条件下各模量的示意图,其中(c66-c44)/2c44一般作为地层各向异性的指示。

剪切模量

体积模量

动态杨氏模量

动态泊松比

式中,ρb为实测的密度,g/cm3;Δts为测量的横波时差,μs/m;Δtp为测量的纵波时差,μs/m;G为剪切模量,GPa;K为体积模量,GPa;Ed为动态杨氏模量，GPa;μd为动态泊松比。

图2 纵、横波各项异性模型下模量示意图

地层的各向异性与岩石的可压性也有着密切的关系,评价可压性的关键参数有杨氏模量、泊松比、最小水平主应力等。一方面,当杨氏模量越大,泊松比越小、最小水平主应力越小时,地层可压性越好;另一方面,当纵向和横向测量的弹性参数差异较小时,表明地层较为均质,可压性良好。若计算的纵横向杨氏模量差别较大时,说明该岩石的闭合应力比各向同性的岩石高,这类各向异性层段中的岩石一般黏土含量高,而且往往存在易吸水膨胀的黏土,这些黏土含量高的层段一般不适合布置水平井,也不适合实施水力压裂,求产过程中难以保持裂缝的导流能力,支撑剂往往会嵌入塑性地层中,从而影响压裂效果[10]。

3 实例处理及分析

A井为胜利油田东营凹陷的一口页岩重点取心井,其目的层段为沙四上亚段烃源岩。主要岩性为湖相暗色泥质岩,发育纹层状泥岩和油页岩,纹层结构保存完好,类似于季候纹层。纹层结构特指水平层理密集产出而使岩石呈现的纹层状现象[11],层厚多在1 mm以下,且相邻层成分差异大,色度上往往“深浅相间”。纹层成分主要为泥质纹层、富有机质泥质纹层和灰质纹层组成,偶见砂质纹层。从薄片镜下观察看,纹层厚度常薄至<0.01 mm,一般厚度在0.02～0.20 mm之间,呈平直、微波状形态(图3(a));从电成像的响应来看,主要为明暗交互的结构(图3(b)),也在一定程度上说明了其层理特性。

该井目的层同时采集了常规测井和新技术系列测井资料,可以满足岩石各向异性的评价。以往的研究中,由于缺乏纵横向的横波数据,因此未进行纵横向弹性模量的对比,进而各向异性的评价也便无从谈起。此次研究中依据声波扫描测井资料,借助建立的岩石力学模型对杨氏模量、泊松比及最小水平主应力等参数分别进行了计算。下面将分别从杨氏模量、泊松比和最小水平主应力逐一介绍。

该井目的层同时采集了常规测井和新技术系列测井资料,可以满足岩石各向异性的评价。以往的研究中,由于缺乏纵横向的横波数据,因此未进行纵横向弹性模量的对比,进而各向异性的评价也便无从谈起。此次研究中依据声波扫描测井资料,借助建立的岩石力学模型对杨氏模量、泊松比及最小水平主应力等参数分别进行了计算。下面将分别从杨氏模量、泊松比和最小水平主应力逐一介绍。

图3 A井湖相页岩层理镜下特征及电成像响应

图4为A井的岩石力学参数计算成果,前3道为常规的9条测井曲线;第5道为录井的岩性剖面,该井目的层段的主要岩性为泥岩、灰质泥岩、泥质页岩等;第6道为计算的水平和垂直动态杨氏模量;第8道为计算的水平和垂直的静态泊松比。从计算的数值可以看到,该井储层段杨氏模量在8～12 GPa左右,静态泊松比介于0.24～0.29左右,与国内外公布的页岩层段可压性参数相比,属中等范围,另外横向与纵向的弹性参数比值介于1.2～1.5,表明页岩地层虽然不同方向模量存在一定差异,但总体差异不大,易于水平方向的压裂。

图4 A井弹性力学参数计算成果

第7道为水平主应力计算结果,红色虚线为计算的最小水平主应力,蓝色曲线为最大水平主应力。从图中可以看出,A井的最小水平主应力55～62 kPa,表明该区目的层的构造应力不大。同时,最大主应力与最小主应力的比值约为1.1,差异较小。结合前述纵、横向杨氏模型和泊松比的分布范围,综合判断A井目的层页岩各向异性不明显,岩石可压性为中等。该井的处理结果解决了多年来对于东营凹陷页岩地层各向异性的认识问题,对页岩油气地层的勘探工作起到了一定的辅助作用。

4 结束语

测井数据的准确采集和合理解释是解决页岩油气地质问题的关键一环,基于声波扫描测井资料对东营凹陷沙四上层段页岩油气地层进行了各项异性评价,其结果改善了对页岩地层声波非均质性的属性描述,有助于提高勘探工作者对测井资料的解释精度。

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[责任编辑] 董大伟

2015-10-20

柴 婧(1985—),女,山东菏泽人,中国石化胜利石油工程有限公司测井公司工程师,主要从事复杂储层测井解释及评价研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.04.001

P631.814

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