纵波走时层析成像技术在非常规储层压裂评价中的应用

钱玉萍,王文文,侯振学,成家杰,祁晓

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,河北 燕郊 065201)

0 引 言

非常规储层具有致密、非均质性强等特征,因此压裂成为有效开发非常规储层的关键环节,对压裂效果的评价至关重要。最有效的压裂技术为水力压裂,评价压裂效果主要的测井方法包括井温测量、同位素测井和注硼中子寿命检测方法,但这些评价地层压裂效果的方法总体上可靠性和实用性较差[1-2]。声波各向异性在套管井中的应用是一种评价压裂效果和确定压裂裂缝特征的有效方法,该方法直观准确[1],有其适用性,也存在很多局限性,会受压裂缝网形态[3]、地层相对于井眼的角度等影响,且手段单一,无法精细刻画压裂对井壁附近地层的改造作用,不能满足非常规储层压裂效果评价的需求。鉴于这种现状,需寻求新的压裂评价方法。

阵列声波测井是井孔内测量地层纵波、横波速度的一项有效技术,然而应力条件、流体侵入、钻井、压裂引起的机械破损等原因会导致井壁附近地层弹性参数发生改变[4]。地层弹性参数的变化会造成井壁附近地层弹性波速度的变化,称这种地层为径向速度变化地层。确定地层的径向弹性波速度变化对评价井壁稳定性、估算地应力、和优化油藏生产等有着重要意义[5]。

近年来,声速径向剖面层析成像技术有了重要进展。Hornby[6]最早提出基于射线追踪理论的单极纵波走时层析成像技术,假设井壁附近地层的声波慢度在钻井的轴向和径向都有变化,利用走时层析技术重建了井壁附近地层的二维速度剖面。该技术先对二维模型用射线追踪方法进行正演计算得到声波走时,然后再使计算和实测的走时之差达到最小,得到与数据符合最好的慢度分布模型。Hornby的研究结果揭示了井壁附近速度剖面许多有参考价值的例子,包括井壁附近页岩的变化、地层破损以及岩层与井斜交等情况。探测地层径向横波速度剖面的方法主要有2种:①应用B-G理论反演径向速度剖面[7],这个方法通过牺牲径向分辨率和精度来提供一个平均的径向速度剖面,然而一个实际的速度剖面在井眼周围可能有较大的变化并且可能偏离平均速度剖面较多[8],因此这种方法可能会存在一定的误差;②Tang和Patterson[9]提出用高频约束反演地层横波速度剖面,它的优点是通过约束对井眼附近区域敏感的高频波,使探测精度更高,结果更准确,但当遇到高频缺失的情况,此方法也会产生误差。赵龙[10]基于高频约束的方法进行地层横波径向速度剖面反演,并对该方法做了改进,取得了一定的应用效果。张国栋等[2]应用纵波层析成像的方法在东海西湖凹陷进行压裂缝高评价,也取得了一定的效果。

鉴于目前非常规储层对压裂改造评价的需求,以及传统的评价压裂改造效果的方法存在诸多局限性,本文引入了纵波走时层析成像技术。对此技术的理论基础、层析成像的过程以及采用此技术评价储层压裂效果等内容都作了详细地阐述。该技术在压裂评价中的应用是对传统评价方法的一个有效补充。

1 纵波走时层析成像的理论基础

由于井壁钻井破损、井孔应力集中等因素造成井孔附近的径向速度发生变化,为模拟这种变化,假设地层参数变化是单调的,即从井壁向地层内单调增加。图1(a)为径向速度变化地层模型,距离井筒最远处为原状地层。对于井壁附近无径向速度变化的地层,即均质地层,模型见图2(a)。对于均质地层,纵波的传播路径见图2(b),纵波以沿着井壁的滑行纵波传播,纵波走时包含地层的真实速度信息。对于径向速度变化地层,射线由浅到深折射进入地层后,以滑行纵波传播,再由深到浅折射回接收器,具体传播路径见图1(b)。从纵波的传播路径可以看出,纵波依次经过了探测深度以内有速度变化的地层,且源距越长,探测深度越深。纵波的传播路径决定了纵波走时包含有探深以内地层速度变化的信息,应用纵波走时可以重建井壁附近地层的速度变化剖面。其中,长源距包含的地层速度变化信息更多,对井壁附近地层速度的重建更加有利。

图1 径向速度变化地层首波射线传播路径[6]

图2 均质地层首波射线传播路径[6]

2 纵波走时层析成像过程

2.1 定性判断地层是否存在声速由低到高的径向变化

在计算地层的层析成像之前,首先用一种直观的方法判断地层是否存在声速由低到高的径向变化。根据式(1)计算波到第1接收器(R1)上波的走时,将其定义为参考R1走时TTref,

图3 纵波走时层析成像示意图

(1)

式中,v(z)为阵列处理提取的地层声速曲线,为最大穿透深度的速度;积分上下限分别为源s和第1接收器R1的深度位置,TTf为波在井中流体的传播时间。

将式(1)的参考R1走时与实测R1走时比较:对于v(z)无径向变化的地层,参考R1走时与实测R1走时一致;当声速沿径向增加时,实测R1走时是射线由浅到深进入地层后再折射回来的时间,由于式(1)中的v(z)为最大穿透深度的速度,由式(1)计算出的参考R1走时比实测R1走时要小,即实测R1走时滞后于参考R1走时。

2.2 纵波走时层析成像的过程

采用Hornby[6]提出的射线追踪法建立纵波径向速度剖面,用以描述波速沿井眼轴向和径向的变化,纵波径向层析成像反演的主要流程为

(1) 应用从阵列波形中提取的时差v0作为原状地层的速度,建立初始迭代模型:距离井壁0 m到无穷远处,速度均为v0的均质原状地层模型。根据此模型应用射线追踪的方法正演模拟得到计算走时(见图3中蓝线所示),对比实测走时(见图3中红线所示)与计算走时,实测走时明显滞后于计算走时,说明井壁附近地层发生径向速度变化。其中,实测走时的准确提取是径向层析成像的关键[2],具体可参阅文献[11]。

(2) 为了使计算走时与实测走时重合或相接近,更新模型:距离井壁0 m到drm,速度降低至(v0-dv),距离井壁drm到无穷远处,速度为v0。根据此模型更新计算走时,计算走时开始逼近实测走时,但两者差距仍明显,说明需要进一步将井壁附近速度降低。

(3) 继续更新模型:距离井壁0 m到drm,速度降低至(v0-2dv),距离井壁drm到2drm,速度降低至(v0-dv),距离井壁2drm到无穷远处,速度为v0。根据此模型更新计算走时,计算走时进一步逼近实测走时,但两者仍有差距。

(4) 重复上述步骤,直到最终模型,即根据最终模型正演的计算走时与实测走时重合(应用最小二乘方法),此时的速度模型就是要求取的绝对速度剖面。

2.3 相对速度剖面

(2)

3 应用研究

3.1 压裂前、后评价

3.1.1 压前脆性评价

应用纵波层析成像进行压前脆性评价的依据是:脆性好的岩石在钻井过程中产生微裂缝多,脆性较差的岩石产生微裂缝少,造成声速径向变化有差异,可以根据速度剖面的差异寻找脆性更好的有利层位,实现定性评价地层脆性。对于定量评价地层脆性,对相对速度剖面进行定量化,将纵波相对速度变化量沿井径方向积分(见式3),该积分值即为岩石的脆性指数BFvp,反映了纵波速度变化及影响区域的大小,是速度剖面变化的综合体现[12]。

(3)

图4 B井压裂前、后速度剖面及各向异性成果图(黑色标识为设计压裂段)*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3.1.2 压裂效果评价

应用纵波层析成像进行压裂评价的重要依据是:压裂使井壁周围岩石破碎,会产生大量的裂缝,形成岩石的扩容,岩石扩容产生的岩石弹性波波速下降已为大量实验数据所证实[13]。通过实际的实验室压裂实验也可以观测到压裂在井眼周围产生了大量的微裂缝[3],这些微裂缝的产生就会造成井壁附近地层速度的降低。而纵波走时层析成像技术恰恰可以反映岩石弹性波波速的变化,通过分析压裂前、后速度剖面的差异(包括径向速度变化量是否变大,径向深度是否明显加深),从而获取压裂缝高等参数。因此纵波走时层析成像技术可用于评价压裂效果。

3.2 应用实例

B井压裂段为3 352.00～3 358.00 m井段,如图4中黑色柱状标注井段。该井段岩性为砂岩,中子密度有交会,气测形态饱满,电阻率值较低,综合解释为一套油水同层和一套含油水层。

该井段压裂效果评价存在的问题是压裂前、后各向异性差异不大,不利于判断压裂缝高,无法判断出砂体是否压开,如图4中压裂前、后各向异性及压裂前、后各向异性差异所示。所以对压裂前、后的速度剖面进行了处理(见图4)。从压前速度剖面可以看出压裂段整体脆性较好。对于压裂效果的分析:压裂前、后径向速度剖面差异明显,判断压裂效果较好,根据速度剖面的差异可以明确判断压裂缝高(见图4中红色虚线框);非压裂段的速度剖面具有很好的重复性,保证了压裂前、后的可对比性。

该压裂段压前产水8.08 m3/d,未出油。压裂后产水40.28 m3/d,产油3.14 m3/d,其中压裂液返排率高达90.26%。无论是压裂前、后的产能还是压裂液返排率都验证了速度剖面对压裂效果的评价。显然,对于这口井,传统的各向异性的方法评价压裂失效。当压裂缝为单条主缝时,会产生明显的横波分裂现象,会增强地层的各向异性;当压裂缝为网状裂缝时,不会产生横波分裂现象,不会增强地层的各向异性[23],导致各向异性方法评价压裂效果失效,所以怀疑该压裂段压裂缝网形态为网状裂缝。

对于煤层的压裂效果评价存在的问题,由于煤层煤质疏松,地层较软,导致偶极横波波形质量较差,造成各向异性计算不准确,所以传统的偶极横波各向异性评价压裂效果的方法在煤层中失效。

图5给出利用纵波走时层析成像评价煤层压裂效果的实例(XY井)。图5是XY井压裂前、1次压裂后、2次压裂后径向速度剖面对比图。第1道是自然伽马曲线,第2道是深度,第3道是密度、中子和声波时差曲线,第4道、第5道、第6道分别是压裂前、1次压后(压裂15号煤层)、2次压后(压裂3号、9号煤层)的径向速度变化剖面,第7道是根据式(3)计算的压前脆性曲线。在径向速度剖面图中,色标变化从0到15,表示相对速度变化量从0到15%,图5中-2到2表示距离井壁2 m范围内进行速度成像。

图5中对于非压裂段,第4道、第5道、第6道中均体现了很好的重复性。对于压裂段:3号、15号煤层压前、压后径向速度剖面变化明显,压裂效果较好,压裂方向往煤层径向深处延伸。9号煤层压前、压后径向速度剖面基本不发生变化,认为9号煤层压裂效果较差,分析可能是由于煤层厚度较薄导致。从第4道,即压前速度剖面,相较于9号煤层的径向速度变化量,可以看出3号、15号煤层的径向速度变化量更加明显。由于压前速度剖面反映了地层岩石受钻井的破坏程度,破坏程度的强弱(即相对速度变化的大小)间接反映了岩石的脆性大小,所以从压前速度剖面可以看出,与9号煤层对比,3号、15号煤层的脆性更好,这与第7道压前脆性曲线的指示一致。同时脆性更好,更易于压裂,这一点与压裂前、后速度剖面显示的压裂效果相符。

图5 XY井压裂前、一次压裂后(15号煤层压裂)、二次压裂后(3号、9号、15号煤层压裂)径向速度剖面对比图

4 结 论

(1) 受钻井、工程压裂等影响,井壁附近的地层弹性波速度与远离井壁处的原状地层的速度相比有较大的变化,应用纵波走时可以对井壁附近的径向速度变化进行层析成像,从而可以用来确定钻井及工程压裂在地层中造成的破损范围的大小进而预测岩石脆性以及评价压裂效果等。

(2) 速度径向剖面提供了一种评价脆性的方法,应用压前的径向速度剖面可以定性、定量评价地层的脆性,直接反映岩石在钻井过程中所体现的脆性,对于储集层压裂优选层位和压裂改造实施有指导意义。

(3) 通过分析压裂前、后速度剖面的差异(包括径向速度变化量是否变大,径向深度是否明显加深),可以获取压裂缝高等参数,该方法在压裂评价中的应用是对传统压裂评价方法的一个有效补充。

(4) 速度剖面评价压裂的优势:当压前、压后各向异性差异不大时(比如压裂缝为网状缝),即应用各向异性评价压裂效果失效时,速度剖面仍然可以很好地反映压裂效果。

(5) 对于软地层,比如煤层,由于地层较软,偶极横波衰减严重,应用各向异性评价压裂效果较差,应用压裂前、后速度剖面对比仍然可以很好地评价压裂效果。