利用陣列聲波測井資料評價變質巖儲層有效性

譚禮洪 張國強 譚忠健 張貴斌 章成廣 蔡 明*

(①長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢 430100；②油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北武漢 430100；③中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459；④中海油田服務股份有限公司，天津 300459)

0 引言

隨著油氣勘探、開發范圍的不斷擴大，變質巖儲層也受到越來越多的關注。變質巖儲層作為一種特殊巖性儲層，由巖漿巖或沉積巖經變質作用形成，原巖的成分、結構和構造等都發生了改變。與一般沉積巖儲層相比，變質巖儲層在元素成分、礦物組成和巖石結構等方面更復雜，且由于變質相帶的差異性和構造運動的復雜性，變質巖儲層具有非均質性強、巖性復雜、巖相變化快以及儲集空間類型多樣等特點[1-3]。同時，變質巖儲層通常要經過改造才具有產能，壓裂和酸化等施工過程也會影響儲層評價及流體識別。因此以往的沉積巖儲層測井解釋評價標準對變質巖儲層已不再適用[4]。

前人研究了變質巖儲層評價方法。張銳鋒等[5]利用常規測井、成像測井和陣列聲波測井評價不同類型變質巖儲層，認為斯通利波幅度衰減越明顯則儲層品質越好。Kondakov等[6]根據測井和巖心分析識別變質巖儲層。秦瑞寶等[7]利用聲波測井評價變質巖儲層裂縫，由快、慢橫波之間的速度差計算地層的各向異性屬性，同時利用偶極橫波遠探測技術探測井外數十米內的裂縫。朱林奇等[8]制作多種測井數據交會圖建立交會圖板，得到了變質巖的水平井測井響應。Han等[9]基于全巖分析和測井、地震資料評價變質巖的巖性和儲層性質，進而探討儲層形成的主要因素。白松濤等[10]根據變質作用類型和成因將變質巖分類，并建立多種測井參數交會圖，了解了不同變質巖的測井響應特征。黃烈林等[11]通過消除致密層的測井響應劃分變質巖儲層裂縫。Liu等[12]利用裂縫分形維數和模糊數學評價變質巖潛山裂縫儲層。李國軍等[13]采用正交偶極聲波測井評價鄂爾多斯盆地變質巖儲層，結合聲波變密度圖像與斯通利波反射系數識別并評價裂縫。

目前主要利用常規測井識別變質巖巖性進而評價儲層，利用陣列聲波測井評價變質巖儲層有效性的研究較少。為此，本文以渤中19-6氣田變質巖測井資料為基礎，分析陣列聲波測井的響應特征，基于常規聲學參數計算提出平均衰減計算方法；通過定量研究多種聲學參數與不同儲層之間的相關性，提煉出對有效儲層敏感的聲學參數，建立基于敏感聲學參數的儲層有效性評價圖板與方案。所提方法為準確識別渤中19-6氣田變質巖有效儲層提供了新思路，為提高儲層產能奠定了基礎。

1 地質背景

渤海灣盆地經數十年的勘探、開發，以往人們認為該盆地的產油量遠大于產氣量。為了勘探深層油氣，近年在渤海油田發現了渤中19-6大型整裝凝析氣氣田，是渤海灣盆地的最大氣田，探明儲量超過千億立方米，顛覆了渤海灣盆地產氣量低的認識[14-16]。渤中19-6氣田位于渤中凹陷西南部，經歷了加里東和印支等多期構造運動，主要目的層為太古界變質巖潛山[17-18]，儲層的主要巖性為二長片麻巖、斜長片麻巖以及混合片麻巖等，主要礦物為長石、石英和云母[19-20]。渤中19-6氣田作為變質巖氣藏，與沉積巖氣藏相比，原生孔隙一般不發育，具有低孔(孔隙度為2.7%～12.8%，平均值為5.3%)、低滲(滲透率為0.01～11.81mD，平均值為0.733mD)的特點。受長期的構造運動及風化淋濾等內、外力作用影響，儲集空間以裂縫為主[21-23]。由于上述儲層特征，因此識別有效儲層難度大。現場通常根據儲層油氣產量是否具有商業開采價值將儲層分為有效儲層與無效儲層，而對于新發現儲層，一般根據前期研究經驗，利用優勢巖性、物性參數、裂縫發育情況等指標識別有效儲層[1]。

2 陣列聲波測井資料處理與分析

陣列聲波測井于20世紀80年代末推出，測井儀器源距長，間距一般為6in，接收探頭個數一般為8～12。與長源距聲波測井相比，陣列聲波測井性能得到進一步提升，信噪比更高，發射探頭頻率更低，在斯通利波測量方面有著顯著優勢。陣列聲波測井資料中包含各組分波的慢度、衰減、幅度、能量等多種聲學參數，這些聲學參數與孔隙度、滲透率、裂縫發育情況等儲層物性參數密切相關[24-27]，因此可以用于識別并評價有效儲層。

2.1 時差提取方法

聲波時差也稱之為慢度，是指速度的倒數。在處理陣列聲波測井資料時，通常使用慢度—時間相關(slowness-time coherence，STC)法尋找各組分波并計算時差與能量。STC法是一種時域內的多道信號相關分析技術，通過開設時窗并移動尋找各組分波[28]。

假設陣列聲波測井儀器有M個接收探頭，且每兩個相鄰接收探頭之間均間隔Δz，第m個接收探頭的全波列信號為rm，當時窗長度為Tw時，任一時刻t的相關系數有以下關系

(1)

式中：ρ為相關系數；s為時窗移動的時差；τ為時窗在第一道波形的位置。

通過計算式(1)得到ρ∈[0，1]。當ρ=1時，波形形態完全相同；當ρ=0時，波形之間不具有相關性。ρ與時間和慢度有關，當各組分波到達且慢度為各組分波的慢度時，ρ達到最大，此時對應的慢度就是該組分波的時差。

2.2 陣列衰減計算原理

陣列衰減是通過計算不同接收器接收波形的幅度關系得到的。首先計算不同接收器波形幅度比值的對數，然后通過最優化線性擬合的方式計算陣列衰減[29]。通常由

(2)

計算波形衰減ATTU。式中：AMPn和AMPm分別為第n和第m個接收器波形的幅度；dS為接收器間距。

2.3 平均衰減計算原理

以致密無效層的模式波幅度為參考值，取參考值與同一接收器實際接收波形中目標模式波的幅度比值的對數為模式波平均衰減ATTUa，即

(3)

式中：AMP0為致密無效層的模式波幅度；AMPi為同一接收器在第i個深度點實際接收波形中目標模式波的幅度。

一般選擇波形幅度無異常且源距相對較小的接收器。與陣列衰減相比，平均衰減能消除接收器響應一致性的影響。另外，對于巖性相同或相近的儲層，由式(3)得到的ATTUa可以較好地消除或減弱巖性影響，從而主要體現基質孔隙和裂縫的貢獻，進而更好地反映孔隙和裂縫發育情況，但ATTUa的分辨率相對較低。

2.4 斯通利波反射系數計算原理

在聲波全波列中，相對于其他組分波，斯通利波頻率低(低于3kHz)、能量高、到時晚。通過濾波處理分離波場，可以得到直達斯通利波、上行和下行反射斯通利波。由于波列記錄時間長，斯通利波對裂縫和層界面非常敏感，在裂縫和層界面處存在明顯的反射斯通利波，因此利用分離得到的斯通利波反射系數可識別與評價裂縫[30]。波場分離后分別對直達斯通利波和反射斯通利波波形作快速傅里葉變換獲得頻譜，則斯通利波反射系數為

(4)

2.5 斯通利波滲透率計算原理

斯通利波在井下沿著井壁傳播，由于受地層特性以及井中流體變化等因素的影響，斯通利波的波形和能量會產生變化，時間和頻率會發生偏移。通過模擬井下條件得到合成斯通利波，其與實際斯通利波之間的差別主要由滲透率造成[31]，由此可以反演滲透率，即利用理論計算與實際測量的斯通利波時間延遲和頻率偏移，建立滲透率反演目標函數[32]。

2.6 變質巖儲層陣列聲波測井資料分析

圖1為渤中19-6氣田X井陣列聲波解釋成果。可見：①有效儲層段的縱波、橫波、斯通利波的時差值明顯增大，部分深度段的縱波時差大于80μs/ft；縱波、橫波、斯通利波的陣列衰減增大；有效儲層段的縱波、橫波、斯通利波的平均衰減明顯增大；有效儲層段的斯通利波滲透率和反射系數增大，說明可能存在裂縫(電成像資料處理結果證實該深度段裂縫較發育)。②上述曲線值在無效儲層段均又降到低值。③幅度曲線變化則與上述情況相反，即在有效儲層段降低，并且斯通利波幅度曲線變化不明顯。④由于巖石的各向異性，導致快橫波與慢橫波出現分裂現象。

圖1 渤中19-6-X井陣列聲波解釋成果

通過以上測井響應特征可知：①陣列聲波模式波的時差、陣列衰減、平均衰減、斯通利波滲透率以及反射系數對儲層可能較敏感，在有效儲層段曲線值呈增大趨勢，且平均衰減和斯通利波反射系數增大指示存在裂縫；②在有效儲層段幅度曲線值呈減小趨勢，但部分深度段變化不明顯，對儲層不敏感。上述測井響應特征為利用陣列聲波測井資料評價變質巖儲層有效性奠定了基礎。

3 基于聲學參數的儲層有效性評價方法

3.1 儲層敏感聲學參數分析

通過軟件處理陣列聲波資料后，通過計算得到11種聲學參數，根據研究區各井綜合解釋分層數據表優選層厚大于1m的儲層，統計各儲層段聲學參數的平均值建立交會圖(圖2～圖7)。

圖2 縱波時差—縱波平均衰減交會圖

圖3 縱波陣列衰減—橫波平均衰減交會圖

由圖2～圖5可見，有效儲層與無效儲層樣點明顯分布在不同區域，據此能夠明顯地區分有效儲層與無效儲層。由圖6、圖7可見，由于斯通利波滲透率以及反射系數值偏小，導致有效儲層與無效儲層樣點部分區間重疊，且反射系數在識別裂縫時存在分辨率不高和易受無效裂縫干擾等問題[30]，在識別有效儲層時只能作為輔助參考。上述現象說明，由現有方法計算的斯通利波滲透率和反射系數對儲層不敏感，需要結合其他資料評價。上述分析表明，縱波、橫波以及斯通利波的時差、陣列衰減、平均衰減是對儲層有效性敏感的聲學參數，可建立圖板識別有效儲層。

圖4 橫波陣列衰減—斯通利波陣列衰減交會圖

圖5 斯通利波平均衰減—斯通利波時差交會圖

圖6 橫波時差—斯通利波滲透率交會圖

圖7 橫波時差—反射系數交會圖

3.2 儲層有效性評價圖板

對于上述9種敏感聲學參數，兩兩組合建立圖板，由其中5張圖板(圖8～圖12)可見，區分效果均具有較高的符合率，能較準確地識別有效儲層。

圖8 縱波時差—縱波平均衰減圖板

圖9 縱波陣列衰減—橫波平均衰減圖板

圖10 橫波陣列衰減—斯通利波陣列衰減圖板

圖11 斯通利波平均衰減—斯通利波時差圖板

圖12 橫波時差—縱波平均衰減圖板

3.3 儲層有效性評價標準

由以上5張圖板可以看出，有效儲層與無效儲層主要分布在不同區域，由此可以得到儲層有效性評價標準(表1)。在處理陣列聲波測井資料得到敏感聲學參數平均值后，根據圖板及評價標準，可以較準確地識別有效儲層。

表1 儲層有效性評價標準

4 應用實例分析

為了檢驗上述圖板的應用效果，另取渤中19-6氣田A、B和C三口井的陣列聲波測井資料，經處理后提取敏感聲學參數，并統計平均值，共得到35個不同深度段的聲學參數平均值，代入以上圖板得到驗證結果(圖13～圖17)。

圖13 縱波時差—縱波平均衰減驗證結果

圖14 縱波陣列衰減—橫波平均衰減驗證結果

圖15 橫波陣列衰減—斯通利波陣列衰減驗證結果

圖16 斯通利波平均衰減—斯通利波時差驗證結果

圖17 橫波時差—縱波平均衰減驗證結果

根據以上驗證結果統計有效儲層準確識別的層數，結果表明，35個井段的評價結果符合率達91.43%。對比試油結論表明：A井3879～3998m層段試油，獲日產油136.72 m3、日產氣141138m3，為高產凝析氣層，該井儲層聲學參數投點在圖板中主要分布于有效儲層區域；B井4534～5079m層段試油，獲日產油111.12 m3、日產氣103222m3，為高產凝析氣層，該井儲層聲學參數投點在圖板中主要分布于有效儲層區域；C井4624～5367m層段試油，獲日產氣10986m3，為低產凝析氣層，該井儲層聲學參數投點在圖板中主要分布于無效儲層區域。

由此說明，采用上述有效性評價圖板識別有效儲層準確率較高，具有一定的可行性，能夠滿足現場應用需求。

5 結束語

通過分析和提煉對儲層敏感的聲學參數，建立了評價儲層有效性的圖板與標準，應用結果表明該方案能夠滿足現場應用需求，并取得如下認識：

(1)在處理陣列聲波測井資料時，可以得到多種聲學參數，其中縱波、橫波、斯通利波的時差、陣列衰減以及平均衰減對儲層較敏感，在有效儲層段曲線值呈增大趨勢，可以用于評價儲層有效性。

(2)將敏感聲學參數兩兩組合建立交會圖板，可較好地區分有效儲層與無效儲層。渤中氣田三口井數據驗證結果的符合率達91.43%，同時與試油結論吻合，證明所提方法可評價渤中地區儲層有效性。

(3)影響斯通利波滲透率和反射系數計算結果的因素較多。計算結果數值偏小，統計結果易受極值影響。因此這兩種參數在儲層有效性評價時只能作為輔助參考，需要結合成像或巖心等資料進一步證實。