反射波成像與縱波徑向速度成像在華北油田裂縫型碳酸鹽巖儲層勘探開發中的聯合應用

馬修剛,周軍,蔡文淵,王偉,于偉高,曹先軍,孫佩

(1.中國石油集團測井有限公司技術中心，陜西 西安 710077;2.中國石油集團測井有限公司 華北分公司，河北 任丘 062550;3.中國石油天然氣股份有限公司 華北油田分公司，河北 任丘 062550)

0 引言

陸相碎屑巖沉積盆地對我國石油天然氣行業作出了巨大貢獻，隨著國家對國內油氣依存度提高，石油缺口近幾年連續攀升，對一些埋藏深、斷層裂縫發育、非均質性強、橫向變化大等復雜的油氣勘探力度進一步加大。冀中坳陷是我國潛山油氣勘探的發祥地，區內潛山型油氣藏為主要油氣藏，占已發現油氣藏儲量的55%以上[1]。河西務潛山位于冀中廊固凹陷東部，是由河西務主斷層控制的呈北東向展布的一個大型壘塊山。巖性主要為白云巖、灰巖和巖溶角礫巖?；規r和白云巖都是低孔、超低滲儲層，不經過酸化、壓裂等儲層改造，難以獲得工業產能[2-3]。

隨著碳酸鹽巖油氣藏的陸續發現，碳酸鹽巖儲層識別變得越來越重要。地震勘探橫向上能探測較大尺度的地質構造，對數十米裂縫等小型地質構造以及裂縫延展特征等無法給出定量參數描述[4-6]。雖然測井技術在不斷進步，由于碳酸鹽巖縫洞型儲層孔隙結構復雜，非均質性強，橫向變化大，常規測井方法對裂縫的井外延伸情況以及井旁是否存在隱蔽型儲層難以給出答案。反射波成像技術[1]通過對陣列聲波或遠探測聲波測井中反射波信息提取處理，得到井旁縫、洞等構造反射特征，探測尺度介于地震與常規測井方法之間，該方法能評價裂縫延伸及發現井旁隱蔽型縫洞儲層[7-9,1]。反射波成像技術是基于縱、橫波反射信息提取和偏移成像的處理技術，其中偶極橫波反射成像利用正交偶極聲波測井資料處理實現井旁縫洞成像，提供井眼外數十米范圍內的裂縫走向、傾角和延伸信息，較地震成像精度更高。該技術能對早期采集的陣列聲波資料進行處理應用，提高資料應用附加值，實現降本增效?？v波徑向速度成像利用聲波走時反演得到近井縱波速度變化剖面，提供儲層及巖石脆性變化信息，結合反射波成像提供了一項能更有效指示儲層可改造性的評價方法。該項技術適用于砂泥巖、碳酸鹽、頁巖等多種類型地層，在華北潛山碳酸鹽巖油氣勘探及儲層改造應用，取得明顯應用效果[10]。

1 縱波徑向速度成像

Brian E于1992年提出了一種利用聲波折射原理,通過層析成像方法處理多接收聲波測井數據，可以構建出連續深度上聲波慢度二維圖譜[11]。Zeroug S等人[12]2006年詳細闡述了要獲取較好的縱波徑向速度剖面，需要相對長的源距及更多的接收陣列。該方法能指示鉆井后，井筒徑向地層是否發生蝕變。同年，Valero H P等人[13]應用該技術評價地層，并結合常規、電阻率以及MDT等測井資料，評價徑向地層變化以及引起變化的原因，為完井提供指導。

基于縱波折射的徑向速度反演方法流程如圖1。當地層脆性較高時，鉆井會導致井壁附近地層破碎，聲波徑向速度在破碎地層，會出現速度變化。由此，可通過聲波徑向速度變化指示儲層可壓裂性。

圖1 縱波徑向速度反演流程Fig.1 Inversion process of P-wave velocity variation

2 偶極源反射波成像技術

一方面，單極聲源縱波反射波的一般主頻為10 kHz左右，由于頻率相對較高，在地層中傳播時，衰減的更快，對于井旁較遠處的構造，經過構造反射回來的反射波幅度幾乎沒有或者湮沒在噪聲里。另一方面，由于井筒尺寸和儀器尺寸的限制，頻率很難降到更低。單極聲源條件下若想獲得井旁反射構造的方位信息，需要多個方位接收站獨立接收，單方位聲波測井數據通常包含多個接收站數據，在加上方位接收測量，數據量會成倍增加，在相同傳輸速率條件下，會大幅降低測井作業速度，從而提高作業風險。為此，唐曉明等[14]提出利用正交偶極橫波的新型反射波成像技術。相對于單極源反射成像技術，正交偶極橫波反射具有如下優勢：

圖2 單偶極聲源激發波形隨傳播距離衰減關系Fig.2 Attenuation change with propagation distance of Monopole and Dipole source

1)偶極發射源由兩組位于儀器軸向相同高度，互相垂直的片狀陶瓷片組成，陶瓷片整體組成呈“口”字型，輻射中心頻率為2.5 kHz的彎曲波，相對單極聲源，偶極聲源激發頻率更低，衰減更小。故而偶極聲源輻射聲場具有更遠的徑向傳播距離，能對井旁更遠處的構造進行探測。

2)分析井孔中的單、偶極聲源遠場輻射特征，與單極聲源相比，偶極聲源在垂直平面內具有更寬的角度覆蓋范圍，意味著有更多可能接收到來自不同方位上構造反射回來的信號。

3)儀器測量，由于電纜的扭力，儀器會在井中旋轉，結合連斜儀器記錄的陣列聲波儀器的X分量方位角，利用正交偶極四分量正交方位接收的特性，通過對比不同角度的成像構造反射能量，即可確定構造反射來自哪個方位。

2.1 偶極橫波反射成像處理

偶極橫波反射成像方法為利用正交偶極橫波測井儀研究井旁地質構造建立了理論基礎。本文基于該理論基礎，利用LEAD偶極橫波反射成像處理軟件中多方位成像處理與構造解釋等特色處理解釋模塊進行了應用。

2.2 多方位成像處理

多方位成像包括方位合成、直達波壓振、反射波提取、上下行波合成等步驟。多方位合成基于水平偏振的橫波(SH波)計算方程：結合儀器記錄的正北方位即可計算特定方位的反射波能量:

SH=xx·cos2φ-(xy+yx)·sinφcosφ+yy·sin2φ

其中:xx、yy表示同向分量波形，xy、yx表示交叉分離波形，φ表示成像方位與xx同向分量夾角。

反射波提取采用中值濾波、偏移疊加等多種信號處理方法將反射波從包含直達波的全波波列中分離出來，根據不同的同向軸，分離得到上行、下行反射波，同時基于給出的標定井段實現直達波頭波抑制，減少直達波的震蕩周期提高反射波信噪比[15]。上下行波合成后，偏移成像在頻率—波數域對數據進行偏移處理，再通過二維傅里葉反變換將偏移后的反射體位置映射到空間域上，將時間域成像結果轉換到深度域，反映構造的徑向位置。

2.3 構造解釋

構造解釋工具提供深度成像過井軸切片和井周成像垂直井周切片聯合分析功能，過井軸切片提供特定方位成像圖， 通過該視圖能確定構造所在的深度范圍；結合垂直于井軸切片，提供軸向不同徑向深度能量分布，通過該視圖能確定反射波能量最強方位，從而確定構造傾向。結合交互分析功能，對構造成像軌跡進行勾畫，提取構造的延伸長度、傾角、傾向等產狀參數(圖3)。結合井眼軌跡數據，能在三維空間展示構造在井周的分布。

圖3 反射構造特征提取Fig.3 Occurrence extraction of Structure

3 應用實例

華北油田河西務潛山成藏條件復雜，儲層非均質性強、橫向變化較大，區域裂縫分布及走向不清晰，勘探開發難度大。其中AT1X井，第1次完鉆測井底深度5 100 m，利用偶極橫波反射成像技術發現5 100 m附近裂縫向下仍有延伸，綜合斯通利波反射及微電成像裂縫顯示，5 100 m深度附近儲層裂縫均比較發育。綜合其他錄井氣層等信息后加深300 m后二次完井，再次應用偶極橫波反射成像處理，5 100 m處兩組不同傾角的裂縫組向下延伸40多米，發現井旁存在大量裂縫組。

針對完井陣列聲波測井數據，進行縱波徑向速度成像處理，顯示井壁附近均存在縱波速度變化，說明鉆井過程導致井壁巖層破碎，指示儲層脆性較好[16]，有利于儲層改造。5 065.2～5 203 m，酸化壓裂后日產氣40.9萬m3，日產油71 m3(圖4)，截至2017年6月，累計產氣1 993×104m3，產油 6 807.47 m3。

圖5中第五道為縱波徑向速度成像，顏色接近紅色的標示縱波速度變化大，接近藍色標示縱波速度變化小。第六道為偶極橫波提取井旁構造產狀信息，黑線標示裂縫軌跡，與水平線夾角標示構造傾角，圓圈中主箭頭指示構造的方位。

圖4 AT1X一次完井與二次完井井偶極橫波反射成像對比Fig.4 Contrast of dipole shear wave reflection imaging between first run and the second of well AT1X

圖5 AT1X井2次完井偶極橫波反射與縱波徑向速度成像綜合圖Fig.5 Reflective wave imaging and P-wave velocity variation result of well AT1X

應用該方法對河西務潛山后續3口井處理分析(圖6,圖7)：相對AT1X井，井外裂縫發育程度相對較弱，且縱波徑向速度成像指示井壁可改造性也相對差。

處理分析4口井分別試油產液及綜合偶極橫波反射成像與縱波徑向速度成像處理分析結論情況如表1。根據試油統計,產液數據與處理結論有較好的對應性，井旁裂縫發育且可改造性較強的儲層，獲得了較好的產液。

圖6 AT2X(左)、AT3井(右)偶極橫波反射與縱波徑向速度成像綜合圖Fig.6 Reflective wave imaging and P-wave velocity variation result of well AT2X and AT3

圖7 AT4X井偶極橫波反射與縱波徑向速度成像綜合圖Fig.7 Reflective wave imaging and P-wave velocity variation result of well AT4X

表1 處理結論及試油數據Table 1 Logging interpretation conclusion and oil test data

4 結論

1)偶極橫波反射成像具有井旁10 m以外裂縫、斷層等構造探測能力，通過產狀解釋能獲取裂縫的井外延展定量參數。結合微電阻率成像測井結果，可在井壁裂縫準確定量描述的基礎上，擴展裂縫在三維空間的延展信息，更全面地評價非均質性儲層有效性。

2)徑向速度成像能指示井筒近井儲層改造潛力，再結合橫波反射成像反映的井旁儲層信息，能有效提高儲層勘探開發效果。

3)偶極橫波反射成像技術能利用已經采集的老的陣列聲波測井數據，發現傳統測井方法不能發現的井旁隱蔽儲層，結合聲波徑向速度成像提供的儲層可改造性，提高單井利用率，為已經關?；驔]有產量井提供再度產生工業開發價值的可能。