2. 西安石油大学地球科学与工程学院, 西安 710065
2. School of Earth Sciences and Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an 710065, China
在煤层气勘探开发过程中,声波时差测井是普遍采用的一种测井方法(侯俊胜,2000;刘之的等,2015).煤层气储层声波时差测井,测量的是井下地层剖面的煤岩声学性质(董守华等,2012;陈信平,2013).除计算煤层气储层的孔隙度外,声波时差测井更为重要的用途是计算煤岩力学参数、地应力(王敏生等,2007;李静等,2011).
由于煤岩性脆、易碎,且割理较为发育,井眼极端扩径现象较为突出(刘之的等,2014).扩径会致使煤岩声波时差测井曲线出现假的异常增大,使其难以用测得的声波时差来精准地评价煤层气储层(王智,2006).尽管声波时差测井仪器设计时考虑了扩径影响,并采用双发双收对其扩径影响进行了校正,但对极端扩径情况显得“无所适从”(雍世和,2007).据此,国内外测井领域的学者和科技工作者,针对砂岩储层,提出了各自的校正方法(Gardner G H F. 1974;李宝同等,1990;刘国强等,1993;彭苏萍等,2003;沈永进,2012;刘之的等,2015),并取得了一定的应用效果.
与常规砂岩储层相比,煤层气储层的沉积环境、成岩演化、变质程度、机械特性等均存在较大的差异性,现有的扩径影响校正方法是否适用不得而知.据此,查明声波时差测井响应特征及与井径间的关系,系统分析现有声波时差测井扩径影响校正方法在煤层气储层中的适用性,并力争寻求适应于煤层气储层的校正方法,提升声波时差扩径影响校正精度的同时,达到提高声波时差测井计算岩石力学参数、地应力精度的目的.
1 煤层气储层声波时差测井扩径影响分析煤层气储层的声波时差测井响应特征与砂泥岩等沉积岩类似,随其物理化学成分、储层特征不同而有所差异.煤岩的化学成分主要是碳(C)、氢(H)、氧(O)三种元素组成的碳氢高分子化合物,由于其分子结构相对松散(刘蔚等,2004;刘之的等,2014),以及组成元素的低原子序数,加之煤层内部条带状、片状及层状等结构,使得声波在煤层中具有较慢的传播速度,声波时差测井曲线上体现为高声波时差特性(周尚忠,2006).
图 1是研究区内H4井声波时差测井响应特征图.由此图可知,该井1083~1086.5 m、1098~1099.1 m、1100.5~1101.4 m、1112~1114.1 m井段煤层都存在不同程度的扩径现象,从所对应井段的声波时差测井响应特征来看,均存在扩径段声波时差测井值增大的情况.对比全井段煤层的声波时差、井径测井响应特征可知,扩径较严重的1083~1086.5 m井段煤层的扩径率高达92%,可见井眼垮塌非常严重,该井段声波时差较大;而扩径较小的其他煤层,声波时差明显偏小.
采用统计分析技术,对研究区六口井的三个主力煤层进行了声波时差测井响应特征分析.表 1是煤层声波时差测井响应特征统计结果,由此表可知,3#、5#、11#煤层相比,3#煤层的声波时差最小,5#煤层的声波时差最大;HS12、HS19井煤层的声波时差相对较小,扩径也较小;而HS4、HS11井声波时差较高,扩径也非常严重.结合工区内开发井测井响应特征可知,声波时差与井眼扩大率关系较为密切,扩径引起声波时差增大非常显著.也就是说,研究区井眼扩径对声波时差的影响较为严重.
图 2是研究区内6口重点井煤层段井径与声波时差测井响应关系图.由此图可知,煤岩声波时差测井响应值与井径关系非常密切,为明显的指数关系,且两者间的相关性很好.随着井径增大,声波时差测井响应值增大;相反,井径减小、井眼趋近于正常,声波时差测井响应值则减小.
综上分析可知,煤层气储层钻进过程中的井壁垮塌是煤层声波测井失真的主要原因.井壁垮塌处,声波测量值严重偏离地层真实值.尽管现有煤层气储层声波时差测井多采用双发双收补偿原理,但这种补偿作用是十分有限的.
2 现有声波测井扩径影响校正方法随着我国煤层气储层压裂施工需求的日益增大,声波时差测井在计算煤岩力学参数、地应力方面越来越受到重视.受制于煤层气测井技术的发展缓慢,尚且未见专门针对煤层的声波时差测井扩径影响校正方法(王志文,2009).现有方法主要针对的是石油领域的砂岩储层(李雄炎, 2016),具体哪种方法更适用于煤层气储层中,有待于深入挖掘.
2.1 Gardner公式1974年Gardner等人通过大量实验数据得到速度与密度间的经验公式(Gardner G H F,1974;彭苏萍等,2003),即:
(1) |
式中:ρ为密度,g/cm3;V为速度,m/s;k为比例系数,一般为0.31;m为指数,常取0.25.
Gardner公式是目前常用的密度-速度转换公式.利用该公式的思想,伊振林探讨了砂岩储层的声波时差与密度测井值间的相关性,并取得了较好的应用效果(伊振林等,2010).
2.2 Faust公式20世纪40年代后期,Faust详细对比了多口井的电阻率与声波速度测井资料,得出如式(2)所示的经验公式为(陈刚花等,2005;王志文,2009):
(2) |
式中:V为速度,m/s;H为深度,m;Rt为电阻率,Ω · m;k、c、d分别为地区经验系数.
2.3 多测井参数拟合法受井眼及由于泥浆浸泡导致井壁垮塌的影响,声波时差曲线出现明显的异常特征,使用常规方法不能达到校正目的,可以采取人工措施逐步消除.通过实际资料分析,采用多测井参数拟合方法构建声波时差测井曲线正常段的模型,以期用该模型进行扩径段声波时差进行校正(鲁红,1996;李梅,2010).
通过不同测井资料间的相关性分析,确定选用电阻率、自然伽马和补偿中子资料建立拟合声波时差曲线的统计模型为
(3) |
式中:Δtc分别为扩径校正后的声波时差值,μs/m;GR为自然伽马,API;CNL为补偿中子,p.u.;a、b、c、d分别为拟合系数.
由式(3)可知,利用该法准确地拟合煤层段的声波时差曲线关键在于,电阻率、自然伽马及补偿中子受扩径影响可忽略不计,或者对其进行良好的扩径影响校正.当然还可以建立实验室声波时差测量值与各测井参数间的拟合关系,并利用该关系计算煤层段的声波,间接达到扩径段声波时差校正目的,但该方法对实验室声波时差测量值精度的依赖性较强.
2.4 频率法在井眼正常情况下,声波时差测井测量的是首波时差.倘若煤层扩径,由于首波衰减过大,接收器接收到的并非首波,因此,两个接收器间的时差将增大.现场实际测井中,声波测井的发射频率一般为20 kHz,那么声波的周期为T=1/20=50 μs.由此原理,扩径影响引起的声波时差增大量应为50 μs的倍数,即校正量以50 μs为单位(刘之的等,2014).据此原理给出了如下所示的声波时差受扩径影响的校正方法(李宝同等,1990),公式为
(4) |
(5) |
式中:Δt为校正前的声波时差,μs/m;Δ为声波时差校正量,μs/m;ds为实测井径与钻头直径之差,cm.当ds为负值时,不作井径校正;其他参数的物理意义同上.
3 现有校正方法的适用性分析笔者研究发现,在煤层扩径段密度测井曲线影响较小时,应用Gardner公式换算声波时差曲线,其结果是较为理想的.然而,在煤层扩径段,密度同样受到井眼扩大的影响,直接使用密度测井值来计算声波时差曲线,误差很大,导致最终的计算结果不准确.因此该法仅仅适用于密度测井受扩径的影响可忽略,或密度测井扩径影响校正效果较好的情况.然而,煤层气储层受扩径的影响较为严重,扩径段的密度测井曲线也产生不同程度的畸变,因此利用失真的密度测井值来反推声波时差值,其误差较高,精度难以保证.
Faust公式不仅考虑了速度与电阻率的关系,而且也考虑了储层埋深对速度的影响.尤其是当声波时差和密度测井曲线的品质均较差,难以应用Gardner公式时,利用Faust公式便可求得地层的速度.然而,Faust公式法是建立在深电阻率受扩径的影响较小,且可以忽略不计基础上的.实际情况是煤层气储层扩径影响不可忽略,泥浆对电阻率的影响也较大,因此校正效果随之亦较差.
多测井参数拟合法仍与上述方法类似,需要电阻率、自然伽马及补偿中子受扩径影响较小.扩径段充填的泥浆较多,由于泥浆的放射性比煤层低,因此扩径段测得的自然伽马值有所降低;泥浆的含氢量比煤层高,于是扩径段测的补偿中子将增大.这些诸多因素的影响,致使多测井参数法的应用效果也变差.
频率法基于声波测井仪器基本原理,在一定程度上避免了扩径对电阻率等测井的影响,但该法在煤层气储层的应用效果如何不得而知.据此,本文采用实例计算,对其上述四种方法的应用效果进行详细探讨.
4 应用实例分析利用FORWARD测井解释平台的应用自动生成器将上述四种方法程序化,进而进行煤层气储层声波时差测井的扩径影响自动校正处理.图 3是HS3井声波时差测井受扩径影响的校正成果图.该图中,第一道为深度;第二道至第五道中的DT1、DT2、DT3、DT4分别为使用Gardner公式、Faust公式、多测井参数拟合公式及频率法校正的声波时差,DT为校正前的声波时差;第五道中的DTC是煤岩心声波时差实验室分析测试值;第六道为井径与钻头直径曲线重叠法表征的扩径情况;第七道为岩性剖面.从测井响应特征和岩性剖面可知,1206.5~1208.1 m、1201.2~1206.5 m、1226.8~1227.4 m井段均为煤层,井径测井表明煤层段均存在扩径现象,尤其是上部1206.5~1208.1、1201.2~1206.5 m井段扩径非常严重,该扩径严重井段的声波时差测井响应值高达为450~518 μs/m,而煤层的声波时差一般为350~410 μs/m左右,这也进一步印证了扩径是造成实测声波时差测井值偏大的主因.
从上述各种方法的校正结果来看,使用Gardner公式校正的声波时差大于校正前的声波时差,其原因在于煤层段密度测井受扩径影响非常严重,直接利用没有进行扩径影响校正的密度测井势必带来严重的错误;而采用Faust公式和多测井参数拟合法校正的声波时差均低于校正前的声波,究其原因,煤层段的电阻率、自然伽马、补偿中子所受扩径等影响较密度测井小,因此该法计算的声波时差的误差也相对较小;频率法校正的声波时差DT4与实验室测量的声波时差DTC较为接近,且呈现出扩径影响严重的井段校正量大的态势,这与实际情况相符.对比上述四种校正方法,除Gardner公式出现严重错误外,其他三种方法在煤层扩径段,声波时差校正值均小于原始测量值,而在煤层正常井眼井段校正前后变化很小,这与实际情况相符合.总体上来看,频率法校正结果较好,基本能满足实际生产对声波时差扩径影响校正精度的要求,而且该法避开了其他测井也受扩径影响的限制.
5 结论 5.1煤岩性脆、力学特性弱,且割理较发育,井壁易于坍塌形成扩径,致使测得的声波时差测井曲线严重畸变.
5.2系统分析了Gardner公式、Faust公式、多测井参数拟合法在煤层气储层中的适用性,发现均难以有效地进行声波时差测井扩径影响校正.
5.3频率法基于声波时差测井仪器基本原理,避开了其他方法进行扩径影响校正时,必须先对电阻率、自然伽马及密度测井进行扩径影响校正的局限.实际应用效果表明,该法能够较好地对声波时差受煤层扩径影响进行有效校正.
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