东海西湖凹陷探井储层压后缝高评价新方法
张国栋1, 庄春喜2, 黑创2     
1. 中海石油(中国)有限公司上海分公司, 上海 200335 ;
2. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东青岛 266580
摘要: 针对东海西湖凹陷多口探井压裂后,阵列声波交叉偶极子各向异性方法无法准确评价裂缝纵向高度的技术难题,研究了评价探井储层压裂后缝高的新方法。通过研究压后裂缝径向变化特点,利用纵波走时层析成像技术重建压裂前后井壁附近地层的二维速度剖面,如二维速度剖面压裂后较压裂前有明显差异,说明储层被压开;同时,压裂后会在主裂缝周围形成一系列微裂缝,通过偶极声波远探测成像技术对其进行成像,可以评价裂缝的纵向高度和横向深度。研究得知,与压裂前相比,压裂后形成的裂缝使井壁岩石声速降低20%,井周裂缝形成的强反射和散射区域表明井眼周围至少20 m的范围内形成了明显的“压裂体积改造”,通过对比可以准确判断裂缝的纵向高度,识别精度可达0.152 4 m。研究结果表明,纵波径向层析成像和偶极声波远探测成像2项技术可以解决无法准确评价探井裂缝高度的难题,提升压裂后的综合评价效果。
关键词: 探井     纵波层析成像     偶极横波远探测成像     压裂     裂缝高度     西湖凹陷    
New Techniques for Fracture Height Determination in Exploration Wells Drilled in the Xihu Sag, East China Sea
ZHANG Guodong1, ZHUANG Chunxi2, HEI Chuang2     
1. Shanghai Branch of CNOOC Ltd., Shanghai, 200335, China ;
2. School of Geosciences & Technology, China University of Petroleum(Huadong), Qingdao, Shandong, 266580, China
Abstract: Anisotropy analyses of conventional array acoustic cross dipole data failed to determine the vertical heights of fractures formed in reservoir formations in exploration wells drilled in the Xihu Sag, East China Sea. To eliminate such technical challenges, innovative techniques have been developed to determine the fracture heights in reservoir formations after fracturing in such exploration wells. To determine the features in radial directions after fracturing operations, 2D velocity profiles for formations in vicinity of sidewalls before and after fracturing were created by using the longitudinal wave travel time tomography technique. It was found that such fracturing operations might make a huge difference such velocity profiles if the formation were fractured successfully. Meanwhile, the hydraulic fracturing operations might also create a series of micro-fractures around the major fractures. Capable of detecting those micro-fractures, the dipole acoustic far-field images could be used to determine heights and widths of the resulting fractures. Research results showed that the acoustic speed reduced by 20% after the fracture were created near the wellbore, whereas the strong acoustic reflection and scattering confirm the presence of volumetric fractures were created within 20 m around the well. The dipole acoustic far-field images could identify the fracture heights with high resolution up to 0.152 4 m. Combination of the longitudinal wave travel time tomography technique and the dipole acoustic far-field images could effectively enhance accuracy in the determination of fracture heights in exploration wells. Eventually, the comprehensive performances of fracturing operations can be assessed more accurately.
Key words: exploratory well     radial compression-wave velocity variation imaging     dipole acoustic imaging     fracturing     fracture height     Xihu Sag    

西湖凹陷是东海陆架盆地天然气勘探的重点区域,近年在花港组发现了多套巨厚低孔低渗天然气储层[1-2],但是DST测试产能低,达不到商业产能开采下限。为了提高产能,对多口探井储层进行了压裂改造,但多数探井的压裂效果不太理想,有些储层物性和含气性较好,但压裂后天然气产能低或直接出水。对于此类储层,认为有2方面的原因:1)  压裂参数设计和压裂液选择不合适;2) 压裂缝高控制不当,导致裂缝纵向延伸过大,压穿了上下水层导致出水。因此,研究裂缝纵向有效发育高度评价方法就显得异常重要。

目前,评价井筒压裂裂缝高度常用的测井方法主要有井温测井、同位素测井、注硼中子测井、补偿中子测井、偶极声波测井等,其思路是根据井壁存在压裂裂缝与井壁不存在压裂裂缝时在测井资料上的不同响应特征,来获得压裂裂缝高度信息,评价水力压裂效果[3]。其中:井温测井精度低,人为因素影响大,一般为辅助手段;同位素测井和注硼中子测井作业操作流程和评价原理基本相同,但两者都有一定的放射性污染,目前应用较少;补偿中子测井可以采用非放射性示踪陶粒,但受压裂工艺(如脱砂的影响)、压裂前后仪器类型及刻度的影响,测量结果具有一定的不确定性[4];偶极声波测井主要通过对比压裂前后时差的各向异性来评价裂缝高度,该方法技术成熟,实施便捷,无污染,判别时直观快速,是目前评价压裂裂缝高度最常用的测井方法[5-8]

2013年以来,西湖凹陷一直使用横波各向异性来判断压裂裂缝高度,但应用效果差别较大,当压裂后形成的是单一方向裂缝时,压裂前后时差的各向异性差别明显,容易识别裂缝高度;但当压裂后形成网状缝时,储层压裂前后声波的各向异性无明显差异,就难以判断裂缝高度。为此,笔者于2015年初利用纵波走时层析径向成像技术重建了压裂前后井壁附近地层的二维速度剖面,提出了一种利用压裂前后纵波层析成像的差异来识别压裂裂缝高度的方法,并结合偶极声波远探测成像技术,准确评价压裂后各种裂缝的高度,而且还能在一定程度上评价裂缝的展布深度(井外20~30 m),从而大大提升储层压裂评价效果。

1 缝高评价方法及原理 1.1 纵波层析成像法

储层被压裂后,井壁周围岩石发生破碎,会产生大量裂缝,使岩石扩容,越靠近井壁破碎程度越大,而井壁岩石的波速降低程度则取决于岩石中裂缝的密度[9-10]。因此,从井壁到地层深处,地层波速度呈现出由低到高的径向变化,据此可以得到井壁附近裂缝的密度及其影响范围。若岩石被压开,纵波径向速度变化率与压前相比则会增大;若岩石未被压开,纵波径向速度变化率与压前相比则不会有明显变化,因此该方法可用于评价压裂裂缝的高度。

阵列声波测井仪具有多个接收器(如图 1所示),激发的声波在波速径向增加的地层中传播;不同接收器接收声波的径向探测深度有所不同(见图 1中初至波的射线路径),源距越短探测深度越浅,源距越长探测的径向深度越深,所以波的走时就含有地层变化的信息,从而可以通过确定地层纵波速度的变化,求出纵波沿井筒附近至原状地层的速度变化率,利用纵波速度的径向变化就可以表征储层在径向上的破损程度。

图 1 速度径向变化地层中的声波射线路径示意 Fig.1 Pathways of acoustic rays in formations with velocity radial changes

笔者采用B.E.Hornby提出的射线追踪法[11]建立纵波径向速度剖面,用以描述波速沿井眼轴向z和径向r的变化。纵波径向层析成像处理的主要流程如下:

1)  基于贝叶斯准则和自回归模型,利用高精度时差提取方法获得实测阵列波形的走时Tn,其中n表示某个接收器,n=1,2,3,…。走时的准确提取是径向层析成像的关键,具体可参阅文献[12]。

2)  采用文献[11]给出的射线追踪法,选取二维速度剖面初始迭代模型(共有m×s个网格点),计算声波走时tn

(1)

式中:Sn(vn)为依赖于地层速度模型vn(r, z)的声波传播的最短路径。

3)  利用最小二乘法,求取满足实测走时‖Tn-tnmin的速度模型Vn(r, z),其中Vn(r, z)⊂vn(r, z)。

4)  将步骤3)得到的模型设定为新的初始迭代模型,重复步骤3),直至遍历每个网格点,即可得到径向声速层析剖面。

图 2为XX-3井H4层压裂前后纵波径向层析成像对比图。其中,第4道为压裂前的纵波层析成像图,第5道为压裂后的纵波层析成像图,图中的变化是径向上声速与原状地层声速相对差别的百分比,由深红色到蓝色,对应的速度变化率为20%~0,探测范围为井壁至井眼周围1 m。通过压裂前后纵波层析图可以明显看到,压裂后纵波径向速度发生了明显变化,这表明此区间的岩石发生了破碎,裂缝在纵向上的延伸范围为4 032.00~4 124.00 m,裂缝纵向延伸较长,在压裂液体积有限的情况下(海上压裂规模较小,一般压裂液体积为250~400 m3),裂缝径向延伸会较浅,无法充分改善储层的渗流条件,导致压裂后产气效果不佳,该井压裂后仅见到微量气。第3道是压裂前后时差各向异性的对比,可以看出压裂前后无明显差别,难以判断缝高。而压裂前后纵波径向层析成像则有显著的差异性,能够比较准确地判断裂缝高度,所以该方法明显优于时差各向异性对比法。

图 2 XX-3井H4层压后声波时差各向异性和纵波层析成像评价组合 Fig.2 Acoustic time anisotropy and radial compression-wave velocity variation imaging for fractures in H4 layer of Well XX-3
1.2 偶极声波远探测成像法

X.M.Tang[13]于2004年提出了偶极横波远探测声波成像方法,该方法采用偶极子声源在井中向井外发射横波,并在井中接收由井外地质体反射回来的横波。图 3为单井偶极横波远探测的原理示意图。从图 3可以看出,偶极子声源向井外辐射的弯曲波,可分解为平行于反射体的水平偏振的横波(SH波)和垂直于反射体的垂向偏振的横波(SV波),SH波和SV波遇到反射体后会形成反射波而被接收器接收到,通过对接收到的反射波信息进行提取,就可以得到反射体的位置及走向[13]。偶极子声源的频率约为2~5 kHz,横向探测深度较深(可达20~30 m)。此外,由于偶极子声源的指向具有方向性,采用多分量(实际中为四分量)的偶极发射和接收,可以确定反射体界面的方位[14]。但该方法不能确定该反射体是在井的右侧还是井的左侧,换言之,该方法只能确定反射体的走向,不能确定其倾向(具有180°不确定性)。

图 3 单井偶极横波远探测的基本原理 Fig.3 Fundamental principles of dipole acoustic imaging

储层被压裂后,一般会有单向缝和网状缝2种裂缝形态,不管形成哪种类型的裂缝,在主裂缝的周围都会产生大量走向不过井眼的微裂缝[15],裂缝切面如图 4所示。这些裂缝就像在井眼周围发育的一个个反射界面,而在偶极声波远探测成像图上,储层被压开处会看到明显的反射界面,没有压开的地方则与压裂前的偶极声波远探测成像图基本保持一致,通过对比压裂前后偶极声波远探测成像有助于评价裂缝井眼轴向上的发育高度。

图 4 压裂后裂缝发育示意(切面图) Fig.4 Fracture development after fracturing operations (cross section)
2 现场试验

纵波径向层析成像和偶极声波远探测成像技术在东海西湖凹陷2口探井储层压后裂缝高度评价中进行了现场试验,取得了较好的效果。2口井均进行了压裂后阵列声波测井,下面以XX-8井为例介绍其具体试验情况。

对XX-8井P4砂层进行了水力压裂改造,压裂后初期平均产气量约4.0×104 m3/d,压裂改造较为成功,压裂后进行了偶极阵列声波测井。该井压裂前后声波时差各向异性分析结果如图 5第3道所示,可以看出压裂前后时差的各向异性并没有明显差别,无法准确判断压裂裂缝的高度。为此,对该井进行了纵波径向层析成像和偶极声波远探测技术处理,结果见图 5。其中,第4道和第5道为压裂前后纵波径向层析成像对比,可见在4 195.00~4 260.00 m井段压裂前后有明显差异,显示该井段井壁附近的岩石被压开,所以压裂裂缝的高度为65.00 m。

图 5 XX-8井P4层压后纵波径向层析成像和偶极声波远探测成像组合 Fig.5 Combination of radial compression-wave velocity variation image and dipole acoustic image after fracturing in Layer P4 of Well XX-8

为了得到该井压裂后裂缝更准确的发育高度,对阵列声波数据进行了偶极横波远探测成像处理,其主要处理流程(见图 6)为:1)数据加载,该井数据为四分量正交偶极数据,数据质量较好;2)数据预处理,主要是针对不同振型的波形,进行滤波处理,去除一些低频、高频和噪声,并对周期较长的弯曲波进行压阵处理;3)成像处理,主要是波场分离和偏移成像;4)成像后处理,通过数值图像处理技术,压制干扰噪声,突出有效反射信号[16]。由于该井阵列声波数据质量较好,远探测成像质量较好,如图 5第7道和第8道所示,4 200.00~4 240.00 m井段压裂后有明显的强反射界面,显示该井段岩石被压开,裂缝高度约40.00 m。

图 6 偶极横波远探测成像处理流程 Fig.6 Processing of dipole acoustic images

从分析效果看,纵波层析成像和偶极横波远探测成像两者的评价结果存在一定差别,前者显示裂缝发育井段为4 195.00~4 260.00 m,而后者则显示发育井段为4 200.00~4 240.00 m。分析认为,其原因是纵波层析成像主要利用直达纵波,反映的是井眼周围约1 m范围内的地层速度变化率;而偶极声波远探测成像利用的是反射横波,反映的是远井筒处的反射面,两者的分析对象有所不同,所以需要将两项技术结合起来进行综合评价。

综合分析认为,4 195.00~4 260.00井段都发生了破裂,但是横向延伸主裂缝主要在4 200.00~4 240.00 m井段发育,裂缝横向延伸远,至少在井眼周围20 m范围内看到了明显的微裂缝发育。但是4 200.00~4 240.00 m井段储层未被充分压开,改造程度不够,仅在井壁附近发生了破裂,这在一定程度上影响了测试产能。

通过两口井的实际应用可以看出,压裂后形成的裂缝使原状地层岩石声速降低20%左右,井周裂缝形成的强反射和散射区域表明井眼周围至少20 m范围内形成了明显的“压裂体积改造”,通过对比可以准确判断裂缝的纵向高度,识别精度可达0.152 4 m。需要说明的是,由于仪器的采集记录时长有限,目前的常规阵列声波仪器的偶极声波远探测成像只能探测到井外20~30 m,此深度之外裂缝的横向延伸情况目前无法评价。

3 结论及认识

1)  阵列声波测井是评价东海西湖凹陷探井压裂裂缝高度的主要手段,实践表明,压裂后形成单一方向的裂缝时,通过对比压裂前后时差的各向异性评价裂缝高度效果较好。如果压裂后形成的是网状缝,则不同方向时差各向异性无明显差别,借助于时差各向异性难以评价裂缝高度。

2)  纵波层析成像和偶极声波远探测成像2种阵列声波测井处理方法,能够弥补声波时差各向异性的不足,不仅可以有效判别压裂裂缝高度,还可以在一定范围内评价压裂裂缝的径向长度,进一步提升了压后评价效果。目前该技术已经在西湖凹陷2口探井进行了试验,取得了较好的效果。

3)  采用阵列声波测井方法评价压裂裂缝高度时,建议综合使用声波时差各向异性、纵波层析成像和偶极声波远探测成像等处理方法,以提高评价精度。

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张国栋, 庄春喜, 黑创
ZHANG Guodong, ZHUANG Chunxi, HEI Chuang
东海西湖凹陷探井储层压后缝高评价新方法
New Techniques for Fracture Height Determination in Exploration Wells Drilled in the Xihu Sag, East China Sea
石油钻探技术, 2016, 44(5): 122-126.
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http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201605021

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收稿日期: 2016-01-18
改回日期: 2016-08-01

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