基于声波变密度测井信息识别水平井压裂裂缝的方法
夏宏泉1, 胡慧1, 杨林2, 赵静2     
1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学), 四川成都 610500;
2. 中国石油集团测井有限公司长庆事业部, 陕西西安 710200
摘要: 针对水平井压裂裂缝难以识别的问题,研究了基于声波变密度测井(VDL)信息的水平井压裂裂缝识别方法。首先进行水平井压裂裂缝的VDL模拟试验,研究压裂裂缝的VDL响应特征,然后用实际井压裂前后的VDL资料进行压裂井段识别与效果评价。研究表明:当第一、二界面胶结良好时,非裂缝段套管波的波幅很小、地层波的波幅较大,VDL图中地层波相线粗而明显;随着裂缝段接收与发射探头间裂缝数量增多,套管波的波幅增大、地层波的波幅减小,VDL图中地层波呈灰白色而模糊不清、弯曲率大、成"人"字形,其地层纵波时差增大、能量降低。模拟试验和现场应用均验证了利用VDL识别水平井横向压裂裂缝的可行性,可见VDL信息可为水平井压裂裂缝检测与压裂效果评价提供依据。
关键词: 水平井     压裂     裂缝     声波变密度测井     模拟试验     套管波     地层波    
Meathod about Improving Accuracy of Fracture Fluid Friction Pressure
XIA Hongquan1, HU Hui1, YANG Lin2, ZHAO Jing2     
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology & Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan, 610500, China;
2. Changqing Branch, CNPC Logging Co., Ltd., Xi'an, Shaanxi, 710200, China
Abstract: In order to resolve the difficulties in identifying the fractures in horizontal wells, the method of identifying fractures with acoustic variable density log (VDL) data has been studied.VDL simulation tests have been conducted to find the VDL response to fractures in horizontal wells, and then VDL data acquired before and after actual fracturing was used to identify the fracturing section and evaluate the results.Research results showed that when the casing wave amplitude is low, and formation wave amplitude high in non-fracture section when first and second interface have a good cement bond, with thick and clear VDL plots.With an increase of fracture number between receiving and launching detectors at fracturing interval, amplitude of casing wave was increased, and formation wave amplitude was decreased.While formation wave in VDL plot was fuzzy white grayish, with large curvature and V-shape.At the same time, formation compressional wave time difference was increased and energy reduced.Both simulation test and field application indicated that the VDL could be used to identify transverse fractures in horizontal wells, which can provide a basis for the identification of fractures and an assessment of fracturing effects in horizontal wells.
Key words: horizontal well     fracturing     fracture     acoustic variable density logging     simulation test     casing wave     formation wave    

水平井分段压裂已成为开发薄油层的重要技术之一,为了保证能够提高单井产量,要对压裂裂缝进行检测和评价。国内常用的偶极声波测井技术只能满足直井压裂裂缝的检测和效果评价,不能完全满足水平井压裂裂缝检测需求[1-2]。井间微地震技术和远探测反射横波测井技术检测压裂裂缝较为有效,但其施工复杂、成本高,不能进行大规模推广应用;而远探测横波测井技术,除了仪器价格昂贵外,仪器偏长,对于不规则的裸眼水平段或套管完井的水平段无法顺利下至目的层,且对正交横向压裂裂缝不敏感。因此,需要探索一种基于其他声波测井技术的水平井压裂裂缝检测方法。

前人研究发现,裂缝对声波波幅和传播时间有一定的响应,裂缝角度和开度越大,声波传播时间越长、波幅衰减越明显,利用声波波幅衰减和传播时间的变化能检测到裂缝。由此认为,用于固井质量检测的声波变密度测井(variable density logging,VDL)探测深度较大、测量信息丰富,可以用来识别压裂井段。但上述研究仅限于理论分析,没有经过试验验证,更未进行现场应用。为此,笔者在分析国内外学者提出的各种水平井压裂裂缝识别方法的基础上,从试验和应用两方面入手,论证了应用VDL信息识别水平井压裂裂缝的可行性和准确性。

1 用VDL信息识别裂缝的原理和方法

VDL井下仪器为单发单收系统,由发射器发射一个周向脉冲(中心频率5~25 kHz),在井内和地层中激发出套管波、地层波和钻井液导波等,它们沿着不同方向和途径传播,最后由接收器记录整个波列在套管井中的衰减情况[3]

将测量声波波幅的大小转变为光辉度的强弱,保留信号的正半周,去掉负半周,波幅显示为黑白相间的条纹,颜色的深浅表示声波波幅的大小,就构成了声波全波列变密度图。当水泥与套管胶结好而与地层胶结不好时,在接收到的全波列信号中看不到地层波,只有套管波,由于套管均质,VDL图中的套管波通常是竖直黑白的明显条纹;否则,套管波弱、地层波明显,VDL图中套管波模糊不清、地层波弯曲显示。通过信号处理获得的这些差异显示,就可以分析与检测第一界面和第二界面的水泥胶结质量。

用VDL信息也可以检查窜槽及压裂效果等[4-6],而水平井压裂裂缝形态以横向裂缝居多[7-10],用VDL信息检测水平井横向压裂裂缝的方法为:在保证第一、二界面胶结良好的前提下,应用单极子声源在套管、水泥环和地层中激发出全波列波形,将该波形按调辉方式处理后得到VDL图像,以此检测压裂裂缝。地层无压裂裂缝时,可以把套管、水泥和地层近似看成一个整体,声波由套管经水泥环传到地层,全波列中套管波的波幅小、地层波的波幅大,VDL图中左端的套管波为灰白模糊不清的直线条,右端的地层波为黑白反差明显的曲线条;地层发育裂缝时,全波列中套管波的波幅无明显增大,但地层波的波幅明显减小,VDL图中地层波条纹灰白模糊不清、弯曲率大、成“人”字形。裂缝越发育,地层波波幅与形态的变化越明显, 因此可以通过从VDL资料处理成果曲线中提取的地层纵波时差、能量和形态等参数来识别压裂裂缝。

水平井固井后进行射孔压裂,可用VDL或者偶极声波测井(如DSI、XMAC、WS、MPAL或DSWI等)检测压裂效果,但存在2个问题:1) 在仪器下放与起出过程中可能遇阻卡住;2) 偶极横波测井仪或远探测测井仪等仪器对套管射孔完井水平井的横向压裂裂缝反应不敏感,不会产生明显的快慢横波分离现象[11]。因此,把常规的单发单收声波仪器的源距由0.90 m增大到1.50~2.10 m,有利于从VDL波形数据中提取地层纵波时差、能量和波形等,然后根据其响应特征来识别和评价水平井近井地带的压裂裂缝。

2 水平井压裂裂缝的VDL模拟试验 2.1 试验模型井的制作

在实验室中无法达到实际声波测井条件,但可采用相似性原理建造模型井,模拟声波测井过程[12-15]。试验中,裸眼井直径为10.5 cm(为实际井井径的1/2),下入外径为8.5 cm的套管后固井;测井频率提高为实际测井频率的2倍左右,即40~50 kHz。使用9块直径为1.0 m的圆柱体砂岩(隆昌青石)建成水平井试验模型[1],见图 1图 1中:井身长度为3.05 m,井身两端砂岩圆柱体的长度均为1.00 m,中间7块砂岩圆柱体的长度均为0.15 m;相邻砂岩接触面之间留有宽度不等的裂缝,共8条(编号1—8,裂缝宽度分别为5.0,4.0,3.5,3.0,2.5,2.0,1.5和1.0 mm),以模拟实际水平井射孔压裂后的正交横向缝(看作近井地带的理想压裂裂缝)。

图 1 水平井试验模型示意 Fig.1 Schematic of horizontal well model

利用VDL检测模拟水平井压裂裂缝的试验原理如图 2所示:将模型井全部浸入水槽中,发射探头和接收探头在模拟井眼中居中放置,两者之间的距离为65.0 cm;触发器发射信号后,经过水平井中的套管和岩石及多路选择器后,将全波波形与数据存储在Rigo1024E数字示波器中,最后由瞬时波形采集器把全波列波形以图片和Excel数据形式保存在计算机里,便于分析和处理。

图 2 利用VDL检测模拟水平井压裂裂缝的试验原理 Fig.2 Testing principle of VDL detecting the fractures in simulated horizontal well
2.2 试验过程及结果分析

模拟测井前,根据小直径岩心测得的声速结果确定声波在岩石中的传播速度,结果为:无裂缝湿岩心的纵波速度为3.97±0.06 km/s,有裂缝湿岩心的纵波速度为3.30±0.09 km/s。对比可知,测量数值有明显差异;分析认为,是多条裂缝影响导致地层声波的纵波速度降低。通过该测量结果,在进行模拟试验时,可快速找到有裂缝和无裂缝时纵波首波到达的时间。

模拟测井时,先将发射探头置于井底,将接收探头置于井眼中距离井底65.0 cm的地方,然后将发射探头和接收探头同时向井口方向移动,每次移动5.0 cm,直至接收探头到达井口,每次待波形稳定后记录全波波形,全井段测井数据格式见表 1表 1中,T301—T600为采样次数(T301表示第301次,其他同义;T301之前未接收到地层波信号,故将T301之前的数据去除),2次之间的时间间隔为2 μs。

表 1 水平井压裂裂缝的声波全波列波形二维数据 Table 1 Two dimensional data for acoustic full waveform of fractures in horizontal well fracturing
接收接头到井底距离/cm 声波波幅/mV
T301 T302 T303 T598 T599 T600
65.0 0 0 0 26.4 26.4 26.4
70.0 0 -0.8 0 -29.2 -28.8 -28.4
75.0 0 -0.4 0 -28.8 -28.8 -28.8
80.0 -0.4 0 0 -29.2 -28.8 -28.8
85.0 0 0 -0.4 26.4 26.4 26.4
90.0 -0.4 -0.4 -0.8 26.4 26.4 26.4
280.0 -0.4 0 -0.4 5.2 1.2 -28.4
285.0 0 0 0 26.0 26.4 26.4
290.0 0 0 0 26.4 26.4 -24.8

共进行了46次试验,试验结果稳定可靠、重复性好。

为了更好地观察压裂裂缝的VDL响应特征,将所测波形数据绘成变密度曲线,见图 3(发射探头和接收探头每移动5.0 cm记录一次得到的声波全波列波形和VDL曲线图)。试验模型井中第一、二界面胶结质量良好,在无裂缝和有裂缝模拟井段测得的VDL曲线可分别代表压裂前和压裂后的资料,用于对比分析。

图 3 模拟水平井的声波全波列波形和声波变密度测井曲线 Fig.3 Acoustic full-waveform & variable density curve for a simulated horizontal well

当接收探头距井底70.0~95.0 cm时,2个探头都在井底的无裂缝长岩心段中,各处的全波列波形基本相似,由于第一界面和第二界面胶结良好,套管波的波幅很小而地层波的波幅很大。当接收探头距井底105.0~180.0 cm时,发射探头和接收探头之间声场覆盖的人造裂缝数量从1条依次增加到8条,由于裂缝的影响套管波的波幅明显增大;声波传播经过裂缝时,能量被其中的流体吸收,导致地层波的波幅明显降低,变密度图呈灰白色弯曲显示,此时裂缝宽度对裂缝识别没有明显影响(即全波列和VDL图中,在不同宽度裂缝处,地层波的波幅差异不大)。当接收探头在距井底195.0~270.0 cm时,测井过程中声场覆盖的裂缝数量从6条依次减少到1条,更多声波能量传递到地层中去,套管波的波幅逐渐变小、地层波的波幅逐渐增大。当接收探头距井底285.0~300.0 cm时,2个探头都在井口的无裂缝长岩心段中,全波波形基本类似于井段长度90.0 cm前的波形。

3 应用实例与效果

为了验证VDL信息识别压裂裂缝的可行性,在延长组致密油水平井中应用了该方法。图 4所示为P67水平井延长组致密油主力油层段(2 140.00~2 220.00 m井段)压裂前和压裂后的VDL综合解释图。图中,2 149.00~2 159.00和2 201.00~2 211.00 m井段分别为第一和第二射孔压裂段。

图 4 P67井射孔井段压裂前后的VDL综合解释 Fig.4 Comprehensive interpretation of perforated interval before and after fracturing in Well P67

图 4可以看出:压裂前,VDL图中显示套管波弱、地层波相线粗而明显,全波列上套管波的波幅小、地层波的波幅大,说明该井段地层第一、二界面固井质量良好;压裂后,VDL图中显示套管波变强、地层波相线呈灰白色且模糊不清、弯曲率大,纵波时差增大,全波列上套管波的波幅变大,地层波的波幅变小,这与试验检测到的压裂裂缝波形的形态特征一致。通过对比分析压裂前后的全波列波形和VDL曲线特征及相关参数,可以识别压开层段并可定性判断压裂效果的好坏。该井2 201.00~2 211.00 m井段压裂前不出油,压裂后产液量4.7 t/d、产油量3.2 t/d。

根据VDL信息识别地层有无明显被压开的各项特征指标如表 2所示。

表 2 用VDL信息识别压裂裂缝效果的特征指标 Table 2 Characteristic indicators for identifying the fracture effect of fracturing by using VDL data
阶段 地层纵波时差 地层波波幅 全波列波幅 VDL图中地层波形态
套管波 地层波
压裂前 清晰,波形弯曲率小
压裂后 模糊不清,波形弯曲率大
4 结论

1) 基于相似性试验原理,建立了大型套管水平井压裂裂缝的VDL检测试验装置与模型,采用在发射频率和源距等方面与之相匹配的VDL测井声系,成功检测到了模拟水平井人工横向压裂裂缝的VDL响应特征。由试验结果可知,探头通过有横向裂缝的井段时,套管波的波幅会随裂缝数量的增多而变大,而地层波的波幅会发生明显衰减、显示波幅变小。

2) 实际压裂井P67井的VDL资料特征也印证了模拟井的试验结果。通过对比分析P67井在2 140.00~2 220.00 m主力油层段压裂前、压裂后的VDL波形及其变密度曲线特征,有效识别出了压开层段,认为2 149.00~2 159.00和2 201.00~2 211.00 m井段均被有效压开。

3) 模拟试验和现场应用实例表明,应用VDL信息可以实现水平井压裂裂缝的有效识别和检测,可为评价压裂效果提供理论依据和指导。

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夏宏泉, 胡慧, 杨林, 赵静
XIA Hongquan, HU Hui, YANG Lin, ZHAO Jing
基于声波变密度测井信息识别水平井压裂裂缝的方法
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http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201705020

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收稿日期: 2017-02-28
改回日期: 2017-06-26

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