近年来, 随着油气田勘探开发进程的加快, 大斜度井、水平井在国内外油气田开发中起到了关键的作用, 其具有钻遇油层长度大、单井产量高、开采成本低等优势, 因此应用越来越广泛。水平井钻井技术的迅猛发展, 也带动了测井解释技术的进步, 但目前尚未研制出水平井测井仪器，尚未形成完善的水平井解释方法和解释软件, 仍旧采用传统直井测井仪器和解释方法, 导致水平井测井解释面临诸多问题^[1-9]。

声波时差测井是孔隙度测井系列中的一种, 是评价储层物性特征的一种重要方法, 但声波测井较为复杂, 易受泥质、钙质、孔隙结构、岩石各向异性、地层界面岩性特征等多方因素的影响, 造成水平井和直井测井响应特征存在较大差异。本文针对水平井声波时差测井解释中出现的问题, 分析了水平井声波时差测井影响因素及测井响应特征, 建立了水平井与直井对应储层的测井响应关系，进行了水平井声波时差测井校正，提高了水平井储层评价的准确度。

1 水平井测井解释中存在的问题

垂直井中, 测井仪器轴普遍垂直或近似垂直于地层面, 一般可将地层模型视为各向同性的均质体, 仪器轴周围地层、井眼形态及泥浆侵入带均可视为对称的, 仪器探测的是平行于地层层理的地层特征参数。对水平井而言, 井眼轨迹可能在储层中或在叠置的储层和非储层中穿插, 井眼轨迹在地层中的空间位置完全不同于直井；与仪器轴垂直方向的地层为各向非均质体, 井眼和泥浆侵入形态不再围绕仪器轴对称；这些条件的差异导致水平井和直井测井响应特征存在较大差异，从而使直井解释模型已不适应于水平井的测井解释^[1-5]。

由于测井环境的差异, 水平井测井响应特征与直井存在较大差异, 且目前所采用的直井解释模型, 造成了水平井测井解释易出现各种问题。例如对鄂尔多斯盆地陇东地区长7致密油XX水平井的取心和测井响应特征进行对比分析发现，重力流沉积环境下发育的块状砂体具有GR值较低、电阻率较高、声波时差偏低、岩心分析物性较好的特征，测井解释却为差油层；含层状泥质的砂体具有GR值相对较高、电阻率较低、声波时差整体偏高、岩心分析物性较差的特征，测井解释却为油层(见图 1，表 1)。根据鄂尔多斯盆地致密油水平井取心、测井响应特征和测井解释结果的对比分析可以看出，水平井测井和解释仍存在较大问题，其对后续的储层评价、压裂射孔段优选等工作造成了较大的障碍。

2 水平井声波时差测井影响因素

对于大斜度井和水平井中的声波时差测井影响因素, 前人研究认为，水平井测井影响因素主要包括地质和工程两方面。地质因素主要为地层岩性特征、地层各向异性、井眼轨迹与地层界面的几何关系等, 工程因素主要为重力作用下造成的测井仪器偏心、岩屑或泥饼形成岩屑床、泥浆侵入形态的不对称性等^{[1-5, 10-12]}。这些不利因素增强了水平井测井的复杂性, 最终给声波时差测井和测井解释造成了较大的困难。

2.1 泥质分布形式

砂岩储层中泥质对声波时差测井的影响较大, 但目前的研究主要考虑了泥质含量对声波时差测井的影响, 对泥质的分布形式及特征研究相对较少。若将水平井中各种分布形式的泥质作为整体进行考虑, 往往会造成水平井声波时差测井反映的物性和岩心分析的物性存在较大偏差, 不能真正反映水平井的储层特征^[13-14](见图 1，表 1)。

砂岩储层中，泥质主要分为层状泥质、结构泥质、分散泥质3大类(见图 2)。层状泥质指泥质分布较集中, 通常呈条带状、层状或者纹层分布在砂体内部或砂体间(见图 2A); 该类泥质同砂体一样, 承受上覆岩层的压力, 在弹性特征、声速传播上与大段泥岩较相似, 其对声波时差的影响主要取决于压实程度及泥质矿物的成分, 对声波测井影响较大。结构泥质指泥质呈杂基或结核状分布在砂岩中, 取代了部分岩石颗粒的空间(见图 2B); 该类泥质同砂岩骨架颗粒一样, 承受上覆岩层的压力, 可将其视为岩石骨架的一部分。分散泥质指泥质或者黏土矿物分散在岩石孔隙内或颗粒表面, 占据了少部分的孔隙空间(见图 2C)；这类泥质含量相对较少, 对声波测井影响相对较弱。研究显示, 泥质对声波时差的影响, 不仅要考虑泥质含量的多少, 更要考虑泥质的分布形态及特征, 泥质含量不同、分布形态不同对岩石弹性和声速的影响是完全不同的^[13]。

2.2 岩石各向异性

前人通过理论研究及实验分析认为，沿不同轴向测量得到的地层各向物理特征值不同, 说明地层存在各向异性的特征。岩石在原始沉积过程中, 受物源供给、水动力条件、古地貌等特征的影响, 在垂向和横向上，岩石碎屑组分、颗粒粒径、沉积构造等特征存在差异, 加之后期构造应力的作用影响, 导致岩石存在各向异性的特征。因现有的测井仪器是按照直井对应地层模型设计的, 其地层特征在测井响应上表现为各向同性; 而在水平层状地层中, 地层特征在测井响应上为各向异性, 其地层参数的垂直分量给测井数值带来一定的影响, 必将产生一定的误差。因此, 用直井测井仪器进行水平井声波时差测定, 岩石各向异性对声波时差测量值具有无法估计的影响, 而各向异性程度的大小决定了对声波时差测井值影响的程度^{[4-5, 15-17]}。

前人研究发现, 受地层各向异性的影响, 水平井中地层声波速度的垂直分量和水平分量间各向异性差异可达30%之多，且随着井斜角的增大, 地层声速变化较大^[5]。Thomsen曾定义过一系列参数，描述横向同性(TI)介质的声波的各向异性特征^[18], 其中ε描述P波各向异性, γ描述S波各向异性(见图 3)。图 3显示，井斜角小于20°时，波速变化很小, 井斜角大于20°时，纵波和横波变化较大, 且横波发生分裂^{[15, 18]}。因此, 受岩石较强的声波各向异性的影响, 在同一地层中, 随着井斜角的增大, 纵波声速会增大, 纵波声波时差减小, 导致所测地层纵波声波时差变化较大。对砂岩储层而言, 岩石各向异性影响储层评价的准确性；对于泥岩层，岩石的各向异性在进行合成地震记录或大斜度井间地层对比过程中也会引起较多的问题^[5]。

2.3 井眼轨迹与地层的几何关系

水平井主要针对的是储层, 但在钻井过程中, 受地层发育特征及构造等多因素的控制, 井眼轨迹大多以一定角度进出储层和非储层, 因而水平井井眼轨迹与地层的几何空间位置关系显得尤为重要; 井眼轨迹斜交或靠近地层界面, 易受围岩影响, 故地层界面上下的岩性特征、测井仪器的位置及探测的深度等因素综合决定了对测井数据的影响程度。

对于直井而言, 井眼一般近乎垂直切割地层，而水平井井眼与地层存在多种空间位置关系：当井眼轨迹与地层界面相交时, 在交叉点附近仪器探测到的是砂和泥两种围岩, 测量值是砂岩、泥岩的综合响应(见图 4A); 当井眼轨迹与地层界面平行时, 井眼轨迹位于砂体中部, 砂体厚度较大, 仪器探测深度未能达到地层界面, 仪器探测的为砂岩的测井响应(图 4B); 如果井眼轨迹靠近地层界面, 测量仪器探测到的是大部分砂岩和少部分泥岩, 对于声波时差等径向类型测井, 测量值是砂岩和泥岩的综合反映(见图 4C)。因此，即使井眼不与地层界面相交, 也可能是不同岩性组合对测井响应的影响^{[3, 19]}。

同时, 水平井测井过程中, 由于重力作用, 测井仪器重心偏下，会紧贴井眼底部, 加之井眼底部存在一定厚度的岩屑床, 岩屑床的岩性特征也会对声波测井产生一定影响; 在水平层状地层中, 泥浆滤液在地层中形成的侵入带体积和形态是不断变化的, 受重力分异作用, 侵入带主要集中在井眼底部, 形成非对称性的泪滴状分布, 对声波测井也可能产生一定影响。总之, 仪器偏心、岩屑床和泥浆非对称式侵入对声波时差测井可形成一定的影响，而这些都属于外部影响因素。

3 水平井声波时差测井响应特征

因受地质、工程等多种因素的影响, 同一地层不同斜度的井眼对应的测井响应特征存在较大差异, 即同一地层，直井与水平井的测井响应特征不同。本研究对鄂尔多斯盆地陇东地区长7致密油藏中的砂岩、泥岩声波时差测井数值进行统计分析，以研究不同类型的岩层在水平井和直井中声波时差测井响应特征的差异性。

3.1 纯块状砂岩油层

鄂尔多斯盆地陇东地区长7沉积期普遍发育半深湖—深湖重力流沉积, 其砂质碎屑流沉积环境下发育的纯块状砂岩及夹杂泥岩漂砾或泥质撕裂屑的块状砂岩为研究区的优势储层, 而浊流环境下发育的频繁夹薄泥岩的砂体也可作为相对有效的储层。为尽可能避免层状泥质、泥岩漂砾对声波时差测井值的影响, 真实反映水平井和直井相对应的块状纯砂岩声波时差测井响应的特征, 本研究选取了水平井和直井油层最低GR平直段：GR值起伏较小, 表明该段砂体泥质纹层、泥质条带含量较少, 且不受其他围岩影响。数据分析显示, 陇东地区长7水平井纯块状砂岩油层段的声波时差值比直井平均低12 μs/m(见表 2)。因选取的是纯块状砂岩油层, 不存在泥质纹层或泥质条带、地层界面上下泥质围岩对声波时差测井的影响，因而岩石各向异性是导致水平井纯块状砂岩油层声波时差与直井差异性的主要因素。

3.2 不含层状泥质砂岩的差油层

研究区长7致密油藏中也存在大量不含层状泥质砂岩的差油层。相对于纯块状砂岩油层而言, 该类差油层中分散泥质或者结构泥质含量偏高，孔隙结构偏差，偏致密, 储层物性本身偏低。直井测井环境下, 该类型差油层的声波时差测井值较纯块状砂岩油层低; 水平井测井环境下, 该类型储层声波时差测井值也低于纯块状砂岩油层。声波时差测井值能真实反映该类储层物性的特征, 属正常的测井响应。数据统计显示, 该类型储层水平井声波时差值较直井平均小17 μs/m; 通过分析认为, 该类型储层因本身相对致密, 且不含泥质纹层或泥岩漂砾, 其低声波时差的特征不受层状泥质的影响。同时，其受地层界面上下泥质围岩的影响也较小, 如若受地层界面上下泥质围岩影响, 其水平井声波时差应较大。因此，岩石各向异性应为该类型储层水平井声波时差小于直井声波时差的主要控制因素。

3.3 含层状泥质砂岩的差油层

受物源供给、沉积水动力等因素的影响, 陇东地区长7沉积期砂体内部发育薄的泥质夹层、泥质纹层或泥质条带。同时, 砂质碎屑流沉积的砂体中, 也可见大量的泥质撕裂屑、泥岩漂砾沉积, 这些层状泥质较大程度地影响了水平井声波时差测井。研究区水平井取心岩性观察、物性分析、测井响应特征等资料综合显示(见表 1), 含泥质纹层或泥质条带砂岩所测得的声波时差值偏高, 甚至高于块状砂岩油层测定的声波时差值, 但物性分析却低于块状砂岩油层。水平井中含层状泥质砂岩的差油层声波时差值显示高异常，主要是因为层状泥质或井眼上下泥质围岩的影响, 其高异常很容易在测井解释过程中将该段储层解释为油层；该类型储层物性较纯块状砂岩油层偏低, 电阻率较低, 含油性偏差, 且层状泥质对水平井试油压裂规模影响较大, 应被解释为差油层(见图 1, 图 5)。

3.4 泥岩

地层中的泥岩也存在较强的各向异性, 同一泥岩层中，不同斜度的井眼其测井响应差异较大。Thomsen分析认为，井斜角大于20°时, 纵波和横波速度变化较大^[13]。本研究统计了研究区长7致密油层某水平井所钻遇的泥岩段声波时差数据，如表 3所示。表 3显示，井斜角从0~90°变化过程中, 所统计的泥岩段GR值均较高, 当井斜角小于15°时, 泥岩段声波时差值均大于250 μs/m; 当井斜角从15°增大到55°过程中, 泥岩段声波时差相对降低, 但基本在240 μs/m左右; 当井斜角大于70°以后, 泥岩段声波时差值降低幅度较大, 井斜角达到90°时, 泥岩段声波时差近200 μs/m。从直井段到水平段的过程中, 泥岩声波时差从260 μs/m降到200 μs/m, 分析认为，泥岩段声波时差的各向异性要远大于砂岩段声波时差的各向异性。对于泥岩层而言, 由于具有较强的声波时差各向异性, 在进行合成地震记录或者大斜度井地层对比过程中易出现问题, 因此需要对大斜度井或水平井中的泥岩段P波数据进行校正^[5]。

4 水平井声波时差测井校正

针对岩石各向异性的校正，国内外学者主要通过实验条件求取地层各向异性参数^[20], 或根据Hornby椭圆方程作为反演模型^[21], 采用最小二乘法确定各向异性参数等方法进行^{[5, 22]}。上述校正方法取得了一定的地质效果, 但由于需要大量的岩石各向异性实验资料, 校正过程较繁琐, 数据处理量较大, 故本研究应用数理统计学方法^[4], 建立了相关经验公式模型, 通过经验公式开展水平井声波时差的校正。

在研究区进行水平井岩心、测井响应特征及测井解释对比的过程中, 发现水平井含泥质纹层或泥质条带砂岩声波时差高异常及其测井解释等问题, 目前还未有效的方法进行声波时差校正。因此, 本研究进行水平井和直井声波时差数据统计时, 主要选择了纯块状砂岩油层和差油层、钙质胶结致密层, 其GR测井曲线特征主要呈低值且起伏较小, 避开了水平井中含泥质纹层或泥质条带砂岩差油层测井数据的影响。

根据研究需要, 对研究区内相邻水平井和直井间对应的同一套纯砂岩储层的水平井和直井声波时差测量值进行统计, 建立了长7小层水平井和直井声波时差相关关系图(见图 6)。由图 6可知，两者呈线性关系, 相关性较好。在水平井声波时差校正过程中, 可以通过式

将水平井声波时差校正为直井声波时差, 从而去除地层各向异性对声波时差的影响, 求取水平井中储层真实的声波时差值。

同时, 根据垂直井取心物性的分析与对应储层声波时差的相关关系, 可求取水平井相对应储层物性的参数。统计显示, 直井声波时差和对应分析孔隙度之间具有较好的线性关系(见图 7)。通过公式(1)将水平井声波时差校正为直井声波时差后, 再根据公式

求取水平井储层的孔隙度。

通过水平井和直井对应储层声波时差变化规律的研究, 可有效校正水平井储层声波时差。但是，这类校正方法只适用于水平井中块状砂岩的油层和差油层、钙质胶结致密层, 即声波时差测井响应正常的岩层; 对于受内部层状泥质影响的砂岩, 其声波时差校正及测井解释方法仍需进行深入研究。

5 结论

1) 地质因素和工程因素是造成水平井声波时差测井不同于直井的两大主要因素, 其中层状泥质可导致含泥质纹层或泥质条带砂岩声波时差的高异常；岩石各向异性造成了水平井块状砂岩和泥岩声波时差值低于直井；井眼与地层的空间几何关系、仪器探测深度等因素也可影响水平井岩层声波时差的测定。

2) 通过水平井和直井不同岩性声波时差值的对比发现, 受岩石各向异性的影响, 研究区长7水平井纯块状砂岩油层段声波时差比直井平均低12 μs/m, 不含层状泥质砂岩差油层的声波时差值比直井平均低17 μs/m, 而从直井段到水平段的泥岩声波时差值从260 μs/m降到200 μs/m, 说明泥岩的声波各向异性远大于砂岩; 受层状泥质或井眼附近泥质围岩的影响, 水平井中含泥质纹层或泥质条带砂岩所测的声波时差值高于块状砂岩油层的声波时差值, 造成了水平井测井解释出现偏差。

3) 本研究应用数理统计法建立的水平井和直井声波时差测量值的相关关系, 可将水平井环境下的声波时差校正到直井环境下, 测井解释中可直接应用直井解释模型进行水平井测井解释, 提高了水平井储层评价的准确度。