裂缝等效宽度的斯通利波检测实验及反演.pdf

年 月第 卷第 期西安石油大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金“致密储层裂缝有效性的双尺度声波测井评价方法研究”（）第一作者：齐戈为（），男，硕士研究生，研究方向：地球物理测井。：通讯作者：唐军（），男，博士，副教授，研究方向：地球物理测井和岩石物理。：中图分类号：文章编号：（）文献标识码：裂缝等效宽度的斯通利波检测实验及反演齐戈为，唐 军，蔡 明，何 泽，郑辰昌，秦迎春（长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 ；加柏利能源技术（天津）有限公司，天津 ）摘要：为了破解裂缝地层识别与评价的难题，进行缩比例模型井声波测量物理实验，结合数值模拟分析不同裂缝宽度和条数下斯通利波特征，总结水平裂缝不同宽度及条数对斯通利波衰减的影响规律，提出裂缝等效宽度的概念，定量表征裂缝带对斯通利波幅度的影响，建立基于裂缝等效宽度的反演方法和流程。研究结果表明：随着裂缝等效宽度的增大，直达斯通利波幅度呈指数规律减小；在裂缝等效宽度保持不变的情况下，裂缝条数越多，直达斯通利波幅度越大；利用裂缝等效宽度能够实现裂缝带的定量表征。关键词：声波测井；斯通利波；裂缝等效宽度；裂缝条数 ，（，；（），）：，：；齐戈为，唐军，蔡明，等 裂缝等效宽度的斯通利波检测实验及反演 西安石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：西安石油大学学报（自然科学版）引言裂缝作为致密储层重要的渗流通道和储集空间，是勘探与开发研究的重点 。阵列声波测井相较于电成像具有更大的横向探测深度，且多个接收器组成阵列能更好更多地采集来自地层的信息，为裂缝反演提供多种方法 。裂缝地层中的裂缝宽度一般很小，裂缝产状和条数极难确定，导致裂缝带地层对阵列声波测井波形的影响十分复杂，这使得裂缝地层的识别与评价成为测井的一大难题 。有关裂缝斯通利波检测的数值模拟与物理实验，国内外已经有学者研究。数值模拟方面，等 首次采用二阶有限差分算法将位移场转化为差分方程，对均匀弹性介质的声场实现了数值模拟。声波数值模拟最常用的方法为速度 应力方程 和波动方程 的差分算法。近年来，在应力 速度方程有限差分的基础上，很多学者采用不同优化算法和模型相结合的方法，如优化时间空间高阶差分算法 、优化差分网格结构 ，结合线性滑动模型 等，研究声波在裂缝性地层中的传播特性及不同裂缝特征对声波的影响 。物理实验方面，在 等 首次通过室内实验记录了全波波形数据并结合理论估算了裂缝的有效宽度后，等 进一步深入研究了平板状裂缝宽度对纵横波速度的影响。乔德新等 利用模型井实验从声波成像测井的角度反演了裂缝宽度；蔡明等 利用透射法物理实验分析了微米级裂缝宽度对横波衰减的影响规律，证明横波衰减系数与裂缝宽度之间具有良好的相关性，提出一种新的等效裂缝宽度半定量评估方法。前人大多采用纵横波反演单条裂缝宽度，但不同裂缝条数对斯通利波影响的研究依旧不足。由于采用柱塞样岩心进行透射声波物理实验与实际声波测井存在差异，故使用更接近实际声波测井的方式进行物理实验。考虑到纵波在速度和幅度上基本不受裂缝发育的影响 ，故通过三维变网格有限差分数值模拟和基于阵列声波测井的物理实验进行裂缝检测，研究含裂缝带地层对斯通利波的影响规律，提出裂缝等效宽度的概念以简化裂缝带的表征。实验方案设计采用缩比例模型井和阵列声波实验测井仪进行物理实验，并结合三维应力 速度有限差分方法对声波进行数值模拟，实现裂缝等效宽度的斯通利波检测。岩石物理模型裂缝的存在使得裂缝性储层具有非均质性强的特点 ，并且实际储层中的裂缝条数和产状杂乱无章。单一裂缝的岩石物理模型与实际裂缝储层有很大区别，不能有效应用于实际裂缝储层的研究中。构建了考虑裂缝间距的水平裂缝带的岩石物理模型，该模型裂缝带中的裂缝是相互平行的，如图 所示。该模型由 条裂缝组成，单条裂缝的宽度为，裂缝与裂缝间的距离为 ，多条裂缝和裂缝的间距共同组成影响声波的裂缝带。为了综合表征裂缝带对声波的影响，引入裂缝等效宽度，定义裂缝等效宽度（）为沿井筒方向阵列声波仪器探测范围内所有单条裂缝宽度（）的总和，即 。（）图 含裂缝带岩石的物理模型 数值模拟采用数值模拟的方法探索裂缝带对声波的影响。采用三维应力 速度有限差分数值模方法模拟计算含有平行裂缝带地层中的井孔声场。图 为含图 含有裂缝带地层的井孔模型示意图 齐戈为等：裂缝等效宽度的斯通利波检测实验及反演有裂缝带地层的井孔模型示意图。模拟地层长、宽均为 、高 的长方体模型。假定声源位于笛卡尔坐标系的原点，井轴与 轴重合，井外裂缝与 轴构成的平面垂直，单条裂缝宽度为 ，裂缝间隔为 。计算时假设井孔内及裂缝均充满液体，井外地层为各项同性均匀弹性固体地层。采用完全匹配层（）进行吸收边界处理，声源频率为 ，最大源距为 。数值模拟计算可得到单条裂缝宽度为 的不同宽度情况下井轴上产生的全波信息图。图 为数值模拟得到的裂缝倾角为 的不同单条裂缝宽度的波形叠加图，图中 、依次代表纵波、横波和斯通利波。从图中可以发现斯通利波幅度随裂缝宽度的增大而减小。图 裂缝宽度 波形叠加图（数值模拟）（）采用数值模拟探索裂缝条数对斯通利波的影响。图 为单条裂缝宽度为 的裂缝、条裂缝组成的裂缝带（每条裂缝的裂缝宽度为 ，裂缝间距为 ）以及单条裂缝宽度为 的裂缝的数值模拟模型示意图。图 为数值模拟得到的不同裂缝条数下全波波形叠加图，可以看出单条裂缝（）的斯通利波幅度最大，其次是裂缝带（裂缝等效宽度 ），单条裂缝（）的斯通利波幅度最小。裂缝等效宽度相等的条件下，条和 条裂缝下的斯通利波幅度存在差异，条数越多，幅度越低。图 数值模拟裂缝带模型示意图 图 不同裂缝数的全波叠加波形 物理实验设计为了进一步研究多条裂缝对声波的影响，依据数值模拟得到的规律，进行相应的物理实验。实验仪器采用自主研制的小型阵列声波实验测井仪，实验测井仪所用的声波换能器是采用圆管状的径向极化压电陶瓷换能器。个换能器发射，个换能器同西安石油大学学报（自然科学版）时接收，压电陶瓷换能器的中心频率为 。图 为小型阵列声波实验测井仪结构，该仪器发射器距离第一个接收器 ，发射器与接收器之间设有管状刻槽隔声体，个接收器依次间隔 ，整个仪器采用管状硬质材料连接。图 小型阵列声波实验测井仪结构 为了尽可能消除孔隙度的影响，实验采用致密的花岗岩制作不同裂缝条数的裂缝带模型井 组。物理实验中 条裂缝的模型井由 块花岗岩组成，条裂缝的模型井由 块花岗岩组成，中间花岗岩薄片的宽度决定裂缝的间距，裂缝间距为 。图 为 组裂缝带的物理模型照片。图 为实验系统和人工裂缝模型井结构示意图。为了模拟实际测井中阵列声波测井的采集方式，在水槽一端安装有伺服电机牵引装置，可以实现对声波仪器的匀速拖拽，模拟真实测井仪器运动采集。图 组裂缝模型井照片 图 实验系统和人工裂缝模型井结构示意图 模型井实验的裂缝由 块花岗岩岩心组成，单条裂缝宽度依靠人工控制。通过将不同厚度的 材料制成的垫片放置于裂缝面的两边来控制单条裂缝宽度，使用千斤顶在岩心一侧加力使得 块岩石和两侧的垫片紧密结合。开始测量前取出垫片，在井附近形成仅被流体填充的无界平面裂缝。模型可以实现裂缝宽度 的模拟。实验结果分析通过改变单条裂缝宽度进行斯通利波检测物理实验，得到斯通利波幅度和单条裂缝宽度的关系。图 为不同裂缝宽度与声波的关系，图 （）为物理实验得到的单条裂缝条件下不同裂缝宽度的声波波形叠加，在物理实验得到的全波波形中可以发现，随着裂缝宽度的增大，斯通利波幅度递减。采用斯通利波相对幅度对斯通利波进行量化处理，定义斯通利波相对幅度为当前斯通利波幅度与致密层段的斯通利波幅度的比值，即。（）式中：为未经过裂缝时斯通利波幅度，；为当前斯通利波幅度，。图（）反映单条裂缝宽度与斯通利波相对幅齐戈为等：裂缝等效宽度的斯通利波检测实验及反演图 单条裂缝的宽度与声波的关系 度的关系。可以发现，随着裂缝宽度的增大，斯通利波幅度递减，斯通利波相对幅度与裂缝宽度呈现指数关系。采用同样的方法研究裂缝倾角对斯通利波的影响，发现裂缝倾角对斯通利波相对幅度几乎没有影响。依据同样的物理实验流程和处理方法研究裂缝带对斯通利波的影响，发现在 条裂缝和 条裂缝条件下，随着裂缝等效宽度的增大，斯通利波幅度均减小。计算并提取斯通利波相对幅度进行分析，得到裂缝等效宽度与斯通利波相对幅度关系（图 ）。可以看出，随着裂缝等效宽度的增大，斯通利波幅度减小。在裂缝等效宽度相同的情况下，裂缝条数越多，斯通利波幅度越低。裂缝等效宽度大于 时，种情况下的趋势线趋于平缓；裂缝等效宽度小于 时，随着裂缝等效宽度的减小，条趋势线呈现相交的趋势，说明在裂缝足够窄的时候，单条裂缝和裂缝带对斯通利波幅度的影响可能无差异。进一步分析斯通利波相对幅度可以建立裂缝带与单条裂缝的转换关系，实现裂缝带向单条裂缝的转换（图 ）。可以看出，随着裂缝带斯通利波幅度的增大，对应的单条裂缝的斯通利波幅度增大，且两者呈线性关系。图 裂缝等效宽度与斯通利波相对幅度的关系 图 裂缝带与单条裂缝斯通利波相对幅度的转换关系 反演分析在厘清裂缝条数和裂缝宽度对斯通利波幅度的影响后，可以采用研究得到的规律进行反演。反演方法利用裂缝等效宽度可以将多条裂缝组成的裂缝带转化为单条裂缝的等效宽度，简化裂缝带的表征。裂缝等效宽度综合表征裂缝带内多条裂缝对斯通利波幅度的影响。采用阵列声波测井得到全波波形后，提取斯通利波幅度并与无裂缝段对比，得到斯通利波相对幅度。利用研究得到的单条裂缝与裂缝带的关系，将裂缝带的斯通利波相对幅度转换为等效单条裂缝斯通利波相对幅度，再通过研究整理得到的单条裂缝宽度与斯通利波相对幅度的关系即可求得在裂缝带所对应的单条裂缝的等效宽度。关系式分别为 ，；（）（）。（）式（）中，、依次为裂缝带 条裂缝和 条西安石油大学学报（自然科学版）裂缝的斯通利波相对幅度；为单条裂缝斯通利波相对幅度；为裂缝等效宽度，；为地区经验系数。反演实例为验证裂缝等效宽度在实际应用中的可靠性，将裂缝等效宽度反演方法应用到致密地层某井进行实际测井资料测井解释与分析。图 为 井裂缝层段测井解释图。采用微电阻率成像测井（）计算裂缝宽度验证声波计算得到的裂缝等效宽度。图 中第一道为声波全波波形。其中：蓝色曲图 条裂缝带测井解释结果 线为斯通利波到时曲线，即斯通利波幅度计算的开始时间，橙色曲线为斯通利波幅度计算的截止时间；第三道和第四道分别为斯通利波幅度及其相对幅度；第五道为微电阻率成像测井生成的动态图像，结合图中红色正弦曲线可以很清晰地看见裂缝；第六道为裂缝倾角矢量蝌蚪图；第七道蓝色曲线为由微电阻率成像测井计算得到的裂缝宽度，红色曲线为声波计算得到的裂缝等效宽度。可以看出，井段在电成像上显示有 条裂缝，在提取斯通利波幅度后计算表征该裂缝带的裂缝等效宽度，声波计算的裂缝等效宽度与电成像计算的结果在一个数量级内且基本吻合，证明基于裂缝等效宽度的裂缝带表征方法准确可信。图 为该方法应用于含有 条裂缝的裂缝带图 条裂缝带测井解释结果 齐戈为等：裂缝等效宽度的斯通利波检测实验及反演的测井解释图。可以看到在 井段，电成像显示有 条裂缝。通过新方法计算得到裂缝等效宽度，与电成像计算结果吻合。裂缝等效宽度表征多条裂缝与成像测井吻合较好，应用裂缝等效宽度可以有效简化裂缝带多条裂缝的表征。受实验条件限制，只在含 条裂缝的裂缝带和含 条裂缝的裂缝带实现了斯通利波检测实验。实际应用中，当斯通利波相对幅度小于本文中最大单条裂缝的斯通利波相对幅度时，认为该地层含裂缝带，可以参考裂缝等效宽度与声衰减的响应规律，实现对裂缝带的表征。结论（）随着单条裂缝宽度的增大，横波、斯通利波振幅减小，呈现指数递减。裂缝等效宽度越大，斯通利波幅度越小。（）在相同裂缝等效宽度下，随着裂缝带中各裂缝间距的增大，斯通利波幅度减小；裂缝条数越多，斯通利波幅度越大。（）利用裂缝等效宽度能够实现裂缝带的定量表征。随着裂缝带斯通利波幅度的增大，对应的单条裂缝的斯通利波幅度增大，且两者呈线性关系。参考文献（）：董少群，曾联波，杜相仪，等 致密碳酸盐岩储集层裂缝智能预测方法 石油勘探与开发，（）：，（）：刘鹏，乔文孝，车小花，等 多极子阵列声波测井技术在煤层气储层评价中的应用 测井技术，（）：，（）：张蕾，成志刚，程玉梅，等 应用阵列声波测井资料定量评价碳酸盐岩储层渗透性 测井技术，（）：，（）：王熙荣，罗菊兰，张龙，等 增强型微电阻率成像测井资料的应用 测井技术，（）：，（）：李玉霞，李亚敏 多极子阵列声波测井仪 测井技术，（）：，（）：周继宏，黄文新，章成广，等 碳酸盐岩地层中全波列声波测井实验研究 石油地球物理勘探，（）：，（）：，杨博，章成广，蔡明，等 基于斯通利波能量衰减的裂缝渗透性评价方法研究 地球物理学进展，（）：，（）：张福明，侯颖，朱明，等 火山岩储层测井评价技术现状及发展趋势 地球物理学进展，（）：，（）：唐军，章成广，信毅 油基钻井液条件下裂缝声波测井评价方法：以塔里木盆地库车坳陷克深地区致密砂岩储集层为例 石油勘探与开发，（）：，：，（）：，车小花，赵腾，乔文孝，等 多极子声波测井的裂缝识别与评价 石油与天然气地质，（）：，（）：刘敬寿，丁文龙，肖子亢，等 储层裂缝综合表征与预测研究进展 地球物理学进展，（）：，（）：西安石油大学学报（自然科学版），（）：，：，（）：陈乔，刘向君，梁利喜，等 裂缝模型声波衰减系数的数值模拟 地球物理学报，（）：，（）：陈德华，丛健生，徐德龙，等 裂缝性地层中的井孔声场模拟 大庆石油学院学报，（）：，（）：，岳崇旺，王飞 利用高阶交错网格有限差分法数值模拟 介质井孔声场 煤田地质与勘探，（）：，（），（）：阎守国，谢馥励，龚丹，等 含有倾斜薄裂缝孔隙地层中的井孔声场 地球物理学报，（）：，（）：欧伟明，王祝文，宁琴琴，等 基于线性滑动模型的裂缝性地层声波测井响应数值模拟 中国石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：龚丹，章成广 裂缝性致密砂岩储层声波测井数值模拟响应特性研究 石油天然气学报，（）：，（）：刘黎，章成广，蔡明，等 裂缝对井眼声波的传播影响规律研究 物探与化探，（）：，（）：，（）：，：，乔德新，李宁，尉中良，等 利用模拟井研究用声波成像资料计算裂缝宽度问题 石油勘探与开发，（）：，（）：蔡明，章成广，韩闯，等 微裂缝对横波衰减影响的实验研究及其在致密砂岩裂缝评价中的应用 中国石油大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：，：帕尔哈提祖努，齐兴华，安然，等 裂缝性煤层声波测井响应的有限元模拟研究 煤炭技术，（）：，（）：魏斌，卢毓周，乔德新，等 裂缝宽度的定量计算及储层流体类型识别 物探与化探，（）：，（）：，责任编辑：王辉