低频偶极横波远探测测井在南海油田的应用

牛德成,陈鸣,张聪慧,高永德

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,北京101149;2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江524057)

0 引 言

中国南海在经历了长期复杂的地质运动及板块间的联合作用后,形成了类型各异、数量众多、分布广泛的复杂构造盆地[1]。北部湾盆地是具有巨厚优质烃源岩的新生代复杂断块油气藏。其显著特点是断层复杂、储层非均质性强、储层分布及连通性复杂[2]。钻井过程中,常因断层发育、井况复杂、井漏、遇卡等情况频发,考虑到安全问题而提前完钻现象时常发生。因此,对精确描述井旁断层的发育位置和构造特征提出了更高的要求。地震勘探方法探测范围大,但纵横向分辨率较低难以满足高精度勘探要求;常规测井方法径向探测深度小,难以了解井旁小断层向外延伸发育情况。单纯依靠常规测井和地震资料在识别和定量解释小断层方面有着很大的局限性。

偶极横波远探测成像测井技术在探测深度和分辨率方面,填补了常规测井技术和井间地震之间的勘探空白,能够对井眼周围的地层界面、裂缝或断层构造进行成像分析[3]。传统声波井旁地质体成像测井技术采用单极声源测井,面临探测深度浅、没有方位性等技术难题。偶极横波远探测测井技术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。由于偶极横波较低的发射频率及偶极声源的指向性,偶极横波远探测测井技术能对井旁较远的地质体构造进行成像,并能确定地质体的位置和方位。

中海油田服务股份有限公司于2010—2015年经过5年攻关,基于低频偶极远探测方法,实现了偶极横波远探测核心技术的原创性突破,研制成功偶极横波远探测测井技术体系,包括偶极横波远探测测井仪及资料处理解释技术。南海西部北部湾地区尝试采用该技术用于帮助分析复杂断块区的井旁断层及构造,取得一定应用效果。

1 横波远探测测井基本原理

1.1 声波远探测测井基本原理

声波远探测成像测井是利用井中声源向井外地层辐射声波,并在井中接收来自井外远处地质体的反射波,进而对井外地质体成像的方法(见图1)。声波测井主要有单极声源的纵波测井和偶极声源的横波测井这两大类。传统的声波远探测测井技术利用单极反射纵波进行成像,但是单极纵波远探测方法声源频率高,由于地层对高频声波衰减较强,导致探测深度较浅(约10 m);而且单极声源无方位识别能力,同时反射波受多种模式直达波的干扰,使得反射波的提取非常困难[4]。相比而言,偶极声源工作频率低,探测深度更远;声源有指向性,可探测井外反射体方位;而且偶极声源产生的横波模式在井外不产生转换波,有利于反射信号提取[5]。因此,偶极横波远探测测井具有探测更远、方位识别、反射信号易提取的技术优势。

图1 声波远探测成像测井原理示意图

1.2 低频偶极远探测测井方法

声波远探测成像是利用来自井外反射体的信号进行成像,但是井外反射信号相对于沿井传播的直达波是一个十分微弱的信号,井外地质体的反射信号往往淹没在噪声之中,通常难以得到有效处理,因此,常规偶极横波测井方式极大地限制了声波远探测测井技术的广泛使用。值得注意的是,井中偶极声源产生的直达波属于导波,存在低频截止频率[6-7],常规偶极横波测井的工作频段在截止频率以上(3 kHz),主要目的是测量和利用井中直达波,在此背景下获得的反射波信号极弱。为了有效压制井中直达波提升反射波信噪比,魏周拓等[8]提出了一种在井中偶极横波截止频率以下(1.5 kHz)工作的全新测井模式,使井中直达波截止不能被有效激发,从而在数据采集中获得较强的井外反射横波。图2给出声源在偶极横波截止频率以下和以上激发的情况下的模拟波形[见图2(a)]。在截止频率以上工作时,井外反射波幅度相对于井中直达波(弯曲波)十分微弱;而在截止频率以下工作时[见图2(b)],井外反射波幅度大为增强,与井中直达波(滑行折射横波)具有了相同量级。理论上这种全新测井模式产生的井外反射波相对于井中直达波的信噪比能够提高1～2个数量级,对声波远探测测井资料处理及成像非常有利。

图2 声源激发波形对比及反射波传播距离与频率的关系

这种测井模式还有另外一个重要优势,由于从井中向地层远处辐射的声波会随着传播距离的增加使幅度衰减,其衰减大小敏感于对声波频率[见图2(c)]。因此,提出的低频偶极远探测声波测井模式,不仅可以提升反射波的信噪比,同时也实现了更远的探测深度。

1.3 低频远探测测井仪器

中海油田服务股份有限公司基于低频偶极远探测方法,在EXDT声波测井仪的基础上,研制成功了低频偶极横波远探测成像测井仪器AFBS,实现了井眼周围更远范围的裂缝、断层或溶蚀孔洞等构造的清晰成像[9]。

该仪器使用三叠片结构的压电陶瓷偶极远探测换能器,通过优化设计换能器的尺寸与频率,偶极声源中心工作频率降至1.5 kHz。尽管大幅降低工作频率以及提高发射能量,但反射波幅度也远小于井中直达波,幅度大约为数十微伏左右,仍属于微弱信号。因此,采用仪器整体的电磁兼容设计、动态换能器匹配技术和分级放大技术降低各种噪声源。设计了高精度的数据采集系统,采集位数由16 bit提高到24 bit,有效动态范围达120 dB,保证有效拾取数十微伏电压。在提高反射波幅度的同时,增加仪器的采样长度和采样率,使得该仪器可以更精准地接收来自井外更远处的反射体信号。通过同一井段的数据采集及远探测成像处理,与传统XMAC测井仪相比,AFBS的探测深度与精度大大提高(探测深度增加2倍左右,成像信噪比提升1个数量级),可以更精细地刻画与描述井外更远处的反射体,实现了测井由“一孔近见”到“一孔远见”的变革,对海上油气储层的识别与评价、储层开采和钻井导向具有重要意义。

2 南海北部湾盆地的应用实例

2.1 识别井旁小断层

图3为某1号井声波远探测成像测井处理成果图。处理结果表明,3 825～3 900 m井段离井10～16 m范围内存在一倾斜直线状反射体,判断为井旁的断层反射,以北东向(NE45°)方位最强,东西向(EW)和NS方位次之,东南向(SE45°)方位最弱。表明井旁断层走向为北东向(NE45°)。该井地震剖面上显示井旁有一大断层,走向为北东向(NE45°)。这个大断层离井约200 m,超出了远探测测井仪器的探测范围。该井远探测井旁看到的断层可能为大断层次生的小断层,与大断层的走向一致。该井远探测测井发现的井旁小断层和地震资料结合对井旁断层作精细刻画,同时对断层的方位性判断再次验证了偶极横波能识别地质体方位的结论。

2.2 确定井漏原因

北部湾盆地某2号井钻进过程中,钻至2 584 m发生第1次钻井液漏失,20 min内活动池液面下降8 m3。2 426～2 601 m井段挤水泥后,地漏实验,破裂当量比重1.67 S.G;钻井至2 749 m,活动池液面降低,判断井下再次发生漏失。ECD为1.50 S.G井段小于破裂当量比重,因此,基本能排除套管鞋发生漏失的可能性。后续在2 779 m和2 810.6 m处又发生2次漏失。远探测成像测井显示2 550～2 830 m井段有数条斜状反射体,其位置与钻井时发生井漏的漏点位置相一致,判断钻遇到了一个断裂带上,与地震上断层发育位置相对应,更精确地描述了断层引起的断裂发育段,也是该井井漏的原因(见图4)。

图3 某1号井井旁断层识别

2.3 判断断层类型

某3号井与某2号井类似,钻井过程中发生多次钻井液漏失现象。远探测测井处理成果显示在2 525～2 750 m井段(漏失井段)发育多条斜状反射体,判断为断裂发育带,与地震剖面2 605～2 729 m段附近的断层发育带相对应。

图5 某3号井过井断层识别与类型判断

图4 某2号井过井断层及井漏原因分析

图5远探测测井成果图显示2 520～2 585 m井段内存在多条高角度倾斜反射体,其中有一高角度过井反射体,与井相交于2 570 m处;2 615～2 642 m井段内存在一高角度过井反射体,与井相交于2 626 m附近;2 650～2 740 m井段内存在2个高角度过井反射体,分别与井相交于2 675、2 715 m附近。通过分析反射体在4个方位上的成像情况可知,在南北方向上成像最清晰,说明反射体走向为南北向,即断层走向为偏南北向,与地震剖面上的断层走向基本一致(见图5)。

结合声波各向异性和地震资料分析,该井各向异性资料判断地层最大水平地应力方向为北西—南东向,与该井断层走向方向近似垂直,由此判断该井断层可能为逆断层类型(见图5)。

3 结论及展望

(1)偶极声源具有低频、指向性特征,与单极纵波远探测测井技术相比,具有探测深度远、方位性判断等优势;可对井旁断层或裂缝的高度,距井距离以及走向进行定量评价。

(2)偶极横波远探测测井技术在南海西部北部湾盆地复杂断块区取得了良好应用效果,可判断过井断层,帮助分析井漏原因,规避钻井作业风险。

(3)结合地震资料对井旁小断层做精细刻画,判断断层类型,帮助分析复杂断块区的井旁断层、断裂展布,对勘探开发具有重要意义。

目前该技术在南海北部湾盆地井旁构造分析中取得了一定应用效果,未来可进一步结合区域地质、地震资料实现井震结合对区域构造的精细评价。