唐晓明-含孔隙、裂隙介质中的声波测井

1唐晓明唐晓明中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）含孔隙、裂隙介质中的声波测井报告内容1.非常规油、气探测的重要性2.孔隙、裂隙介质的弹性波动理论简介3.孔隙、裂隙介质的弹性理论的应用常规油、气储层致密性油、气储层页岩气储层4.裂隙的声波探测5.结语全球(+US)常规和非常规（气）产量的历史和预测趋势：常规的油、气储藏发现日趋减少非常规的油、气开发日益增加历史预测常规型致密地层煤层气页岩气US页岩气实况USgas致密性地层的孔、渗范围低孔、低渗需要增大储层产能孔隙度渗透率岩石的孔、渗范围及分类0.000010.00010.0010.010.1110100100010000051015202530PERMEABILITY(mD)POROSITY(%)Source:GFREEResearchTeam,UofCalgary,21421000FHRB00SOFT中国：80%的气储藏位于致密性地层孔隙度三维地震勘探得到的苏里格气田的气层构造致密性地层油气探测的重要性1)低孔,低渗地层大量存在2)测量的灵敏度相对较低3)需要找寻新的方法和技术有理论依据Æ普适性方法可靠Æ实用性和有效性孔隙、裂隙介质的弹性理论1)岩石的孔隙弹性模型2)比奥-加斯曼方程及与其相恰的孔隙弹性理论3)孔隙、裂隙对纵、横波速及波速比的影响非致密（高孔）砂岩高孔隙沙岩(非致密)砂岩的孔隙弹性模型致密砂岩高孔隙沙岩致密砂岩(致密)砂岩的孔隙弹性模型裂隙孔隙裂隙既有孔隙,又有裂隙,孔隙度低(非致密)砂岩的孔隙弹性模型既有孔隙,又有裂隙孔隙度高孔隙裂隙孔、裂隙介质弹性波动理论的发展过程裂隙介质弹性理论孔隙介质弹性波动理论包体理论EshelbyWalsh散射理论HudsonKuster/Toksoz自洽理论O’connel&BudianskyBiot相恰理论Thomson（0Hz）Biot-Gassman理论双孔隙理论BerrymanBiot-Squirt理论Dvorkin&Nur孔、裂隙统一理论Tang（2011）岩石的显微切片既有孔隙,又有裂隙裂隙孔隙孔、裂隙介质的Biot相恰理论{}2000(1/)[(/)(1/)]BSdfdfdKKKKKKKKKφφ=+−+−−00(1/)(/(1))1/[/(1)]fpsfBSpKKaAKKKKaaAφεφφε⎧⎫−−+⎪⎪=−⎨⎬+−+⎪⎪⎩⎭比奥-加斯曼:饱和Ks和干燥模量Kd与孔隙度φ和流体Kf的关系与比奥-加斯曼相恰的孔,裂隙弹性理论:饱和和干燥模量与孔隙度及裂隙密度的关系既有孔隙度φ,又有裂隙密度ε,须与比奥-加斯曼方程联立求解(Thomsen,1985)*干燥模量Kd隐含了裂隙的影响岩石的孔、裂隙的相互作用模型外加压力变化δP在孔、裂隙中产生的压力变化分别为δPp和δPc.压力作用下裂隙的张缩产生裂隙与孔隙间的挤喷流Æ依赖于时间/频率zr2RδPpδPpδPcδPδPδPδP岩石中的孔洞就像鸡蛋，能抗压；而裂隙就像压力盒，一挤就变形。--陈颙，科大研究生院,1983孔、裂隙理论与Biot理论的对比Biot-Gassman理论孔、裂隙介质统一理论：[])(//)(2ωφφααSKKKKfsd++−+=[]fsdKKKKφφαα+−+=)(2[]4(1)118(1)()()()11()3113fdsdKKKSfffKKννωπεζζζμμγ−⎡⎤⎧⎫−−=−+−⎨⎬⎢⎥−⎩⎭⎣⎦剪切模量μ=μ0⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−001115411KKμμ剪切模量：挤喷流项00.020.040.060.080.11101001000104105106107300031003200330034001000cp100cp10cp1cp频率(Hz)快纵波速度(m/s)快纵波衰减(1/Q)总衰减Biot挤喷含孔、裂隙岩石中快速纵波的频散(上图)和衰减(下图).00.010.020.030.04110100100010410510610718001850190019502000频率(Hz)横波速度(m/s)横波衰减(1/Q)总衰减Biot挤喷含孔、裂隙岩石中横波的频散(上图)和衰减(下图).02004006008001000120014000.010.111010010001041051101001000104105106107频率(Hz)慢纵波速度(m/s)慢纵波衰减(1/Q)DN理论Biot本文理论DN理论本文理论Biot含孔、裂隙岩石中慢速纵波的频散(上图)和衰减(下图)的理论比较.DN(BISQ)理论的慢波在低频时速度恒定且有巨大的衰减，不具备Biot理论的慢波特征.测井声场模拟01234Pε=0ε=0.15ε=0.2ε=0.25ε=0.1t/msSSTp-R(c)monopole:8kHz孔隙/裂隙介质的弹性波动理论的应用Ｂｒｉｅ方法对Vp/Vsvs.DTP交汇图的模拟与Ｂｒｉｅ方法的比较纵横波速比纵波慢度(μs/m)泥岩水饱和砂岩(干燥)气饱和砂岩Ｂｒｉｅ－－新理论。。。3301502401.52.01.6φ=0.10.20.30.41.71.81.9纵横波速比纵波慢度(μs/m)(干燥)气饱和砂岩水饱和砂岩104Hz0Hz图7.没有裂隙时对纵、横波速比与纵波时差交汇图的模拟结果.即便在高孔隙度的情况下波速比的变化区间范围也很小,不足以解释图6中的实际数据.致密性气层应用举例•理论模拟裂隙的重要作用•测井数据分析1/Vp(us/ft)Vp/Vs00.10.20.3气饱和水饱和水气纵波时差纵,横波速比Vp/Vs随孔隙度的变化(裂隙密度=0)φ致密(无裂隙)岩石：流体Æ气趋向不明显Vp/Vs随孔隙度的变化(裂隙密度=0.1)1/Vp(us/ft)Vp/Vs00.10.20.3气饱和水饱和水气纵波时差φ纵,横波速比WetSandstonesShalesLow-saturationSandsDryorGasSandstonesCompressionalSlowness(us/ft)13020060Vp/VsRatio3.01.3气饱和水饱和WetSandstonesShalesLow-saturationSandsDryorGasSandstonesCompressionalSlowness(us/ft)13020060Vp/VsRatio3.01.3气饱和水饱和孔隙+裂隙：真实地模拟流体Æ气趋向Vp/Vs随裂隙密度(ε)的变化(孔隙度=0.05)1/Vp(us/ft)Vp/Vs00.10.20.3气饱和水饱和水气ε纵,横波速比纵波时差含裂隙致密岩石：可产生明显的流体Æ气变化趋向致密气储层应用举例1)美国落基山脉气田，一万英尺探井2)致密砂岩及碳酸盐地层(孔隙度0.1)3)纵横波及正交偶极测井数据4)核磁测井数据5)数据与理论的对比和解释φ~6-7%致密气层的显示(核磁与声波)1.2VP/VS1.7240us/ft40DTSDTP致密气层的纵,横波速比变化页岩致密砂岩水Æ气趋向明显有相当的灵敏度气饱和水饱和理论模拟致密砂岩致密地层的纵,横波速比变化(一万英尺井深)自然伽玛刻度页岩极致密砂岩为何有这样强烈的变化？高纵,横波速比变化地层的核磁与横波各向异性测井各向异性10%核磁的气层的显示井外反射横波成像显示存在裂隙各向异性10%核磁的气层的显示80英尺高裂隙致密气层的纵,横波速比变化高裂隙致密沙岩水饱和水气5560657075808590951001.51.61.71.81.922.12.22.3水饱和水气气饱和理论模拟:裂隙密度=0.2φ=0φ=0.1Bo-Shen碳酸盐油储层0GR1500ANI0.2各向异性1.7Vp/Vs245DTC(us/ft)55Vp/Vs~DTC交汇图Bo-Shen碳酸盐油储层:Brie法模拟结果BoShen碳酸盐油储层的声波数据解释1.7Vp/Vs245DTC(us/ft)55Vp/Vs~DTC交汇图理论模拟：孔隙度0.02，裂隙密度从0.03-0.25含水含油水Æ油BoShen的数据解释(地层含气)1.7Vp/Vs245DTC(us/ft)55Vp/Vs~DTC交汇图岩性水Æ气孔隙度0.02，裂隙密度从0.06-0.22塔里木碳酸盐地层的数据解释水Æ油页岩气应用举例•Haynesville页岩气田•最新发表的数据(Lucieretal,LeadingEdge,March,2011)•储层的声学响应及探测Haynesville页岩气田的声测井数据产气(浅)产气(深)不产气三页岩井段岩石物性参数的平均值用TOC含量模拟含气页岩的纵、横波测井数据页岩岩芯的显微切片：裂隙存在的证据裂隙用孔、裂隙理论模拟含气页岩的纵、横波测井数据567892234裂隙增加含气量增加7085100115130DTP(us/ft)用孔、裂隙理论模拟含气页岩的纵、横波测井数据567892234裂隙增加含气量增加用孔、裂隙理论模拟含气页岩的纵、横波测井数据4050607080901001101201301401.21.41.61.822.22.4WetGasIncreasingcracksP-slowness(us/ft)Vp/Vsratio地震勘探应用举例•中国大陆科学钻探主孔井•地震反射剖面•岩石裂隙含气产生的地震响应结晶岩中天然气异常的地震响应(杨文采等，中国科学D辑，2008)裂隙的探测至关重要进一步讨论裂隙的测量问题提高纵,横波速的测量精度斯通利波反射和渗透率测量正交偶极横波各向异性探测裂隙反射横波成像探测井外裂缝声波渗透率低孔,低渗碳酸盐岩地层:声波渗透率灵敏度检验横波各向异性的三种成因◦矿物，层理的有序排列◦地应力◦裂缝，裂隙应力产生各向异性的机理应力作用于无序的裂隙系ƒ在SHmax作用下,裂隙有序闭合ƒ各向异性快波轴与SHmax一致张裂闭合快波轴慢波轴交叉偶极测量地层裂缝XYXYSourceReceiversFormationFracturesCross-dipoleToolθθ5AnisotropyÆFractureintensityFastazimuthÆFracturestrikeANIAZ各向异性测量:快横波与最大主应力方向的对比快波方向花岗闪长岩花岗岩远程声反射测井•基本原理•最新进展：多分量横波反射成象•应用效果声反射远程测井简介•问世20年•常规Æ单极纵波•最新进展Æ偶极横波•横波的优点穿透深方位灵敏度裂缝探测pMonopolesourceSVSHDipolesource9影响反射声波(RWV)的因素RWV~RDXRFXAQXRC/DRD=RadiationPattern辐射RF=ReflectionatBed反射RC=ReceptionPattern接收D=TravelDistance路径(geometricspreading)AQ=e-πfT/Q=e-πfD/QV衰减(Amplitudeduetoattenuation1/Q)S-波VSP-波AQ(S)2kHzAQ(P)10kHzÆ低频穿透深RFRDRCAQAQ（单极）声能向地层的辐射SV波BoreholeBoreholeP波偶极源远程反射测井曾有的困惑•偶极测井技术已有30年•弯曲波产生辐射声场？•指向性造成辐射缺失？12井中偶极源与（无限介质）单力源的（低频远场）等效性SV~cosθsinφSH~cosφxyzForcesourceSVS-waveradiationpatternsθSHSHφ无限介质单力源BoreholexyzDipolesourceSVS-waveradiationpatternsθSHSHφ井中偶极源~BoreholexyzDipoleSource(3kHz)SVθSHSHφ井中偶极源（偶极）横波向地层的辐射0Time(milliseconds)7.50Time(milliseconds)7.5-10Verticaldistance(meters)10Line1:uφLine2:uθRadiationpatternuφuθScaledamplitude100o90o180o0Time(milliseconds