声学测井技术在石油工程中的应用探索.pdf

1 8 石油仪器 P E T ROL E UM I N S T RU ME NI S 2 01 2年 4月 开发设计 声学测井技术在石油工程中的应用探索 吴海燕 中国石化石油工程技术研究院北京 摘 要 当前油气勘探 的目标与对象所面临的难点突出表现在储层的复杂与埋深的增大，钻井与储层改造难度的增加 。 缩短钻井周期 、提 高测试与压 裂成功率、加快勘探 节奏 已成为关注的焦点。同时对测井技术在此领域 中发挥的作用提 出了 新的需求。文章介绍 了以偶极声波为主的声学测井技术在钻井过程井眼稳 定性评价、储层压裂改造施工设计、效果检测等 石 油 工程 方 面的应 用及技 术优 势 ，展现 了测 井技 术在该领 域 良好 的应 用前景 。 关 键 词测井；多极子声波 ；电成像；岩石 力学；井眼稳定性评价 ；压裂高度预测 中图法分类号 P 6 3 1 ． 8 4 文 献标 识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 2 0 2 0 0 1 8 - 0 4 0 引 言 油气勘探 目标的实现和效益的提高在很大程度上 靠勘探和工程高质量的完成 。 其中钻井工程 、油气层 测试与储层改造是发现油气层与实现勘探突破的重要 环节。近年来 ， 声波测井技术在石油工程中的应用研 究得到了长足发展 ，已形成部分成熟的应用技术 。例 如 ，环井周超声波测井技术在固井、射孔、套损工程 质量中的检测等。另外 ，根据有关资料介绍Ⅲ 1 ] ，世界 范围内每年用于处理井眼失稳的费用高达 5亿美元之 巨 ，消耗的时间占钻井总时间的 5 ％- - - 6 ％。在提升 、 解放低品位油藏渗流能力方面， 储层压裂改造为一项 有效 的措施工艺 ， 如何设计施工压力，控制压裂缝纵 向上的延伸高度 ， 对测井行业提出了现实而迫切的技 术需求 。 利用多极子声波 、 地层微电阻率成像结合其 他常规 等测井技术可以提供连续的地层岩石力学特性 和地应力等参数 ，进 一步满足油气勘探、保护油气 层 、安全平衡钻井、压裂裂缝高度预测和效果分析等 需求。 1 声学测井 的技术特点 现代测井技术的声学测井具备一次下井可以连续 获取地层的纵波 、 横波及斯通利波三种传播特性与速 度 ， 结合常规测井获取的地层密度、地层的岩性等信 息 ， 可 以获取测井评价的岩石力学参数。当前在油 田 主要应用两种声学仪器 ，一是斯伦 贝谢的偶极声波 DS I ， 另一种是引入 贝克休斯的多极子声波 X MAC I I 。 这两种仪器除能提供传统的纵波测量、 地层孔隙 度外，更多的是应用于针对岩石 力学参数的评价l 2 J 。 主要能够提供以下 的信息与成果 1 精确的地层纵 、横波与斯通利波传播速度 。 2 利用岩石力学模型结合地层密度资料计算出 泊松比、杨氏模量、切变模量、体积弹性模量 、体积 压缩系数等岩石力学参数。 3 计算所钻地层或 目的层的最大 、最小水平主 应力、岩石破裂压力、坍塌压力、地层孔隙压力。 声学测井技术在钻井工程中的应用主要在两个方 面一是井眼稳定性分析 ，帮助指导钻井 的平衡钻 进；二是与 V S P结合对未钻地层做出压 力预测。 1 ． 1 井眼稳定性评价 在新的探区或新的层系进行油气钻探 ，针对邻 井钻探的风 险记录 ，为了防止因力学性质而造成 的 井眼不稳定 ，需要选择合适的钻井液密度 ，如果钻 井液柱压力过大而造成井壁发生张性破裂 ，会导致 钻井液漏失，如果钻井液柱压力不足会导致井壁坍 塌甚至出现井涌问题 。对 已完钻 的井眼经测井评价 后 ， 可以提供井眼稳定性分析结果 ， 其成果包括 所 测井段地层最大水平主应力、岩石 破裂压力 、坍塌 压力、地层 孔隙压力等参数 。建立全井段地层 压力 剖面 ，指导后续该区钻井的工程设计 ，包括套管程 序、选用合适 的钻井液密度 、特 别是地下复杂压 力 系统解决窄钻井液密度窗 口难题 ，达到平衡 、安全 、 快速钻进 ，防治油气层污染和井眼跨塌或地层 压漏 造成井下复杂情况l 3 J 。 第一作者简介吴海燕，女，1 9 6 8 年生，高级工程师，1 9 8 9 年毕业于石油大学 华东石油地质专业，2 0 0 1 年获青岛海洋大学海洋地质专业 硕士学位，2 0 0 9 年获得天津大学检测技术与自动化装置专业工学博士学位，主要从事测井资料综合评价及石油工程应用研究。 邮编 1 0 0 1 0 1 2 0 1 2年 第 2 6卷 第 2期 吴海燕 声学测井技术在石油工程中的应用探索 1 9 实例 1 利用偶极声波测井资料建立新区地层压 力剖面 XL S 1井位于济阳坳陷东营凹陷，是该区带针对 深层沙四段盐下部署的第一口预探井 ， 完井测井增加 了电成像 、核磁共振两个项 目，在 3 7 0 m ～ 3 2 3 0 m、 4 1 6 5 r n～44 6 0 r r l 井段还进行了多极子阵列声波 DS I 资料的采集。由于 X L S 1 井所钻探区块沙三地层存在 异常高压 ，而且油气显示活跃 ，因此保证平衡 钻井 是主要矛盾 。测井资料 需评价的一个重要方面是通 过计算岩石力学参数 、地层孔隙压力的计算 ，建立 了钻井夜安全窗 口，为探区泥浆密度的合理选择提 供依据 。 X L S I 井 3 7 0 m ～ 4 4 6 0 m井眼稳定性分析成 果图如图 1 所示 。 1 4 6 5 ． 1 8 2 5 m．正常压实 压力梯度1 0 5 - l 1 6 1 1 3 图 1 X L S 1井 3 7 0m 一4 4 6 0 m井眼稳定性分析成果图 利用偶极声波测井资料对X L S 1 井 3 7 0 m～4 4 6 0 m 进行了井眼稳定性分析及地层孔隙压力梯度计算 ， 结 果表明，3 7 0 m ～ 2 3 0 0 m为正常压实地层 ，孔隙压 力梯度为 1 ． 0 g ／ m ～ 1 ． 2 2 g ／ m。 ；2 3 0 0 m～ 2 5 0 0 m为 压力过渡带 ，孔隙压力梯度为 1 ． 2 4 g ／ m。 ～ 1 ． 3 7 g ／ m ； 2 5 0 0 m ～ 3 2 3 0 m为第一个异常高压带 ， 孔隙压力梯 度为 1 ． 3 7 g ／ m3 ． 1 ． 4 5 g ／ m ；4 1 6 5 m～ 4 4 6 0 m为第二 个异常高压带 ， 孔隙压力梯度为 1 ． 7 4 g ／ m3 ．1 ． 8 1 g ／ m3 。 在第一个异常高压区 2 5 0 0 m ～ 3 2 3 0 m实际钻井液 密度为 1 ． 2 8 g ／ m ～ 1 ． 6 5 g ／ c m ，部分井段钻进时泥浆 比重稍低于孔隙压力，因此发生了明显 的井壁崩落 ， 表现为井径的扩大，其数值远小于破裂压力 约 2 ． 2 g ／ c m。 。4 1 6 5 m ～ 4 4 6 0 m为第二异常高压带 ，该裸 眼段实际钻井液密度为 1 ． 9 3 g ／ m ～ 2 ． 0 2 g ／ c m ，大于 地层孔隙压力梯度且小于地层破裂压力梯度 ， 可以保 证钻井水 力安全并有利于发现油气层 。实钻结果表 明 利用偶极声波计算的地层孔隙压力与钻井工程井 况相一致 。 1 ． 2 未钻地层的压力预测 针对新探区或新的层系钻探 ， 钻前或钻进中对未 钻地层的压力预测非常重要 。 现代测井技术结合垂直 地震 VS P 可以满足钻井工程技术的需求 4 ] 。其主 要工程技术流程 首先采集多极子声波、地层密度等 测井资料 ，获取地层纵 、横波速度 、地层 的孔隙压 力。其次采集 VS P资料 ，获取地层的层速度和精确 的时深转换关系。三是利用测井获取的地层孔隙压力 标定、 刻度 V S P ， 利用速度转化地层孔隙压力模型， 对 未钻地层做出孔隙压力的预测剖面，从而指导钻井的 井身结构设计和优选钻井液密度， 实现安全平衡钻进。 实例 2 利用 V S P和偶极声波等资料对 S KI 井未 钻遇地层进行孔隙压力预测 S KI井是中石化一口重点科学探索井 ， 位于济阳 坳陷东营 凹陷，钻探 目的一是了解孔二段烃源岩发 育情况 ， 评价其生油气潜力；二是了解盐下构造含油 气情况 ； 三是积累深层高压盐膏层及塑性软泥岩的钻 井工程施工经验。完钻井深 7 0 2 6 m，是 目前我国东 部地区最深的一 口井。该井 2 9 2 2 m～ 4 1 5 5 m 中间 测井加测 了偶极声波 DS I ，3 6 0 0 m ～4 1 5 3 1T I 加 测 了套后 VS P和声波扫描成像 MS I P 测井 ，另外 在 4 1 5 3 ． 1 8 1 T I ～ 5 5 5 5 1 T I 中间裸眼段加测 了偶极声波 石油仪器 P E T ROL E U M I NS T RU ME NI S 2 0 1 2年 4月 DS I 测井项目。 该井在钻遇沙四段盐膏层 2 9 2 2 m ～ 4 1 5 0 m井 段时 ，由于地层复杂 ，地层压力变化大，井壁掉块和 缩径非常严重 ， 钻井起下钻过程中经常发生遇阻、卡 钻、井漏等事故 ，多次进行划眼通井 。该井于 4 1 2 5 ． 5 m 进入孔一段地层 ，钻至 4 1 5 5 m 中间完井测井时 ， 希望通过 V S P和偶极声波测井资料预测待钻孔一段 及孔二段 目的地层孔隙压力， 指导下步钻井工程安全 施工 。 S K1 井地层孔隙压力预测剖面如图 2所示 图 2 S Ki 井地层孔隙压力预测剖面 利用偶极声波测井资料对 VS P资料进行标定 ， 结 果表明在已钻井段 2 9 2 2 m ～ 4 1 5 5 m 并结合中子、 密度等常规测井，对待钻地层孔隙压力 ，安全施工窗 口进行了分析 ，预测深度达到 5 7 0 0 m。结果表明利 用MS I P 、 中子和密度测井资料计算的地层压力与 V S P 测井资料计算的基本一致 ，同时对套管以下 VS P测 井资料预测的地层孔隙压 力起到了标定作 用。钻前 V S P预测待钻层有两个高压区 4 6 5 0 m左右有一个 高压层 ，压力梯度为 1 ． 5 e C c m ～ 1 ． 7 5 g ／ c m。 ；5 2 4 5 m 左右有一个高压层 ，压力梯度为 1 ． 7 5 g ／ c m 左右。预 测结果与地质钻前认为孔一段以下地层为常压层的观 点不一致。 根据上述预测结果对待钻地层钻井液密度 进行了分段设计 。 S KI 井钻至 5 3 7 0 m时 ，根据偶极子声波和常规 声波测井提供的纵波资料 ，结合地质、钻井报告、井 涌等资料 ，对 4 1 5 5 m ～ 5 3 0 0 m井段进行了实测孔 隙压力计算 ，并与钻前根据 VS P等资料预测的结果 进行了对比， 钻探证实钻前预测结果与钻后的实际情 况非常吻合 在 5 3 7 0 m 以下 的地层中，采用钻井液 密度 1 ． 7 2 g ／ c m ～ 1 ． 8 1 g ／ c m 保持平衡钻进 ， 证实了地 层孔隙压力预测的有效性。 通过该实例说明利用 VS P、 DS I 等资料进行的孔 隙压力预测成功地预报了 S KI 井深部地层 4 6 5 0 m、 5 2 4 5 m深度的两个高压区，保证了钻井工程的安全 和高效。另外 ，利用偶极声波及其它常规测井资料相 结合可以有效计算地层孔隙压力，其结果标定后的 V S P反演速度资料 ， 可以进一步预测未钻地层的孔隙 压力，为钻井液设计提供安全钻进窗口。 2 测井技术在储层压裂改造中的作用 2 ． 1 储层压裂缝高的预测 水力压裂的目的是在油藏中产生一个大平面的流 动 “ 管道” ，即增加储层的渗流能力 ，从而达到增加 油气产能的目的。 在压裂时要对层位泵人压力进行设 计 ，压力过小 ，不能压裂储层，达不到压裂的目的 ； 泵人压力太大，可能会把邻近水层压透 ， 造成油水窜 槽。此外，对于岩石力学特性差异较大的 目的层 ，不 能同时进行压裂 ， 要进行合理的选层 。利用测井资料 对储层酸化压裂的泵人压力进行设计的同时 ， 还可以 得到相应压力下的压裂缝高度_ 5 J 。 利用 DS I 、 XMA C - I I 等多极子阵列声波测井获取 地层的纵、横波信息 ，结合常规测井资料计算岩石力 学参数 ，对地层压力和破裂压力进行偏移分析，最终 得到地层最小破裂压力及在一定的等效压力递增下 ， 2 01 2年 第 2 6卷 第 2期 吴海燕 声学测井技术在石油工程中的应用探索 2 1 ． 相应 的压裂缝的纵向延伸高度 ， 从而指导酸压施工压 力 的设计 。 2 ． 2 储层压裂缝高预测及效果检测 储层压裂改造完成后 ， 部分井的效果不理想或未 达到施工前设计的预期，为了评估压裂改造 的效能 ， 国内外采用多种监测方法对压裂后的储层做出正确的 评估 。 目前主要有利用井间地震的方法监测压裂后人 工缝延展的方向和径向延展的长度 ， 利用声波测井主 要是 DS I 、 XMA C声波测井仪，通过测量在压裂层段 快慢横波速度、 能量的差异来检测压裂人工缝的缝高 及深度位置_ 6 ] ，该项技术的应用虽取得一定的进展 ， 但仍需进一步探索与完善。 实例 压裂缝高预测及效果检测 Y X9 3井为中石化东部老区油田的一口评价井 ， 经测井资料综合评价认为图 3 所示的油层为低孔 、 低 渗储层 ，需进行储层压裂改造 。 图 3 YX 9 3井压裂缝高度检 测对 比图 该井在完井中除进行常规测井资料采集外 ， 又加 所应发挥的作用还远远不够，例如 ，利用测井资料准 测 了多极子阵列声波测井。 利用该项资料对图中所示 确计算动态环境下岩石力学参数 ， 指导钻井及压裂施 油层进行了压裂缝高度预测 ， 并对原状地层的速度各 工设计、 与地震资料结合应用等诸多方面还需要进行 向异性进行了评价 。计算结果为，该层的初始破裂压 进一步的研究工作 ， 相信声学测井技术在石油工程中 力为 5 1 ． 7 1 MP a ，图中计算的压裂缝高度一道显示的 具有广阔的应用前景 。 是在 5 1 ． 7 1 MP a基础上 ，当压力增量为 1 MP a 储层在 纵向上对应的裂缝延伸高度 ， 例如， 对应压力为 5 2 ． 7 1 MP a 时 ，预测的压裂缝高为 3 1 2 9 ． 6 r n～ 3 1 4 1 ． 5 I 1 3 。 该井压裂施工的实际泵压为 4 9 ． 9 3 MP a～ 5 2 ． 0 4 MP a 。 为了检测压裂效果 ， 该井在压裂施工后又一次进行了 多极子阵列声波的采集 ， 并对压裂后地层进行了声波 速度各向异性 的评价。 从压裂前后的对比图中可以看 出 3 1 2 6 m～ 3 1 2 9 m地层速度各向异性变化明显 ， 因 此推测压裂缝的延伸高度为 3 1 2 6 m一 3 1 2 9 m， 与预 测结果较为一致。 3 结束语 现代声波测井资料包含的信息非常丰富， 对该资 料的应用虽然取得 了一定 的效果和经验 ， 但声波资料 参 考 文 献 [ 1 ]夏旭维． 井眼失稳机理分析及控制技术 【 J ] ． 知识经济， 2 0 1 0 ， 1 2 1 4 [ 2 ]刘 自卿，王延茂，张瑞强，等．正交偶极子声波测井仪原 理简介及应用 [ J ] ．国外测井技术，2 0 1 0 ，2 6 4 [ 3 】刘长新，郭清滨，赵元良．测井新技术对井眼稳定性的评 价研究 [ J ] ．测井技术，2 0 0 6 ，3 0 2 [ 4 ]张胜． V S P仪器现状及发展展望 [ J ] ． 物探装备，2 0 0 8 ，1 8 2 [ 5 】刘合，张广明，张劲，等． 油井水力压裂摩阻计算和 井 口压力预测 【 J ] ． 岩石力学与工程学报，2 0 1 0 ，2 9 S 1 [ 6 ]魏洪泉． 井间地震波传播规律研究及应用 [ J ] _ 油气地球物 理，2 0 1 0 ，8 3 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 1 9 编辑 高红 霞