交叉多极子阵列声波测井资料在页岩气储层评价中的应用

王亮 彭婷婷

摘要：交叉偶极子声波克服了普通单极在软地层中无法测量横波的弊端，能提供地层纵波、横波和斯通利波的丰富信息。本文总结了多极子阵列声波在页岩气储层中的应用，尤其是在岩性识别、气层判别及地层各向异性分析方面具有良好的应用效果。

关键词：阵列声波；页岩气；储层评价；各向异性

1 引言

交叉多极子阵列声波克服普通单极在软地层中无法测量横波的弊端，能精确测量地层的各种声波参数，尤其是对慢速地层的测量。交叉偶极阵列声波（XMAC–II）是贝克休斯公司推出的声波测井仪器, 属于新一代声波成像测井技术。它将一个单极阵列和一个偶极阵列组合在一起，具有许多优点：偶极子频率响应低，有助于测量具有大井眼的慢速地层；模数转换器的应用, 使动态范围大大增加；一次下井可以同时采集交叉偶极、单极全波列、单极DT 等资料；应用数字DSP滤波, 提高了数据质量。多极子阵列声波资料在页岩气储层流体性质及岩石力学、地层各向异性分析中至关重要。

2 XMAC-Ⅱ测井资料的应用

2.1 识别岩性和气层

不同岩性的纵波和横波时差值具有一定的分布范围，利用它们的比值特性可以定性地识别岩性。如果是两种岩性混合组成的岩层，横波与纵波的时差比值与两种岩性成分的含量有关，借此可以求出这两种岩性的百分含量。

纵波速度对气体和轻质油敏感性强，少量的气体或轻质油会使纵波速度明显降低。所以当岩石孔隙内充满石油和天然气时，岩层的纵波速度比含水的纵波速度要小，而对横波速度影响很小，只是使横波速度略微增大。所以在岩石孔隙度一定的条件下，随着含气饱和度的增加，纵横波速度比值迅速下降，以此可识别页岩气层。

泊松比是纵横波速度比的函数，当含气增加时，纵波速度降低，横波速度增加，因此纵横波速度比会有大幅度降低，从而导致泊松比的变化比较明显，含气饱和度越高，其值越低。杨氏模量随孔隙度增加而减小，气饱和与水饱和的岩石杨氏模量虽然有一些重叠，但气饱和岩石的杨氏模量是一贯而又显著地低，而且，对低孔隙度的岩石，加少量水，杨氏模量就增大。因此，气层段的杨氏模量具有明显的低值特征。体积模量与其他弹性模量相似，随孔隙度、围压和流体饱和度的变化而变化，一般当含水饱和度增加，孔隙度减小时，体积模量数值增大。体积压缩系数是体积模量的倒数，气层的可压缩性显著地大于水层，而干层的可压缩性最差。因此，利用偶极横波测井资料计算的岩石学特征参数—泊松比与体积压缩系数交会，根据交会面积的大小能较好的识别页岩储层的含气性。图1为X井弹性模量重叠法识别页岩气层成果图，泊松比与体积压缩系数交会显示在1号层中下部和2号层含气性较好，3号层含气性好。

2.2 确定地层各向异性

地下岩石的物理特性通常假定为各向同性，即与方向无关。这种假设对理论工作者来说 很方便，但却不反应实际情况。以水力和风力作用形成的颗粒沉积在层理上具有一定的方向 性；并且常见的薄层状沉积使大多数地层特性参数在垂直方向上与水平方向上不同；由局部 地应力场控制的平行微断裂将导致具有另外的方向性，因此说地下地层是各向异性而不是各 向同性的。直到目前为止，由于用传统的资料反应地层的各向异性很困难，故地层各向异性 通常被忽略。但是，随着数据采集和处理技术的改进，迫使油藏工程师们必须考虑到各向异 性的重要性。

地层横波在碰到构造应力不均衡或裂缝性地层时，横波信号将被分解成两个主要方向传播，一个沿着裂缝走向或最大应力方向，传播速度较快（称快横波），另一个垂直于裂缝走向，传播速度较慢（称慢横波）。快横波方位为地层各向异性方向。

在裂缝不发育的地层，有明显的椭圆井眼崩落井段，地层速度各向异性是由地应力不均衡所引起，此时百分比各向异性的大小代表着现今最大、最小水平主应力差的相对大小，各向异性的方向指示地层最大水平主应力方向。

2.3 井壁稳定行分析

井壁稳定分性分析的重要目的是建立安全泥浆窗口。安全泥浆窗口需要自然伽马、体积密度、多极子阵列声波提供的声波时差、岩芯数据和井眼成像等数据，计算地层岩石的动态、静态弹性参数、抗压和抗张强度以及三轴应力。基于线性多孔弹性介质模型，并在考虑井斜角和井斜方位角的前提下，计算保持井眼力学稳定的泥浆比重窗口，而且可以针对一个给定的泥浆比重来预测井壁的损坏情况。可以根据井眼稳定性分析确定的泥浆窗口参数（包括地层孔隙压力、井眼崩落压力、泥浆漏失压力和地层破裂压力）来计划安全钻井所需的泥浆比重，确定好安全钻井所需泥浆比重后，以此指导钻井方案优化。如图2所示，依据多孔弹性介质模型及计算的岩石力学参数，优化泥浆比重，建立了安全泥浆窗口。

3 结论

正交偶极声波所获得的地层声波信息资料全面、精度高，克服了常规声波测井在软地层中无法准确获取横波时差的问题。它在识别岩性、判别气层、确定现今最大主应力方向、井壁稳定性分析及安全泥浆窗口建立方面具有独特的优势。目前多极子阵列声波测井资料在四川地区海相页岩气储层的使用中得到了一致认可和好评。它的测井应用必将在油气勘探、储层评价等方面发挥巨大作用。