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物探与化探, 2024, 48(2): 514-520 doi: 10.11720/wtyht.2024.1252

方法研究·信息处理·仪器研制

潜山花岗岩裂缝性储层阵列声波测井数值模拟研究

杜惟一,1,2, 张冲,1,2, 韩华洋1,2, 赵腾腾1,2, 张文艺1,2

1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学),湖北 武汉 430100

2.长江大学 地球物理与石油资源学院,湖北 武汉 430100

A numerical simulation study on array acoustic logging of fractured granite reservoirs in buried hills

DU Wei-Yi,1,2, ZHANG Chong,1,2, HAN Hua-Yang1,2, ZHAO Teng-Teng1,2, ZHANG Wen-Yi1,2

1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources, Ministry of Education, Yangtze University, Wuhan 430100, China

2. College of Geophysics and Petroleum Resources, Yangtze University, Wuhan 430100, China

通讯作者: 张冲(1983-),男,博士,教授,博士生导师,从事测井数据处理与综合解释的教学与研究工作。Email:yzlogging@163.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2023-06-15   修回日期: 2023-09-5  

基金资助: 国家自然科学基金项目“致密气储层岩石导电机理研究及饱和度评价”(41404084)
国家科技重大专项子课题”复杂碳酸盐岩储层测井评价关键技术研究与应用”(2017ZX05032-003-005)

Received: 2023-06-15   Revised: 2023-09-5  

作者简介 About authors

杜惟一(1999-),女,在读硕士,主要研究方向为测井数据处理与综合解释。Email:1079396023@qq.com

摘要

南海琼东南盆地潜山储层储集空间类型复杂多样,裂缝多发育,导致储层具有较强的非均质性,该地区多见花岗岩沉积,因此有效评价花岗岩储层中裂缝的发育情况至关重要。利用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件,采用有限元方法,对使用阵列声波测井探测不同宽度、不同倾角及不同长度的花岗岩储层进行模拟,总结出不同发育状态裂缝的阵列声波测井响应特征。研究发现:裂缝性地层横波受裂缝宽度变化影响不明显,横波衰减程度与裂缝倾角变化呈反比,与裂缝长度变化呈正比;斯通利波对裂缝宽度、裂缝倾角、裂缝长度等变化均有明显响应,斯通利波衰减程度与裂缝宽度及裂缝倾角均呈正比;在裂缝长度小于0.1 m时,斯通利波衰减程度与裂缝长度呈正比,裂缝长度大于0.1 m之后,斯通利波对裂缝长度变化无明显响应。本文研究结果为采用阵列声波测井方法判断花岗岩储层中裂缝的发育状态提供了依据。

关键词： 阵列声波测井; 花岗岩储层; 数值模拟; 潜山; 裂缝

Abstract

The buried-hill reservoirs in the Qiongdongnan Basin of the South China Sea exhibit intricate reservoir spaces and numerous fractures, leading to their pronounced heterogeneity. Since granite sediments spread across the study area, it is critical to effectively evaluate the development of fractures in granite reservoirs. Based on the COMSOL Multiphysics software and the finite element method, this study simulated the use of array acoustic logging to detect granite reservoirs with different widths, dip angles, and lengths, summarizing the response characteristics of fractures in different development states. The results are as follows: (1) Shear waves in fractured formations are subjected to non-significant influence of fracture widths, and their attenuation is inversely proportional to fracture dip angles and directly proportional to fracture lengths; (2) Stoneley waves manifest significant response to the changes in fracture widths, dip angles, and lengths, and their attenuation is proportional to both fracture widths and dip angles; (3) The attenuation of Stoneley waves is directly proportional to fracture lengths below 0.1 m but shows subtle response to fracture lengths above 0.1 m. The results of this study provide a basis for determining the development state of fractures in granite reservoirs using the array acoustic log method.

Keywords： array acoustic log; granite reservoir; numerical simulation; buried hill; fracture

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本文引用格式

杜惟一, 张冲, 韩华洋, 赵腾腾, 张文艺. 潜山花岗岩裂缝性储层阵列声波测井数值模拟研究[J]. 物探与化探, 2024, 48(2): 514-520 doi:10.11720/wtyht.2024.1252

DU Wei-Yi, ZHANG Chong, HAN Hua-Yang, ZHAO Teng-Teng, ZHANG Wen-Yi. A numerical simulation study on array acoustic logging of fractured granite reservoirs in buried hills[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(2): 514-520 doi:10.11720/wtyht.2024.1252

0 引言

近年来,南海琼东南盆地深水区松南低凸起中生界潜山目的层发现了百万方优质天然气藏,扩展了油气开发的领域,展现出潜山储层的勘探开发潜力[1]。前期勘探显示,琼东南盆地深水区松南低凸起主要沉积基底为三叠纪花岗岩,而花岗岩储层的储集空间主要由孔隙、裂缝双重介质造成,裂缝发育的复杂性直接导致花岗岩储层呈现强非均质性[2⇓-4]。因此,针对花岗岩储层中裂缝的发育情况进行研究,对该地区油气藏的开发具有重要意义[5-6]。

常规油气储层的裂缝勘探常使用阵列声波测井方法,国内外专家学者对此展开过不同的研究[7⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-20]。综合前人的研究发现,在常规储层中,纵波对裂缝反映不敏感,横波及斯通利波受裂缝影响产生衰减[21⇓⇓-24]。帕尔哈提·祖努等[25]和齐兴华等[26]研究了煤层中不同裂缝宽度和不同裂缝条数下声波测井的响应特征。但目前鲜少有应用阵列声波测井方法开展花岗岩储层裂缝形态的研究,无法确定花岗岩储层中声波对裂缝的响应规律。因此,本文采用数值模拟阵列声波测井方法研究花岗岩储层裂缝的形态规律,即通过对花岗岩裂缝宽度、裂缝倾角、裂缝长度不同情况下的阵列声波测井数值模拟,来研究纵波、横波、斯通利波在不同裂缝情况下的声场响应规律,为采用阵列声波测井判断花岗岩储层中裂缝的发育状态提供依据。

1 模型建立

1.1 理论基础

阵列声波测井的发射探头所激发的声波先在井眼中传播,后传播到地层中,最后传回到井眼中被接收探头所接收。因此,在声波传播的过程中既有在流体域(井眼)中的传播过程,也有在固体域(地层)中的传播过程。声波在流体域传播中的波动方程为[25-26]

1ρ0c2∂2p∂t02+∇·-aρ0∇p-qm=Qm,

式中:ρ0为流体密度;c为声波速度;p为压强;t0为声波传播时间;a为常数;qm为偶极子声源;Qm为单极子声源。

声波在固体域传播中的波动方程为[25-26]

ρ∂2u∂t2=∇S+Fv,

式中:ρ为介质密度;u为振幅;S为第二类Piola-Kirchhoff应力张量;Fv为单位变形体积上的力。

1.2 模型设置

基础模型由地层、井眼、声学仪器、裂缝等4部分组成。地层模型长6 m、直径为4 m,地层设置为花岗岩。地层中设置井眼,井眼长5.5 m、直径为20.3 cm,井眼中充满水。井眼中设置阵列声波仪器,仪器长5 m、直径为14 cm,仪器包括1个发射探头的10个接收探头,仪器探测源距为2.5~3.5 m,相邻两接收探头间距0.1 m。裂缝设置在地层中间,裂缝的宽度、倾角及长度根据研究需要进行调整。图1为模型示意,材料参数见表1。

图1

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图1   含裂缝模型示意

Fig.1   Schematic diagram of crack-containing model


表1   模型各材料参数

Table 1  Material parameters of the model

材料设置密度/
(kg·m-3)		声速/
(m·s-1)		杨氏模
量/Pa		泊松比
地层
井眼
裂缝		2600
1000
1000		5000
1500
1500		6×1010
0
0		0.5
0.25
0.25

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发射探头所激发的波主频约为10 kHz。为了得到更精确的数值解,模型网格设置为极细化剖分,网格最大单元设置为0.02 m。模型中设置吸收边界,分别在花岗岩地层周围设置低反射边界,在井眼顶底设置平面波反射边界。

2 模拟结果

2.1 含裂缝模型模拟

发射探头激发后,声波信号中纵波波速最快,沿井眼和地层传播;横波速度次之,沿井眼和地层传播;斯通利波速度最慢,沿井眼传播。当地层中不含裂缝时,各接收探头接收到的波形如图2a所示;当地层中存在裂缝之后,各接收探头接收到的波形如图2b所示,含裂缝模型中裂缝宽度为100 μm,裂缝设置为水平贯穿缝。从图2可看出:纵波对裂缝的响应不明显,横波对裂缝的响应有明显的滞后表现,斯通利波对裂缝有一定的衰减作用,同时图2b中有明显的裂缝反射波出现。

图2

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图2   裂缝模型的波形对比

Fig.2   Waveform diagram of model with cracks


2.2 裂缝宽度变化模拟

保持其他条件不变,当裂缝为30°贯穿缝,裂缝宽度分别为10 μm、20 μm、50 μm、100 μm、200 μm、500 μm、1 mm、2 mm、5 mm时,裂缝在源距2.5 m处对声波的衰减结果如图3所示。可以看出,裂缝宽度的增加与裂缝对声波的衰减程度呈正比,缝宽小于100 μm时,裂缝对声波的衰减程度影响变小,裂缝小于20 μm时,缝宽的减小对声波的衰减情况基本不再改变;纵波、横波对裂缝宽度的改变无明显影响;斯通利波的到时并未有明显改变,但斯通利波的响应幅度与裂缝宽度的增加呈反比关系。

图3

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图3   裂缝宽度与声压衰减的关系曲线

Fig.3   Relationship between crack width and sound pressure attenuation


2.3 裂缝倾角变化模拟

当裂缝宽度为100 μm,贯穿缝分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°时裂缝在源距2.5 m处对声波的响应结果如图4所示。可以看出,当裂缝倾角为低角度(倾角<45°)时,声波响应值与裂缝倾角呈反比,声波衰减与裂缝倾角呈正比;当裂缝倾角为高角度(倾角>45°)时,声波衰减程度变大且相位发生变化;纵波对不同倾角裂缝的响应无明显变化。裂缝倾角在低角度范围时,裂缝倾角的增大和横波到时呈正比关系,与横波响应幅度呈正比关系。斯通利波到时未发现明显改变,斯通利波幅度值与裂缝倾角增加呈反比关系。裂缝倾角在高角度范围时,裂缝倾角的增大和横波到时呈正比关系,但由于相位发生改变且反射波发生叠加,与横波响应幅度关系无法确定;由于相位发生改变,斯通利波对高倾角裂缝的响应无明显规律。

图4

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图4   裂缝倾角与声压的关系曲线

Fig.4   Relationship between crack inclination and sound pressure


2.4 裂缝长度变化模拟

当裂缝宽度为100 μm、裂缝倾角为30°时,裂缝长度分别为0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1 m和无限延伸长度时裂缝在源距2.5 m处对声波的响应结果如图5所示。可以看出,当裂缝长度小于0.1 m时,即裂缝主要分布在井壁周围时,裂缝长度增加与声波衰减程度呈正比且声波相位发生改变;纵波对裂缝长度变化不敏感;横波到时与裂缝长度增加呈反比,横波响应幅度与裂缝长度呈反比;斯通利波到时与裂缝长度增加呈正比,斯通滤波响应幅度与裂缝长度增加呈反比。当裂缝长度大于0.1 m时,此时裂缝主要分布在地层中,裂缝长度的增加对声波衰减程度的影响不明显;纵波对裂缝长度变化不敏感;横波到时与裂缝长度增加呈反比,横波响应幅度与裂缝长度呈反比,横波衰减程度与裂缝长度增加呈正比;斯通利波对裂缝长度变化无明显响应。

图5

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图5   裂缝长度与声压衰减的关系曲线

Fig.5   Relationship between crack length and sound pressure attenuation


3 结果分析

由于纵波对裂缝响应变化相对较小,因此本文主要分析横波与斯通利波对裂缝的响应。

3.1 裂缝宽度对声波的影响

裂缝宽度变化对横波无明显影响,因此,此处主要分析裂缝宽度变化对斯通利波的影响。图6为裂缝宽度变化对斯通利波衰减的影响,其中声波衰减是指无裂缝模型的斯通利波声压值与含裂缝模型斯通利波声压值之差。从图中可以看出,裂缝宽度与斯通利波声压衰减具有很好的正相关性,且当裂缝宽度小于100 μm时,裂缝对斯通利波的衰减程度影响变小,裂缝小于20 μm时,裂缝宽度的减小不再对斯通利波的衰减程度造成影响。

图6

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图6   裂缝宽度与斯通利波衰减的关系

Fig.6   Relationship between crack width and stoneley wave attenuation


3.2 裂缝倾角对声波的影响

图7为裂缝倾角对横波与斯通利波的影响。从图中可看出,横波到时在裂缝倾角增大时出现明显滞后,且当裂缝倾角小于30°时,横波到时受裂缝倾角影响较小,当裂缝倾角大于30°时,横波到时受裂缝倾角影响出现显著变化。因高角度(倾角>45°)裂缝相位发生变化,反射波出现叠加,所以此处主要分析低角度裂缝下横波与斯通利波的响应。裂缝倾角在低角度范围内时,横波响应声压与裂缝倾角呈正相关关系,即裂缝倾角越小横波衰减越明显;而斯通利波响应声压与裂缝倾角呈负相关关系,表明裂缝倾角越大斯通利波衰减越明显。

图7

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图7   裂缝倾角与横波、斯通利波的关系

Fig.7   Relationship between crack inclination and transverse and Stoneleigh waves


3.3 裂缝长度对声波的影响

长度小于0.1 m的裂缝主要为井旁诱导缝。图8为裂缝长度<0.1 m时对横波与斯通利波的影响,其中横波衰减程度是指无裂缝模型的横波声压值与含裂缝模型横波声压值之差。从图中可以看出:横波到时与裂缝长度呈正相关关系,横波衰减程度与裂缝长度呈正相关关系;斯通利波到时与裂缝长度呈负相关关系,斯通利波衰减程度与裂缝长度呈正相关关系。

图8

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图8   裂缝长度<0.1m时与横波和斯通利波的关系

Fig.8   Relationship between crack length (<0.1m) and transverse and Stoney waves


长度大于0.1 m的裂缝主要存在于地层中。图9为裂缝长度>0.1 m时对横波到时、横波衰减的影响,从图中可以看出横波到时与裂缝长度呈正相关关系,横波衰减程度与裂缝长度呈正相关关系。

图9

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图9   裂缝长度>0.1m时与横波的关系

Fig.9   Relationship between crack length (>0.1m) and transverse wave


4 结论

本文通过使用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对阵列声波测井探测裂缝性花岗岩储层进行模拟,得出以下结论:

1)裂缝性花岗岩地层中,横波受裂缝宽度变化影响不明显,横波衰减程度受裂缝倾角与裂缝长度变化影响,裂缝倾角越小,横波衰减程度越大;裂缝长度越长,横波衰减越大。

2)裂缝性花岗岩地层中,斯通利波对裂缝宽度、裂缝倾角、裂缝长度等变化均有明显响应,即裂缝宽度越大,斯通利波衰减程度越大;裂缝倾角越大,斯通利波衰减程度越大;在裂缝长度小于0.1 m时,裂缝长度越大斯通利波衰减程度越大,在裂缝长度大于0.1 m时,斯通利波对裂缝长度改变无明显响应。

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南海北部陆缘盆地处于印度板块与太平洋及菲律宾海板块之间，但三大板块对南海北部陆缘盆地的影响是不同的。通过对三大板块及古南海演化的研究，可知南海北部陆缘地区应力环境于晚白垩世发生改变。早白垩世处于挤压环境，晚白垩世以来转变为伸展环境并且不同时期的成因不同。晚白垩世&mdash;始新世，华南陆缘早期造山带的应力松弛、古南海向南俯冲及太平洋俯冲板块的滚动后退导致其处于张应力环境。始新世时南海北部陆缘裂陷盆地开始产生，伸展环境没有变，但因其是由太平洋板块向西俯冲速率的持续降低及古南海向南俯冲引起的，南海北部陆缘盆地继续裂陷。渐新世&mdash;早中新世，地幔物质向南运动及古南海向南俯冲导致南海北部陆缘地区处于持续的张应力环境；渐新世早期南海海底扩张；中中新世开始，三大板块开始共同影响着南海北部陆缘盆地的发展演化。

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乍得Bongor盆地基底是由早寒武世及更老的花岗岩、混合花岗岩和片麻岩等构成,经历了古生代&mdash;侏罗纪长期的风化剥蚀夷平作用。早白垩世受中非剪切带走滑-拉张作用影响形成拉分盆地,同时在基底形成大量的构造裂缝;晚白垩世强烈反转,古近纪发育成为统一的盆地。2007年以来实施多层系立体勘探,不仅在下白垩统沉积地层发现一系列大中型油气田,而且还在花岗质基岩潜山获得高产油气流,证实了5个潜山油藏带。根据储集空间的特征将基岩储层划分为孔隙型和裂缝型两类。综合地震、测井、地层成像、元素测井和岩心分析等资料,垂向自上而下将潜山的储层序列划分为风化淋滤带、缝洞发育带、半充填裂缝发育带和致密带。潜山所处的构造位置和埋藏深度决定了潜山储层序列发育的完整性和物性的好坏。基岩储层的垂向分带性为钻前储层的地震横向预测和评价提供了可能。

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Field results have shown that fractured zones may be located by their attendant reduction of acoustic amplitude. Laboratory and theoretical investigations confirm this technique, but interpretation of amplitude logs is complicated by the many variable factors encountered in actual logging operations. The acoustic amplitude investigations covered by this paper were made by continuous measurements of the peak amplitudes of single, and well defined compressional and shear-wave arrivals. A simultaneously recorded measurement of interval transit time or total travel time, in each case, indicated whether or not there had been continuous amplitude measurement of the same wave arrival. Investigations have shown that the angle at which a fracture plane crosses a borehole affects the attenuation of acoustic signals. Theoretically, horizontal fractures (those perpendicular to the axis of the borehole) should cause little or no attenuation of the compressional wave; this is confirmed by field examples. Shear-velocity waves, on the other hand, are significantly attenuated by horizontal fractures. While oblique fractures cause a reduction of compressional-wave amplitude, shear-wave amplitude measurements in such cases may not be as definitive. Since the early compressional arrivals are not subject to interference complications, as are shear arrivals, both measurements should be made and used to complement each other.

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应用三维交错网格应力-速度有限差分方法,数值模拟了含有倾斜裂缝孔隙介质地层中点声源所激发的井孔声场问题.为满足薄裂缝计算需求,开发了不均匀网格有限差分算法,提高了计算精度及计算速度.利用将孔隙介质方程参数取为流体极限的办法来处理裂缝中的流体,实现了流体-孔隙介质界面处的差分方程统一,使界面处的计算更加灵活方便.在验证了方法正确性的基础上,分别考察了单裂缝宽度、裂缝带宽度、裂缝倾斜角度以及孔隙介质渗透率等参数的变化对井轴上阵列波形的影响并进行了分析.结果表明,声波经过裂缝时可能产生反射横波及斯通利波,后者随裂缝宽度的减小而减小,而前者随裂缝宽度的改变,变化不大,在裂缝很小(20 μm)时依然存在;裂缝带的宽度、密度越大,反射斯通利波越强;当裂缝(裂缝带)倾斜时,反射横波消失,但反射斯通利波受裂缝倾斜角度的影响较小;渗透率的改变对斯通利波的衰减影响较为明显.

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