CN87107174A - 在要勘探的地层介质中探测非均匀性和/或岩石物理特性的方法 - Google Patents

Abstract

在要勘探的介质中测定岩层的不均匀性及/或其岩石物理特性的方法，本方法是建于先测定剪切波和STONELEY波在岩石中衰减随深度变化的曲线；确定每条衰减曲线相对于平均值的变化；然后把这些变化互相比较，由此定出岩层中引起这些变化的不均匀性或者岩石物理特性。本方法在油矿区，特别是在介质勘探中的应用示于图9。

Description

本发明是关于探测地层介质的非均匀性和/或岩石物理特性的测定方法。

为了更好地确定油层的生产情况、储量以及此致密岩层内所含的碳氢化合物的开采程度，要不断地改善对含油层的致密岩石的结构的认识。

为研究和分析这种岩石构造，某些特性的测定是必不可少的。在这几种特性之中，可举出的有饱和度、孔隙度、渗透率及岩石的破裂程度。

一种岩石的饱和度和孔隙度可用寻常方法来求得，但这些方法并不总是容易办到的。然而这些方法看来还好控制，并且在任何情况之下都能得出满意的结果。

另一方面，渗透率和岩石的破裂程度就较难以在现场测定，因为它们是密切相连系的，这是由于在要探测的介质中如有破裂，通常其渗透率可以很高，并远大于此岩石的基质渗透率。所谓基质渗透率是指一个不含有裂缝的岩石能允许流体透过的能力。

在开采含有碳氢化合物的沉积层之过程中，只需要测定其中是否有破裂了的岩层，从而通过所述岩石或地层结构有可能改进此沉积层中流体的流动。实际上，确定一个特定地带是否有裂隙是决定可否在此处打钻采油所须考虑的因素。要优先在含有碳氢化合物而又有裂隙的地层中作井壁穿孔来采油，也有时是需要在现场知道岩石里已经发展了的岩石应力的状态，以便决定用机械的方法（例如用水压法）或其它方法，来使岩石内可能发生裂缝。

结果，有许多方法和工具都研究、推荐出来了，这些方法和工具都能准确地确定岩层的裂隙状态。

在众多非声学方法中，应该提一下MEST法。在此法中，把一个探头（或探测器）下入井中，来进行电学方法或电磁法测井。可是，这样作的测量是为数不多的，因为在测量中，使油井停止生产的时间和用这种探头从井中取得数据和处理这些数据所花的时间都相当长。此外，这种非声学方法所探测到的只是井壁周围几厘米的范围，而此法对下了套管的油井也不能使用，因为有金属套管的缘故。

声学测井法也不适用于确定岩层内是否有裂隙，原因很简单，因为它不能分辨裂隙是真正在岩层里面，还是在井壁周围存在的一些微破裂。事实上，这种测井法测得的是井壁的异常状态，因为井壁吸收了测量探头发射出来的大部分能量。此外，还应注意，尚如井壁上有个大的空洞或局部的变形也会被当成一些微小裂隙或裂隙来分析处理。在这些情况下，应采取一些别的方法来确定所测得的异常情况是否由井壁附近岩层内有某种改变而引起的。还有声学测井法也只能在未加套管的井中进行，因为这些声学测井所用的信号处理方法不适用于有套管的井内。

另外一种声学方法是利用平常所谓之“跳周”现象。“跳周”是指对两个不同的压缩波的两个勾选”之间的“越渡”（“飞跃”）时间;一个“勾选”（sic）相对于另一个“勾选”来说至少差一个周期。

就记录所观察到的这种“跳周”现象是由于所“勾选”的两个波之间的振幅有变化，它可以归因于：第一，岩石中有裂隙;第二，岩石中有空洞;第三，勾选有错误，把压缩波的到达勾早了或是勾晚了;第四，有噪声;第五，收、发器处岩石结构有变化。由于以上的原因，“跳周”法所得的结果并非绝对能重复。并且，此法对下了套管的井也不适用。

最后，有人提出了一套解释方法，名字叫DETFRA，从原理上说，本是用来测定裂缝的。使用了一套名曰“ARRAY    SONIC”（“声阵”）的工具，压缩波P和剪切波S的振幅可以测量和计算出来，倘如岩石中有裂隙，P波斜着到达一个缝隙时就会产生一种S波，为简便计，我们称它为Sp。因此，接收器所收到的，除了正常的S波之外还有在倾斜的裂隙处由P波所产生的Sp波。因此，在接收器上所收到的振幅为S+Sp应大于岩石中无缝隙时所收到的波S。至于P波的振幅，当岩石中有缝隙时，将要减少。我们如测得P波与S+Sp的振幅比，当此比值减小时，我们可以认为岩石中有裂缝。

然而，这个新方法的应用也有限制。因为要使P波能产生S波，则缝隙对P波来说其倾角须足够大。倘如裂隙是近水平的（Sub-horizontal），则将没有Sp波产生，则会得出“无裂隙存在”的结论，而实际上裂缝是存在的。在一个多裂缝的区域内，反射面将不只有一个，而是有众多的反射面，其方向也是各不相同的。在此情况下，要测定P波和S+Sp波的振幅比的变化，如果可能的话，也是颇困难的。此外，我们知道，如果在所考虑的地区之内，虽然没有裂缝结构，但有其他现象，如倾斜的薄层，流体层等，都可能导致P波产生Sp波。还有，振幅比P/S+Sp除了随裂缝而改变之外，也可由于其它原因而改变。特别是在所研究的地区内，岩石的岩性发生变化，或岩石内流体之容量发生变化时尤其如此。在这种情况下很难相信此法能对各种情况加以区别。

一个传统的测井方法，用它可以研究钻孔周围大约一米处的岩石的物理特性，方法如下：用一个或几个发射器产生声能量。此声能量在到达一个或多个接收器之前，在上述全部或部分岩层里传播;到达一个或多个接收器后，被检测出来，通常是在地面上把这些波记录下来。对记录下的信号进行处理，方法是：一方面是要把压缩波（P波）和剪切波（S波）区分开来。另一方面还要计算处在此介质中，在岩石介质中各处不同的声波平均速度。

在改进测井所使用的仪器上，以及对所记录到的信号加以计算处理方面，皆作过巨大的努力。

在法国专利申请号为2431710中，对声学测井的工具和方法做过描述，这个工具和方法的商业名字是EVA，从而为传统的工具和方法所提出的问题提出了所的解决方法。

法国专利申请号为2568020是关于处理记录信号的方法，此法是把基本的互相关函数至少组合成一组（famidly），在此组内测量距离包含在一个单一的预定参考距离之内，并把上述函数的时间变量加以转换，以便把测量距离缩短为参考距离，然后把这些转换的函数加起来。

这些方法的优点在于能把所有接收到的波（包括STONELEY波）分开，特别是在利用相关技术这一点上。然而，声学测井专家只注意压缩波P，及剪切波S，它们之重要性在速度测井方面是人所共知的，它使人们能对钻井所穿过之岩石的物理特性有了进一步的了解。

现在，很明显，STONELEY波，又名为伪瑞利波，对它可以加以研究，这有利于对钻井所穿过的岩层的性质有更多的了解。在MIT的TOKS

Z先生和ELF AQUITAINE（一个法国公司）的MATHIEU先生研究的结论是，当有很大开口（Widely open）的裂缝时，STONELEY波就受到影响。此时STONELEY波被上述的裂缝急剧而迅速地衰减。与这些概念相联系的物理机构是，基于在有渗透性的岩层之中，以流体的流动或通过为形式的能量转换。（SEG.Atlanta 1984）。

本申请人在研究了此几种波在介质中的传播之后，发现了一种新方法去检测一个钻孔周围的岩层中出现的不均匀性。

本发明的主题是检测岩层中不均性，或/和确定岩石物理特性的方法，特别是对岩石中有无裂缝的检测。此方法也可以用于渗透性区域（可以含有裂缝，也可不含有裂隙）的检测。

试验证明，甚至很小的裂隙也能检测出来，这种试验是在渗透性的区域内作的，而在这种区域内用其它以前的测量方法是办不到的。

本发明所用的方法是至少从三个传感器的选择记录构成的，其中一个是发射器，另一个是接收器，从而把一对记录（有一个共用的发射器或接收器的一对记录）组合起来，在事先已选定的感兴趣的地区中测定平均振幅随深度的变化;然后从上述的平均振幅来绘出此种波随深度衰减的情形来;从衰减曲线选出与剪切波有关的和与所谓STONELEY波有关的测井衰减曲线;对每一区域确定出上述波的衰减曲线的平均值;记录在所述区域内，在所选出的衰减曲线上超过了某一预定阈值的衰减峰值;并在每一区域将剪切波衰减曲线的峰值与相应部分（深度）的STONELEY波的衰减曲线的平均值加以比较，为的是测定衰减的重要相对变化;所述的重要变化就代表本区域内地层的不均匀性或岩石物理特性。

通过阅读本发明的实施例以及附图，将会更清楚地了解本发明的优点和特征，当然给出实施例是为了更清楚地表示，而不是对本发明的限制。

图1表示一个钻井图，在其中放有一个测井用的仪器探头。

图2是传统测井顺序的示意图。

图3是一个组合顺序图，是根据图2所示的传统测井顺序而作出来的。

图4是另一种组合顺序图，也是根据图2所示的传统顺序作出来的。

图5至8是用图1所示的仪器配置所得到的井中的部分的深度一时间剖面连续图。

图9表示由图5至图8所求得的剪切波和STONELEY波的衰减曲线图。

本发明所用的方法是由一个名叫“EVA”的测井仪器来实现的。此仪器共有16个传感器，其中四个（E₁至E₄）是发射器，而其余的12个传感器是接收器（R₁至R₁₂）。把此测井传感器用电缆3（见图1）送入一个垂直的井1中，此井1是钻在要探测的介质2之中的。电缆绕过一个滑轮4，而电缆的上下动作由电缆控制器5来控制。在介质的表面7上安放有一个记录器6，把接收器R₁至R₁₂接收的，并由电缆3从井下传来的信号记录下来。发射器E₁至E₄之间的距离是相等而恒定的，例如为0.25m。R₁至R₁₂之间的间隔也是恒定的，例如为1m。从最后一个发射器E₄到第一个接收器R₁的距离，例如为1m。

从E₁至E₄每一个发射器发射出的声波被所有这十二个接收器R₁至R₁₂所接收，然后，由记录器6记录下来。这样一个发射接收顺序是人们所熟知的，并能产生叫做48个记录道的常规顺序，各记录道之间的间隔，例如为16mm。这种记录方式如图2所示。由这个传统的顺序我们可以作出组合顺序，作法是按规定在顺序的记录之间加进一个对应于给出的一对发射器和接收器的记录道。这一对发射器接收器是按照与测量的目的有关的准则的函数而选定的（例如，要研究一下井中粘结情况，检测分级事件和研究井泥入侵范围等）。在图3的例子中，在由发射器E₁所发射的并由接收器R₁所接收的波产生的记录道R₁E₁同由发射器E₂所发射的并由接收器R₁所接收的波产生的记录道R₁E₂之间，加入了由发射器E₂所发射的并由接收器R₄所接收的波产生的另一记录道NO.1R₄E₂。记录道R₄E₂被加到由四个发射器E₁至E₄和接收器R₁至R₁₂中每一个所构成的小序列里。在此例中，记录道R₄E₂每隔4个记录道重复一次，两个所加的记录道之间的间隔为64mm（4×16mm）。这样作的结果，像图3所示的顺序就相当于探头在井中移动了768mm。

所以选择所加的记录道R₄E₂是因为要研究一个井中粘结的程度。一般说来，这个标准包含着记录道的内插法，而其声路很短。倘要研究分级事件，则应选择平均的声路，例如对应于同接收器R₇至R₉相连系的发射器。如要研究井泥入侵范围就要选用长声路，例如对应于一对发射器E₂一接收器R₁₁。

还可以用加入四个记录道的办法来构成一个组合顺序，如图4所示。例如把NO1记录道加在常规记录道R₁E₁和R₁E₂之间;把记录道NO.2加在常规记录道R₁E₂和R₁E₃之间;依此类推。这样就造成一个有96个记录道的一个序列，道与道间的间隔是8mm，井中探头的位移在任何情况之下都是768mm。

所记录的记录道部分地示于图5至图8，这些图称为一个由等间隔的记录道组成的时间-一深度剖面也是合适的。例如，图5为剖面中深度为570至640m的一段;而图6至图8是深度分别为630m至715m，700m至780m，和770m至850m的各段;图中的纵座标为时间，以毫秒计。

参考图5至图8就可看出，剖面在550m至593m间被严重地干扰而发生混乱。此处剪切波S和STONELEY波ST比S波迟到，而S波比压缩波P晚到达。

倘把这一地带与612m至652m的一段加以比较，就可看出它们是非常不同的。

参照图6可以看出700m至713m的一段剖面基本上是均匀的，波的特性没有显著的变化。但是，看起来有一个“干涉现象”集中在652m与685m之间的S波到时附近。

常规的测井记录在586和606m之间建立了一个破碎带，而很明显在675m、687m、706m、784m及790m处也有某些变化，但不能确定是什么变化。

用本发明的方法能证实和/或消除疑虑，或检测出用其他方法无法求的是否真正存在裂隙。

一开始，要先确定剪切波S和STONELEY波的慢度（即波速度之倒数），其方法是利用一个公共接收器所得到的所有记录道，并且以此方式做BHC，BHC是对井孔直径的变化或探头的倾斜度所作的补偿。

一旦每一个波的到达时间被确定了，就计算上述每一个波的振幅，其方法是在波的到时前后设一个时间窗，并求出在此时间窗内的平均振幅。同样，用此方法可确定P.S.STONELEY波或其它任何可以使用的波的衰减和周期。

设波之振幅是由下式给出的：

A= (K e^(ax+b))/(Xⁿ)

式中，X代表作测量时的声路径;

a代表本征衰减;

n代表几何衰减;

b代表一个偶合因数。

对系数n和b可以计算出来，所使用的系数为a，

对所代表的同错动（iso-offset）剖面，曾使用一个带通滤波器，其最大带宽为1～25KHz，以便测定P波和S波的振幅、周期和衰减;并使用一个10-20KHz的带通滤波器来测定这些波的速度。到目前为止，对于ST波来说使用的是1～7KHz的带通滤波器。

然后，作出衰减曲线来。图9所列的是代表那些与S和ST波有关的，从575至850m深度之间的波。在此图中，S波的衰减剖面用虚线表示，而ST波的衰减剖面用实线表示;并且S波的衰减曲线被倒相180°，这样S波和ST波的衰减峰值的方向相反，就很容易发现并把它检出。

在S波和ST波衰减曲线之基础上，求出在每一区域中这两种波的平均衰减值。实际上，这平均值也是随区域而变的。很容易看出，在575m与625m之间和在625m与670m之间的平均值是不同的。一旦对每一区域求出了平均值，就可以选定一个阈值，例如选为平均值的1.5倍，就可以以此阈值为准去找出这两组衰减曲线的衰减峰值之所在。

在深度为575至612m之范围内，对STONELEY波的小衰减曲线作了测量，其可能检出的ST₁的峰值并不很主要，因为在本区内这些峰值比平均值高出不多。无论如何，ST₁峰值与相应的平均值之比小于1.5。

另一方面，在本区内，在575m至612之深度内，剪切波曲线的衰减峰值S₁却是非常重要的，S₁峰值与衰减的平均值之比大于1.5。

在所考虑的区域内，在575m至612m之间，有一个双重的情况，即：一方面STONELEY波的衰减曲线相对地稳定;同时作为剪切波S的衰减曲线有非常重要的衰减峰值S₁。这样一个双重的情况决定了岩石中有裂隙，在钻井中裂隙的值由显著的S₁峰值确定。

在612m至650m范围内，STONELEY波的衰减曲线和剪切波的衰减曲线表明此区内实际上没有衰减峰值，或者至少是不重要的。在这些情况之下，就检测不到裂隙的存在。

用前述的方法继续进行测量，可以发现在652m处有裂隙F₁至F₄（图9），而在675m至686m之间，在713m至728m之间，以及在758m处都有裂隙。

在642m至662m范围内，用上述同样的方法测量，可以确定STONELEY衰减曲线中之峰值ST₂是很显著的，而剪切波的衰减则基本上是恒定值。这样的双重情况表示，除了在652m的值之外没有裂隙，而有一个多孔的或渗透性的岩层存在。就这样，凡是测到STOHELEY波有衰减峰值，而同时对应的剪切波的衰减是比较稳定时，就可得出结论说有一个多孔的或渗透性的岩层存在。

最后，在800m至850m的范围内，测得STOHELEY波和剪切波的衰减峰值，可以推论，都是显著的，两种峰值的方向相反是因为对STONELEY波进行了倒相，如图9所示。由此再一次推论，双重情况，非常显著的ST₃和S₃峰值，可以断定没有裂隙，因而可以说，相应的岩层既不是多孔性的，又不是渗透性的，而可能是相当粘的粘土层。

在上文中所提到的是在钻井周围的岩层中的非均匀性及/或岩石物理特性，此钻孔是竖直的如图1所示，但有很小倾斜的，或很大倾斜的，甚至是水平的钻井，其道理也是一样的。倘如在一个地区岩石裂缝是高度开口的，象一个管道或下水道那样，则剪切波与STONELEY波的衰减曲线将显出值得注意的峰值，而这些尖峰基本上是方向相反的，像图9内所示的S₃和ST₃尖峰那样，这样就有理由检测出所研究的钻井区内有可观的粘性。为了消除是粘性还是高度开口裂隙的疑点，可以进行其他种观测，例如测量岩层中所具有的其他种波的速度。事实上，测量了800m至850m之间的地层传播的他种波的速度，就可以相当精确地决定是否是粘土地质地层。倘如波速之测量得出的结论是所述地质岩层无显著的粘土质，则对应于所述地层的衰减曲线上所出现的显著峰值能使我们毫不含混地肯定，在上述地质岩层中有一些开口很大的裂缝。

上述的各种测试表明，本发明巨大好处在于对钻井周围的岩层中的某些不均匀性的检测和十分精确的定位。在某些钻井中，有可能检测开口小的裂缝，而这些裂缝用传统的仪器和技术是测不到的。

Claims (7)

1、本发明是把穿过欲勘探的岩层的井孔中记录下来的声波信号进行处理，以便确定在钻井周围的地质岩层中的不均匀性或岩石的物理特性的方法，此法选择至少从三个传感器传来的记录，其中一个传感器是发射器，另一个是接收器，以这样的方式，用一个公用发射器或公用接收器把成对的记录组合起来，这个方法还包括：

在预选的有研究价值的地带，以深度为函数确定所接收的振幅平均值；

从所得到的振幅平均值，得出所收到波的衰减曲线；

从测井衰减曲线中，选择与剪切波和与STONELEY波有关的衰减曲线；

在每个地带确定上述所选衰减曲线的每一条曲线的平均值；

在上述地带，并就上述所选衰减测井曲线，把超过预定阈值的衰减峰值记录下来；

对于每一个地带，至少把剪切波的衰减峰值与STONELEY波的衰减曲线的平均值相比较，这样做为的是定出衰减的重要相对变化，上述重要的变化代表了上述地带周围地质岩层的不均匀或岩石物理特性。

2、根据权利要求1的方法，其中STONELEY波和剪切波测井衰减曲线的其中之一与其中的另一个曲线颠倒了180°。

3、根据权利要求1的方法，其中倘如剪切波中至少有一个衰减峰值，而此时相对应的STONELEY波的衰减相对于其平均值来说是稳定的，则地层中有一个小开放性裂缝。

4、根据权利要求1的方法，其中如果STONELEY波衰减曲线至少出现一个衰减峰值，而与其对应的剪切波衰减曲线是稳定的，则所测地层是渗透性的或多孔性的。

5、根据权利要求1的方法，其中若剪切波的衰减曲线上至少有一个峰值，相应地在STONELEY波的衰减曲线上也至少出现一个峰值，则岩层中有高的粘土性。

6、根据权利要求1的方法，其中若剪切波的衰减曲线上至少有一个代表性的峰值，与之对应的在STONELEY波的衰减曲线上也至少出现一个衰减峰值;并且对各种波在岩层中的速度也进行了测量，证实在岩层并不含有相当的粘土质，则我们可以认为岩层中有一个开放性较强的裂缝。

7、根据权利要求1的方法，其中用组合探测序列的方法来实现本发明，把预先选择的记录，以给定的或重复的方式，加到与所用传感器数目对应的传统记录中去。

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