交叉多级陈列声波测井资料的地层各向异性分析.doc

交叉多级陈列声波测井资料的地层各向异性分析

舒卫国 韩成 柴细元
（大港油田集团测井公司）

摘 要 叙述了交叉多级陈列声波（XMAC）交叉偶级测量方式各向异性分析的理论基础和快速横波方位与上偶方位存在相关性的原因。利用快、慢横波信息计算了储层的各向异性参数和方位误差，通过百分能量差对快横波方位角进行截取并统计，结果表明快横波方位角反映的水平最大主应力方向或高角度裂缝的开口信息与STARⅡ解释结论有较好的一致。
主题词 交叉多级陈列声波；各向异性；（快、慢横波）；水平最大主应力；（裂缝开口度）

Reservior Anisotropy Analysis of the Intersecting Moltipole Array Acoustic logging

Shu Weiguo Han Cheng Chai Xiyuan
(Dagang Logging Service)

ABSTRACT The theoretical basis on anisotropy analysis of intersecting dipole survey is described,and the cause of the correlativity between fast shear azimuth and upper dipole one is given.At the same time anisotropy parameter of reservoir and azimuth error are calculated throuth fast shear data.The statistical results of fast shear cutoff azimuth based on percent energy differential disclose that the horizontal maximum principal stress direction or high angle fracture open acquired from fast shear azimuth agree well with the interpretation results of StarⅡ.
SUBJECT HEADING intersecting multipole array acoustic; anlsotropy; (fast,slow shear); horizontal maximum principal stress; (high angle fracture open).

引 言
交叉多级陈列声波测井仪器把新一代的偶级技术与最新发展的单级技术结合在一起，提供了当今测量地层纵波、横波和斯通利波的最好方法。交叉偶级测量方式可使我们在软地层中像在硬地层中一样测取横波，其主要目的是测量地层的横波各向异性。而在碳酸岩地层中，导致横波各向异性的主要因素包括水平方向地应力不均衡，高角度井口裂缝及椭圆井眼的影响，因此交叉陈列声波测井资料用于地层各向异性分析能指示出最大水平主应力方向或高角度裂缝走向。

速度各向异性与横波分裂现象
在构造应力或其它地质因素导致的裂缝性地层，其横波速度通常显示出方位各向异性。质点平行于裂缝走向振动、方向沿井轴向上传播的横波速度比质点垂直于裂缝走向振动、方向沿井轴向上传播的横波速度要快。
如果横波造成的质点的振动方向与裂缝走向成一个角度θ（0<θ< 90º），则人射横波分裂成质点平行和垂直于裂缝走向振动、方向沿井轴向上传播的快速和慢速横波，即横波分裂现象。如图1所示，这种现象在水平方向地应力不平衡的非裂缝性地层中也同样存在。百分各向异性就定义为快慢横波能量或速度之和的比值，它是一种反映地层各向异性的指标，由于一般认为在应力非平衡状态下的裂缝性地层中，与现代最大水平主应力方向平行的裂缝体系是利于保存并往往得到加强的，所以，百分各向异性往往与裂缝密度有关。
交叉多级陈列(XMAC)所测的偶级子横波实质上是挠曲波，挠曲波是一种有频散的非对
称模式波（即相速度随频率的改变而改变，其相速度的低频率极限值为纯横波的相速度值），由于XMAC交叉偶级方式激发的挠曲波频率很低，井眼周围挠曲波因方位各向异性而造成的分裂现象与横波地震上的横波分裂现象是类似的。
横波方位各向异性分析需要借用地震界首先提出的四分量旋转技术来进行，该技术的实现需要安装在同一位置上的两个正交的声波发射器和安装在同一位置上的两个正

交的声波接收器。为了方便以下的叙述，将XMAC仪器的上偶级子方向定义为X方向，下偶级子方向定义为Y方向，BCR方式（交叉偶级方式）在上下偶级子发射时，均同时采集X、Y方向的声波波列（共4组），为了把上偶级波列的第n帧与下偶波列的第n+1帧波列数据组合使用。这四组深度对齐了的波列被放于下列旋转变换：

式中：旋转后的上偶X分量波列；旋转后的上偶Y分量波列；旋转后的下偶Y分量波列；旋转后的下偶X分量波列；θ旋转角度；Ui旋转前的上偶X分量波列；Uc旋转前的上偶Y分量波列；Lc旋转前的下偶Y分量波列；Li旋转前的下偶X分量波列；
R称为旋转矩阵

RT，R的转置矩阵
在旋转计算过程中，随着旋转角θ的改变，一系列旋转后的X和Y分量的波列被算出，其中某一角度所对应的旋转后的正交方向分量波列的能量达到最小，该角度即是快速（慢速）横波/挠曲波的方位，对该角度对应的旋转后的两组水平方向分量波列（一组为旋转后的上偶X分量波列，一组为旋转后的下偶Y分量波列）分别进行STC分析，速度大的一组称为快横波，速度小的一组称为慢横波，如果旋转后的下偶Y分量波列为快横波，则快横波的方位。
在各向异性分析成果图的深度道显示的是正交方向分量波列（一组为旋转后的上偶Y分量波列，一组为旋转后的下偶X分量波列）的百分最大和最小能量。当百分最小能量接近于零而百分最大能量之差较大时，说明旋转结果是可靠的，同时说明存在方位各向异性。
快横波的方位误差是由下式计算得出：
方位误差=

基于快慢横波时差的百分各向异性和基于积分时间的百分各向异性分别由下式计算得出：
基于时差的各向异性=

基于积分时间的各向异性=

快速横波方位与上偶方位存在相关性的原因
通常情况下，若井眼的椭圆程度较小，带扶正器的仪器串能够较自在的发生周期旋转，而快横波方位则相对变化较慢（因其反映的是裂缝走向或最大水平主应力的方位，而裂缝走向和主应力的方位通常在一个固定的数值附近变化），因此，看不到快横波方位和上偶方位间的相关性。
在井眼椭圆程度较大的井段，带扶正井眼器的仪器串在某些井段不能自由地旋转，仪器串的旋转完全和井眼椭圆长轴方位的变化是一致的，即上偶方位完全反映的是井眼椭圆长轴的方位；而井眼椭圆长轴的方位通常又反映的是裂缝走向或最小水平主应力的方位（即快/慢横波的方位），故在这些井段中，快横波方位和上偶方位存在良好的相关性。
随着仪器串的继续上提，电缆扭力逐渐增大，当扭力大雨仪器串与井壁的磨擦力时，仪器串快速地旋转以释放电缆扭力，由于四分量旋转技术要求横波声源和接收器都是正交的，在XMAC仪器没有旋转的前提下，用不同深度的上、下偶级子波列进行组合可以很好满足以上要求；但是，在仪器快速旋转时，不同深度波列组合的结果相当于声源和接收器并非完全正交的，这在一定程度上影响到四分量旋转算法的角度计算。因此，在仪器旋转比较快时，需要对快横波方位作具体的分析。
在基于能力差的百分各向异性指示较大时（即介质的各向异性较强时），仪器的旋转对快横波方位角比较恒定，则快横波方位角仍然是可靠的并可能有一定的地质含义。
在基于能力差的百分各向异性指示较小时（即介质接近各向异性的情况下），由于快横波方位已经接近不定，故仪器的旋转对快横波方位的计算影响很大。此时与上偶方位相关性很好的快横波方位角，往往仅是仪器旋转的一种反映。

应用实例
根据快速横波方位与上偶方位存在相关性原因分析，快横波各向异性很小时，快横波方位角的测量精度可能受到仪器旋转的很大影响，研究表明，用百分能量差大于15℅的条件对快横波方位角进行截取并统计的结果提高了快横波方位角的可信度。图2为板深8井奥陶系灰岩储层横波各向异性成果图，百分能量差曲线（深度道）指示处理层段内大段地层存在横波各向异性。针对高角度开口裂缝的判别而言，基于快慢横波时差的各向异性指标受其它因素最小，主要反映高角度裂缝的开口信息，该判据指示出井壁上裂缝开口度较大的层段为4154米-4360米，4182米-4185米以及4336米-4348米，4352米-4360米。处理井段内快横波方位角统计结果指示高频分布在北偏动35ºC-70ºC之间，即水平最大主应力方向基本上为北东-南西方向。这与STARⅡ声电成像获得的裂缝非均质性和应力方向有较好的一致性。

根据快速横波方位与上偶方位存在相关性原因分析，快横波各向异性很小时，快横波方位角的测量精度可能受到仪器旋转的很大影响，研究表明，用百分能量差大于15℅的条件对快横波方位角进行截取并统计的结果提高了快横波方位角的可信度。图2为板深8井奥陶系灰岩储层横波各向异性成果图，百分能量差曲线（深度道）指示处理层段内大段地层存在横波各向异性。针对高角度开口裂缝的判别而言，基于快慢横波时差的各向异性指标受其它因素最小，主要反映高角度裂缝的开口信息，该判据指示出井壁上裂缝开口度较大的层段为4154米-4360米，4182米-4185米以及4336米-4348米，4352米-4360米。处理井段内快横波方位角统计结果指示高频分布在北偏动35ºC-70ºC之间，即水平最大主应力方向基本上为北东-南西方向。这与STARⅡ声电成像获得的裂缝非均质性和应力方向有较好的一致性。

结 论
由于传统资料反映地层的各向异性很困难，甚至影响也被错误地认为是传播时间在某个方向上太快，因此交叉多级陈列声波测井资料用于地层各向异性分析为油藏工程师在越来越复杂的地质背景下必须考虑到各向异性的重要性提供了更为完善的手段。

参考文献
1、 楚泽涵. 声波测井原理. 北京：石油工业出版社. 1997.147-171
2、 张守谦. 顾纯学. 曾广华. 成像测井技术与应用. 北京：石油工业出版社. 1997.160-169
3、 Cheng.N.Y.and cheng.C.H.1995.Decomposition and particle motion of acoustic dipole log in anisotropic formation:65th Ann.Intermat.Mtg.Soc.Explor.Ceophys.Expanged Abstracts.1-4.
4、 Essmersoy.C.KOSTER.C.Williams.M.Boyd.A.and Kane.M.1994,Diploe shear anisotropy logging:64TH Ann. Intermat.Mtg.Soc.Explor.Ceophys.Expanged Abstracts.1138-1142.