CN112034516A - 一种评价井周横波三维各向异性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石多维各向异性参数探测技术评价方法技术领域，具体公开了一种评价井周横波三维各向异性的方法。该方法包括：估算初始慢度模型；利用初始慢度模型对反演时间慢度函数问题进行线性化处理；对时间慢度函数进行离散逼近；将走时曲线离散化为时间慢度函数的线性叠加；求解方程组并反演计算得到时间慢度函数；对波形进行成像处理，得到不同方位下的速度径向变化特征；对比不同方位的速度大小，若不同方位存在速度差异，则认为存在环向各向异性；对比同一方位径向速度大小，若存在速度差异，则认为存在径向各向异性；对不同深度点进行处理得到沿井轴不同深度下的径向和环向各向异性。本发明能有效的进行径向、环向和轴向上各向异性评价。

Description

一种评价井周横波三维各向异性的方法

技术领域

本发明涉及应用地球物理测井技术领域，尤其涉及岩石多维各向异性参数探测技术评价方法技术领域。

背景技术

目前，基于时域波形的各向异性处理方法有很多，通过分析各向异性地层中的波形传播特征，可知偶极接收器接受到的弯曲波能量通常是纵向和横向(X与Y)方向上的矢量和。传统横波各向异性的交叉偶极声波测井分析方法有两种：分别是Alford矩阵旋转方法和波形反演理论，原理是通过对比分析快慢横波进而进行井周各向异性评价。

目前发展的四分量偶极横波测井技术能够稳定有效的用于井周各向异性的评价(苏远大,乔文孝,孙建孟,陈雪莲.正交偶极声波测井资料在评价地层各向异性中的应用[J].石油物探,2005(04):409-412+18.)；Tang等人(Tang X M,Patterson D.Shear waveanisotropy measurement using cross-dipole acoustic logging:An overview[J].PETROPHYSICS,2001,42(2):107-117.)利用偶极横波各向异性分析评价裂缝性地层中的各向异性，进而评价压裂效果；魏周拓等人(魏周拓,范宜仁,陈雪莲.横波各向异性在裂缝和应力分析中的应用[J].地球物理学进展,2012,27(01):217-224.)利用偶极横波各向异性分析方法分析存在不均衡地应力地层的各向异性；(唐晓明等人，在井中发射并接收偶极横波的探测方法,发明专利申请号：2011103009945)都对偶极横波四分量数据评价地层各向异性进行了理论与实际的研究。

利用偶极横波测井四分量数据评价地层各向异性技术非常成熟，但是Alford旋转分析法在地层各向异性量不大的时候就很难确定横波的各向异性了，并且在求取快慢横波偏振方位角时存在多解性，也是在此基础上1999年Tang.X.M提出了波形反演理论，可以直接确定地层各向异性参数且可以有效利用阵列波形数据的冗余信息提高各向异性的计算精度和稳定性。

随着非常规勘探的进一步深入，页岩等背景介质的固有各向异性与裂缝系统产生的诱导各向异性相互耦合，传统单一的各向异性探测技术已难以满足探测精确性的要求。寻求一种经济有效的岩石多维各向异性参数探测技术和评价方法成为现在亟需解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的主要目的在于采用井周声速的三维变化对地层三维各向异性进行评价，该方法不仅利用快慢横波差异，并且还采用波形的到时信息，其包含的地层信息更广，可更有效的进行地层环向各向异性评价。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种评价井周横波三维各向异性的方法，其包括如下步骤：

步骤一，通过流体慢度，井眼直径以及原状地层估算初始慢度模型；

步骤二，利用步骤一获得的初始慢度模型对反演时间慢度函数问题进行线性化处理；

步骤三，建立模型沿着井轴以及径向划分网格来对时间慢度函数进行离散逼近；

步骤四，将走时曲线离散化为时间慢度函数的线性叠加；

步骤五，求解步骤四所得方程组并反演计算得到时间慢度函数；

步骤六，采用走时层析成像法，对波形进行成像处理，得到不同方位下的速度径向变化特征；

步骤七，对比不同方位的速度大小，若不同方位存在速度差异，则认为存在环向各向异性；

步骤八，对比同一方位径向速度大小，若存在速度差异，则认为存在径向各向异性；

步骤九，对不同深度点进行处理得到沿井轴不同深度下的径向和环向各向异性。

优选的，所述步骤一中，初始慢度模型的走时由式(1)给出，

式(1)中，

是声波在初始慢度模型中沿任一射线路径的走时，

是声波在地层中所走过的最短路径，

表示该初始慢度模型中的未知的时间慢度函数。

优选的，所述步骤二中利用代数重建法将测得的走时离散化为时间慢度函数的线性叠加。

优选的，所述步骤三具体步骤如下：

(1)建立井眼正交偶极声波测井模型；

(2)将所述井眼正交偶极声波测井模型沿着井轴及径向划分网格，构建能够进行数值计算的线性方程，对时间慢度函数进行离散逼近处理。

优选的，所述步骤四采用时间慢度函数的线性方程组由式(2)、(3)、(4)、(5)给出：

式(2)、(3)、(4)、(5)中，n是迭代次数，Δa_kj是射线k穿透第j个单元网格的深度，J是射线k穿过的所有单元网格的个数，M_j是通过第j个单元网格射线条数，K是所有的射线条数，

是单元网格慢度函数u_j的修正，残差值

是实测走时与计算走时之差。

优选的，所述步骤七具体包括：

(1)得到不同方位的成像结果，井外不同方位速度变化三维显示，不同颜色代表不同的横波速度；

(2)对比成像结果；

(3)判断是否具有环向各向异性，若存在环向各向异性，则利用波形匹配方法处理得出各向异性大小以及快横波方位进行井周环向各向异性评价。

优选的，所述步骤八具体包括：

(1)得到不同方位的成像结果，井外不同方位速度变化三维显示，不同颜色代表不同的横波速度；

(2)对比同一方位不同距离成像结果；

(3)判断是否具有径向各向异性，若存在径向各向异性，则采用积分方法对速度变化量沿着径向进行积分，裂缝方位指示参数如式(6)：

式(6)中，R为井眼半径，υ₀表示原状地层速度大小，υ₀-υ(r)表示随径向距离的速度变化量，对步骤七的成像结果按照式(6)进行积分处理得到不同方位裂缝指示曲线。

本发明相对于现有技术，具有如下有益效果：

1.不仅采用快慢横波之间的差异，而且还采用了波形的到时信息，其包含的信息更广；

2.相比Alford矩阵旋转方法于各向异性量不大时就很难确定横波的各向异性，因此也就很难克服求解快横波方位时的不确定性，本发明可简单快速的进行不同方位以及不同距离速度显示，更加直观显示井周各向异性；

3.本发明可以刻画径向、环向和轴向上的三维各向异性特征。

附图说明

图1为本发明的一种评价井周横波三维各向异性的方法工作流程图。

图2为本发明中给定的井眼正交偶极声波测井模型示意图。

图3为本发明中给定的井外不同方位速度变化三维显示。

图4为利用本发明的探测方法得到的不同方位裂缝指示曲线。

具体实施方式

为便于对本发明的方法及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

如图1所示，本发明提供一种评价井周横波三维各向异性的方法工作流程图，其工作流程如下：

步骤一，通过流体慢度，井眼直径以及原状地层估算初始慢度模型。

步骤一中，初始慢度模型的走时由式(1)给出，

式(1)中，

是声波在初始慢度模型中沿任一射线路径的走时，

是声波在地层中所走过的最短路径，

表示该初始慢度模型中的未知的时间慢度函数。

步骤二，利用步骤一获得的初始慢度模型对反演时间慢度函数问题进行线性化处理。

步骤二中，因为射线路径极度依赖于时间慢度函数，从而导致声波沿任意射线路径的走时和时间慢度函数的关系是非线性的，产生了反演的非唯一性，为了解决上述非唯一性的问题，可以利用代数重建法将测得的走时离散化为时间慢度函数的线性叠加。

步骤三，建立模型沿着井轴以及径向划分网格来对时间慢度函数进行离散逼近。

所述步骤三中可以考虑测井仪器的井眼模型沿着井轴及径向划分网格，构建能够进行数值计算的线性方程，对时间慢度函数进行离散逼近处理。步骤三具体步骤如下：

(1)建立井眼正交偶极声波测井模型

建立如图2所示的正交偶极声波测井模型，模型中正交偶极声波测井仪器位于井孔中某一深度处，其包括偶极发射换能器与阵列接收器，假设井壁附近地层的慢度在井的轴向和径向都有变化，可用来表征该模型中任一点的径向和轴向位置。

(2)离散逼近处理

将上述模型沿着井轴及径向划分网格，构建能够进行数值计算的线性方程，对时间慢度函数进行离散逼近处理。

步骤四，将走时曲线离散化为时间慢度函数的线性叠加。

这些关于时间慢度函数的线性方程组由式(2)、(3)、(4)、(5)给出：

式(2)、(3)、(4)、(5)中，n是迭代次数，Δa_kj是射线k穿透第j个单元网格的深度，J是射线k穿过的所有单元网格的个数，M_j是通过第j个单元网格射线条数，K是所有的射线条数，

是单元网格慢度函数u_j的修正，残差值

是实测走时与计算走时之差。

步骤五，求解步骤四所得方程组并反演计算得到时间慢度函数。

步骤六，采用走时层析成像法，对波形进行成像处理，得到不同方位下的速度径向变化特征。

采用上述步骤后，进行走时层析成像法，对波形进行成像处理，得到不同方位下的速度径向变化特征，如图3所示。

步骤七，对比不同方位的速度大小，若不同方位存在速度差异，则认为存在环向各向异性。

所述步骤七具体包括：

(1)得到不同方位的成像结果，即井外不同方位速度变化三维显示，不同颜色代表不同的横波速度；

(2)对比成像结果；

(3)判断是否具有环向各向异性，若存在环向各向异性，则可以利用波形匹配方法处理得出各向异性大小以及快横波方位进行井周环向各向异性评价。

图3为本发明中给定模型所成某一图像的幅值大小示意图。如图3所示，不同灰度(彩色时不同颜色)代表不同的横波速度，分析成果图可以看出井外地层的速度发生了明显的变化。特别是在90°方位上，相反在0°方位上速度则无明显变化，在不同方位上的速度变化不同，具有明显的环向各向异性特征，对于90°方位上的结果，其速度变化区域大小正好对应于给定模型中给出的变化层，也验证了本方法的正确性。

步骤八，对比同一方位径向速度大小，若存在速度差异，则认为存在径向各向异性。

所述步骤八具体包括：

(1)得到不同方位的成像结果，即井外不同方位速度变化三维显示，不同颜色代表不同的横波速度；

(2)对比同一方位不同距离成像结果；

(3)判断是否具有径向各向异性，若存在径向各向异性，则采用积分方法对速度变化量沿着径向进行积分，裂缝方位指示参数如式(6)：

式(6)中，R为井眼半径，υ₀表示原状地层速度大小，υ₀-υ(r)表示随径向距离的速度变化量。在此基础上对步骤七的成像结果按照式(6)进行积分处理得到不同方位裂缝指示曲线。

由图3可知，在同一方位不同径向距离其速度大小也不同，即存在径向各向异性。

图4为利用本发明的探测方法得到的某井段现场井周各向异性处理结果示意图。速度分布图像(射线层析图)，其中速度分布图以变密度图的形式给出。如图4所示，最大值和最小值之间相差90°，将二者之差定义为环向各向异性，在最大值方位处加(或减)90°后就是裂缝的走向，最大值处就是受裂缝或应力影响最大处，该处定义为优势径向各向异性。

步骤九，对不同深度点进行处理得到沿井轴不同深度下的径向和环向各向异性。

本发明相对于现有技术，具有如下优势：

1.不仅采用快慢横波之间的差异，而且还采用了波形的到时信息，其包含的信息更广；

2.相比Alford矩阵旋转方法于各向异性量不大时就很难确定横波的各向异性，因此也就很难克服求解快横波方位时的不确定性，本发明可简单快速的进行不同方位以及不同距离速度显示，更加直观显示井周各向异性；

3.本发明可以刻画径向、环向和轴向上的三维各向异性特征。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一，通过流体慢度，井眼直径以及原状地层估算初始慢度模型；

步骤二，利用步骤一获得的初始慢度模型对反演时间慢度函数问题进行线性化处理；

步骤三，建立模型沿着井轴以及径向划分网格来对时间慢度函数进行离散逼近；

步骤四，将走时曲线离散化为时间慢度函数的线性叠加；

步骤五，求解步骤四所得方程组并反演计算得到时间慢度函数；

步骤六，采用走时层析成像法，对波形进行成像处理，得到不同方位下的速度径向变化特征；

步骤七，对比不同方位的速度大小，若不同方位存在速度差异，则认为存在环向各向异性；

步骤八，对比同一方位径向速度大小，若存在速度差异，则认为存在径向各向异性；

步骤九，对不同深度点进行处理得到沿井轴不同深度下的径向和环向各向异性。

2.如权利要求1所述的一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，所述步骤一中，初始慢度模型的走时由式(1)给出，

式(1)中，

是声波在初始慢度模型中沿任一射线路径的走时，

是声波在地层中所走过的最短路径，

表示该初始慢度模型中的未知的时间慢度函数。

3.如权利要求1所述的一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，所述步骤二中利用代数重建法将测得的走时离散化为时间慢度函数的线性叠加。

4.如权利要求1所述的一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，所述步骤三具体步骤如下：

(1)建立井眼正交偶极声波测井模型；

(2)将所述井眼正交偶极声波测井模型沿着井轴及径向划分网格，构建能够进行数值计算的线性方程，对时间慢度函数进行离散逼近处理。

5.如权利要求1所述的一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，所述步骤四采用时间慢度函数的线性方程组由式(2)、(3)、(4)、(5)给出：

式(2)、(3)、(4)、(5)中，n是迭代次数，Δa_kj是射线k穿透第j个单元网格的深度，J是射线k穿过的所有单元网格的个数，M_j是通过第j个单元网格射线条数，K是所有的射线条数，

是单元网格慢度函数u_j的修正，残差值

是实测走时与计算走时之差。

6.如权利要求1所述的一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，所述步骤七具体包括：

(1)得到不同方位的成像结果，井外不同方位速度变化三维显示，不同颜色代表不同的横波速度；

(2)对比成像结果；

(3)判断是否具有环向各向异性，若存在环向各向异性，则利用波形匹配方法处理得出各向异性大小以及快横波方位进行井周环向各向异性评价。

7.如权利要求1所述的一种评价井周横波三维各向异性的方法，其特征在于，所述步骤八具体包括：

(1)得到不同方位的成像结果，井外不同方位速度变化三维显示，不同颜色代表不同的横波速度；

(2)对比同一方位不同距离成像结果；

(3)判断是否具有径向各向异性，若存在径向各向异性，则采用积分方法对速度变化量沿着径向进行积分，裂缝方位指示参数如式(6)：

式(6)中，R为井眼半径，υ₀表示原状地层速度大小，υ₀-υ(r)表示随径向距离的速度变化量，对步骤七的成像结果按照式(6)进行积分处理得到不同方位裂缝指示曲线。

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