钻井附近地层随钻三维声速成像测井理论与方法研究

Rock brittleness is an important parameter for hydraulic fracturing of tight formations. Here we propose an approach to determine this parameter using acoustic measurement. The formation elastic-wave velocity changes surrounding a borehole caused by drilling or stress relief are closely related to the brittleness of rock in the process of drilling. The velocity changes reflect the real rock mechanical characteristics especially when the well is being drilled. We propose to develop an LWD acoustic technology that can guide and optimize the reservoir fracturing for unconventional reservoirs. Our approach is based on mapping three-dimensional acoustic velocity variation near the borehole in the drilling environment. By studying the amplitude and phase change of LWD azimuthal scattering wave, we analyse the sensitivity characteristics in terms of radial, azimuthal, and axial velocity variations which will be used to construct an objective function for inverting the radial compressional-velocity profile in different azimuth. To solve the nonuniqueness of the inverse problem, we use a constrained inversion method. This can be done by constraining the "equivalent" damage radius estimated from monopole waveform data. This gives the near-borehole three-dimensional P-wave structure from the LWD data. Combining theoretical modeling and real data examples, we propose a plan to implement the theory and methods for field LWD data applications.

岩石的脆性对致密性油气藏开发中的压裂体积改造至关重要，这里提出一种用声学方法确定岩石脆性的研究思想。钻井过程中，由钻头撞击或应力释放等引起的井壁附近地层声速变化程度与岩石的脆性（或可压裂性）有很好对应关系，这是因为脆性好的岩石在钻头作用下容易开裂，产生的微裂隙造成岩石声速下降。本项目提出一种用随钻单极纵波测井的方位散射波反演井壁附近三维（轴向、周向和径向）地层声速成像的技术，来指导和优化致密、非均质性储层的压裂改造。根据用井孔声场和散射声场理论考察的随钻单极纵波的方位散射波振幅和相位对井壁附近声速变化的灵敏度，利用随钻方位测量的和理论计算的散射波构建目标函数，最优化约束反演不同方位的地层纵波速度径向变化剖面。上述反演方法将用来处理随钻声波内存数据，获得地层刚被钻开时井附近三维声速成像用来指导非常规储层压裂改造。提出随钻三维声波测井声系结构和工作频率的优化设计方案，将理论和方法形成应用技术。

钻井过程中，由钻头撞击、地层应力释放或泥浆侵入等引起的岩石机械破损，会导致井壁附近产生裂隙，进而引起井眼附近径向和周向声学特征的变化，这一现象在实际钻井时是客观存在的。本项目针对致密、非均质性强的非常规储层，提出一种利用随钻测井环境下测量的声波信号反演井壁附近地层三维声速成像的理论和方法。基于随钻声源多极子分解和辐射特征理论，考察了随钻方位声源的特征，分析了钻铤的存在以及换能器开角对井周方位分辨率的影响特征，为随钻方位声波发射换能器的设计提供了理论依据。在此基础上，最优化设计了一种随钻三维声波测井测井仪器，并在实验室各向同性和方位各向异性模型井中进行了测试，获得了良好的测试结果。进一步，根据井外地层速度变化，利用径向声速层析成像技术处理了实际随钻声波数据，建立了岩石脆性与井周径向声速的表征关系，为压裂开采提供了可靠的参数。本项目研究为随钻三维声波测井声系结构从理论分析、优化设计到方法应用提供了一整套系统的技术方案，可以用来指导和优化储层的压裂改造。