方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器

李國英, 柴細(xì)元, 鞠曉東, 喬文孝, 嵇成高, 韓明明, 李衛(wèi)強

(1.中國石油集團測井有限公司天津分公司, 天津 300457; 2.中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249)

0 引 言

石油勘探測井中,對碳酸鹽巖油氣藏勘探重視程度逐漸提高。碳酸鹽巖儲層類型多,非均質(zhì)性強,儲層橫向漸變較快,很難用現(xiàn)有的測井方法識別出遠(yuǎn)井地層的儲層發(fā)育情況。目前發(fā)展的井外地層成像技術(shù)主要是電磁方法和聲波方法。低頻電磁波井外界面探測,僅能夠檢測電阻率異常體的存在,但不能確定方位;隨鉆高頻方位電磁波儀器,探測深度僅有數(shù)米。在反射聲波遠(yuǎn)探測技術(shù)研究中,斯倫貝謝公司早期的BARS儀器曾在四川開展過試驗性應(yīng)用,但至今一直沒有開展商業(yè)性應(yīng)用。最新的SonicScanner儀器主要功能是開展測井儲層參數(shù)分析,其反射波處理模塊只具備2～3 m的徑向探測能力,在中國沒有開展應(yīng)用。渤海鉆探研發(fā)出的遠(yuǎn)探測聲波反射波成像測井儀器,由于應(yīng)用單極子發(fā)射、接收,在周向上沒有指向性,無法確定地層構(gòu)造或者地質(zhì)體的方位。魏周拓等[1]利用有限差分?jǐn)?shù)值計算方法,對慢速地層的偶極輻射聲場和反射聲場進行了數(shù)值模擬,驗證了偶極縱波在慢速地層中遠(yuǎn)探測的可行性。唐曉明等[2]提出利用正交偶極聲源進行遠(yuǎn)探測聲波成像的應(yīng)用實例,由于偶極子聲源指向性特征,該方法僅能探測180°范圍內(nèi)井外地質(zhì)體的方位。王瑞甲等[3]利用數(shù)值模擬方法推導(dǎo)了基于圓弧片狀壓電振子的相控圓弧陣聲場方位特性,其聲場可以確定360°范圍內(nèi)反射體方位,能夠消除井旁地層界面方位測量的多解性。鞠曉東等[4-5]設(shè)計出一種具有三維探測功能的聲波測井儀,采用模塊化結(jié)構(gòu)、相控陣發(fā)射、方位陣列接收,通過反射波處理實現(xiàn)遠(yuǎn)距離井旁地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的成像。中國石油集團測井有限公司天津分公司與中國石油大學(xué)共同研發(fā)出一種方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器,采用相控陣大功率發(fā)射技術(shù)、方位陣列接收技術(shù)以及獨創(chuàng)的直接承壓式有源發(fā)射、接收聲系結(jié)構(gòu),在碳酸鹽等高速地層中可以探測徑向40 m以上的地質(zhì)異常體,方位分辨率可達到22.5°。本文闡述方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器測量原理,儀器結(jié)構(gòu)特點、基本參數(shù)以及方法模擬實驗、現(xiàn)場試驗效果等。

1 測量基本原理

方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器通過測量來自某方位的縱波反射波信息分析井周遠(yuǎn)距離的地質(zhì)體信息特征。方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器的相控陣發(fā)射探頭發(fā)射出高能量聲信號后,經(jīng)地層向井周某方向傳播,當(dāng)遇到聲阻抗發(fā)生變化的裂縫、孔洞等反射體時,產(chǎn)生的反射縱波等反射波信號被具有方位接收能力的接收探頭所接收,聲信號轉(zhuǎn)變成電信號,上傳到地面系統(tǒng),被記錄后進行處理分析。

為使發(fā)射聲能量傳播到更遠(yuǎn)的距離,除了采用大功率發(fā)射探頭外,還將相控陣技術(shù)引入發(fā)射部分,構(gòu)成相控陣的每一個發(fā)射換能器都擁有獨立的匹配電路。采用相控陣聲源,可以根據(jù)地層特性,靈活調(diào)節(jié)井內(nèi)聲源入射井壁的入射角,使之有利于產(chǎn)生滑行縱波,滑行橫波和斯通利波、或向井旁地層中輻射縱波。圖1、圖2分別為聲源傳播過程及產(chǎn)生的聲場指向性圖。

圖1 聲源傳播路線

圖2 相控聲場指向性圖

2 儀器結(jié)構(gòu)、工作原理及性能指標(biāo)

方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器根據(jù)其測量原理和井周遠(yuǎn)距離探測、方位精準(zhǔn)探測的需求設(shè)計研發(fā)。為了保證其發(fā)射能量和方位探測的功能,以及現(xiàn)場應(yīng)用的實用性,采用大功率的相控陣發(fā)射探頭、8個方位相控接收的接收探頭。

2.1 整體結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器由遙傳短節(jié)、控制短節(jié)、接收短節(jié)、隔聲體、發(fā)射短節(jié)組成。其中發(fā)射探頭2組。一組為單極發(fā)射,由6個大功率發(fā)射換能器組成相控線陣單極發(fā)射探頭。一組為偶極發(fā)射,由2組每組4個片狀換能器組成正交偶極發(fā)射探頭。

儀器測井時,首先由地面下發(fā)指令給井下遙傳短節(jié)并傳到主控短節(jié),主控短節(jié)對命令信號進行解碼后,由同步單元產(chǎn)生井下儀器各部分所需的控制信號,協(xié)調(diào)整個井下儀器的正常工作。發(fā)射電路接收到控制信號后,產(chǎn)生點火脈沖控制2組發(fā)射探頭(一組單極相控發(fā)射,一組偶極正交發(fā)射)依次發(fā)射。每激發(fā)一次發(fā)射探頭發(fā)射,就有聲波信號傳送到地層,經(jīng)過一段時間的傳播、反射、折射后,聲信號到達方位接收探頭。接收探頭在地面控制下,接收到80組方位單極接收信號和40組偶極方位接收信號,并經(jīng)過各自的接收通道濾波放大等初步處理后傳送到主控短節(jié),主控短節(jié)對其進行編碼,在地面系統(tǒng)控制下,將采集到的信號傳送到地面紀(jì)錄。同時,遙傳短節(jié)還采集自然伽馬及方位信號,用于后期資料處理時的深度和方位校正。儀器工作原理見圖3。

圖3 儀器工作原理示意圖

儀器性能指標(biāo):最高耐溫175 ℃;最高耐壓140 MPa;儀器最大外徑104 mm;徑向探測深度大于40 m;縱向分辨率20 mm;方位分辨率22.5°;數(shù)據(jù)傳輸速率1 Mbit/s。

2.2 多極子發(fā)射探頭設(shè)計

發(fā)射聲系包含2組發(fā)射探頭:一組單極發(fā)射,一組偶極發(fā)射。單極發(fā)射探頭為相控線陣結(jié)構(gòu),由6個拼條式切向激發(fā)的換能器組成。每個發(fā)射換能器都有各自獨立的激發(fā)電路,以保證發(fā)射功率的穩(wěn)定性。對于不同聲速的地層,為保證大部分能量進入地層,可以通過調(diào)節(jié)相控延遲時間使發(fā)射的相控聲束進入地層[6],可按式(1)計算相控延遲時間τ(見圖4)。偶極發(fā)射探頭是由4個探頭分2組形成寬帶正交模式。這樣的發(fā)射聲系,既可以測量聲波時差、反射波等信息,還可以測量軟、硬地層橫波,分析地層各向異性等(見圖5)。

(1)

式中,t為相控延遲時間;?為聲束偏轉(zhuǎn)角;h+d為相鄰相控?fù)Q能器間的距離;v為井液速度。

圖4 相控線陣發(fā)射聲場示意圖

圖5 偶極子發(fā)射聲場示意圖

2.3 多陣列方位接收探頭設(shè)計

接收聲系由10組方位接收探頭組成,每組由8個不同方位的接收換能器組成環(huán)形結(jié)構(gòu)(見圖6),共80個片狀寬帶接收換能器單元。每個換能器單元使用獨立的信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集通道(共80個通道,每個通道增益動態(tài)范圍90 dB,16位ADC全并行同步采集),整個聲系形成5個數(shù)字化節(jié)點與儀器高速總線相連。這樣的發(fā)射、接收探頭可構(gòu)成多模式測量:單極發(fā)射-單極接收、單極發(fā)射-方位接收、偶極發(fā)射-方位接收。對于方位接收信號,采用相控接收波形合成法實現(xiàn)對地質(zhì)體方位的識別(見圖7)。

圖6 接收探頭結(jié)構(gòu)示意圖及其截面圖

圖7 相控方位接收指向性圖

2.4 直接承壓式有源聲系設(shè)計

發(fā)射、接收聲系都采用直接承壓式有源聲系結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的聲波測井儀器均由聲波電路短節(jié)和聲系短節(jié)組成,測井時將2個短節(jié)連在一起,這種連接方式信噪比較低,且容易出現(xiàn)絕緣低、連通性差等問題。方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器由于采集聲波信號量大、信號弱,傳統(tǒng)連接方式已不能滿足大量的弱信號傳輸需求,因此,設(shè)計出一種直接承壓式發(fā)射、接收聲系,將發(fā)射、接收電路與對應(yīng)的發(fā)射、接收聲系直接有機結(jié)合,減少中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié),初始信號、模擬信號直接與電路板相連。該設(shè)計省去了電子短節(jié),減少了系統(tǒng)模塊間的干擾,為弱信號采集提供了有利條件,提高了儀器信噪比、穩(wěn)定性、可靠性等性能,并使儀器測量點距儀器底部比原來縮短了2.5 m左右。

2.5 高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

由于有2組發(fā)射探頭(單極和偶極)、10組80個方位接收換能器,因此,數(shù)據(jù)采集共有120道聲波列數(shù)據(jù)。其中80道單極方位接收聲波陣列,40道偶極接收陣列。由于數(shù)據(jù)量龐大,現(xiàn)有地面采集系統(tǒng)傳輸速率不能滿足要求,研制出傳輸速率為1 Mbit/s的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 方法驗證實驗

方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器是一種新型反射波測量理論指導(dǎo)下的新型測井儀器,為了驗證其方法可行性,在水深50 m以上的國家級大型水聲實驗基地千島湖基地進行了不同距離、不同方位、不同界面大小的方法驗證實驗。實驗共進行了6組,獲得12組數(shù)據(jù)。表1、表2分別為12組不同實驗方式下所獲得的距離、方位的實驗數(shù)據(jù)。圖8是單板實驗中儀器與反射體相距10 m時所做的實驗的模型示意圖、距離及方位的成像圖。圖9是雙板實驗圖,雙板與模型均相距5 m。圖10為5 m等距雙板反射波模擬實驗及距離方位成像成果圖。

表1 方位角測量值與實際值對比數(shù)據(jù)表

表2 距離測量值與實際值對比數(shù)據(jù)表

從實驗數(shù)據(jù)及圖8、圖9、圖10中可以看到,方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器探測到10 m遠(yuǎn)的反射界面及其所在方位,實驗測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果與模型實際情況相符,表明儀器的方位、距離探測特性與理論分析相符。10 m遠(yuǎn)的反射距離換算到灰?guī)r地層可以探測超過40 m遠(yuǎn)的界面,利用相控接收波形合成技術(shù),能使方位分辨率提高到22.5°。

圖8 儀器與模型相距10 m實驗圖組

圖9 雙板與儀器相距5 m實驗圖組

圖10 距離方位成像成果圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用

方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器已經(jīng)完成多口井的下井試驗,測井均一次成功,所測資料合格率100%。根據(jù)測井資料分析儀器的穩(wěn)定性、一致性、重復(fù)性滿足技術(shù)要求。在所有測井記錄中創(chuàng)新2項紀(jì)錄:①完成6.5 in*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同井的測量任務(wù);②在大于7 400 m的深井中完成作業(yè)測井。

官××井測量目的層為中生界,巖性為火成巖。該井進行的主要測井系列:高分辨率陣列感應(yīng)測井、三孔隙度測井、自然伽馬能譜、核磁共振測井、微電阻率成像測井、方位遠(yuǎn)探測測井。圖11顯示,只有3 191～3 201 m井段井壁裂縫發(fā)育,常規(guī)測井曲線分析3 191～3 219 m井段裂縫發(fā)育。經(jīng)過方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器測量后的測井解釋有3條主裂縫。從XRMI圖上看有效儲層厚度為10 m,常規(guī)測井曲線圖分析有效儲層厚度為28 m,從ARIII成果圖上看有效儲層厚度為47 m,裂縫與平面夾角分別62°、64°、60°,方位為13°、185°、135°,有效儲層厚度為3 191～3 238 m。通過解釋分析將原有效儲層厚度從28 m增加到47 m。通過試油,該井日產(chǎn)油30.2 t。

圖11 官××井解釋成果圖

5 結(jié)束語

(1) 方位遠(yuǎn)探測反射波成像測井儀器由于采用了具有針對性的單極發(fā)射、偶極發(fā)射、陣列方位接收器等多種先進技術(shù),并依靠測井模式設(shè)計,可以實現(xiàn)在不同類型巖層、不同復(fù)雜地質(zhì)條件下的井筒和井旁地層聲波特性探測、井旁裂縫(斷面)等識別、儲層劃分測井和地質(zhì)評價需求。

(2) 方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器創(chuàng)新設(shè)計的直接承壓式發(fā)射、接收聲系,對于提高儀器信噪比、穩(wěn)定性、一致性等提供了新的技術(shù)手段,也為今后類似儀器研制提供了新的思路。

(3) 方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器采用10組8個方位的接收聲系以及相控接收波形合成方法能夠?qū)μ綔y到的地質(zhì)反射體進行定向方位識別。

(4) 方位遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井儀器探測距離40 m、方位分辨率22.5°,有效彌補了現(xiàn)有測井技術(shù)探測深度太淺與地震勘探分辨率較低的缺陷,為深部復(fù)雜油氣儲層的精細(xì)描述提供新的技術(shù)手段。

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