隨鉆四極子聲波測井儀在油田勘探開發(fā)中的應(yīng)用

盛達(dá),于洋,祁曉

(1.中海石油(中國)有限公司,北京100010;2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部,河北三河065201)

0 引 言

聲波測井是地球物理測井的重要分支,電纜聲波測井從早期的單極子聲波測井,逐步發(fā)展為具有方位性的交叉偶極聲波測井[1]。基本可以滿足氣層識(shí)別、儲(chǔ)層物性參數(shù)分析、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算、各向異性評價(jià)、合成地震記錄等方面的需要。目前國內(nèi)外的電纜聲波測井已經(jīng)比較成熟[2],但當(dāng)遇到復(fù)雜井況且對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高時(shí),隨鉆測井技術(shù)就顯得尤為重要。隨鉆測井在鉆井的同時(shí)完成測井作業(yè),既減少時(shí)間、節(jié)約成本,又能在保持地層原狀、不受鉆井液侵入的情況下完成測量,獲得地層真實(shí)信息[3]。

自20世紀(jì)90年代初斯倫貝謝公司首次推出隨鉆單極子聲波測井儀ISONIC之后,哈里伯頓、貝克休斯等公司也相繼推出了隨鉆聲波測井儀器,在國內(nèi)外多個(gè)油藏區(qū)塊獲得商業(yè)化應(yīng)用。后續(xù),在軟地層中獲得橫波的需求推動(dòng)了隨鉆多極子聲波儀器的發(fā)展[4]。Varsamis等[5]利用有限元模擬并設(shè)計(jì)了隨鉆偶極子聲波儀,即哈里伯頓的BAT儀器。Tang等[6]認(rèn)為隨鉆偶極子聲波測井儀無法有效消除鉆鋌波的影響。Tang提出鉆鋌波四極子存在截止頻率,可以在低頻段得到不受鉆鋌影響的地層四極子波,Huang、Tang等[7-8]的數(shù)值模擬結(jié)果也可以表明隨鉆四極子是測量地層橫波的最佳選擇。國外油服公司相繼推出了隨鉆四極子聲波測井儀,以全球最大的油田服務(wù)公司斯倫貝謝公司為例,其推出的SonicScope系列隨鉆四極子聲波儀器可以獲得高質(zhì)量的縱波、橫波數(shù)據(jù)[9]。中國隨鉆測井儀器的相關(guān)研發(fā)起步較晚,崔志文、王華等[10-11]模擬了隨鉆環(huán)境下井孔內(nèi)外的聲學(xué)特征。同時(shí)在隔聲體、電路系統(tǒng)、鉆鋌及數(shù)據(jù)處理方法研究等方面取得了不少突破[12-17]。2019年,中海油田服務(wù)股份有限公司自主研制的隨鉆四極子聲波測井儀(Quadrupole Array Sonic Tool,簡稱QUAST儀器),首次在新疆實(shí)驗(yàn)測試成功。后續(xù)在渤海海域、南海西部海域、山西、伊拉克等地實(shí)現(xiàn)了十余口井的商業(yè)化作業(yè),標(biāo)志著中國自主研發(fā)的隨鉆四極子聲波測井技術(shù)已打破國外壟斷,推動(dòng)了中國在隨鉆聲波技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。

1 QUAST儀器簡介

QUAST儀器從上至下依次為接收電路、扶正器、接收聲系、隔聲體、四極子和單極子發(fā)射聲系、扶正器及發(fā)射電路,儀器整體掛接在中海油田服務(wù)股份有限公司研發(fā)的Drilog?隨鉆測井系統(tǒng)上。儀器的發(fā)射聲系部分由1組單極子發(fā)射換能器和1組四極子發(fā)射換能器組成。接收聲系采用了陣列接收方式,每隔90°在鉆鋌的凹槽內(nèi)安裝8個(gè)接收換能器,共32個(gè)接收換能器。發(fā)射和接收聲系的上下分別安裝了扶正器,保證儀器在鉆井時(shí)居中測量。發(fā)射電路和接收電路分別安裝在鉆鋌內(nèi)部,中間依靠過線桿實(shí)現(xiàn)通訊。儀器工作時(shí)主要采用3種測量模式:單極子全波模式、四極子橫波模式及低頻斯通利波模式。

1.1 儀器主要特征

(1)儀器電路設(shè)計(jì)

QUAST儀器電路設(shè)計(jì)采用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù),可以滿足隨鉆長時(shí)間測量、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn),同時(shí)可以兼顧數(shù)據(jù)安全、重復(fù)使用、接口及溫度等影響,解決大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)技術(shù)問題。

采用預(yù)加重編碼技術(shù),設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)距離高速傳輸電路。在200 m傳輸距離的實(shí)際測試中,傳輸速率可以達(dá)到1 Mbps,滿足了測井時(shí)占用井口時(shí)間短的要求。

隨鉆聲波電路設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程升級(jí)機(jī)制,在儀器需要升級(jí)處理器程序時(shí),不需要完全拆開電路系統(tǒng)。同時(shí),在隨鉆聲波電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了安全備份啟動(dòng)模式,可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

(2)換能器最優(yōu)化

換能器是隨鉆聲波測井儀器的核心部件,隨鉆四極子的機(jī)械設(shè)計(jì)比隨鉆單極子的設(shè)計(jì)要復(fù)雜很多,而圓弧狀壓電陣子又是隨鉆聲波測井儀的重中之重。

QUAST儀器設(shè)計(jì)前對壓電陣子的幾何尺寸進(jìn)行模擬,并進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì),保證既能滿足鉆鋌波模式波隔聲阻帶中心頻率的要求,又能滿足發(fā)射換能器具有最大的聲輻射效率。采用4組條帶換能器固定在鉆鋌凹槽內(nèi)的方式,使接收聲系具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)抗震、易于維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

(3)隔聲體有效阻噪

QUAST儀器的隔聲體采用了一種新型的隔聲結(jié)構(gòu),鉆鋌外表面光滑,鉆鋌內(nèi)部槽結(jié)構(gòu),這種隔聲結(jié)構(gòu)可有效地將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的鉆鋌波濾除,使鉆鋌波與地層波在頻率域很好地分隔,儀器可以測量到高質(zhì)量的地層波信號(hào)。

(4)儀器關(guān)鍵參數(shù)

基于電路設(shè)計(jì)、換能器、隔聲體等重要組成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),QUAST儀器擁有良好的耐溫、耐壓、抗震等性能,儀器最高耐溫可達(dá)150 ℃,最高工作壓力可達(dá)20 000 psi[注]非法定計(jì)量單位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,抗震加速度可達(dá)196 m/s2。同時(shí)可以測量任意地層的縱波、橫波及斯通利波,其中,縱波測量范圍為4～200 μs/ft,測量誤差為±2 μs/ft[注]非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;橫波測量范圍為6～700 μs/ft,測量誤差為5 μs/ft;斯通利波測量范圍為189～800 μs/ft,測量精度為5 μs/ft。

1.2 QUAST儀器測量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

QUAST儀器在2019年推出之后,在經(jīng)過試驗(yàn)室驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)井測量之后,于2020年12月31日在渤海H25H井進(jìn)行了實(shí)鉆測量,該井同時(shí)進(jìn)行了單極子和四極子數(shù)據(jù)測量,下面以這口井實(shí)際測量的波形數(shù)據(jù)為例分析隨鉆測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖1 H25H井隨鉆單極子、四極子波形變密度圖

(1)原始波形分析

圖1為該井實(shí)際測量的隨鉆聲波數(shù)據(jù),其中第1道為測量深度道,第2道為隨鉆單極子聲波原始全波列道,第3道為對隨鉆單極子采用8～15 kHz頻率進(jìn)行帶通濾波后的全波列,第4道為隨鉆四極子聲波原始全波列道,第5道為對隨鉆四極子采用1～4 kHz頻率進(jìn)行帶通濾波后的全波列,第6道為地層縱波時(shí)差聯(lián)合相干圖,第7道為地層螺旋波時(shí)差聯(lián)合相干圖,第8道為時(shí)差曲線對比圖。圖1中第2道單極子聲波原始全波列中清晰的豎直狀首波為鉆鋌波,鉆鋌波后為地層縱波,由于地層為軟地層,所以單極子波列中無橫波波形,縱波后較低頻率的為斯通利波。對單極子全波列進(jìn)行濾波后,就可以把鉆鋌波以及低頻噪音濾掉,在圖1中第3道只剩下縱波波形;同樣,對圖1中第4道四極子全波列進(jìn)行濾波后,就可以把低頻噪音濾掉,在圖1中第5道只剩下螺旋波波形。為了進(jìn)一步分析不同接收上的波形質(zhì)量,取深度點(diǎn)1 556.8 m處的隨鉆聲波波形進(jìn)行回放,結(jié)果見圖2。圖2中,隨鉆單極子、四極子全波中陣列波形線性度較好,波形頻譜一致性較好,隨鉆單極子波形頻譜中心頻率在10 kHz左右,隨鉆四極子波形頻譜中心頻率在3 kHz左右,綜上所述可知,隨鉆聲波測得的全波列數(shù)據(jù)質(zhì)量良好、可靠。

(2)鉆挺波的隔聲效果分析

圖2 H25H井1 556.8 m處隨鉆單極子、四極子全波波形及頻譜分析

圖3 H25H井隨鉆全波波形濾波前后波形對比圖

QUAST儀器采取獨(dú)特的隔聲體設(shè)計(jì),可以使鉆鋌波與地層波在頻率域存在阻帶,在時(shí)差提取的過程中需要用濾波的方法將鉆鋌波濾除。圖3(a)中原始隨鉆單極子陣列波形由左到右依次為鉆鋌波、地層縱波、斯通利波。根據(jù)儀器內(nèi)刻槽鉆鋌的隔聲阻帶為8～15 kHz這一特征,對隨鉆單極子全波采用該頻段進(jìn)行濾波,鉆鋌波被有效濾除,可以在濾波后的波形[見圖3(b)]看到更為清晰的地層縱波信息,地層縱波相關(guān)性明顯增強(qiáng),所得地層縱波時(shí)差更加可靠。圖3(c)中原始隨鉆四極子陣列波形由左到右依次為鉆鋌波、螺旋波,四極子模式的鉆鋌波頻率較高,其頻帶范圍大于5 kHz,采用1～4 kHz對圖3(c)中原始四極子全波列進(jìn)行濾波,圖3(d)中的鉆鋌波被有效濾除,螺旋波更加清晰,從中提取出的螺旋波時(shí)差相關(guān)性明顯增強(qiáng),所得地層橫波時(shí)差更加可靠。最終時(shí)差的結(jié)果如圖1所示,在地層縱、橫波聯(lián)合相干圖中,地層縱波、橫波的相關(guān)性較高,在0.9左右。地層縱、橫波時(shí)差曲線相關(guān)性較好,說明最終拾取的地層聲波時(shí)差結(jié)果可靠。

(3)鉆鋌波的時(shí)差驗(yàn)證

為了驗(yàn)證時(shí)差提取結(jié)果的正確性,從隨鉆單極子全波中提取了鉆鋌波時(shí)差,H25H井鉆鋌波時(shí)差平均值為59.3 μs/ft,與理論模擬的鉆鋌波速度5 100 m/s(相當(dāng)于59.8 μs/ft)近乎相等。

以上對波形、頻譜及鉆鋌波時(shí)差的分析表明QUAST儀器測量結(jié)果可靠,得到準(zhǔn)確的縱橫波時(shí)差是后期應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 大斜度井的縱波、橫波時(shí)差測量

秦皇島32-6油田主要含油層系為明化鎮(zhèn)組下段(簡稱明下段)和館陶組。該井目的層砂體為明下段Ⅰ油組3砂體,屬于曲流河沉積,平面呈片狀分布,井間儲(chǔ)層對比關(guān)系較好,儲(chǔ)層分布較穩(wěn)定。為了挖掘井間剩余油、提高儲(chǔ)量動(dòng)用程度、完善井網(wǎng),設(shè)計(jì)實(shí)施利用QUAST儀器鉆進(jìn)H22H水平調(diào)整井,最大井斜為89.29°,其鄰井B4S1井為小斜度井,最大井斜為28.67°,利用電纜聲波儀器進(jìn)行測量,這2口井鉆遇同一目的層,且距離較近。

H22H井在目的層中橫波時(shí)差的眾數(shù)為299.3 μs/ft,B4S1井在目的層中橫波時(shí)差的眾數(shù)為297.7 μs/ft,且2口井時(shí)差結(jié)果分布范圍吻合。圖4為提取的時(shí)差與自然伽馬及電阻率的對比圖,可以看到縱橫波時(shí)差相關(guān)性較好,且趨勢與自然伽馬、電阻率曲線對應(yīng)良好:當(dāng)自然伽馬升高時(shí),電阻率降低,時(shí)差有變小趨勢(軟地層);當(dāng)自然伽馬降低時(shí),電阻率升高,時(shí)差有變大趨勢。該井測量結(jié)果表明,QUAST儀器可以在軟地層獲得高質(zhì)量的地層縱波及橫波時(shí)差。

圖4 H22H井時(shí)差與自然伽馬、電阻率對比圖

2.2 復(fù)雜儲(chǔ)層的儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算

出于鉆井安全考慮,可在復(fù)雜儲(chǔ)層開發(fā)過程中利用隨鉆聲波計(jì)算儲(chǔ)層孔隙度以代替放射性污染風(fēng)險(xiǎn)比較大的中子、密度測井。伊拉克62H井為62P井的一口側(cè)鉆井,62P井為直井,利用電纜陣列聲波儀器進(jìn)行測量,62H井為水平井,利用QUAST儀器進(jìn)行測量。2口井鉆遇的目的層均為碳酸鹽巖地層,且2口井鉆遇到相同的層位。將2口井相同層位的縱波時(shí)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),縱波時(shí)差的范圍基本一致,說明隨鉆聲波數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。在碳酸鹽巖目的層中,利用聲波時(shí)差可以進(jìn)行儲(chǔ)層參數(shù)的計(jì)算,具體計(jì)算的結(jié)果見圖5。在大斜度井或水平井中,僅利用QUAST儀器就可以完成儲(chǔ)層參數(shù)的計(jì)算。

2.3 隨鉆固井質(zhì)量評價(jià)

海上油田的大斜度井、水平井日益增多,也推動(dòng)了基于隨鉆測井儀器的固井質(zhì)量評價(jià)技術(shù)的發(fā)展[17]。利用QUAST儀器進(jìn)行固井質(zhì)量評價(jià)不僅能在大斜度井、水平井等復(fù)雜井況下獲得地層聲波信息,同時(shí)在上提儀器滑眼測量過程中同時(shí)得到上一開井眼的固井質(zhì)量信息,能極大地降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約測井成本。套管井射孔、老井開窗側(cè)鉆、井控安全等工程應(yīng)用與固井質(zhì)量評價(jià)關(guān)系密切[18]。因此,中海油田服務(wù)股份有限公司也推出了與QUAST儀器配套的固井質(zhì)量評價(jià)技術(shù)。

圖5 62H井儲(chǔ)層參數(shù)計(jì)算結(jié)果圖

圖6 A13井固井質(zhì)量評價(jià)結(jié)果圖

A13井為開發(fā)多年的老井,油藏綜合分析認(rèn)為,該井原井位剩余儲(chǔ)量潛力較大。因此,為盡快恢復(fù)產(chǎn)能,擬在固井質(zhì)量好的井段進(jìn)行側(cè)鉆。此井利用QUAST儀器進(jìn)行固井質(zhì)量評價(jià),為驗(yàn)證隨鉆固井質(zhì)量評價(jià)效果,此井還利用MUIL儀器進(jìn)行了固井質(zhì)量評價(jià)[19]。圖6為A13井固井質(zhì)量評價(jià)結(jié)果圖,第3道、第4道分別為單極子全波列道與濾掉鉆鋌波后的全波列道,第5道為鉆鋌波時(shí)差聯(lián)合相干圖,第6道為套管波時(shí)差聯(lián)合相干圖,第7道為套管幅度,第8道為套管衰減,第9道為固井質(zhì)量結(jié)論道,第10道為MUIL儀器計(jì)算的水泥聲阻抗,第11道為最終建議側(cè)鉆位置道。圖6中套管波幅度道與陣列衰減曲線道中曲線均為標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值,無量綱。綜合套管波幅度與衰減曲線,對固井質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),最終評價(jià)結(jié)論為680～754.8 m固井質(zhì)量較差,為自由套管段;754.8～766 m固結(jié)質(zhì)量中等;766～815 m固結(jié)質(zhì)量較好。評價(jià)結(jié)論與MUIL儀器評價(jià)結(jié)論吻合,驗(yàn)證了隨鉆固井質(zhì)量評價(jià)效果良好,最終建議側(cè)鉆深度為791.8～794.8 m。QUAST儀器的固井質(zhì)量評價(jià),拓展了隨鉆聲波在工程中的應(yīng)用。

3 結(jié) 論

(1)QUAST儀器在電路、隔聲體、換能器設(shè)計(jì)等方面具有諸多優(yōu)勢。電路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn),解決了隨鉆測量過程中大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高速率傳輸、遠(yuǎn)距離升級(jí)等難題;在鉆鋌凹槽內(nèi)固定4組條帶換能器的方式,使接收聲系具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)抗震、易于維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)特的內(nèi)外刻槽隔聲體技術(shù)使鉆鋌波與地層波在頻率域很好的分隔,易于測量到高質(zhì)量的地層波信號(hào)。

(2)QUAST儀器可在大斜度井、水平井等復(fù)雜井況下測量地層縱波、橫波以及斯通利波時(shí)差信息,在渤海淺層疏松地層及伊拉克碳酸鹽地層均取得了良好的測量效果。

(3)在復(fù)雜儲(chǔ)層開發(fā)中嘗試采取與電阻率相結(jié)合的方式進(jìn)行儲(chǔ)層參數(shù)評價(jià)取得了良好的應(yīng)用效果,表明在不需要壓實(shí)校正的復(fù)雜儲(chǔ)層中隨鉆聲波測井可代替放射性污染風(fēng)險(xiǎn)比較大的中子、密度測井進(jìn)行儲(chǔ)層孔隙度評價(jià),未來可進(jìn)行滲透率計(jì)算及裂縫識(shí)別與判斷;

(4)利用QUAST儀器提出了固井質(zhì)量評價(jià)新技術(shù),利用QUAST儀器通過一次下井,不僅能在復(fù)雜井況下獲得地層聲波信息,同時(shí)在上提過程中得到上一開井眼的固井質(zhì)量信息,能極大地降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),節(jié)約測井成本,拓展了隨鉆聲波測井在工程測井方面的應(yīng)用。