隨鉆超聲井眼成像可行性實(shí)驗(yàn)研究

張 碩，高文凱，滕鑫淼，劉 珂，丁華華，禹德洲

1中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2中國石油勘探開發(fā)研究院

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對油氣的需求量日益增加，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)已經(jīng)成為增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域。相比于常規(guī)油氣，非常規(guī)油氣勘探開發(fā)難度大，地質(zhì)與工程條件復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)高，增加了鉆井難度與開發(fā)成本。隨鉆測井技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取地層參數(shù)和井眼信息，提高儲(chǔ)層鉆遇率，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)及成本。近年來，隨鉆測井技術(shù)快速發(fā)展，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度不斷提高，并且向著隨鉆成像測井技術(shù)方向發(fā)展。形成了隨鉆電阻率成像、隨鉆超聲成像、隨鉆伽馬成像等多種隨鉆成像技術(shù)，且成像質(zhì)量已經(jīng)接近或達(dá)到了電纜成像方式[1- 5]。

隨鉆超聲井眼成像技術(shù)以其成像分辨率高、適用于油基、水基鉆井液等特點(diǎn)得到了長足的發(fā)展。2019年，哈里伯頓、貝克休斯、斯倫貝謝三大油服公司分別發(fā)布具備隨鉆功能的超聲波井眼成像工具PixStar[6]、ImageTrak[7]、TerraSphere[8]，可以同時(shí)在油基鉆井液和水基鉆井液中生成高分辨率的井眼圖像，圖像能夠用于反應(yīng)井眼幾何形狀，識別井壁裂縫、孔洞、層理等特征，幫助工程人員實(shí)時(shí)監(jiān)測井眼工程狀況和質(zhì)量，助力非常規(guī)油氣的優(yōu)質(zhì)、安全、高效勘探開發(fā)[9]。

綜上所述，筆者對隨鉆超聲井眼成像可行性進(jìn)行了研究，介紹了隨鉆超聲井眼成像原理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，制定了實(shí)驗(yàn)方案，分析了不同測量距離、不同待測物、不同傳輸介質(zhì)對超聲波傳輸時(shí)間、超聲波回波幅值的影響。

1 隨鉆超聲井眼成像方法

隨鉆超聲井眼成像方法是一種在隨鉆工況下應(yīng)用超聲波測量井徑大小和井壁特征信息，最終實(shí)現(xiàn)井眼成像的方法。如超聲波測量原理圖(見圖1)所示，超聲波換能器垂直向井壁發(fā)射超聲波脈沖并接收被井壁反射回的首次回波，跟隨鉆鋌移動(dòng)的同時(shí)沿鉆鋌中心旋轉(zhuǎn)，以螺旋掃描的方式獲取360°井眼信息。鉆鋌中同時(shí)裝有電路系統(tǒng)，由主控電路、發(fā)射電路、采樣與儲(chǔ)存電路和工具面測量電路構(gòu)成，具備實(shí)時(shí)發(fā)射激勵(lì)電脈沖信號、檢測換能器所處工具面角信息、對回波信號進(jìn)行放大、濾波、采集與儲(chǔ)存處理、讀取超聲波傳輸時(shí)間信息與首次回波最大幅值信息等功能[10- 13]。

隨鉆超聲井眼成像方法利用超聲波在井眼中傳輸，井眼直徑不同時(shí)傳輸時(shí)間不同的特征，能夠根據(jù)超聲波信號的傳輸時(shí)間反推出各方位的井徑大小，從而得到井眼形狀；利用井壁組成介質(zhì)不同時(shí)聲阻抗有差異，且超聲波在不同聲阻抗的井壁下反射回波幅值不同的特性，根據(jù)超聲波回波信號的幅值反演出井壁圖像。結(jié)合井眼曲線與井壁圖像，可以生成3D井眼圖像[14]。

圖1 超聲波測量原理圖

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

為進(jìn)行隨鉆超聲井眼成像可行性實(shí)驗(yàn)，研制并搭建了隨鉆超聲井眼成像方法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要包括：三軸移動(dòng)定位平臺(tái)、超聲波換能器(聚焦式)、花崗巖石板、信號發(fā)射電路、示波器、直流電源、水槽、清水/鉆井液等。實(shí)驗(yàn)以三軸移動(dòng)定位平臺(tái)作為換能器的承托裝置，模擬井下鉆鋌；以換能器作為超聲波信號的發(fā)射與接收裝置；以表面留有不同大小縫隙與孔隙的花崗巖石板作為待測物，模擬井壁；以清水與鉆井液作為超聲波的傳輸介質(zhì)；以信號發(fā)射電路作為換能器的激勵(lì)源；以示波器作為信號采集裝置，用于讀取超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值信息。實(shí)驗(yàn)過程中，將花崗巖石板置于水槽底部，三軸移動(dòng)定位平臺(tái)Z軸連桿連接換能器，平行置于花崗巖石板正上方。針對不同測量距離、不同待測物、不同傳輸介質(zhì)三個(gè)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量超聲波的傳輸時(shí)間信息與回波幅值信息(由于首次回波幅值更易讀取與對比，測試過程中用首次回波的最大幅值信息代替回波幅值信息)，生成花崗巖石板表面圖像，驗(yàn)證隨鉆超聲井眼成像方法的可行性，為后續(xù)開發(fā)隨鉆超聲井眼成像儀器提供理論支撐。

2.1.2 核心組成部件

2.1.2.1 超聲波換能器

為滿足實(shí)際工況需求，選用中心頻率為290 kHz的聚焦式收發(fā)一體超聲波換能器(見圖2)。該換能器尾端留有黑色與紅色導(dǎo)線，用于傳輸激勵(lì)信號與超聲波回波信號[15]，前端配有彎曲輻射表面，用于產(chǎn)生會(huì)聚聲場，且聚焦中心位置聲場強(qiáng)度最大，有助于提高測量的分辨率與靈敏度。

圖2 換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2.2 三軸移動(dòng)定位平臺(tái)

三軸移動(dòng)定位平臺(tái)(見圖3)作為換能器的承托裝置，可以使換能器實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸全方位勻速掃描，X、Y、Z方向的最大行程分別為170 mm、190 mm、70 mm，最小單次移動(dòng)行程為分別1 mm、1 mm、1 mm，其性能可以滿足對二維或三維待測物進(jìn)行超聲成像的應(yīng)用需求。

圖3 三軸移動(dòng)定位平臺(tái)

2.1.2.3 花崗巖石板

為模擬井壁，設(shè)計(jì)了一種花崗巖石板(見圖4)作為待測物，該待測物表面開有5條縫隙與4個(gè)圓形孔隙，縫隙1～5寬度分別為：2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，孔隙1～4直徑分別為：2 mm、4 mm、6 mm、8 mm。

圖4 花崗巖石板實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值測試

在不同測量距離、不同待測物條件下進(jìn)行超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

具體步驟為：①選用密度為1.0 g/cm3的清水作為傳輸介質(zhì)，設(shè)置換能器與花崗巖石板間的垂直距離為5 mm，讀取該測量距離下超聲波傳輸信息與回波幅值信息；②控制三軸移動(dòng)定位平臺(tái)在Z軸方向向上移動(dòng)5 mm，讀取該測量距離下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值信息； ③重復(fù)步驟②，測量距離逐次增加5 mm，直到換能器距花崗巖石板70 mm，停止測量，記錄數(shù)據(jù)。④移動(dòng)三軸定位平臺(tái)X、Y軸，將換能器分別置于花崗巖石板縫隙1～5、孔隙1～4上方，重復(fù)步驟①～③。

2.2.2 不同傳輸介質(zhì)條件下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值測試

在不同傳輸介質(zhì)條件下進(jìn)行超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 不同測量距離、不同傳輸介質(zhì)條件下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值實(shí)驗(yàn)參數(shù)

具體步驟為：①選用密度為1.0g/cm3的清水作為傳輸介質(zhì)，設(shè)置換能器與花崗巖石板間的垂直距離為5 mm，讀取該測量距離下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值信息；②控制三軸移動(dòng)定位平臺(tái)在Z軸方向向上移動(dòng)5 mm，讀取此刻超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值信息；③重復(fù)步驟②，測量距離逐次增加5 mm，直到換能器距花崗巖石板50 mm，停止測量，記錄數(shù)據(jù)；④分別選用密度為1.8 g/cm3、2.0 g/cm3的油基鉆井液作為傳輸介質(zhì)，重復(fù)步驟①～③。

2.2.3 超聲波成像測試

進(jìn)行超聲波成像測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

表3 超聲波成像實(shí)驗(yàn)參數(shù)

具體步驟為：①選用密度為1.0 g/cm3的清水作為傳輸介質(zhì)，設(shè)置換能器與花崗巖石板間的垂直距離為35 mm，讀取此刻超聲波回波幅值信息；②以X方向1 mm，Y方向1 mm的步進(jìn)間隔，對花崗巖石板表面進(jìn)行二維掃描，記錄各測量點(diǎn)的超聲波回波幅值信息。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值測試

3.1.1 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波傳輸時(shí)間測試

由表1中實(shí)驗(yàn)1所得數(shù)據(jù)繪制出“不同待測物下測量距離—傳輸時(shí)間曲線圖”(見圖5)。由圖5分析可知，在任意相同的測量距離下，超聲波傳輸時(shí)間不隨待測物的改變而變化；測量距離與傳輸時(shí)間呈線性正相關(guān)，在任意相同的待測物下，超聲波傳輸時(shí)間隨著測量距離的增大而升高，表明超聲波傳輸時(shí)間對測量距離較為敏感，可以用于測量井下各個(gè)方位的井徑值信息，生成井眼曲線。

圖5 不同待測物下測量距離—傳輸時(shí)間曲線圖

3.1.2 不同測量距離、不同待測物條件下超聲波回波幅值測試

由表1中實(shí)驗(yàn)2所得數(shù)據(jù)繪制出 “不同待測物下測量距離—回波幅值曲線圖”(見圖6)。由圖6分析可知，在任意相同的測量距離下，待測物不同，回波幅值存在差異，且隨著孔隙與縫隙的增大，回波幅值逐漸減小，表明超聲波回波幅值可以用于識別井壁上的孔隙與縫隙等特征，實(shí)現(xiàn)井壁成像；在任意相同的待測物下，當(dāng)測量距離由5 mm增大到35 mm時(shí)，回波幅度呈上升趨勢，當(dāng)測量距離由35 mm增大到70 mm時(shí)，回波幅值呈下降趨勢，當(dāng)測量距離為35 mm時(shí)，回波幅值最大，表明該款換能器在測量距離為35 mm時(shí)超聲波聚焦效果最強(qiáng)。

圖6 不同待測物下測量距離—回波幅值曲線圖

3.2 不同傳輸介質(zhì)條件下超聲波傳輸時(shí)間與回波幅值測試

3.2.1 不同傳輸介質(zhì)條件下超聲波傳輸時(shí)間測試

由表2中實(shí)驗(yàn)3所得數(shù)據(jù)繪制出“不同傳輸介質(zhì)下測量距離—傳輸時(shí)間曲線圖”(見圖7)。由圖7析可知，在任意相同的測量距離下，鉆井液密度影響超聲波傳播時(shí)間，且隨著鉆井液密度的增加，傳輸時(shí)間增加；在密度為1.0 g/cm3的清水、1.8 g/cm3的油基鉆井液和2.0 g/cm3的油基鉆井液中，傳輸時(shí)間隨著測量距離的升高呈線性增加，表明在高密度鉆井液中也可以實(shí)現(xiàn)井徑測量。

圖7 不同傳輸介質(zhì)下測量距離—傳輸時(shí)間曲線圖

3.2.2 不同傳輸介質(zhì)條件下超聲波回波幅值測試

由表2中實(shí)驗(yàn)4所得數(shù)據(jù)繪制出“不同傳輸介質(zhì)下測量距離與回波幅值曲線圖”(見圖8)。由圖8分析可知，當(dāng)測量距離相同時(shí)，隨著鉆井液密度的升高，超聲波的衰減增大，回波幅值減小；在1.8 g/cm3的油基鉆井液和2.0 g/cm3的油基鉆井液中，隨著測量距離的增加，回波幅值減小，當(dāng)測量距離為50 mm時(shí)，回波幅值衰減為0，表明在一定測量范圍內(nèi)，可以在高密度油基鉆井液中實(shí)現(xiàn)井壁成像。

圖8 不同傳輸介質(zhì)下測量距離—回波幅值曲線圖

3.3 超聲波成像測試

由表3中實(shí)驗(yàn)5所得數(shù)據(jù)繪制出 “超聲波回波幅值成像結(jié)果”(見圖9)。圖像由數(shù)個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)像素點(diǎn)代表在某一點(diǎn)測得的回波幅值；像素點(diǎn)顏色越深，代表當(dāng)前位置的超聲波回波幅值越低，像素點(diǎn)顏色越淺，代表當(dāng)前位置的超聲波回波幅值越高。因此，由圖9可以明顯觀察出花崗巖石板表面特征，包括五條縫隙與四個(gè)孔隙，且成像效果清晰，實(shí)現(xiàn)了超聲波成像。

圖9 超聲波回波幅值成像結(jié)果

4 結(jié)論與建議

(1)研究了隨鉆超聲井眼成像方法，該方法通過讀取超聲波的傳輸時(shí)間和首次反射回波的最大幅值信息，推算井徑信息與井壁特征信息，最終實(shí)現(xiàn)井眼成像。

(2)設(shè)計(jì)搭建了室內(nèi)隨鉆超聲井眼成像方法實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了大量測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①超聲波傳輸時(shí)間與測量距離呈線性正相關(guān)(即測量距離越大，傳輸時(shí)間越長)，受待測物影響較小，與鉆井液密度呈正相關(guān)(即鉆井液密度越大，傳輸時(shí)間越長)；②超聲波回波幅值與測量距離呈負(fù)相關(guān)(即測量距離越大，回波幅值越小)，受待測物影響較大，隨著待測物大小形狀的改變，幅值大小有明顯的差異，與鉆井液密度呈負(fù)相關(guān)(即鉆井液密度越大，回波幅值越小)。

(3)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①超聲波傳輸時(shí)間信息可以用于井徑的測量及井眼形狀的識別；②超聲波回波幅值信息可以用于井壁縫隙與孔隙等特征的識別與成像；③隨鉆超聲井眼成像方法可以適用于高密度的油基鉆井液中。

(4)由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)裝置的限制，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)仍有缺陷和不足，建議在已有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，同時(shí)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步驗(yàn)證隨鉆超聲井眼成像方法的可行性并分析影響超聲波成像的因素。