隨鉆聲波遠探測聲波速度成像數(shù)值模擬與試驗

朱祖揚

（1. 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 102206；2. 中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

近年來，隨著非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的力度不斷加大，各油田地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測井作業(yè)的需求日益增多，對隨鉆聲波遠探測的方位測量性能和探測深度提出了新的要求[1-4]。

在這方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)研究工作。國外，哈里伯頓公司提出了聲波地質(zhì)導(dǎo)向方法[5]，可探測不同深度、不同方向地層的聲波速度，根據(jù)聲波速度成像識別儲層界面位置，對含氣地層的地質(zhì)導(dǎo)向效果明顯；斯倫貝謝公司在隨鉆聲波測井儀器上使用偏心點聲源環(huán)向掃描地層[6]，具有強于偶極傳感器的輻射能量和方位指向性，可實現(xiàn)地層各向異性的隨鉆測量。國內(nèi)，喬文孝等人[7]提出了一種隨鉆地層界面聲波掃描測量裝置，使用1個聲波輻射器和2個不同源距的聲波接收器接收聲波，聲波輻射器和聲波接收器均位于鉆鋌的同側(cè)，可以獲取井旁地層界面距離和方位；衛(wèi)建清等人[8]使用人工合成水平橫向各向同性慢速地層的隨鉆偏心點聲源聲波測井資料，定量評價了地層橫波各向異性大?。粡堈i等人[9]數(shù)值模擬了瓦片狀聲源隨鉆方位聲波測井儀器在均勻地層、方位分區(qū)變化地層以及過界面地層中的測井響應(yīng)特征；孫志峰等人[10-12]采用有限元法，對適用于隨鉆多極子聲波測井儀的疊片型接收換能器進行了優(yōu)化設(shè)計，制作了長條方管形薄壁鋁殼的接收聲系封裝外殼，提高了信號的采集質(zhì)量。截至目前，關(guān)于不同方向聲波速度的研究側(cè)重于理論建模和數(shù)值模擬，由于理論模型過于復(fù)雜，很難通過試驗測量來驗證數(shù)值模擬結(jié)果。

為了研究隨鉆聲波遠探測的方位聲波速度測量性能，筆者構(gòu)建了一個不同方向速度模型井，并加工了模型井試驗裝置，數(shù)值模擬了該模型井的聲波傳播和慢度成像，然后利用試驗裝置進行了方位聲波速度測量試驗。通過數(shù)值模擬和試驗測量的相互驗證，為隨鉆聲波遠探測儀器的聲源選型和數(shù)據(jù)采集提供了理論依據(jù)。

1 聲波速度成像數(shù)值模擬

1.1 不同方向速度模型井

構(gòu)建的模型井[13]如圖1所示（T為瓦片狀方位聲源，R1，R2，…，R8為條帶接收器陣列上的接收單元），從井內(nèi)到井外依次為水、鋁質(zhì)鉆鋌、水、圓形管，圓形管內(nèi)半徑108 mm，圓形管徑向厚度10 mm，軸向高度3 000 mm；井外為無窮大水介質(zhì)，分為A，B，C和D等4個扇區(qū)，A扇區(qū)方位角315°～45°，B扇區(qū)方位角45°～135°，C扇區(qū)方位角135°～225°，D扇區(qū)方位角225°～315°，分別由鋁、PVC、不銹鋼和PVC制成，相鄰扇區(qū)的縱波速度和橫波速度各不相同，模型井的聲學(xué)參數(shù)見表1。隨鉆聲波遠探測儀位于圓形管內(nèi)且居中，使用了1個瓦片狀方位聲源發(fā)射聲波和1個條帶接收器接收聲波，條帶接收器安裝在聲源的同一方向上，內(nèi)部包含有8個接收單元接收聲波，接收源距為2 000 mm（最近接收單元離聲源的距離），接收間距為200 mm。為了便于數(shù)值模擬，減少鉆鋌波的干擾，截斷了聲源和接收器之間的鉆鋌。

圖1 不同方向速度模型井Fig.1 Well model with different velocities in different directions

表1 模型井聲學(xué)參數(shù)Table 1 Acoustic parameters of well model

1.2 方位聲波慢度成像

采用有限差分法，數(shù)值模擬了不同方向速度模型井的聲場傳播規(guī)律[14]。數(shù)值模擬時，采用了偏極子發(fā)射和偏極子接收的測量模式，即采用1個瓦片狀方位聲源來發(fā)射聲波和1個條帶接收器來接收波形。

圖2所示為方位角為0°，90°，180°和270°時接收到的波形。從圖2可以看出，方位角為0°的接收波形與其他方位角的接收波形不同，方位角為180°的接收波形與其他方位角的接收波形不同，而方位角為90°和方位角為270°的接收波形相同，這說明方位角為0°和方位角為180°對應(yīng)的介質(zhì)與其他方位角對應(yīng)的介質(zhì)不同，但是方位角為90°和方位角為270°對應(yīng)的是同一種介質(zhì)，這與模型井聲學(xué)參數(shù)的設(shè)置是一致的。

圖2 不同方向的陣列接收波形Fig.2 Waveforms recorded by array receivers in different directions

圖3為 0°，90°，180°和 270°等4個方位角的接收波形的時間慢度相關(guān)圖。從圖3可以看出，沿著模型井傳播的模式波較多，這里只討論“首波”（傳播時間最短的模式波，標(biāo)記為P）的傳播情況，方位角0°對應(yīng)介質(zhì)的“首波”慢度為190 μs/m，方位角180°對應(yīng)介質(zhì)的“首波”慢度為200 μs/m，方位角90°和270°對應(yīng)介質(zhì)的“首波”慢度均為230 μs/m，說明相鄰扇區(qū)對應(yīng)介質(zhì)的“首波”速度各不相同。

圖3 不同方向接收波形的時間慢度相關(guān)圖Fig.3 Slowness-time coherence (STC) chart of waveforms received in different directions

圖4為方位聲波慢度成像圖，即對聲波時間慢度按照方位角所畫的圖。計算得到方位角為0°，90°，180°和270°時，對應(yīng)介質(zhì)的“首波”速度分別為5 263.1，4 347.8，5 000.0和4 347.8 m/s。這里的“首波”速度，既不是模型井的縱波速度，也不是模型井的橫波速度，而是沿模型井傳播的導(dǎo)波速度。由于模型井的圓形管管壁薄，儀器在管壁內(nèi)激發(fā)出導(dǎo)波，不同方位角的導(dǎo)波速度有明顯差異。

從圖4可以看出，方位角為0°和180°時模擬得到的聲波速度是鋁和不銹鋼的導(dǎo)波速度，但方位角為90°和270°時模擬得到的聲波速度則不是PVC材質(zhì)的導(dǎo)波速度。造成這種現(xiàn)象的原因是，鋁的兩側(cè)是PVC材質(zhì)，相當(dāng)于1個高速層夾在2個低速層之間，高速層的模擬結(jié)果不會受到低速層的影響；但是，PVC材質(zhì)的兩側(cè)是鋁和不銹鋼，相當(dāng)于1個低速層夾在2個高速層之間，當(dāng)聲波定向發(fā)射到低速層上時，聲波會優(yōu)先選擇兩側(cè)的高速層傳播，導(dǎo)致低速層的模擬結(jié)果受到高速層的影響，使得模擬得到的聲波速度介于PVC和鋁、不銹鋼的導(dǎo)波速度之間，實際是三者的綜合導(dǎo)波速度。盡管方位角為90°和270°時模擬得到的聲波速度不是PVC的導(dǎo)波速度，但這2個方位角的聲波速度在4個扇區(qū)里仍然是最低的，并未改變不同方向聲波速度模型井的聲學(xué)參數(shù)變化趨勢，也就是說，使用方位聲源仍然可以獲取井周地層方位聲波速度信息和識別方位分區(qū)的變化。

圖4 方位聲波慢度成像Fig.4 Azimuthal acoustic slowness imaging

2 聲波速度測量試驗

為了檢驗上述數(shù)值模擬的效果，按照圖1所示的模型井設(shè)計了試驗裝置[15]，該試驗裝置為1瓣鋁質(zhì)扇形管、1瓣鋼質(zhì)扇形管和2瓣P(guān)VC扇形管組合成的圓形管。圓形管的長度為3 000 mm，管壁厚度為10 mm，設(shè)計加工成本很低。同時，研制了一套隨鉆聲波測量裝置，包括1個發(fā)射短節(jié)和1個接收短節(jié)，均由鋁質(zhì)材料加工而成，外徑均為171.0 mm，內(nèi)徑均為57.2 mm，長度分別為417.0和543.0 mm。隨鉆聲波測量采用“一發(fā)兩收”的工作模式，在發(fā)射短節(jié)上安裝了一個瓦片狀聲波發(fā)射換能器（標(biāo)記為T），發(fā)射換能器的發(fā)射頻率為13.8 kHz，瓦片弧度為90°，外半徑為85 mm，內(nèi)半徑為70 mm，高度為120 mm。在接收短節(jié)上安裝了一個接收器陣列，接收器陣列由2個寬頻接收換能器（標(biāo)記為R1和R2）組成，接收換能器的接收帶寬為0～32.2 kHz，間距為200 mm。

為方便操作，在模型井上套了一個方位刻度盤，用于調(diào)整聲系的所放位置，如圖5所示（圖5中，方位角0°指向鋁質(zhì)扇形管，方位角90°和270°指向PVC扇形管，方位角180°指向鋼質(zhì)扇形管，綠色箭頭表示聲波沿著模型井的管壁傳播）。把模型井放入一個專用大水池內(nèi)，并且完全淹沒在水里。在模型井內(nèi)放入隨鉆聲波測量裝置并居中，聲波發(fā)射短節(jié)和接收短節(jié)分開放置，接收源距為2 400 mm，保證發(fā)射換能器和接收換能器在同一個方位角上。

圖5 不同方向速度模型井試驗裝置Fig.5 Test device for well model with different velocities in different directions

開展了4種情形的試驗測量，轉(zhuǎn)動試驗裝置，使得聲波發(fā)射和接收分別指向方位角0°，90°，180°和270°，接收換能器R1和R2記錄到了4個方位角的波形（見圖6）。

從圖6可以看出，對于4個方位角的波形，R1接收到的聲波到時短、幅度大，R2接收到的聲波到時長、幅度小，兩列波的聲波到時差分別為40，50，40和50 μs（聲波采樣間隔為5 μs），轉(zhuǎn)換為聲波速度（記為vp）分別為5 000，4 000，5 000和4 000 m/s。

圖6 不同方向的接收波形Fig.6 Waveforms received in different directions

由于模型井的圓形管管壁薄，儀器在管壁內(nèi)激發(fā)出導(dǎo)波，因此測量得到的聲波速度是導(dǎo)波速度。聲波速度測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 聲波速度測量數(shù)據(jù)Table 2 Acoustic velocity measured data

由表2可知，方位角為0°，90°，180°和270°時測量到的聲波速度與數(shù)值模擬結(jié)果的偏差分別為4.99%，7.99%，0%和7.99%，兩者數(shù)值基本吻合。因此，使用瓦片狀方位聲源能夠準(zhǔn)確測量2個扇區(qū)高速介質(zhì)的聲波速度，同時識別出2個扇區(qū)低速介質(zhì)的聲波速度變化趨勢。

3 結(jié)論與建議

1）建立了不同方向速度模型井，相鄰扇區(qū)的縱波速度和橫波速度不同，表示井周方向上地層是非均質(zhì)的。數(shù)值模擬結(jié)果表明，使用偏極子發(fā)射和偏極子接收的測量模式，獲取了方位角為0°，90°，180°和270°時的接收波形，并計算得到了這4個方位角的聲波速度，方位聲波慢度成像圖能夠明顯反映出模型井的分區(qū)變化。

2）設(shè)計了不同方向速度模型井試驗裝置，并開展了聲波速度測量試驗，采用瓦片狀聲波發(fā)射換能器發(fā)射聲波，準(zhǔn)確測量到了2個扇區(qū)高速介質(zhì)的聲波速度，同時識別出了2個扇區(qū)低速介質(zhì)的聲波速度變化趨勢；與數(shù)值模擬結(jié)果相比，4個方位角的聲波速度測量偏差分別為4.99%，7.99%，0%和7.99%，表明試驗測量結(jié)果可靠。

3）不同方向速度模型井建模簡單，試驗裝置設(shè)計成本低，便于研究不同方向聲波速度的變化規(guī)律；但受限于模型井的圓形管壁薄，只能提取到模型井的導(dǎo)波速度，而不能提取到模型井的縱波速度和橫波速度。因此，該模型井只適合對隨鉆聲波遠探測原理樣機進行功能性驗證，如果需要對隨鉆聲波遠探測工程樣機的性能進行全面評價，建議在刻度井里進行標(biāo)定測試。