PDC鉆頭隨鉆地震技術(shù)在勝利油田某井區(qū)的應(yīng)用探索?

童思友, 石 輝, 徐秀剛??, 王延光, 谷玉田, 孫 超

(1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室, 山東 青島 266100;2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室, 山東 青島 266237;3. 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司, 山東 東營 257000; 4. 中海石油(中國)有限公司海南分公司, 海南 海口 570312)

隨鉆地震(Seismic while drilling,SWD)是石油鉆井工程與地震勘探有機(jī)融合的技術(shù),與鉆井同步實時采集地震資料,可提取地球物理信息,用于實時預(yù)測鉆頭前方地質(zhì)信息,協(xié)助減少鉆探風(fēng)險,幫助調(diào)整鉆井作業(yè)方案,是一項具有戰(zhàn)略意義的學(xué)科交叉技術(shù)。鉆頭隨鉆地震技術(shù),即隨鉆RVSP,是最先研究和應(yīng)用的隨鉆地震技術(shù)。早在二十世紀(jì)三十年代,Weatherby利用頓鉆作為震源,形成最初的隨鉆地震思想[1];Haldorsen等利用地面?zhèn)鞲衅鳙@得鉆頭信號,并以此開展RVSP測量[2];Lorenzo Petronio等優(yōu)化了隨鉆數(shù)據(jù)采集時的地面?zhèn)鞲衅髋帕蟹绞絒3];Fabio Rocca等提出三維隨鉆地震的偏移成像方法[4];Sun等探討了將PDC鉆頭用作隨鉆地震震源的可能性[5];Yu等提出了一種集數(shù)據(jù)采集全過程為一體的隨鉆地震質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[6];Kepic 等在南澳大利亞開展鉆頭隨鉆地震試驗[7]。

目前牙輪鉆頭隨鉆地震技術(shù)相對成熟,且主要核心技術(shù)掌握在國外公司手里,中國尚處于跟進(jìn)狀態(tài)。受技術(shù)發(fā)展水平限制,我國對鉆頭隨鉆地震的研究起步較晚,于二十世紀(jì)九十年代才開始相關(guān)研究[8-9],目前對隨鉆地震的研究與國外相比還有較大差距。張紹槐、韓繼勇等開始率先在國內(nèi)開展鉆頭隨鉆地震的研究,形成了隨鉆地震技術(shù)在國內(nèi)的初步理論方法認(rèn)識,推動了隨鉆地震在國內(nèi)的發(fā)展[10-11]。2006年,中石化聯(lián)合中國地震局、中國海洋大學(xué)、中國石油大學(xué)等承擔(dān)863計劃項目“隨鉆地震技術(shù)研究”,開展聯(lián)合技術(shù)攻關(guān),在隨鉆地震數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的開發(fā)、儀器設(shè)備的研發(fā)以及基礎(chǔ)理論和方法等方面都取得了較大進(jìn)展,極大的促進(jìn)了國內(nèi)隨鉆地震技術(shù)的發(fā)展[12-14]。陸斌等利用獨(dú)立成分分析法有效改善了多種信號的混疊現(xiàn)象,在一定程度上提高了隨鉆數(shù)據(jù)處理質(zhì)量[15];黃偉傳等應(yīng)用反褶積干涉法以及自相關(guān)偏移成像,在實際隨鉆數(shù)據(jù)處理中取得了較好的效果[16];金朝娣等利用小波域相關(guān)算法使隨鉆地震數(shù)據(jù)的噪音干擾得到了更好的壓制[17];鄧瑞等利用高階交錯網(wǎng)格有限差分算法對隨鉆地震波場進(jìn)行了數(shù)值模擬[18];徐逸鶴等通過半解析的方法對鉆頭隨鉆地震震源的振幅和波場信息進(jìn)行了獲取,利用沿最陡降線回路積分方法求得了較高精度的地震波場數(shù)值解[19];秦顯科等將稀疏表示理論融入到隨鉆地震的參考信號處理過程當(dāng)中,實現(xiàn)了對參考信號稀疏分解降噪處理,使資料信噪比得到了改善[20];王林飛等對鉆頭信號在整個鉆柱系統(tǒng)中的傳輸機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析[21]。

隨著鉆井工藝的革新發(fā)展, PDC鉆頭逐漸取代牙輪鉆頭在鉆井中廣泛使用[22]。然而此前絕大部分的隨鉆地震研究都基于牙輪鉆頭鉆進(jìn)時采集到的隨鉆縱波資料,基于PDC鉆頭隨鉆地震的國內(nèi)外研究相對較少。PDC鉆頭以剪切作用為主橫向旋轉(zhuǎn)破巖鉆進(jìn),產(chǎn)生的波場以橫波為主,且其能量要遠(yuǎn)大于縱波能量。與牙輪鉆頭隨鉆地震相比,PDC鉆頭隨鉆地震技術(shù)極具挑戰(zhàn)性,國內(nèi)外均無成熟技術(shù)可借鑒。因此,基于目前石油鉆井工程廣泛應(yīng)用的PDC鉆頭,探索PDC鉆頭隨鉆地震技術(shù)意義深遠(yuǎn)。本文成功實現(xiàn)了該技術(shù)在勝利油田某井區(qū)的應(yīng)用探索,采集獲得了波場信息豐富的三分量隨鉆地震數(shù)據(jù),并基于Shearlet變換成功實現(xiàn)了橫波信息的有效分離,最終實現(xiàn)了PDC鉆頭隨鉆地震資料的橫波成像,為該技術(shù)在我國的陸地和海洋石油鉆井中的工程應(yīng)用探明了方向。

1 鉆頭隨鉆地震的基本原理和PDC鉆頭隨鉆地震的波場構(gòu)成

1.1 鉆頭隨鉆地震的基本原理

鉆頭隨鉆地震即隨鉆RVSP,其觀測方式與常規(guī)RVSP(Reverse vertical seismic profiling)觀測方式相近。在油氣勘探中,RVSP觀測有著眾多優(yōu)勢,但由于常規(guī)震源入井困難,存在井中震源容易對井壁造成傷害的隱患,因此在常規(guī)油氣勘探中RVSP觀測的應(yīng)用受到限制。鉆頭隨鉆地震是把鉆頭破巖產(chǎn)生的震動作為震源,不需要額外的震源設(shè)備入井,可以邊鉆邊測,不占用鉆井時間,這使RVSP觀測方式在隨鉆地震中得到了極大地推廣和發(fā)展。

伴隨著鉆頭破巖鉆進(jìn)的過程,鉆頭會與地層作用而產(chǎn)生震動,稱之為鉆頭信號,鉆頭隨鉆地震技術(shù)就是以此為震源,將采集設(shè)備分別部署在鉆柱頂部和井場附近地面上來接收地震信號[23],鉆柱頂部的傳感器接收經(jīng)鉆柱傳遞的鉆頭信號,稱之為參考信號,地面上的檢波器排列采集通過地層傳播而來的反射波和直達(dá)波,將地面檢波器信號和參考信號做預(yù)處理,再對二者做互相關(guān)及后續(xù)處理,最終可得到類似于逆VSP的地震剖面[24-25]。鉆頭隨鉆地震原理如圖1所示。

圖1 鉆頭隨鉆地震原理圖

1.2 PDC鉆頭隨鉆地震波場的構(gòu)成

隨著石油鉆井工藝的發(fā)展,PDC鉆頭逐漸替代了牙輪鉆頭,牙輪鉆頭以軸向震動為主,主要產(chǎn)生縱波,其橫波很弱。以前的隨鉆地震技術(shù)研究基本上是圍繞牙輪鉆頭破巖機(jī)理開展的,而PDC鉆頭是通過切削齒進(jìn)行切削地層,切削齒主要包括齒柱式切削齒和復(fù)合片切削齒兩種形式[26]。PDC鉆頭切削巖石,實際上是對巖石的一種側(cè)向擠壓過程,依靠切削力破碎巖石,在這個過程中,當(dāng)巖石被PDC鉆頭所施加的剪切應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度時,被剪切的巖石就會通過滑移變形成為巖屑。剪切破巖是PDC鉆頭的主要工作形式,其產(chǎn)生的軸向震動非常少,因此產(chǎn)生的縱波很弱,而橫波相對較強(qiáng)。

PDC鉆頭工作時在井底以較快的速度進(jìn)行橫向旋轉(zhuǎn),由切削齒作用在巖石上產(chǎn)生一系列的力偶作用,這一過程中質(zhì)點(diǎn)位移公式表示為[27]:

(1)

式中:r為徑向位移;A1為比例因子;d為鉆頭直徑;ρ為地層層密度;φ為z軸與徑向波場輻射矢量的夾角;θ為xy平面輻射方位角;β為地層橫波速度;uθ為SH波分量;ur為P波徑向分量;uφ為SV波分量;g′為函數(shù)時間導(dǎo)數(shù)。在PDC鉆頭單純的橫向旋轉(zhuǎn)剪切震動所產(chǎn)生的波場輻射中只存在SH分量,P波徑向分量和SV波分量為0。PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速是影響其頻譜特征的主要因素,橫波(SH)是PDC鉆頭破巖產(chǎn)生主要波型,在壓力負(fù)荷穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速恒定不變的情況下,所產(chǎn)生的橫波波場也是穩(wěn)定的,但事實上,由于井底狀態(tài)、地層強(qiáng)度不均勻、泥漿壓力以及鉆頭磨損等因素在一定范圍內(nèi)是隨機(jī)變化的,這給鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了隨機(jī)的阻力變化,從而導(dǎo)致PDC鉆頭的轉(zhuǎn)速是變化的,因此其產(chǎn)生的橫波頻帶較寬。

2 勝利油田某井區(qū)PDC鉆頭隨鉆地震三分量數(shù)據(jù)采集方法

本次研究的勝利油田某井區(qū)隨鉆地震,采用PDC鉆頭鉆進(jìn)、斜井中靶,目的層深度3 300 m左右。根據(jù)井場周邊實際情況及鉆頭震源波場傳播特性,設(shè)計相應(yīng)的立體采集觀測系統(tǒng)(見圖2)開展鉆頭隨鉆地震資料立體采集。

圖2 PDC鉆頭隨鉆地震立體采集Fig.2 Stereo acquisition while drilling with PDC bit

在井場區(qū)域布置接收傳感器,主要用于記錄井場及附近的復(fù)雜噪音,由井口位置向西布置walk-away測線,因為本井為斜井(向西)鉆探,隨著鉆井深度的推進(jìn),鉆頭震源位置的縱向投影沿著測線方向延伸,自生產(chǎn)井口向西450 m(距離鉆頭激發(fā)點(diǎn)位置水平距離約350 m)處開始布設(shè)Allseis-3CH-V1三分量節(jié)點(diǎn)(見圖3),采集三分量、寬頻帶、高信噪比的隨鉆地震數(shù)據(jù)。為獲得有效的參考信號,本次施工采集在頂驅(qū)上安裝了三分量加速度傳感器用于采集參考信號,參考信號的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸至遠(yuǎn)程終端,可實時監(jiān)控其數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

3 PDC鉆頭隨鉆地震資料精細(xì)處理

3.1 聯(lián)合反褶積消除隨鉆地震參考信號鉆柱傳輸效應(yīng)

鉆頭破巖震動信號是連續(xù)的,為了使地面連續(xù)接收的信號近似轉(zhuǎn)換為脈沖震源信號,需要其與鉆頭信號進(jìn)行互相關(guān)。由于PDC鉆頭參考信號是鉆頭破巖震動信號經(jīng)鉆柱傳輸系統(tǒng)褶積后被改造的鉆頭信號,因此消除鉆柱傳輸效應(yīng)的最好方法是脈沖反褶積[28]。圖4為信號經(jīng)過鉆柱傳輸?shù)膮⒖夹盘柤白陨碜韵嚓P(guān)的記錄,由自相關(guān)結(jié)果可以看出,參考信號中有強(qiáng)烈的鉆柱傳輸形成的復(fù)雜多次波影響,若不消除鉆柱傳輸效應(yīng)產(chǎn)生的各種多次波的影響,勢必會影響后續(xù)的互相關(guān)結(jié)果。

圖4 鉆頭參考信號及自相關(guān)記錄

為消除鉆柱傳輸效應(yīng)產(chǎn)生的影響,本文采用聯(lián)合反褶積方法,更加合理地消除鉆柱傳輸系統(tǒng)的各種改造因素,以逼近真實的鉆頭信號。圖5(a)是只使用脈沖反褶積后的自相關(guān)結(jié)果,從圖中可以看到,雖然消除了不同類型多次波的傳輸效應(yīng)影響,但依然可見其還存在較強(qiáng)的信息殘留;圖5(b)為在圖5(a)的基礎(chǔ)上繼續(xù)統(tǒng)計分析其剩余影響,進(jìn)一步進(jìn)行反褶積處理后的自相關(guān)結(jié)果,鉆柱傳輸效應(yīng)的剩余主能量得到有效壓制,在此基礎(chǔ)上繼續(xù)針對剩余傳輸效應(yīng)的特征進(jìn)行針對性反褶積,通過這種聯(lián)合反褶積最終實現(xiàn)了對于參考信號鉆柱傳輸效應(yīng)的合理消除。圖5(c)為優(yōu)化聯(lián)合反褶積方案后的自相關(guān)結(jié)果,從圖中可以看到各種鉆柱傳輸影響得到了有效的消除,其結(jié)果基本接近鉆頭信號特征。

圖5 聯(lián)合反褶積消除隨鉆地震參考信號鉆柱傳輸效應(yīng)效果

從有效壓制鉆柱傳輸效應(yīng)前后的參考信號數(shù)據(jù)上看,經(jīng)過優(yōu)化聯(lián)合反褶積消除鉆柱傳輸效應(yīng)后,參考信號中周期性的多次波(見圖6(a))等得到了有效的消除,如圖6(b)所示,消除參考信號鉆柱傳輸效應(yīng)的參考信號更加接近鉆頭信號。

圖6 消除參考信號鉆柱傳輸效應(yīng)前后效果對比

同樣的,參考信號的頻譜上由于多次波的影響出現(xiàn)了復(fù)雜的陷波效應(yīng)(見圖7(a));而通過優(yōu)化聯(lián)合反褶積后,各種陷波效應(yīng)得到了明顯的恢復(fù),優(yōu)化聯(lián)合反褶積后(見圖7(b))的頻譜相較于之前(見圖7(a))的陷波效應(yīng)得到了明顯改善,參考信號有效頻帶變寬、主頻更高,這與鉆頭信號特征吻合。

3.2 隨鉆地震數(shù)據(jù)高質(zhì)量互相關(guān)

隨鉆地震地面記錄與消除鉆柱傳輸效應(yīng)的參考信號高質(zhì)量互相關(guān)的關(guān)鍵是互相關(guān)的策略,本文研究的互相關(guān)策略是基于鉆遇地層結(jié)合鉆井工況的變步長互相關(guān)。由于隨鉆地震數(shù)據(jù)是連續(xù)采集的,鉆頭信號受到鉆壓、鉆速及鉆遇地層等因素的影響,其鉆進(jìn)相同進(jìn)尺的耗時是不相同的,所以為達(dá)到最佳的互相關(guān),互相關(guān)時長不能固定不變,需要根據(jù)鉆進(jìn)進(jìn)尺的變化而變化。鉆井隊現(xiàn)場記錄了不同鉆達(dá)深度的時間,結(jié)合先期地質(zhì)分層、巖屑等特征綜合判別不通鉆達(dá)深度的巖性是否相近,據(jù)此劃分并確定鉆穿不同地層不同時間段的互相關(guān)時長,以達(dá)到理想的互相關(guān)結(jié)果,得到近似脈沖震源的炮記錄。

進(jìn)行互相關(guān)之前(見圖8(a)),因為接收的是鉆頭連續(xù)震動經(jīng)地層傳播的記錄,無法像脈沖震源那樣看到反射波信息,且信噪比很低。因此, 本文基于鉆遇地層結(jié)合鉆井工況的變步長互相關(guān)技術(shù)獲得高質(zhì)量互相關(guān)結(jié)果(見圖8(b)),構(gòu)建近似脈沖震源的隨鉆RVSP記錄。從圖8(b)可以看到,相關(guān)后記錄的初至特征和反射波特征清晰,但是由于背景噪音很強(qiáng),導(dǎo)致有效信號相對較弱,因此需要在后續(xù)的處理中進(jìn)行強(qiáng)噪音衰減與弱信號增強(qiáng),進(jìn)一步提高資料的信噪比。

圖8 地面?zhèn)鞲衅鞑杉碾S鉆地震信號與消除鉆柱傳輸效應(yīng)的參考信號互相關(guān)前后對比

圖9是弱有效信號增強(qiáng)前后的對比圖,從圖中可以看到,經(jīng)過強(qiáng)噪音壓制與弱信號增強(qiáng)之后,在1 780～1 860 ms的范圍之間的橫波初至(見圖9(b)的黃色虛線所示)得以顯現(xiàn),并且在橫波初至下,有明顯的、能量較強(qiáng)的、與橫波初至視速度方向相反的反射橫波信息(見圖9(b)的紅色虛線所示)。

為了驗證本次隨鉆地震采集獲得橫波資料的可靠性,基于隨鉆地震資料反演獲得的地層橫波速度與通過聲波測井資料計算的橫波速度進(jìn)行了對比。圖10(a)所示是基于隨鉆地震資料反演的垂直深度范圍3 074～3 306 m的地層橫波速度(1 m一個速度值),與圖10(b)所示的采用聲波測井資料計算獲得縱波速度推算得到的橫波速度(0.125 m一個速度值)對比,可以看出兩者具有較好的一致性,充分說明了,基于PDC鉆頭隨鉆地震資料求取橫波速度具有較高的準(zhǔn)確性。

圖10 隨鉆地震資料反演的橫波層速度與基于聲波測井計算縱波速度推算的橫波層速度對比

在圖10所示的地層橫波速度中,橫波速度在垂深3 150 m的深度位置開始急劇增大,由2 600 m/s左右增大至3 800 m/s左右,在3 220 m的深度位置又開始急劇減小,由3 800 m/s左右減小至1 700 m/s左右,這個結(jié)果說明隨鉆地震資料對特殊地層有很好的反應(yīng),該技術(shù)可以在鉆井工程中推廣應(yīng)用,基于PDC鉆頭隨鉆地震資料能夠準(zhǔn)確計算地層橫波速度,結(jié)合鉆頭前方反射波的進(jìn)一步處理,可以提取鉆頭前方一定深度范圍的地層速度,有利于提高鉆前壓力預(yù)測的準(zhǔn)確性。

4 PDC鉆頭隨鉆地震橫波數(shù)據(jù)疊前深度偏移成像

4.1 基于Shearlet變換的隨鉆地震數(shù)據(jù)橫波波場分離

經(jīng)上述處理后的記錄中雖然可以看到明顯的反射橫波信息,但是還存在著其他波場信息的干擾,只有將記錄中的反射橫波信息準(zhǔn)確的分離出來,才能確保后續(xù)偏移成像的準(zhǔn)確性。本文基于Shearlet變換實現(xiàn)橫波波場的有效分離。

為獲得更好的分離效果,在進(jìn)行Shearlet變換波場分離前,需要先進(jìn)行RVSP動校正,將一次反射橫波動校正拉平,從而使得反射橫波與其他反射波在Shearlet域的(j,θ,k)空間存在著更加明顯的差異,動校正拉平后的反射橫波在Shearlet域基本分布于小角度的分量,而其他反射波則分布于較大角度分量,這樣就可以將一次反射橫波從復(fù)雜波場中較好的分離出來(見圖11)。

圖12(a)為隨鉆RVSP動校正后Shearlet變換分離出反射橫波經(jīng)過反動校正后記錄,反射橫波波場特征清晰,信噪比和分辨率較高。圖12(b)為動校正后Shearlet變換波場分離后的剩余波場反動校正結(jié)果,可見分離掉的波場中存在著較多與橫波初至平行的多次波同相軸,以及呈波浪狀同相軸的噪音波場。經(jīng)過Shearlet變換波場分離后,進(jìn)一步地提高了數(shù)據(jù)的信噪比,為反射橫波偏移成像提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖12 隨鉆RVSP動校正后Shearlet變換分離出的反射橫波與分離掉的波場反動校正顯示

4.2 隨鉆地震橫波數(shù)據(jù)疊前深度偏移成像

本文基于Kirchhoff積分法,采用標(biāo)量成像,實現(xiàn)基于橫波數(shù)據(jù)的疊前深度偏移成像,用橫波信息建立的速度模型完成了偏移,獲得了反射橫波RVSP疊前深度偏移剖面。如圖13所示,成像剖面信噪比較高,不僅能對鉆進(jìn)垂直深度范圍3 080～3 306 m的地層進(jìn)行了有效成像,同時也能對鉆前直至3 600 m深度地層實現(xiàn)了準(zhǔn)確成像,有效刻畫了地下層位特征。

圖13 隨鉆數(shù)據(jù)反射橫波深度偏移成像結(jié)果

由圖13所示反射橫波深度偏移成像結(jié)果可以看到,在成像剖面的3 150和3 250 m深度范圍,有能量特別強(qiáng)的反射層特征,對應(yīng)著該井特殊地層,充分說明了基于PDC鉆頭隨鉆地震有效分離橫波并進(jìn)行準(zhǔn)確成像是可行的,且基于PDC鉆頭隨鉆地震反射橫波偏移成像能夠?qū)崿F(xiàn)對地下特殊地層的準(zhǔn)確刻畫。

5 結(jié)論

通過PDC鉆頭隨鉆地震技術(shù)在勝利油田某井區(qū)的應(yīng)用探索,獲得的結(jié)論與認(rèn)識主要包括:

(1)基于本文設(shè)計的立體采集技術(shù),實現(xiàn)了野外現(xiàn)場PDC鉆頭隨鉆地震資料橫波信息的高質(zhì)量獲取。

(2)優(yōu)化的聯(lián)合反褶積方法,較好的消除了鉆柱傳輸效應(yīng)的綜合影響,使參考信號更加接近真實的鉆頭信號。

(3)基于鉆遇地層結(jié)合工況進(jìn)行變步長互相關(guān),實現(xiàn)了隨鉆RVSP記錄的高質(zhì)量構(gòu)建,并利用Shearlet變換的多尺度分解特性,實現(xiàn)了對于隨鉆數(shù)據(jù)中反射橫波信息的有效分離。

(4)PDC鉆頭隨鉆地震反演獲得的橫波層速度精度高,反射橫波深度域成像質(zhì)量高,二者對該井目的層段特殊地層有準(zhǔn)確響應(yīng),充分證實了基于PDC鉆頭隨鉆地震技術(shù)的實用性。

目前海洋石油鉆井也主要采用PDC鉆頭,如果將三分量傳感器部署于海底,可采集獲得高信噪比PDC鉆頭隨鉆地震信號。本文技術(shù)應(yīng)用于陸地和海洋石油鉆井PDC鉆頭隨鉆地震都將有很好的工程應(yīng)用前景。

致謝：感謝勝利油田對本文研究的大力支持。感謝東方地球物理公司提供GeoEast處理系統(tǒng)。