偶極橫波遠探測方位區(qū)分新方法

吳柏志 許孝凱 杜群杰

摘要：偶極橫波遠探測儀器具有測量頻率低、頻帶寬、信噪比高等顯著優(yōu)勢，能夠精確刻畫井旁構造產狀，在西北地區(qū)碳酸鹽巖地層斷溶體、斷控體儲層以及西南地區(qū)致密碎屑巖地層斷縫體儲層等應用效果顯著。但由于偶極聲源指向呈中心對稱導致180°方位不確定性，難以實現(xiàn)方位探測。為克服這一缺陷，提出偶極橫波遠探測方位區(qū)分新方法，使用非對稱發(fā)射、接收聲系的偶極橫波遠探測測井儀采集多分量偶極橫波數(shù)據(jù)，開展有限差分開展數(shù)值模擬并進行現(xiàn)場試驗，形成處理解釋軟件模塊。結果表明，與傳統(tǒng)的對稱接收方式相比，此方法打破了所接收的橫波聲場的對稱性，實現(xiàn)了方位遠探測。該方法定向放大了反射體所在方位的反射橫波幅度，利用該特征可實現(xiàn)方位區(qū)分?，F(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬結果一致，驗證了該方法的有效性。新方法可為井旁地質異常體方位探測及側鉆井、加密井部署提供有力支撐。

關鍵詞：偶極橫波； 遠探測； 方位區(qū)分； 試驗驗證

中圖分類號：P 631.8 文獻標志碼：A

引用格式：吳柏志，許孝凱，杜群杰.偶極橫波遠探測方位區(qū)分新方法［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2023，47（6）：43-49.

WU Baizhi， XU Xiaokai， DU Qunjie. Novel method for dipole shear wave remote detection azimuth differentiation［J］. Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2023， 47（6）：43-49.

Novel method for dipole shear wave remote detection azimuth discrimination

WU Baizhi1， XU Xiaokai2， DU Qunjie2

（1.SINOPEC Matrix Company Limited， Qingdao 266555， China;

2.Institute of Geological Measurement and Control Technology， SINOPEC Matrix Company Limited， Qingdao 266555， China）

Abstract：The dipole shear wave remote detection instrument offers significant advantages such as low measurement frequency， wide frequency band， and a high signal-to-noise ratio. It can accurately characterize the attitude of geological structure near the borehole， making it especially effective in fracture-cavernous reservoirs and fault-controlled reservoirs of carbonate strata in northwest China， as well asin fault-fracture reservoirs of tight sandstone and shale strata in southwest China. However， realizing azimuth detection has been challenging due to the 180° azimuth uncertainty caused by the central symmetry of the dipolar source. To overcome this limitation， a novel method for azimuthal differentiation in dipole shear wave remote detection is proposed.Multi-component dipole data was acquired using dipole S wave remote detection logging tool with an asymmetric transmitters and receivers.The method involves conducting numerical simulations using finite differences and field tests. Additionally， a processing and interpretation software module is developed. The numerical simulations demonstrate that the method can selectively amplify the reflected shear wave amplitude of the reflectors azimuth， enabling azimuth discrimination. Field test results align with the numerical simulations， confirming the methods validity. This new approach provides robust support for azimuthal detection of geological anomalous bodies besides the well， as well as for the deployment of sidetracking wells and encrypted wells.

Keywords：dipole shear wave logging; remote detection technology; azimuth discrimination; experimental verification

縫洞型碳酸鹽巖及致密碎屑巖儲層是中國重要的油氣藏類型，具有廣闊的勘探和開發(fā)前景?？p洞型油氣藏是一種廣泛發(fā)育于碳酸巖中的裂縫、孔洞、溶洞等的油氣儲層，這些裂縫和孔洞系統(tǒng)為油氣提供了有利的儲集空間和運移通道。同時由于其非均質性強、埋藏深、尺度變化大，給儲層識別帶來了諸多挑戰(zhàn)。受地震勘探分辨率限制，較大的溶洞體在地震剖面上常出現(xiàn)多個強能量團的串珠狀響應，而裂縫和中小尺度溶洞往往難以識別，不利于縫洞構造探測和精細刻畫，給縫洞和斷裂帶鉆遇、一井多靶等方案實施帶來了挑戰(zhàn)。聲波遠探測技術能夠對井旁構造精細成像，從而實現(xiàn)井外數(shù)十米范圍內異常體探測和精細描述，對高質量勘探和高效益開發(fā)有重要推動作用。

1 聲波遠探測技術現(xiàn)狀

聲波遠探測測井也稱單井反射聲波遠探測，是以井中聲源輻射到井外地層中的聲場能量作為入射波，探測從井旁構造反射回來的聲場。通過分析處理接收到的全波信號，可以對井周圍的地層構造進行聲波成像，并獲得井旁地質構造信息，其在井旁裂縫、孔洞探測具有重要作用。

斯倫貝謝提出聲波遠探測測井之后［1］，為提高探測深度和信噪比，在單極反射縱波儀器研發(fā)、處理解釋算法方面進行了大量的研究工作，并在儲層邊界以及流體界面識別、裂縫儲層評價和在水平井中對鄰近垂直井成像進行了應用［2-3］。國內大港油田測井公司與中國石油大學（北京）等最早開展了聲波遠探測相關工作，并從理論研究、儀器研發(fā)、探頭研制、偏移成像算法及現(xiàn)場應用等方面取得了一系列進展［4-8］。Baker Hughes公司在進行單極縱波反射成像的基礎上，發(fā)展了偶極反射橫波遠探測方法，其具有衰減小，偏振特性（攜帶方位信息）、波形純粹等優(yōu)勢，開發(fā)了基于XMACII儀器的聲反射成像處理軟件［9-13］。國內，中國石油大學（華東）、中石化、中海油、中石油等在偶極橫波遠探測技術換能器研發(fā)、聲系結構設計、反射特性研究以及現(xiàn)場應用等方面取得一系列研究成果［14-20］。

為實現(xiàn)方位遠探測，國內外研究單位從單極反射縱波、偶極反射縱波和偶極反射橫波等不同角度進行了探索。斯倫貝謝［21-23］和中石油［24］等在單極反射縱波方面，利用相似算法提高信噪比，采用方位接收算法實現(xiàn)方位探測后，極大推動了方位反射縱波的現(xiàn)場應用。同時，一些正交偶極陣列聲波測井技術理論被提出［25-26］。筆者在多分量橫波遠探測成像測井儀實現(xiàn)全井周信息的采集并對井外80 m范圍內地質異常體進行成像基礎上，提出了利用非對稱測量方式通過振幅和相位差異實現(xiàn)方位區(qū)分，實現(xiàn)方位遠探測［27］，成功在試驗井中準確區(qū)分了鄰井方位。

2 偶極反射橫波測井方位探測原理與方法

通過遠場聲學公式，進行反射波成像因素分析，記錄的反射波信號由以下公式得到：

式中，VRW（ω）為接收到的反射波幅度，無量綱；ω為角頻率，rad/s；S（ω）為聲波儀器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，包括信號產生和接收，無量綱；DR（ω）為井眼輻射指向性，無量綱；CR（ω）為接收方位模式，無量綱；FR為反射體反射系數(shù)，無量綱；D為反射體到接收器的雙程距離，m；exp（-ωT/2Q）為波程的幅度衰減，dB/m；T為沿著波程D的旅行時，s；Q為品質因子，無量綱。

設計如下聲系結構：TY1、TY2、TX1、TX2為四片發(fā)射換能器，Ry1、Ry2、Rx1、Rx2為四片接收換能器。如圖1所示，Ry1法線方向與RY1法線方向夾角為45°，圓形區(qū)域為井孔。為增加數(shù)據(jù)豐度，接收陣列由多組性能和指向一致、位于不同縱向深度的接收換能器組成。取TY1法線方向正北即TY1，則Ry1與TY1法向方向夾角為45°。各發(fā)射和接收換能器可等效為圖2示意圖，其中發(fā)射、接收換能器均沿著井眼徑向振動、接收。

3 偶極反射橫波測井方位探測數(shù)值模擬

3.1 模型構建

構建如圖2所示模型，TY1-TY2和TX1-TX2為偶極發(fā)射，接收為相鄰兩個極子組合，分別為Ry1-Rx2、Ry2-Rx2、Rx1-Ry2、Rx1-Ry1組合。這里對TY1-TY2發(fā)射Ry1-Rx2接收和現(xiàn)通用的交叉偶極聲波測井儀器的TY1-TY2發(fā)射RY1-RY2接收進行對比，具體模擬參數(shù)如表1所示，采用3 m源距。

利用有限差分進行數(shù)值模擬，如圖3所示，其中振源和接收器分布如圖1和圖2所示。

在直角坐標系下，得到速度矢量和應力矢量一階偏微分方程組為

式中，ρ為密度，kg/m3；vi（i=x， y， z）為i方向上的速度分量，m/s；x、 y、 z分別為x、 y、 z方向上的位移，m；σij（i，j=x， y， z）為應力分量，Pa；t為時間，s；λ和μ為拉梅常量，彈性力學中μ為剪切模量，無量綱。

采用交錯網(wǎng)格差分，用3個相互垂直的空間平面把模型分為立方體狀的空間單元，各個立方體的大小和形狀都一致。單元中心點的坐標是（lxΔx，

lyΔy，lzΔz），其中Δx、Δy、Δz為空間單元各邊的長度，時間上也分為Δt的時間間隔。由于井壁位移和應力連續(xù)性，偶極發(fā)射的不同分量接收仿真結果如圖4（a）所示。由圖可知TY1-TY2發(fā)射，RY1-RY2接收波形與Ry1-Rx2接收波形相似，在對Ry1-Rx2幅度除以cos 45°后，與RY1-RY2接收波形基本重合，如圖4（b）所示。說明在不考慮儀器影響條件下，利用相鄰兩個換能器可以實現(xiàn)橫波的接收。

3.2 接收器方位接收性質

將接收換能器測試筒垂直懸掛在旋轉臂上，水聽器緊貼接收換能器，標準聲源懸掛在水池中央平臺下，標準聲源與水聽器和接收換能器相距2.4 m。使水聽器、接收換能器與標準聲源保持在一個水平面上且均位于水面下4 m處。測量接收換能器水平指向性時，保持待測換能器位置不變，以其為中心水聽器和標準聲源與之保持固定距離且在同一水平面上，以5°方位角周向移動，對待測換能器進行360°周向覆蓋，如圖5所示。為了測試偶極聲源特性，對4 kHz的信號進行接收換能器的水平指向性進行分析，結果如圖6所示。

對上述指向性圖進行平滑濾波，并將最大幅度指向規(guī)定為0°方向，如圖7紅色點劃線所示。為研究接收器對橫波信號的水平指向性，假定兩個相同性質的接收換能器背靠背緊密貼合布設于空間同一位置，二者接收信號相位相反。根據(jù)圖7單個接收換能器的水平指向性平滑結果，得到新組成的橫波接收器的水平方位接收能力如圖7藍色虛線所示；若存在相鄰的兩面，夾角呈90°，接收信號相位相反，則形成了方位橫波接收換能器，水平方位指向性如圖7黑色實線所示。

4 現(xiàn)場試驗

利用提出的偶極反射橫波方位探測方法在兩口井筒中心距7 m的A井和B井開展現(xiàn)場試驗。地理方位上，B井位于A井近西側；地磁場測量結果顯示B井位于A井約北偏西75°，如圖8所示。

現(xiàn)場試驗采用設計的方位探測聲系結構的偶極反射橫波遠探測儀器下入A井以探測B井及其方位，如圖9所示。

對現(xiàn)場試驗獲取的測井數(shù)據(jù)進行處理，獲取8個45°扇區(qū)內地層反射橫波成像結果，如圖10（a）示。圖10（b）顯示出270°方位振幅最強，與B井在A井近西側方位一致。此外，270°扇區(qū)內強振幅點近似位于同一直線上，與B井直井類型且已下套管的井況吻合。但是強振幅點呈現(xiàn)出不連續(xù)特征。B井固井質量評價結果表明間斷處固井質量不佳，套管與地層之間聲波耦合條件差，故反射波幅度減弱。

5 結 論

（1）偶極橫波遠探測儀器接收與發(fā)射換能器鄰向可打破同向接收換能器陣列的水平指向的中心對稱性，可有效實現(xiàn)橫波方位區(qū)分。理論模擬發(fā)現(xiàn)，在忽略儀器影響條件下，直達波測量能夠實現(xiàn)與同向模式相同功能。

（2）通過水聽器實驗室測試可知，在4 kHz聲波頻率時，聲學換能器仍具有較強的方位指向特性。本文中將相關性質延伸到橫波接收器，雖然未考慮橫波井外地層傳播影響，但基本可體現(xiàn)非對稱橫波接收的方位指向特性。

（3）在試驗井中進行了偶極橫波遠探測方位區(qū)分方法測試并成功探測到鄰井，鄰井在成像處理結果中的方位與實際地理方位一致，為后期異常體方位的準確求取提供了一種新的有效手段。

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