唐曉明, 蘇遠(yuǎn)大, 張博

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580)

0 引 言

過套管測(cè)井在石油勘探和開發(fā)中占有相當(dāng)重要的地位。對(duì)已有油田的挖潛改造、勘探及工程開發(fā),都需要進(jìn)行過套管測(cè)井[1]。過套管測(cè)井是一個(gè)世界性的難題。一方面,全世界各油田中有大量的套管井需要測(cè)井;另一方面,又由于測(cè)井質(zhì)量不能保障或得不到有用的地層信息而放棄測(cè)井作業(yè)。為解決這一重要難題,測(cè)井界多年來做了不懈的努力。過套管電阻率測(cè)井技術(shù)已經(jīng)取得突破,成為一門有效的商業(yè)化應(yīng)用技術(shù)[2-5]。但是,在聲波測(cè)井領(lǐng)域,過套管測(cè)井的有效性問題,特別是在套管與地層膠結(jié)不好的情況下,沒有得到根本性的解決,全球各大油田服務(wù)公司迄今沒有推出普適有效的過套管聲波測(cè)井技術(shù)。

造成過套管聲波測(cè)井失效的主要原因是套管與地層膠結(jié)不好時(shí)產(chǎn)生的套管波對(duì)地層聲波信號(hào)的干擾,情況嚴(yán)重時(shí)(如自由套管情況),測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)完全被套管波覆蓋,難以提取地層信號(hào)。人們研究了各種方法[6-8]用于套管井的聲波數(shù)據(jù)處理。2015年唐曉明等[9-10]提出利用套管波與地層聲波的干涉方法,可以在一定條件下有效提取有管波干擾時(shí)的地層信息。但是,無論何種方法,其應(yīng)用的前提是測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中地層聲波要有一定的信噪比。不滿足這一前提,再好的方法也無效。解決過套管聲波測(cè)井難題的關(guān)鍵是從數(shù)據(jù)采集著手,從根本上提高地層聲波的信噪比。這正是本文要介紹的雙源反激聲波測(cè)井技術(shù)的核心所在。

理論上,過套管井測(cè)井時(shí)的地層聲波信號(hào),無論套管與地層的膠結(jié)情況如何始終是存在的[11-12]。現(xiàn)代聲波儀器都是數(shù)字化采樣,如果在量化采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的信號(hào)增益由波幅很大的套管波所控制,那么振幅很低的地層波只能在轉(zhuǎn)換器中狹小的位數(shù)范圍內(nèi)被量化,這樣采集的地層聲波的信噪比必然很低,不能滿足測(cè)量的要求。采用本文提出的雙源反激技術(shù),旨在從數(shù)據(jù)采集的源頭上壓制套管波,提升地層波,使后者獲得較高的采樣精度,從而提高信噪比,為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和地層聲速提取打下可靠的基礎(chǔ)。

1 工作原理

圖1所示套管井聲波測(cè)井模型可用來說明雙源延時(shí)反向激勵(lì)聲波測(cè)井技術(shù)(簡(jiǎn)稱雙源反激技術(shù))的工作原理和方法[13]。模型中測(cè)井儀器居中,從內(nèi)向外依次是井眼泥漿、套管、微環(huán)(內(nèi)充流體可以用來模擬套管膠結(jié)不好的情況)、水泥和地層。聲波儀器上置有2個(gè)間距為D的發(fā)射聲源,分別是遠(yuǎn)發(fā)射Tf和近發(fā)射Tn;I為儀器隔聲體;R1,…,RN為儀器接收陣列。測(cè)井時(shí),Tf首先激發(fā),發(fā)射聲幅為C1;Tn在延遲一段時(shí)間τ之后激發(fā),發(fā)射極性與Tf反向,激發(fā)的聲幅為C2。該雙源系統(tǒng)的發(fā)射時(shí)序見圖1(b)。通過調(diào)節(jié)儀器中聲源激勵(lì)電路選擇合適的參數(shù)C1、C2及τ,使得Tf和Tn所激發(fā)的套管波在儀器中接收陣列的位置上相互抵消。

圖1 過套管雙源反激聲波測(cè)井工作原理示意圖

圖1所示模型中,雙源系統(tǒng)在儀器接收陣列中產(chǎn)生的聲壓為[14]

(1)

式中,t為時(shí)間;z為接收距離;A(k,ω)為整個(gè)模型系統(tǒng)(包括儀器、泥漿、套管、地層等)的格林函數(shù),即該系統(tǒng)的聲學(xué)響應(yīng)函數(shù),為頻率(ω)和波數(shù)(k)的二維復(fù)函數(shù)譜。式(1)中假定雙源用相同的聲源信號(hào)激勵(lì),信號(hào)頻譜為S(ω);遠(yuǎn)、近源具有各自的激發(fā)振幅C1和C2。調(diào)節(jié)儀器的激發(fā)電路,使延遲時(shí)間τ等于波速為vt的套管波在雙源之間的傳播時(shí)間

(2)

同時(shí)調(diào)節(jié)雙源發(fā)射的聲幅比C2/C1,使之接近于1。雙源發(fā)射參數(shù)的調(diào)節(jié),相當(dāng)在式(1)有關(guān)的頻率波數(shù)(ω-k)域中嵌入了一個(gè)帶阻濾波函數(shù)

(3)

由于帶阻濾波的作用,當(dāng)式(1)中的響應(yīng)函數(shù)A(k,ω)中含有k=ω/vt的波數(shù)成分的波(如膠結(jié)不好時(shí)激發(fā)出的套管波)時(shí),這種成分將會(huì)被壓制甚至抵消。來自地層的聲波信號(hào)其傳播速度大都低于套管波速vt,因而得到保留。根據(jù)圖1模型的理論計(jì)算證明,這種雙源延時(shí)反向激勵(lì)的設(shè)計(jì),在理想情況下可以比較徹底地消除接收波列中的套管波成分,并獲得純凈的地層聲波信號(hào)[14]。

圖2 遠(yuǎn)源激發(fā)650 μs后單源和雙源情況下的波場(chǎng)快照(前者中的套管波在后者中得到有效壓制)

為直觀地展示雙源反激對(duì)套管波的壓制效果,采用有限差分方法模擬了單、雙源激發(fā)時(shí)套管波的傳播形態(tài)。將內(nèi)、外直徑分別為0.18 m和0.20 m的鋼套管置于水中,采用中心頻率為8 kHz的聲源函數(shù)激發(fā)。雙源激發(fā)模擬中,遠(yuǎn)、近激發(fā)源的距離為0.15 m;單源激發(fā)時(shí),采用遠(yuǎn)源發(fā)射。圖2顯示了遠(yuǎn)源激發(fā)650 μs后單源和雙源情況下的波場(chǎng)快照。單源快照中顯示了沿套管傳播、幅度很強(qiáng)的套管波;雙源快照中,在跨過近源的距離上,套管波幅度陡然降低,并逐漸消失。數(shù)值模擬的結(jié)果清晰地顯示了雙源延時(shí)反向激勵(lì)的方法對(duì)套管波的壓制作用。

圖3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量波形對(duì)比圖

2 原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及工程實(shí)現(xiàn)

將上述的雙源反激工作原理應(yīng)用于實(shí)際的測(cè)井儀器,將面臨諸多工程工藝和測(cè)井中的實(shí)際問題。首先,實(shí)際儀器上的遠(yuǎn)、近雙源很難做到完全一致;即使做到了這一點(diǎn),雙源所在位置及測(cè)井中工作載荷的差異,使得二者的激發(fā)信號(hào)會(huì)存在差別。再者,波在傳播中產(chǎn)生的衰減、頻散及其他因素的影響,使得按單一套管波速設(shè)計(jì)的帶阻濾波器[見式(3)]不能徹底消除套管波。這些問題的存在,會(huì)影響雙源反激技術(shù)的應(yīng)用效果。鑒于理論和實(shí)際之間存在的差別,有必要驗(yàn)證該理論在實(shí)際測(cè)量中的可行性,為此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。按圖1中的模型,制作了與現(xiàn)場(chǎng)井眼10∶1的模型井。在10倍于測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)的100 kHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(模型井與實(shí)驗(yàn)測(cè)量詳見參考文獻(xiàn)[14])。

圖3是模型井測(cè)量結(jié)果。圖3(a)是單源Tf發(fā)射時(shí)模型井中源距為0.15～0.2 m范圍內(nèi)的陣列聲波波形圖,接收器的間距是0.01 m。圖3(a)中所示的波列幾乎全是套管波(該波在陣列中的波至由標(biāo)識(shí)為T的虛線給出)。圖3(b)中顯示的是采用雙源反激后的陣列波形,套管波的聲幅被壓制到先前的0.12倍。波至標(biāo)識(shí)為P的后續(xù)波列是圖3(a)中被套管波掩蓋了的地層縱波。將圖3(b)的波形與裸眼井的陣列波形在圖3(c)中加以比較,可見雙源反激所測(cè)地層縱波與裸眼井的地層縱波吻合很好。這就清楚地表明,通過雙源反激壓制套管波,可以較好地測(cè)量地層聲波信號(hào)。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從實(shí)際測(cè)量的角度驗(yàn)證了雙源反激理論在工程應(yīng)用上的可行性,為儀器制作和工程實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

需要指出的是,由于前述中提到的實(shí)際測(cè)量中的諸多問題,很難將套管波完全壓制(實(shí)驗(yàn)中將套管波壓制了90%左右,而不是理論上的100%)。這意味著實(shí)際的雙源反激聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中還會(huì)有殘存的套管波,其相干性仍十分強(qiáng)[14]。但是,采用雙源反激技術(shù),過套管聲波測(cè)井的根本性問題,即地層聲波的信噪比問題,相對(duì)于常規(guī)單源技術(shù)[見圖3(a)],已得到本質(zhì)上的改進(jìn)[見圖3(b)]。對(duì)于信噪比增強(qiáng)后的聲波數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理(如采用唐曉明等[9]提出的干涉處理技術(shù)),可以進(jìn)一步壓制殘余套管波,從而有效提取地層聲速。

上述基本理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證奠定了雙源反激技術(shù)的可靠基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一種雙源激勵(lì)的過套管井聲波測(cè)井儀器樣機(jī),應(yīng)用于實(shí)際套管井中測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)的應(yīng)用效果。圖4展示了該雙源反激結(jié)構(gòu)的聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

該儀器核心技術(shù)是聲源發(fā)射的雙源延時(shí)反向激勵(lì)方式。圖5給出了雙源反激電路的系統(tǒng)框圖。在采集電路Fire同步信號(hào)的觸發(fā)下,發(fā)射電路DSP通過并口DAC1和DAC2產(chǎn)生2路低壓發(fā)射信號(hào),經(jīng)濾波后分別由功率放大電路進(jìn)行放大,產(chǎn)生2路高壓激勵(lì)脈沖[見圖1(b)],對(duì)發(fā)射換能器Tf和Tn分別進(jìn)行激勵(lì)。值得注意的是,DC/DC單元產(chǎn)生的發(fā)射高壓電源在發(fā)射瞬間需要很大的功率,因此需要高壓大容量的儲(chǔ)能電容。在此基礎(chǔ)上,調(diào)整DAC輸出發(fā)射低壓信號(hào)的幅度、頻率、延時(shí)時(shí)間和極性,可以對(duì)高壓輸出的幅度、頻率、延時(shí)、極性進(jìn)行控制,達(dá)到雙源反向激勵(lì)的目的。

圖4 雙源反向激勵(lì)過套管聲波測(cè)井實(shí)驗(yàn)樣機(jī)(左下方是雙源激勵(lì)電路的實(shí)物圖)

圖5 雙源反向激勵(lì)結(jié)構(gòu)電路框圖

3 測(cè)井效果驗(yàn)證

用研制的雙源反激聲波測(cè)井儀進(jìn)行了過套管測(cè)井試驗(yàn)。試驗(yàn)井是深度為1 400、1 700 m某老油田的約30年的套管井。由于套管井膠結(jié)質(zhì)量差,常規(guī)聲波測(cè)井無法獲得地層聲速信息。該套管井膠結(jié)不好的情況及常規(guī)測(cè)井的結(jié)果為新技術(shù)測(cè)井效果的驗(yàn)證提供了參照和依據(jù)。

為了對(duì)比常規(guī)套管井測(cè)量的結(jié)果,在雙源反激測(cè)井的同時(shí)也進(jìn)行了單源數(shù)據(jù)的采集。這很容易做到,只需在測(cè)井中采用遠(yuǎn)發(fā)射Tf即可(見圖6)。圖6(a)左邊顯示了單源測(cè)井第1接收器數(shù)據(jù)的變密度圖,數(shù)據(jù)的前半部分(1 200 μs以內(nèi))幾乎全是直線條狀的套管波,看不到地層波的存在。由陣列波形數(shù)據(jù)得到的時(shí)間慢度(STC)相干圖顯示了自上而下相干性很強(qiáng)的直條帶,對(duì)應(yīng)的時(shí)差(即慢度)約為190 μs/m,為套管波的慢度。在220～600 μs/m的范圍內(nèi)有一相干性極弱的變化條帶,為幾乎被套管波屏蔽了的地層波信號(hào),其時(shí)差很難準(zhǔn)確提取。以單源結(jié)果作為對(duì)比,采用雙源反激的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(圖6(b)左邊為第1接收器數(shù)據(jù))中,套管波被壓制。盡管壓制不徹底,變密度背景上套管波還隱約可見,但地層波隨深度的變化已清晰可見,說明其信噪比獲得了很大的提高。對(duì)陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[9],得到的時(shí)差相干圖見圖6(b)右邊,可以很明顯地看出地層時(shí)差隨深度的變化。地層波的相干性很好,很容易提取地層時(shí)差。將提取的地層波時(shí)差曲線放置于圖6(a)右圖,可見該曲線與圖中(微弱的)地層波相干信號(hào)重合,說明常規(guī)單源技術(shù)難以測(cè)量的地層信號(hào)通過雙源技術(shù)被有效提取出來。測(cè)井結(jié)果表明,這一過套管聲波測(cè)井新技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中獲得了成功。

圖6 雙源反向激勵(lì)過套管聲波測(cè)井儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、處理結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 過套管聲波測(cè)井在全世界各油田中是一項(xiàng)亟待解決的普遍性難題。解決這一難題的關(guān)鍵在于從數(shù)據(jù)采集著手壓制套管波,提高地層信號(hào)的信噪比。為此研制了采用雙源反激的過套管聲波測(cè)井技術(shù)。

(2) 針對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了理論模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、儀器制作;研發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。

(3) 實(shí)際測(cè)井結(jié)果證明了這一技術(shù)的可行性和有效性。這一技術(shù)的成功可以使過套管聲波測(cè)井成為一門常規(guī)性的有效應(yīng)用技術(shù)。

致謝:感謝中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第22研究所在儀器制作和實(shí)驗(yàn)過程中的大力支持，感謝中石化中原石油工程有限公司地球物理測(cè)井公司配合了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試并提供了井況信息。感謝莊春喜、李盛清、李振、譚寶海、張凱、陳雪蓮、李剛、許松等為本文所做的基礎(chǔ)工作。

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