本建林,車(chē)小花,喬文孝,鞠曉東,王志勇,盧俊強(qiáng),門(mén)百永

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;2.北京市地球探測(cè)與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京102249;3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司天津分公司,天津300457)

0 引 言

聲波測(cè)井利用聲學(xué)手段測(cè)量巖石和流體彈性特性,可以用來(lái)精細(xì)評(píng)價(jià)地層聲學(xué)性質(zhì);聲源產(chǎn)生的聲波能量一部分被限制在充液井孔中,產(chǎn)生沿井壁傳播的各種模式導(dǎo)波,一部分聲波能量進(jìn)入地層形成地層體波并向外傳播,遇到聲阻抗不連續(xù)界面產(chǎn)生反射波,部分反射波最終能夠被儀器記錄。因此,在井孔中利用聲學(xué)測(cè)量手段能夠評(píng)價(jià)井旁地質(zhì)體的位置。基于反射波傳播規(guī)律,根據(jù)地層速度和傳播路徑可以確定反射體到井孔的距離(簡(jiǎn)稱距離)[1-3]。反射聲波成像測(cè)井技術(shù)也稱遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)[4-5],能在井孔中對(duì)井旁地質(zhì)體進(jìn)行測(cè)量,并把常規(guī)聲波測(cè)井測(cè)量范圍從井周1 m左右擴(kuò)大到幾十米。反射聲波成像測(cè)井常見(jiàn)測(cè)量方法包括:單極縱波法和偶極橫波法。反射縱波成像測(cè)井方法利用單極聲源激勵(lì)聲場(chǎng),并通過(guò)單極換能器接收反射縱波信號(hào),由于采用了軸對(duì)稱振動(dòng)的發(fā)射探頭和接收探頭,成像結(jié)果僅能判斷地質(zhì)體到井軸的距離,無(wú)法說(shuō)明方位信息。薛梅、車(chē)小花以及何峰江等[6-8]從數(shù)值模擬、物理模擬以及數(shù)據(jù)處理方法等方面對(duì)反射縱波成像測(cè)井技術(shù)進(jìn)行了一系列基礎(chǔ)研究工作。偶極反射橫波成像方法由唐曉明提出,該方法用井內(nèi)的正交偶極聲源向井外地層中輻射橫波,利用地層中反射回來(lái)的橫波信號(hào)對(duì)井旁地質(zhì)體進(jìn)行成像[9-10]。采用正交偶極發(fā)射和接收測(cè)量方式,可以確定反射體的位置和走向;但是由于偶極聲源和接收器所具有的指向性對(duì)稱特征,這種方法測(cè)得的反射體方位存在多解性。

圖1 方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器結(jié)構(gòu)示意圖

近年來(lái),能夠直接測(cè)量來(lái)自井旁地層不同方位反射波的方位反射聲波成像測(cè)井(方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像測(cè)井)方法逐漸受到人們關(guān)注[11-15]。Che等[16-17]利用相控圓弧陣接收器記錄的水下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),將聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理中,實(shí)現(xiàn)定向接收某一方向入射波能量目的,對(duì)比不同方位的接收波形幅度還可以確定聲波的入射方向。王瑞甲等[18]理論研究了三維隨鉆反射聲波成像測(cè)井并分析了利用該方法在水平井中對(duì)地層界面進(jìn)行探測(cè)的可行性。李國(guó)英等[19]介紹了一種新型的方位遠(yuǎn)探測(cè)反射聲波成像測(cè)井儀器,并開(kāi)展了相關(guān)方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。Yang等[20]數(shù)值模擬了基于相控柱面陣接收器的隨鉆反射聲波測(cè)量方法。Bennett等[21-22]利用三維STC方法和射線追蹤方法,根據(jù)方位聲波測(cè)井資料反演得到反射體傾角和方位角信息。上述研究?jī)?nèi)容以方位反射聲波成像測(cè)井方法的數(shù)值模擬和水下實(shí)驗(yàn)為主,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面的報(bào)道較少,而且缺乏井下驗(yàn)證實(shí)例。本文介紹了2個(gè)方位反射聲波成像測(cè)井技術(shù)的井下應(yīng)用案例,分別獲得了過(guò)井裂縫和相鄰井的空間位置信息,說(shuō)明利用該技術(shù)可以有效評(píng)價(jià)井旁不同地質(zhì)體的空間位置。

1 方位反射聲波成像測(cè)井方法

方位反射聲波成像測(cè)井技術(shù)的關(guān)鍵是采用特殊的方位聲波接收陣列,獲得多個(gè)源距、多個(gè)方位的聲波波形數(shù)據(jù)。由中國(guó)石油大學(xué)(北京)與中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司合作研發(fā)的方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器(Borehole Azimuthal Acoustic Reflection Tool)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,該儀器由發(fā)射短節(jié)、隔聲體、接收短節(jié)、主控和遙傳短節(jié)等構(gòu)成。發(fā)射短節(jié)包含由6個(gè)單極聲源構(gòu)成的相控線陣聲源和2組正交偶極聲源;接收短節(jié)包含10個(gè)八單元聲波接收站,編號(hào)為R1～R10,相鄰2個(gè)接收站間距為0.20 m。每個(gè)接收站由沿圓周均勻分布的8個(gè)壓電型接收振子構(gòu)成,順時(shí)針編號(hào)為E1～E8。每個(gè)接收站同時(shí)具備單極子、正交偶極子、四極子、八極子和方位接收功能。井下工作時(shí),儀器在每個(gè)測(cè)量深度點(diǎn)可以記錄多達(dá)80道波形數(shù)據(jù)。

圖2為利用方位反射縱波測(cè)量過(guò)井反射體示意圖。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器居中放置于豎直井孔,在上提過(guò)程中開(kāi)始測(cè)量,忽略儀器旋轉(zhuǎn),箭頭指示儀器移動(dòng)方向。假設(shè)反射體的反射面為圖2所示的傾斜平面,由東向西傾斜,與井孔相交的截面為橢圓。聲波輻射器T產(chǎn)生的聲波信號(hào)入射到反射面,產(chǎn)生的反射縱波最終被每個(gè)八單元接收站所接收。當(dāng)儀器在反射體下方測(cè)量時(shí),接收站會(huì)接收到反射界面產(chǎn)生的下行反射縱波信號(hào);測(cè)井儀器移動(dòng)至反射體上方測(cè)量時(shí),接收站會(huì)接收到反射界面產(chǎn)生的上行反射縱波信號(hào)。由于接收站中心存在背襯材料,沿某一方向入射到測(cè)量?jī)x器的縱波信號(hào)主要能量總是被正對(duì)的接收振子所接收。若接收站的接收振子E1朝向正北方位,則儀器在反射界面下方時(shí),反射縱波主要被接收振子E7接收;儀器在反射體上方時(shí),反射信號(hào)能量主要被接收振子E3接收。因此,利用8個(gè)陣元接收的反射縱波幅度的強(qiáng)弱就可以指示反射界面相對(duì)于儀器的方位分布情況。在反射縱波成像圖中,反射界面在東—西方位成像最清晰,而在南—北方位成像響應(yīng)最弱。據(jù)此,我們不僅能準(zhǔn)確判斷反射界面傾角、傾向和方位,還可以得到反射界面頂、底端到井孔的距離及其與井軸交點(diǎn)深度等參數(shù)。

圖2 利用方位反射縱波測(cè)量過(guò)井反射體示意圖

圖3 相控圓弧陣定向接收不同方向平面波示意圖

根據(jù)相控陣接收算法,可以更準(zhǔn)確地計(jì)算每個(gè)接收站所接收到的反射波的傳播方向。當(dāng)井旁地質(zhì)體距離井孔較遠(yuǎn)時(shí),儀器接收的來(lái)自井旁地質(zhì)體的反射波信號(hào)可以看作以平面波形式傳播。此時(shí),每個(gè)接收站可以看作1個(gè)八陣元相控圓弧陣,每個(gè)接收振子可以看作圓弧陣的1個(gè)陣元。如圖3所示,定義由北向南傳播的平面波的傳播方向?yàn)?°。圖3(a)中平面波的傳播方向?yàn)?0°,其主要能量被由陣元E2、E3和E4組成的三陣元子陣接收,信號(hào)最先到達(dá)陣元E3、延遲一段時(shí)間τ1后同時(shí)到達(dá)陣元E2和E4。將陣元E2和E4接收波形的時(shí)間序列向前移動(dòng)τ1時(shí)刻,使其與陣元E3的接收波形處于等相位面,疊加得到90°方向的定向接收波形。圖3(b)中所示的平面波被由陣元E1、E2、E3和E4組成的四陣元子陣接收,可采用類似方法獲得67.5°方向的定向接收波形。假設(shè)第i個(gè)陣元接收到的波形信號(hào)為WFEi(t),則圖3中兩道定向接收波形分別為

WF1(t)=WFE2(t+τ1)+WFE3(t)+

WFE4(t+τ1)

(1)

WF2(t)=WFE1(t+τ2)+WFE2(t)+

WFE3(t)+WFE4(t+τ2)

(2)

式中,τ1和τ2分別為三陣元接收子陣和四陣元接收子陣中的陣元接收波形延時(shí),μs。

不斷改變平面波傳播方向,選取新的接收子陣并且重新計(jì)算延時(shí),理論上可以計(jì)算出0°～359°范圍內(nèi)任意方向的定向接收波形WF(t)。由于實(shí)際的聲波信號(hào)是沿著某個(gè)特定方向傳播到接收站,所以只有該方向定向接收波形中的反射波滿足同相位疊加。同相位疊加可以顯著增強(qiáng)反射波幅度,因此,各方向定向接收波形中反射波幅度極大值對(duì)應(yīng)的角度就是某個(gè)地質(zhì)體的方位角?？紤]到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量和耗費(fèi)時(shí)間,方位反射聲波測(cè)井資料處理時(shí)只計(jì)算了陣元所在的方位及2個(gè)陣元中間方位的定向接收波形,共16道波形,角度間隔22.5°。

2 過(guò)井裂縫評(píng)價(jià)實(shí)例

方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器已在中國(guó)多口井中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,獲得了良好的方位反射聲波測(cè)井資料。GH-XX井位于中國(guó)青海某盆地內(nèi),是一口干熱巖試驗(yàn)性開(kāi)發(fā)注入井,設(shè)計(jì)井深4 000 m。該井的設(shè)計(jì)目的是查明該地區(qū)干熱巖開(kāi)發(fā)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)、巖性變化和原生裂隙-斷層發(fā)育狀況,并為水力壓裂提供條件。方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器在該井中進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量深度3 550～3 800 m。依據(jù)該井方位反射聲波測(cè)井資料,計(jì)算得到周向16個(gè)方位的定向接收波形,提取出其中的反射縱波,偏移疊加得到了8個(gè)不同方位地層成像圖,圖4展示了其中的4個(gè)方位地層成像圖,方位分別為南—北、南偏西45°—北偏東45°、西—東、北偏西45°—南偏東45°。圖4中儀器方位曲線位于第1道,表示接收振子E1的方位;第3道顯示了地層縱波波速,接近6 000 m/s。在南—北方位的地層成像圖中,右側(cè)為正北方位成像,左側(cè)為正南方位成像,最大徑向距離均為40 m。觀察地層成像圖,3 740～3 775 m井段內(nèi)存在1個(gè)明顯的過(guò)井反射體,并且連續(xù)性較好。該反射體的方位分布特征明顯,在東—西方位的地層成像圖中成像清晰,而在南—北方位地層成像圖中響應(yīng)較弱。

為進(jìn)一步分析該反射體,將東—西方位地層成像圖和反射縱波波形繪制在一起,并參考井壁微電阻率成像測(cè)井資料(見(jiàn)圖5)。地層成像結(jié)果顯示反射體由東向西傾斜,與井軸交點(diǎn)深度約為3 755 m,傾角約為25°;反射縱波波形顯示該井段存在較明顯的上行反射波和下行反射波同相軸。此外,井壁成像圖中3 755 m深度附近存在裂縫響應(yīng),傾角約為20°,傾向約為270°。該結(jié)論與方位反射聲波成像測(cè)井獲得的反射體成像特征一致,由此可以判斷圖4中的反射體為一條由東向西傾斜的過(guò)井裂縫。

圖4 過(guò)井反射體成像圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖5 東—西方位的過(guò)井裂縫產(chǎn)狀

3 相鄰井評(píng)價(jià)實(shí)例

YM-XX井位于中國(guó)新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi),為某區(qū)塊背斜構(gòu)造的一口采油井。該井5 840～5 960 m井段為裸眼段,鉆頭尺寸為171.5 mm,試采結(jié)論為低產(chǎn)油水層,因未鉆遇優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層關(guān)井。為重新獲得油氣產(chǎn)能,并獲取該區(qū)塊流體分布規(guī)律,設(shè)計(jì)了側(cè)鉆井YM-XX-C井。YM-XX-C井自YM-XX井井深5 852 m開(kāi)始側(cè)鉆,完鉆井深6 012 m。依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),2口井的鉆井軌跡如圖6所示,黑色曲線表示YM-XX井的鉆井軌跡,灰色曲線表示YM-XX-C井的鉆井軌跡。從東—西方位看二者幾乎重合;從南—北方位上看,YM-XX井位于側(cè)鉆井北側(cè)。

圖6 YM-XX-C井與YM-XX井的鉆井軌跡

YM-XX-C井目標(biāo)儲(chǔ)層的發(fā)育厚度分布相對(duì)穩(wěn)定,但儲(chǔ)層物性差異大、非均質(zhì)性強(qiáng),儲(chǔ)層發(fā)育主要受斷層-裂隙控制。利用方位遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井儀器在YM-XX-C井中進(jìn)行實(shí)際測(cè)井,獲得該井段的多極子聲波測(cè)井資料和方位反射聲波測(cè)井資料。結(jié)果表明,該井段的地層縱波波速約為6 300 m/s、反射縱波的主頻約為14.2 kHz,因此,該井段地層中的縱波波長(zhǎng)約為0.44 m。依據(jù)YM-XX-C井方位反射聲波的波形資料,得到8個(gè)不同方位的地層成像結(jié)果,并在目標(biāo)儲(chǔ)層附近發(fā)現(xiàn)2條井旁裂縫,最大徑向距離約為20 m。此外,在地層成像圖中還觀察到了疑似YM-XX井井孔的成像顯示。由于YM-XX井直徑與地層中縱波波長(zhǎng)處于同一數(shù)量級(jí),儀器接收的來(lái)自YM-XX井井孔的縱波信號(hào)以散射縱波為主。相較于反射縱波,散射縱波幅度更小,這對(duì)儀器性能和數(shù)據(jù)處理方法提出了更高的要求。

圖7為YM-XX-C井5 890～5 965 m井段4個(gè)方位的地層成像圖。觀察南—北方位的地層成像圖,正北方位(右側(cè))5 910～5 945 m井段內(nèi)能夠觀察到疑似YM-XX井井孔的成像顯示(見(jiàn)圖7中紅色箭頭),該成像顯示在其他方位的地層成像圖中不明顯。為更準(zhǔn)確判斷圖7的成像顯示是否為YM-XX井孔(井旁異常體),統(tǒng)計(jì)正北方位成像圖中異常體成像顯示在不同深度點(diǎn)的徑向距離,以及該深度點(diǎn)的周向16道定向接收波形數(shù)據(jù)中與之顯示對(duì)應(yīng)的散射波幅度,通過(guò)散射波幅度的方位分布獲得該異常體成像顯示的方位角。同時(shí),依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),分別計(jì)算YM-XX井相對(duì)于YM-XX-C井的方位角和距離的實(shí)際值,并與二者的測(cè)量值作對(duì)比(見(jiàn)表1)。據(jù)此,圖7紅色箭頭所指的異常體成像顯示就是YM-XX井井孔。分析表1中YM-XX井相對(duì)于YM-XX-C井的距離和方位的實(shí)際值和測(cè)量值,發(fā)現(xiàn)5 910 m和5 920 m深度處的方位測(cè)量值存在較大誤差,這可能是由于散射縱波幅度小,很容易被井孔模式波的殘余能量湮沒(méi),導(dǎo)致散射體方位計(jì)算不準(zhǔn)確。當(dāng)YM-XX井距離儀器較遠(yuǎn)時(shí),儀器接收到的散射縱波到時(shí)較晚,在時(shí)間序列上與井孔模式波能夠完全分離,此時(shí)求得的YM-XX井方位更準(zhǔn)確,所以5 930、5 940和5 945 m深度處方位測(cè)量值更加接近實(shí)際值。

圖7 YM-XX井的井孔成像圖

表1 YM-XX井相對(duì)于YM-XX-C井的方位和距離的測(cè)量值與實(shí)際值

4 結(jié) 論

(1)本文介紹了方位反射聲波成像測(cè)井技術(shù)及其井下2個(gè)應(yīng)用案例。根據(jù)井下儀器在2口井中測(cè)得的方位反射聲波測(cè)井波形資料,將聲波相控陣技術(shù)應(yīng)用到測(cè)井資料處理中,得到了井旁反射體在地層中的空間位置,并分別驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的可靠性,為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證案例。

(2)過(guò)井裂縫測(cè)量案例說(shuō)明,可以利用方位聲波測(cè)井資料中的反射縱波對(duì)尺度較大的井旁地質(zhì)體進(jìn)行精確成像,能夠獲得裂縫的傾角、傾向等地質(zhì)參數(shù)。

(3)相鄰井測(cè)量案例說(shuō)明,針對(duì)較小尺度的井旁散射體,方位反射聲波成像測(cè)井技術(shù)可以利用散射縱波評(píng)價(jià)井旁散射體的距離和方位。

(4)井旁地質(zhì)體距離井孔較近時(shí),反射縱波信號(hào)容易被井孔模式波的殘余能量覆蓋,此時(shí)得到的地質(zhì)體方位誤差較大。因此,在方位反射聲波成像測(cè)井技術(shù)的完善階段,需要更有效的反射波提取方法,盡量減少井孔模式波對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。