趙永剛，冉利民，吳非

（1.中國石化集團(tuán)華北石油局測(cè)井公司，河南 新鄉(xiāng) 453700；2.中國石化集團(tuán)石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

0 引 言

油田勘探開發(fā)中引進(jìn)、使用[1]的新型復(fù)合鉆井技術(shù)有時(shí)會(huì)使井眼內(nèi)出現(xiàn)螺紋狀溝槽，這種螺紋狀溝槽井眼會(huì)在測(cè)井曲線上產(chǎn)生準(zhǔn)周期性特征，人們稱之為開塞鉆、螺旋井眼或螺紋井眼。螺紋井眼一般都是鉆井過程中的3種機(jī)械原因造成的。在鉆水平井段時(shí)，鉆頭上方加了扶正器或可調(diào)穩(wěn)定器，容易形成螺紋井眼，其周期與鉆頭離其最近一個(gè)扶正器的距離有關(guān)，井眼直徑變化一般很小（約0.5in＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0.3048m，下同左右）；鉆井采用螺紋鉆頭和牙輪在鉆井施工過程中鉆頭擺動(dòng)，會(huì)造成井眼大小不均勻，并呈螺旋形的凹槽；使用高效PDC鉆頭與高效單彎螺桿加穩(wěn)定器的復(fù)合鉆具組合進(jìn)行鉆井，也會(huì)產(chǎn)生螺紋井眼[1－2]。一些測(cè)井曲線在螺紋井眼處會(huì)受到較嚴(yán)重影響，出現(xiàn)規(guī)律波狀變化[3]。

本文對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行頻譜分析，總結(jié)出了螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線影響的頻域響應(yīng)特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)低通濾波器對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行優(yōu)化處理。

1 螺紋井眼對(duì)測(cè)井資料的影響

螺紋井眼對(duì)測(cè)井資料的影響取決于儀器的測(cè)量原理。推靠臂型測(cè)井儀器推靠臂不能緊貼井壁，極板與井壁之間的泥漿不同程度地影響測(cè)井資料的真實(shí)性；井壁形成的泥餅厚度也不均勻，在井眼較大的地方形成較厚的泥餅，而在井眼較小的地方形成較薄的泥餅。泥漿性能及泥餅分布規(guī)則的不均勻性也會(huì)對(duì)測(cè)井曲線產(chǎn)生影響。

1.1 對(duì)補(bǔ)償密度和中子測(cè)井資料的影響

對(duì)補(bǔ)償密度和中子測(cè)井儀器而言，螺旋形溝槽井眼對(duì)其影響源于周期性的泥餅效應(yīng)。井壁上形成的不同厚度的泥餅會(huì)對(duì)補(bǔ)償密度和補(bǔ)償中子測(cè)井曲線造成影響。極板與井壁之間的空隙呈現(xiàn)與井身軌跡基本一致的比較規(guī)則的正弦變換規(guī)律，鉆井液對(duì)測(cè)井曲線的影響也呈現(xiàn)同周期正弦狀（見圖1）。

圖1 ZJ××井測(cè)井曲線圖

1.2 對(duì)電極系電法測(cè)井資料的影響

螺紋井眼對(duì)電極系電法測(cè)井資料的影響比較復(fù)雜，綜合起來應(yīng)包括泥漿礦化度、地層的滲透性、泥餅的厚度等因素。一般來說，淺探測(cè)儀器所測(cè)資料受影響較大，如微電位、微梯度、八側(cè)向、淺側(cè)向、微球聚焦等測(cè)井曲線；而深探測(cè)儀器受影響相對(duì)較小，如深側(cè)向等曲線。微電極、八側(cè)向、淺側(cè)向、微球聚焦等儀器探測(cè)深度淺，受極板與井壁之間的泥漿影響很大。在高泥漿濾液礦化度情況下，泥漿電阻率很低，對(duì)曲線影響特別嚴(yán)重，曲線完全失真，原始曲線基本不具有分析地層的意義。在低泥漿濾液礦化度下，這種影響相對(duì)較小，但仍需對(duì)曲線進(jìn)行校正后才能應(yīng)用。由于泥漿電阻率和地層電阻率大小不同，因此微電極測(cè)井曲線呈鋸齒波狀[4]。

1.3 對(duì)聲波測(cè)井資料的影響

對(duì)聲波測(cè)井資料的影響由于不是存在周期性的變化，且其數(shù)值誤差不是很大，不易引起注意，通常解釋時(shí)把這種現(xiàn)象當(dāng)成儀器誤差進(jìn)行處理。常規(guī)聲波測(cè)井主要測(cè)2個(gè)接收器之間地層的聲波時(shí)差，由于聲波沿著正弦波的弧線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，故所測(cè)的時(shí)差也是沿著弧線之間產(chǎn)生的時(shí)差，2個(gè)接收器之間的距離增大，時(shí)差也變大。由井徑曲線可知，2個(gè)接收器之間的弧線距離和直線距離誤差不是很大，在資料上表現(xiàn)只有幾微秒，在測(cè)井過程中基本不易發(fā)現(xiàn)其異常，只有仔細(xì)對(duì)照鄰井資料才能發(fā)現(xiàn)。

1.4 對(duì)雙感應(yīng)測(cè)井資料的影響

螺紋井眼對(duì)感應(yīng)測(cè)井資料的影響分淡水泥漿和鹽水泥漿2種情況。在淡水泥漿中的影響相對(duì)要小，但在鹽水泥漿中，影響較大，特別中感應(yīng)測(cè)井在飽和的鹽水泥漿中，所測(cè)曲線基本失真。如果對(duì)這種現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不足，就會(huì)誤認(rèn)為是測(cè)井儀器的問題，進(jìn)行反復(fù)重測(cè)，勢(shì)必造成人力和物力的浪費(fèi)。

感應(yīng)測(cè)井曲線異常主要是由于感應(yīng)測(cè)井原理考慮的是無限均勻介質(zhì)。測(cè)井是在井內(nèi)泥漿和地層等2種介質(zhì)中進(jìn)行，電磁波就存在界面處的反射與折射問題。當(dāng)井壁呈現(xiàn)光滑的正弦狀特征時(shí)，電磁波在波峰和波谷處發(fā)生聚焦和發(fā)散現(xiàn)象。儀器所探測(cè)區(qū)域的電磁信號(hào)能量也就形成了正弦變化，接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就形成正弦變化，最后反映到測(cè)井曲線上就形成了正弦波狀的曲線。

如圖1所示，中感應(yīng)與深感應(yīng)的變化存在很大差異，這主要是由2個(gè)原因造成。①感應(yīng)儀器的中感應(yīng)線圈距為0.8m，而深感應(yīng)的則為1.5m。圖1顯示的井徑曲線正弦波周期為1m左右，發(fā)射線圈在波峰處時(shí)中感應(yīng)接收線圈位于平滑部位，故地層中的二次場(chǎng)在接收線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就是經(jīng)過聚焦的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；深感應(yīng)接收線圈處于波谷處，二次場(chǎng)產(chǎn)生的電磁波傳到接收線圈進(jìn)行了發(fā)散，地層中的二次場(chǎng)在接收線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化得到大量消除，故形成中感應(yīng)曲線影響嚴(yán)重，而深感應(yīng)影響較小，有時(shí)候甚至不發(fā)生周期干擾[2]。②根據(jù)感應(yīng)測(cè)井需要，在感應(yīng)儀器設(shè)計(jì)時(shí)中感應(yīng)的零信號(hào)半徑為0.1m，而深感應(yīng)為0.25m（見圖2）。測(cè)井時(shí)儀器沿著井壁運(yùn)行，造成儀器在井眼的半徑超過了中感應(yīng)的零信號(hào)半徑，這樣在電阻率相對(duì)較低的泥漿影響下，井眼對(duì)中感應(yīng)曲線的影響就會(huì)很大，而不是可以忽略的因素。所測(cè)電阻率非地層真電阻率，而是泥漿電阻率和井眼內(nèi)的幾何因子的積與地層電阻率的綜合作用的結(jié)果。深感應(yīng)由于零信號(hào)半徑較大，井眼內(nèi)泥漿電阻率對(duì)其影響非常小，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井時(shí)可以忽略。

1.5 對(duì)陣列感應(yīng)測(cè)井曲線的影響

HRAI陣列感應(yīng)測(cè)井儀器采用簡(jiǎn)單的三線圈系或四線圈系的子陣列，經(jīng)過真分辨率合成和分辨率匹配等軟件聚焦得到3種分辨率的6種探測(cè)深度共18條電阻率曲線。陣列感應(yīng)子陣列的測(cè)量原理與雙感應(yīng)原理一樣，通過測(cè)量地層在接收線圈中產(chǎn)生的二次場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而得到視電阻率，因此，陣列感應(yīng)受螺紋井眼的影響與感應(yīng)測(cè)井類似。所不同的是對(duì)陣列感應(yīng)曲線的影響是源于每個(gè)子陣列信號(hào)。由于每個(gè)較淺的子陣列受井眼影響嚴(yán)重，盡管在曲線合成之前進(jìn)行了常規(guī)的井眼校正，但這種螺旋狀的井眼對(duì)測(cè)井曲線的影響并不能消除。較淺探測(cè)深度曲線（10、20in和30in曲線）由于短源距子陣列信號(hào)貢獻(xiàn)較大，也就造成受螺紋井眼影響較大。而60、90in和120in曲線在合成過程中并未使用最短子陣列信號(hào)，但也受到一定的影響。從各個(gè)曲線的零信號(hào)半徑也可以分析出淺探測(cè)深度曲線受影響嚴(yán)重，深探測(cè)相對(duì)影響較弱（見圖3）。感應(yīng)與陣列感應(yīng)測(cè)井資料可以通過濾波技術(shù)降低螺紋井眼粗糙度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖2 中、深感應(yīng)測(cè)井儀器零信號(hào)半徑示意圖

圖3 陣列感應(yīng)測(cè)井徑向積分幾何因子

螺紋狀井眼對(duì)推靠臂儀器影響明顯，主要受極板與井壁間泥漿的影響，其影響表現(xiàn)為與井壁軌跡類似的正弦狀周期性干擾，特別在礦化度較高的泥漿濾液中。螺紋井眼對(duì)無推靠臂的測(cè)井儀器也存在不同程度的影響，其中聲波曲線表現(xiàn)為聲波時(shí)差數(shù)值偏大；感應(yīng)、陣列感應(yīng)測(cè)井曲線則形成與井身軌跡類似的正弦狀周期干擾，特別是中感應(yīng)測(cè)井曲線在礦化度很高的泥漿中尤其嚴(yán)重。

2 測(cè)井曲線的頻域?yàn)V波校正

帶有干擾的測(cè)井曲線包含2種成分：短周期的干擾信號(hào)具有隨機(jī)性，與地層性質(zhì)無關(guān)；較長(zhǎng)周期的游泳信號(hào)反映地層性質(zhì)的趨勢(shì)成分[5－6]。螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線的影響屬于高頻信息，它是井眼結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)井曲線形成的有規(guī)律的干擾，可以通過濾波方法去除。目前使用的測(cè)井曲線濾波算法有2類：時(shí)域算法（平滑濾波）和頻域算法。時(shí)域算法一般可以消除測(cè)井曲線上的毛刺隨機(jī)干擾[5－8]。對(duì)于螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線造成的有規(guī)律的影響，選用頻域?yàn)V波效果更好[9－11]。

測(cè)井信號(hào)可以認(rèn)為是反映測(cè)井曲線基本形態(tài)的低頻成分（有效成分）和視為干擾的高頻成分（噪聲成分）在頻帶上是分離的，即

式中，S（f）和N（f）分別為有效信號(hào)和噪聲的頻譜。

分別對(duì)正常情況下和存在螺紋井眼影響的測(cè)井曲線進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻譜曲線。如圖4所示，受螺紋井眼影響的電阻率曲線的頻譜曲線在頻率為1m－1的高頻段存在尖峰現(xiàn)象，而未受螺紋井眼影響的電阻率曲線上則不存在此尖峰。該差異可以作為分析螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線的影響的標(biāo)志。鑒于存在以上差異，可以對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行頻域?yàn)V波，去除螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線的高頻影響。

設(shè)計(jì)一個(gè)理想通帶濾波器的頻譜進(jìn)行頻域的乘積濾波，也就是頻域?yàn)V波。數(shù)字濾波的頻率域方法表達(dá)式為

式中，X為輸入信號(hào)x的離散傅里葉變換；H 為濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)，確定濾波器的方式和特點(diǎn)。

設(shè)fu為上限截止頻率，Δf為頻率分辨率，在理想狀況下，低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為

對(duì)圖4中存在螺紋井眼影響的電阻率曲線進(jìn)行處理，設(shè)置高截頻率為0.9m－1（見圖5）。與原始曲線相比，處理后的測(cè)井曲線保持了低頻信息，曲線上的短周期振蕩現(xiàn)象被去除。處理前后曲線的頻譜特征顯示，濾波后的曲線頻譜曲線上的高頻尖峰消失。

用頻域?yàn)V波法對(duì)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波，能準(zhǔn)確確定高頻干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)合理的低通濾波器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。使用該方法，只要濾波器設(shè)計(jì)合理，就能去除螺紋井眼對(duì)曲線的干擾，并且不會(huì)降低曲線的分辨率。采用頻域乘積濾波的方法可以靈活控制各種頻率成分的取舍，并能提高處理速度。

3 應(yīng)用實(shí)例

鎮(zhèn)涇油田在鉆井過程中普遍使用了復(fù)合鉆井技術(shù)，提高了鉆進(jìn)效率，但在井壁形成的螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線造成了嚴(yán)重影響。在使用復(fù)合鉆井技術(shù)的井段，微電極、陣列感應(yīng)、中感應(yīng)、補(bǔ)償密度等測(cè)井曲線都不同程度受到螺紋井眼的影響（見圖6）。

圖6所示是鎮(zhèn)涇油田ZJ××井受螺紋井眼影響較嚴(yán)重的井段，雙井徑測(cè)井曲線呈明顯螺紋狀。微電極曲線在1～10Ω·m范圍內(nèi)呈波長(zhǎng)大約為1 m的近似正弦波的震蕩。中感應(yīng)測(cè)井曲線存在輕微的周期抖動(dòng)現(xiàn)象。深感應(yīng)測(cè)井曲線則沒有明顯的震蕩，說明螺紋井眼對(duì)其影響不明顯。陣列感應(yīng)測(cè)井曲線都不同程度出現(xiàn)了周期性震蕩現(xiàn)象。經(jīng)過校正后的曲線（RML1c、RML2c、RILMc、RHT01c、RHT02c等）都明顯擺脫了螺紋井眼的影響，不再有短周期震蕩的特點(diǎn)。

圖6 ZJ××井螺紋井眼段測(cè)井曲線校正前后對(duì)比

4 結(jié) 論

（1）通過對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行頻譜分析，總結(jié)出了螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線影響的頻域響應(yīng)特征。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波器，并對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行了校正。

（2）通過對(duì)鎮(zhèn)涇油田ZJ××井實(shí)際測(cè)井資料進(jìn)行處理，證明了校正方法的有效性。經(jīng)過校正的曲線消除了螺紋井眼對(duì)測(cè)井曲線的影響，使校正后的測(cè)井曲線更能反映地層的真實(shí)物理性質(zhì)。優(yōu)化了測(cè)井曲線質(zhì)量，為提高測(cè)井解釋的質(zhì)量提供了保障。

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