朱祖揚(yáng)

(1 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102206)

(2 中國石化石油工程技術(shù)研究院 北京 102206)

0 引言

隨鉆聲波測井通過測量地層的縱波速度和橫波速度來對地層壓力進(jìn)行評價(jià)[1?3]。為了獲得鉆井過程中所鉆地層的非均勻性特征和地層邊界信息，隨鉆聲波測井應(yīng)具有方位特性和成像功能[4]。近年來，在隨鉆多極子聲波測井技術(shù)取得成功應(yīng)用的情況下[5?7]，隨鉆聲波測井技術(shù)的方位特性也成為了研究的熱點(diǎn)，波速周向變化測量和遠(yuǎn)探測反射聲波成像測井得到了發(fā)展。斯倫貝謝公司提出了一種偏心點(diǎn)聲源測井工具，研究了聲源對方位橫波各向異性的敏感性，指出偏心點(diǎn)聲源具有方位指向性[8]。哈里伯頓公司研制了XBAT 儀器，使用多極子聲源發(fā)射和定向接收器接收，能夠?qū)崿F(xiàn)方位探測[9?10]；威德福公司研制了CrossWave儀器[11]，使用方位聚焦聲源和定向聚焦接收器接收，在儀器旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠?qū)艿貙铀俣瘸上瘢恢袊茖W(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研制了外徑171 mm(6.75 英寸)隨鉆方位聲波成像測井儀，使用偏極子發(fā)射和定向接收器接收，能夠?qū)艿貙拥目v波速度成像。陳俊圓等[12]、張正鵬等[13]提出了一種適用于隨鉆方位聲波測井的瓦片狀聲波發(fā)射換能器，基于瓦片狀聲源測量地層的縱波慢度，識別井周地層方位速度信息。衛(wèi)建清等[14]數(shù)值模擬慢速各向異性地層中隨鉆偏心點(diǎn)聲源激發(fā)的聲場，研究其在井孔中接收的響應(yīng)特征，探討了測量地層各向異性的方法。陳雪蓮等[15]從隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向的實(shí)際需求出發(fā)，利用有限差分法研究了隨鉆條件下的單極子聲源在井孔內(nèi)外的傳播特征，給出了應(yīng)用反射縱波識別井外地層界面的實(shí)施方案。

目前多極子聲源和偏心點(diǎn)聲源會被首先使用在隨鉆方位聲波測井中，而單極子聲源由于被認(rèn)為沒有方向性則不予使用，未能挖掘隨鉆單極子聲波測井?dāng)?shù)據(jù)所包含的方位信息。本文對隨鉆單極子聲波測井模式進(jìn)行了優(yōu)化，使用單極子聲源發(fā)射聲波和偏極子接收器接收聲波的測量模式，利用數(shù)值模擬方法研究了隨鉆單極子聲源的方位特性和反射聲場，并開展了隨鉆單極子聲波遠(yuǎn)探測實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)工作將有助于隨鉆單極子聲波測井理論的完善，為其在非均勻性地層評價(jià)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井等方面的使用提供理論依據(jù)。

1 隨鉆單極子聲源方位特性研究

1.1 不同方向速度模型井

模型井從井內(nèi)到井外依次為流體、鉆鋌、流體、地層[16]，井孔半徑為0.108 m，井外地層為無窮大且分為A、B、C 和D 4 個(gè)扇區(qū)，A 扇區(qū)方位角為315?～45?，B 扇區(qū)方位角為45?～135?，C 扇區(qū)方位角為135?～225?，D 扇區(qū)方位角為225?～315?，其中A、B、C 扇區(qū)為不同地層，地層的縱波速度和橫波速度均依次增大，B 和D 扇區(qū)為相同地層，模型井的聲學(xué)參數(shù)見表1。隨鉆聲波測井儀位于井孔內(nèi)且居中，使用了1 個(gè)單極子聲源發(fā)射聲波，8 個(gè)方向接收器陣列接收聲波，接收源距為2.00 m。單極子聲源安裝在鉆鋌的外壁上，接收器陣列周向等夾角45?分布在鉆鋌的外壁上，每個(gè)接收器陣列又包含了8個(gè)接收單元，接收單元間距為0.20 m。圖1給出了模型井測井示意圖，其中T 為單極子聲源，R1、R2、···、R8為每個(gè)接收器陣列上的接收單元。

圖1 不同方向速度模型井Fig.1 Borehole model with different velocity at direction

表1 模型井聲學(xué)參數(shù)Table 1 Paramters of the model

1.2 波速周向變化測量

使用有限差分法數(shù)值模擬了不同方向速度模型井的聲場傳播[17?18]，單極子聲源的主頻為10.00 kHz，8 個(gè)方向的接收器陣列獨(dú)立接收聲波，即采用單極子聲源發(fā)射和偏極子接收器接收的測量模式，得到了8 個(gè)方向上的接收波形。圖2 給出了方位角0?和180?接收到的波形，所對應(yīng)的地層分別是A 和C 扇區(qū)地層，由于這兩個(gè)扇區(qū)的地層縱波速度和橫波速度不同，導(dǎo)致了接收到的波形形狀不同。圖3 給出了這兩個(gè)方位角的接收波形的時(shí)間慢度相關(guān)(Slowness time coherence, STC)圖[19]，其中方位角0?所對應(yīng)地層的縱波慢度和橫波慢度分別為240.00 μs/m 和430.00 μs/s，方位角180?所對應(yīng)地層的縱波慢度和橫波慢度分別為210.00 μs/m 和400.00 μs/s，說明這兩個(gè)方位角所對應(yīng)地層的縱波速度和橫波速度不同。圖4 給出了方位角0?、45?、90?、135?、180?、225?、270?、315?的接收波形的時(shí)間慢度相關(guān)圖，從而得到了波速周向變化圖。計(jì)算得到方位角0?、90?、180?、270?所對應(yīng)地層的縱波速度分別為4166.67 m/s、4347.00 m/s、4761.90 m/s 和4347.00 m/s，橫波速度分別為2325.58 m/s、2500.00 m/s、2500.00 m/s和2500.00 m/s。計(jì)算結(jié)果表明，地層縱波速度計(jì)算值偏差為4.17%、3.40%、4.76%和3.40%，地層橫波速度計(jì)算值偏差為1.12%、0%、7.40%和0%，因此通過這種測量模式，能夠較好地識別井周地層不同方向的縱波速度和橫波速度，由于縱波是首波，對地層方位特性更容易提取和觀測。

圖2 不同方向的陣列接收波形Fig.2 The waveform received with array receivers at different direction

圖3 不同方向接收波形的時(shí)間慢度相關(guān)圖Fig.3 The STC chart of received waveform at different direction

圖4 波速周向變化圖Fig.4 Acoustic velocity variation around borehole

2 隨鉆單極子聲源反射聲場研究

2.1 反射聲場模型

反射聲場模型為一無限大均勻介質(zhì)區(qū)域，介質(zhì)為水，在該區(qū)域內(nèi)放置有隨鉆聲波測井儀和一塊鋁質(zhì)擋板，隨鉆聲波測井儀的軸向和鋁質(zhì)擋板的反射面平行，如圖5所示。

圖5 反射聲波探測模型Fig.5 Reflection wave detection model

隨鉆聲波測井儀的結(jié)構(gòu)和圖1 的一致，唯一不同之處是，這里的接收源距為1.00 m，鋁質(zhì)擋板與單極子聲源T 的距離為3.00 m，所在方向?yàn)榉轿唤??。鋁質(zhì)擋板的尺寸為高度1.50 m、寬度0.50 m 和厚度6.00 mm，密度為2700 kg/m3，縱波速度為6300 m/s，橫波速度為3100 m/s，聲阻抗為17.01 MPa·s/m3，遠(yuǎn)大于水的聲阻抗1.5 MPa·s/m3。反射面聲阻抗差異很大有利于反射波的提取，模型的聲學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 反射波探測模型聲學(xué)參數(shù)Table 2 Paramters of the model

2.2 反射聲波探測

使用有限差分法數(shù)值模擬了鋁質(zhì)擋板的反射聲場傳播，單極子聲源的主頻為10.00 kHz，8 個(gè)方向的接收器陣列獨(dú)立接收聲波，即采用單極子聲源發(fā)射和偏極子接收器接收的測量模式，得到了8個(gè)方向上的接收波形。圖6給出了方位角0?和180?接收到的波形，從圖6 中可以看出，接收波形包含了兩種波形，即直達(dá)波和反射波。方位角0?直達(dá)波到時(shí)為0.75 ms，直達(dá)波幅度為1000，而反射波到時(shí)為4.08 ms，反射波幅度為30.08；方位角180?直達(dá)波到時(shí)和直達(dá)波幅度與方位角0?的情況一致，而反射波到時(shí)為4.16 ms，反射波幅度為12.30。因此方位角0?的反射波到時(shí)要小于方位角180?的反射波到時(shí)，而方位角0?的反射波幅度要大于方位角180?的反射波幅度。圖7 給出了不同接收單元(R1和R8)周向的接收波形，從接收單元R1 的接收波形可以看出，隨著方位角由0?增加到180?，反射波到時(shí)由小變大，反射波幅度則由大變?。浑S著方位角由180?增加到360?，反射波到時(shí)由大變小，反射波幅度則由小變大。這是因?yàn)殇X質(zhì)擋板所處的方向是方位角0?，離方位角0?的接收器陣列較近，而離方位角180?的接收器陣列較遠(yuǎn)，距離近反射波到時(shí)小和幅度衰減小，距離遠(yuǎn)反射波到時(shí)大和幅度衰減大。從接收單元R8 的接收波形可以看出，反射波的傳播規(guī)律和接收單元R1 接收到的反射波傳播規(guī)律基本一致，但是比接收單元R1 接收波形多了一個(gè)二次反射波，這是因?yàn)榻邮諉卧猂8 比接收單元R1 離聲源的距離更遠(yuǎn)。圖8 給出了不同接收單元(R1 和R8)的反射波方位特性，即反射波到時(shí)和反射波幅度對方位的敏感性，進(jìn)一步說明，隨著方位角由0?增加到180?，反射波到時(shí)由小變大，反射波幅度則由大變??；隨著方位角由180?增加到360?，反射波到時(shí)由大變小，反射波幅度則由小變大。從接收單元R8 的反射波到時(shí)和反射波幅度可以看出，方位角0?的反射波到時(shí)為4.32 ms，反射波幅度為21.92，方位角180?的反射波到時(shí)為4.41 ms，反射波幅度為7.82。在同一方位角，接收單元R8 接收到的反射波到時(shí)要大于接收單元R1 接收到的反射波到時(shí)，同時(shí)接收單元R8 接收到的反射波幅度要小于接收單元R1 接收到的反射波幅度，這是因?yàn)榻邮諉卧猂8 比接收單元R1 離聲源的距離更遠(yuǎn)。因此通過這種測量模式，能夠接收到鋁質(zhì)擋板的反射波和提取出反射波的方位信息，進(jìn)而可以獲取鋁質(zhì)擋板的距離和方位信息。

圖6 不同方向的陣列接收波形Fig.6 The waveform received with array receivers at different direction

圖7 不同接收單元的周向接收波形Fig.7 The waveform received by different receive cells from azimuth 0?to 360?

圖8 反射波方位特性Fig.8 Azimuthal characteristic of reflection wave

3 隨鉆單極子聲波遠(yuǎn)探測實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)了一套隨鉆聲波測量裝置用于聲波遠(yuǎn)探測實(shí)驗(yàn)，該裝置包括一個(gè)發(fā)射短節(jié)和一個(gè)接收短節(jié)，均由鋁質(zhì)材料加工而成，外徑均為171.00 mm，內(nèi)徑均為57.20 mm，長度分別為417.00 mm 和543.00 mm。隨鉆聲波測量采用“一發(fā)兩收”的工作模式；在發(fā)射短節(jié)上安裝了一個(gè)單極子聲波發(fā)射換能器(標(biāo)識符T)，發(fā)射換能器的發(fā)射頻率為13.80 kHz；在接收短節(jié)上安裝了4 組接收器陣列，接收器陣列等夾角90?周向分布在接收短節(jié)的外側(cè)壁上，每組接收器陣列由2 個(gè)寬頻接收換能器(標(biāo)識符R1 和R2)組成，接收換能器的接收帶寬為0～32.20 kHz，間距為200.00 mm。

在水池里放入隨鉆聲波測量裝置，并用水池壁作為反射界面，開展隨鉆單極子聲波遠(yuǎn)探測實(shí)驗(yàn)，如圖9 所示。水池的尺寸為長7.30 m、寬6.30 m 和深5.00 m，水池的上面有航吊和行車，可以掛載和移動(dòng)隨鉆聲波測量裝置。發(fā)射短節(jié)在下，接收短節(jié)在上，并且兩個(gè)短節(jié)在一個(gè)垂線上，發(fā)射換能器與最近的接收換能器的距離為0.88 m(T到R1的距離)。以水池壁作為反射界面，隨鉆聲波測量裝置一側(cè)的2 個(gè)寬頻接收換能器正對著水池壁并接收來自水池壁的反射波，調(diào)整隨鉆聲波測量裝置與水池壁之間的距離，設(shè)置了1.00 m、3.00 m、5.00 m 和7.00 m 等4個(gè)反射界面距離。

圖9 聲波遠(yuǎn)探測水池實(shí)驗(yàn)Fig.9 Water tank experiment of acoustic remote detection

開展了4 次實(shí)驗(yàn)，接收換能器R1 和R2 記錄到了反射界面距離為1.00 m、3.00 m、5.00 m和7.00 m的完整波形，每一道波形記錄時(shí)長為20.00 ms，實(shí)際波形有效時(shí)長為12.00 ms，記錄的波形包含了直達(dá)波和反射波，如圖10所示。從圖10可以看出，直達(dá)波在前，反射波在后，直達(dá)波幅度大，反射波幅度小，這是因?yàn)橹边_(dá)波為聲波從發(fā)射短節(jié)經(jīng)過水介質(zhì)直接傳播到接收短節(jié)的波形，反射波為聲波從發(fā)射短節(jié)經(jīng)過水池壁反射回接收短節(jié)的波形，兩種波傳播的距離不一樣導(dǎo)致了聲波到時(shí)和聲波幅度也不一樣。隨著反射界面距離由小變大，反射波到時(shí)逐漸變大，反射波幅度逐漸變小。對R1 和R2 記錄的波形進(jìn)行了處理，反射界面距離1.00 m、3.00 m、5.00 m和7.00 m 的反射波到時(shí)分別為1.50 ms、4.30 ms、6.90 ms、9.50 ms(9.60 ms)，根據(jù)聲波測距原理，取水的聲速1500 m/s，計(jì)算得到反射界面測量距離分別為1.16 m、3.23 m、5.18 m、7.16 m，測量誤差分別為16.00%、7.67%、3.60%和2.28%，如表3 所示。說明反射界面距離越大，測量結(jié)果越可靠，這是因?yàn)榉瓷浣缑婢嚯x越大，反射波到時(shí)提取誤差和傳播介質(zhì)的聲速誤差影響越小，但是反射界面距離越大，反射波信號越小，又會產(chǎn)生新的測量誤差。實(shí)驗(yàn)證明，隨鉆單極子聲源可以準(zhǔn)確測量到反射界面距離，在合適尺度范圍內(nèi)進(jìn)行聲波遠(yuǎn)探測是可行的。

圖10 兩個(gè)接收器接收波形Fig.10 The waveforms received by two receivers

表3 聲波遠(yuǎn)探測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of acoustic remote detection

4 結(jié)論

(1)基于不同方向速度模型井?dāng)?shù)值模擬了隨鉆單極子聲波傳播特征，使用單極子聲源發(fā)射和偏極子接收器接收的測量模式，獲得了波速周向變化圖，能夠較好地識別井周地層不同方向的縱波速度和橫波速度。

(2)建立了一個(gè)含反射界面、無限大均勻介質(zhì)的反射聲場模型，數(shù)值模擬了隨鉆單極子反射波的傳播特征，使用單極子聲源發(fā)射和偏極子接收器接收的測量模式，獲得了反射波到時(shí)和反射波幅度的變化規(guī)律，反射波具有方位性；研制了隨鉆聲波測量裝置，在水池里開展了隨鉆單極子聲波遠(yuǎn)探測實(shí)驗(yàn)，測量到了1.00 m、3.00 m、5.00 m 和7.00 m 的反射界面距離，測量結(jié)果可靠。

(3)雖然隨鉆單極子聲源是全向發(fā)射和聲源沒有方向性，但是使用單極子聲源發(fā)射和偏極子接收器接收的測量模式，則從隨鉆單極子聲波測井?dāng)?shù)據(jù)里仍然可以提取到地層速度的方位信息，在合適尺度范圍內(nèi)使用隨鉆單極子聲源進(jìn)行聲波遠(yuǎn)探測是可行的。因此隨鉆單極子聲波測井技術(shù)在非均勻性地層評價(jià)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。