莊春喜, 燕菲, 孫志峰, 劉西恩, 唐曉明, 蘇遠(yuǎn)大

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 聲學(xué)測(cè)井聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266580; 2.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部, 北京 101149)

0 引 言

近年來,聲波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)已成為石油勘探地球物理中的新研究熱點(diǎn)之一。該技術(shù)能夠?qū)缘刭|(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確成像定位[1-10],將測(cè)井徑向探測(cè)深度從井壁附近擴(kuò)展至數(shù)米乃至數(shù)十米范圍外,為油氣藏構(gòu)造描述及油田的勘探開發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。國(guó)際上,Schlumberger公司1998年研制出BARS(Borehole Acoustic Reflective Survey)[11]儀器之后,2006年又推出了含有改進(jìn)的聲反射成像功能的新儀器Sonic Scanner[12];2004年,Tang X M[10]把偶極子用于單井反射聲波測(cè)井中,并提出了利用偶極橫波進(jìn)行遠(yuǎn)探測(cè)聲波成像的方法。Baker Hughes公司開發(fā)出了基于XMACII儀器的聲反射成像處理軟件[13]。2009年,Tang X M[10]等利用四分量偶極數(shù)據(jù)對(duì)井旁裂縫和鹽丘內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行了成像,取得了顯著的應(yīng)用效果。在中國(guó),薛梅[14]、喬文孝等[15],楚澤涵等[16],何峰江[17],陶果等[18]針對(duì)單極聲源條件下的反射聲波,開展了大量的研究工作。2005年中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司測(cè)井分公司的新型遠(yuǎn)探測(cè)聲波反射波測(cè)井儀器研制成功,并取得了一定的應(yīng)用效果。2011年,唐曉明等[19]全面系統(tǒng)地結(jié)合對(duì)偶極輻射聲場(chǎng)的數(shù)值模擬,加深了偶極遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特征及反射聲場(chǎng)的理解。2012年唐曉明和魏周拓[20-21]對(duì)新近發(fā)展的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井技術(shù)從基本原理、理論方法、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用到發(fā)展方向做了深入的分析和討論。總而言之,與單極子反射縱波成像相比,偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的徑向探測(cè)深度更深,而且由于偶極子聲源具有方向性,采用多分量的偶極發(fā)射和接收,還可以確定井旁反射體的方位。值得指出的是,目前偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)處理都是基于現(xiàn)有正交偶極聲波儀器的測(cè)量條件下實(shí)現(xiàn),大大提高了交叉偶極測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的使用率。

本文從偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)基本原理出發(fā),結(jié)合現(xiàn)有的陣列聲波數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求,開發(fā)出了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井處理技術(shù),形成了一套快速有效的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理流程。實(shí)際數(shù)據(jù)處理和分析表明,該技術(shù)處理操作簡(jiǎn)單,過程布局流暢,處理速度快,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的需要。

1 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)的基本原理

1.1 基本方法和理論

偶極橫波測(cè)井過程中,井中偶極聲源工作時(shí)除了產(chǎn)生沿井壁傳播的彎曲波之外,同時(shí)還向井外地層輻射出彈性波。這些彈性波包括縱(P)波、在豎直(SV)和水平面(SH)內(nèi)偏振的2種橫波。圖1為利用正交偶極聲波測(cè)井儀進(jìn)行遠(yuǎn)探測(cè)反射波測(cè)量的示意圖。井中遠(yuǎn)探測(cè)聲場(chǎng)的模擬是一個(gè)復(fù)雜的理論問題,因?yàn)榫薪邮盏降穆晥?chǎng)受多種因素的影響,包括井中聲源向井外地層的輻射[22]、聲場(chǎng)在地層中的反射、及井對(duì)反射波的調(diào)制[23]等,考慮這些影響因素以及波在傳播路徑上的傳播效應(yīng),可以給出井中的接收到遠(yuǎn)探測(cè)聲波,其在頻率域內(nèi)的表達(dá)形式為

RWV(ω)=S(ω)·RD(ω)·RF(ω)·RC(ω)·
ei ω D(1+i/2Qβ)/β/D

(1)

式中,RWV為井中接收到的遠(yuǎn)探測(cè)聲波頻譜;S為聲源頻譜;RD為聲場(chǎng)輻射因子;RC為井對(duì)反射聲場(chǎng)的接收因子(即接收響應(yīng));RF為波在地層反射體處的反射系數(shù)。這些因子都可以隨圓頻率ω變化,除以上因素外,波場(chǎng)還受傳播效應(yīng)的影響。影響之一為波在傳播路徑上的幾何擴(kuò)散1/D,其中D為從聲源到反射體,再從反射體到井中接收器的總傳播距離;其二是波在傳播路徑上的非彈性衰減exp(-ωD/2Qββ),其中Qβ和β分別為橫波的品質(zhì)因子和波速。

圖1 用四分量偶極測(cè)井儀進(jìn)行橫波成像示意圖

從式(1)可見,在一定聲源輻射RD和接收條件RC下(兩者滿足互易原理),如果記錄到的波形時(shí)間長(zhǎng)度大于T,且反射波信號(hào)大于噪聲信號(hào),那么就可以從偶極數(shù)據(jù)中提取反射波信號(hào),并對(duì)井旁的反射體進(jìn)行成像和追蹤。

單極子聲源無法對(duì)井旁反射體的方位進(jìn)行識(shí)別,而偶極聲源及接收器系統(tǒng)具有一個(gè)非常有用的特征,那就是它的方位指向性和垂向覆蓋性。圖2所示為充液井孔中偶極聲源的SH和SV波的輻射指向性。對(duì)于聲源頻率為200 Hz的低頻情況,圖2(a)給出了快速地層中SH和SV橫波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指向性,豎直方向代表充液井孔。圖2(a)中外部和內(nèi)部的實(shí)線分別表示利用低頻近似法得到的SH及SV橫波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指向性?？梢钥闯?SH橫波在豎直平面內(nèi)均勻輻射,呈圓形,而SV橫波的輻射呈現(xiàn)上下對(duì)稱的2個(gè)圓,且在水平方向存在零點(diǎn);此外,SH橫波的幅度恒大于SV橫波。綜上可知SH較SV對(duì)井外不同傾角的反射體具有更好的輻射覆蓋性。這種低頻條件下的偶極輻射指向性與單力源在無限大彈性介質(zhì)中的情形相似,說明低頻時(shí),井孔對(duì)輻射聲場(chǎng)幾乎沒有影響,但是隨著頻率增加,波長(zhǎng)變短,井孔對(duì)輻射場(chǎng)的調(diào)制作用變得重要起來。圖2(b)給出了聲源頻率為3 000 Hz時(shí),快速地層中SH和SV橫波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射指向性,計(jì)算所用頻率在常規(guī)偶極測(cè)井的頻率范圍內(nèi)。這時(shí)低頻近似解所需的條件不再滿足。圖2(b)中的實(shí)線和虛線表示計(jì)算得到的SH和SV橫波分別在豎直的yoz和xoz平面內(nèi)的輻射指向性。與圖2(a)低頻的情況相比,圖2(b)測(cè)井頻率內(nèi)SH和SV橫波輻射波幅大大增加,輻射指向,特別是SH的指向,向水平面方向顯著增強(qiáng),說明此時(shí)探測(cè)與井平行或大致平行的反射體,比探測(cè)與井斜交的反射體更為有利。

若取輻射方向與y軸的夾角為φ,

則SH波和

圖2 充液井孔中偶極聲源的SH和SV波的輻射指向性(徑向刻度為波幅,圓周標(biāo)注了φ角的大小)

SV波波幅隨方位變化為cosφ和sinφ。根據(jù)SH波和SV波的方位變化規(guī)律,可以采用在井中用2組正交的偶極發(fā)射和接收系統(tǒng)來接收SH和SV反射波。一組系統(tǒng)的指向?yàn)閤向;另一組系統(tǒng)的指向?yàn)閥向。接收到的信號(hào)實(shí)際上就是把入射的SH和SV波位移矢量投影到x和y方向,得到2個(gè)接收分量

(2)

式中,xx和xy分別為同向和交叉接收分量。類似地,把x向聲源換到y(tǒng)方向,由此得到另2個(gè)接收分量

(3)

把4個(gè)接收分量組合起來,就可以得到SH和SV波

(4)

由式(4)可知,無論偶極的指向和接收方向如何變化,都能夠從式(4)中確定SH和SV反射波,偏移成像得到井旁反射體的空間位置。

1.2 地質(zhì)反射體方位的確定方法

偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井的另外一個(gè)重要方面就是確定井旁反射體的走向。但是在正交偶極的測(cè)量過程中,必須考慮測(cè)井儀器在聲波測(cè)量中的不斷旋轉(zhuǎn)。隨著儀器旋轉(zhuǎn),聲源指向相對(duì)于反射體的方位角φ也隨之改變,從而影響反射波的振幅。所以在記錄偶極波形數(shù)據(jù)的同時(shí),測(cè)井儀器在每個(gè)位置處相對(duì)于固定方向的儀器方位AZ被記錄,以下簡(jiǎn)要說明通過使用坐標(biāo)變換把式(2)至式(4)的分量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定坐標(biāo)下的分量數(shù)據(jù),從而得到反射體方位信息(見圖3)。

圖3 使用四分量正交偶極測(cè)井儀采集傾斜反射體SH和SV反射波

在圖3中考慮固定的矩形X-Y直角坐標(biāo)系(事實(shí)上,可以把X和Y方向分別指定為地理的正北方和正西方)。X軸與反射體走向成α角。X軸與儀器坐標(biāo)x軸之間角度為測(cè)井時(shí)記錄的儀器方位AZ,所以可以建立角度關(guān)系為

α=AZ+φ

(5)

通過式(5),將固定坐標(biāo)的分量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換x-y坐標(biāo)到X-Y坐標(biāo)。用矩陣表示為

(6)

在固定坐標(biāo)中,反射體方位α是固定的。盡管儀器方位在測(cè)量過程中會(huì)不斷發(fā)生變化,但式(6)中固定坐標(biāo)系下的四分量數(shù)據(jù)相對(duì)于反射體保持不變。從而,在固定坐標(biāo)系中使用四分量數(shù)據(jù),即可估算出實(shí)際反射體方位α0。如上所述,當(dāng)反射體走向與偶極振動(dòng)方向一致時(shí),這個(gè)方位就是實(shí)際井旁的反射體走向,此時(shí)交叉分量數(shù)據(jù)消失(即,式(6)方陣的對(duì)角化)。根據(jù)式(6),可以得到相對(duì)于固定坐標(biāo)系下任意方位α下的新的交叉分量數(shù)據(jù)

XY′=(XX-YY)cosαsinα+XYcos2α-YXsin2α

YX′=(XX-YY)cosαsinα+YXcos2α-XYsin2α

(7)

當(dāng)正交分量數(shù)據(jù)消失時(shí),就能確定反射體實(shí)際走向(α=α0)。交叉分量能量或反演目標(biāo)函數(shù)可由采樣時(shí)間長(zhǎng)度T和深度范圍Z內(nèi)交叉分量的點(diǎn)積構(gòu)建

E(α)=[YX′,YX′]=

(8)

為了使交叉分量達(dá)到最小,通過求解式(9),即可得到對(duì)應(yīng)的反射體走向α0

(9)

應(yīng)用式(9)于式(8),可以得到一個(gè)直接從分量數(shù)據(jù)計(jì)算α0的解析公式,具體為

(10)

可以看出在0～180 °范圍內(nèi),式(8)的α0有4個(gè)解。2個(gè)代表式(8)的最大值,應(yīng)被排除。另外2個(gè)相差90 °,他們的差異反映了SH和SV波差異的大小和方位敏感性。

2 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像資料的處理流程

圖4給出了偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理流程圖,這里將其分為4個(gè)處理步驟。

第1步,數(shù)據(jù)加載。加載的數(shù)據(jù)可以是四分量交叉偶極數(shù)據(jù)(xx,xy,yx,yy),2個(gè)(xx和yy)或者是單個(gè)同向分量(xx或yy)的數(shù)據(jù),也可以是常規(guī)的單極陣列數(shù)據(jù)。圖5所示第1道是單分量偶極原始波形數(shù)據(jù)的變密度圖?？梢钥闯?原始波形中主要包含了沿井傳播的彎曲波,無法直觀地從原始波形中觀察到反射波信息。要強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于單分量波形數(shù)據(jù)的成像結(jié)果不包含方位信息,并且反射體成像會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的情況;2個(gè)同向的雙分量波形數(shù)據(jù)雖不包含方位信息,但可以消除或改善反射體成像的斷續(xù)情況;而四分量波形數(shù)據(jù)可以對(duì)井周任意方位進(jìn)行成像,觀測(cè)到的反射體具有較好的連續(xù)性。正如1.2小節(jié)所述,數(shù)據(jù)加載中還需要提供儀器方位曲線AZ,主要目的是將原始波形數(shù)據(jù)由儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地固定坐標(biāo)系,以校正儀器旋轉(zhuǎn)對(duì)成像結(jié)果的影響,為下一步確定反射體方位。

第2步,預(yù)處理?，F(xiàn)場(chǎng)原始波形數(shù)據(jù)質(zhì)量往往無法滿足成像的需要。從圖5的第1道原始波形可以看出,其波形數(shù)據(jù)周期多、后續(xù)反射波幅度小、反射波信噪低。首先,針對(duì)不同振型的波形,進(jìn)行濾波處理,在頻率域中去除一些低頻、高頻和噪聲;然后,針對(duì)彎曲波持續(xù)周期較長(zhǎng)的特征,對(duì)其進(jìn)行壓振處理,以達(dá)到減少波形周期、增強(qiáng)后續(xù)波、壓制干擾波的目的。圖5第2道為壓振處理之后的單分量陣列波形變密度圖,從圖5中可以看出周期繁多、能量分散的原始波形在預(yù)處理后波形明顯周期減少,能量分布集中。對(duì)沿井傳播的直達(dá)彎曲波壓制明顯。需要強(qiáng)調(diào)的是,對(duì)于偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)來說,針對(duì)多個(gè)周期的彎曲波進(jìn)行的壓振處理,是偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)處理中關(guān)鍵一步。

圖4 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理流程圖

第3步,成像處理。包含2個(gè)主要步驟:波場(chǎng)分離和偏移成像。針對(duì)上述壓振之后的波形進(jìn)行反射波的上下行波場(chǎng)分離,用以分離直達(dá)波和反射波,在對(duì)反射波進(jìn)行上下行分離。針對(duì)不同的波列特征,可采用中值濾波、自適應(yīng)濾波或F-K濾波等各種波場(chǎng)分離方法,以達(dá)到壓制井中的直達(dá)波,增強(qiáng)反射波信噪比的目的;之后,針對(duì)上下行反射波,對(duì)其進(jìn)行類似于地震成像處理的反射波偏移成像,不同的是本文所采用的成像處理方法在處理效率上有大幅度的提高,能夠大大縮短成像處理時(shí)間,提高野外數(shù)據(jù)處理效率。該處理流程中,主要使用了3種偏移成像方法:疊前偏移、疊后偏移和近平偏移。疊前偏移和疊后偏移適用于低傾角或傾角適中的反射體;而對(duì)于水平井或者反射體與井大體平行的情況,則選擇近平偏移。在偏移成像之前,通常會(huì)對(duì)反射波波形數(shù)據(jù)進(jìn)行共中心點(diǎn)(CMP)道集疊加處理,以壓制干擾波,增強(qiáng)有效波,優(yōu)化成像結(jié)果。

第4步,成像過濾或者成像后處理。實(shí)際波形數(shù)據(jù)往往是反射波信噪比較低、易受干擾,即便是通過了上述3個(gè)步驟的處理得到了成像結(jié)果,往往成像結(jié)果中會(huì)摻雜一些噪聲信號(hào),對(duì)于后續(xù)的遠(yuǎn)探測(cè)成像解釋提出了極大地挑戰(zhàn)。為此,需要對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的過濾處理(數(shù)值圖像處理技術(shù)),以達(dá)到壓制干擾噪聲、突顯有效反射體的目的,成像結(jié)果過濾處理包括去掉平行于井軸的垂向干擾和垂直于井軸的橫向干擾。圖5第3道為成像處理后的結(jié)果,可以看出,井眼和反射體周圍存在不同程度的噪聲干擾,經(jīng)過成像過濾處理之后,即可得到圖5第4道所示的過濾處理結(jié)果,成像效果更整潔、清晰。

3 應(yīng)用效果分析

圖6為砂泥巖地層偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像結(jié)果與超聲井壁測(cè)井成像結(jié)果對(duì)比圖。遠(yuǎn)探測(cè)成像數(shù)據(jù)為四分量交叉偶極數(shù)據(jù),圖6中僅顯示了東西方向和南北方向2個(gè)成像方位的處理結(jié)果。從圖6中南北向遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果可以清楚地看到井旁存在不同傾角的反射體,并且反射體的連續(xù)性較好,該井段是中速地層,徑向成像深度為25 m。對(duì)比圖6中東西向和南北向成像結(jié)果,可以看到南北向成像的信號(hào)幅度要大于東西向成像的信號(hào)幅度,說明反射體位于北北東—南南西方向,有些反射體只能在南北向看到而東西向卻沒有,說明反射體正南正北走向。圖6中最右側(cè)為箭頭所示深度段的超聲井壁成像圖(2 238～2 243 m和2 264～2 272 m),從超聲井壁成像圖上可以看出,井壁附近存在大量不同傾角的裂縫,并且大部分裂縫的傾向?yàn)槟媳狈较?通過對(duì)比可以確定遠(yuǎn)探測(cè)的成像反射體即為斜交井眼的裂縫,從而將超聲井壁得到的裂縫與延伸進(jìn)入地層的裂縫聯(lián)系了起來,其徑向延伸范圍最大可達(dá)25 m。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),遠(yuǎn)探測(cè)成像結(jié)果與超聲井壁成像結(jié)果的解釋吻合。

圖6 砂泥巖地層偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像結(jié)果與超聲井壁測(cè)井成像結(jié)果對(duì)比圖

圖7為碳酸鹽巖地層橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像結(jié)果。圖7中第1道是原始偶極波形變密度圖,第2道是成像結(jié)果圖。成像數(shù)據(jù)為交叉偶極xx方向數(shù)據(jù)(測(cè)井只記錄了xx方向數(shù)據(jù)),故圖7中反射體的方位無法確定,并且如果儀器旋轉(zhuǎn)則會(huì)出現(xiàn)成像反射體斷續(xù)的情況。從圖7中可以清晰地看到井旁地層內(nèi)大量過井的反射體,這些反射體都具有良好的過井延續(xù)性,見圖7中紅色箭頭所示。另外,藍(lán)色箭頭所示為角度較低的反射體,仍然能夠得到清晰的成像結(jié)果。結(jié)合其他測(cè)井資料分析結(jié)果,該井井斜基本為零,經(jīng)計(jì)算圖7中高角度反射體的傾角為46 °左右,過井的反射體為地層內(nèi)高角度裂縫帶。

圖7 碳酸鹽巖地層遠(yuǎn)探橫波測(cè)測(cè)井成像結(jié)果

圖8是西部某井井旁縫洞型構(gòu)造的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像圖。從圖8中可以清晰的看出,井旁25 m范圍內(nèi)存在多處反射體,這些反射體在東西和南北方向成像的構(gòu)造形態(tài)很不相同。圖8的上部構(gòu)造多呈線型,且多分布于南北向,圖8的下部構(gòu)造多為弧形,且多分布于東西向,根據(jù)1.1小節(jié)和1.2小節(jié)分析可知,線型構(gòu)造與弧形構(gòu)造的走向幾近正交。結(jié)合其他資料分析結(jié)果,綜合判斷該層段的反射體為碳酸鹽巖地層的縫洞型構(gòu)造,并且該井試油資料顯示該井段有高產(chǎn)工業(yè)油流產(chǎn)出。

圖8 西部某井井旁縫洞型構(gòu)造的偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像圖

4 結(jié) 論

(1) 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)資料處理中,SH或SV橫波提供了使用偶極聲波測(cè)井儀進(jìn)行反射波成像的基礎(chǔ)。它不僅可以得到井旁反射體的空間位置,也可以通過四分量數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn),反演得到井旁反射體的走向。

(2) 大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理與檢驗(yàn)表明,該方法技術(shù)可靠,處理高效,結(jié)果合理,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的需要。該技術(shù)能夠有效探測(cè)特殊儲(chǔ)層中的地質(zhì)構(gòu)造,例如地層中的裂縫帶和碳酸鹽巖地層的縫洞型構(gòu)造等,可為井旁儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測(cè)提供技術(shù)支持和依據(jù)。

(3) 偶極橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井成像處理技術(shù)能夠真實(shí)反映井旁地質(zhì)構(gòu)造,較傳統(tǒng)的單極縱波技術(shù)看得更遠(yuǎn),而且成像結(jié)果包含方位信息。

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