朱祖揚

(1 頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室 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行評價[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，波速周向變化測量和遠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)時能夠?qū)艿貙铀俣瘸上?；中國科學院地質(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聲源激發(fā)的聲場，研究其在井孔中接收的響應特征，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)導向的實際需求出發(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，給出了應用反射縱波識別井外地層界面的實施方案。

目前多極子聲源和偏心點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為沒有方向性則不予使用，未能挖掘隨鉆單極子聲波測井數(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探測實驗。這項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和地質(zhì)導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 個單極子聲源發(fā)射聲波，8 個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，每個接收器陣列又包含了8個接收單元，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 個方向的接收器陣列獨立接收聲波，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，所對應的地層分別是A 和C 扇區(qū)地層，由于這兩個扇區(qū)的地層縱波速度和橫波速度不同，導致了接收到的波形形狀不同。圖3 給出了這兩個方位角的接收波形的時間慢度相關(guān)(Slowness time coherence, STC)圖[19]，其中方位角0?所對應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，說明這兩個方位角所對應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?的接收波形的時間慢度相關(guān)圖，從而得到了波速周向變化圖。計算得到方位角0?、90?、180?、270?所對應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。計算結(jié)果表明，地層縱波速度計算值偏差為4.17%、3.40%、4.76%和3.40%，地層橫波速度計算值偏差為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，所在方向為方位角0?。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，模型的聲學參數(shù)如表2所示。

表2 反射波探測模型聲學參數(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 個方向的接收器陣列獨立接收聲波，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，即直達波和反射波。方位角0?直達波到時為0.75 ms，直達波幅度為1000，而反射波到時為4.08 ms，反射波幅度為30.08；方位角180?直達波到時和直達波幅度與方位角0?的情況一致，而反射波到時為4.16 ms，反射波幅度為12.30。因此方位角0?的反射波到時要小于方位角180?的反射波到時，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?，反射波到時由大變小，反射波幅度則由小變大。這是因為鋁質(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，距離近反射波到時小和幅度衰減小，距離遠反射波到時大和幅度衰減大。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 接收波形多了一個二次反射波，這是因為接收單元R8 比接收單元R1 離聲源的距離更遠。圖8 給出了不同接收單元(R1 和R8)的反射波方位特性，即反射波到時和反射波幅度對方位的敏感性，進一步說明，隨著方位角由0?增加到180?，反射波到時由小變大，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 的反射波到時和反射波幅度可以看出，方位角0?的反射波到時為4.32 ms，反射波幅度為21.92，方位角180?的反射波到時為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要大于接收單元R1 接收到的反射波到時，同時接收單元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，這是因為接收單元R8 比接收單元R1 離聲源的距離更遠。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 隨鉆單極子聲波遠探測實驗

設計了一套隨鉆聲波測量裝置用于聲波遠探測實驗，該裝置包括一個發(fā)射短節(jié)和一個接收短節(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)上安裝了一個單極子聲波發(fā)射換能器(標識符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 個寬頻接收換能器(標識符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探測實驗，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，并且兩個短節(jié)在一個垂線上，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，設置了1.00 m、3.00 m、5.00 m 和7.00 m 等4個反射界面距離。

圖9 聲波遠探測水池實驗Fig.9 Water tank experiment of acoustic remote detection

開展了4 次實驗，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，每一道波形記錄時長為20.00 ms，實際波形有效時長為12.00 ms，記錄的波形包含了直達波和反射波，如圖10所示。從圖10可以看出，直達波在前，反射波在后，直達波幅度大，反射波幅度小，這是因為直達波為聲波從發(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致了聲波到時和聲波幅度也不一樣。隨著反射界面距離由小變大，反射波到時逐漸變大，反射波幅度逐漸變小。對R1 和R2 記錄的波形進行了處理，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，這是因為反射界面距離越大，反射波到時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。實驗證明，隨鉆單極子聲源可以準確測量到反射界面距離，在合適尺度范圍內(nèi)進行聲波遠探測是可行的。

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

表3 聲波遠探測實驗數(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數(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探測實驗，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數(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行聲波遠探測是可行的。因此隨鉆單極子聲波測井技術(shù)在非均勻性地層評價和地質(zhì)導向鉆井等方面具有廣闊的應用前景。