随钻四极子声波测井仪在油田勘探开发中的应用

盛达,于洋,祁晓

(1.中海石油(中国)有限公司,北京100010;2.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部,河北三河065201)

0 引 言

声波测井是地球物理测井的重要分支,电缆声波测井从早期的单极子声波测井,逐步发展为具有方位性的交叉偶极声波测井[1]。基本可以满足气层识别、储层物性参数分析、岩石力学参数计算、各向异性评价、合成地震记录等方面的需要。目前国内外的电缆声波测井已经比较成熟[2],但当遇到复杂井况且对数据的实时性要求较高时,随钻测井技术就显得尤为重要。随钻测井在钻井的同时完成测井作业,既减少时间、节约成本,又能在保持地层原状、不受钻井液侵入的情况下完成测量,获得地层真实信息[3]。

自20世纪90年代初斯伦贝谢公司首次推出随钻单极子声波测井仪ISONIC之后,哈里伯顿、贝克休斯等公司也相继推出了随钻声波测井仪器,在国内外多个油藏区块获得商业化应用。后续,在软地层中获得横波的需求推动了随钻多极子声波仪器的发展[4]。Varsamis等[5]利用有限元模拟并设计了随钻偶极子声波仪,即哈里伯顿的BAT仪器。Tang等[6]认为随钻偶极子声波测井仪无法有效消除钻铤波的影响。Tang提出钻铤波四极子存在截止频率,可以在低频段得到不受钻铤影响的地层四极子波,Huang、Tang等[7-8]的数值模拟结果也可以表明随钻四极子是测量地层横波的最佳选择。国外油服公司相继推出了随钻四极子声波测井仪,以全球最大的油田服务公司斯伦贝谢公司为例,其推出的SonicScope系列随钻四极子声波仪器可以获得高质量的纵波、横波数据[9]。中国随钻测井仪器的相关研发起步较晚,崔志文、王华等[10-11]模拟了随钻环境下井孔内外的声学特征。同时在隔声体、电路系统、钻铤及数据处理方法研究等方面取得了不少突破[12-17]。2019年,中海油田服务股份有限公司自主研制的随钻四极子声波测井仪(Quadrupole Array Sonic Tool,简称QUAST仪器),首次在新疆实验测试成功。后续在渤海海域、南海西部海域、山西、伊拉克等地实现了十余口井的商业化作业,标志着中国自主研发的随钻四极子声波测井技术已打破国外垄断,推动了中国在随钻声波技术领域的进步。

1 QUAST仪器简介

QUAST仪器从上至下依次为接收电路、扶正器、接收声系、隔声体、四极子和单极子发射声系、扶正器及发射电路,仪器整体挂接在中海油田服务股份有限公司研发的Drilog®随钻测井系统上。仪器的发射声系部分由1组单极子发射换能器和1组四极子发射换能器组成。接收声系采用了阵列接收方式,每隔90°在钻铤的凹槽内安装8个接收换能器,共32个接收换能器。发射和接收声系的上下分别安装了扶正器,保证仪器在钻井时居中测量。发射电路和接收电路分别安装在钻铤内部,中间依靠过线杆实现通讯。仪器工作时主要采用3种测量模式:单极子全波模式、四极子横波模式及低频斯通利波模式。

1.1 仪器主要特征

(1)仪器电路设计

QUAST仪器电路设计采用大数据存储技术,可以满足随钻长时间测量、大数据存储的特点,同时可以兼顾数据安全、重复使用、接口及温度等影响,解决大数据量的存储技术问题。

采用预加重编码技术,设计了一套远距离高速传输电路。在200 m传输距离的实际测试中,传输速率可以达到1 Mbps,满足了测井时占用井口时间短的要求。

随钻声波电路设计了远程升级机制,在仪器需要升级处理器程序时,不需要完全拆开电路系统。同时,在随钻声波电路系统设计中加入了安全备份启动模式,可以进一步提高系统的可靠性。

(2)换能器最优化

换能器是随钻声波测井仪器的核心部件,随钻四极子的机械设计比随钻单极子的设计要复杂很多,而圆弧状压电阵子又是随钻声波测井仪的重中之重。

QUAST仪器设计前对压电阵子的几何尺寸进行模拟,并进行了最优化设计,保证既能满足钻铤波模式波隔声阻带中心频率的要求,又能满足发射换能器具有最大的声辐射效率。采用4组条带换能器固定在钻铤凹槽内的方式,使接收声系具有灵敏度高、结构抗震、易于维修保养等优点。

(3)隔声体有效阻噪

QUAST仪器的隔声体采用了一种新型的隔声结构,钻铤外表面光滑,钻铤内部槽结构,这种隔声结构可有效地将钻进过程中产生的钻铤波滤除,使钻铤波与地层波在频率域很好地分隔,仪器可以测量到高质量的地层波信号。

(4)仪器关键参数

基于电路设计、换能器、隔声体等重要组成结构的优化设计,QUAST仪器拥有良好的耐温、耐压、抗震等性能,仪器最高耐温可达150 ℃,最高工作压力可达20 000 psi[注]非法定计量单位,1 psi=6 894.76 Pa,下同,抗震加速度可达196 m/s2。同时可以测量任意地层的纵波、横波及斯通利波,其中,纵波测量范围为4～200 μs/ft,测量误差为±2 μs/ft[注]非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同;横波测量范围为6～700 μs/ft,测量误差为5 μs/ft;斯通利波测量范围为189～800 μs/ft,测量精度为5 μs/ft。

1.2 QUAST仪器测量数据质量分析

QUAST仪器在2019年推出之后,在经过试验室验证、实验井测量之后,于2020年12月31日在渤海H25H井进行了实钻测量,该井同时进行了单极子和四极子数据测量,下面以这口井实际测量的波形数据为例分析随钻测量的数据质量。

图1 H25H井随钻单极子、四极子波形变密度图

(1)原始波形分析

图1为该井实际测量的随钻声波数据,其中第1道为测量深度道,第2道为随钻单极子声波原始全波列道,第3道为对随钻单极子采用8～15 kHz频率进行带通滤波后的全波列,第4道为随钻四极子声波原始全波列道,第5道为对随钻四极子采用1～4 kHz频率进行带通滤波后的全波列,第6道为地层纵波时差联合相干图,第7道为地层螺旋波时差联合相干图,第8道为时差曲线对比图。图1中第2道单极子声波原始全波列中清晰的竖直状首波为钻铤波,钻铤波后为地层纵波,由于地层为软地层,所以单极子波列中无横波波形,纵波后较低频率的为斯通利波。对单极子全波列进行滤波后,就可以把钻铤波以及低频噪音滤掉,在图1中第3道只剩下纵波波形;同样,对图1中第4道四极子全波列进行滤波后,就可以把低频噪音滤掉,在图1中第5道只剩下螺旋波波形。为了进一步分析不同接收上的波形质量,取深度点1 556.8 m处的随钻声波波形进行回放,结果见图2。图2中,随钻单极子、四极子全波中阵列波形线性度较好,波形频谱一致性较好,随钻单极子波形频谱中心频率在10 kHz左右,随钻四极子波形频谱中心频率在3 kHz左右,综上所述可知,随钻声波测得的全波列数据质量良好、可靠。

(2)钻挺波的隔声效果分析

图2 H25H井1 556.8 m处随钻单极子、四极子全波波形及频谱分析

图3 H25H井随钻全波波形滤波前后波形对比图

QUAST仪器采取独特的隔声体设计,可以使钻铤波与地层波在频率域存在阻带,在时差提取的过程中需要用滤波的方法将钻铤波滤除。图3(a)中原始随钻单极子阵列波形由左到右依次为钻铤波、地层纵波、斯通利波。根据仪器内刻槽钻铤的隔声阻带为8～15 kHz这一特征,对随钻单极子全波采用该频段进行滤波,钻铤波被有效滤除,可以在滤波后的波形[见图3(b)]看到更为清晰的地层纵波信息,地层纵波相关性明显增强,所得地层纵波时差更加可靠。图3(c)中原始随钻四极子阵列波形由左到右依次为钻铤波、螺旋波,四极子模式的钻铤波频率较高,其频带范围大于5 kHz,采用1～4 kHz对图3(c)中原始四极子全波列进行滤波,图3(d)中的钻铤波被有效滤除,螺旋波更加清晰,从中提取出的螺旋波时差相关性明显增强,所得地层横波时差更加可靠。最终时差的结果如图1所示,在地层纵、横波联合相干图中,地层纵波、横波的相关性较高,在0.9左右。地层纵、横波时差曲线相关性较好,说明最终拾取的地层声波时差结果可靠。

(3)钻铤波的时差验证

为了验证时差提取结果的正确性,从随钻单极子全波中提取了钻铤波时差,H25H井钻铤波时差平均值为59.3 μs/ft,与理论模拟的钻铤波速度5 100 m/s(相当于59.8 μs/ft)近乎相等。

以上对波形、频谱及钻铤波时差的分析表明QUAST仪器测量结果可靠,得到准确的纵横波时差是后期应用的基础。

2 应用实例

2.1 大斜度井的纵波、横波时差测量

秦皇岛32-6油田主要含油层系为明化镇组下段(简称明下段)和馆陶组。该井目的层砂体为明下段Ⅰ油组3砂体,属于曲流河沉积,平面呈片状分布,井间储层对比关系较好,储层分布较稳定。为了挖掘井间剩余油、提高储量动用程度、完善井网,设计实施利用QUAST仪器钻进H22H水平调整井,最大井斜为89.29°,其邻井B4S1井为小斜度井,最大井斜为28.67°,利用电缆声波仪器进行测量,这2口井钻遇同一目的层,且距离较近。

H22H井在目的层中横波时差的众数为299.3 μs/ft,B4S1井在目的层中横波时差的众数为297.7 μs/ft,且2口井时差结果分布范围吻合。图4为提取的时差与自然伽马及电阻率的对比图,可以看到纵横波时差相关性较好,且趋势与自然伽马、电阻率曲线对应良好:当自然伽马升高时,电阻率降低,时差有变小趋势(软地层);当自然伽马降低时,电阻率升高,时差有变大趋势。该井测量结果表明,QUAST仪器可以在软地层获得高质量的地层纵波及横波时差。

图4 H22H井时差与自然伽马、电阻率对比图

2.2 复杂储层的储层参数计算

出于钻井安全考虑,可在复杂储层开发过程中利用随钻声波计算储层孔隙度以代替放射性污染风险比较大的中子、密度测井。伊拉克62H井为62P井的一口侧钻井,62P井为直井,利用电缆阵列声波仪器进行测量,62H井为水平井,利用QUAST仪器进行测量。2口井钻遇的目的层均为碳酸盐岩地层,且2口井钻遇到相同的层位。将2口井相同层位的纵波时差进行统计,纵波时差的范围基本一致,说明随钻声波数据质量可靠。在碳酸盐岩目的层中,利用声波时差可以进行储层参数的计算,具体计算的结果见图5。在大斜度井或水平井中,仅利用QUAST仪器就可以完成储层参数的计算。

2.3 随钻固井质量评价

海上油田的大斜度井、水平井日益增多,也推动了基于随钻测井仪器的固井质量评价技术的发展[17]。利用QUAST仪器进行固井质量评价不仅能在大斜度井、水平井等复杂井况下获得地层声波信息,同时在上提仪器滑眼测量过程中同时得到上一开井眼的固井质量信息,能极大地降低作业风险,节约测井成本。套管井射孔、老井开窗侧钻、井控安全等工程应用与固井质量评价关系密切[18]。因此,中海油田服务股份有限公司也推出了与QUAST仪器配套的固井质量评价技术。

图5 62H井储层参数计算结果图

图6 A13井固井质量评价结果图

A13井为开发多年的老井,油藏综合分析认为,该井原井位剩余储量潜力较大。因此,为尽快恢复产能,拟在固井质量好的井段进行侧钻。此井利用QUAST仪器进行固井质量评价,为验证随钻固井质量评价效果,此井还利用MUIL仪器进行了固井质量评价[19]。图6为A13井固井质量评价结果图,第3道、第4道分别为单极子全波列道与滤掉钻铤波后的全波列道,第5道为钻铤波时差联合相干图,第6道为套管波时差联合相干图,第7道为套管幅度,第8道为套管衰减,第9道为固井质量结论道,第10道为MUIL仪器计算的水泥声阻抗,第11道为最终建议侧钻位置道。图6中套管波幅度道与阵列衰减曲线道中曲线均为标准化后数值,无量纲。综合套管波幅度与衰减曲线,对固井质量进行评价,最终评价结论为680～754.8 m固井质量较差,为自由套管段;754.8～766 m固结质量中等;766～815 m固结质量较好。评价结论与MUIL仪器评价结论吻合,验证了随钻固井质量评价效果良好,最终建议侧钻深度为791.8～794.8 m。QUAST仪器的固井质量评价,拓展了随钻声波在工程中的应用。

3 结 论

(1)QUAST仪器在电路、隔声体、换能器设计等方面具有诸多优势。电路系统关键技术的实现,解决了随钻测量过程中大数据存储、高速率传输、远距离升级等难题;在钻铤凹槽内固定4组条带换能器的方式,使接收声系具有灵敏度高、结构抗震、易于维修保养等优点。独特的内外刻槽隔声体技术使钻铤波与地层波在频率域很好的分隔,易于测量到高质量的地层波信号。

(2)QUAST仪器可在大斜度井、水平井等复杂井况下测量地层纵波、横波以及斯通利波时差信息,在渤海浅层疏松地层及伊拉克碳酸盐地层均取得了良好的测量效果。

(3)在复杂储层开发中尝试采取与电阻率相结合的方式进行储层参数评价取得了良好的应用效果,表明在不需要压实校正的复杂储层中随钻声波测井可代替放射性污染风险比较大的中子、密度测井进行储层孔隙度评价,未来可进行渗透率计算及裂缝识别与判断;

(4)利用QUAST仪器提出了固井质量评价新技术,利用QUAST仪器通过一次下井,不仅能在复杂井况下获得地层声波信息,同时在上提过程中得到上一开井眼的固井质量信息,能极大地降低作业风险,节约测井成本,拓展了随钻声波测井在工程测井方面的应用。